控制理論的發(fā)展及應(yīng)用PPT學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1控制理論的發(fā)展及應(yīng)用控制理論的發(fā)展及應(yīng)用第1頁/共53頁控制論創(chuàng)始人維納控制論創(chuàng)始人維納第2頁/共53頁第3頁/共53頁第4頁/共53頁第5頁/共53頁中國、古埃及和巴比倫人發(fā)明的中國、古埃及和巴比倫人發(fā)明的自動計時裝置自動計時裝置( (公元前公元前1111世紀(jì)世紀(jì)) )具有過程控制思想的提具有過程控制思想的提花織布機（明代）花織布機（明代）第6頁/共53頁James watJames wat發(fā)明的飛球調(diào)節(jié)器，發(fā)明的飛球調(diào)節(jié)器，控制蒸汽機的轉(zhuǎn)速（控制蒸汽機的轉(zhuǎn)速（17691769年）年）PolzunovPolzunov發(fā)明的浮球調(diào)節(jié)器，發(fā)明的浮球調(diào)節(jié)器，用于水位控制（用于水位控制（17

2、651765年）年）第7頁/共53頁經(jīng)典控制理論的發(fā)展經(jīng)典控制理論的發(fā)展第8頁/共53頁經(jīng)典控制理論的發(fā)展經(jīng)典控制理論的發(fā)展第9頁/共53頁經(jīng)典控制理論的發(fā)展經(jīng)典控制理論的發(fā)展第10頁/共53頁經(jīng)典控制理論的發(fā)展經(jīng)典控制理論的發(fā)展第11頁/共53頁經(jīng)典控制理論的發(fā)展經(jīng)典控制理論的發(fā)展第12頁/共53頁經(jīng)典控制理論的發(fā)展經(jīng)典控制理論的發(fā)展第13頁/共53頁經(jīng)典控制理論的發(fā)展經(jīng)典控制理論的發(fā)展第14頁/共53頁經(jīng)典控制理論的發(fā)展經(jīng)典控制理論的發(fā)展第15頁/共53頁經(jīng)典控制理論的發(fā)展經(jīng)典控制理論的發(fā)展第16頁/共53頁脈沖控制理論的建立脈沖控制理論的建立-2-2經(jīng)典控制理論的發(fā)展經(jīng)典控制理論的發(fā)展第

3、17頁/共53頁脈沖控制理論的建立脈沖控制理論的建立-3-3經(jīng)典控制理論的發(fā)展經(jīng)典控制理論的發(fā)展第18頁/共53頁WienerKalmanNyquistZadehAstrmShannonLyapunovBellman第19頁/共53頁第20頁/共53頁 線性微分方程和基于拉普拉斯變線性微分方程和基于拉普拉斯變 換的傳遞函數(shù)換的傳遞函數(shù) 單輸入單輸入單輸出的線性定常系統(tǒng)單輸出的線性定常系統(tǒng)時域分析法、頻率特性分析法和根軌跡分析法時域分析法、頻率特性分析法和根軌跡分析法難于解決復(fù)雜問題，如時變，多變量等難于解決復(fù)雜問題，如時變，多變量等第21頁/共53頁控制器控制器受控對象受控對象控制量控制量輸入

4、量輸入量輸出量輸出量( (a) a) 開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)控制量控制量輸入量輸入量輸出量輸出量( (b) b) 閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)反饋元件反饋元件控制器控制器受控對象受控對象第22頁/共53頁特點：特點： 缺點：缺點： 最簡單的控制方式最簡單的控制方式 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、維護容易、成本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、維護容易、成本低、不存在穩(wěn)定性問題低、不存在穩(wěn)定性問題 信號傳遞沒有形成閉合回路信號傳遞沒有形成閉合回路 輸出量不能對控制量產(chǎn)生輸出量不能對控制量產(chǎn)生 影響。影響。 控制精度不高控制精度不高 系統(tǒng)抗干擾能力差系統(tǒng)抗干擾能力差 對元器件的要求對元器件的要求 比較高比較高控制量控制量輸入量輸入量輸

5、出量輸出量( (b) b) 閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)反饋元件反饋元件控制器控制器受控對象受控對象控制器控制器受控對象受控對象控制量控制量輸入量輸入量輸出量輸出量( (a) a) 開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)第23頁/共53頁控制量控制量輸入量輸入量輸出量輸出量( (b) b) 閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)反饋元件反饋元件控制器控制器受控對象受控對象控制器控制器受控對象受控對象控制量控制量輸入量輸入量輸出量輸出量( (a) a) 開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng) 反饋控制系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng) 反饋通路反饋通路負(fù)反饋與正反饋控制系統(tǒng)一般采用負(fù)反饋控制系統(tǒng)一般采用負(fù)反饋 信號傳遞形成一個閉合回路

6、信號傳遞形成一個閉合回路 輸入量與反饋量之差稱為輸入量與反饋量之差稱為偏差信號偏差信號 第24頁/共53頁設(shè)定值設(shè)定值r r控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器被控對象被控對象測量、變送測量、變送擾動擾動 f f被控變量被控變量y y反饋量反饋量 z z自動控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)自動控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)偏差偏差e e控制變量控制變量u u第25頁/共53頁第26頁/共53頁數(shù)學(xué)工具：數(shù)學(xué)工具：線性代數(shù)線性代數(shù)研究對象：研究對象：多輸入多輸出的線性定常系統(tǒng)多輸入多輸出的線性定常系統(tǒng)研究方法：研究方法：將描述系統(tǒng)的微分方程或差分方程變換到狀態(tài)空間中，將描述系統(tǒng)的微分方程或差分方程變換到狀態(tài)空間中，得到系統(tǒng)的狀態(tài)空間

7、描述，并以此作為基礎(chǔ)在時間域中對系統(tǒng)得到系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述，并以此作為基礎(chǔ)在時間域中對系統(tǒng)進行分析和設(shè)計，確定控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。進行分析和設(shè)計，確定控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。控制結(jié)構(gòu)：控制結(jié)構(gòu)：通常是采用狀態(tài)反饋控制，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。通常是采用狀態(tài)反饋控制，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。第27頁/共53頁經(jīng)典控制論經(jīng)典控制論現(xiàn)代控制論現(xiàn)代控制論數(shù)學(xué)基礎(chǔ)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)拉普拉斯變換拉普拉斯變換線性代數(shù)、矩陣分析線性代數(shù)、矩陣分析系統(tǒng)模型系統(tǒng)模型傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)狀態(tài)空間表達(dá)狀態(tài)空間表達(dá)處理域處理域頻域頻域時域時域應(yīng)用對象應(yīng)用對象SISO系統(tǒng)系統(tǒng)MIMO系統(tǒng)系統(tǒng)第28頁/共53頁狀態(tài)狀態(tài)能夠完全描述系統(tǒng)行為的最小一組變量

8、，只要給定了當(dāng)前時能夠完全描述系統(tǒng)行為的最小一組變量，只要給定了當(dāng)前時刻的這組變量以及未來時刻作用在系統(tǒng)上的輸入，那么系刻的這組變量以及未來時刻作用在系統(tǒng)上的輸入，那么系統(tǒng)在未來任意時刻的行為就可以完全確定。統(tǒng)在未來任意時刻的行為就可以完全確定。 狀態(tài)變量狀態(tài)變量選取的不唯一性選取的不唯一性以完全表征系統(tǒng)的狀態(tài)變量為元構(gòu)成的向量就是狀態(tài)向以完全表征系統(tǒng)的狀態(tài)變量為元構(gòu)成的向量就是狀態(tài)向量量 狀態(tài)向量狀態(tài)向量)()()()(21txtxtxtxn以以n n個狀態(tài)變量為基底所構(gòu)成的個狀態(tài)變量為基底所構(gòu)成的n n維空間就稱為狀態(tài)空間維空間就稱為狀態(tài)空間，狀態(tài)空間中的一點就代表系統(tǒng)在某一特定時刻的狀，

9、狀態(tài)空間中的一點就代表系統(tǒng)在某一特定時刻的狀態(tài)。態(tài)。 狀態(tài)空間狀態(tài)空間第29頁/共53頁 外部描述外部描述傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)：不表征系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)：不表征系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和內(nèi)部變量，只反映外部變量組輸入與輸出間構(gòu)和內(nèi)部變量，只反映外部變量組輸入與輸出間的因果關(guān)系的因果關(guān)系 內(nèi)部描述內(nèi)部描述狀態(tài)空間狀態(tài)空間，能夠完全表征系統(tǒng)的，能夠完全表征系統(tǒng)的一切動力學(xué)特征：一切動力學(xué)特征：不完全不完全描述描述完全描述完全描述傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)：初始條件為零初始條件為零的線性定常系統(tǒng)輸出的拉普拉的線性定常系統(tǒng)輸出的拉普拉斯變換與輸入的拉普拉斯變換之比。斯變換與輸入的拉普拉斯變換之比。)()()(sXsYsG 0(

10、)( )( )(0)x tAx tBu txx，)()()(tDutCxty第30頁/共53頁n系統(tǒng)綜合 基于狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)設(shè)計方法極點配置和觀測器設(shè)計。第31頁/共53頁圖6.1計算機控制系統(tǒng)原理圖計算機控制系統(tǒng)原理圖 第32頁/共53頁控制系統(tǒng)通常分成兩大類控制系統(tǒng)通常分成兩大類 ：l連續(xù)時間控制系統(tǒng)連續(xù)時間控制系統(tǒng) ：各處的信號是時間的連續(xù)函數(shù)：各處的信號是時間的連續(xù)函數(shù) ，則稱該，則稱該類系統(tǒng)為連續(xù)時間控制系統(tǒng)。類系統(tǒng)為連續(xù)時間控制系統(tǒng)。l離散時間控制系統(tǒng)離散時間控制系統(tǒng) ：有一處或數(shù)處信號不是時間的連續(xù)函數(shù)：有一處或數(shù)處信號不是時間的連續(xù)函數(shù)， 而是在時間上離散的一系列脈沖序列或數(shù)

11、字信號，稱這類而是在時間上離散的一系列脈沖序列或數(shù)字信號，稱這類系統(tǒng)為離散時間控制系統(tǒng)或采樣控制系統(tǒng)。系統(tǒng)為離散時間控制系統(tǒng)或采樣控制系統(tǒng)。 1 控制工程中普遍存在離散時間系統(tǒng)控制工程中普遍存在離散時間系統(tǒng)2 計算機的高速發(fā)展和數(shù)字控制的廣泛應(yīng)用計算機的高速發(fā)展和數(shù)字控制的廣泛應(yīng)用意義：意義：第33頁/共53頁離散、采樣、數(shù)字控制的差別離散、采樣、數(shù)字控制的差別第34頁/共53頁連續(xù)整量化信號與數(shù)字信號)(tu0k1kt0t)(tu第35頁/共53頁第36頁/共53頁第37頁/共53頁max2s理想的采樣過程理想的采樣過程 第38頁/共53頁第39頁/共53頁第40頁/共53頁第41頁/共53

12、頁第42頁/共53頁第43頁/共53頁第44頁/共53頁五五 新世紀(jì)自動化學(xué)科的挑戰(zhàn)和發(fā)展新世紀(jì)自動化學(xué)科的挑戰(zhàn)和發(fā)展必須承認(rèn)的事實：必須承認(rèn)的事實：控制對社會進步的貢獻與影響，與計算控制對社會進步的貢獻與影響，與計算機和通信相比正在變小。機和通信相比正在變小。人們對控制的熱情在下降。因此，有人人們對控制的熱情在下降。因此，有人說：說：“自動化走進了死胡同自動化走進了死胡同”。有人主張。有人主張取消自動化學(xué)科或改換名稱。取消自動化學(xué)科或改換名稱。自動化學(xué)科面臨嚴(yán)峻形勢自動化學(xué)科面臨嚴(yán)峻形勢第45頁/共53頁矛盾矛盾 一方面，控制的某些一方面，控制的某些“理論成果理論成果”遠(yuǎn)遠(yuǎn)走在應(yīng)用的前面；遠(yuǎn)遠(yuǎn)走在應(yīng)用的前面；另一方面，對大量復(fù)雜的急待解決的另一方面，對大量復(fù)雜的急待解決的系統(tǒng)問題，控制又無能為力。系統(tǒng)問題，控制又無能為力。自動化學(xué)科真的不重要了？不需要了？自動化學(xué)科真的不重要了？不需要了？已經(jīng)走到了學(xué)科發(fā)展的盡頭？已經(jīng)走到了學(xué)科發(fā)展的盡頭？答案是否定的答案是否定的第46頁/共53頁第47頁/共53頁第48頁/共53頁提出和試圖解決復(fù)