L1自動(dòng)控制原理

1、1自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理Automatic Control緒論緒論2教材及參考書教材及參考書l教材教材l自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理(第第3版版)，劉文定、謝克明編，劉文定、謝克明編， 電子工業(yè)出版社電子工業(yè)出版社 l參考書參考書lAutomatic Control Systems Benjamin C.Kuo，高等教育出版社高等教育出版社l自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理，李素玲編，西安電子科技大學(xué)，李素玲編，西安電子科技大學(xué)出版社出版社l自動(dòng)控制理論自動(dòng)控制理論，夏德矜編，夏德矜編， 機(jī)械工業(yè)出版社機(jī)械工業(yè)出版社3概述概述l自動(dòng)化（自動(dòng)化（Automation 或或 Automatization ）

2、l自動(dòng)控制自動(dòng)控制l在脫離人的直接干預(yù)，利用控制裝置（簡(jiǎn)稱控制器）在脫離人的直接干預(yù)，利用控制裝置（簡(jiǎn)稱控制器）使被控對(duì)象（或生產(chǎn)過程等）的某一物理量（如溫使被控對(duì)象（或生產(chǎn)過程等）的某一物理量（如溫度、壓力、度、壓力、PH值等）準(zhǔn)確地按照預(yù)期的規(guī)律運(yùn)行。值等）準(zhǔn)確地按照預(yù)期的規(guī)律運(yùn)行。l自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng) l實(shí)現(xiàn)上述控制目的，由相互制約的各部分按一定規(guī)實(shí)現(xiàn)上述控制目的，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。律組成的具有特定功能的整體。4控制理論的發(fā)展控制理論的發(fā)展l原始控制設(shè)備原始控制設(shè)備l沒有理論指導(dǎo)沒有理論指導(dǎo)l經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論l單輸入單輸入(SI)l現(xiàn)代控

3、制理論現(xiàn)代控制理論l多輸入輸出（多輸入輸出（MIMO）l大系統(tǒng)理論大系統(tǒng)理論/復(fù)雜系統(tǒng)理論復(fù)雜系統(tǒng)理論l智能控制理論智能控制理論5控制理論的發(fā)展控制理論的發(fā)展l經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論 l研究的主要對(duì)象是單輸入、單輸出研究的主要對(duì)象是單輸入、單輸出單變量系統(tǒng)。單變量系統(tǒng)。如：調(diào)節(jié)電壓改變電機(jī)的速度；調(diào)整方向盤改變汽如：調(diào)節(jié)電壓改變電機(jī)的速度；調(diào)整方向盤改變汽車的運(yùn)動(dòng)軌跡等。車的運(yùn)動(dòng)軌跡等。l現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論 l研究的主要對(duì)象是多輸入、多輸出研究的主要對(duì)象是多輸入、多輸出多變量系統(tǒng)。多變量系統(tǒng)。如，汽車看成是一個(gè)具有兩個(gè)輸入（駕駛盤和加速如，汽車看成是一個(gè)具有兩個(gè)輸入（駕駛盤和加速踏板）

4、和兩個(gè)輸出（方向和速度）的控制系統(tǒng)。計(jì)踏板）和兩個(gè)輸出（方向和速度）的控制系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)科學(xué)地發(fā)展，極大地促進(jìn)了控制科學(xué)地發(fā)展。算機(jī)科學(xué)地發(fā)展，極大地促進(jìn)了控制科學(xué)地發(fā)展。6經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論研究對(duì)象研究對(duì)象線性定常系統(tǒng)（單輸入、單輸出）線性、非線性、定常、時(shí)變系統(tǒng)（多輸入、多輸出）描述方法描述方法傳遞函數(shù)（輸入、輸出描述）向量空間（狀態(tài)空間描述）研究方法研究方法根軌跡法和頻率法狀態(tài)空間法研究目標(biāo)研究目標(biāo)系統(tǒng)分析及給定輸入、輸出情況下的系統(tǒng)綜合揭示系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律，實(shí)現(xiàn)在一定意義下的最優(yōu)控制與設(shè)計(jì)7輸入輸出控制系統(tǒng)l控制系統(tǒng)的組成：控制系統(tǒng)的組成：輸入部分、控制系統(tǒng)部

5、分和輸出部輸入部分、控制系統(tǒng)部分和輸出部分。分。l從物理角度上看，自動(dòng)控制研究的是特定激勵(lì)作用下從物理角度上看，自動(dòng)控制研究的是特定激勵(lì)作用下的系統(tǒng)響應(yīng)變化情況；的系統(tǒng)響應(yīng)變化情況；l從數(shù)學(xué)角度上看，研究的是輸入與輸出之間的映射關(guān)從數(shù)學(xué)角度上看，研究的是輸入與輸出之間的映射關(guān)系。系?？刂葡到y(tǒng)的基本組成控制系統(tǒng)的基本組成8自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類l按信號(hào)流向分類按信號(hào)流向分類l開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)l特點(diǎn)：系統(tǒng)的輸出端與輸入端不存在反饋回路，特點(diǎn)：系統(tǒng)的輸出端與輸入端不存在反饋回路，輸出量對(duì)系統(tǒng)的控制作用不發(fā)生影響的系統(tǒng)。輸出量對(duì)系統(tǒng)的控制作用不發(fā)生影響的系統(tǒng)。圖紙程序指令（步進(jìn)電

6、機(jī)）微型計(jì)算機(jī)放大器執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作機(jī)床切削刀具9自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類l閉環(huán)控制系統(tǒng)（閉環(huán)控制系統(tǒng)（反饋控制系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng)）l特點(diǎn)：系統(tǒng)輸出信號(hào)與測(cè)量元件之間存在反饋回特點(diǎn)：系統(tǒng)輸出信號(hào)與測(cè)量元件之間存在反饋回路。路。 “閉環(huán)閉環(huán)”這個(gè)術(shù)語的含義，就是將輸出信號(hào)這個(gè)術(shù)語的含義，就是將輸出信號(hào)通過測(cè)量元件反饋到系統(tǒng)的輸入端，通過比較、通過測(cè)量元件反饋到系統(tǒng)的輸入端，通過比較、控制來減小系統(tǒng)誤差?？刂苼頊p小系統(tǒng)誤差。位移微型計(jì)算機(jī)放大器執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作機(jī)床切削刀具反饋測(cè)量元件圖紙10自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類l按輸入信號(hào)分類按輸入信號(hào)分類l恒值控制系統(tǒng)（或稱自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)）恒值控

7、制系統(tǒng)（或稱自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)）l特點(diǎn)：輸入信號(hào)是一個(gè)恒定的數(shù)值。工業(yè)生產(chǎn)中的恒溫、特點(diǎn)：輸入信號(hào)是一個(gè)恒定的數(shù)值。工業(yè)生產(chǎn)中的恒溫、恒壓等自動(dòng)控制系統(tǒng)都屬于這一類型。恒壓等自動(dòng)控制系統(tǒng)都屬于這一類型。 l恒值控制系統(tǒng)可看成輸入等于常值的過程控制系統(tǒng)。恒值控制系統(tǒng)可看成輸入等于常值的過程控制系統(tǒng)。l過程控制系統(tǒng)（或稱程序控制系統(tǒng)）過程控制系統(tǒng)（或稱程序控制系統(tǒng)）l特點(diǎn)：輸入信號(hào)是一個(gè)已知的函數(shù)。系統(tǒng)的控制過程按預(yù)特點(diǎn)：輸入信號(hào)是一個(gè)已知的函數(shù)。系統(tǒng)的控制過程按預(yù)定的程序進(jìn)行，要求被控量能迅速準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)輸入，如化定的程序進(jìn)行，要求被控量能迅速準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)輸入，如化工中的壓力、溫度、流量控制、數(shù)控機(jī)床等。

8、工中的壓力、溫度、流量控制、數(shù)控機(jī)床等。11l隨動(dòng)系統(tǒng)（或稱跟蹤系統(tǒng)）隨動(dòng)系統(tǒng)（或稱跟蹤系統(tǒng)）l特點(diǎn)：輸入信號(hào)是一個(gè)未知變量。要求控制系統(tǒng)的輸出特點(diǎn)：輸入信號(hào)是一個(gè)未知變量。要求控制系統(tǒng)的輸出量能平穩(wěn)地跟蹤和復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)變化。量能平穩(wěn)地跟蹤和復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)變化。l如：火炮自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)。如：火炮自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)。 l該系統(tǒng)要求有較好的跟蹤能力。該系統(tǒng)要求有較好的跟蹤能力。 12自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類l按輸入信號(hào)數(shù)字特征來分類按輸入信號(hào)數(shù)字特征來分類l連續(xù)系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)l特點(diǎn)：系統(tǒng)各部分信號(hào)都是模擬的連續(xù)函數(shù)。目前特點(diǎn)：系統(tǒng)各部分信號(hào)都是模擬的連續(xù)函數(shù)。目前工業(yè)中普遍采用的常規(guī)儀表工業(yè)中普遍

9、采用的常規(guī)儀表PID調(diào)節(jié)器控制的系統(tǒng)。調(diào)節(jié)器控制的系統(tǒng)。l離散系統(tǒng)離散系統(tǒng)l特點(diǎn)：系統(tǒng)的某一處或幾處信號(hào)以脈沖序列或數(shù)碼特點(diǎn)：系統(tǒng)的某一處或幾處信號(hào)以脈沖序列或數(shù)碼形式傳遞的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)中用脈沖開關(guān)或采樣開形式傳遞的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)中用脈沖開關(guān)或采樣開關(guān)，將連續(xù)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散信號(hào)。其中離散信號(hào)以關(guān)，將連續(xù)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散信號(hào)。其中離散信號(hào)以脈沖形式傳遞的系統(tǒng)又叫脈沖控制系統(tǒng)，離散信號(hào)脈沖形式傳遞的系統(tǒng)又叫脈沖控制系統(tǒng)，離散信號(hào)以數(shù)碼形式傳遞的系統(tǒng)又叫數(shù)字控制系統(tǒng)。以數(shù)碼形式傳遞的系統(tǒng)又叫數(shù)字控制系統(tǒng)。13輸入輸出采樣開關(guān)+_( )e t( )e t保持器被控過程輸入輸出+_A DD A計(jì)算機(jī)放大

10、器執(zhí)行器被控對(duì)象反饋裝置14自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類l按數(shù)學(xué)模型分類按數(shù)學(xué)模型分類l線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)l特點(diǎn)：系統(tǒng)由線性元件構(gòu)成，描述運(yùn)動(dòng)規(guī)律的數(shù)學(xué)特點(diǎn)：系統(tǒng)由線性元件構(gòu)成，描述運(yùn)動(dòng)規(guī)律的數(shù)學(xué)模型為線性微分方程。運(yùn)動(dòng)方程一般形式：模型為線性微分方程。運(yùn)動(dòng)方程一般形式： l式中：式中：r(t)系統(tǒng)輸入量；系統(tǒng)輸入量； c(t)系統(tǒng)輸出量系統(tǒng)輸出量l主要特點(diǎn)是具有疊加性和齊次性。主要特點(diǎn)是具有疊加性和齊次性。c(t)adtdc(t)adtc(t)dadtc(t)da011 -n1 -n1 -nnnnr(t)bdtdr(t)bdtr(t)dbdtr(t)db011 -m1 -m1 -mmm

11、m15l非線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)l特點(diǎn)：在構(gòu)成系統(tǒng)的環(huán)節(jié)中有一個(gè)或一個(gè)以上的非特點(diǎn)：在構(gòu)成系統(tǒng)的環(huán)節(jié)中有一個(gè)或一個(gè)以上的非線性環(huán)節(jié)。線性環(huán)節(jié)。l非線性的理論研究遠(yuǎn)不如線性系統(tǒng)那么完整，目前非線性的理論研究遠(yuǎn)不如線性系統(tǒng)那么完整，目前尚無通用的方法可以解決各類非線性系統(tǒng)。尚無通用的方法可以解決各類非線性系統(tǒng)。l近似處理。近似處理。16自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類l其他分類方式其他分類方式l按系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型參數(shù)特性分：定常系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng)按系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型參數(shù)特性分：定常系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng)l按功能分：溫度控制系統(tǒng)、速度控制系統(tǒng)、位置控按功能分：溫度控制系統(tǒng)、速度控制系統(tǒng)、位置控制系統(tǒng)等。制系統(tǒng)等。l按元件

12、組成分：機(jī)電系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、生物系統(tǒng)等。按元件組成分：機(jī)電系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、生物系統(tǒng)等。17一般的形式 輸入信號(hào)系統(tǒng)控制目標(biāo)的反映，是人的意志的具體體現(xiàn)控制系統(tǒng)主要完成對(duì)有關(guān)信號(hào)的變換、處理，發(fā)出控制 量，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成控制功能輸出信號(hào)系統(tǒng)的控制結(jié)果，反映了被控對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)輸入信號(hào)輸出信號(hào)放大比較執(zhí)行被控對(duì)象測(cè)量反饋控制系統(tǒng)的基本組成反饋控制系統(tǒng)的基本組成18一般組成： l被控對(duì)象系統(tǒng)所控制和操縱的對(duì)象，輸出被控量l控制器接收變換和放大后的偏差信號(hào)，轉(zhuǎn)化為被控制對(duì)象操作信號(hào)l放大變換環(huán)節(jié)將偏差信號(hào)變換為適合控制器執(zhí)行的信號(hào)l校正裝置為改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性而附加的裝置l反饋環(huán)節(jié)測(cè)量變送環(huán)節(jié)l

13、給定環(huán)節(jié)產(chǎn)生輸入控制信號(hào)的裝置反饋控制系統(tǒng)的基本組成反饋控制系統(tǒng)的基本組成19控制系統(tǒng)性能的基本要求控制系統(tǒng)性能的基本要求l穩(wěn)定性（穩(wěn)）穩(wěn)定性（穩(wěn)）l能工作（即達(dá)到穩(wěn)態(tài)），并在有一定的環(huán)境和參數(shù)能工作（即達(dá)到穩(wěn)態(tài)），并在有一定的環(huán)境和參數(shù)變化時(shí)，還能有穩(wěn)定變化時(shí)，還能有穩(wěn)定“裕量裕量”l穩(wěn)態(tài)精度（準(zhǔn)）穩(wěn)態(tài)精度（準(zhǔn)）l系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)，穩(wěn)態(tài)值與預(yù)期的差別越小越好系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)，穩(wěn)態(tài)值與預(yù)期的差別越小越好l動(dòng)態(tài)過程（好動(dòng)態(tài)過程（好/快）快）l在輸入信號(hào)到到達(dá)穩(wěn)態(tài)的變化全過程，包括離預(yù)期在輸入信號(hào)到到達(dá)穩(wěn)態(tài)的變化全過程，包括離預(yù)期值的振蕩和過渡時(shí)間。反例：高射炮射角隨動(dòng)系統(tǒng)，值的振蕩和過渡時(shí)間。反例：高射炮射角隨動(dòng)系統(tǒng)，雖然炮身最終能跟蹤目標(biāo)，但如果目標(biāo)變動(dòng)迅速，雖然炮身最終能跟蹤目標(biāo)，但如果目標(biāo)變動(dòng)迅速，而炮身行動(dòng)遲緩，仍然抓不住目標(biāo)而炮身行動(dòng)遲緩，仍然抓不住目標(biāo)20課程主要任務(wù)課程主要任務(wù)l分析和設(shè)計(jì)反饋?zhàn)詣?dòng)控制