浙大_控制理論甲課件_第一章_顏文俊

1、College of BEISZhejiang University1第一章 概論Automatic Control Theory黃軼倫 主講生物醫(yī)學(xué)工程與儀器科學(xué)學(xué)ollege of BEISZhejiang University2第一章 概論q 信號是消息的表現(xiàn)形式，通常體現(xiàn)為隨若干變量而變化的某種物理量。在數(shù)學(xué)上，可以描述為一個或多個獨立變量的函數(shù)。q 信息通過信號表現(xiàn)，信號蘊含著信息的具體內(nèi)容。q 信號廣泛地出現(xiàn)在各個領(lǐng)域中，以各種各樣的表現(xiàn)形式攜帶著特定的消息。什么是信號？什么是信號？College of BEISZhejiang University3第一

2、章 概論q 系統(tǒng)是由若干相互作用和相互依賴的事物組合而成的具有特定功能的整體。q 通常，利用通信系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和計算機系統(tǒng)進行信號的傳輸、交換與處理。實際上，往往需要將多種系統(tǒng)共同組成一個綜合性的復(fù)雜整體。如宇宙航行系統(tǒng)。什么是系統(tǒng)？什么是系統(tǒng)？College of BEISZhejiang University什么是系統(tǒng)模型？什么是系統(tǒng)模型？ 所謂系統(tǒng)模型是指對實際系統(tǒng)基本特性的一種抽象描述。 根據(jù)不同需要，系統(tǒng)模型往往具有不同形式。以電系統(tǒng)為例，它可以是由理想元器件互聯(lián)組成的電路圖，由基本運算單元(如加法器、乘法器、積分器等)構(gòu)成的模擬框圖，或者由節(jié)點、傳輸支路組成的信號流圖；也可以是在上

3、述電路圖、模擬框圖或信號流圖的基礎(chǔ)上，按照一定規(guī)則建立的用于描述系統(tǒng)特性的數(shù)學(xué)方程。 這種數(shù)學(xué)方程也稱為系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。 College of BEISZhejiang University 如果系統(tǒng)只有單個輸入和單個輸出信號，則稱為單輸入單輸出系統(tǒng)，如圖所示。如果含有多個輸入、輸出信號， 就稱為多輸入多輸出系統(tǒng) 。單輸入單輸出系統(tǒng) 單 輸 入 單 輸 出系 統(tǒng)y( )f ( )College of BEISZhejiang University多輸入多輸出系統(tǒng) 多 輸 入 多 輸 出系 統(tǒng)y1( )f1( )f2( )fp( )y2( )yq( )College of BEISZhejian

4、g Universityq 研究系統(tǒng)所關(guān)心的問題是：對于給定信號形式與傳輸、處理的要求，系統(tǒng)能否與其相匹配，它應(yīng)具有怎樣的功能和特性。系統(tǒng)的研究內(nèi)容系統(tǒng)的研究內(nèi)容College of BEISZhejiang Universityq 離開了信號，系統(tǒng)將失去意義。q 信號作為待傳輸消息的表現(xiàn)形式，可以看作運載消息的工具。q 系統(tǒng)則是為傳送信號或?qū)π盘栠M行加工處理而構(gòu)成的某種組合。信號與系統(tǒng)的關(guān)系信號與系統(tǒng)的關(guān)系College of BEISZhejiang University在系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)理論研究中，進行與（網(wǎng)絡(luò)分析與網(wǎng)絡(luò)綜合）兩方面。：研究在給定系統(tǒng)的條件下，系統(tǒng)對于輸入激勵信號所產(chǎn)生的輸出響

5、應(yīng)。：按某種需要先提出對于給定激勵的響應(yīng)，而后根據(jù)此要求設(shè)計（綜合）系統(tǒng)。分析與綜合二者關(guān)系密切，但又有各自的體系和研究方法，一般講，學(xué)習分析是學(xué)習綜合的基礎(chǔ)。系統(tǒng)的研究問題方法系統(tǒng)的研究問題方法College of BEISZhejiang University10第一章 概論q 什么是控制？什么是控制？ 掌握住對象，不使其任意活動或超出范圍，或使其按照控制者的掌握住對象，不使其任意活動或超出范圍，或使其按照控制者的意愿活動。意愿活動。q 什么是自動控制？什么是自動控制？ 在沒有人直接參與的條件下，利用控制裝置使被控對象按照預(yù)定在沒有人直接參與的條件下，利用控制裝置使被控對象按照預(yù)定的技術(shù)要

6、求進行工作。的技術(shù)要求進行工作。 q 什么是自動控制系統(tǒng)？什么是自動控制系統(tǒng)？ 指能夠完成自動控制任務(wù)的設(shè)備，一般由控制裝置和被控對象組指能夠完成自動控制任務(wù)的設(shè)備，一般由控制裝置和被控對象組成。成。College of BEISZhejiang University11第一章 概論q 被控對象被控對象 ：指需要給以控制的機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程。被控對象：指需要給以控制的機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程。被控對象是控制系統(tǒng)的主體，例如火箭、鍋爐、機器人、電冰箱等。是控制系統(tǒng)的主體，例如火箭、鍋爐、機器人、電冰箱等。q 控制裝置控制裝置 ：指對被控對象起控制作用的設(shè)備總體。：指對被控對象起控制作用的設(shè)備總體。

7、 q 被控量被控量 ：指被控對象中要求保持給定值、要按給定規(guī)律變化的物：指被控對象中要求保持給定值、要按給定規(guī)律變化的物理量。被控量又稱輸出量、輸出信號理量。被控量又稱輸出量、輸出信號 。q 給定值給定值 ：是作用于自動控制系統(tǒng)的輸入端并作為控制依據(jù)的物理：是作用于自動控制系統(tǒng)的輸入端并作為控制依據(jù)的物理量。給定值又稱輸入信號、輸入指令、參考輸入。量。給定值又稱輸入信號、輸入指令、參考輸入。q 反饋量反饋量 ：由被控量通過反饋元件所產(chǎn)生的信號，它是被控量的函：由被控量通過反饋元件所產(chǎn)生的信號，它是被控量的函數(shù)。數(shù)。q 干擾量干擾量 ：除給定值之外，凡能引起被控量變化的信號，都是干擾。：除給定值

8、之外，凡能引起被控量變化的信號，都是干擾。干擾又稱擾動。干擾又稱擾動。College of BEISZhejiang University12第一章 概論給定值：給定值：水位希望值水位希望值控制任務(wù)：控制任務(wù)：使水位等于希望值使水位等于希望值被控量：水位反饋元件：手指反饋量：水位執(zhí)行元件：右手被控對象：水箱系統(tǒng)比較器、控制元件：大腦College of BEISZhejiang University13第一章 概論大 腦右 手閥 門水 箱水 箱 系 統(tǒng)左 手 手 指水 位干 擾College of BEISZhejiang University14第一章 概論q 在此例中，控制任務(wù)、被控對象、

9、給定量、被控量都與前一個例在此例中，控制任務(wù)、被控對象、給定量、被控量都與前一個例子相同，浮子代替了手指成為反饋元件（測量元件），氣動閥門子相同，浮子代替了手指成為反饋元件（測量元件），氣動閥門代替手臂成為執(zhí)行元件，控制器則完成了人大腦的工作，這樣就代替手臂成為執(zhí)行元件，控制器則完成了人大腦的工作，這樣就組成了一個自動控制系統(tǒng)。組成了一個自動控制系統(tǒng)。控控制制器器氣氣動動閥閥門門流流入入Q Q1 1浮浮子子水水箱箱流流出出 Q Q2 2H H控控制制器器氣氣動動閥閥門門流流入入Q Q1 1浮浮子子水水箱箱流流出出 Q Q2 2H HCollege of BEISZhejiang Univers

10、ity15第一章 概論控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器水箱系統(tǒng)水箱系統(tǒng)反饋元件反饋元件Q2給定給定Q1反饋反饋控制控制擾動擾動控 制 器控 制 器氣 動 閥 門氣 動 閥 門流 入流 入Q1Q1浮 子浮 子水 箱水 箱流 出流 出Q2Q2H H控 制 器控 制 器氣 動 閥 門氣 動 閥 門流 入流 入Q1Q1浮 子浮 子水 箱水 箱流 出流 出Q2Q2H HCollege of BEISZhejiang University16第一章 概論q 開環(huán)控制開環(huán)控制 按給定量控制按給定量控制 按干擾量控制按干擾量控制q 閉環(huán)控制閉環(huán)控制q 復(fù)合控制復(fù)合控制 按偏差控制按偏差控制+按干擾補償控制按干擾補償控

11、制 按偏差控制按偏差控制+按給定補償控制按給定補償控制College of BEISZhejiang University17第一章 概論q 系統(tǒng)的輸出端與輸入端之間不存在反饋回路，輸出量對系統(tǒng)的控系統(tǒng)的輸出端與輸入端之間不存在反饋回路，輸出量對系統(tǒng)的控制作用沒有影響。制作用沒有影響。擾動擾動輸出量輸出量輸入量輸入量控制裝置控制裝置受控對象受控對象按給定量控制按給定量控制特點：控制裝置只接受給定值來控制受控對象的被控量。特點：控制裝置只接受給定值來控制受控對象的被控量。優(yōu)點：控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，相對來說成本低。優(yōu)點：控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，相對來說成本低。缺點：對可能出現(xiàn)的被控量偏離給定值的偏差沒有任

12、何修正能力，抗干擾能缺點：對可能出現(xiàn)的被控量偏離給定值的偏差沒有任何修正能力，抗干擾能力差，控制精度不高。力差，控制精度不高。College of BEISZhejiang University18第一章 概論溫度計溫度計 加熱電阻絲加熱電阻絲調(diào)壓器調(diào)壓器u(a) 原理圖原理圖220V輸出量輸出量 (手柄位置手柄位置)輸入量輸入量 調(diào)壓器調(diào)壓器 加熱加熱 電阻絲電阻絲 電爐電爐 恒溫箱恒溫箱 受控對象受控對象( (溫度溫度) )擾動量擾動量(b) 方塊圖方塊圖控制裝置控制裝置College of BEISZhejiang University19第一章 概論q 按干擾量控制：利用干擾信號產(chǎn)生控

13、制作用，以及時補償干擾對按干擾量控制：利用干擾信號產(chǎn)生控制作用，以及時補償干擾對被控量的直接影響。也稱被控量的直接影響。也稱前饋控制前饋控制。特點：只能對可測干擾進行補償，不可測干擾以及受控對象、各功能部特點：只能對可測干擾進行補償，不可測干擾以及受控對象、各功能部件內(nèi)部參數(shù)變化對被控量的影響，系統(tǒng)自身無法控制。適用于存在強干件內(nèi)部參數(shù)變化對被控量的影響，系統(tǒng)自身無法控制。適用于存在強干擾且變化比較劇烈的場合。擾且變化比較劇烈的場合?？刂蒲b置控制對象給定量干擾量輸出量College of BEISZhejiang University20第一章 概論(a) 原理圖原理圖杠桿閥門l1水箱水位高度

14、H干擾(Q2或l2)(b) 框圖框圖College of BEISZhejiang University21第一章 概論q 閉環(huán)控制：通過計算被控量和給定值的差值來控制被控對象。閉環(huán)控制：通過計算被控量和給定值的差值來控制被控對象。優(yōu)點：可以自動調(diào)節(jié)由于干擾和內(nèi)部參數(shù)的變化而引起的變動。優(yōu)點：可以自動調(diào)節(jié)由于干擾和內(nèi)部參數(shù)的變化而引起的變動。 參考輸入元件控制元件執(zhí)行元件被控對象反饋元件主反饋b(t)e(t)偏差+被控量擾動n(t)c(t)College of BEISZhejiang University22第一章 概論q 反饋反饋(feedback)：將輸出量通過一定的方式送回到輸入端，并

15、與將輸出量通過一定的方式送回到輸入端，并與輸入信號比較產(chǎn)生偏差信號過程稱為反饋輸入信號比較產(chǎn)生偏差信號過程稱為反饋q 負反饋負反饋(negative feedback)：輸入信號輸入信號-反饋信號（或輸出信號）反饋信號（或輸出信號）使得系統(tǒng)的輸出偏差減小使得系統(tǒng)的輸出偏差減小q 正反饋（正反饋（positive feedback)：輸入信號輸入信號+反饋信號（或輸出信號）反饋信號（或輸出信號）使得系統(tǒng)的輸出偏差增大使得系統(tǒng)的輸出偏差增大閉環(huán)控制方式控制精度較高，因為無論是干擾的作用，還是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參閉環(huán)控制方式控制精度較高，因為無論是干擾的作用，還是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化，只要被控量偏離給定值，系統(tǒng)

16、就會自行糾偏。但是，如果引數(shù)的變化，只要被控量偏離給定值，系統(tǒng)就會自行糾偏。但是，如果引入不適當?shù)姆答仯缯答?，或者參?shù)匹配得不好，會造成被控量的較入不適當?shù)姆答?，如正反饋，或者參?shù)匹配得不好，會造成被控量的較大擺動，甚至系統(tǒng)無法正常工作。大擺動，甚至系統(tǒng)無法正常工作。College of BEISZhejiang University23第一章 概論給定電位器給定電位器電動機電動機UrUaUtT工件工件燃油燃油爐爐混合器混合器閥門閥門空氣空氣燃油燃油Q熱電偶熱電偶爐溫控制系統(tǒng)爐溫控制系統(tǒng)電位器電位器電動機電動機燃油爐燃油爐與與T對應(yīng)的對應(yīng)的給定阻值給定阻值工件溫度等工件溫度等t熱電偶熱電偶

17、閥門閥門UUa混合器混合器nQ放大器放大器放大器放大器UUt被控對象被控對象T:給定溫度給定溫度 t:被控量被控量控制器控制器測測量量變變送送裝裝置置College of BEISZhejiang University24第一章 概論舵輪隨動系統(tǒng)舵輪隨動系統(tǒng) 電位器電位器舵輪舵輪UrUc Ua U舵舵減速器減速器cABr電位器電位器A比較放大比較放大干擾力矩干擾力矩n電位器電位器B電動機電動機減速裝置減速裝置UcUr舵舵Urc被控對象被控對象輸輸入入設(shè)設(shè)定定裝裝置置控制器控制器比較放大裝置比較放大裝置College of BEISZhejiang University25第一章 概論q 復(fù)合控

18、制就是開環(huán)控制和閉環(huán)控制相結(jié)合的一種控制。實質(zhì)上，復(fù)合控制就是開環(huán)控制和閉環(huán)控制相結(jié)合的一種控制。實質(zhì)上，它是在閉環(huán)控制回路的基礎(chǔ)上，附加了一個輸入信號或擾動作用它是在閉環(huán)控制回路的基礎(chǔ)上，附加了一個輸入信號或擾動作用的前饋通路，來提高系統(tǒng)的控制精度。的前饋通路，來提高系統(tǒng)的控制精度。按偏差控制按偏差控制+按干擾補償控制按干擾補償控制控制裝置受控裝置C(t)R(t)補償裝置n(t)按偏差控制按偏差控制+按給定補償控制按給定補償控制控制裝置受控裝置C(t)R(t)補償裝置College of BEISZhejiang University26第一章 概論水溫控制系統(tǒng)水溫控制系統(tǒng)工作原理：工作原理

19、：溫度傳感器不斷測量交換器出口處的實際水溫，并在溫度控制器中溫度傳感器不斷測量交換器出口處的實際水溫，并在溫度控制器中與給定溫度相比較，若低于給定溫度，其偏差值使蒸汽閥門開大，進入熱交換與給定溫度相比較，若低于給定溫度，其偏差值使蒸汽閥門開大，進入熱交換器的蒸汽量加大，熱水溫度升高，直至偏差為零。如果由于某種原因，冷水流器的蒸汽量加大，熱水溫度升高，直至偏差為零。如果由于某種原因，冷水流量加大，則流量值由流量計測得，通過溫度控制器，開大閥門，使蒸汽量增加量加大，則流量值由流量計測得，通過溫度控制器，開大閥門，使蒸汽量增加，提前進行控制，實現(xiàn)按冷水流量進行順饋補償，保證熱交換器出口的水溫不，提前

20、進行控制，實現(xiàn)按冷水流量進行順饋補償，保證熱交換器出口的水溫不發(fā)生大的波動。發(fā)生大的波動。College of BEISZhejiang University27第一章 概論溫度控制器閥門熱交換器流量計溫度傳感器冷水流量熱水流量給定溫度College of BEISZhejiang University28第一章 概論按控制方式分按控制方式分按被控對象分按被控對象分按系統(tǒng)性能分按系統(tǒng)性能分按給定值變化規(guī)律分按給定值變化規(guī)律分按系統(tǒng)功用分按系統(tǒng)功用分按給定值操縱的開環(huán)控制按給定值操縱的開環(huán)控制按干擾補償?shù)拈_環(huán)控制按干擾補償?shù)拈_環(huán)控制按偏差調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制按偏差調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制復(fù)合控制：閉環(huán)反饋為主，

21、開環(huán)補償為輔復(fù)合控制：閉環(huán)反饋為主，開環(huán)補償為輔恒值系統(tǒng)恒值系統(tǒng) 隨動系統(tǒng)隨動系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)運動控制系統(tǒng)運動控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)壓力控制系統(tǒng)壓力控制系統(tǒng)位置控制系統(tǒng)位置控制系統(tǒng)線性線性/ /非線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)連續(xù)連續(xù)/ /離散性系統(tǒng)離散性系統(tǒng)定常定常/ /時變性系統(tǒng)時變性系統(tǒng)確定確定/ /不確定系統(tǒng)不確定系統(tǒng)College of BEISZhejiang University29第一章 概論q 穩(wěn)定性穩(wěn)定性q 快速性快速性q 準確性準確性穩(wěn)定性就是指動態(tài)過程的振蕩傾向和系統(tǒng)能夠恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力。穩(wěn)定性就是指動態(tài)過程的振蕩傾向和系統(tǒng)能夠恢復(fù)平

22、衡狀態(tài)的能力。輸出量偏離平衡狀態(tài)后應(yīng)該隨著時間收斂并且最后回到初始的平衡狀輸出量偏離平衡狀態(tài)后應(yīng)該隨著時間收斂并且最后回到初始的平衡狀態(tài)。穩(wěn)定性的要求是系統(tǒng)工作的首要條件。態(tài)。穩(wěn)定性的要求是系統(tǒng)工作的首要條件。快速性是指當系統(tǒng)輸出量與給定的輸入量之間產(chǎn)生偏差時，消除這種快速性是指當系統(tǒng)輸出量與給定的輸入量之間產(chǎn)生偏差時，消除這種偏差的快速程度。它是在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下提出的。它是反映暫態(tài)響偏差的快速程度。它是在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下提出的。它是反映暫態(tài)響應(yīng)的一個指標。應(yīng)的一個指標。準確性是指在調(diào)整過程結(jié)束后輸出量與線路定的輸入量之間的偏差，準確性是指在調(diào)整過程結(jié)束后輸出量與線路定的輸入量之間的偏差，或稱為靜態(tài)精度。它是反映系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的一個性