第2章-4 自动控制发展

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,*,2.4 自动控制的发展概况,自动控制的两个组成部分,自动控制理论是分析和设计自动控制系统的工具和基础，相当于“软件”；自动控制技术则着重在控制系统的硬件实现方面,自动控制,自动控制理论,自动控制技术,2.4.1 自动控制技术的发展概况,自动控制技术的发展取决于每个阶段应用技术所能达到的水平；,早期的自动控制只能依靠简单的机械装置、气动机构、液压传动装置等；,随着电的发明，很多电气、电子元器件及设备相继问世，继电器、接触器、电阻、电容、电感、电位器、放大器等陆续应用于自动控制系统，使控制性能得到提升；,上述器件所构成的控制装置只能实现模拟控制，改变控制方法或控制参数就得更换相应的硬件，而且很多复杂一点的控制方法还无法实现或实现起来很困难；,计算机的出现从根本上改变了自动控制的实现方式，控制方法和控制参数在计算机里只是一组程序（称为“控制算法”），修改很方便，而且无论控制算法简单还是复杂，都一样可以实现，因此计算机在控制领域迅速推广和普及；,常用的数字化控制装置包括单片机、工业控制计算机、可编程逻辑控制器、数字信号处理器等。,单片机,单片机是,在一块芯片上集成了微处理器、存储器及接口电路等，,在计算机家族里体积最小、价格最便宜、应用非常普遍，一辆普通轿车里常常有几十个单片机在工作。,工业控制计算机,工控机类似普通微机，但提高了工作的可靠性，配备了用于工业控制的输入输出接口，并特别加强了针对工业环境的抗干扰措施。,可编程逻辑控制器,（Programmable Logic Controller，简称“PLC”）,PLC包含了逻辑运算、顺序控制、算术运算及定时和计数等功能，是专为工业环境下的应用而设计的，早期主要用于逻辑及顺序控制，以取代传统的继电器控制，后来又增加了连续的反馈调节功能，并具有联网和通信功能，应用范围越来越广。,数字信号处理器,（Digital Signal Processor，简称“DSP”）,DSP的计算和处理功能相当强大，早期主要用于信号处理领域，价格也较昂贵，但随着计算机技术的发展，价格不断降低，因而近年来在控制领域的应用,也,越来越多,计算机控制方式的演变,第一阶段：集中控制,用一台计算机同时控制多台机器或设备，轮流采集反馈信息，计算出所需要的控制量后轮流输出给每台机器或设备，属于“分时控制”，主要缺点是可靠性差。,计算机,受控设备1,受控设备2,受控设备N,反馈信号,反馈信号,控制信号,控制信号,第二阶段：单机控制,一台计算机只控制一台机器或设备，主要优点是控制风险小。这种方式在今天也很常见，如冰箱、空调、电饭煲的控制等。,计算机,受控设备,反馈信号,控制信号,第三阶段：分散控制,对于多台相互关联的机器或设备，每台机器或设备都单独用一个数控装置来控制（单机控制方式），但与上层的协调和管理计算机有信息交互，属于网络化的控制系统。,典型例子有：,计算机集成制造系统 CIMS（Computer Integrated Manufacturing System）,集散控制系统 DCS（Distributed Control System）,现场总线控制系统 FCS（Fieldbus Control System）,一种网络化的现场总线控制系统,现代计算机控制系统：管控一体化,一个生产企业往往可能同时采用了好几种网络化的控制系统，并与管理系统连为一体，实现无缝衔接。,现代生产自动化系统通常具有三层结构：,例如，最底层是,基础自动化层,，以PCS（过程控制系统）为代表；第二层是,生产过程运行优化层,，以MES（制造执行系统）为代表；最高层是,生产经营优化层,，以ERP（企业资源管理）为代表。,基础层主要包括DCS、FCS、各种先进控制软件、检测装置、实时数据库等；,运行优化层主要包括建模、计划与调度、实时优化、故障诊断与维护、质量控制、成本控制等；,经营优化层主要包括企业资源规划（ERP）、供应链管理（SCM）、客户关系管理（CRM）、设备资源管理、企业电子商务平台等；,这样的管控一体化系统可以实现在线成本的预测、控制和反馈校正，还可以实现生产全过程的质量跟踪、安全监控、统一指挥和优化调度。,生产自动化系统的层次结构示意图,2.4.2 自动控制理论的发展概况,几个常用术语：,线性系统和非线性系统,线性系统可以用线性方程来描述其运动规律，否则就是非线性系统。线性系统满足“均匀性”和“叠加性”。,均匀性：,当输入信号按一定比例放大或缩小时，对应的输出也放大或缩小同样比例。,叠加性：,多个输入同时作用于系统所产生的输出等于这些输入分别作用于系统所产生的输出之和。,定常系统和时变系统,定常系统制系统的所有参数是固定的，不随时间而改变；时变系统则正好相反，有随时间而改变的参数。,实际系统都属于时变系统，但当参数变化较慢、且变化幅度不大时，我们可以近似看作定常系统。,实际系统都属于非线性系统，但大部分系统的非线性不严重，因此可以近似看作线性系统来处理。,单变量系统和多变量系统,单变量系统是说系统只有一个输入和一个输出，又称为“单输入单输出系统”；多变量系统则指输入或输出不止一个，也叫“多输入多输出系统”。,连续时间系统和离散时间系统,连续时间系统是指系统中的所有变量均为时间的连续函数（连续信号）；离散时间系统则主要指包含计算机等数字设备的系统，计算机的输入输出数据都是离散信号，但计算机操纵的机器或设备（受控对象）一般属于连续时间系统。,0,t,离散信号,0,t,连续信号,A/D,D/A,数字,控制器,受控对象,检测装置,计算机,r(t),e(t),u(t,),y(t,),计算机控制系统原理图,恒值与随动控制系统,恒值控制系统：,系统输入（给定信号）为一常值，控制目标是使系统输出（被控量）保持恒定。,如温度、水位、转速控制系统,给定,输入,误差,控制量,控制器,对象,输出,检测,反馈信号,随动控制系统：,又称为伺服（,servo,）控制系统，系统的给定输入是随时间任意变化的函数，控制目标是使系统输出（受控量）以尽可能小的误差跟随输入量的变化。,如数控机床按设定轨迹加工零件，雷达及高炮跟踪飞机，太阳能电池板跟踪太阳等。,给定,输入,误差,控制量,控制器,对象,输出,检测,反馈信号,自动控制理论发展的三个阶段,自动控制理论的发展一直受到实际需求的驱动；,20世纪前半叶工业生产对广泛应用各种自动控制装置的需求以及“二战”期间对改进武器系统性能的需求（如雷达跟踪、火炮控制、舰船控制、飞机导航等）推动了,第一代控制理论,经典控制理论,的成熟与发展；,20世纪60年代航空航天领域对运载火箭、人造卫星、导弹、飞机等各类飞行器进行精确控制的需求催生了被称为“,现代控制理论,”的,第二代控制理论,；,20世纪70年代以来控制系统的规模越来越大、结构和特性越来越复杂、对控制性能的要求却越来越高，从而导致了,第三代控制理论,的研究和发展；,第三代控制理论至今没有明确的定义和范围，一般泛指各种先进的新型控制理论与方法，如智能控制、大系统控制、鲁棒控制、预测控制、自适应控制、多变量频域控制、非线性系统控制等，其共同特点是都针对控制难度较大的一些复杂系统，因此第三代控制理论的总体发展趋势可能是“复杂系统控制”。,1.第一代控制理论经典控制理论,采用的控制器结构一般很简单（如PID控制），需要设置和调整的参数很少，是以简单的控制结构来获取相对满意的控制性能。,处理的受控对象是最简单的一类系统，即单输入单输出线性定常系统，其运动规律的描述一般采用微分方程（针对连续时间系统）或差分方程（针对离散时间系统）；由于直接针对这样的时间域方程进行分析和设计比较困难，所以通常要先变换为复数域的代数方程或频率特性的形式。,分析和设计主要通过作图，直观简便，物理概念清楚，参数调整的方针明确，最具代表性、实际应用最多的是“频率分析法”，即根据频率响应特性分析反馈系统的性能；,主要缺点是只能用于单输入单输出线性定常系统，设计过程需要多次尝试，设计结果不具备最优性；,数学基础主要是以微积分为主要内容的高等数学、面向工程应用的复变函数和积分变换。,2.第二代控制理论状态空间方法,状态空间方法又被称为“现代控制理论”，以“状态变量”和“状态方程”为基础；,“状态变量”是能够完整地描述系统状态的一组变量，“状态方程”是利用状态变量来描述系统运动规律的一组一阶微分方程；,可以通过直接求时间解来进行分析，属于“时域法”；,核心概念是“能控性”和“能观测性”，“能控性”指系统的状态变量能否通过控制量来任意改变，而“能观测性”指能否由检测的输出变量得知状态变量；,“能控性”体现了能否对系统进行有效控制，“能观测性”则反映了能够充分地获取反馈信息；,与经典控制理论相比较，状态空间法的优点体现在一方面能够获取更充分的反馈信息，另一方面在控制方式上一般寻求最优解，如最少能量控制、最短时间控制等；,状态空间法的主要缺点是基于精确数学模型，而且实现状态反馈通常需要构建“状态观测器”，使系统结构复杂，控制性能下降，因而在工业控制领域的应用远不如经典理论普遍；,数学基础主要是线性代数、矩阵理论等。,3.第三代控制理论,各种新型控制理论及方法,网络化使我们面临的系统越来越复杂、规模越来越大，控制难度不断增加，对控制性能的要求又越来越高，因此自上世纪70年代以来不断研究和发展出了多种新型控制理论及方法，前面介绍的智能控制就是其中的优秀代表。,下面再扼要介绍另外几种代表性方法。,现代频域控制理论,（Modern frequency-domain control theory）,经典控制理论简单实用，属于“频域方法”，较状态空间法更能适应系统的不确定性，包括模型不准确或有外部扰动等，但它只能用于单输入单输出系统，上世纪70年代英国率先提出了“多变量频域方法”，被称为“频域法的复归”；,“多变量频域法”实际上只是经典频域法的一种扩展，继承和保留了经典方法的很多特点，也包括一些缺陷，设计过程需要大量作图、反复试凑，控制器的结构受到限制，无法实现系统性能最优；,从上世纪70年代末到80年代中期，一种全新的频域控制理论在美国和加拿大逐渐形成，并逐渐得到推广应用；,其主要特点是首先将保证反馈系统稳定的所有控制器表达为一个自由参数的函数，然后在此基础上对控制性能进行优化，优化过程充分考虑了系统的不确定性，属于频域的最优控制；,其分析与设计方法是统一的，可同时适用于单变量和多变量系统、连续和离散时间系统。,鲁棒控制（Robust control）,“鲁棒”源于英语的“robust”，意思是“强健的”，是音译与意译相结合的一种翻译；,我们说系统具有“鲁棒性（robustness）”，是指系统在存在模型误差或受到扰动等各种不确定性因素影响下，仍能保持良好的性能；,“鲁棒控制”是使系统具有良好鲁棒性的控制；,鲁棒控制的概念在经典控制理论里就有所体现，但“鲁棒控制”一词的首次正式使用是1976年。,鲁棒控制主要解决以下三个基本问题：,鲁棒稳定性（robust stability）,指系统即使存在模型误差，控制器也能保证反馈系统稳定性。,稳定性是对系统最基本的要求，不稳定的系统会产生不希望的振荡或变量发散，从而造成系统失控和设备损坏，无法正常工作。,鲁棒跟踪（robust tracking）,指系统即使存在模型误差和外部扰动，控制器也能使系统的输出信号最终与期望值完全一致。,鲁棒性能（robust performance）,我们通常是根据受控系统的模型来设计控制器的，在模型准确且不考虑扰动的情况下，系统能够实现的性能称为“标称性能”或“名义性能”（nominal performance）；,鲁棒性能：在模型不准确或存在扰动影响时，我们设计的控制器能使系统的实际性能尽可能接近标称性能。,鲁棒控制是一个总的称呼，采用经典及现代频域理论、状态空间方法、智能控制等都可以研究和实现鲁棒控制。,自适应控制（Adaptive Control）,指控制器能自动