现代控制理论20150923-1

绪论控制理论的发展过程经典控制理论现代控制理论智能控制理论汽车中的控制问题例：汽车方向控制系统图汽车方向控制系统图汽车方向控制人工职能图驾车人汽车预期行驶路线实际行驶路线比较器视觉测量+-偏差方向盘被控对象controlledobject执行器actuator传感器sensor控制器controller控制框图blockdiagram开环open-loop闭环closed-loop反馈feedback前馈feedforward状态state输出output控制输入controlinput被控量controlledvariable干扰量disturbance目标值desiredvalue(referencetrajectory)一：回顾经典控制理论经典控制理论以传递函数为基础，要求系统的初始条件为零，只能描述系统的输入和输出关系，而不能描述系统的内部变量。对单输入－单输出的线性定常系统十分有效。时变系统，非线性系统（除简单的外）和多输入－多输出系统却不适用。是一种复频域的方法。R(s)Y(s)GC(s)GP(s)H(s)被控对象传感(感知)控制器目标任务执行器干扰/破坏干扰/破坏干扰/破坏干扰/破坏控制系统的核心：反馈关键要素：干扰量----破坏系统控制性能的不可操纵量干扰反馈通道前向通道控制器输入量控制要求----由外部输入量来反映（镇定？跟踪？）被控对象被控量（输出量）被控量----被控对象的输出控制量----用于改变/调整被控对象状态的可操纵量执行机构控制量传感器（感知）反馈量----经反馈环节反馈到输入端的量控制系统的方框图回顾古典控制理论被控对象（水箱）被控量（水箱水位）水箱的水位自动控制系统传感器（浮球）输入量（设定的水位高度）控制器（机械或电气控制装置）执行机构（阀门）控制量（进水量）控制系统的方框图回顾古典控制理论被控对象（空调房间）被控量（房间实际温度）房间温度控制系统传感器（空调测温装置）输入量（设定的温度）控制器（控制装置）干扰量（屋外温度、门窗）执行机构（制冷装置）控制量（进水量）控制系统的方框图回顾古典控制理论被控对象（加热炉）被控量（炉内温度）加热炉的温度自动控制系统传感器（热电偶）输入量（设定的温度）控制器（电子或微机控制装置）干扰量（炉外温度、加热器电压波动）执行机构（加热器）控制量（电压）控制系统的方框图回顾古典控制理论函数记录仪被控对象（记录笔）被控量（位移）测量电路控制器(伺服电动机)执行机构（齿轮系绳轮）输入量（待记录的电压）放大器变换器测速发动机控制系统的方框图回顾古典控制理论被控对象（锅炉）被控量（气鼓液位）锅炉液位控制系统测量变送器输入量（设定的液位高度）控制器（电动、气动调节器）执行机构（调节阀）控制量（进水量）干扰量(水压、蒸气负荷)控制系统的方框图回顾古典控制理论被控对象（支持臂）被控量（磁头位置）磁盘驱动读写系统传感器输入量（设定的磁头位置）控制器执行机构（执行电机）控制量（电压）控制系统的方框图回顾古典控制理论时域法单位阶跃函数()1,ft0t实际系统回顾古典控制理论典型时域响应典型输入信号典型环节0123456789102.533.544.555.566.577.5th(t)正阶跃负阶跃非线性系统正负阶跃响应线性系统正负阶跃响应02468101214161820-1.5-1-0.500.511.5th(t)正阶跃负阶跃时域法实际系统回顾古典控制理论典型时域响应222().2nnnsssnmKT自然频率12mTK阻尼比标准二阶系统及其动态性能时域法回顾古典控制理论线性系统的稳态误差分析系统自身的结构参数影响的因素：外作用的形式(阶跃、斜坡或加速度等)外作用的类型(控制量,扰动量及作用点)sse22222()()22nnennssEsRsss()1()rtAt()rtAt22222202lim.22nnsssnnssAessss2()/2rtAt时域法回顾古典控制理论时域法回顾古典控制理论典型环节的传递函数及时域响应一阶、高阶、纯滞后、非最小相位、非线性……理解/提取被控对象的动力学特征控制系统动态、稳态性能分析控制性能的数学描述标准二阶系统：阻尼比、超调量、过渡过程时间……控制系统的特征根：特征方程的解根轨迹：特征根随系统某个参数变化的轨迹根的位置与系统响应性能之间的关系特征方程根系统动态响应震荡与否、程度快动态/慢动态…运动模态根轨迹回顾古典控制理论稳定与否、裕度[s]稳定不稳定j临界稳定震荡发散不震荡发散衰减震荡稳定不震荡稳定等幅震荡快慢根的位置与系统响应性能之间的关系根轨迹回顾古典控制理论[s]稳定不稳定j临界稳定震荡发散不震荡发散衰减震荡稳定不震荡稳定等幅震荡快慢根轨迹回顾古典控制理论频域分析法—频率特性051015202530-0.2-0.100.10.20.30.40.5time/secoutput-sin(t)051015202530-2-1.5-1-0.500.511.52time/secinput-sin(t)051015202530-2-1.5-1-0.500.511.52time/secinput-sin(t)051015202530-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81time/secoutput-sin(t)051015202530-4-3-2-101234time/secinput-sin(t)051015202530-1.5-1-0.500.511.52time/secoutput-sin(t)051015202530-1-0.500.511.5time/secoutput-sin(t)051015202530-4-3-2-101234time/secinput-sin(t)输入信号输出信号G(s)频率特性回顾古典控制理论⑵微分环节jjG)(⑷惯性环节1()1TGjjKjG)(⑴比例环节⑶积分环节jjG1)(典型环节的频率特性频域分析法回顾古典控制理论控制系统的频率特性分析Bode图频域分析法回顾古典控制理论G(s)稳定性分析Nyquist稳定判据稳定裕度：增益裕度、相位裕度动态性能分析增益峰值、峰值频率带宽频率……频率特性实验的拟合G(s)Bode图频域分析法回顾古典控制理论低通滤波器理想传递函数模拟电路实现其他实现：数字电路、离散数字…..频域分析法回顾古典控制理论高通滤波器模拟电路实现理想传递函数频域分析法回顾古典控制理论带通滤波器模拟电路实现理想传递函数频域分析法回顾古典控制理论控制系统设计回顾古典控制理论被控对象传感(感知)控制器目标任务执行器干扰干扰干扰1.确定控制系统方案干扰确定被控量：分析控制要求确定控制量：选择执行器确定反馈量：选择传感器控制系统设计回顾古典控制理论2.分析开环系统的特性3.设计控制器中的算法干扰被控量控制量被控量建立机理模型阶跃响应、脉冲响应测试频率特性PID算法：算法不需要模型，但确定PID参数需要对系统动态的理解极点配置：基于模型的算法2DOF控制器设计根轨迹控制系统设计回顾古典控制理论4.控制系统实现5.控制系统仿真测试控制器实现：工控机、单片机（嵌入式实现）……传感信号处理：滤波、放大、变换(A/D、量程)……执行器信号处理：变换(A/D、量程)、驱动放大……用于模拟被控对象的模型用于设计控制器的模型6.控制系统实物实验测试