控制工程基础 - 第一章.答案

• 1788年英国 Watt利用反馈 控制原理发明 了蒸汽调速器， 蒸气机的飞轮 调节器；极大 的提高了蒸汽 机的效率和性 能，成为第一 次工业革命的 标志
Watt Governor (1788) 调节蒸汽机速度
减少由负载不同的影响 (降低干扰)
– 剑桥大学G.B.Airy（1801～1892）发现系统不稳 定性，首次提出反馈系统的稳定性问题的研究。
总结
控制理论的发展：（工业控制理论）
1 经典控制理论 40~50年代形成 SISO系统 基于：二战军工技术 目标：反馈控制系统的镇定 基本方法：传递函数，频率法，PID调节器 (频域) 2 现代控制理论 60~70年代形成 MIMO系统 基于： 冷战时期空间技术，计算机技术 目标：最优控制 基本方法：状态方程 （时域）
– 1868法国J.C.Maxwell ‘论调速器’反馈概念，首 次全面论述了反馈系统的稳定性问题，建立系统的 稳分方程，在平衡点线性化后，获得代数特征方程， 并以方程根作为判断稳定性的判据。他成功解决了 二阶及三阶系统的稳定性。随后，剑桥大学的 E.J.Routh 与瑞典的 Hurwitz 解决了多阶系统的稳 定性判断。
y(t ) F (u ) 对于线性系统，则有 F (k1u1 k2u2 ) k1F (u1 ) k2 F (u2 )
• 3、按参数类型分：定常系统和时变系统
(t ) 3 y(t ) 4u (t ) y (t ) 3ty(t ) 4u (t ) y
线性定常系统
Black 反馈放大器 (1920s) 古典控制的数学基础 采用负反馈减少不稳定性（增加鲁棒性）
– H.Nyquist(1889-1976), H.W.Bode(1905-1982)美国Bell实验室著 名科学家。 1940提出频率响应法。他们的 工作为数据传输、通讯工程及经典控制中 的反馈系统稳定性分析奠定了基础。 – N ． B.Nichols 工程wk.baidu.com与同事 1942 年提出 了 PID 参数的最佳调节方法。发明 Nichols Chart，为二战雷达技术做出积极贡献。
控制效果：动态场地的灵活 动作，赢得比赛
控制工具
• 系统建模
系统分析 系统综合设计
• MATLAB Toolboxes SIMULINK Control System Neural Network Data Acquisition Optimization Fuzzy Logic Robust Control Instrument Control Signal Processing LMI Control Statistics Model Predictive Control System Identification
3 智能控制技术 90年代开始发展 专家系统 模糊控制 神经网络 4 正在发展的各个领域 自适应控制 大系统理论 H∞鲁棒控制 非线性控制（微分几何，混沌，变结构）
. 自动控制的概念及应用

1.控制：是使某些物理量按指定的规律变 化（包括保持恒定），以保证生产的安全 性，经济性及产品质量等要求的技术手段。
储水槽液面自动调节系统（闭环系统）
被控对象：水箱 被控量：水箱实际水位 给定量：给定水位
飞机俯仰角闭环控制系统
扰动
θ0
给 定 装 置
放 大 器
舵 机
飞 机
θ
反馈电 位器
垂直陀 螺仪
俯仰角控制系统方块图
闭环控制系统典型结构 干扰 给 定 装 置 比 较 装 置 校 正 装 置 放 大 装 置 执 行 装 置 控 制 对 象
6 控制方法
• 1、开环控制：系统的输出量对控制作用没
有影响。如洗衣机就是开环控制，洗衣机中， 浸泡、洗涤、漂洗、脱水过程是按照一种时基 顺序进行，不必对输出信号（衣服的清洁度） 进行测量。如按照时基信号进行的交通管制。
• 2、闭环控制：反馈控制。 • 3、复合控制：既包括开环又有闭环控制。
• 控制系统组成
2.自动控制：就是应用自动化仪表或控制 装置代替人，自动地对机器设备或生产过 程进行控制，使之达到预期的状态或性能 要求。

控制 = 传感装置 + 计算部分 +执行机构 = 反馈
执行机构
脚踏板 Pedal
传感装置
汽车速度
计算部分
控制策略
目标: 稳定性，良好性能，鲁棒性
现代工程应用
• 飞行控制系统 现代商业和军事飞机的飞行控 制系统 自动着路系统，无人驾驶飞机 系统 机器人 柔性制造业的高精度定位系统 远程控制系统 • 化工过程控制 流量、温度等控制. 过程控制 通讯和互联网 放大器和扬声器 互联网的控制 无线通讯的能源管理 汽车业 发动机控制，交通控制，等 等 豪华汽车: 1976年有12个控制 装置，1988年有 42 个, 1991 有67个
• 反馈控制原理：利用误差来产生调节作用并进而 消除或减小误差。 • 反馈极性问题及解决 • 正反馈：误差的调节作用是使误差进一步增加； • 负反馈：误差的调节作用使得误差减小或消除。
反馈极性的判断
干扰 输入 参考输入
r(t)
控制器
控制作用
u(t) a
控制对象
a’
输出
y(t)
在闭环系统的环路上任取一处a点断开。在断开处a加 一个的扰动输入，然后检测或分析在断点 的另一端a’ 所产生的输出信号，如果a’的信号与a点的信号极性相 反，则说明原来的连接为负反馈，反之为正反馈。
例2: 拥挤控制和互联网
•
Transmission control protocol (TCP) 传输控制协议 Source: 把数据包传输到目的地 Source: 如果没有 ACK命令正 确应答，再发送 Destination: ACK 接收数据包 Destination: 重新聚集数据包
复合控制
前馈补偿
参考 输入 校正装置 量测装置 跟随输入的复合控制 干扰 输入 控制 对象
干扰 输入
输出
r(t)
e(t)
u(t)
y(t)
参考 输入
前馈补偿 校正装置 量测装置 抗干扰的复合控制 控制 对象
输出
r(t)
e(t)
u(t)
y(t)
• 系统分析与控制：不同方法原理，不同 工具，不同概念的综合 • 结构：系统建模及转换，系统分析，系 统设计方法。
反馈控制的其他应用
• 生态系统 生态调节 (动态平衡) 遗传调整体系 环境系统 微生物生态系统 全球气候循环 金融系统 市场交易系统 补给和服务体系
ESE
经典控制举例 例1: 倒立摆系统
开环控制 要求系统模型精确 主动控制（反馈控制） 采用传感器、执行机构与计算机相连接组成控制系统 考虑不确定性和噪声
• 将开环与闭环控制适当的结合在一起（复合控 制），通常比较经济，并获得满意性能。
• • •
开环：
简单 不准确（希望1000r/min，实际 950r/min）
• • • •
闭环：
准确 复杂、设备多
静差问题
– 无静差系统的调节作用历史影响，钟表调节 – 有静差系统的调节误差维持
– 系统原理结构的理解。对干扰来说和对输入来说的静 差问题。静差（输入和输出）。
输出量
量测装置
闭环与开环控制系统比较
• 闭环控制系统优点是采用了反馈，因而使系统 的响应对外部干扰和内部系统的参数变化均相 当不敏感。在开环系统不可能做到这一点。 • 稳定性角度，开环控制系统比较容易建造，稳 定性不是主要问题。闭环系统中稳定性是一个 重要的问题，因为闭环系统可能引起过调误差， 导致系统等幅振荡或发散。
2自动控制的几个定义
• 1.对象
• 它可能是一个设备，多数由一些机械零 件有机组合在一起，完成特定的操作， 如一个加热炉、化学反应器、飞机等。 • 2.系统
• 是一些部件的组合，这些部件组合在一 起，完成一定的任务。
2自动控制的几个定义
• 3.扰动
• 对系统的输出量产生不利影响的信号， 分为内部扰动，外部扰动。 • 4.反馈控制 • 能够在存在扰动的情况下，力图减少系 统的输出量与某种参考输入量之间的偏 差，并且其工作原理正基于这种偏差。
传感器：数据，ACK信息包 执行机构：传输速率、路径 计算部分：处理器 控制效果：高速数据传输、允许连接失败 等误差
例3：机器人足球
• 机器人足球控制 5 on 5 机器人足球队 完全自主 视觉系统 集中计算机 无线遥控机器人
More info at www.robocup.org 传感器：头部视觉系统，转 向轮传感器 执行机构：电动机力矩，踢 球的机构 计算部分：中心计算机，机 器人上的微型计算机
历史发展
– 俄国数学家A.Lyapunov（1857～1918）（博士论文）系统 描述了稳分方程描述的一般运动系统的稳定性问题，建立了 著名的Lyapunov方法，为现代控制和非线性控制奠定了基础。
– 俄裔美国工程师 N.Minorsky1922 首先提出 PID 控制方法， 并成功应用于美国的海军军舰控制上。 – N H.S.Black美国AT&T贝尔实验室研究员，1927发明负反 馈方法及电子放大器，为现代通讯网络技术奠定了基础。
– 控制器（控制装置），控制对象；I/O：参 考输入，干扰，输出
• 开环控制系统结构
参考输入
干扰 输入
r( t )
控制器
控制作用
u(t)
控制对象
输出
y( t )
2 闭环控制
参考输入ur 则ue ur u y , u1 Kue u1加到电动机电枢上，使电机转动，带动 电位器旋钮转动，使u2电压变化 依靠反馈控制，最终使得输出量跟随输入量的变化 而变化。 只存在误差ue 0 输出量进行调节，一直 到u y (t ) ur (t ) ue 0才稳定 输出量稳态误差为0 无静差的
控制工程基础
中国石油大学机电系 赵弘
1 绪论
自动控制系统的发展
自动控制系统的几个概念及应用 自动控制系统的分类 自动控制系统的组成 自动控制系统的性能指标 自动控制系统的方法 本课程与其它课程的连接本课程的主要内容
一. 自动控制理论的发展
在工程和科技发展过程中，自动控制担负着重要的角色。 除了在宇宙飞船系统、导弹制导系统和机器人系统等领域中 自动控制具有特别重要的作用之外，它已经成为现代机器制 造业和工业生产过程的重要不可缺少的组成部分。 从公元前的水利工程（李冰父子的都江堰工程）到中世 纪的钟摆，从工业革命的蒸汽机车轮船到近百年前的飞机、 汽车，从半个世纪前的电子放大器、模拟计算机到现在的无 线通讯、数字计算机，从二战的雷达、火炮到冷战时期的卫 星、导弹，再到现代的航天宇宙探测器。所有这些科技在发 明同时也直接催生和发展了自动控制技术。源于实践，服务 于实践，在实践中升华。技术如此，个人的创造才能价值也 如此。
非线性时变系统
• 4、按信号类型分：连续系统和离散系统
• 5、按变量个数分：单输入单输出，多输 入多输出
系统
系统
单输入单输出系统
三输入三输出系统
4 控制系统的组成
• 由控制器和控制对象组成
干扰 输入 参考输入
r(t)
控制器
控制作用
u(t)
控制对象
输出
y(t)
5 控制系统要求的性能
• 1、跟随输入性能：通常要求其输出量随 输入量的变化而变化，输入量可能是常 数或随时间变化的轨迹。如温度控制系 统 • 2 抗干扰性能：系统输出尽量不受干扰 的影响。
3 控制系统的分类
• 1、按物理属性分：工程系统、非工程系统
• 工程系统：工业上应用包括的各种系统；如 化工系统、制造系统、航天航空系统等。 • 非工程系统：包括除了工程系统以外的各种 系统，如经济系统、社会系统、生态系统等。
• 2、按方程类型分：线性系统和非线 性系统。线性系统满足叠加原理 •如
历史发展
– 300B.C，李冰父子设计的都江堰工程
水钟 (公元前300 年,希腊， Alexandria), 流量 控制
滴水记时有两种方法， 一种是利用特殊容器 记录把水漏完的时间 （泄水型），另一种 是底部不开口的容器， 记录它用多少时间把 水装满（受水型）。
反馈控制的最早应用
孵蛋器 (Drebbel, 1620) – 温度控制