《工程控制原理》（現代部分）

導論

《現代控制理論》

從蒸汽機離心調速器出現，初嘗了反饋控制的力量，萌發了自動控制技術，直到二十世紀中葉，形成經典控制理論，標志著一個新的學科——控制科學與工程的誕生。隨后，控制理論進入快速發展階段，延續到二十世紀末，相繼出現狀態空間與狀態反饋、最優控制、多變量頻域控制、自適應控制、魯棒控制等一系列現代控制理論，呈現一派繁榮景象。進入二十一世紀，回歸并深化人工智能技術，推動控制理論進入智能化時代。

隨著控制理論的發展步伐，控制技術的應用當驚世界殊，衛星上天、探測器外星球行走、水下機器人深海作業、超精微半導體裝備制造、車間無人化運行、大型冶煉與石化生產、超臨界發電、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年國際自動控制聯合會（IFAC）的工業委員會在2017年、2020年分別發布了一項對控制技術應用現狀的調查報告，其中一個令人驚異的結果是，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）文科教育（人文科學）工科教育專業基礎專業方向電路與電子自控原理微機原理現控理論工程意識經典控制系統為何常采用簡單控制器（PID）經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1.1反饋調節原理與分析框架反饋調節的優勢經典控制理論的分析框架反饋控制原理具有普遍性！反向設計、精確配準逐步調節、收斂達標反饋控制原理具有普遍性！反向設計、精確配準逐步調節、收斂達標可用簡單的控制器，實現復雜的控制任務數學模型傳感技術反饋控制原理的優勢逐步調節、收斂達標可用簡單的控制器，實現復雜的控制任務優勢之二：優勢之一：傳感器之前（前饋通道）的變化都可抑制分析框架——數學模型為什么可以用數學方法建立系統模型？為什么微分方程是最一般的數學模型？為什么傳遞函數是最常用的數學模型？各種變量被控量控制量控制器給定輸入各種物理、化學、數學定理定律等微分方程傳遞函數拉氏變換：問題？數學模型不求解系統響應，分析系統性能一般方法？求解系統響應一般方法？基本性能（穩定性、穩態性）為核心要求擴展性能（快速性、平穩性）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穩定性穩態性快速性平穩性微分方程：直接求解軌跡傳遞函數：不求軌跡分析？根據參數進行分析為什么能用開環穩態信息分析閉環瞬態性能？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穩定性穩態性快速性平穩性瞬態響應，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=放大器（放大倍數為1）可以引入模擬電子學的方法來進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，能從穩態響應信息中分析出瞬態的性能否？比例控制器的設計比例控制器的校正PID控制器的原理分析框架——控制器設計各種變量被控量控制量控制器給定輸入問題？比例控制器的設計比例控制器的校正PID控制器的設計可用簡單的控制器，實現復雜的控制任務基于反饋調節的技術實現：實時檢測形成偏差偏差調節？“因”“果”“因”“果”“因”前饋方式：反饋方式：否定之否定、螺旋式發展（調節）可用簡單的控制器，實現復雜的控制任務要逆向設計控制器復雜帶來了一種新穎的思維方式傳統思維方式（只要保證系統穩定）考慮工程限制因素的理論分析：數學模型：如何描述系統、線性化模型理論分析：數學工具、被控對象領域的知識模型殘差：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”不可工程應用非技術因素：經濟性、工程倫理提升解決復雜工程問題的能力！自動控制原理高等數學大學物理計算機數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計耦合式同步？X若要高的變頻調速交流電動機的控制交流異步電動機的工作原理是，在定子側由三相交流電壓產生三相交流電流，三相交流電流形成一個旋轉磁場，從而帶動轉子運動。轉差：復雜的耦合關系單變量控制設計X關節軸（含有電動機）的空間姿態在作業空間大范圍變化，使得折算到本關節軸上的轉動慣量、負載轉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行處理，勢必極大地降低系統動態性能。這樣，需要發展多變量的機器人控制方法。單變量控制設計X分層控制鍋爐燃燒子系統控制鍋爐蒸汽發生子系統控制雙回路+比值控制單回路+擾動補償雙回路單回路+擾動補償單變量控制設計X降低能耗提餾段控制精餾段控制精餾塔分層控制質量、產量和能耗→

溫度、流量、壓力單變量控制設計X不同廠家或不同批次的原料組分經常變化基于數據庫的監控系統基于PLC控制的分層系統PLC各軸電機基于多變量控制的分層系統（1）如何描述？簡明清晰地呈現耦合關系，大量簡便成熟的數學工具（2）如何分析？經典控制關注外部特性、不追問