華理自動(dòng)控制原理生課件1-8章

1、自動(dòng)控制原理侍洪波 電 話：辦 公 室： 實(shí)驗(yàn)15樓204室E-mail教學(xué)參考書田玉平. 自動(dòng)控制原理(第二版), 科學(xué)出版社,2006, ISBN 7-03-017427-5胡壽松. 自動(dòng)控制原理(第四版),科學(xué)出版社,2001, ISBN 7-03-008881-6李友善.自動(dòng)控制原理(第三版), 國防工業(yè)出版社,2005, ISBN 7-118-03692-7 tiger08第一章 緒論1.1 引言1）自動(dòng)控制 在無人直接參與的情況下，利用控制裝置，使工作機(jī)械、或生產(chǎn)過程(被控對象)的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)(被控量)按預(yù)定的規(guī)律(給定量)運(yùn)行。18世紀(jì)瓦特設(shè)計(jì)蒸汽機(jī)速度自動(dòng)控制自動(dòng)控制技術(shù)

2、廣泛應(yīng)用2) 自動(dòng)控制理論 是研究自動(dòng)控制系統(tǒng)組成，進(jìn)行系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)的一般性理論 是研究自動(dòng)控制過程共同規(guī)律的技術(shù)學(xué)科3) 自動(dòng)控制系統(tǒng) 是指實(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。4)自動(dòng)控制理論的發(fā)展經(jīng)典控制理論(19世紀(jì)初) 時(shí)域法 復(fù)域法 (根軌跡法) 頻域法 現(xiàn)代控制理論(20世紀(jì)60年代) 線性系統(tǒng) 自適應(yīng)控制 最優(yōu)控制 魯棒控制 最佳估計(jì) 容錯(cuò)控制 系統(tǒng)辨識 大系統(tǒng)復(fù)雜系統(tǒng)智能控制理論(20世紀(jì)70年代) 專家系統(tǒng) 模糊控制 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 遺傳算法 以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)的經(jīng)典控制理論，研究的主要對象是單輸入-單輸出的單變量、線性定常系統(tǒng)。 如：調(diào)節(jié)電壓改變

3、電機(jī)的速度；調(diào)整方向盤改變汽車的運(yùn)動(dòng)軌跡等。 經(jīng)典控制理論 現(xiàn)代控制理論 以狀態(tài)空間模型為基礎(chǔ)，研究的主要對象是多輸入-多輸出的多變量、變參數(shù)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)展經(jīng)典控制理論與現(xiàn)代控制理論比較經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論研究對象線性定常系統(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）描述方法傳遞函數(shù)（輸入、輸出描述）向量空間（狀態(tài)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

4、優(yōu)控制與設(shè)計(jì)大系統(tǒng)控制理論 是一種控制與信息處理相結(jié)合的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)工程理論，研究的對象具有規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能綜合、目標(biāo)多樣、因素眾多等特點(diǎn)。它是一個(gè)多輸入、多輸出、多干擾、多變量的系統(tǒng)。 如：人體，我們就可以看作為一個(gè)大系統(tǒng)，其中有體溫的控制、情感的控制、人體血液中各種成分的控制等等。 大系統(tǒng)控制理論目前仍處于發(fā)展階段。智能控制 基于人工智能技術(shù)應(yīng)用，在近年來新發(fā)展起來的一種控制技術(shù)，它的指導(dǎo)思想是依據(jù)人的思維方式和處理問題的技巧，解決那些目前需要人的智能才能解決的復(fù)雜的控制問題。 它是一門新興的控制學(xué)科，能運(yùn)用人們的經(jīng)驗(yàn)與技巧解決許多以往控制中難以解決的棘手問題(如建模等)，因此得到了人

5、們極大的重視。 1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的構(gòu)成 控制目標(biāo)：要求爐子的溫度恒定在期望的數(shù)值上。 控制過程：溫控系統(tǒng)-人工控制溫控系統(tǒng)-自動(dòng)控制負(fù)反饋原理 將系統(tǒng)的輸出信號引回輸入端，與輸入信號相比較，利用所得的偏差信號進(jìn)行控制，達(dá)到減小偏差、消除偏差的目的。 閉環(huán)控制系統(tǒng)的核心 閉環(huán)(反饋)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)： (1) 系統(tǒng)內(nèi)部存在反饋，信號流構(gòu)成閉回路 (2) 偏差起調(diào)節(jié)作用 自動(dòng)溫控控制系統(tǒng)構(gòu)成框圖控制系統(tǒng)的組成 被控對象控制系統(tǒng) 測量元件 比較元件 控制裝置 放大元件 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 校正裝置 給定元件名詞術(shù)語輸入信號 也叫參考輸入，給定量或給定值，它是控制著輸出 量變化規(guī)律的指令信號。輸出信號 是指被

6、控對象中要求按一定規(guī)律變化的物理量，又 稱被控量，它與輸入量之間保持一定的函數(shù)關(guān)系。反饋信號 由系統(tǒng)(或元件)輸出端取出并反向送回系統(tǒng)(或元 件)輸入端的信號稱為反饋信號。反饋有主反饋和 局部反饋之分。 名詞術(shù)語偏差信號 它是指參考輸入與主反饋信號之差。誤差信號 指系統(tǒng)輸出量的實(shí)際值與期望值之差，簡稱誤差。擾動(dòng)信號 簡稱擾動(dòng)或干擾，它與控制作用相反，是一種不 希望的、影響系統(tǒng)輸出的不利因素。擾動(dòng)信號既 可來自系統(tǒng)內(nèi)部，又可來自系統(tǒng)外部，前者稱內(nèi) 部擾動(dòng)，后者稱外部擾動(dòng)典型的反饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 1.3 自動(dòng)控制的基本方式(1) 反饋控制方式 按偏差進(jìn)行控制，具有抑制擾動(dòng)對被控量產(chǎn)生影響的能力和較

7、高的控制精度。自動(dòng)控制的基本方式(2)(2)開環(huán)控制方式 指控制裝置與被控對象之間只有順向作用而沒有反向聯(lián)系的控制過程。自動(dòng)控制的基本方式(3)(3)順饋控制方式 1.4 控制系統(tǒng)的分類(1)恒值(定值)控制系統(tǒng)和隨動(dòng)控制系統(tǒng) 恒值控制系統(tǒng)（或稱自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)、自動(dòng)鎮(zhèn)定系統(tǒng)）的 特點(diǎn)：輸入信號是一個(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。 恒值控制系統(tǒng)可看成輸入等于常值的過程控制系統(tǒng),系統(tǒng)反應(yīng)的靈敏性(慣性)問題非主要矛盾，主要考察抗干擾的問題。隨動(dòng)控制系統(tǒng) 系統(tǒng)的輸入量(控制量)是預(yù)先未知的隨時(shí)間任意變化的函數(shù)，要求被控量以盡可能小的誤差跟隨控制量的變化，故又稱為跟隨系

8、統(tǒng)。在隨動(dòng)系統(tǒng)中。擾動(dòng)的影響是次要的，系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是研究被控量跟隨的快速性和準(zhǔn)確性，系統(tǒng)靈敏性成為主要矛盾。 在隨動(dòng)系統(tǒng)中，如果被控量是機(jī)械位移或其導(dǎo)數(shù)時(shí)，這類系統(tǒng)稱之為伺服系統(tǒng)。(2)線性控制系統(tǒng)和非線性控制系統(tǒng)線性系統(tǒng) 組成系統(tǒng)的全部元件都是線性元件，它們的輸入-輸出的靜態(tài)特性均為線性，這類系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)可由常系數(shù)的微分方程（或差分方程）來描述。 疊加性質(zhì) 齊次性(比例)如果一個(gè)系統(tǒng)具有下列性質(zhì)： (1) 輸入x1(t)產(chǎn)生輸出 y1(t)； (2) 輸入x2(t)產(chǎn)生輸出y2(t) ； (3) 輸入c1x1(t)+c2x2(t)產(chǎn)生輸出c1y1(t)+c2y2(t) ；其中，x1(t

9、) 、x2(t) 是任意輸入信號，c1、c2是任意常數(shù)，則系統(tǒng)是線性系統(tǒng)。 疊加原理 在線性系統(tǒng)中，由 n個(gè)輸入xi(t) (i=1、2n）共同產(chǎn)生的 輸出y(t)，等于各個(gè)輸入xi(t)單獨(dú)產(chǎn)生的輸出之yi (t)和，即： 疊加原理與線性控制系統(tǒng)非線性系統(tǒng) 系統(tǒng)中含有一個(gè)或多個(gè)非線性元件，非線性元件的靜態(tài)輸入-輸出特性均為非線性的。凡含有非線性元件的系統(tǒng)均稱為非線性系統(tǒng)。系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)需要用非線性的微分方程或差分方程來描述。 (3)定常系統(tǒng)與時(shí)變系統(tǒng) 如果控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、參數(shù)在系統(tǒng)運(yùn)行過程中不隨時(shí)間變化，則稱為定常系統(tǒng)或者時(shí)不變系統(tǒng)，否則，稱為時(shí)變系統(tǒng)。(4)連續(xù)(時(shí)間)系統(tǒng)與離散(時(shí)間)系統(tǒng)

10、連續(xù)系統(tǒng) 系統(tǒng)中各部分的信號均是時(shí)間變量的連續(xù)函數(shù)，常微分方程形式離散系統(tǒng) 系統(tǒng)中的信號為脈沖序列或數(shù)碼形式，信號在時(shí)間上是離散的，差分方程形式反饋信號A/D 數(shù)字計(jì)算機(jī)被控對象反饋環(huán)節(jié)輸入信號誤差信號被控量D/A離散信號控制信號)(tr)(te)(tc)(1tu)(kTu)(kTe)(tf計(jì)算機(jī)采樣控制系統(tǒng)(5)集總參數(shù)系統(tǒng)與分布參數(shù)系統(tǒng)集總參數(shù)系統(tǒng) 描述系統(tǒng)的所有非獨(dú)立變量都可以假設(shè)是時(shí)間的單一函數(shù)，而不是空間位置的函數(shù)。常微分方程分布參數(shù)系統(tǒng) 系統(tǒng)變量是時(shí)間和幾何位置的函數(shù)，偏微分方程控制系統(tǒng)的分類*按給定信號的形式 恒值系統(tǒng)/隨動(dòng)系統(tǒng) *按系統(tǒng)是否滿足疊加原理 線性系統(tǒng)/非線性系統(tǒng)*按

11、系統(tǒng)參數(shù)是否隨時(shí)間變化 定常系統(tǒng)/時(shí)變系統(tǒng)*按信號傳遞的形式 連續(xù)系統(tǒng)/離散系統(tǒng)*按輸入輸出變量的多少 單變量系統(tǒng)/多變量系統(tǒng)*瞬間特性是否與空間分布特性相關(guān) 集總參數(shù)/分布參數(shù)1.5 控制系統(tǒng)的性能要求 通常將系統(tǒng)受到給定值或干擾信號作用后，控制被控量變化的全過程稱為系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程。 系統(tǒng)在外力作用下，輸出逐漸與期望值一致，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的，如曲線所示；反之，輸出如曲線所示，則系統(tǒng)是不穩(wěn)定的?？刂葡到y(tǒng)的性能要求工程上常從穩(wěn)、快、準(zhǔn)三個(gè)方面來評價(jià)控制系統(tǒng)。 穩(wěn)(穩(wěn)定性)： 指動(dòng)態(tài)過程的平穩(wěn)性。 快(瞬態(tài)性能)： 指動(dòng)態(tài)過程的快速性。 準(zhǔn)(穩(wěn)態(tài)性能)： 指動(dòng)態(tài)過程的最終精度。控制系統(tǒng)的性能要求控制

12、系統(tǒng)的性能要求(1)穩(wěn)定性 穩(wěn)定性是對系統(tǒng)的基本要求，不穩(wěn)定的系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)預(yù)定任務(wù)。(2)瞬態(tài)性能 對過渡過程的形式和快慢提出要求，一般又稱為動(dòng)態(tài)性能。過渡時(shí)間、超調(diào)量、振蕩次數(shù) 穩(wěn)和快反映了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程性能的好壞。既快又穩(wěn)，表明系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)精度高。(3)穩(wěn)態(tài)性能 用穩(wěn)態(tài)誤差來衡量。 在參考輸入信號作用下，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，其穩(wěn)態(tài)輸出與參考輸入所要求的期望輸出之差叫做給定穩(wěn)態(tài)誤差。 穩(wěn)、快、準(zhǔn)三方面的性能指標(biāo)往往由于被控對象的具體情況不同，各系統(tǒng)要求也有所側(cè)重，而且同一個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)、快、準(zhǔn)的要求是相互制約的。控制系統(tǒng)的性能要求1.6 控制系統(tǒng)的典型測試信號 為便于用統(tǒng)一的方法研究和比較控制系統(tǒng)的性

13、能，通常選用幾種確定性函數(shù)作為典型測試信號。可選作典型外作用的函數(shù)應(yīng)具備以下條件：這種函數(shù)在現(xiàn)場或?qū)嶒?yàn)室中容易得到?？刂葡到y(tǒng)在這種函數(shù)作用下的性能應(yīng)代表在實(shí)際工作條件下的性能。(3) 這種函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式簡單，便于理論計(jì)算。 (1)單位階躍函數(shù)r(t)tf(t)0其拉氏變換為：s1dte1)s(F)t(fL0st=-=0t00t1)t(r)t(f 其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：其Z變換為：Zf(t)=ZZ - 1(2) 單位脈沖函數(shù)000)()(=ttttfd 其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：其拉氏變換為：1)()(=sFtfL+-=1)(dttd定義： 單位脈沖作用在現(xiàn)實(shí)中是不存在的，它是某些物理現(xiàn)象經(jīng)數(shù)學(xué)抽象化的結(jié)果。其Z變換為:Zf(t)=1 (3)單位斜坡函數(shù)0t0t0t)t(f=其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：tf(t)0其拉氏變換為：20sts1dtet)s(F)t(fL=