工程控制原理（現(xiàn)代部分）導(dǎo)論

《工程控制原理》（現(xiàn)代部分）

導(dǎo)論

《現(xiàn)代控制理論》

從蒸汽機(jī)離心調(diào)速器出現(xiàn)，初嘗了反饋控制的力量，萌發(fā)了自動控制技術(shù)，直到二十世紀(jì)中葉，形成經(jīng)典控制理論，標(biāo)志著一個新的學(xué)科——控制科學(xué)與工程的誕生。隨后，控制理論進(jìn)入快速發(fā)展階段，延續(xù)到二十世紀(jì)末，相繼出現(xiàn)狀態(tài)空間與狀態(tài)反饋、最優(yōu)控制、多變量頻域控制、自適應(yīng)控制、魯棒控制等一系列現(xiàn)代控制理論，呈現(xiàn)一派繁榮景象。進(jìn)入二十一世紀(jì)，回歸并深化人工智能技術(shù)，推動控制理論進(jìn)入智能化時代。

隨著控制理論的發(fā)展步伐，控制技術(shù)的應(yīng)用當(dāng)驚世界殊，衛(wèi)星上天、探測器外星球行走、水下機(jī)器人深海作業(yè)、超精微半導(dǎo)體裝備制造、車間無人化運(yùn)行、大型冶煉與石化生產(chǎn)、超臨界發(fā)電、特高壓輸電等等，越來越多宏觀、介觀、微觀世界在人類掌控之中。（a）2017年

（b）2020年國際自動控制聯(lián)合會（IFAC）的工業(yè)委員會在2017年、2020年分別發(fā)布了一項對控制技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀的調(diào)查報告，其中一個令人驚異的結(jié)果是，PID控制與其他十幾種控制方法相比獲得了最高的評價理科教育（自然科學(xué)）文科教育（人文科學(xué)）工科教育專業(yè)基礎(chǔ)專業(yè)方向電路與電子自控原理微機(jī)原理現(xiàn)控理論工程意識經(jīng)典控制系統(tǒng)為何常采用簡單控制器（PID）經(jīng)典控制理論分析框架多變量控制的困境與可解途徑本章重點(diǎn)1.1反饋調(diào)節(jié)原理與分析框架反饋調(diào)節(jié)的優(yōu)勢經(jīng)典控制理論的分析框架反饋控制原理具有普遍性！反向設(shè)計、精確配準(zhǔn)逐步調(diào)節(jié)、收斂達(dá)標(biāo)反饋控制原理具有普遍性！反向設(shè)計、精確配準(zhǔn)逐步調(diào)節(jié)、收斂達(dá)標(biāo)可用簡單的控制器，實現(xiàn)復(fù)雜的控制任務(wù)數(shù)學(xué)模型傳感技術(shù)反饋控制原理的優(yōu)勢逐步調(diào)節(jié)、收斂達(dá)標(biāo)可用簡單的控制器，實現(xiàn)復(fù)雜的控制任務(wù)優(yōu)勢之二：優(yōu)勢之一：傳感器之前（前饋通道）的變化都可抑制分析框架——數(shù)學(xué)模型為什么可以用數(shù)學(xué)方法建立系統(tǒng)模型？為什么微分方程是最一般的數(shù)學(xué)模型？為什么傳遞函數(shù)是最常用的數(shù)學(xué)模型？各種變量被控量控制量控制器給定輸入各種物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)定理定律等微分方程傳遞函數(shù)拉氏變換：問題？數(shù)學(xué)模型不求解系統(tǒng)響應(yīng)，分析系統(tǒng)性能一般方法？求解系統(tǒng)響應(yīng)一般方法？基本性能（穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)性）為核心要求擴(kuò)展性能（快速性、平穩(wěn)性）是錦上添花基于根軌跡的分析框架分析框架——時域分析各種變量被控量控制量控制器給定輸入問題？y*yt穩(wěn)定性穩(wěn)態(tài)性快速性平穩(wěn)性微分方程：直接求解軌跡傳遞函數(shù)：不求軌跡分析？根據(jù)參數(shù)進(jìn)行分析為什么能用開環(huán)穩(wěn)態(tài)信息分析閉環(huán)瞬態(tài)性能？分析框架——頻域分析各種變量被控量控制量控制器給定輸入問題？y*yt穩(wěn)定性穩(wěn)態(tài)性快速性平穩(wěn)性瞬態(tài)響應(yīng)，稍縱即逝，難以實驗觀測各種變量被控量控制量控制器給定輸入問題？控制系統(tǒng)=放大器（放大倍數(shù)為1）可以引入模擬電子學(xué)的方法來進(jìn)行分析各種變量被控量控制量控制器給定輸入問題？問題是，能從穩(wěn)態(tài)響應(yīng)信息中分析出瞬態(tài)的性能否？比例控制器的設(shè)計比例控制器的校正PID控制器的原理分析框架——控制器設(shè)計各種變量被控量控制量控制器給定輸入問題？比例控制器的設(shè)計比例控制器的校正PID控制器的設(shè)計可用簡單的控制器，實現(xiàn)復(fù)雜的控制任務(wù)基于反饋調(diào)節(jié)的技術(shù)實現(xiàn)：實時檢測形成偏差偏差調(diào)節(jié)？“因”“果”“因”“果”“因”前饋方式：反饋方式：否定之否定、螺旋式發(fā)展（調(diào)節(jié)）可用簡單的控制器，實現(xiàn)復(fù)雜的控制任務(wù)要逆向設(shè)計控制器復(fù)雜帶來了一種新穎的思維方式傳統(tǒng)思維方式（只要保證系統(tǒng)穩(wěn)定）考慮工程限制因素的理論分析：數(shù)學(xué)模型：如何描述系統(tǒng)、線性化模型理論分析：數(shù)學(xué)工具、被控對象領(lǐng)域的知識模型殘差：各種非線性因素、回頭驗證變量值域：取值范圍，超限無工程意義方案多樣性：“唯一解”不可工程應(yīng)用非技術(shù)因素：經(jīng)濟(jì)性、工程倫理提升解決復(fù)雜工程問題的能力！自動控制原理高等數(shù)學(xué)大學(xué)物理計算機(jī)數(shù)字電子模擬電子電路原理……1.2多變量耦合的困擾與可解途徑多變量系統(tǒng)實例分析分層控制框架主令式同步主從式同步軋制均勻度、印刷清晰度等單變量控制設(shè)計耦合式同步？X若要高的變頻調(diào)速交流電動機(jī)的控制交流異步電動機(jī)的工作原理是，在定子側(cè)由三相交流電壓產(chǎn)生三相交流電流，三相交流電流形成一個旋轉(zhuǎn)磁場，從而帶動轉(zhuǎn)子運(yùn)動。轉(zhuǎn)差：復(fù)雜的耦合關(guān)系單變量控制設(shè)計X關(guān)節(jié)軸（含有電動機(jī)）的空間姿態(tài)在作業(yè)空間大范圍變化，使得折算到本關(guān)節(jié)軸上的轉(zhuǎn)動慣量、負(fù)載轉(zhuǎn)矩會有幾倍到上百倍的變化，若不在底層對這種耦合影響進(jìn)行處理，勢必極大地降低系統(tǒng)動態(tài)性能。這樣，需要發(fā)展多變量的機(jī)器人控制方法。單變量控制設(shè)計X分層控制鍋爐燃燒子系統(tǒng)控制鍋爐蒸汽發(fā)生子系統(tǒng)控制雙回路+比值控制單回路+擾動補(bǔ)償雙回路單回路+擾動補(bǔ)償單變量控制設(shè)計X降低能耗提餾段控制精餾段控制精餾塔分層控制質(zhì)量、產(chǎn)量和能耗→

溫度、流量、壓力單變量控制設(shè)計X不同廠家或不同批次的原料組分經(jīng)常變化基于數(shù)據(jù)庫的監(jiān)控系統(tǒng)基于PLC控制的分層系統(tǒng)PLC各軸電機(jī)基于多變量控制的分層系統(tǒng)（1）如何描述？簡明清晰地呈現(xiàn)耦合關(guān)系，大量簡便成熟的數(shù)學(xué)工具（2）如何分析？經(jīng)典控制關(guān)注外部特性、不追問