控制系統(tǒng)的總論

1、控制系統(tǒng)的總論第1頁，共29頁，2022年，5月20日，15點11分，星期三課程安排21 控制系統(tǒng)導(dǎo)論 （2學(xué)時）2 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 （8學(xué)時）3 時域分析法 （10學(xué)時）4 根軌跡法 （4學(xué)時）5 頻域分析法 （12學(xué)時） 6 線性系統(tǒng)的校正方法 （4學(xué)時）第2頁，共29頁，2022年，5月20日，15點11分，星期三第一章 導(dǎo)論31.1 自動控制的基本原理1.2 自動控制系統(tǒng)示例1.3 自動控制系統(tǒng)的分類1.4 自動控制系統(tǒng)的基本要求1.5 自動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計工具第3頁，共29頁，2022年，5月20日，15點11分，星期三1.1 自動控制的基本原理1 自動控制系統(tǒng) 在沒有人直接

2、參與下，利用采集和加工的信息，構(gòu)造控制裝置（控制器）按一定的控制規(guī)律產(chǎn)生作用，使受控客體（控制對象）某一物理量（被控量）達(dá)到所要求的性能或?qū)崿F(xiàn)預(yù)定目標(biāo)的系統(tǒng)。 控制對象：控制系統(tǒng)要進(jìn)行控制的受控客體 如冰箱、空調(diào)、洗衣機(jī)、電梯、飛機(jī)、汽車、潛艇、電廠鍋爐、 釀酒過程等各種機(jī)器或生產(chǎn)過程。 被控量：控制對象要實現(xiàn)的量 如冰箱溫度、電機(jī)的轉(zhuǎn)速、飛機(jī)姿態(tài)角、船的航跡 、電網(wǎng)的電壓 、生產(chǎn)過程中的壓力、流量 、溫度 、濕度等。 4第4頁，共29頁，2022年，5月20日，15點11分，星期三2 自動控制理論的發(fā)展簡史人類對控制系統(tǒng)的基本原理（反饋）早有認(rèn)識，并利用它創(chuàng)造許多裝置。如2000年前，羅馬人

3、：水位控制系統(tǒng)（淋浴） ，神廟（開關(guān)門）英雄裝置。中國能工巧匠（技師、工程師 、科學(xué)家 ）：蘇頌的水運儀象臺，張衡的地震方向測定儀。1786年，James Watt 為控制蒸汽機(jī)速度設(shè)計的離心調(diào)節(jié)器，是自動控制領(lǐng)域的第一項重大成果。1868年，英國J.C 麥克斯韋首先解釋了瓦特速度控制系統(tǒng)中出現(xiàn)的不穩(wěn)定問題。1877年 勞斯 ，1892年李雅普諾夫 1922年，Minorsky研制出船舶操縱自動控制器，并證明了從系統(tǒng)的微分方程確定系統(tǒng)的穩(wěn)定性的方法。1932年，Nyquist提出了一種根據(jù)系統(tǒng)的開環(huán)頻率響應(yīng)(對穩(wěn)態(tài)正弦輸入)，確定閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法。5第5頁，共29頁，2022年，5月20日

4、，15點11分，星期三1934年，Hezen提出了用于位置控制系統(tǒng)的伺服機(jī)構(gòu)的概念，討論了可以精確跟蹤變化的輸入信號的機(jī)電伺服機(jī)構(gòu)。19世紀(jì)40年代，頻率響應(yīng)法為閉環(huán)控制系統(tǒng)提供了一種可行方法，Evans提出并完善了根軌跡法。1948年，美國數(shù)學(xué)家N.Wiener出版Cybernetics是一個控制科學(xué)里程碑?？刂普摰母睒?biāo)題是關(guān)于人、動物及其通訊的科學(xué)。19世紀(jì)50年代末，控制系統(tǒng)設(shè)計問題的重點從設(shè)計許多可行系統(tǒng)中的一種系統(tǒng)，轉(zhuǎn)到設(shè)計在某種意義上的最佳系統(tǒng)。19世紀(jì)60年代，數(shù)字計算機(jī)的出現(xiàn)為復(fù)雜系統(tǒng)的基于時域分析的現(xiàn)代控制理論提供了可能。從19601980，確定性系統(tǒng)、隨機(jī)系統(tǒng)的最佳控制，及

5、復(fù)雜系統(tǒng)的自適應(yīng)和學(xué)習(xí)控制，都得到充分的研究。從1980現(xiàn)在，智能控制理論集中于3C控制系統(tǒng)及其相關(guān)課題。6第6頁，共29頁，2022年，5月20日，15點11分，星期三古典（經(jīng)典）控制理論 自動控制原理（理論） （17871960） 以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)研究單輸入單輸出定常控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計問題。這些理論由于其發(fā)展較早，現(xiàn)已臻成熟。現(xiàn)代（近代）控制理論 （19601980） 以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究多輸入多輸出控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計問題。系統(tǒng)具有高精度和高效能的特點。 最優(yōu)控制 、自適應(yīng)控制 計算機(jī)控制、系統(tǒng)辨識7智能控制理論（1980） 以人工智能為基礎(chǔ)，研究復(fù)雜對象（車間、工廠、集團(tuán)）、復(fù)雜

6、任務(wù)、復(fù)雜環(huán)境。 管理和控制一體化:計算機(jī)集成制造系統(tǒng)，復(fù)雜控制系統(tǒng)第7頁，共29頁，2022年，5月20日，15點11分，星期三3 自動控制系統(tǒng)的基本控制方式 按控制方式8開環(huán)控制閉環(huán)控制 （反饋控制、伺服控制）復(fù)合控制 按對象方式運動控制 （電機(jī)調(diào)速、機(jī)器人）過程控制 （鍋爐過程、化工過程）第8頁，共29頁，2022年，5月20日，15點11分，星期三開環(huán)控制系統(tǒng)Open-loop Control System定義：系統(tǒng)的控制輸入不受輸出影響的控制系統(tǒng)特點：系統(tǒng)的輸出量與輸入量間不存在反饋的通道， 這種控制方式稱為開環(huán)控制 在開環(huán)控制系統(tǒng)中，不需要對輸出量進(jìn)行測量，也不需要將輸出量反饋到系

7、統(tǒng)輸入端與輸入量進(jìn)行比較。因此，開環(huán)控制系統(tǒng)又稱無反饋控制系統(tǒng)。9控制器對象或過程輸入量輸出量圖1.1 開環(huán)控制系統(tǒng)框圖第9頁，共29頁，2022年，5月20日，15點11分，星期三閉環(huán)控制系統(tǒng) Closed-loop Control System閉環(huán)控制系統(tǒng)又稱反饋控制系統(tǒng)反饋把取出的輸出量送回輸入端，并與輸入信號相比較產(chǎn)生偏差信號的過程，稱為反饋 。反饋控制采用負(fù)反饋(正反饋較少)并利用偏差進(jìn)行控制的過程 （利用偏差修正偏差）。由于引入了被反饋量的反饋信息，整個控制過程成為閉合的，因此反饋控制也稱為閉環(huán)控制 。10第10頁，共29頁，2022年，5月20日，15點11分，星期三閉環(huán)控制系統(tǒng)

8、11圖1.2 閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖輸入量控制器控制對象測量元件輸出量反饋回路被控量干擾量第11頁，共29頁，2022年，5月20日，15點11分，星期三閉環(huán)與開環(huán)控制系統(tǒng)的比較 開環(huán)控制：順向作用，沒有反向的聯(lián)系，沒有修正偏差能力，抗擾動性較差。結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便、成本低。在精度要求不高或擾動影響較小的場合，這種控制方式還有一定的實用價值（步進(jìn)電機(jī)，水泵，風(fēng)扇）。 閉環(huán)控制：為偏差控制，可以抑制內(nèi)（系統(tǒng)參數(shù)變化）、外擾動（負(fù)載變化）對被控制量產(chǎn)生的影響，因此，控制精度高。但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高（價格成倍增加，車床、洗衣機(jī)、小轎車）；系統(tǒng)設(shè)計、分析麻煩。 12第12頁，共29頁，2022年，5月20日

9、，15點11分，星期三復(fù)合控制系統(tǒng) Compound Control System定義：開環(huán)控制和閉環(huán)控制相結(jié)合的一種控制方式構(gòu)成高精度控制系統(tǒng)的一種有效控制方式，使控制系統(tǒng)具有良好的控制性能。復(fù)合控制的兩種基本形式 按輸入前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制 按干擾前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制13第13頁，共29頁，2022年，5月20日，15點11分，星期三14圖1.3 干擾補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制系統(tǒng)框圖輸入量控制器控制對象測量元件輸出量反饋回路被控量干擾量前饋補(bǔ)償?shù)?4頁，共29頁，2022年，5月20日，15點11分，星期三15圖1.4 輸入補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制系統(tǒng)框圖輸入量控制器控制對象測量元件輸出量反饋回路被控量干擾量前饋

10、補(bǔ)償?shù)?5頁，共29頁，2022年，5月20日，15點11分，星期三4 閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成用“”號代表比較裝置，“”號代表兩者符號相反。信號沿箭頭方向從輸入端到達(dá)輸出端的傳輸通路稱前向通路；系統(tǒng)輸出量經(jīng)測量裝置反饋到輸入端的傳輸通路稱主反饋通路。前向通路與主反饋通路共同構(gòu)成主回路。此外，還有局部反饋通路以及由它構(gòu)成的內(nèi)回路。 16圖1.5 閉環(huán)控制系統(tǒng)基本組成框圖串連校正裝置放大裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對象反饋校正裝置測量裝置被控量給定裝置第16頁，共29頁，2022年，5月20日，15點11分，星期三17給定裝置：產(chǎn)生給定值或輸入信號（量）（即參考量或期望值）測量裝置：測量被控制的物理量（被控量

11、），用于產(chǎn)生反饋信號 各種傳感器：測速發(fā)電機(jī)、電位計、熱電偶等。比較裝置：把測量元件檢測的實際值（被控量）與給定元件 給出的參考量進(jìn)行比較，求出它們之間的偏差。 如差動放大器、自整角機(jī)。放大裝置：將比較元件給出的偏差進(jìn)行放大，用來推動執(zhí)行元件 去控制被控對象，如放大器、晶閘管。執(zhí)行機(jī)構(gòu)：直接推動被控對象，使其被控量發(fā)生變化。 如步進(jìn)電機(jī)，繼電器開關(guān)。補(bǔ)償裝置：它是結(jié)構(gòu)或參數(shù)便于調(diào)整的元件或機(jī)構(gòu)，用串聯(lián)或 反饋的方式連接在系統(tǒng)中，以改善控制系統(tǒng)性能。工業(yè)應(yīng)用的控制系統(tǒng)：電動、汽（氣）動、液動。第17頁，共29頁，2022年，5月20日，15點11分，星期三 1、液位控制系統(tǒng) 圖1.6（a）是一個

12、液位控制系統(tǒng)原理圖。在這里，自動控制器通過比較實際液位與希望液位，并通過調(diào)整氣動閥門的開度，對誤差進(jìn)行修正，從而保持液位不變。 圖1.6（b）是該控制系統(tǒng)的方框圖。181.2 自動控制系統(tǒng)示例第18頁，共29頁，2022年，5月20日，15點11分，星期三19圖1.6 （a） 液位控制系統(tǒng)第19頁，共29頁，2022年，5月20日，15點11分，星期三20控制器：比較、放大的作用浮子：液面高度的反饋元件 Q2為系統(tǒng)的干擾量氣動閥門：執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對象：水箱圖1.6 （b） 液位控制系統(tǒng)第20頁，共29頁，2022年，5月20日，15點11分，星期三21第21頁，共29頁，2022年，5月20日，

13、15點11分，星期三1.3 自動控制系統(tǒng)的分類按工作原理分類 開環(huán)控制、閉環(huán)控制、復(fù)合控制按數(shù)學(xué)模型分類 線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng) 定常系統(tǒng)和時變系統(tǒng)按系統(tǒng)內(nèi)部的信號特征分類 連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)按系統(tǒng)的功能分類 溫度控制系統(tǒng)、位置控制系統(tǒng) 壓力控制系統(tǒng) 、調(diào)速系統(tǒng)22第22頁，共29頁，2022年，5月20日，15點11分，星期三1.4 對自動控制系統(tǒng)的基本要求過度過程：在輸入量作用下，系統(tǒng)的輸出變量由初始狀態(tài)達(dá)到最終穩(wěn)態(tài)過程穩(wěn)態(tài)過程：過度過程結(jié)束后的輸出響應(yīng)自動控制系統(tǒng)性能的基本要求（三個方面） 穩(wěn)定性 Stability 過度過程性能（快速性） Dynamic Performance Spec

14、ification 穩(wěn)態(tài)誤差 （準(zhǔn)確性或控制精度） Steady-state Error23第23頁，共29頁，2022年，5月20日，15點11分，星期三穩(wěn)定性:系統(tǒng)受到短暫的擾動后其運動性能從偏差平衡點恢復(fù)到原來平衡狀態(tài)的能力。 穩(wěn)定性是對系統(tǒng)的基本要求，不穩(wěn)定的系統(tǒng)不能實現(xiàn)預(yù)定任務(wù)。穩(wěn)定性，通常由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)決定與外界因素?zé)o關(guān)。過度過程性能：描述過渡過程性能可以用平穩(wěn)性和快速性加以衡量，一般稱為動態(tài)性能。如：上升時間、峰值時間、調(diào)整時間、超調(diào)量。穩(wěn)態(tài)誤差：系統(tǒng)過渡過程結(jié)束后，期望的穩(wěn)態(tài)輸出量與實際的穩(wěn)態(tài)輸出量之差叫穩(wěn)態(tài)誤差。顯然，這種誤差越小，表示系統(tǒng)的輸出跟隨參考輸入的精度越高。 24第

15、24頁，共29頁，2022年，5月20日，15點11分，星期三1.5 控制系統(tǒng)的計算機(jī)輔助設(shè)計控制系統(tǒng)的計算機(jī)輔助設(shè)計發(fā)展概況 第一階段：6070年代，采用一個或者幾個控制系統(tǒng)計算程序組成的控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計軟件包。 第二階段：7080年代，功能齊全的用于多變量系統(tǒng)設(shè)計的計算機(jī)輔助設(shè)計軟件包。 第三階段：80中期開始，產(chǎn)生仿真軟件MATLAB控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計仿真系統(tǒng)。25控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計的主要內(nèi)容 計算機(jī)輔助建立系統(tǒng)模型 數(shù)學(xué)模型表示方式之間的相互轉(zhuǎn)換 計算機(jī)輔助分析和設(shè)計控制系統(tǒng)第25頁，共29頁，2022年，5月20日，15點11分，星期三26 數(shù)字仿真實驗采用目前世界上最

16、為流行的計算機(jī)仿真軟件MATLAB。它是一個功能十分強(qiáng)大的系統(tǒng)，是集數(shù)值計算、圖形管理、程序開發(fā)為一體的環(huán)境，已經(jīng)成為一種實用的全新計算機(jī)高級編程語言。 在歐美大學(xué)里，諸如應(yīng)用代數(shù)、數(shù)理統(tǒng)計、自動控制、數(shù)字信號處理、模擬與數(shù)字通信、時間序列分析、動態(tài)系統(tǒng)仿真等課程的教科書都把MATLAB作為內(nèi)容。MATLAB更是研究和解決工程計算問題的一種標(biāo)準(zhǔn)軟件，被用來解決一些實際課題和數(shù)學(xué)模型問題。MATLAB仿真軟件第26頁，共29頁，2022年，5月20日，15點11分，星期三27學(xué)習(xí)的流程：輸入X，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)方程沿信號傳播方向計算出網(wǎng)絡(luò)輸出Y假設(shè)已知輸入為X時，期望輸入為D，則網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的流程為：計算目標(biāo)函數(shù)J?