《自动控制原理》

简介+目录

第一章 自动控制的一般概念

一、自动控制

1、定义

自动控制，指没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称为被控对象）的某个工作状态或参数（被控量）自动地按照预定的规律运行。

自动控制系统，按原理和方式分类：

• 最基本控制方式的是基于反馈控制原理的反馈控制
  • 近十几年来以现代数学为基础，引入电子计算机的新控制方式也有了很大发展，如最优控制、自适应控制、模糊控制等【这些是基于模型的算法，也是基于反馈的方式】
  • 基于模型的控制，不知道是不是属于经典控制理论？？
  • 典型经典控制理论：PID控制、Smith控制、解耦控制、Dalin控制、串级控制等。
• 开环控制方式
• 复合控制方式

经典控制理论 vs 反馈控制

二者相等吗？感觉不是一个维度。
经典控制理论主要解决反馈控制系统中控制器的分析设计问题。

经典控制理论 vs 现代控制理论

经典控制理论=古典控制理论=自动控制理论：

• 建立在奈奎斯特的频率响应法和伊万斯的根轨迹法基础上的理论，为工程技术人员提供了一个设计反馈控制系统的有效工具。
• 时域分析、根轨迹、频域分析
• 经典控制理论主要研究SISO（单输入单输出）线性定常系统
• 推广到多输入多输出（Multi-Input%2BMulti-Output，MIMO）线性定常系统非常困难，对时变系统和非线性系统则更无能为力

现代控制理论

• 主要分支及所研究的内容：线性系统理论、最优控制、随机系统理论和最优估计、系统辨识、自适应控制、非线性系统理论、鲁棒性分析与鲁棒控制、分布参数控制、离散事件控制、智能控制。

20世纪50年代中期，科学技术及生产力的发展，特别是空间技术的发展，特别是空间技术的发展，迫切要求解决更复杂的多变量系统、非线性系统的最优控制问题。
例如火箭和宇航器的导航、跟踪和着陆过程中的高精度、低消耗控制，到达目标的控制时间最小等。
实践的需求推动了控制理论的进步，同时，计算机技术的发展也从计算手段上为控制理论的发展提供了条件，
适合于描述航天器的运动规律，又便于计算机求解的状态空间模型成为主要的模型形式。

优点：
不仅适用于SISO线性定常系统，而且易于推广到MIMO系统、时变系统和非线性系统等，
显示了该方法有更强的描述系统的动态特性行为的能力，所能处理的系统的范围更大；
利用时间域法容易给人以时间上的清晰性能指标，如最快、最小能量等，易于理解接受和优化设计；
易于考虑系统的初始条件，使得所设计的控制系统有更高的精度和更佳的性能品质指标；
易于用计算机进行系统分析计算和实现计算机控制，显示了所设计的控制系统的实现具有极大的可行性、优越性、先进性。

参考：
https://wenku.baidu.com/view/402922d107a1b0717fd5360cba1aa81144318fa4.html

二者区别：
https://zhuanlan.zhihu.com/p/34908368

基于模型的控制

什么是基于模型的控制？属于经典控制理论吗？【不，是现代控制理论的内容：适合于描述航天器的运动规律，又便于计算机求解的状态空间模型成为主要的模型形式。】

基于模型的控制，是三种方式都有还是仅属于反馈控制？

自动控制系统的分类，实际上就是经典控制理论的分类吗？？

参考：
https://www.jianshu.com/p/f170a82ff3f4 【可以看一下，不太懂。。】

2、历史

经典控制理论（19世纪末~1940年代）
起源于：伺服机械的调节/控制设计方法、数学界的常微分方程稳定性理论、基于Fourier变换的频率域分析设计。
经典文献——钱学森的《工程控制论》；
主要特征——频率域分析设计。

现代控制理论（1950年代~至今）
起源于：美国卡尔曼线性系统结构性理论和最优滤波理论、前苏联 庞特里亚金的极大值原理、美国 贝尔曼的动态规划理论。
主要特征——现代时间域分析设计。

详情

公元前，我国古代的自动计时器和漏壶指南车。
欧洲工业革命时期，自动控制技术开始广泛应用
1788，蒸汽机（1776）后，瓦特利用反馈原理，发明了离心式调速器。自动调节进气阀门开度，从而控制蒸汽机转速。
1868，麦克斯韦研究了反馈系统的稳定性问题，发表论文“论调速器”。随后，自动控制原理开始逐步形成。
1892，俄国李雅普诺夫稳定性理论，博士论文“论运动稳定性的一般问题”。
1910s，PID控制器出现，广泛应用。
1927，为使广泛应用的电子管在其性能较大变化时正常工作，反馈放大器正式诞生，确立了`“反馈”`在自动控制技术中的`核心地位`。
因此涌现，系统稳定性和性能品质分析的大量研究成果。
1940s，系统和控制思想空前活跃。1945，贝塔《系统论》，1948维纳《控制论》，至此形成完整的控制理论体系————以传递函数为基础的`经典控制理论`，主要研究`单输入单输出、线性定常系统`的分析和设计问题。【经典控制理论主要用于解决反馈控制系统中控制器的分析与设计问题。所以，经典=反馈？】
1950s~1960s，人类开始征服太空，1957苏联第一颗人造卫星，1968美国阿波罗登月，因此催生了1960s`第二代控制理论`————现代控制理论的问世，包括以状态为基础的状态空间法，贝尔曼的动态规划法、庞特里亚金的极小值原理、卡尔曼滤波器。`现代控制理论`主要研究具有`高性能、高精度和多耦合回路的多变量系统`的分析和设计问题。
1970s，随着计算机发展，开始出现许多以计算机控制为代表的自动化技术，如可编程控制器、工业机器人，自动化技术发生了根本性的变化，其相应的自动控制科学研究也出现了许多分支，如自适应控制、混杂控制、模糊控制、神经网络控制等。此外，控制理论的概念原理和方法还被用来处理社会、经济、人口、环境等复杂系统的分析与控制，形成了经济控制论和人口控制论等学科分支。
目前控制理论还在继续发展，正朝着以控制论、信息论和仿生学为基础的智能控制理论深入。
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纵观百余年自动控制科学与技术的发展，`反馈控制理论与技术【经典=反馈？】`占据了`极其重要`的地位。

参考： http://www.apmygs.com/1491.html

二、反馈控制

1、定义/原理

反馈控制=按偏差的控制=闭环控制。

反馈控制定义/原理，指采用负反馈，并按偏差进行控制的过程。

• 反馈：把输出量送回到输入端，并与输入信号相比较产生偏差信号的过程。
• 负反馈vs正反馈：若输出量与输入量之间的偏差越来越小，称为负反馈，否则是正反馈。

2、特点

（1）最大特色：被控量偏离期望而出现偏差时，必定有相应的控制作用/操纵量去消除偏差，使被控量与期望值趋于一致。
（2）可抑制任何内外扰动对被控量的影响，有较高的控制精度。
（3）使用的元件多，结构复杂，系统性能分析和设计较麻烦。

3、组成

1）输入量：期望值，与期望输出量对应的输入量。

加到反馈系统的两种外作用：有用输入（输入量）和扰动。

2）控制对象/控制装置/控制器：外加设备或装置，是对被控对象施加控制作用的机构的总体。

比如人取书的过程，眼睛、大脑和手臂产生控制作用，它们统称控制对象。

3）被控对象：目标对象，要求实现自动控制的机器、设备或生产过程。

例如数控机床按照预定程序自动地切削工件，在这里数控机床就是被控对象。人造卫星准确地进入预定轨道运行并回收，在这里人造卫星就是被控对象。

4）输出量/被控变量/受控变量/被控量：动态变化，是被控对象的一个输出。被控对象的某个工作状态或参数，是要求严格加以控制的物理量。

比如要求保持为某一恒定值，温度、压力或液位等。也可以是要求按照某个给定规律运行，比如飞行航线、记录曲线等。

5）操纵量=控制作用=反馈信息【=控制变量？】：作用于控制系统的输入端，并可使系统具有预定功能或预定输出的物理量。
控制装置对被控对象施加的控制作用，是取自被控量的反馈信息，用来不断修正被控量与输入量之间的偏差，从而实现对被控对象进行控制的任务。
【输入量与被控量，应该属于同一量纲？还是函数关系？】

比如飞机自动驾驶仪系统，控制变量是给定的常值俯仰角【这句话有问题！】，自动驾驶仪系统的任务就是在任何扰动作用下，始终保持飞机以给定的俯仰角飞行。

控制变量法：研究物理量时，仅变化一个因素，保持其他因素不变，然后观察物理量在这个过程中是如何随着选定的因素的变化而变化，从而确定物理量与选定因素间的数量关系或逻辑关系。
先考察其中一个因素对研究问题的影响，而保持其他因素不变，这种方法叫控制变量法。【来自初中物理课本】

【两本书矛盾《自动控制原理（第五版）》和《嵌入式系统原理、设计及开发》p11空调案例
《嵌》空调案例中，控制变量!=输入变量，控制变量是压缩机单元送出的冷空气，输入变量是目标室温，输出变量是当前室温【这本书的理解不靠谱】
《自》控制变量这个词，只有操纵量，操纵量!=输入变量，操纵量是
】

参考：
搜“控制变量vs受控变量”
https://zhidao.baidu.com/question/229642851.html
https://www.zhihu.com/topic/20028153/intro