控制理論概論

控制理論基建輝第一章概述第一章概述第二節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(lèi)第一節(jié)自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)第四節(jié)自動(dòng)控制理論發(fā)展簡(jiǎn)述第三節(jié)對(duì)控制系統(tǒng)性能的要求第一章概述第一節(jié)自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)一、自動(dòng)控制的基本概念二、控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成及控制方式第一章概述第一節(jié)自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)一、自動(dòng)控制的基本概念現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中的自動(dòng)控制技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用

航天器

工業(yè)控制

機(jī)器人

家用電器

自動(dòng)控制的特征：

通過(guò)對(duì)各類(lèi)機(jī)器、各種物理參量、工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程等的控制直接造福于社會(huì)。

自動(dòng)控制：

在無(wú)人直接參與下，利用控制裝置操縱受控對(duì)象，使受控對(duì)象的被控量按給定信號(hào)變化規(guī)律去變化。

自動(dòng)控制示意圖控制器給定值檢測(cè)元件受控對(duì)象被控量自動(dòng)控制系統(tǒng)控制裝置:受控對(duì)象:機(jī)器、設(shè)備、生產(chǎn)過(guò)程等控制器、檢測(cè)元件等分析和設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能。自動(dòng)控制原理的主要任務(wù)：下面通過(guò)一些實(shí)例來(lái)說(shuō)明自動(dòng)控制和自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念例

水溫人工控制系統(tǒng)受控對(duì)象:水箱熱傳導(dǎo)器件系統(tǒng)的構(gòu)成：被控制量:水溫閥門(mén)顯示儀表蒸汽排水冷水熱水工作過(guò)程：蒸汽通過(guò)熱傳導(dǎo)器件把熱量傳遞給水,水的溫度與蒸汽的流量成正比.手動(dòng)調(diào)節(jié)閥門(mén)的開(kāi)度，從而調(diào)節(jié)蒸汽的流量,來(lái)控制水的溫度.但人工難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的高質(zhì)量控制.第一節(jié)自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)例

水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)系統(tǒng)中增加了：控制器電機(jī)加入給定信號(hào)工作原理：檢測(cè)實(shí)際溫度產(chǎn)生控制信號(hào)通過(guò)電機(jī)調(diào)節(jié)閥門(mén)的開(kāi)度從而調(diào)節(jié)蒸汽流入，控制水的溫度.實(shí)現(xiàn)沒(méi)有人直接參入的自動(dòng)水溫控制.第一節(jié)自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)控制器溫度檢測(cè)第一節(jié)自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)為了方便地分析系統(tǒng)性能，一般用框圖來(lái)表示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)可用框圖表示為：要使自動(dòng)控制系統(tǒng)滿足工程實(shí)際的需要,必須研究自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)與系統(tǒng)性能之間的關(guān)系。實(shí)際溫度偏差反饋量預(yù)期溫度_控制器執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥門(mén)水箱控制器第一節(jié)自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)桿杠長(zhǎng)度例

液位自動(dòng)控制系統(tǒng)h水箱桿杠浮球閥門(mén)進(jìn)水系統(tǒng)組成：出水被控制量：水位高度工作原理：調(diào)節(jié)杠桿長(zhǎng)度L，通過(guò)杠桿機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)閥門(mén)的開(kāi)度，從而調(diào)節(jié)進(jìn)水量以控制液位的高度。L系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖浮球hr(s)h(t)閥門(mén)水箱杠桿機(jī)構(gòu)第一節(jié)自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)Lh自動(dòng)控制是指在無(wú)人直接參與的情況下，通過(guò)控制裝置使被控對(duì)象或生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。自動(dòng)控制理論是研究自動(dòng)控制問(wèn)題共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)，主要講述自動(dòng)控制技術(shù)的基本理論與控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)的基本方法等內(nèi)容。

二、自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成及控制方式1．開(kāi)環(huán)控制有順向作用而無(wú)反向聯(lián)系.不同的被控對(duì)象和不同的控制裝置構(gòu)成了不同的控制系統(tǒng)，所以自動(dòng)控制系統(tǒng)的種類(lèi)是很多的。自動(dòng)控制系統(tǒng)一般有兩種基本控制方式.開(kāi)環(huán)控制控制裝置與受控對(duì)象之間只第一節(jié)自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)例

轉(zhuǎn)臺(tái)速度開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)電機(jī)電源和放大裝置速度設(shè)置系統(tǒng)組成：由圖可見(jiàn)：第一節(jié)自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)速度設(shè)置信號(hào)通過(guò)功率放大以后，提供給電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)。

由于被控制量速度沒(méi)有反饋到輸入端與給定信號(hào)比較,為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖:給定速度實(shí)際轉(zhuǎn)速放大器直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)這種轉(zhuǎn)臺(tái)在CD機(jī)、計(jì)算機(jī)磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器等許多現(xiàn)代裝置中廣泛應(yīng)用.開(kāi)環(huán)控制的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)和控制簡(jiǎn)單，抗擾能力差，控制精度低，一般系統(tǒng)精度要求不高或干擾對(duì)系統(tǒng)的影響不大。如交通指揮的紅綠燈轉(zhuǎn)換，自動(dòng)控制生產(chǎn)線2．閉環(huán)控制閉環(huán)控制:閉環(huán)控制又稱(chēng)為反饋控制或按偏差控制?？刂蒲b置與受控對(duì)象之間，不但有順向作用，還有反向聯(lián)系。

第一節(jié)自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)例轉(zhuǎn)臺(tái)速度閉環(huán)控制系統(tǒng)系統(tǒng)中增加了測(cè)速發(fā)電機(jī)作為反饋裝置測(cè)出電動(dòng)機(jī)的速度反饋給控制器。與給定信號(hào)比較產(chǎn)生偏差電壓，經(jīng)過(guò)功率放大后對(duì)電動(dòng)機(jī)的速度進(jìn)行閉環(huán)控制.當(dāng)速度受擾動(dòng)發(fā)生變化時(shí)，偏差電壓也隨之變化，通過(guò)閉環(huán)調(diào)節(jié)能消除干擾。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖測(cè)速機(jī)偏差預(yù)期速度實(shí)際轉(zhuǎn)速放大器_直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)放大裝置例位置隨動(dòng)系統(tǒng)環(huán)型電位器電機(jī)電源齒輪系統(tǒng)組成：負(fù)載輸入θr輸出θc工作過(guò)程：θr=θcUd=0Udθr≠θcUd≠0電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng),調(diào)節(jié)θc,使θr=θc電動(dòng)機(jī)靜止第一節(jié)自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖θr_電位器θm△θ

θcueud放大器電動(dòng)機(jī)減速器例

直流調(diào)速系統(tǒng)直流電機(jī)測(cè)速發(fā)電機(jī)電源和控制裝置負(fù)載系統(tǒng)組成：UnUf輸入反饋電壓e=Un-Uf轉(zhuǎn)速取決于：第一節(jié)自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)n輸出電樞電壓UdUd=Ke當(dāng)干擾引起轉(zhuǎn)速變化時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整：n↓→Uf↓→e↑→Ud↑→n↑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖測(cè)速機(jī)unufeudn_放大器直流電動(dòng)機(jī)（3）能減小或消除由擾動(dòng)形成的偏差，具有較高的控制精度和較強(qiáng)的抗擾能力。通過(guò)以上的實(shí)例分析可得出閉環(huán)控制系統(tǒng)具有的特點(diǎn)：第一節(jié)自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)（1）系統(tǒng)的控制信號(hào)是給定值與反饋量的差值，故稱(chēng)為按偏差控制或反饋控制。（2）閉環(huán)系統(tǒng)有兩種傳輸通道：前向通道和反饋通道。自動(dòng)控制原理中主要討論閉環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制

閉環(huán)控制指控制裝置與被控對(duì)象之間既有正向的作用，又有反向聯(lián)系的控制過(guò)程。

若將系統(tǒng)的輸出量反饋到其輸入端，與參考輸入進(jìn)行比較，則構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)

把取出的輸出量送回輸入端，并與輸入信號(hào)相比較產(chǎn)生偏差信號(hào)的過(guò)程，稱(chēng)為反饋

通過(guò)反饋使偏差增大的正反饋，用“+”表示通過(guò)反饋使偏差減小的負(fù)反饋，用“-”表示

閉環(huán)控制就是采用負(fù)反饋利用偏差來(lái)減小偏差的控制過(guò)程。工程中的自動(dòng)控制系統(tǒng)多數(shù)為閉環(huán)控制系統(tǒng)，如艦船操舵系統(tǒng)、火炮發(fā)射系統(tǒng)、雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)等。閉環(huán)控制系統(tǒng)的精度主要取決于測(cè)量元件的精度。閉環(huán)系統(tǒng)的方框圖

3．復(fù)合控制測(cè)量出外部作用，形成與外部作用相反的控制量與外部作用共同使被控量基本不受影響。前饋補(bǔ)償控制復(fù)合控制具有兩種基本形式.前饋補(bǔ)償控制：復(fù)合控制：反饋控制+第一節(jié)自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)在外部作用下，由系統(tǒng)被控制量的變化產(chǎn)生調(diào)節(jié)和控制作用。反饋控制：(a)按輸入前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制給定值被控制量_檢測(cè)元件控制器前饋通道第一節(jié)自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)受控對(duì)象前饋補(bǔ)償控制反饋控制主通道(b)按擾動(dòng)前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制第一節(jié)自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)給定值被控制量_檢測(cè)元件控制器受控對(duì)象前饋補(bǔ)償控制反饋控制主通道前饋通道擾動(dòng)第二節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(lèi)一、線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(lèi)方法較多，常見(jiàn)的有以下幾種由線性微分方程或線性差分方程所描述的系統(tǒng)。元件具有線性特性，滿足疊加原理由非線性方程描述的系統(tǒng)。至少一個(gè)元件不具有線性特性，不滿足疊加原理第一章概述線性系統(tǒng)：非線性系統(tǒng)：二、定常系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng)定常系統(tǒng):若系統(tǒng)微分方程的系數(shù)為常數(shù)，則稱(chēng)之為線性定常系統(tǒng)。此類(lèi)系統(tǒng)為本書(shū)主要討論對(duì)象。系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型微分方程的系數(shù)不是時(shí)間變量的函數(shù)。否則稱(chēng)為時(shí)變系統(tǒng)。第二節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(lèi)三、連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)：系統(tǒng)中各部分的信號(hào)都是時(shí)間的連續(xù)函數(shù)即模擬量。離散系統(tǒng)：系統(tǒng)中有一處或多處信號(hào)為時(shí)間的離散函數(shù)，如脈沖或數(shù)碼信號(hào)。若系統(tǒng)中既有模擬量也有離散信號(hào)，則又可稱(chēng)之為采樣系統(tǒng)。第二節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(lèi)四、恒值系統(tǒng)、隨動(dòng)系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)系統(tǒng)的給定值為一定值，而控制任務(wù)就是克服擾動(dòng)，使被控量保持恒值。例如：電機(jī)速度控制、恒溫、恒壓、水位控制系統(tǒng)等。一般像溫度、壓力、流量、濕度、粘度等熱工參量的控制多數(shù)為恒值控制系統(tǒng)。

恒值系統(tǒng)：第二節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(lèi)隨動(dòng)系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）：系統(tǒng)給定值按照變化規(guī)律未知的任意時(shí)間函數(shù)變化，并要求被控量跟隨給定值變化。如：火炮自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)、導(dǎo)彈發(fā)射架控制系統(tǒng)，雷達(dá)天線控制系統(tǒng)等。第二節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(lèi)程序控制系統(tǒng)：系統(tǒng)的給定值按照一定的時(shí)間函數(shù)變化，并要求被控量隨之變化。被控制量如果是根據(jù)預(yù)先編好的程序進(jìn)行控制的系統(tǒng)例如：機(jī)械手第二節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(lèi)自動(dòng)化生產(chǎn)線：第二節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(lèi)第三節(jié)對(duì)控制系統(tǒng)性能的要求常見(jiàn)的評(píng)價(jià)系統(tǒng)優(yōu)劣的性能指標(biāo)是從動(dòng)態(tài)過(guò)程中定義出來(lái)的。對(duì)系統(tǒng)性能的基本要求有三個(gè)方面。二、快速性一、穩(wěn)定性三、準(zhǔn)確性第一章概述

系統(tǒng)受外作用力后,其動(dòng)態(tài)過(guò)程的振蕩傾向和系統(tǒng)恢復(fù)平衡的能力。一、穩(wěn)定性第三節(jié)對(duì)控制系統(tǒng)性能的要求穩(wěn)定性：系統(tǒng)受外作用力經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，其被控量達(dá)到某一穩(wěn)定狀態(tài)，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的。否則為不穩(wěn)定的。r(t)t0c(t)r(t)c(t)不穩(wěn)定的系統(tǒng)是無(wú)法正常工作的。擾動(dòng)信號(hào)作用下的不穩(wěn)定系統(tǒng):d(t)t0c(t)c(t)d(t)一個(gè)能在生產(chǎn)實(shí)際中應(yīng)用的系統(tǒng),不僅應(yīng)具有穩(wěn)定性,而且在動(dòng)態(tài)過(guò)程中的震蕩也不能過(guò)于強(qiáng)烈.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)。通過(guò)動(dòng)態(tài)過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)短表征快速性,為系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。二、快速性第三節(jié)對(duì)控制系統(tǒng)性能的要求r(t)t0c(t)r(t)c1(t)c2(t)快速性表明了系統(tǒng)輸出對(duì)輸入響應(yīng)的快慢程度，用上升時(shí)間與調(diào)整時(shí)間來(lái)表示。過(guò)渡過(guò)程時(shí)間越短，表明快速性越好。反之亦然。t1t2由輸入給定值與輸出響應(yīng)的終值之間的差值ess（穩(wěn)態(tài)誤差）大小表征。三、準(zhǔn)確性第三節(jié)對(duì)控制系統(tǒng)性能的要求r(t)t0c(t)ess它反映了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。若系統(tǒng)最終的誤差為零，則稱(chēng)為無(wú)差系統(tǒng)，否則為有差系統(tǒng)。c(t)r(t)四、平穩(wěn)性平穩(wěn)性是對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的振幅和頻率提出的要求，反映系統(tǒng)的阻尼程度，為系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。用超調(diào)量來(lái)表示。穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性往往是互相制約的。在設(shè)計(jì)與調(diào)試的過(guò)程中,若過(guò)分強(qiáng)調(diào)某方面的性能,則可能會(huì)使其他方面的性能受到影響.怎樣根據(jù)工作任務(wù)的不同,分析和設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)，使其對(duì)三方面的性能有所側(cè)重，并兼顧其它正是自控原理課程要解決的問(wèn)題。第三節(jié)對(duì)控制系統(tǒng)性能的要求1945年開(kāi)始形成的1765年俄國(guó)機(jī)械師波爾祖諾夫發(fā)明了蒸汽機(jī)鍋爐水位調(diào)節(jié)器1784年英國(guó)人瓦特(Watt)發(fā)明了蒸汽機(jī)離心式調(diào)速器1877年勞斯(Routh)和赫爾維茨(Hurwitz)提出判定系統(tǒng)穩(wěn)定的代數(shù)判據(jù)19世紀(jì)前半葉，生產(chǎn)中開(kāi)始使用發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)

19世紀(jì)末到20世紀(jì)前半葉，內(nèi)燃機(jī)的使用二次世界大戰(zhàn)中，搭起了經(jīng)典控制理論的框架，戰(zhàn)后這些理論被公開(kāi)，并應(yīng)用于一般的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中第四節(jié)

自動(dòng)控制理論發(fā)展簡(jiǎn)述經(jīng)典控制理論（20世紀(jì)40—60年代）

1932年奈奎斯特(Nyquist)的《再生理論》一文，開(kāi)辟了頻域法的新途徑；1945年伯德(Bode)的《網(wǎng)絡(luò)分析和反饋放大器設(shè)計(jì)》一文，奠定了經(jīng)典控制理論的理論基礎(chǔ)，在西方開(kāi)始形成了自動(dòng)控制學(xué)科；1947年美國(guó)出版了第一本自動(dòng)控制教材《伺服機(jī)件原理》；1948年美國(guó)麻省理工學(xué)院出版了另一本《伺服機(jī)件原理》教材，建立了現(xiàn)在廣泛使用的頻域法；1948年維納(Wiener)在他的名著《控制論：或關(guān)于在動(dòng)物和機(jī)器中控制和通信的科學(xué)》中基于信息的觀點(diǎn)給控制論(Cybernetics)下了一個(gè)廣義的定義。而在控制工程中又稱(chēng)為控制理論(ControlTheory)。20世紀(jì)50年代是經(jīng)典控制理論發(fā)展和成熟的時(shí)期。現(xiàn)代控制理論（20世紀(jì)60年代中期成熟）20世紀(jì)5