自動(dòng)控制理論第1章緒論

1、1第1章 緒論2w If necessity is the mother of invention, discontent is the father of progress.w 如果需要是發(fā)明之母如果需要是發(fā)明之母, ,不滿(mǎn)足就是進(jìn)步之父不滿(mǎn)足就是進(jìn)步之父 。洛克菲勒洛克菲勒31.11.1課程的性質(zhì)和特點(diǎn)課程的性質(zhì)和特點(diǎn)w 自動(dòng)控制是一門(mén)技術(shù)學(xué)科，從方法論的角度來(lái)研究系統(tǒng)的建立、分析與設(shè)計(jì)。w 自動(dòng)控制原理是本學(xué)科的重要的技術(shù)基礎(chǔ)課 (1) 自動(dòng)控制理論的基礎(chǔ)課程 ，該課程與其它課程的關(guān)系。自動(dòng)控制理論電機(jī)與拖動(dòng)模擬電子技術(shù)線(xiàn)性代數(shù)微積分（含微分方程）復(fù)變函數(shù)、拉普拉斯變換電路理論大學(xué)物理（

2、力學(xué)、熱力學(xué)）信號(hào)與系統(tǒng)41.2自動(dòng)控制的基本概念w 自動(dòng)控制自動(dòng)控制：在在沒(méi)有人直接參與沒(méi)有人直接參與的情況下，利用的情況下，利用外外加的設(shè)備（裝置）加的設(shè)備（裝置），使，使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程的的某個(gè)某個(gè)工作狀態(tài)（參數(shù)）工作狀態(tài)（參數(shù)）自動(dòng)的按自動(dòng)的按預(yù)定的規(guī)律預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行運(yùn)行。w 反饋(feedback)：將輸出量通過(guò)一定的方式送回到輸入端，并與輸入信號(hào)比較產(chǎn)生偏差信號(hào)過(guò)程稱(chēng)為反饋w 負(fù)反饋(negative feedback)：輸入信號(hào)-反饋信號(hào)（或輸出信號(hào)）使得系統(tǒng)的輸出偏差減小w 正反饋（positive feedback)：輸入信號(hào)+反饋信號(hào)w 反饋控制(f

3、eedback control)、閉環(huán)控制(closed-loop control)w 按偏差進(jìn)行控制51.2自動(dòng)控制的基本概念開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng): :系統(tǒng)的輸出端與輸入端不存在反饋回系統(tǒng)的輸出端與輸入端不存在反饋回路路，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61.2自動(dòng)控制的基本概念w 閉環(huán)環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)環(huán)控制系統(tǒng)：系統(tǒng)輸出信號(hào)與測(cè)量元件之間系統(tǒng)輸出信號(hào)與測(cè)量元件之間存在反饋回路存在反饋回路。 “閉環(huán)”這個(gè)術(shù)語(yǔ)的含義，就是將輸出信號(hào)通過(guò)測(cè)量元件反饋到系統(tǒng)的輸入端，通過(guò)比較、控制來(lái)減小

4、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7手臂,手人眼輸入信號(hào)大腦人眼輸出信號(hào)用自動(dòng)裝置代替人工操作閉環(huán)控制8調(diào)壓器溫度計(jì)電熱絲爐子220人工閉環(huán)控制人工閉環(huán)控制9 控制目標(biāo)：控制目標(biāo)：要求爐子的溫度恒定在期望的數(shù)值上。要求爐子的溫度恒定在期望的數(shù)值上。 控制過(guò)程：控制過(guò)程：輸入信號(hào)（期望爐溫）輸出信號(hào)（實(shí)際爐溫）腦（計(jì)算、比較）放大、執(zhí)行（手臂、手）被控對(duì)象（電熱絲、爐子）測(cè)量（眼睛）人工閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)框圖人工閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)框圖10自動(dòng)控制自動(dòng)控制11buu+_實(shí)際溫度電壓放大器功率放大器爐子熱電偶電機(jī)、減速器、調(diào)壓器期望溫度ru自動(dòng)控制框圖自動(dòng)控制框圖12閉環(huán)控制

5、一般形式閉環(huán)控制一般形式一般的形式一般的形式 輸入信號(hào)輸出信號(hào)放大比較執(zhí)行被控對(duì)象測(cè)量輸入信號(hào)輸入信號(hào)系統(tǒng)控制目標(biāo)的反映系統(tǒng)控制目標(biāo)的反映控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)主要完成對(duì)有關(guān)信號(hào)的變換、處理，發(fā)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。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)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)系統(tǒng)的控制結(jié)果，反映了被控對(duì)象的運(yùn)行狀行狀 13飛機(jī)示意圖飛機(jī)示意圖14飛機(jī)方塊圖飛機(jī)方塊圖給給定定裝裝置置放放大大器器舵機(jī)舵機(jī)飛機(jī)飛機(jī) 反饋電反饋電位器位器 垂直垂直陀螺儀陀螺儀0擾動(dòng)擾動(dòng)俯仰角控制系統(tǒng)方塊圖俯仰角控制系統(tǒng)方塊圖151.3 1.3 自動(dòng)控

6、制理論的發(fā)展自動(dòng)控制理論的發(fā)展1 1、經(jīng)典控制理論、經(jīng)典控制理論 研究的主要對(duì)象是單輸入、單輸出單變量系統(tǒng)。如：調(diào)節(jié)電壓改變電機(jī)的速度；調(diào)整方向盤(pán)改變汽車(chē)的運(yùn)動(dòng)軌跡等。2 2、現(xiàn)代控制理論、現(xiàn)代控制理論 研究的主要對(duì)象是多輸入、多輸出多變量系統(tǒng)。如，汽車(chē)看成是一個(gè)具有兩個(gè)輸入（駕駛盤(pán)和加速踏板）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16經(jīng)典控制理論與現(xiàn)代控制理論比較經(jīng)典控制理論與現(xiàn)代控制理論比較項(xiàng)目經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論研究對(duì)象線(xiàn)性定常系統(tǒng)（單輸入、單輸出）線(xiàn)性、非線(xiàn)性、定常、時(shí)變系統(tǒng)（多輸入、多輸出）描述方法傳遞函數(shù)（輸入、輸出描述）向量空間（狀態(tài)

7、空間描述）研究辦法根軌跡法和頻率法狀態(tài)空間法研究目標(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)17自動(dòng)控制理論發(fā)展簡(jiǎn)史w 1769年：James Watt發(fā)明飛球調(diào)節(jié)器，用來(lái)控制蒸汽機(jī)的轉(zhuǎn)速w 1868年：J. C. Maxwell發(fā)表調(diào)速器，提出反饋控制的概念及穩(wěn)定性條件w 1884年：E. J. Routh提出勞斯穩(wěn)定性判據(jù)w 1892年：A. M. Lyapunov提出李雅普諾夫穩(wěn)定性理論w 1895年：A. Hurwifz提出赫爾維茨穩(wěn)定性判據(jù)18w 1932年：H. Nyquist提出奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)w 1945年：H. W. Bo

8、de提出反饋放大器的一般設(shè)計(jì)方法w 1948年：N. Wiener發(fā)表控制論，標(biāo)志經(jīng)典控制理論基本形成w 1950年：W. R. Evans提出根軌跡法，并應(yīng)用于反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)w 1954年：錢(qián)學(xué)森發(fā)表工程控制論自動(dòng)控制理論發(fā)展簡(jiǎn)史19w 1956年：蓬特里亞金（Pontryagin）提出極大值原理w 1957年：R. I. Bellman提出動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論w 1960年：R. E. Kalman提出卡爾曼濾波理論w 19601980年：確定性系統(tǒng)的最優(yōu)控制、隨機(jī)系統(tǒng)的最優(yōu)控制、復(fù)雜系統(tǒng)的自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)控制w 1980迄今：魯棒控制、H控制、非線(xiàn)性控制、智能控制等自動(dòng)控制理論發(fā)展簡(jiǎn)史201.

9、41.4自動(dòng)控制系統(tǒng)的類(lèi)型自動(dòng)控制系統(tǒng)的類(lèi)型w自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)特征：輸入信號(hào)為常數(shù)特征：輸入信號(hào)為常數(shù)典型系統(tǒng)：液位、溫度、壓力、流量控制典型系統(tǒng)：液位、溫度、壓力、流量控制w程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)特征：輸入信號(hào)為預(yù)知的隨時(shí)間變化函數(shù)特征：輸入信號(hào)為預(yù)知的隨時(shí)間變化函數(shù)典型系統(tǒng)：熱處理爐控制系統(tǒng)、鏡片固化爐溫度典型系統(tǒng)：熱處理爐控制系統(tǒng)、鏡片固化爐溫度控制、程序控制機(jī)床、灌裝生產(chǎn)線(xiàn)、自動(dòng)生產(chǎn)流水控制、程序控制機(jī)床、灌裝生產(chǎn)線(xiàn)、自動(dòng)生產(chǎn)流水線(xiàn)。線(xiàn)。w隨動(dòng)系統(tǒng)（伺服控制系統(tǒng)）隨動(dòng)系統(tǒng)（伺服控制系統(tǒng)）特征：輸入信號(hào)未知的隨時(shí)間變化任意函數(shù)特征：輸入信號(hào)未知的隨時(shí)間變化任意函數(shù)典型系統(tǒng)：魚(yú)雷

10、飛行、炮瞄雷達(dá)、火炮自動(dòng)瞄準(zhǔn)典型系統(tǒng)：魚(yú)雷飛行、炮瞄雷達(dá)、火炮自動(dòng)瞄準(zhǔn)、導(dǎo)彈制導(dǎo)。、導(dǎo)彈制導(dǎo)。21按描述元件的動(dòng)態(tài)方程分類(lèi)按描述元件的動(dòng)態(tài)方程分類(lèi)w線(xiàn)性系統(tǒng)線(xiàn)性系統(tǒng)特征：元件是線(xiàn)性的、系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程可用線(xiàn)性特征：元件是線(xiàn)性的、系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程可用線(xiàn)性微分方程或差分方程描述微分方程或差分方程描述w非線(xiàn)性系統(tǒng)非線(xiàn)性系統(tǒng)特征：系統(tǒng)中含有至少一個(gè)非線(xiàn)性元件、系統(tǒng)特征：系統(tǒng)中含有至少一個(gè)非線(xiàn)性元件、系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程需用非線(xiàn)性方程或差分方程描述運(yùn)動(dòng)方程需用非線(xiàn)性方程或差分方程描述典型非線(xiàn)性：飽和、死區(qū)、繼電器、傳動(dòng)間隙典型非線(xiàn)性：飽和、死區(qū)、繼電器、傳動(dòng)間隙22按系統(tǒng)傳遞的信號(hào)分類(lèi)按系統(tǒng)傳遞的信號(hào)分類(lèi)w連續(xù)系統(tǒng)連續(xù)

11、系統(tǒng)特征：系統(tǒng)各環(huán)節(jié)之間傳遞的信號(hào)均為時(shí)間的連特征：系統(tǒng)各環(huán)節(jié)之間傳遞的信號(hào)均為時(shí)間的連續(xù)函數(shù)，一般用微分方程描述。續(xù)函數(shù)，一般用微分方程描述。w離散系統(tǒng)離散系統(tǒng)特征：在信號(hào)傳遞過(guò)程中，至少有一處的信號(hào)是特征：在信號(hào)傳遞過(guò)程中，至少有一處的信號(hào)是脈沖序列或數(shù)字編碼。脈沖序列或數(shù)字編碼。23按輸入輸出信號(hào)數(shù)量分類(lèi)按輸入輸出信號(hào)數(shù)量分類(lèi)w單輸入單輸出系統(tǒng)（單變量系統(tǒng)）單輸入單輸出系統(tǒng)（單變量系統(tǒng)）特征：輸入輸出變量?jī)H有一個(gè)。特征：輸入輸出變量?jī)H有一個(gè)。w多輸入多輸出系統(tǒng)多輸入多輸出系統(tǒng)特征：輸入輸出變量多于一個(gè)特征：輸入輸出變量多于一個(gè)。24按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)的確定性分類(lèi)按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)的確定性分類(lèi)

12、w確定系統(tǒng)確定系統(tǒng)特征：系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)是確定的、已知的，系特征：系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)是確定的、已知的，系統(tǒng)的輸入信號(hào)也是確定的，可以用解析式或圖統(tǒng)的輸入信號(hào)也是確定的，可以用解析式或圖表確切表示。表確切表示。w不確定系統(tǒng)不確定系統(tǒng)特征：系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)是不確定的或，系統(tǒng)的特征：系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)是不確定的或，系統(tǒng)的輸入信號(hào)是不確定的。輸入信號(hào)是不確定的。 25按系統(tǒng)微分方程分類(lèi)按系統(tǒng)微分方程分類(lèi)w集中參數(shù)系統(tǒng)集中參數(shù)系統(tǒng)特征：能用常微分方程描述特征：能用常微分方程描述w分布參數(shù)系統(tǒng)分布參數(shù)系統(tǒng)特征：至少有一個(gè)環(huán)節(jié)需要用偏微分方程特征：至少有一個(gè)環(huán)節(jié)需要用偏微分方程描述。描述。261.5對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)基本要求穩(wěn)定性穩(wěn)定性 是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件 線(xiàn)性控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性由系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)與參線(xiàn)性控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性由系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)與參數(shù)所數(shù)所 決定的，與外部條件無(wú)關(guān)。決定的，與外部條件無(wú)關(guān)?？焖傩钥焖傩?是系統(tǒng)在穩(wěn)定的條件下，衡量系統(tǒng)過(guò)渡是系統(tǒng)在穩(wěn)定的條件下，衡量系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的形式和快慢，通常稱(chēng)為過(guò)程的形式和快慢，通常稱(chēng)為“系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能”。 過(guò)渡過(guò)程時(shí)間、超調(diào)量過(guò)渡過(guò)程時(shí)間、超調(diào)量準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性 是在系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程結(jié)束后，衡量系統(tǒng)輸出是在系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程結(jié)束后，衡量系統(tǒng)輸出（被控量）達(dá)到的穩(wěn)態(tài)值與