控制系統(tǒng)導(dǎo)論

1、自動控制原理 主講：電信學(xué)部控制科學(xué)與控制工程學(xué)院 潘學(xué)軍 課時：64學(xué)時 課程性質(zhì)：必修課 助課 參考書：自動控制原理 孟華 機械工業(yè)出版社第一章 控制系統(tǒng)導(dǎo)論1-1 概述1-2 自動控制的基本方式1-3 自動控制系統(tǒng)中的常用術(shù)語1-4 自動控制系統(tǒng)的分類1-5 對控制系統(tǒng)的基本要求1-6 本門課程的主要內(nèi)容1-1 概述自動控制-在沒有人直接參與的情況下， 通過控制器使被控對象的某一 物理量（或工作狀態(tài)）自動地 按照預(yù)定的規(guī)律運行。機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程自動控制原理-自動控制技術(shù)的基礎(chǔ)理論。自動控制系統(tǒng)- 為實現(xiàn)控制目的，由相互制 約的各部分按一定規(guī)律組成的 具有特定功能的整體。 n經(jīng)典控制理

2、論 20世紀40年代“經(jīng)典控制理論(Classical control theory)”正式誕生，代表作是維納（Wiener）1948年發(fā)表的控制論（Cybernetics or Control and Communication in the Animal and Machine）。經(jīng)典控制理論以傳遞函數(shù)為數(shù)學(xué)工具，研究對象主要是單輸入單輸出線性的一類自動控制系統(tǒng)n 現(xiàn)代控制理論 20世紀60年代現(xiàn)代控制理論Modern control theory”以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，主要研究多輸入多輸出、時變、非線性控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計問題。n大系統(tǒng)理論 20世紀70年代, 自適應(yīng)控制理論、魯棒控制；主

3、要處理動態(tài)、多輸入多輸出、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的系統(tǒng)n智能控制 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制、專家系統(tǒng) 經(jīng)典控制理論與現(xiàn)代控制理論比較： 經(jīng)典控制理論 研究對象：單輸入、單輸出系統(tǒng) 數(shù)學(xué)模型與工具：微分方程傳遞函數(shù) 研究內(nèi)容：確定模型，系統(tǒng)分析，系統(tǒng)設(shè)計 現(xiàn)代控制理論 研究對象：多輸入、多輸出系統(tǒng) 數(shù)學(xué)模型與工具：狀態(tài)方程傳遞矩陣 研究內(nèi)容：最優(yōu)控制，系統(tǒng)辨識，自適應(yīng)控制1-2 自動控制的基本方式一、自動控制系統(tǒng)組成一、自動控制系統(tǒng)組成熱力系統(tǒng)自動控制流程圖熱力系統(tǒng)自動控制流程圖人工控制人工控制自動控制系統(tǒng)方框圖自動控制系統(tǒng)方框圖系統(tǒng)組成：系統(tǒng)組成： 被控對象被控對象 測量元件測量元件 控制裝置控制裝置 執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)

4、行機構(gòu)二 、控制的基本方式 信號由給定值至被控量單向傳遞； 抗干擾能力差，不能保證控制精度。 用于自動化流水線控制，如包裝機等執(zhí)行執(zhí)行被控對象被控對象計算計算給定值給定值干擾干擾被控量被控量開環(huán)控制之一：按給定值操作1.開環(huán)控制開環(huán)控制之二：按干擾補償執(zhí)行執(zhí)行被控對象被控對象計算計算干擾干擾被控量被控量測量測量n干擾經(jīng)測量、計算、執(zhí)行至被控量單向傳遞干擾經(jīng)測量、計算、執(zhí)行至被控量單向傳遞n測量的是干擾，利用干擾產(chǎn)生控制作用，以補償干測量的是干擾，利用干擾產(chǎn)生控制作用，以補償干擾的影響擾的影響 用于機械加工的恒速控制等2.閉環(huán)控制比較、計算比較、計算執(zhí)行執(zhí)行被控對象被控對象測量測量給定值給定值干

5、擾干擾被控量被控量閉環(huán)控制也稱反饋控制，或按偏差調(diào)節(jié)。閉環(huán)控制也稱反饋控制，或按偏差調(diào)節(jié)。 測量的是被控量； 只要被控量出現(xiàn)偏差，系統(tǒng)就自動糾偏； 控制精度高。系統(tǒng)輸出對控制作用系統(tǒng)輸出對控制作用有直接影響有直接影響-閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)控制的缺點：1）結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高；2）由于反饋的存在，使控制系統(tǒng)可能出現(xiàn)“振蕩”。3.復(fù)合控制 閉環(huán)控制與補償控制相結(jié)合閉環(huán)控制與補償控制相結(jié)合 在閉環(huán)基礎(chǔ)上增加一個干擾的補償控制，在閉環(huán)基礎(chǔ)上增加一個干擾的補償控制， 提高系統(tǒng)抗干擾能力。提高系統(tǒng)抗干擾能力。比較、計算比較、計算執(zhí)行執(zhí)行受控對象受控對象測量測量給定值給定值干擾干擾被控量被控量補償裝置補償裝置分

6、析決策分析決策執(zhí)行執(zhí)行工作對象工作對象觀察觀察觀察觀察預(yù)期目標預(yù)期目標干擾干擾實際結(jié)果實際結(jié)果人工職能圖人工職能圖比較、計算比較、計算執(zhí)行執(zhí)行被控對象被控對象測量測量測量測量給定值給定值干擾干擾被控量被控量自動控制方框圖自動控制方框圖反饋控制應(yīng)具備三條基本功能：n測量n比較分析n執(zhí)行參與控制的信號來自三條通道：給定值，干擾和被控量三、自動控制系統(tǒng)示例（一）溫度控制系統(tǒng)V熱電偶熱電偶T煤氣煤氣混混合合器器空氣空氣uruTu0u電動機電動機閥門閥門烘爐烘爐指定電位計指定電位計工件工件比較線路比較線路放大器放大器電動機電動機放大器放大器（給定指令）（給定指令）工工件件環(huán)環(huán)溫溫（被控量）（被控量）ur

7、（計算）（計算）烘爐烘爐（對象）（對象）熱電偶熱電偶uauTTu烘爐溫度控制系統(tǒng)功能方框圖烘爐溫度控制系統(tǒng)功能方框圖（二）位置隨動系統(tǒng) rrucusuauaimc工作機械工作機械電位計電位計電動機電動機電位計式橋路電位計式橋路 電動機構(gòu)電動機構(gòu) 工作機械工作機械給定值給定值干擾力矩干擾力矩被控量被控量rsuauc（執(zhí)行、對象）（執(zhí)行、對象）原理圖：原理圖：方框圖：方框圖：控制任務(wù)：使工作機構(gòu)跟隨指令機構(gòu)同控制任務(wù)：使工作機構(gòu)跟隨指令機構(gòu)同步轉(zhuǎn)動，即步轉(zhuǎn)動，即c(t)=r(t)（三）液位自動控制系統(tǒng)液位控制系統(tǒng)液位控制系統(tǒng)控制器控制器減速器減速器電動機電動機電位器電位器浮子浮子用水開關(guān)用水開關(guān)Q

8、2Q1cifSM1-3 自動控制系統(tǒng)中的常用術(shù)語控制環(huán)節(jié)控制環(huán)節(jié)Gc被控對象被控對象G0反饋環(huán)節(jié)反饋環(huán)節(jié)H參考輸入?yún)⒖驾斎氡容^環(huán)節(jié)比較環(huán)節(jié)偏差偏差e控制量控制量u擾動擾動n輸出輸出c主反饋主反饋b1-4 自動控制系統(tǒng)的分類一、按輸入信號特征分類（1）恒值控制系統(tǒng)（或定值控制系統(tǒng)） 輸入信號是一個恒定的數(shù)值。輸入信號是一個恒定的數(shù)值。 主要研究各種干擾對系統(tǒng)輸出的影響以及主要研究各種干擾對系統(tǒng)輸出的影響以及如何克服這些干擾，使輸出量盡量保持在所設(shè)如何克服這些干擾，使輸出量盡量保持在所設(shè)定的給定值上。定的給定值上。（2）程序控制系統(tǒng)（3）隨動系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)） 輸入信號是一個已知的時間函數(shù)，系統(tǒng)輸入

9、信號是一個已知的時間函數(shù)，系統(tǒng)的控制過程按預(yù)定的程序進行，要求被控量的控制過程按預(yù)定的程序進行，要求被控量能迅速準確地復(fù)現(xiàn)給定量。能迅速準確地復(fù)現(xiàn)給定量。 輸入信號是一個未知函數(shù)，要求輸入信號是一個未知函數(shù)，要求輸出量跟隨給定量變化。輸出量跟隨給定量變化。線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)可用線性微分方程或差分方程描述?？捎镁€性微分方程或差分方程描述。線性系統(tǒng)重要特性疊加性,均勻性xyoyxo線性系統(tǒng)中各元件特性均為直線，如線性系統(tǒng)中各元件特性均為直線，如二、按描述系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型不同分類非線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)描述系統(tǒng)的運動方程為非線性微分描述系統(tǒng)的運動方程為非線性微分方程或差分方程。方程或差分方程。系數(shù)隨變量大小

10、而變化不滿足疊加原理非線性系統(tǒng)特點1.線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)2.2.定常系統(tǒng)定常系統(tǒng)和時變系統(tǒng)和時變系統(tǒng)定常系統(tǒng)：參數(shù)不隨時間變化定常系統(tǒng)：參數(shù)不隨時間變化時變系統(tǒng)；參數(shù)是時間時變系統(tǒng)；參數(shù)是時間t t 的函數(shù)的函數(shù)1、連續(xù)系統(tǒng)系統(tǒng)中各元件的輸入量和輸出量均為時間t的連續(xù)函數(shù)；運動規(guī)律可用微分方程描述。2、離散系統(tǒng)系統(tǒng)中只要有一個地方的信號是脈沖序列或數(shù)字編碼；運動規(guī)律可用差分方程描述。)(txto1t2t3t4tnt三、按三、按系統(tǒng)傳輸信號的性質(zhì)分類其它分類方法其它分類方法 按按I/OI/O信號數(shù)量分信號數(shù)量分：SI/SO , MI/MO 按控制系統(tǒng)功能分按控制系統(tǒng)功能分：

11、溫度控制系統(tǒng)，速度控：溫度控制系統(tǒng)，速度控制系統(tǒng)，位置控制系統(tǒng)制系統(tǒng)，位置控制系統(tǒng) 按系統(tǒng)元件組成分按系統(tǒng)元件組成分：機電系統(tǒng)，生物系：機電系統(tǒng)，生物系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)統(tǒng)，液壓系統(tǒng) 按不同的控制理論分支設(shè)計的新按不同的控制理論分支設(shè)計的新型控制系統(tǒng)分型控制系統(tǒng)分：最優(yōu)控制系統(tǒng)，自適應(yīng)控：最優(yōu)控制系統(tǒng)，自適應(yīng)控制系統(tǒng)，模糊控制系統(tǒng)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)制系統(tǒng)，模糊控制系統(tǒng)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)1-5 對控制系統(tǒng)的基本要求一、穩(wěn)定性 系統(tǒng)穩(wěn)定是系統(tǒng)正常工作的基本條件二、快速性 在穩(wěn)定的前提下，希望控制過程進行得越快越好三、準確性 要求動態(tài)誤差和穩(wěn)態(tài)誤差都越小越好 系統(tǒng)要求（或希望）的輸出量與實際輸出量之差稱為誤差； 動態(tài)誤差是過渡過程中實際輸出與期望值間的偏差； 穩(wěn)態(tài)誤差表示到達平衡狀態(tài)（過渡過程結(jié)束）的精度。1-6 本門課程的主要內(nèi)容 建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 控制系統(tǒng)的分析法 時域分析 頻率特性分析 控制系統(tǒng)的校正 離散控制系統(tǒng) 非線性控制系統(tǒng)理