1.2 控制理论概述

流体控制系统-流体力学 Navier–Stokes equations et.al
过程(冶金/化工)控制系统 Cahn–Hilliard equation et.al. …… ……. ……
参数未知
系统辨识/参数辨识
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控制系统分析与设计的一般流程

第一步： 系统建模(System Modeling)
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1.2.1 若干典型的控制系统示例
质量-弹簧-阻尼机械系统 (Mass-Spring-Damper Mechanical System)
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1.2.1 若干典型的控制系统示例
液位控制系统 (Liquid level Control system)
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控制器设计
设计任务
镇定/跟踪 (Stabilization/Tracking)
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第三步： 系统综合(System Synthesis)
控制器设计
设计任务 控制器结构 控制性能 反馈形式
镇定/跟踪 (Stabilization/Tracking) 动态控制器（全阶/低阶/PID）, 静态控制器 LQR/LQG; Hinf/H2; 状态反馈；输出反馈 最小二乘；上升时间/超调量,…

第一步： 系统建模(System Modeling) 第二步： 系统分析(System Analysis) 第三步： 系统综合(System Synthesis)
自动化系仪自教研室
1.2.2 控制系统分析与设计的一般流程
控制系统设计的经典(基于模型)方法

第一步： 系统建模(System Modeling) 第二步： 系统分析(System Analysis) 第三步： 系统综合(System Synthesis)
卫星/火箭姿态控制系统 (Rocket/ Guided-missile system)
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1.2 控制理论概述 1.2.1 若干典型的控制系统示例 1.2.2 控制系统分析与设计的一般流程 1.2.3 古典控制理论 1.2.4 现代控制理论 1.2.5 后现代控制理论
预处理
信号与系统 控制任务
建模
基于机理的建模 基于数据的建模
后处理
线性化 / 空间离散化 模型降阶 / 模型补偿
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控制系统分析与设计的一般流程

第一步： 系统建模(System Modeling)
非线性模型
线性化 Linearization 空间离散化 Spatial Discretization 模型降阶 Model Order Reduction 模型补偿 Dissipative Enforcement
流体控制系统-流体力学 Navier–Stokes equations et.al
过程(冶金/化工)控制系统 Cahn–Hilliard equation et.al. …… ……. ……
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控制系统分析与设计的一般流程

第一步： 系统建模(System Modeling)
自动化系仪自教研室
1.2.2 控制系统分析与设计的一般流程
控制系统设计的经典(基于模型)方法

第一步： 系统建模(System Modeling) 第二步： 系统分析(System Analysis) 第三步： 系统综合(System Synthesis)
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1.2.2 控制系统分析与设计的一般流程
自动化系仪自教研室

控制系统分析与设计的一般流程

第二步：系统分析(System Analysis)
耗散性
无源性（正实） /收缩性（有界实）… 负虚性
f (u (t ), x(t ))
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1.2.2 控制系统分析与设计的一般流程
控制系统设计的经典(基于模型)方法
自动化系仪自教研室
1.2.2 控制系统分析与设计的一般流程
控制系统设计的经典(基于模型)方法

第一步： 系统建模(System Modeling) 第二步： 系统分析(System Analysis) 第三步： 系统综合(System Synthesis)
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控制系统分析与设计的一般流程
Controller
uk
Control signal
(+)
Feedback signal b(t)
Actuator
uact
Actuating signal
Process
Output c(t) (actual output)
measurement
Fig. 1.11
闭环控制 (1). 在系统响应远离设定值区域时，可采用开关模式进行控制， 使系统快速向设定值回归； (2).在极值附近时减少控制量．直到误差趋势渐小时，保持控制

第二步：系统分析(System Analysis)
稳定性
渐进稳定/指数稳定 全局稳定/半全局稳定/局部稳定
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控制系统分析与设计的一般流程

第二步：系统分析(System Analysis)
稳定性
渐进稳定/指数稳定 全局稳定/半全局稳定/局部稳定
x(t ) xe , u (t ) 0
智能控制基础
1. 绪论 1.2 控制理论概述
上海大学-机电工程与自动化学院-自动化系
1
1.2 控制理论概述 1.2.1 若干典型的控制系统示例 1.2.2 控制系统分析与设计的一般流程 1.2.3 古典控制理论 1.2.4 现代控制理论 1.2.5 后现代控制理论
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1.2 控制理论概述 1.2.1 若干典型的控制系统示例 1.2.2 控制系统分析与设计的一般流程 1.2.3 古典控制理论 1.2.4 现代控制理论 1.2.5 后现代控制理论
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1.2.1 若干典型的控制系统示例
电容-电感-电阻电路系统 (Resistor-Inductor-Capacitor Circuit System）
uk
Actuator Control signal Fig. 1.10
uact
Process Actuating signal
开环控制
(1). 在系统响应远离设定值区域时，可采用开关模式进行控制， 使系统快速向设定值回归； (2).在极值附近时减少控制量．直到误差趋势渐小时，保持控制
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Kirchhoff's Laws et.al
机械系统-机械力学
Euler–Lagrange equation Newton's second law et.al
热力系统-热力学
Thermodynamic equations et.al
电磁系统-电磁学
Maxwell's equations et.al
信号与系统 控制任务
预处理
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控制系统分析与设计的一般流程

第一步： 系统建模(System Modeling)
信号与系统

执行器
被控对象

传感器
信号
测量输出信号
测量噪声信号
系统干扰信号 控制输入信号 参考输出信号
u
控制任务
y
控制器


y
u
r
r
跟踪/稳定； 控制目标函数
可控/可观
可控性/可稳性 可观性/可检性
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控制系统分析与设计的一般流程

第二步：系统分析(System Analysis)
稳定性
渐进稳定/指数稳定 全局稳定/半全局稳定/局部稳定
可控/可观
可控性/可稳性 可观性/可检性
耗散性
无源性（正实） /收缩性（有界实）… 负虚性
线性模型
偏微分方程
常微分方程
高阶模型
低阶模型
非耗散模型
耗散模型
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1.2.2 控制系统分析与设计的一般流程
控制系统设计的经典(基于模型)方法

第一步： 系统建模(System Modeling) 第二步： 系统分析(System Analysis) 第三步： 系统综合(System Synthesis)
基于机理的建模方法示例-RLC串联电路
R
L
建模依据： Kirchhoff‘s 电压定理
ur
i
C
uc
数学模型：
输入信号 → ur 输出信号→ uc。
di duc Ri L uc ur i C dt dt d 2uc duc LC 2 RC uc ur dt dt
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输入信号 → F 输出信号→ y

控制系统分析与设计的一般流程

第一步： 系统建模(System Modeling)
基于机理的建模
电路系统-电路理论
基于数据的建模
白箱模型 (White Box) 结构已知
Kirchhoff's Laws et.al
机械系统-机械力学
Euler–Lagrange equation Newton's second law et.al
1.2.1 若干典型的控制系统示例
温度控制系统 (Electric heating furnace system)
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1.2.1 若干典型的控制系统示例
倒立摆姿态控制系统 (Inverted Pendulum System)
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1.2.1 若干典型的控制系统示例
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控制系统分析与设计的一般流程

第一步： 系统建模(System Modeling)

开环控制系统(Open loop control systems)
Disturbance (Noise) Input r(t) Reference desired output Controller Output c(t) (actual output)
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控制系统分析与设计的一般流程

第三步： 系统综合(System Synthesis)
控制器设计

Actuator
Plant

Sensor
u
Controller
y
Designing control low:
u Gyu (s) y Gru (s)r
r
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第三步： 系统综合(System Synthesis)
自动化系仪自教研室

控制系统分析与设计的一般流程

第一步： 系统建模(System Modeling)
预处理
信号与系统 控制任务
建模
基于机理的建模 基于数据的建模
Hale Waihona Puke Baidu
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控制系统分析与设计的一般流程

第一步： 系统建模(System Modeling)
基于机理的建模
电路系统-电路理论
控制系统设计的经典(基于模型)方法

第一步： 系统建模(System Modeling) 第二步： 系统分析(System Analysis) 第三步： 系统综合(System Synthesis)
自动化系仪自教研室
1.2.2 控制系统分析与设计的一般流程

第一步： 系统建模(System Modeling)

控制系统分析与设计的一般流程

第一步： 系统建模(System Modeling)
基于机理的建模方法示例-质量-弹簧-阻尼机械系统 建模依据：
F
k
牛顿力学原理
m
y
f
数学模型：
dy d2y F ky f m 2 dt d t d2y dy m 2 f ky F dt dt
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热力系统-热力学
参数未知 (Parameter Identification)
灰箱模型 (Gray Box) 结构未知&固定 参数未知 黑箱模型(Black Box) 结构未知&待定
Thermodynamic equations et.al
电磁系统-电磁学
Maxwell's equations et.al

控制系统分析与设计的一般流程

第一步： 系统建模(System Modeling)
闭环控制系统 (Closed loop (feedback) control systems)
Disturbance (Noise) Input r(t) Reference desired output
+
e(t)= r(t)-b(t)
t
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控制系统分析与设计的一般流程

第二步：系统分析(System Analysis)
稳定性
渐进稳定/指数稳定 全局稳定/半全局稳定/局部稳定
可控/可观
可控性/可稳性 可观性/可检性
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控制系统分析与设计的一般流程

第二步：系统分析(System Analysis)