FeedbackControl學習教案

1、會計學1FeedbackControl第一頁，共43頁。ReferencesReferences: :總學時總學時(xush)：90 學分：學分：4.5 講課：講課：72學時學時(xush) 實驗：實驗：18 學時學時(xush)2 Benjamin C. Kuo. Automatic Control Systems M. Prentice-Hall 1995 Seventh Edition 3Richard C. Dorf. 現(xiàn)代(xindi)控制系統(tǒng)M. 北京：高等教育出版社，2001第八版4 盧子廣 等. 自動控制(z dn kn zh)理論M. 北京：機械工業(yè)出版社，20091 Joh

2、n J. Dazzo. Linear Control System Analysis and Design M. McGraw-Hill, 1995 答疑預約地點：電氣樓5樓Email: Course IntroductionCourse Introduction第1頁/共43頁第二頁，共43頁。第2頁/共43頁第三頁，共43頁。第3頁/共43頁第四頁，共43頁。第4頁/共43頁第五頁，共43頁。第5頁/共43頁第六頁，共43頁。自動控制理論自動控制理論電機電機(dinj)與與拖動拖動模擬電子模擬電子(dinz)技術技術線性代數(shù)線性代數(shù)(xin xn di sh)高等數(shù)學（含微分方程）高等數(shù)學

3、（含微分方程）復變函數(shù)、拉普拉斯變換復變函數(shù)、拉普拉斯變換電路理論電路理論大學物理（力學、熱力學）大學物理（力學、熱力學）信號與系統(tǒng)信號與系統(tǒng)運動控制運動控制過程控制過程控制檢測技術檢測技術計算機控制技術計算機控制技術現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論第6頁/共43頁第七頁，共43頁。第7頁/共43頁第八頁，共43頁。Manual level control eyesarmsPlant/ProcessPlant/Process：tanktankControlled variableControlled variable：water levelwater levelInputInput: desired

4、water level: desired water levelManMans function: s function: measurementmeasurementcomparingcomparing and and operatingoperatingbraininput第8頁/共43頁第九頁，共43頁。Automatic level control ：inputcontrolleractuatorLevel measuringPlantPlant：tanktankControlled variableControlled variable：water levelwater levelI

5、nput: desired water levelInput: desired water levelControl systemControl systems function: s function: measurementmeasurement、comparingcomparing and and operatingoperatingControl systemA Perspective on Feedback Control第9頁/共43頁第十頁，共43頁。Open-Loop Control第10頁/共43頁第十一頁，共43頁。Block Diagram of Open-Loop Co

6、ntrolControllerProcesscontrolled variable/output/responseinput/referencecontrol signal/manipulated variableAt least two problems with open loop control !disturbance/noiseWhy open loop?第11頁/共43頁第十二頁，共43頁。Closed-Loop ControlIt also called feedback control!第12頁/共43頁第十三頁，共43頁。input erroroutputProcessCon

7、trollerSensorBlock Diagram of Closed-Loop ControlNormally use negative feedback ! disturbancenoise第13頁/共43頁第十四頁，共43頁。Feed-forward Control第14頁/共43頁第十五頁，共43頁。outputProcessControllerBlock Diagram of Feed-forward Controldisturbance第15頁/共43頁第十六頁，共43頁。systemMore about Block Diagraminput erroroutputProcess

8、ControllerSensordisturbanceThe arrows are the representation of information/signals!subsystem or element第16頁/共43頁第十七頁，共43頁。More about Block DiagramTwo types of block diagramR(s)G2(s)G1(s)G3(s)Y(s)quantitative modelinput outputProcessControllerSensorqualitative modelTransfer function第17頁/共43頁第十八頁，共43

9、頁。More about Block DiagramThe connection of block diagramG1(s)R(s)Y(s)Y(s)=G(s)R(s)Y(s)=G1(s)G2(s)R(s)G2(s)G1(s)R(s)Y(s)第18頁/共43頁第十九頁，共43頁。More about Block DiagramThe connection of block diagramG1(s)G2(s)+R(s)Y(s)Y(s)=G1(s)+G2(s)R(s)G1(s)G2(s)Y(s)R(s)112( )( )( )1( )( )G sY sR sG s G s第19頁/共43頁第二十頁，

10、共43頁。1.1 A Simple Feedback Systemthermostat第20頁/共43頁第二十一頁，共43頁。To draw a block diagram is the first thing in system analysis!1.1 A Simple Feedback System第21頁/共43頁第二十二頁，共43頁。1.1 A Simple Feedback SystemThermostatGas ValveFurnaceHouseDesiredtemp.Roomtemp.Heat lossQinQoutInput filterProcessReferenceout

11、put.DisturbanceControllerSensorActuatorPlant第22頁/共43頁第二十三頁，共43頁。1.2 A First Analysis of FeedbackNow, the problem we have is how to design controller?第23頁/共43頁第二十四頁，共43頁。1.2 A First Analysis of FeedbackCruise control of an automobileto build some modelsignore the dynamic characteristic of system1 cha

12、nge in throttle angle10 mph change in speed1% change in grade5 mph change in speedDesired speed is 65 mph第24頁/共43頁第二十五頁，共43頁。Actual speed65 mphthrottle angleThe Block Diagram of a Cruise ControlControllerAuto bodyspeedometerEngine1.2 A First Analysis of Feedbackroad grad第25頁/共43頁第二十六頁，共43頁。1.2 A Fir

13、st Analysis of Feedbackoutput speedmphroad grade%The Block Diagram of the Cruise Control Plant10y0.5wcontroldegreesuoutput speed， mphThe Block Diagram of the Auto Body10ycontrol degreesu第26頁/共43頁第二十七頁，共43頁。1.2 A First Analysis of FeedbackOpen-loop Cruise Control10y0.5wu1/10rcontrollerError analysisy

14、ol=10(u-0.5w)=r-5weol=r-yol=5w第27頁/共43頁第二十八頁，共43頁。1.2 A First Analysis of Feedbackycl=10(u-0.5w)u=10(r-ycl)10051011015101101clclyrwrew=-=+Closed-loop Cruise Control10y0.5wu10rcontrollerError analysis第28頁/共43頁第二十九頁，共43頁。Classification of Control Systems第29頁/共43頁第三十頁，共43頁。第30頁/共43頁第三十一頁，共43頁。古代古代(gdi)

15、控制控制 公元前公元前300年左右，李冰年左右，李冰(l bn)設計和建造的都江堰水利設計和建造的都江堰水利工程，運用了反饋原理。工程，運用了反饋原理。指南車：東漢指南車：東漢(DngHn)，張衡；三國，馬鈞，張衡；三國，馬鈞水運儀象臺：宋（公元水運儀象臺：宋（公元1088年）蘇頌年）蘇頌公元前公元前300300年至公元前年至公元前1 1年，古希臘出現(xiàn)的年，古希臘出現(xiàn)的浮球調(diào)節(jié)裝置。大約公元浮球調(diào)節(jié)裝置。大約公元250250年，年，PhilongPhilong發(fā)明的油燈，其中用浮球調(diào)節(jié)裝置來保持發(fā)明的油燈，其中用浮球調(diào)節(jié)裝置來保持燃油的油面高度。還有古希臘的水鐘。燃油的油面高度。還有古希臘的水

16、鐘。第31頁/共43頁第三十二頁，共43頁。 近代歐洲最早發(fā)明近代歐洲最早發(fā)明(fmng)的反饋系統(tǒng)是荷蘭人的反饋系統(tǒng)是荷蘭人Cornelis Drebbel(1572-1633)發(fā)明發(fā)明(fmng)的溫度調(diào)節(jié)器的溫度調(diào)節(jié)器Dennis Papin(1647-1712)在在1681年發(fā)明年發(fā)明(fmng)了鍋爐壓力調(diào)節(jié)器。了鍋爐壓力調(diào)節(jié)器。mercuryAlcoholwaterdamper第32頁/共43頁第三十三頁，共43頁。 J. C. Maxwell(1831-1879)，1868年發(fā)表的文章：年發(fā)表的文章：On Governors,首先全面地論述了反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定性，建立了調(diào)速器的微首先

17、全面地論述了反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定性，建立了調(diào)速器的微分方程分方程(wi fn fn chn)，在平衡點附近線性化后，獲得了代數(shù)特，在平衡點附近線性化后，獲得了代數(shù)特征方程，并以該方程的根作為判斷穩(wěn)定性的依據(jù)，他解決了二階、三征方程，并以該方程的根作為判斷穩(wěn)定性的依據(jù)，他解決了二階、三階系統(tǒng)的穩(wěn)定性。隨后，劍橋大學的階系統(tǒng)的穩(wěn)定性。隨后，劍橋大學的E. J. Routh 與瑞典的與瑞典的Hurwitz解解決了高階系統(tǒng)的穩(wěn)定性判斷。決了高階系統(tǒng)的穩(wěn)定性判斷。 1769年，為了解決工業(yè)生產(chǎn)中蒸汽機的速度控制(kngzh)問題，J. Watt(瓦特,1736-1819)發(fā)明了蒸汽機。他在蒸汽機上安裝了一個飛

18、球，構(gòu)成蒸汽機調(diào)速器。近代近代(jndi)控制控制第33頁/共43頁第三十四頁，共43頁。Fly-Ball Governor第34頁/共43頁第三十五頁，共43頁。 A. Lyapunov(1857-1918)，俄國數(shù)學家，在他的博士論文中，俄國數(shù)學家，在他的博士論文中，Lyapunov系統(tǒng)地研究系統(tǒng)地研究(ynji)了由微分方程描述的一般運動系統(tǒng)了由微分方程描述的一般運動系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題，建立了著名的的穩(wěn)定性問題，建立了著名的Lyapunov方法方法 M. Minorsky, 美國工程師，在年首先提出了控美國工程師，在年首先提出了控制方法，成功地將其應用制方法，成功地將其應用(yngyng)

19、于美國海軍軍艦于美國海軍軍艦New Mexico的的控制問題控制問題H. S. Black , AT&T貝爾實驗室的研究員貝爾實驗室的研究員, 于于1927年發(fā)明了負反饋方年發(fā)明了負反饋方法與電子放大器法與電子放大器,其工作為現(xiàn)代電子系統(tǒng)和通信系統(tǒng)奠定了基礎其工作為現(xiàn)代電子系統(tǒng)和通信系統(tǒng)奠定了基礎.經(jīng)典經(jīng)典(jngdin)控制控制第35頁/共43頁第三十六頁，共43頁。在第二次世界大戰(zhàn)中，因為飛機自動駕駛儀、火炮位置跟蹤系統(tǒng)、雷達天線跟蹤系統(tǒng)以及其它的軍事方面的應用，反饋控制變成一種重要的方法。在20世紀40年代之前，這些系統(tǒng)的設計和制造(zhzo)主要依賴于實驗“試湊法”。在美國的M

20、IT、Bell實驗室的一批科學家工程師，例如N. Wiener、 V. Bush、 H. Nyquist、H.W. Bode、 N.B. Nichols、C. Shannon 、H. Hanzen等為首的科學家設計了一系列的自動控制(z dn kn zh)裝置和系統(tǒng)第36頁/共43頁第三十七頁，共43頁。 40年代期間，數(shù)學解析與數(shù)值年代期間，數(shù)學解析與數(shù)值(shz)方法引進到控制系統(tǒng)分析與設計方法引進到控制系統(tǒng)分析與設計。這時，控制工程才成為一門真正的工程學科。這時，控制工程才成為一門真正的工程學科。 1948年，年，N. Wiener(維納維納)的著作：的著作：Cybernetics or

21、 control and Communication in the Animal and the Machine控制論控制論的發(fā)表，開創(chuàng)了的發(fā)表，開創(chuàng)了“控制論控制論”這樣一門新學科其目的是研究一個這樣一門新學科其目的是研究一個系統(tǒng)的各個不同系統(tǒng)的各個不同(b tn)部分之間的相互作用的定性性質(zhì)以及整部分之間的相互作用的定性性質(zhì)以及整個系統(tǒng)的運動狀態(tài)個系統(tǒng)的運動狀態(tài) 1954年，錢學森出版年，錢學森出版(chbn)了第一部系統(tǒng)地關于工程系統(tǒng)控了第一部系統(tǒng)地關于工程系統(tǒng)控制的著作：制的著作：Engineering Cybernetics (工程控制論），工程控制論），1980年錢年錢學森與宋健等

22、人完成了工程控制論中文修訂版。學森與宋健等人完成了工程控制論中文修訂版。第37頁/共43頁第三十八頁，共43頁。20世紀世紀60年代，年代，R.E. Kalman, 線性系統(tǒng)的可控性、可觀性、濾波器理論以及線性系統(tǒng)的可控性、可觀性、濾波器理論以及代數(shù)結(jié)構(gòu)等方面的貢獻，成為現(xiàn)代控制理論的主要奠基人之一。代數(shù)結(jié)構(gòu)等方面的貢獻，成為現(xiàn)代控制理論的主要奠基人之一。L.S Pontryagin, 創(chuàng)立了創(chuàng)立了Pontryagin極大值原理；極大值原理；R. Bellman，創(chuàng)立了，創(chuàng)立了Bellman 動態(tài)規(guī)劃。他們的工作為最優(yōu)控制奠定動態(tài)規(guī)劃。他們的工作為最優(yōu)控制奠定(dindng)了基礎。了基礎。2

23、0世紀世紀70年代年代-80年代，年代，K.J. Astrom等為代表的系統(tǒng)辨識、自適應控制理論等為代表的系統(tǒng)辨識、自適應控制理論與方法方面的工作；與方法方面的工作；G. Zames, 非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析、魯棒控制等；非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析、魯棒控制等；L. Zadeh,早期從事系統(tǒng)與控制理論的研究，早期從事系統(tǒng)與控制理論的研究，60年代初創(chuàng)立了模糊集理論和模年代初創(chuàng)立了模糊集理論和模糊控制；糊控制；現(xiàn)代現(xiàn)代(xindi)控制控制第38頁/共43頁第三十九頁，共43頁。Summary(1)input erroroutputProcessControllerSensordisturbanceactuator第39頁/共43頁第四十頁，共43頁。Summary(2)第40頁/共43頁第四十一頁，共43頁。Assignment for Chapter 0ne1.1Draw a component block diagram for each of the following feedback control system(a)The manual steering system of an automobile(b)Drebbles incubator(c)The water level contr