自控自動控制理論

自動控制理論(第四版）AutomaticControlTheory四川大學電氣信息學院魏震波

本課程研究的內(nèi)容：

經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論

經(jīng)典控制理論

主要研究的對象對單輸入單輸出線性定常系統(tǒng)的分析和設(shè)計問題

現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論研究對象:

多輸入、多輸出、時變參數(shù)、高精度復(fù)雜系統(tǒng)的分析和設(shè)計問題研究對象數(shù)學工具分析方法局限性經(jīng)典控制理論單I/O線性定常系統(tǒng)微分方程，傳遞函數(shù)時域法頻域法根軌跡法對復(fù)雜多變量系統(tǒng)、時變和非線性系統(tǒng)無能為力現(xiàn)代控制理論多輸入-多輸出變系數(shù)，非線性等系統(tǒng)線性代數(shù)、矩陣理論狀態(tài)空間法比較繁瑣（但由于計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，已克服)

本課程是電氣工程及其自動化，熱能與動力工程的技術(shù)基礎(chǔ)課。總的目的是使學生獲得在本專業(yè)領(lǐng)域中所必需的、以經(jīng)典控制理論為主的基礎(chǔ)知識，為學習后繼有關(guān)專業(yè)課，并為畢業(yè)后從事相關(guān)專業(yè)的實際工作，打下理論基礎(chǔ)。

本課程的學習目的

先修課程：高等數(shù)學線性代數(shù)

復(fù)變函數(shù)電路原理（電工學）

后續(xù)課程：電力系統(tǒng)分析，電力系統(tǒng)自動裝置原理，計算機控制技術(shù)，水電站自動化，水輪機調(diào)節(jié)

相關(guān)課程關(guān)系1.1概述1.2

自動控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)第一章緒論——在沒有人直接參與的情況下，采用控制裝置或機械使被控制對象達到預(yù)期的目標。自動控制1.1概述——代替人完成需達到的控制作用的裝置?？刂破?.1概述——任何被控生產(chǎn)機械、技術(shù)裝置。

被控對象1.1概述——使被控對象的被控量維持給定常數(shù)的這種控制。調(diào)節(jié)1.1概述——由被控對象、控制器、測量環(huán)節(jié)等構(gòu)成的一個自動控制系統(tǒng)的總體。自動控制系統(tǒng)1.1概述系統(tǒng)是一些部件的組合，這些部件組合在一起，完成一定的任務(wù)。系統(tǒng)1.1概述由總體中的一部分構(gòu)成的系統(tǒng)稱為子系統(tǒng)。

子系統(tǒng)1.1概述

動態(tài)系統(tǒng)與靜態(tài)系統(tǒng)控制作用與輸出關(guān)系系統(tǒng)從一個狀態(tài)到另一個狀態(tài)的變化不能瞬時完成，而只是一個漸變的過程。

動態(tài)系統(tǒng)1.1概述激勵到響應(yīng)有過渡過程。如：積分器，y(t)=∫u(t)dt

0t1.1概述t01t01k0t1.1概述

靜態(tài)系統(tǒng)激勵到響應(yīng)沒有過渡過程（跳變）如：比例放大器，y(t)=Ku(t)系統(tǒng)中的一個功能單元稱為環(huán)節(jié)。

環(huán)節(jié)1.1概述每個方框代表系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，各方框之間、系統(tǒng)與外部之間的聯(lián)系由單方向指向的有向線段表示。

方框圖1.1概述

方框圖1.1概述自動控制理論的基本問題控制系統(tǒng)的分析典型信號下的響應(yīng)(階躍響應(yīng),頻率特性)數(shù)學模型(傳遞函數(shù),狀態(tài)方程)性能指標(穩(wěn)態(tài)誤差,超調(diào)量)控制系統(tǒng)的設(shè)計性能要求(性能指標,約束條件)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計和整定性能校核(計算,仿真,實驗)閉環(huán)控制復(fù)合控制

開環(huán)控制1.2自動控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)——把被控量通過中間環(huán)節(jié)送回到控制器的輸入端。反饋1.2自動控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)1.2自動控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)一.開環(huán)控制例:電爐溫度控制系統(tǒng)分析控制組成(a)原理圖溫度計

加熱電阻絲u~220Vk

輸入量控制裝置被控對象輸出量術(shù)語(電源)輸出量輸入量

開關(guān)

加熱電阻絲

電爐

恒溫箱

受控對象(溫度)擾動量控制裝置(b)方塊圖擾動輸出量輸入量控制裝置受控對象開環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖

溫度計

加熱電阻絲u~220Vk例:直流電動機轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng)。

輸出量對輸入量沒有影響的系統(tǒng)稱為開環(huán)系統(tǒng)

圖示:人工電動機轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)例：開環(huán)勵磁控制系統(tǒng)1.2自動控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)開環(huán)控制系統(tǒng)特點：

信號從輸入到輸出無反饋,單向傳遞.

結(jié)構(gòu)簡單.

控制精度不高,無法抑制擾動.

開環(huán)控制

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。溫度計

加熱電阻絲u~220Vk控制器被控制對象給定值輸出量

控制的原理方框圖控制方式：按給定值操縱。信號由給定值至輸出量單向傳遞。一定的給定值對應(yīng)一定的輸出量。系統(tǒng)的控制精度取決于系統(tǒng)事先的調(diào)整精度。對于工作過程中受到的擾動或特性參數(shù)的變化無法自動補償。結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，多用于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)穩(wěn)定和擾動信號較弱的場合.按擾動補償

:控制方式的原理是利用對擾動信號的測量產(chǎn)生控制作用，以補償擾動對輸出量的影響。由于擾動信號經(jīng)測量裝置，控制器至被控對象的輸出量是單向傳遞的，故屬于開環(huán)控制方式。因此，控制精度有限.控制器被控制對象擾動輸出量測量裝置按擾動補償

帶補償?shù)拈_環(huán)控制系統(tǒng)

帶補償?shù)拈_環(huán)勵磁控制系統(tǒng)完全補償優(yōu)點：簡單，響應(yīng)快速缺點：控制精度差1.2自動控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)二、閉環(huán)控制控制過程：控制任務(wù)：保持工作機械恒速運行.

nuf@uua

n閉環(huán)勵磁控制系統(tǒng)控制量：uf=K(ur-ub)偏差信號：ur-ub按偏差調(diào)節(jié)：ug↑→ub↑→(ur-ub)↓→uf↓→

ug↓

控制過程：

閉環(huán)控制:是指控制器與控制對象之間既有順向作用又有反向聯(lián)系的控制過程。輸入量輸出量閉環(huán)控制典型方框圖擾動輸出影響輸入，所以能削弱或抑制干擾；低精度元件可組成高精度系統(tǒng)；因為可能發(fā)生超調(diào)，振蕩，所以穩(wěn)定性很重要。

特點：控制器被控制對象-三、

復(fù)合控制

被控量

輸入信號(-)

補償裝置

控制裝置

受控對象按輸入補償開環(huán)和閉環(huán)控制相結(jié)合的一種控制方式三、

復(fù)合控制

被控量

輸入信號(-)

補償裝置

控制裝置

受控對象按擾動補償

擾動量

四.開環(huán)控制與反饋控制的比較

開環(huán)

優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，工作穩(wěn)定，當輸入信號和擾動能預(yù)先知道時，控制效果較好。

缺點：不能自動修正被控制量的偏離，系統(tǒng)的元件參數(shù)變化以及外來的未知擾動對控制精度影響較大。閉環(huán)

優(yōu)點：具有自動修正被控制量出現(xiàn)偏離的能力，可以修正元件參數(shù)變化及外界擾動引起的誤差，控制精度高。

缺點：被控量可能出現(xiàn)振蕩，甚至發(fā)散。五、閉環(huán)控制系統(tǒng)的術(shù)語和定義

主反饋—

與輸出成正比或某種函數(shù)關(guān)系，但量綱與給定信號相同；偏差—

給定信號與主反饋信號之差的信號；控制單元—接受偏差信號，通過轉(zhuǎn)換與運算，產(chǎn)生期望的控制量；擾動—

對系統(tǒng)輸出產(chǎn)生不利影響的信號；反饋環(huán)節(jié)—檢測輸出信號并轉(zhuǎn)換與給定輸入信號相同量綱的信號；輸出量

環(huán)節(jié)名稱(或特性)輸入量(a)

(-)(b)re=r-b

b(c)c引出點cc閉環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖

方框圖的組成：被控量偏差信號

(-)

參考輸入信號r(t)

調(diào)節(jié)器(或控制器)u(t)受控系統(tǒng)e(t)

c(t)反饋信號

控制量

擾動

給定

控制環(huán)節(jié)

放大

元件

執(zhí)行

機構(gòu)

受控

對象

反饋裝置

(測量元件)恒值系統(tǒng)：也稱鎮(zhèn)定系統(tǒng)。輸出量以一定的精度等于給定值，而給定值一般不變化或變化很緩慢，擾動可隨時變化的系統(tǒng)稱為恒值系統(tǒng)，在生產(chǎn)過程中，這類系統(tǒng)非常多。例如，冶金部門的恒溫系統(tǒng)，石油部門的恒壓系統(tǒng)等。六、控制系統(tǒng)的其他分類

隨動系統(tǒng)：輸出量能以一定精度跟隨給定值變化的系統(tǒng)稱隨動系統(tǒng)，又稱為跟蹤系統(tǒng)。這類系統(tǒng)的特點是系統(tǒng)的給定值變化規(guī)律完全取決于事先不能確定的時間函數(shù)。例如，火炮系統(tǒng)，衛(wèi)星控制系統(tǒng)等。六、控制系統(tǒng)的其他分類

導(dǎo)彈發(fā)射架方位隨動控制系統(tǒng)導(dǎo)彈發(fā)射架方位隨動控制系統(tǒng)原理圖

4－放大器5－伺服電動機6－他勵繞組7－減速器及發(fā)射架底盤8－光電編碼盤9－模數(shù)轉(zhuǎn)換器10－單片機11－數(shù)模轉(zhuǎn)換器程序控制系統(tǒng)：自動控制系統(tǒng)的被控制量如果是根據(jù)預(yù)先編好的程序進行控制的系統(tǒng)稱程序控制系統(tǒng)。例如，煉鋼爐中的微機控制系統(tǒng)，洲際彈道導(dǎo)彈的程序控制系統(tǒng)等。六、控制系統(tǒng)的其他分類

穩(wěn)定性

被控制信號能跟蹤已變化的輸入信號，從一種狀態(tài)到另一種狀態(tài)，如果能做到，我們就認為該系統(tǒng)是穩(wěn)定的，這是對反饋控制系統(tǒng)提出的最基本要求?？焖傩?/p>

對過渡過程的形式和快慢提出要求，一般稱為動態(tài)性能。穩(wěn)定高射炮射角隨動系統(tǒng)，雖然炮身最終能跟蹤目標，但如果目標變動迅速，而炮身行動遲緩，仍然抓不住目標。七、對自動控制系統(tǒng)的要求準確性

用穩(wěn)態(tài)誤差來表示。在參考輸入信號作用下，當系統(tǒng)達到穩(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。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。七、對自動控制系統(tǒng)的要求.穩(wěn)定性：是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。.快速性：動態(tài)性能，有指標。.準確性：穩(wěn)態(tài)（過度結(jié)束后的）值應(yīng)盡量與期望值一致。tnn1(a)0(b)nt0n0n1t0n(c)n0t(e)n1n0t(d)n0n1n0t(f)(a)、(b)非周期振蕩；(c)發(fā)散振蕩；(d)、(e)收斂振蕩；(f)等幅振蕩。經(jīng)典控制理論20世紀40~50年代形成，單輸入單輸出系統(tǒng)基于：二戰(zhàn)軍工技術(shù)目標：反饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定基本方法：傳遞函數(shù)，頻率法，PID調(diào)節(jié)器(頻域)八、控制理論的發(fā)展：（工業(yè)控制理論）現(xiàn)代控制理論20世紀60~70年代形成，多輸入多輸出系統(tǒng)

基于：冷戰(zhàn)時期空間技術(shù)，計算機技術(shù)目標：最優(yōu)控制基本方法：狀態(tài)方程（時域）3智能控制技術(shù)

20世紀90年代開始發(fā)展專家系統(tǒng)

模糊控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)正在發(fā)展的各個領(lǐng)域

自適應(yīng)控制大系統(tǒng)理論H∞魯棒控制非線性控制（微分幾何，混沌，變結(jié)構(gòu)）作業(yè)題:T1-3T1-4T1-7例：T1-7H1=(Q1,Q2)Q1=f(He)H1H2HeQ1Q2-

補充拉普拉斯變換復(fù)變數(shù)s

復(fù)變函數(shù)G(s)是s的函數(shù)GXGY是實數(shù)模幅角一、定義規(guī)定

f(t)是時間t的函數(shù)t<0,f(t)=0S復(fù)變數(shù)

L拉普拉斯運算符號

F(s)表示f(t)的拉普拉斯變換二、常用函數(shù)的拉普拉斯變換1、指數(shù)函數(shù)A、a是常數(shù)2、階躍函數(shù)A是常數(shù)A=1單位階躍函數(shù)Atf(t)03、斜坡函數(shù)A是常數(shù)A=1單位斜坡函數(shù)tf(t)04、拋物線函數(shù)A是常數(shù)A=1單位拋物線函數(shù)tf(t)05、正弦函數(shù)Aw是常數(shù)6、余弦函數(shù)Aw是常數(shù)7、單位沖激函數(shù)8、冪函數(shù)三、常用的拉普拉斯變換定理1、平移定理若則

是常數(shù)2、微分定理若則3、積分定理若則t=