1.2 控制理论概述
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1.2 经典控制理论
75年和1896年，数学家劳斯（Routh）和赫尔威茨（Hurwitz）分别独立 地提出了高阶系统的稳定性判据，即Routh和Hurwitz判据。
二战期间（ 1938-1945 年）奈奎斯特（ H.Nyquist ）提出了频率响应理论 1948 年，伊万斯（ W.R.Evans ）提出了根轨迹法。至此，控制理论发展的 第一阶段基本完成，形成了以频率法和根轨迹法为主要方法的经典控制理 论。
经典控制理论的基本特征
（ 1 ）主要用于线性定常系统的研究，即用于常系数线性微分方程 描述的系统的分析与综合； （2）只用于单输入，单输出的反馈控制系统； （ 3 ）只讨论系统输入与输出之间的关系，而忽视系统的内部状态， 是一种对系统的外部描述方法。 基本方法：根轨迹法，频率法，PID调节器 （频域）
经典控制理论
控制理论的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理，主要用 于工业控制。第二次世界大战期间，为了设计和制造飞机及船用自 动驾驶仪、火炮定位系统、雷达跟踪系统等基于反馈原理的军用装 备，进一步促进和完善了自动控制理论的发展。
1868年，马克斯威尔（J.C.Maxwell）提出了低阶系统的稳定性代数判据 。
反馈控制是一种最基本最重要的控制方式，引入反馈信号后，系统 对来自内部和外部干扰的响应变得十分迟钝，从而提高了系统 的抗干扰能力和控制精度。与此同时，反馈作用又带来了系统 稳定性问题，正是这个曾一度困扰人们的系统稳定性问题激发 了人们对反馈控制系统进行深入研究的热情，推动了自动控制 理论的发展与完善。因此从某种意义上讲，古典控制理论是伴 随着反馈控制技术的产生和发展而逐渐完善和成熟起来的。
二战期间（ 1938-1945 年）奈奎斯特（ H.Nyquist ）提出了频率响应理论 1948 年，伊万斯（ W.R.Evans ）提出了根轨迹法。至此，控制理论发展的 第一阶段基本完成，形成了以频率法和根轨迹法为主要方法的经典控制理 论。
经典控制理论的基本特征
（ 1 ）主要用于线性定常系统的研究，即用于常系数线性微分方程 描述的系统的分析与综合； （2）只用于单输入，单输出的反馈控制系统； （ 3 ）只讨论系统输入与输出之间的关系，而忽视系统的内部状态， 是一种对系统的外部描述方法。 基本方法：根轨迹法，频率法，PID调节器 （频域）
经典控制理论
控制理论的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理，主要用 于工业控制。第二次世界大战期间，为了设计和制造飞机及船用自 动驾驶仪、火炮定位系统、雷达跟踪系统等基于反馈原理的军用装 备，进一步促进和完善了自动控制理论的发展。
1868年，马克斯威尔（J.C.Maxwell）提出了低阶系统的稳定性代数判据 。
反馈控制是一种最基本最重要的控制方式，引入反馈信号后，系统 对来自内部和外部干扰的响应变得十分迟钝，从而提高了系统 的抗干扰能力和控制精度。与此同时，反馈作用又带来了系统 稳定性问题，正是这个曾一度困扰人们的系统稳定性问题激发 了人们对反馈控制系统进行深入研究的热情，推动了自动控制 理论的发展与完善。因此从某种意义上讲，古典控制理论是伴 随着反馈控制技术的产生和发展而逐渐完善和成熟起来的。
现代控制理论的主要内容
自适应控制(3/5)
自适应控制系统的类型主要有 自校正控制系统,
模型参考自适应控制系统,
自寻最优控制系统, 学习控制系统等。 最近,非线性系统的自适应控制,基于神经网络的自适应控制得到 重视,提出了一些新的方法。
自适应控制领域是少数几个中国人取得较大成就的领域。中 国科学院陈翰馥院士与郭雷院士在1990年代初圆满解决自适 应控制的收敛性问题。
随机系统理论就是研究这类随机动态系统的系统分析、 优化与控制。
随机系统理论和最优估计(2/2)
最优估计讨论根据系统的输入输出信息估计出或构造出随机 动态系统中不能直接测量的系统内部状态变量的值。 由于现代控制理论主要以状态空间模型为基础,构成反馈 闭环多采用状态变量,因此估计不可直接测量的状态变量 是实现闭环控制系统重要的一环。 该问题的困难性在于系统本身受到多种内外随机因素扰 动,并且各种输入输出信号的测量值含有未知的、不可测 的误差。 最优估计的早期工作是维纳在1940年代提出的维纳滤波器, 较系统完整的工作是卡尔曼在1960年代初提出的滤波器理论。 该分支的基础理论为概率统计理论、线性系统理论和最 优控制理论。
该分支的基本内容和常用方法为 变分法； 庞特里亚金的极大值原理； 贝尔曼的动态规划方法。
随机系统理论和最优估计(1/2)
1.2.3 随机系统理论和最优估计
实际工业、农业、社会及经济系统的内部本身含有未知或不 能建模的因素,外部环境上亦存在各种扰动因素,以及信号或 信息的检测与传输上往往不可避免地带有误差和噪音。 随机系统理论将这些未知的或未建模的内外扰动和误差, 用不能直接测量的随机变量及过程以概率统计的方式来 描述,并利用随机微分方程和随机差分方程作为系统动态 模型来刻划系统的特性与本质。
1.2 智能控制
智能控制
是近年来新发展起来的一种控制技术，是人工智能在控制 上的应用。智能控制的概念和原理主要是针对被控对象、 环境、控制目标或任务的复杂性提出来的，它的指导思想 是依据人的思维方式和处理问题的技巧，解决那些目前需 要人的智能才能解决的复杂的控制问题。被控对象的复杂 性体现为:模型的不确定性，高度非线性，分布式的传感器 和执行器，动态突变，多时间标度器自主地实现其目标的过程
智能控制是从“仿人”的概念出发的。其方法包 括学习控制、模糊控制、神经元网络控制和专家控 制等方法。
是近年来新发展起来的一种控制技术，是人工智能在控制 上的应用。智能控制的概念和原理主要是针对被控对象、 环境、控制目标或任务的复杂性提出来的，它的指导思想 是依据人的思维方式和处理问题的技巧，解决那些目前需 要人的智能才能解决的复杂的控制问题。被控对象的复杂 性体现为:模型的不确定性，高度非线性，分布式的传感器 和执行器，动态突变，多时间标度器自主地实现其目标的过程
智能控制是从“仿人”的概念出发的。其方法包 括学习控制、模糊控制、神经元网络控制和专家控 制等方法。
《控制理论概要》课件
如果系统的所有极点都位 于复平面的左半部分，则 系统是稳定的。
它通过计算系统的极点和 零点，来判断系统的稳定 性。
如果极点位于复平面的右 半部分或等于零，则系统 是不稳定的。
奈奎斯特稳定判据
奈奎斯特稳定判据是通过分 析系统的频率响应来判定系 统稳定性的方法。
如果系统的所有频率响应曲 线都在复平面的左半部分， 则系统是稳定的。
根据控制信号调节输入电 压或电流，改变转速。
人工设定的期望转速值。
案例三：电机控制系统
01 总结词
02 速度传感器
03 控制器
04 电机
05 设定值
通过速度传感器检测电机 转速，控制器根据设定值 与实际值的偏差来调节电 机的输入电压或电流，从 而控制电机转速在设定范 围内。
用于检测电机转速，将转 速信号转换为电信号。
接收速度传感器信号，与 设定值进行比较，输出控 制信号。
频率响应法
通过分析系统的频率响应曲线，评估系统的 稳定性和性能。
现代控制策略
状态空间控制
基于系统状态方程的控制方法，通过状态反馈实现系统最优控制 。
鲁棒控制
针对不确定性系统设计的控制方法，提高系统对参数变化的适应性 。
自适应控制
根据系统参数变化自适应调整控制器参数，实现系统最优控制。
控制策略比较与选择
控制器
加热器或冷却器
设定值
通过温度传感器检测温 度，控制器根据设定值 与实际值的偏差来调节 加热器或冷却器的开度 ，从而控制温度稳定在 设定范围内。
用于检测温度，将温度 信号转换为电信号。
接收温度传感器信号， 与设定值进行比较，输 出控制信号。
根据控制信号调节开度 ，改变温度。
人工设定的期望温度值 。
它通过计算系统的极点和 零点，来判断系统的稳定 性。
如果极点位于复平面的右 半部分或等于零，则系统 是不稳定的。
奈奎斯特稳定判据
奈奎斯特稳定判据是通过分 析系统的频率响应来判定系 统稳定性的方法。
如果系统的所有频率响应曲 线都在复平面的左半部分， 则系统是稳定的。
根据控制信号调节输入电 压或电流，改变转速。
人工设定的期望转速值。
案例三：电机控制系统
01 总结词
02 速度传感器
03 控制器
04 电机
05 设定值
通过速度传感器检测电机 转速，控制器根据设定值 与实际值的偏差来调节电 机的输入电压或电流，从 而控制电机转速在设定范 围内。
用于检测电机转速，将转 速信号转换为电信号。
接收速度传感器信号，与 设定值进行比较，输出控 制信号。
频率响应法
通过分析系统的频率响应曲线，评估系统的 稳定性和性能。
现代控制策略
状态空间控制
基于系统状态方程的控制方法，通过状态反馈实现系统最优控制 。
鲁棒控制
针对不确定性系统设计的控制方法，提高系统对参数变化的适应性 。
自适应控制
根据系统参数变化自适应调整控制器参数，实现系统最优控制。
控制策略比较与选择
控制器
加热器或冷却器
设定值
通过温度传感器检测温 度，控制器根据设定值 与实际值的偏差来调节 加热器或冷却器的开度 ，从而控制温度稳定在 设定范围内。
用于检测温度，将温度 信号转换为电信号。
接收温度传感器信号， 与设定值进行比较，输 出控制信号。
根据控制信号调节开度 ，改变温度。
人工设定的期望温度值 。
1.2-现代控制理论的主要内容PPT优秀课件
6
最优控制(1/1)
1.2.2 最优控制
最优控制理论是研究和解决从一切可能的控制方案中寻找最 优解的一门学科。 ➢ 具体地说就是研究被控系统在给定的约束条件和性能指 标下,寻求使性能指标达到最佳值的控制规律问题。 ➢ 例如要求航天器达到预定轨道的时间最短、所消耗的燃 料最少等。
该分支的基本内容和常用方法为 ➢ 变分法； ➢ 庞特里亚金的极大值原理； ➢ 贝尔曼的动态规划方法。
8
随机系统理论和最优估计(2/2)
最优估计讨论根据系统的输入输出信息估计出或构造出随机 动态系统中不能直接测量的系统内部状态变量的值。 ➢ 由于现代控制理论主要以状态空间模型为基础,构成反馈 闭环多采用状态变量,因此估计不可直接测量的状态变量 是实现闭环控制系统重要的一环。 ➢ 该问题的困难性在于系统本身受到多种内外随机因素扰 动,并且各种输入输出信号的测量值含有未知的、不可测 的误差。
系统辨识是重要的建模方法,因此亦是控制理论实现和应用 的基础。 ➢ 系统辨识是控制理论中发展最为迅速的领域,它的发展还 直接推动了自适应控制领域及其他控制领域的发展。
11
自适应控制(1/5)
1.2.5 自适应控制
自适应控制研究当被控系统的数学模型未知或者被控系统的 结构和参数随时间和环境的变化而变化时,通过实时在线修正 控制系统的结构或参数使其能主动适应变化的理论和方法。 ➢ 自适应控制系统通过不断地测量系统的输入、状态、输 出或性能参数,逐渐了解和掌握对象,然后根据所得的信息 按一定的设计方法,做出决策去更新控制器的结构和参数 以适应环境的变化,达到所要求的控制性能指标。 ➢ 该分支诞生于1950年代末,是控制理论中近60年发展最为 迅速、最为活跃的分支。
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自适应控制(2/5)
最优控制(1/1)
1.2.2 最优控制
最优控制理论是研究和解决从一切可能的控制方案中寻找最 优解的一门学科。 ➢ 具体地说就是研究被控系统在给定的约束条件和性能指 标下,寻求使性能指标达到最佳值的控制规律问题。 ➢ 例如要求航天器达到预定轨道的时间最短、所消耗的燃 料最少等。
该分支的基本内容和常用方法为 ➢ 变分法； ➢ 庞特里亚金的极大值原理； ➢ 贝尔曼的动态规划方法。
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随机系统理论和最优估计(2/2)
最优估计讨论根据系统的输入输出信息估计出或构造出随机 动态系统中不能直接测量的系统内部状态变量的值。 ➢ 由于现代控制理论主要以状态空间模型为基础,构成反馈 闭环多采用状态变量,因此估计不可直接测量的状态变量 是实现闭环控制系统重要的一环。 ➢ 该问题的困难性在于系统本身受到多种内外随机因素扰 动,并且各种输入输出信号的测量值含有未知的、不可测 的误差。
系统辨识是重要的建模方法,因此亦是控制理论实现和应用 的基础。 ➢ 系统辨识是控制理论中发展最为迅速的领域,它的发展还 直接推动了自适应控制领域及其他控制领域的发展。
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自适应控制(1/5)
1.2.5 自适应控制
自适应控制研究当被控系统的数学模型未知或者被控系统的 结构和参数随时间和环境的变化而变化时,通过实时在线修正 控制系统的结构或参数使其能主动适应变化的理论和方法。 ➢ 自适应控制系统通过不断地测量系统的输入、状态、输 出或性能参数,逐渐了解和掌握对象,然后根据所得的信息 按一定的设计方法,做出决策去更新控制器的结构和参数 以适应环境的变化,达到所要求的控制性能指标。 ➢ 该分支诞生于1950年代末,是控制理论中近60年发展最为 迅速、最为活跃的分支。
12
自适应控制(2/5)
控制理论的基本知识点总结
控制理论的基本知识点总结控制理论是研究如何设计和实现能够使系统产生特定性能的方法和技术的科学。
控制理论涉及系统建模、控制器设计、稳定性分析、系统优化等方面的知识。
控制理论在工程、经济、生物学、物理学等领域有着广泛的应用，可以帮助人们设计和改进各种系统，提高系统的性能和效率。
1. 系统建模系统建模是控制理论研究的基础，它是将系统抽象成数学模型的过程。
系统模型通常采用微分方程、差分方程、状态空间方程等形式。
在建模过程中，需要考虑系统的输入、输出、状态变量以及系统的动力学特性。
通过系统建模，可以对系统进行分析、仿真和控制器设计。
2. 闭环控制系统闭环控制系统是一种通过对系统的输出信号进行测量，并将测量结果反馈给控制器，从而调节系统的输入信号的控制系统。
闭环控制系统可以实现对系统输出的精确控制，对系统的不确定性和干扰具有较强的抑制能力。
闭环控制系统的设计和分析是控制理论研究的重要内容。
3. PID控制器PID控制器是一种最常用的控制器，它由比例控制器、积分控制器和微分控制器三个部分组成。
比例控制器负责根据当前误差调节控制信号，积分控制器负责根据过去的误差累积调节控制信号，微分控制器负责根据误差的变化率调节控制信号。
PID控制器简单易用，广泛应用于各种系统的控制中。
4. 稳定性分析稳定性分析是控制系统设计和分析的重要内容，它研究系统的稳定性条件和判据。
系统的稳定性分为渐近稳定和有界稳定两种。
通过稳定性分析，可以判断系统是否稳定，设计出稳定的控制器，保证系统的性能和可靠性。
5. 系统优化系统优化是控制理论的一个重要分支领域，它研究如何设计最优的控制器以实现系统的最佳性能。
系统优化方法包括线性规划、非线性规划、动态规划、遗传算法等。
通过系统优化，可以提高系统的性能和效率，降低系统的成本和能耗。
6. 鲁棒控制鲁棒控制是一种能够在系统参数变化和外部干扰存在时保持系统稳定性和性能的控制方法。
鲁棒控制方法包括H∞控制、小波控制、自适应控制等。
自动控制理论_哈尔滨工业大学_1 第1章自动控制理论概述_(1.2.1) 1.2开环控制和闭环控制
§1.2 开环控制和闭环控制
一、开环控制系统
例：烤面包机
输入—定时器设定的时间 输出—面包的颜色 控制对象—烤箱的加热系统
输入量
控制器
控制量
输出量
被控对象
• 控制器与被控对象之间只有正向的控制作用。 • 输出量对控制量没有影响。
一、开环控制系统
例：直流电动机转速开环控制系统
一、开环控制系统
开环控制系统的特点：
对于惯性较大的系统，若参数配合不当，控制性能可能变 得很差，甚至出现发散或等幅振荡等不稳定的情况。
三、自动控制系统的概念
反馈：
将检测出来的输出量送回到系统的输入端，并与输 入信号比较的过程。
反馈
负反馈（反馈信号与输入信号相减），减小偏差。 正反馈（反馈信号与输入信号相加），增大偏差。
对于主反馈必须采用负反馈。
1. 结构简单、造价低、容易设计调整。
2. 没有抗干扰的能力，因此精度较低。
3. 系统的控制精度取决于给定信号的标定精度及被控对 象参数的稳定性。
应用场合：
1. 控制量的变化规律可以预知。 2. 可能出现的干扰可以抑制。 3. 被控量很难测量。 应用较为广泛，如家电、加热炉、水泵等等。
二、闭环控制系统
二、闭环控制系统
阀门 进水
减速器 电动机
电位器
连 杆
放大 器
浮子 水池
较完善的水位自动控制系统
实际 水位
出 水
采用误差累积式控制（积分）保证精确的水位
二、闭环控制系统
闭环控制系统定义： 通过反馈回路使系统构成闭环并按偏差的性质产生控
制作用，以求减小或消除偏差的控制系统。
闭环控制系统的特点： 1. 对外部或内部干扰(如内部件参数变动)的影响不敏感。 2. 由于采用反馈装置，导致设备增多，系统设计调整复杂。 3. 精度较高，很大程度上由反馈测量元件精度决定。 4. 闭环系统存在稳定性问题。
一、开环控制系统
例：烤面包机
输入—定时器设定的时间 输出—面包的颜色 控制对象—烤箱的加热系统
输入量
控制器
控制量
输出量
被控对象
• 控制器与被控对象之间只有正向的控制作用。 • 输出量对控制量没有影响。
一、开环控制系统
例：直流电动机转速开环控制系统
一、开环控制系统
开环控制系统的特点：
对于惯性较大的系统，若参数配合不当，控制性能可能变 得很差，甚至出现发散或等幅振荡等不稳定的情况。
三、自动控制系统的概念
反馈：
将检测出来的输出量送回到系统的输入端，并与输 入信号比较的过程。
反馈
负反馈（反馈信号与输入信号相减），减小偏差。 正反馈（反馈信号与输入信号相加），增大偏差。
对于主反馈必须采用负反馈。
1. 结构简单、造价低、容易设计调整。
2. 没有抗干扰的能力，因此精度较低。
3. 系统的控制精度取决于给定信号的标定精度及被控对 象参数的稳定性。
应用场合：
1. 控制量的变化规律可以预知。 2. 可能出现的干扰可以抑制。 3. 被控量很难测量。 应用较为广泛，如家电、加热炉、水泵等等。
二、闭环控制系统
二、闭环控制系统
阀门 进水
减速器 电动机
电位器
连 杆
放大 器
浮子 水池
较完善的水位自动控制系统
实际 水位
出 水
采用误差累积式控制（积分）保证精确的水位
二、闭环控制系统
闭环控制系统定义： 通过反馈回路使系统构成闭环并按偏差的性质产生控
制作用，以求减小或消除偏差的控制系统。
闭环控制系统的特点： 1. 对外部或内部干扰(如内部件参数变动)的影响不敏感。 2. 由于采用反馈装置，导致设备增多，系统设计调整复杂。 3. 精度较高，很大程度上由反馈测量元件精度决定。 4. 闭环系统存在稳定性问题。
考研控制理论知识点解析
考研控制理论知识点解析考研是许多大学毕业生迈向研究生阶段的重要关口，而控制理论作为一门重要的考研科目，对于很多学子来说，可能是一个较为困扰的知识点。
本文将对考研控制理论的知识点进行解析，帮助考生们更好地理解和掌握。
一、控制理论概述控制理论是一门研究采取某种控制手段，使被控对象达到预期目标的科学、系统的理论。
它的发展历程可以追溯到工业革命以后。
控制理论主要包括控制系统建模、控制系统分析与设计等内容，是现代工程技术领域的重要组成部分。
二、控制理论的基本概念和基本方法1. 控制对象：控制理论中所指的被控制系统，可以是机械系统、电气系统、化工系统等各类系统。
2. 控制器：控制理论中的核心要素之一，是用来对被控系统进行调节和控制的设备。
3. 基本方法：控制理论主要采用传递函数、状态空间法、信号流图等方法对控制系统进行建模与分析。
三、控制理论的主要内容1. 系统建模：控制理论中的一个重要环节，用来描述控制对象与控制器之间的相互关系。
常用的建模方法有传递函数法、状态空间法等。
2. 稳定性分析：稳定是控制系统设计的基本要求，稳定性分析是控制理论的核心内容之一。
常用的稳定性分析方法有根轨迹法、频率域法等。
3. 控制器设计：控制器是控制系统的核心部分，控制器设计是控制理论的重点研究内容之一。
常用的控制器设计方法有比例积分微分控制器（PID控制器）设计、模糊控制器设计等。
4. 优化控制：控制理论的另一个研究方向是如何使系统在达到某种控制目标的同时，使所消耗的资源最小，性能最优。
常用的优化控制方法有线性二次型调节器（LQ调节器）设计、最小二乘法等。
四、控制理论的应用控制理论在现代工程技术领域有着广泛的应用。
以自动控制为代表的控制技术在工业生产、交通运输、航空航天、军事装备、能源利用等领域发挥着重要作用。
例如，在工业生产中，控制理论被应用于自动化生产线的控制和优化；在航空航天领域，控制技术被用于飞行器的自动驾驶和导航系统。
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可控/可观
可控性/可稳性 可观性/可检性
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控制系统分析与设计的一般流程
第二步：系统分析(System Analysis)
稳定性
渐进稳定/指数稳定 全局稳定/半全局稳定/局部稳定
可控/可观
可控性/可稳性 可观性/可检性
耗散性
无源性（正实） /收缩性（有界实）… 负虚性
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控制系统分析与设计的一般流程
第一步： 系统建模(System Modeling)
开环控制系统(Open loop control systems)
Disturbance (Noise) Input r(t) Reference desired output Controller Output c(t) (actual output)
Controller
uk
Control signal
(+)
Feedback signal b(t)
Actuator
uact
Actuating signal
Process
Output c(t) (actual output)
measurement
Fig. 1.11
闭环控制 (1). 在系统响应远离设定值区域时，可采用开关模式进行控制， 使系统快速向设定值回归； (2).在极值附近时减少控制量．直到误差趋势渐小时，保持控制
第一步： 系统建模(System Modeling) 第二步： 系统分析(System Analysis) 第三步： 系统综合(System Synthesis)
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1.2.2 控制系统分析与设计的一般流程
控制系统设计的经典(基于模型)方法
第一步： 系统建模(System Modeling) 第二步： 系统分析(System Analysis) 第三步： 系统综合(System Synthesis)
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控制系统分析与设计的一般流程
第一步： 系统建模(System Modeling)
预处理
信号与系统 控制任务
建模
基于机理的建模 基于数据的建模
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控制系统分析与设计的一般流程
第一步： 系统建模(System Modeling)
基于机理的建模
电路系统-电路理论
线性模型
偏微分方程
常微分方程
高阶模型
低阶模型
非耗散模型
耗散模型
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1.2.2 控制系统分析与设计的一般流程
控制系统设计的经典(基于模型)方法
第一步： 系统建模(System Modeling) 第二步： 系统分析(System Analysis) 第三步： 系统综合(System Synthesis)
流体控制系统-流体力学 Navier–Stokes equations et.al
过程(冶金/化工)控制系统 Cahn–Hilliard equation et.al. …… ……. ……
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控制系统分析与设计的一般流程
第一步： 系统建模(System Modeling)
控制系统分析与设计的一般流程
第一步： 系统建模(System Modeling)
基于机理的建模方法示例-质量-弹簧-阻尼机械系统 建模依据：
F
k
牛顿力学原理
m
y
f
数学模型：
dy d2y F ky f m 2 dt d t d2y dy m 2 f ky F dt dt
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卫星/火箭姿态控制系统 (Rocket/ Guided-missile system)
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1.2 控制理论概述 1.2.1 若干典型的控制系统示例 1.2.2 控制系统分析与设计的一般流程 1.2.3 古典控制理论 1.2.4 现代控制理论 1.2.5 后现代控制理论
控制系统分析与设计的一般流程
第一步： 系统建模(System Modeling)
闭环控制系统 (Closed loop (feedback) control systems)
Disturbance (Noise) Input r(t) Reference desired output
+
e(t)= r(t)-b(t)
t
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控制系统分析与设计的一般流程
第二步：系统分析(System Analysis)
稳定性
渐进稳定/指数稳定 全局稳定/半全局稳定/局部稳定
可控/可观
可控性/可稳性 可观性/可检性
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控制系统分析与设计的一般流程
第二步：系统分析(System Analysis)
信号与系统 控制任务
预处理
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控制系统分析与设计的一般流程
第一步： 系统建模(System Modeling)
信号与系统
执行器
被控对象
传感器
信号
测量输出信号
测量噪声信号
系统干扰信号 控制输入信号 参考输出信号
u
控制任务
y
控制器
y
u
r
rபைடு நூலகம்
跟踪/稳定； 控制目标函数
uk
Actuator Control signal Fig. 1.10
uact
Process Actuating signal
开环控制
(1). 在系统响应远离设定值区域时，可采用开关模式进行控制， 使系统快速向设定值回归； (2).在极值附近时减少控制量．直到误差趋势渐小时，保持控制
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1.2.1 若干典型的控制系统示例
质量-弹簧-阻尼机械系统 (Mass-Spring-Damper Mechanical System)
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1.2.1 若干典型的控制系统示例
液位控制系统 (Liquid level Control system)
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流体控制系统-流体力学 Navier–Stokes equations et.al
过程(冶金/化工)控制系统 Cahn–Hilliard equation et.al. …… ……. ……
参数未知
系统辨识/参数辨识
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控制系统分析与设计的一般流程
第一步： 系统建模(System Modeling)
输入信号 → F 输出信号→ y
控制系统分析与设计的一般流程
第一步： 系统建模(System Modeling)
基于机理的建模
电路系统-电路理论
基于数据的建模
白箱模型 (White Box) 结构已知
Kirchhoff's Laws et.al
机械系统-机械力学
Euler–Lagrange equation Newton's second law et.al
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控制系统分析与设计的一般流程
第三步： 系统综合(System Synthesis)
控制器设计
Actuator
Plant
Sensor
u
Controller
y
Designing control low:
u Gyu (s) y Gru (s)r
r
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第三步： 系统综合(System Synthesis)
1.2 控制理论概述 1.2.1 若干典型的控制系统示例 1.2.2 控制系统分析与设计的一般流程 1.2.3 古典控制理论 1.2.4 现代控制理论 1.2.5 后现代控制理论
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1.2.1 若干典型的控制系统示例
电容-电感-电阻电路系统 (Resistor-Inductor-Capacitor Circuit System）
1.2.1 若干典型的控制系统示例
温度控制系统 (Electric heating furnace system)
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1.2.1 若干典型的控制系统示例
倒立摆姿态控制系统 (Inverted Pendulum System)
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1.2.1 若干典型的控制系统示例
热力系统-热力学
参数未知 (Parameter Identification)
灰箱模型 (Gray Box) 结构未知&固定 参数未知 黑箱模型(Black Box) 结构未知&待定
Thermodynamic equations et.al
电磁系统-电磁学
Maxwell's equations et.al
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控制系统分析与设计的一般流程
第二步：系统分析(System Analysis)
耗散性
无源性（正实） /收缩性（有界实）… 负虚性
f (u (t ), x(t ))
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1.2.2 控制系统分析与设计的一般流程
控制系统设计的经典(基于模型)方法
自动化系仪自教研室
1.2.2 控制系统分析与设计的一般流程