现代控制工程基础(第二版)

第1章 控制系统一般概念 1.1 引言 在现代科学技术发展中，自动控制理论(automatic control theory)与自动控制系统起着越来越重要的作用。例如，人造卫星要在预定轨道上运行并完成特定的任务、导弹准确命中目标、雷达跟踪系统的准确定位、先进的战斗机超机动飞行以及格斗等都是以自动控制技术为前提的。人们熟悉的第二次世界大战中的地毯式轰炸：为了炸毁所选中的工业或军事目标，不加选择地在居住区投下无制导的炸弹。现在，这些已经被精确制导武器所取代，精确制导武器是相当准确的，能够一次只打击一个既定目标，而不损伤无辜，自动控制技术为这些武器系统提供了稳定性和准确性，并且当存在大的环境变化和系统不确定性时系统具有良好的跟踪性能。自动控制技术在宇宙飞船、导弹制导和机器人等领域中具有特别重要的作用，并已经成为现代制造业和工业过程中不可缺少的组成部分。例如，造纸厂中对纸张滚卷的恒张力控制、热轧厂中对金属薄板厚度的控制，特别是化学工业，要监控成千上万个传感信号和对成百上千个阀门、加热器、泵和其他执行器，并实现对压力、温度、流量等物理量的控制，从而保证产品质量。同样，通信系统、互联网以及智能交通系统、现代物流系统也离不开自动控制技术。 自动控制技术的核心就是反馈(feedback)控制或闭环(closed loop)控制。图1.1.1是一个闭环速度控制系统，目的是使直流电动机速度n维持在1000r/min(revolutions per minute)左右。 图1.1.1 闭环速度控制系统 电位器的输出电压ur是给定值，决定所期望转速值的大小，在本例中是1000r/min。当外界扰动使得电动机的转速n 升高时，测速发电机的输出电压ut增大，从而导致电压放大器的输入电压us(us=ur-ut)降低，放大器的输出电压uk 降低，并导致电动机两端的电压ua 降低，*终使得电动机的输出转速降低，维持在希望的转速值1000r/min左右。 从以上分析可以认识到，反馈的含义是将系统的输出经过测量、处理后再送回到系统的输入端，以使系统的输出进行再调整的过程。 除了工程系统以外，生物系统中的变量，如人体的血糖和血压受某些过程的影响，而这些过程都可以通过自动控制方法进行研究。同样，在经济系统中，大到宏观控制，小到商业经济管理系统中的变量，如受政府财政政策影响的失业和通货膨胀，亦可利用控制的思想来研究。 动画：导弹拦截 视频：亚马逊自动化仓储系统 视频：伐木机器人 自动控制的这些应用对现代社会的生产力产生了巨大的影响。目前，自动控制理论还在继续发展，正向以控制论(cybernetics)、信息论(information theory)、系统论(systematology)和仿生学(bionics)为基础的智能控制(intelligent control)理论发展。 1.2 控制科学与控制论、系统论、信息论 图1.1.1 所示的自动控制系统是由各环节、部件组成，按反馈原理进行控制的。反馈控制是一种*基本的控制方式，它要求根据误差信息uk。通过一定的控制算法形成控制作用uk。在自动控制系统中包括多个环节：信息的量测(提取)、处理(加工和变换)和信息的传输(图中的箭头代表信息的传输方向或称信息流向)、存储及利用，并*终形成控制作用(也是一种信息)。因此可以看出，系统、信息和控制相互联系、密不可分。系统是信息和控制的载体，而信息反映系统的性能，控制则是实现预期性能的手段。 控制论、系统论和信息论为现代科学技术提供了全新的思维方式和科学方法论原则，它们对整个人类社会的进步起着巨大的作用。 然而，控制论不等同于控制理论(control theory)，但一般都认为，“控制论”的一个分支“工程控制论”就是“控制理论”。《工程控制论》是中国科学家钱学森1954 年所著的英文著作，后来被翻译成简体中文版。钱学森在《工程控制论》中首次把控制论推广到工程技术领域。 图1.2.1 给出了控制论的各个分支。 阅读：三论创始人 阅读：维纳与控制论 图1.2.1 控制论的各个分支 本书的主要任务是介绍控制理论或工程控制论，即以工程系统为背景介绍自动控制的基本概念、设计及其应用。 1.3 自动控制的发展 人们普遍认为*早应用于工业过程的自动反馈控制器(controller)，是James Watt于1876年发明的离心飞球调速器，它被用来调节(adjust)蒸汽机的速度，如图1.3.1所示。图中的机械装置用来调节阀门，进而控制进入蒸汽机的蒸汽流量。调速器的飞球杆的长度设定驱动杆的转速，当转速超过设定转速时，飞球偏离原定轴线，重心上移，于是减小蒸汽阀门，又使转速回到设定转速。反之亦然。 图1.3.1 Watt离心式调速器 第二次世界大战之前，控制理论与应用在美国和欧洲得到了较快发展。美国的Bode、Nyquist和Black等在贝尔电话实验室对电话系统和电子反馈放大器所做的研究，是促进反馈系统应用的主要动力，创立了频域稳定性判据的两种形式。第二次世界大战期间，控制理论与应用得到了巨大发展，大量运用反馈控制的方法设计和制造飞机自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达天线控制系统以及其他军用系统。这些军用系统的复杂性以及对高性能的追求就导致更多研究者的关注和投入，因而逐渐使自动控制发展成一门工程科学。 随着人造卫星和空间飞行器的出现和网络时代的到来，自动控制技术又有了新的推动力，要求控制理论能够解决多输入多输出(multiple input multiple output，MIMO)、非线性(nonlinear)、时变(time-varying)、时滞(time delay)的被控对象。再加上现代数学和计算机的快速发展，因而促成了现代控制理论的产生，包括线性系统(linear system)分析、*优控制(optimal control)、自适应控制(adaptive control)、鲁棒控制(robust control)、智能控制(intelligent controls)以及近些年的网络控制(network control)等。 控制理论通常分为经典控制理论、现代控制理论和智能控制理论。经典控制理论以传递函数为基础，研究单输入-单输出(single input single output，SISO)、线性、时不变被控对象的控制器分析与设计。数学工具是常系数线性微分方程和复变函数。而现代控制理论是以状态方程为基础，研究多输入-多输出、非线性、时变被控对象的控制器分析与设计，数学工具是线性代数或矩阵论。智能控制理论以人工智能为基础，研究模糊性、不确定性以及无法用数学模型描述的复杂被控对象的控制器分析与设计。 当前，自动化所处的环境与以往大为不同。大型系统和网络的规模以及复杂程度已大大超出了传统控制的应用范围，发展为有着复杂的相互间联系和影响的物质与信息系统的庞大集合，如电力系统、城市交通系统、数字通信网、柔性制造系统、生态系统、水资源系统、社会经济系统等。这类系统的特点是规模庞大、结构复杂、地理位置分散，自动控制问题不再局限于研究一个被控对象以及单回路的控制，而是延伸至一个工段、一个车间、一个工厂、一个地区甚至更大的范围。物联网(internet of things)时代的到来，如同**次工业革命中蒸汽机的发明和应用，将彻底改变一个时代的生产、生活方式，也将成为一个创新时代的起点和标杆。物联网是继计算机、互联网之后世界信息产业的第三次浪潮。工业自动化作为物联网的一部分，物联网技术的发展必定为规模庞大、结构复杂、地理位置分散的大系统控制提供了新的内涵与发展动力。 总之，控制领域历史悠久、成果丰硕、发展迅速，影响着商业、军事和科学技术的发展与应用。通信、计算和传感技术的相互渗透将使更多新的控制技术及应用成为可能，控制领域的前景无限光明。读完这本书后，你可以了解： (1) 如何控制飞机按照预定的航向、姿态进行安全飞行； (2) 计算机中移动硬盘如何被控制正确地读写数据； (3) 地下原油在加工精炼过程中，如何控制精馏塔的物理参数生产航空机油、柴油等各种不同用途的产品； (4) 显示器显像管生产线物理参数的控制过程； (5) 智能交通控制系统是由哪些部分构成的。 你也能够： (1) 对简单的被控对象进行建模与分析； (2) 对简单的被控对象进行控制器设计； (3) 参与大型自动化设备、过程、系统的开发和研制； (4) 在工业、国防等领域，运用自动控制的科学方法论运筹帷幄，成为一个卓越的管理者与决策者。 来吧，让我们继续阅读本书的内容，品味自动控制的魅力！ 1.4 自动控制系统分类和组成 1.4.1 自动控制的有关概念 控制：通过对系统输入的操作使得输出达到指定的目标。 自动控制：在无人直接参与的情况下，利用控制装置(control device) 使被控对象(controlled plant)、过程(process)自动地按预定规律变化的控制过程。 自动控制理论：研究自动控制系统组成、进行系统分析设计的一般性理论，是研究自动控制共同规律的科学。 自动控制系统：由控制装置和被控对象组成，它们以某种相互依赖的方式组合成为一个有机整体，并对被控对象输出的物理量(如玻璃窑炉控制系统中的温度、压力、液位)进行自动控制。 1.4.2 自动控制系统分类 根据控制方式分为开环控制系统、闭环控制(反馈控制)系统等。 根据系统的性质分为线性系统和非线性系统、连续(continuous)系统和离散(discrete)系统、定常(time-invariant)系统和时变系统、确定性(certain)系统和不确定性(uncertain)系统等。 根据被控制量变化规律分为恒值(fixed set-point)控制系统、随动(servo)系统和程序(program)控制系统等。 根据元件类型分为机械系统、电气系统、机电系统、液压系统、气动系统和生物系统等。 根据系统功用分为温度控制系统、压力控制系统和位置控制系统等。 1.4.3 开环控制系统与闭环控制系统 1．开环控制系统(open-loop control system) 只有输入量对输出量的单向控制作用，而没有输出量或被控物理量对输入量的反向作用的系统，称为开环控制系统，如图1.4.1所示。 开环控制系统的特点如下： (1) 输出不影响输入，所以不需要对输出量进行测量，调试方便，易于实现； (2) 结构简单，成本低廉，多用于系统结构参数稳定和扰动信号较弱的场合； (3) 抗干扰能力差，控制精度不高。 目前比较常见的开环控制系统有自动洗衣机、自动装配流水线、自动售货机、自动报警器。 例1.4.1 直流电动机开环转速控制系统。 图1.4.2为直流电动机(motor)开环转速控制系统原理图与框图，电动机的希望转速是通过电位器的输出电压ur 给定，经过电压放大和功率放大得到电机两端的电枢电压ua，使电动机实际转速n 达到希望转速。该控制系统使用元件少、简单、可靠，但抗干扰能力差，例如，电网电压降低会导致转速n 下降。这种开环系统通常用于控制精度要求不高的系统。而对于控制精度要求高的系统，转速太大的波动可能导致产品的质量变差，此时必须采用闭环控制系统。 图1.4.2 直流电动机开环转速控制系统 2．闭环控制系统(closed-loop control sy