自动控制理论基础第1章2007.ppt

自动控制理论基础 广州民航职业技术学院飞机维修工程学院 杨鹏 2011年9月 自动控制理论基础 第一章 自动控制的一般概念 1-1 引言 1-2 自动控制系统的一般概念 1-3 自动控制系统的基本类型 1-4 自动控制系统示例 1-5 控制系统性能 1.1 引言 1. 自动控制技术及其应用 在现代科学技术的众多领域中，自动控制技术起着越来越重要的作用。所谓自动控制，就是在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（控制装置），使机器、设备或生产过程（控制对象）的某个工作状态或参数（被控量）自动地按照预定的规律运行。如数控车床按预定程序自动切削，人造卫星准确进入预定轨道并回收等。 自动控制技术除了在工业上广泛应用外，近几十年来，随着计算机技术的发展和应用，在宇航、机器人控制、导弹制导及核动力等高新技术领域中，自动控制技术更具特别重要的作用。不仅如此，自动控制技术的应用范围现在已扩展到生物、医学、环境、经济管理和其它许多社会生活领域中，自动控制已成为现代社会生活中不可缺少的一部分。 自动控制系统：是指能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统。它一般由控制装置和被控对象组成。被控制对象是指那些要求实现自动控制的机器、设备或生产过程。控制装置是指对被控对象起控制作用的设备总体。如利用自动驾驶仪对飞机进行控制，使飞机安全的飞往目的地。 举例 2.自动控制理论 古典（经典）控制理论：单输出的线性定常系统作为研究对象，数学模型采用以拉氏变换为基础建立起来的传递函数，其主要方法包括时域响应法、频率特性法和根轨迹法。 现代控制理论：多输出的非线性及时变（非定常）系统作为研究对象，基于状态空间法、贝尔曼动态规划法和卡尔曼滤波技术等方法实现最优控制、最优滤波和自适应控制的理论和方法，克服了经典控制理论的很多局限性，为控制技术的发展开辟了更加宽广的道路。 2. 自动控制理论的发展 自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。既是一门古老的、已臻成熟的学科，又是一门正在发展的、具有强大生命力的新兴学科。 开始多用于工业：压力、温度、流量、位移、湿度、粘度自动控制 后来进入军事领域：飞机自动驾驶、火炮自动跟踪、导弹、卫星、宇宙飞船自动控制 目前渗透到更多领域：大系统、交通管理、图书管理等 生物学系统：生物控制论、波斯顿假肢、人造器官 经济系统：模拟经济管理过程、经济控制论 经典控制理论 经典控制理论的基本特征 （1）主要用于线性定常系统的研究，即用于常系数线性微分方程描述的系统的分析与综合； （2）只用于单输入，单输出的反馈控制系统； （3）只讨论系统输入与输出之间的关系，而忽视系统的内部状态，是一种对系统的外部描述方法。 （4）数学模型采用以拉氏变换为基础建立起来的传递函数，其主要方法包括时域响应法、频率特性法和根轨迹法。经典控制理论比较直观，物理概念比较强，发展比较成熟完整。 现代控制理论 1954年贝尔曼（R.Belman)提出动态规划理论 1956年庞特里雅金（L.S.Pontryagin）提出极大值原理 1960年卡尔曼（R.K.Kalman)提出多变量最优控制和最优滤波理论 解决多输入、多输出、时变参数、高精度复杂系统的控制问题 在数学工具、理论基础和研究方法上不仅能提供系统的外部信息（输出量和输入量），而且还能提供系统内部状态变量的信息。它无论对线性系统或非线性系统，定常系统或时变系统，单变量系统或多变量系统，都是一种有效的分析方法。 大系统理论与智能控制 大系统理论是过程控制与信息处理相结合的系统工程理论，具有规模庞大、结构复杂、功能综合、目标多样、因素众多等特点。它是一个多输入、多输出、多干扰、多变量的系统。大系统理论目前仍处于发展和开创性阶段。 智能控制是从“仿人”的概念出发的。一般认为，其方法包括学习控制、模糊控制、神经元网络控制、和专家控制等方法。例人工智能、模拟人的人脑功能、机器人等。 被控对象的复杂性体现为:模型的不确定性，高度非线性，分布式的传感器和执行器，动态突变，多时间标度，复杂的信息模式，庞大的数据量，以及严格的特性指标等． 目前，计算机技术的突飞猛进，计算机控制广泛应用，不断为自动控制理论的进一步发展开拓着更加美妙的前景。 1.2 控制系统的一般概念 1．开环控制与闭环控制 开环控制是一种最简单的控制方式，是指系统的被控制量（输出量）只受控于控制作用，而对控制作用不能反施任何影响的控制方式。采用开环控制的系统称为开环控制系统。如图1-1所示（也称为最基本控制系统） 例如：图1-2 电加热炉 开环控制系统例题 　　在该系统中，对于每一个输入量，就有一个与之对应的工作状态和输出量，系统的精度仅取决于