同济大学汽车学院第一章 绪论

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,School of Automotive study,第一章 绪论,第一章,绪论,本章主要内容,:,I.I,I.2,I.3,I.4,I.5,控制的定义,控制系统的工作原理和组成,控制理论的中心问题,控制理论的学习内容,控制理论的历史发展,控制,的本意,:,为了达到某种目的对事物进行支配、,管束、管制、管理、监督、镇压。,自动控制,:,在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称 ）,使机器、设备或生产过程（ ）的某个工作状态或参数（即 ）自动地按照预定的规律运行。,1.1,控制,的定义,例,1.,车辆速度控制,驾驶员通过适当控制油门位置以达到给定的车辆速度。,例,2.,定速巡航, ECU,通过控制电子节气门开度以达到速度恒值控制,。,控制装置或控制器,被控对象,被控量,进,蒸汽,负载,速度变大,早期思想,(,瓦特的离心调节器,),退出演示,进,蒸汽,负载,速度变小,瓦特的离心调节器,退出演示,1.2,控制系统的工作原理,和,组成,恒温箱温度控制,人工控温,自动控温,动态过程,1.,观测恒温箱内的温度（被控制量）,实质,检测偏差再纠正偏差,。,1.,人工控制恒温箱,1,2,3,1.2.1,控制系统的工作原理,2.,与要求的温度（给定值）进行比较得到温度偏差的大小和方向。,3.,根据偏差大小和方向调节调压器，控制加热电阻丝的电流以调节温度回复到要求值。,请同学们给出一个可自动实现的方案？,温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动执行电动机，并通过传动机构拖动调压器动触头。当温度偏高时，动触头向减小电流的方向运动，反之加大电流，直到温度达到给定值为止，此时，偏差,u=0,电机停止转动。,动态过程,2.,恒温箱自动控制系统,恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电压,u,2,恒温箱期望温度由电压,u,1,给定，并与实际温度,u,2,比较得到温度偏差信号,u=u,1,-u,2,系统原理方块图,实质,检测偏差,纠正偏差,试想一下，当没有温度反馈的时候，恒温箱会出现什么问题？,俗称,“,控制器,”,产品，工程的看法,学术上的看法,控制器,被控对象,传感器,参考输入,被控量,反馈量,反馈量,控制输入,-,控制系统的工作原理,从恒温箱控制系统功能框图可见：,1.,给定量,位于系统的输入端，称为,系统输入量,，也称为,参考输入量,（信号）。,2.,被控制量,位于系统的输出端，称为,系统输出量,。,3.,输出量,（全部或一部分）通过测量装置返回系统的输入端，使之与输入量进行比较，产生,偏差,（给定信号与返回的输出信号之差）信号。输出量的返回过程称为,反馈,。返回的全部或部分输出信号称为,反馈信号,。,综上所述,控制系统的工作原理：,检测输出量（被控制量）的实际值；,将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比较得出偏差；,用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得输出量维持期望的输出。,由于存在输出量反馈，上述系统能在存在无法预计扰动的情况下，自动减少系统的输出量与参考输入量（或者任意变化的希望的状态）之间的偏差，故称之为,反馈控制,。,显然：,反馈控制,建立在,偏差基础,上，其控制方式是,“检测偏差,再,纠正偏差”,。,1.2.2,开环控制与闭环控制,根据有无反馈作用，可将工业控制系统等价地划分为：开环控制和,闭环控制,开环控制,控制器与被控对象间只有顺序作用而无反向联系且控制单方向进行。,数控机床的开环控制系统方块图,优点：,简单、稳定、可靠。若组成系统的元件特性和参数值比较稳定，且外界干扰较小，开环控制能够保持一定的精度。,缺点：,精度通常较低、无自动纠偏能力,。,闭环控制,闭环控制系统特点：输出端和输入端之间存在反馈回路，输出量对控制过程有直接影响。闭环的作用：应用反馈，减少偏差。,优点,：精度较高，对外部扰动和系统参数变化不敏感,缺点,：注意稳定、振荡、超调等问题，系统性能分析,和设计麻烦。,1.3,控制理论的中心问题,稳定性：,系统动态过程的振荡倾向及其恢复平衡状态的能力。稳定的系统当输出量偏离平衡状态时，其输出能随时间的增长收敛并回到初始平衡状态。,稳定压倒一切！,稳定性是控制系统正常工作的先决条件。控制系统稳定性由系统结构所决定，与外界因素无关。稳定性由控制系统内部储能元件的能量不可能突变所产生的惯性滞后作用所导致。,准确性：,控制精度，以稳态误差来衡量。,快速性：,输出量和输入量产生偏差时，系统消除这种偏差的快慢程度。快速性表征系统的动态性能。,注意：,1,不同性质的控制系统，对,稳,定性、,准,确性和,快,速性要求各有侧重。,2,系统的,稳,定性、,精,确性、,快,速性相互制约，应根据实际需求合理选择。,稳态误差,:,系统的调整（过渡）过程结束而趋于稳定状态时，系统输出的实际值与给定量之间的差值。,1.4,自动控制,学习内容,1.4.1,控制系统的分类,1.4.2,自动控制系统的研究方法,1.4.3,授课内容,1.4.1,控制系统的分类,按输入量的特征分类,按系统中传递信号的性质分类,线性系统和非线性系统,系统数学模型中是否显含时间,t,系统输入输出变量维数,是否与历史值有关,是否能用常微分方程描述,按输入量的特征分类,恒值控制系统：,系统输入量为恒定值。控制任务是保证在任何扰动作用下系统的输出量为恒值。（,调节问题,）,如：恒温箱控制、车辆定速巡航控制等。,程序控制系统,：,输入量的变化规律预先确知，输入装置根据输入的变化规律，发出控制指令，使被控对象按照指令程序的要求而运动。,如：数控加工系统,随动系统（伺服系统）：,输入量的变化规律不能预先确知，其控制要求是输出量迅速、平稳地跟随输入量的变化，并能排除各种干扰因素的影响，准确地复现输入信号的变化规律。（,跟随问题,）,如：车辆自适应巡航系统，火炮自动瞄准系统等,。,连续控制系统：,系统中各部分传递的信号为随时间连续变化的信号。连续控制系统通常采用微分方程描述。,按系统中传递信号的性质分类,离散（数字）控制系统,：,系统中某一处或多处的信号为脉冲序列或数字量传递的系统。离散控制系统通常采用差分方程描述。,线性系统和非线性系统,线性控制系统：,由线性元件组成，输入输出问具有叠加性和均匀性性质。,以,线性微分方程,来表述（满足线性叠加性）。,非线性控制系统：,系统中有非线性元件，输入输出间不具有叠加性和均匀性性质。,用,非线性微分方程,来表述。,系统,系统,系统,线性叠加性,系统输入输出变量维数,系统,单输入单输出,单输入多输出，多输入单输出，多输入多输出,系统数学模型中是否显含时间,t,时变,定常,是否与历史值有关,静态（稳态）模型,是指要描述的系统各量之间的关系是不随时间的变化而变化的，,一般用代数方程来表达,。,动态模型,是指描述系统各量之间随时间变化而变化的规律的数学表达式，一般用微分方程或差分方程来表示。,是否能用常微分方程描述,集总参数模型,中模型的各变量与空间位置无关，而把变量看作在整个系统中是均一的，对于稳态模型，其为代数方程，对于动态模型，则为常微分方程。（质点）,分布参数模型,中至少有一个变量与空间位置有关，对于动态模型为空间、时间自变量的偏微分模型。,1.4.2,自动控制系统的研究方法,综合：,在已知被控对象和合定性能指标的前提下，寻求控制规律，建立一个能使被控对象满足性能要求的系统。,分析：,在给定系统的条件下，将物理系统抽象成数学模型，然后用已经成熟的数学方法和先进的计算工具来定性或定量地对系统进行动、静态的性能分析,。,自动控制研究的三个基本问题：,建立数学模型,系统性能分析,控制器设计,(,控制器综合,),1.4.3,授课内容,自动控制基本原理,物理系统的数学模型,时域分析,频率特性,控制系统的稳定性分析,控制系统的误差分析,控制系统的瞬态响应分析,控制系统的综合和校正,计算机采样控制系统,控制理论,对象：,单变量时不变连续系统,目标：,稳、准、快,任务：,分析、设计,高中数学简单的微积分,1.5,控制,理论的历史和发展,前期控制,(1400BC-1900),经典控制,(1935-1950),现代控制,(1950-Now),中国,，,埃及和巴比伦出现,自动计时漏壶,(1400BC-1100BC),。,亚历山大的,希罗,发明开闭庙门和分发圣水等自动装置,(100,年,)。,中国,张衡,发明水运浑象，研制出自动测量地震的,候风地动仪,(132,年,),。,希腊,Philon,发明了采用,浮球调节器,来保持燃油液面高度的油灯。,(BC250,年,)。,前期控制（,1400BC-1900,）,中国,马钧,研制出用齿轮传动的自动指示方向的,指南车,(235,年,),中国明代,宋应星,所著,天工开物,记载有程序控制思想,(CNC),的,提花织机,结构图,(1637,年,),英国,J. Watt,用离心式调速器控制蒸汽机的速度,(1788,年,),英国,J. C. Maxwell,发表,“,论调速器,”,(On Governors),论文,(1868,年,),英国,E.J.,Routh,建立,Routh,判据,(,Routh,-Hurwitz Stability Criteria),(1875,年,),俄国,A.M. Lyapunov,博士论文,“,论运动稳定性的一般问题,”,(1892,年,),美国,N.,Minorsky,研制出用于船舶驾驶的伺服结构,，,提出,PID,控制方法,(1922),。,美国,E. Sperry,以及,C. Mason,研制出火炮控制器,(1925),，气压反馈控制器,(1929),。,经典控制（,1935-1950,）,美国,H.S. Black,提出放大器性能的,负反馈方法,(Negative Feedback Amplifier),(1927),自动控制的基础为闭环控制。控制论的奠基人,N.Wiener,给出的定义为：,“,Feedback is a method of controlling a system by inserting into it the result of its past performance,”,美国贝尔实验室的,H. Bode,(1938),，,以及,Nyquist,(1940),提出,频率响应法。,美国,Taylor,仪器公司的,J. G. Ziegler,和,N. B. Nichols,提出,PID,参数的最佳调整法,(1942),美国的,H. Hazen,发表,“,关于伺服结构理论,”,(Theory of,Servome-chanism,),(1934),，,并在,MIT,建立伺服机构实验室,(Servomechanism Laboratory),(1939),。,美国,MIT,的,N. Wiener,研究随机过程的预测,(1942),，提出,Wiener,滤波,理论,(1942),，发表,控制论,(Cybernetics),一书,(1948),，标志着,控制论,学科的诞生。,在贝尔实验室,Bode,领导的火炮控制系统研究小组工作的,C. Shannon,提出继电器逻辑自动化理论,(1938),，随后,，,发表专著,通信的数字理论,(The Mathematical Theory of Communication),，,奠定了,信息论,的基础,(1948),。,MIT Radiation Laboratory,在研究,SCR-584,雷达控制系统的过程中,，,创立了,Nichols Chart Design Method,，,R. S. Philips,的工作,On Noise in Servomechanisms,，,以及,Hurwicz,(1947),的,数字控制,系统,(Sampled Data System),。,美国,W. Evans,提出,根轨迹法,(Root Locus Method),(1948),，,以单输入线性系统为对象的经典控制研究工作完成。,多本有关经典控制的经典名著相继出版,:,Ed. S. Smith,的,Automatic Control Engineering,(1942),H. Bode,的,Network Analysis and Feedback Amplifier,(1945),L.A.,MacColl,的,Fundamental Theory of Servomechanisms,(1945),钱学森,的,工程控制论,(Engineering Cybernetics),(1954),现代控制起源于冷战时期的军备竞赛，如导弹,(,发射，操纵，指导及跟踪,),，卫星，航天器和星球大战，以及计算机技术的出现,现代控制（,1950-Now,）,美国,MIT,的,Servomechanism Laboratory,研制出,第一台数控机床,(1952),美国,George,Devol,研制出第一台,工业机器人样机,(1954),，两年后,，,被称为机器人之父的,Joseph,Engelberger,创立了第一家机器人公司,，,Unimation,。,美国的,M. E. Merchant,提出,计算机集成制造,的概念,(1969),日本,Fanuc,公司研制出由加工中心和工业机器人组成的,柔性制造,单元,(1976),中国批准,863,高技术计划,，,包括自动化领域的计算机集成制造系统和智能机器人两个主题,(1986),。,日本,SONY,公司二足步行机械人,SDR-4X,(2002),日本安川公司娱乐机械狗,(2001),世界第一颗人造地球卫星,(Sputnik),由苏联发射成功,(1957),苏联,东方-号飞船载着加加林进入人造地球卫星轨道，人类宇航时代开始了,(1961),。,苏联发射,“,月球,”,9,号探测器,，,首次在月面软着陆成功,(1966),，三年后,(1969),，美国,“,阿波罗,”,11,号把宇航员,N. A. Armstrong,送上月球。,第一台火星探测器,Sojourner,在火星表面软着陆,(1996),旅行者,Voyager,一号，二号开始走出太阳系，对茫茫太空进行探索。,美国,R. Bellman,在,RAND,Coporation,数学部的支持下,，,发表著名的,Dynamic Programming,，,建立,最优控制,的基础,(1957),。,苏联,L.S.,Pontryagin,发表,“,最优过程数学理论,”,，提出,极大值原理,(Maximum Principle),(1956),。,美籍匈牙利人,R. E. Kalman,发表,“,On the General Theory of Control Systems,”,等论文,，,引入,状态空间法,分析系统,，,提出能控性,，,能观测性,，,最佳调节器和,kalman,滤波等概念,，,奠定了现代控制理论的基础,(1960),。,美国的,E.I. Jury,发表,“,数字控制系统,”,(Sampled-Data Control System),，,建立了,数字控制,及数字信号处理的基础,(1958),。,1963,年,美国的,Lofti,Zadeh,与,C.,Desoer,发表,Linear Systems - A State Space Approach,。,1965,年,，,Zadeh,提出模糊集合和,模糊控制,概念。,瑞典,Karl J.,Astrom,提出最小二乘辩识,，,解决了线性定常系统参数估计问题和定阶方法,(1967),，六年后,，,提出了自启调节器,，,建立,自适应控制,的基础。,美国,R. Brockett,提出用微分几何研究,非线性控制,系统,(1976),，意大利,A.,Isidori,出版,(Nonlinear Control Systems),(1985),。,加拿大,G.,Zames,提出,H,鲁棒控制,设计方法,(1981,年,),美国,A. Bryson,和,Y.C Ho,发表,Applied Optimal Control,(1969),，,Y.C Ho,和,X.R Cao,等提出,离散事件系统理论,(1983),。,节气门体,驱动齿轮,电机,反馈系统,复位弹簧,轴,节气门阀,电子节气门,电子节气门结构示意图,开发模式,控制平台构建,控制效果,This is End of Chapter 1,