1、經典控制理論與現代控制理論的主要差別。
經典控制理論和現代控制理論,同屬于自動控制理論的范疇,屬于兩種截然不同的分析方式。現實生活中,我們更多接觸的是物理模型,而自動控制理論,歸根結底,是個數學問題。那么,把真實的物理系統理想化之后,即為物理模型,對物理模型進行數學描述,即為數學模型。經典控制理論著重研究系統的輸入-輸出特性(即外部描述),現代控制理論不但研究系統的輸入-輸出關系,而且還研究系統內部各個狀態變量,采用狀態向量描述(即內部描述)。兩種描述,都有時域和頻域方法。從廣義上講,現代控制理論的應用層面更寬,而經典控制理論的應用領域相對狹窄,僅僅用于 線性時不變定常連續系統。
2、傳遞函數
那么怎么把一個物理模型,描述出數學模型,很簡單,就是利用了傳遞函數。任何一個線性定常連續系統,都可以用一個線性常微分方程描述。把輸出量的微分線性組合放在方程等式左邊,輸入量的微分線性組合放在方程右邊,等號兩邊分別取拉普拉斯變換,就得到了我們的傳遞函數模型。
通過拉普拉斯變換,線性微分方程轉換成了代數方程,傳遞函數表達了一個系統輸入-輸出的關系,一旦系統給定,傳遞函數就不會變化,即傳遞函數不受輸入和輸出的變化影響。傳遞函數又可定義為初始條件為零的線性定常系統輸出量的s變換與輸入量的s變換之比。傳遞函數的局限在于,它只能反映系統的外部特性,即輸入-輸出的特性,因此傳遞函數模型也常被稱為“黑箱”模型,我們只能看到由它引起的外部變化,并不能解決系統內部的一些問題和矛盾。要解決這個問題就要用狀態空間模型和現代控制理論,因此狀態空間模型又稱“白箱”模型,我們可以清晰看到它的內部結構,以便對系統進行優化和完善。
3、經典控制理論研究的核心內容。
已知一個系統的傳遞函數,這個系統的動態性能從最根本上講取決于什么,這些決定因素是如何影響系統性能的。 這個問題其實是經典控制理論最最核心的問題,經典控制理論所有的研究方法都是基于這個問題展開的。
給定一個傳遞函數G(s),決定系統性能的最根本因素就是系統的零點和極點在復平面上的分布情況,其中起決定性作用的是極點的分布,它決定了系統是否是穩定的,是否有震蕩,震蕩的頻率和幅度等等系統最關鍵的東西,零點的存在起的是一種調節作用,要么是錦上添花,要么是雪上加霜。學習經典控制理論,最終目的是學會如何根據各種被控對象來設計合適的控制器,但從上面的意義上來講,設計控制器最終目的就是為了把整個系統的零點和極點控制在我們希望的區域或范圍內。
4、經典控制理論的分析方法
經典控制理論,概括來講,有三種分析方法:時域分析、根軌跡分析、頻域分析。
那么PID調節,屬于哪種分析方式呢?屬于時域分析。很多人可能不太理解這樣的觀點。PID,含有零點、含有極點,零極點的概念,在頻域分析法中同樣存在,應該屬于頻域分析。
頻域分析與時域分析的主要差別在于:
1)、時域分析法,研究的是系統的閉環傳遞函數,里面的零極點,也都是閉環零極點。頻域分析的研究對象是開環傳遞函數,里面的零極點都是開環零極點。而經典控制理論研究的內容,是閉環零極點,所以我們可以說,頻域分析法是一種間接分析法,時域分析法是三種分析法中最直接最直觀的方法。
2)、拉普拉斯算子的不同。時域分析法中的s算子,是個復數,因此也常被稱為復頻域分析法。而頻域分析法中的s算子,則是個純虛數。