自动控制原理高国燊.PPT

自动控制原理 山东理工大学 李素玲 引 言 什么是自动控制? 交通系统： 制造系统： 家用电器： 电扇：控制转速 智能建筑： 工业机器人： 其他机器人： 自动控制的应用领域 军事工业 航空航天 制造业 机器人 流程工业 电子工业 家用电器 交通系统，楼宇系统，经济系统，社会系统 … 要把数吨重人造卫星送入数百公里高空的轨道，使其所携带的各种仪器能长期使用、准确地工作，就必须保持卫星的正确姿态，使它的太阳能电池一直朝向太阳，无线电发射天线一直指向地球；  要使数控机床能加工出高 精度的工件，就必须保证 其工作台或刀架的进给量 准确地按照程序指令的设 定值变化； 所有这一切都是以高水平的自动控制技术为前提的。 自动控制理论的发展概况 随着自动控制技术的广泛应用和迅猛发展，出 现了许多新问题，这些问题要求从理论上加以解决。 自动控制理论正是在解决这些实际技术问题的过程 中逐步形成和发展起来的，它是研究自动控制技术 的基础理论，是研究自动控制共同规律的技术科学。 按其发展的不同阶段，可把自动控制理论分为经典 控制理论和现代控制理论两大部分。 经典控制理论也就是自动控制原理，是20世纪 40年代到50年代形成的一门独立学科。早期的控制 系统较为简单，只要列出微分方程并求解之，就可 以用时域法分析他们的性能。第二次世界大战前后， 由于生产和军事的需要，各国均在大力研制新型武 器，于是出现了较复杂的控制系统，这些控制系统 通常是用高阶微分方程来描述的。由于高阶微分方 程求解的困难，各种控制系统的理论研究和分析方 法就应运而生。1932年奈奎斯特（H.Nyquist）在 研究负反馈放大器时创立了有名的稳定性判据，并 提出了稳定裕量的概念。 在此基础上，1945年伯德（H.W.Bode）提出 了分析控制系统的一种图解方法即频率法，致使研 究控制系统的方法由初期的时域分析转到频域分析。 随后，1948年伊文斯（W.R.Evans）又创立了另 一种图解法即有名的根轨迹法。追溯到1877年，劳 斯（E.Routh）和1895年赫尔维茨（A.Hurwitz） 分别独立地提出了关于判断控制系统稳定性的代数 判据。这些都是经典控制理论的重要组成部分。50 年代中期，经典控制理论又添加了非线性系统理论 和离散控制理论，从而形成了完整的理论体系。 40~50年代 ? 经典控制理论 （频域法或复频域法）核心：传递函数，稳定性、稳定裕度等特点：图形方法，直观简便，设置参数少， （以简单控制结构获取相对满意的性能） 适用范围：单输入单输出（SISO）系统数学基础：复变函数，积分变换 50年代开始，由于空间技术的发展，各种高速、 高性能的飞行器相继出现，要求高精度地处理多变 量、非线性、时变和自适应等控制问题，60年代初 又形成了现代控制理论。现代控制理论的基础是： 1956年庞特里亚金提出了极大值原理，1957年贝 尔曼（R.Bellman）提出了动态规划，1960年卡尔 曼（R.E.Kalman）提出了最优滤波理论以及状态 空间方法的应用。从60年代至今40多年来，现代控 制理论又有巨大的发展，并形成了若干学科分支， 如线性控制理论、最优控制理论、动态系统辨识、 自适应控制、大系统理论等。 60 ~70年代 ? 现代控制理论（状态空间法）核心：状态变量的能控、能观性， 系统性能的最优化特点：时域法，统一处理SISO、MIMO系统， 有完整的理论体系 数学基础：线性代数，矩阵理论缺点：对系统的数学模型精度要求高， 实际性能达不到设计的最优， 所需状态反馈难以直接实现 70年代~现在 ? 多种新型控制理论 多变量频域控制理论① 经典SISO→MIMO；② 基于互质分解的全新的频域优化理论 鲁棒控制（robust control）鲁棒性（robustness）：系统存在模型误差或 受到扰动时仍能保持良好性能的能力鲁棒控制：使系统具有良好鲁棒性的控制 自动控制技术的应用，推动了控制理论的发展；而 自动控制理论的发展，又指导了控制技术的应用， 使其进一步完善。随着科学技术的发展，自动控制 技术及理论已经广泛的应用于机械、冶金、石油、 化工、电子、电力、航空、航海、航天、核反应等 各个学科领域。近年来，控制科学的应用范围还扩 展到生物、医学、环境、经济管理和其他许多社会 生活领域，并为各学科之间的相互渗透起了促进作 用。可以毫不夸张地说，自动控制技术和理论已经 成为现代化