自动控制的概念.docx
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1、刍动控制的概念自动控制(automatic control)是指在没有人直接参与的情况下,利 用外加的设备或装置,使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参 数自动地按照预定的规律运行。自动控制是相对人工控制概念而言的。自动控制技术的研究有利于将人类从复杂、危险、繁琐的劳动环境中 解放出来并大大提高控制效率。自动控制是工程科学的一个分支。扩展资料在现代科学技术的众多领域中,自动控制技术起着越来越重要的作用o 自动控制是指在没有人直接参与的情况下,利用外加的设备或装置(称控制装置或控制器),使机器,设备或生产过程(统称被控对象)的某个工作状态或参数(即被控制量)自动地按照预定的规律运行。自动控制理
2、论是研究自动控制共同规律的技术科学。它的发展初期,是以反馈理论为基础的自动调节原理,就是要指挥仪算,算出来我炮弹飞到你飞机的时候,需要多少时间。 引信就是指一个定时器,它拨到可能几秒钟以后爆炸,所以需要这三 方面的高低角、方位角,再加上定时爆炸,才能把飞机打掉。这是 1940年前的,这个是美国的火力控制的情况。但是到真正我们核心 搞控制的人来说,火炮控制部分是人工伺服,human servoo 指挥仪这个就是当时的斯佩雷(Sperry)公司搞的,主要它的工作就是这个 指挥仪。这个指挥仪怎么工作,大家可以看到,这个火炮上站着的, 围着指挥仪是一帮人。当时是1940年前后,所以这个人站在上面都 是
3、很危险的,因为上面敌人飞机过来,是这么一个情况。到了 1940 年以后,火力控制系统发生很大的变化,你看这上面人已经很少了。 这个变化是谁搞的呢?这里有一个贝尔实验室里边的一个年轻的工 程师帕金森(Parkinson),只有29岁。就是一个一般的技术员,当时 是一般技术员,他做了一个梦,他这个梦在所有的正式文件里边都承 认,他是一个什么情况呢?这个帕金森(Parkinson),他就是一个低 职位的工程师,让他承担的任务是绕电位计,就是1940年那天晚上 他做了一个梦。他梦到用电位计控制的记录笔也可以控制火炮的发射, 他这个梦就促进了自动控制技术的发展。伺服系统硬盘驱动系统里边就是个伺服系统,大
4、家不要小看这个伺服系统,硬 盘伺服系统里边高速旋转的时候,定位的精度是一个微米,在高速旋 转的气流下,这实际上是扰动很大的,要求高精度。这个利润、产量 都非常大,每年几百万套。防侧滑下面还有一个就是日常遇上的汽车的防侧滑的那个系统。这个左边的 那个图,就是相当于仿真计算。仿真计算往上翘的就是一般常规的汽 车,这种工作不是在纸面上做的;右边的就是照片了,就是实际上它 还是做实验的,这些都是目前,就是跟我们生活都有关系的一些控制 系统。蒸汽机的离心调速器,刚出来的时候,大家不知道有反馈的概念,所 有的问题都集中在调节器本身,一会儿说你是调节器重量太小了,应 该大一点;一会儿说这里要有个弹簧,一会儿
5、又说这有弹簧也不好; 一会儿说里边因为摩擦力影响,就一直没有从反馈系统来考虑,就是 单个孤立的一个控制器。麦克斯维尔把这个系统看作调节器,跟调节 对象合在一起,用微分方程来进行研究,这是麦克斯维尔的功劳。 调节器1876年,俄国的维斯聂格拉斯基,他是专门搞实际研究的,他们当 时有一种直接作用调速器。就刚才说的,一会儿说这个有问题,一会 儿说那个问题,老找不到问题,准备把整个方案都要放弃了。维斯聂 格拉斯基结合了他当时的蒸汽机,结合了他这个蒸汽机的特性,就指 出来参数更应该是怎么选择,才能保证稳定。维斯聂格拉斯基,就是 结合工业实际,大家对他的评价很高,他就解决了当时差不多在一种 调节器就要下马
6、的情况,他指出来就是一个参数问题,所以他在工业 上,是立了很大的功劳。判据在这个同时,1877年,大家学判据的,有个代数判据,劳斯代数判 据,劳斯判据怎么来的呢?我的记忆里边,劳斯就是麦克斯维尔的学 生,就可能相当于我们现在的博士生了,麦克斯维尔就是给了任务, 你把方程式根的性质给我判别一下。最后到1877年,劳斯把这个拿 出来了,劳斯拿出来行列式,得到了奖,当时叫做亚当奖。在这个同 时,1895年,胡尔维茨(Hurwitz)也在不同的情况下,不知道劳斯 的情况下。因为那个时候的欧洲不像现在学术交流这么频繁,当时没 有什么学术交流。我也不知道你到底搞了些什么,所以这基本上是平 行的。但是胡尔维
7、茨(Hurwitz)的不一样,胡尔维茨(Hurwitz)解 决的是瑞士达沃斯电厂的一个蒸汽机的一个调速系统的设计,就用稳 定性理论来设计。胡尔维茨(Hurwitz)被认为是真正用控制理论,来用到控制系统设 计的第一个例子。所以我现在这里列出来的这四个人,两个人是学校 里的学究式的,就是麦克斯维尔跟劳斯,但是他的功劳也不能磨灭, 维斯聂格拉斯基跟胡尔维茨(Hurwitz),都是实际上出来的,就解决 实际问题,这是两个不同的。但是最后,劳斯,胡尔维茨(Hurwitz), 都拿出来,现在都有用的代数判据。振荡器在1927年的8月2号他去上班,那时候20年代,在美国也是上下班 要坐船、坐车,他坐在渡轮
8、上面。所以这样的话,负反馈是1927年, 布莱克首先提出来的,我现在为什么要提呢?就是说他到底是不是个 灵感,其实推究他实际上是必然性。布莱克已经在这个之前,专门研究了电子振荡器,电子振荡器是用反 馈工作的,当然是正反馈了,所以他有这个基础。就是他有工作的积 累,布莱克有很多用反馈原理构成振荡器线路的这些工作基础,完了 老在想这个问题,这样灵感就出来了,就做出来这个负反馈放大器, 这是一个人,应该要提一下。整定法还有下面要上的是尼可尔斯(Nichols),我们下面还要提一下的,尼 可尔斯提出PID的整定法,大家现在学控制的可能都知道。PID整定 法是尼可尔斯在二十世纪40年代提出来的,他这人很
9、有才能,他想 办法把PID调出来,想办法参数应该怎么整定,需要用模拟机。当时 美国惟一一台模拟机,当时的模拟机叫微分分析仪,麻省理工学院的。 这个模拟机的制造人是谁呢?就是刚才说的,当时是维布什(Vannevar Bush),后来他是美国总统的科学顾问,原来就是搞自动控制的,他 设计了这个微分分析仪,现在叫模拟机。尼可尔斯(Nichols)就在这 个模拟机上做了大量的仿真实验,最后列出来这个PID的整定表,50 年过去了现在大家还在用。有一样工作50年不变的就是尼可尔斯 (Nichols)发明的这个PID整定表。这个是最后的,战争结束以后, 他们才把工作展现出来。这一本书呢,现在是一本经典著作
10、,我们国 家刚解放的时候,这些资料都没有,我们只能看到俄文的。俄文的是 1953年翻译出来的。控制论第二本要介绍的是钱学森的工程控制论。钱学森是1954年写的书, 当时他在美国写的书,我们这里也拿不到英文版,但是前苏联很重视, 前苏联马上把它翻成俄文。我们看到的前苏联是1956年把他的俄文, 翻译出来了,我们当时看到的是俄文版,这是在大概二十世纪50年 代形成过程里边的几个主要的过程,把经验都总结出来。下一本是鲁 里叶(Lurie)的非线性的一个经典著作,这个是1951年出版的鲁里 叶(Lurie)的那本书。鲁里叶(Lurie)在前苏联大概1944年他提出 来,大家现在搞非线性可能都知道,提出
11、来一个鲁里叶问题,这个问 题一直解决不了,他后来写成书了,就是留着这问题。这个问题,开 始到什么时候呢?我这里说一下这两个风格,英美的刚才大家已经听 出来了,都是搞工程的人在搞控制,前苏联是应用数学家跟力学家在 搞控制,所以两个起的作用都不一样。他这本书1951年当时是非常 难看懂的,很难读懂。这个工作,他提出来的鲁里叶(Lurie)问题, 一直到1960年才有人解决,提出来一个解决方案,大家可能知道的, 就是波波夫(Popov)的绝对稳定性。后来就提出来超稳定性,是解 决的这个鲁里叶(Lurie)问题。就是说这本书当时二十世纪50年代, 二十世纪40年代后期,50年代初的一些工作,一直影响到
12、二十世纪 60年代,而且还影响到目前一些非线性的理论工作,都是以他这个 为基础。是整个在二十世纪40年代,前面的是个技术的发展过程,慢慢形成 理论了。我习惯上用这么一个时间表来表示。50年代的时候,一般 都叫经典控制理论;60年代叫状态空间法,实际上就是状态空间方 法,但是呢,当时的名称,把它叫做现代控制理论了;后来70年代 是现代频域法,这么一个过程。接下来现在就是要说明一下状态空间 法,完了就叫现代控制理论。这个状态空间法谁先提出来的呢?是刚 才的第三本书,前苏联的这些学者。他们搞应用数学、搞力学的,他 们从来就是用的是状态空间法。1960年卡尔曼把它介绍到英语世界, 这个世界用英语来说是
13、English speaking country ,就是说英语的国家 里边去,因为本来大家都不知道,卡尔曼是个斯拉夫名字。他I960 年的时候,他把状态空间法介绍给美国。但是加上人为炒作,就把这 个现代控制理论炒作得好像非常神一样,当时也有些人寄予希望也是 比较大。这个就是发展了十年以后,就发现期望过大了,好像也只不 过如此吧!有些问题你也没解决了。所以那个时候,又有人回到频域 法,就是最早50年代是频域法,60年代状态空间,70年代又回到频 域法。当然这个是螺旋上升的,就这个时候的频域法就加了个名字,叫现代 频域法。实际上是螺旋上升,又回到频域法。觉得频域里边来考虑设 计问题还是比较恰当的,
14、考虑一些设计要求,就出现了这个频域法。 正好在现代频域法发展的这个势头上的时候,1981年有人写文章说 你这个没有鲁棒性,我们现在大家搞控制理论知道要鲁棒设计。说你 这个现代频域法没有鲁棒性,当时人家不信、不服,经过80年代的 论证,争议慢慢形成。到1991年,就是现在的有人当然是你可能这 个术语不一定统一,有人把它叫做现代后控制理论,Postmodern control theoryo我们现在就回过来看看,为什么说这个没有鲁棒性? 这个要说到,我们从多变量系统来说,多变量系统实际上是多入多出 系统。多变量不太恰当,输入有好多个,输出有好多个。多变量里一 个问题,叫做耦合,就是输入输出之间互相
15、耦合。控制的时候,直观 的要求就是要解耦控制,解耦控制以后呢!就是这个1跟输出1可以 组成反馈系统,这个2呢!跟输出2可以组成反馈系统,这个设计的 时候就比较容易了。解耦设计但是解耦设计是个什么概念?解耦设计实际上要求输入输出之间的 关系,我1控制1, 2控制2,用我们的术语来说这是响应特性,并 不表示我的反馈系统有些什么特点,有些什么要求。但是,我看到国 内有些杂志,有人对这个观点还不太同意,大家可能以后会接触到。 你用的时候要跟下面的一个实际物理系统是连接,实际物理系统跟你 数学模型总有点不一样。假如我只允许你只能在我这样的数学方程式 下,系统是好的,那你没用的,你做出来系统不能用。我们的
16、设计要 允许这两个有差别,这个允许差别就叫有鲁棒性,所以鲁棒性不是我 们一般数学上的问题。就是实际上提出来的问题,就是解决你这个设 计到底能不能用的问题。所谓我有鲁棒性,就是你的设计允许有这个 差别,允许有不确定性,你在纸面上设计的系统做成控制器以后,到 实际上用,照样有这个性能,这才叫你的设计具有鲁棒性。所以这个 鲁棒性的概念就是80年代提出来的,逐渐形成了我们现在说的现代 后控制理论。一个经典控制理论,现代控制理论,后边现代后控制理 论,这个里边研究对象不一样,一个传递函数,一个状态空间模型。 研究内容呢,我们讲现在我们谈的是奇异值、鲁棒稳定性的问题,在 前面的经典的控制理论里边,是讲带宽
17、、讲裕度,现代控制理论里边 是特征值、方差和范数,这些是在LQG,都是属于现代控制理论的范 畴,用的实际计算工具呢,就伯德(Bode)图、奈奎斯特图、尼可尔 斯图。他在那本1947年麻省理工学院出的教材里边,提出来介绍这个尼可 尔斯图,这个尼可尔斯图从40年代到现在,也是有50年了。尼可尔 斯50年前提出来的PID整定表,提出来设计用的尼可尔斯图。50年 后的今天还在用,还在用它来做设计,可见到他这个人的水平。为了 纪念这个尼可尔斯,从1996年开始,世界自动控制联合会,就是IFAC (国际自动控制联合会),专门设立了一个尼可尔斯奖,专门奖给设计上做出贡献的人。1996年给过一个奖,1999年
18、给过奖。每三年IFAC 开会的时候评审一次,就知道这个尼可尔斯这个作用了。所以大家再 要有机会的话,能看到他最早的这本书实际上是经典著作。现代控制理论用黎卡提方程。我们现在用的,现代后控制理论里用的 是线性矩阵不等式,线性矩阵不等式的解法都是用MATLAB的软件来 解的,所以整个计算工具,就是我们考虑的对象、研究内容等等都出 现了变化。所以有人把它叫做现代后控制理论,我们今天主要把这个 过程,怎么从个别的技术最后形成一门学科?这个学科分成几个阶段? 给大家介绍了一下。这个就是我主要介绍的一些内容,我这里要说的就是这里边包括一些 年份,有些事实。譬如说他做了梦,这个都是有据可查的,不是我瞎 说的
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