ch1自動控制理論的一般概念

自動控制基礎(chǔ)授課教師：齊建玲電話Q：719426956本課程安排學(xué)時數(shù)：48學(xué)時課堂：40，實驗：8考試課本專業(yè)唯一一門控制理論課程！教材及參考資料教材：《自動控制理論》劉丁機械工業(yè)出版社

參考資料《自動控制理論》夏德鈐機械工業(yè)出版社《自動控制原理》楊友良電子工業(yè)出版社

《自動控制原理》程鵬高等教育出版社自動控制理論第一章自動控制理論的一般概念第二章控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型第三章控制系統(tǒng)的時域分析法第四章根軌跡法第五章頻率法第六章控制系統(tǒng)的校正第七章非線性系統(tǒng)的分析第八章采樣控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計第一章自動控制的一般概念1-1自動控制的發(fā)展與任務(wù)1-2自動控制的基本方式1-4對控制系統(tǒng)的性能要求1-3控制系統(tǒng)的分類自動控制：

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(biāo)。1-1自動控制的發(fā)展與任務(wù)自動控制研究的內(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?，F(xiàn)代控制理論

主要研究對象: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?？刂评碚摰陌l(fā)展歷程控制理論學(xué)科的發(fā)展：古代具有自動功能的裝置自古有之，例如古埃及的“水鐘”，中國古漢代的“指南車”1765年，JamsWatt發(fā)明的蒸汽機上的離心式飛錘調(diào)速器應(yīng)用了反饋原理進行設(shè)計的。之后，麥克斯韋爾對它的穩(wěn)定性進行分析，并于1868年發(fā)表論文，當(dāng)屬最早的理論工作。18世紀(jì)中葉古代控制理論的發(fā)展歷程18世紀(jì)中葉古代187218901872年E.J.Routh,1890年Hurwitz先后找到了系統(tǒng)穩(wěn)定性的代數(shù)判據(jù)控制理論的發(fā)展歷程赫爾維茨（Hurwitz）勞斯（Routh）189218世紀(jì)中葉古代187218901892年A.M.Liapunov在其“論運動穩(wěn)定性的一般問題”的博士論文中給出了基于廣義能量函數(shù)的系統(tǒng)穩(wěn)定性的一般判據(jù)?？刂评碚摰陌l(fā)展歷程李雅普諾夫

1932189218世紀(jì)中葉古代187218901932年H.Nyquist給出了基于頻率特性的關(guān)于系統(tǒng)穩(wěn)定性的Nyquist判據(jù)?？刂评碚摰陌l(fā)展歷程奈奎斯特在二次世界大戰(zhàn)期間，由于軍事上的需要，雷達和火力控制系統(tǒng)有了較大的發(fā)展，N.Winner在總結(jié)前人成果的基礎(chǔ)上發(fā)表了《控制論》一書，標(biāo)志著控制理論學(xué)科的誕生。1932189218世紀(jì)中葉古代18721890控制理論的發(fā)展歷程二次世界大戰(zhàn)控制論之父——維納控制理論發(fā)展經(jīng)過了三個時期：智能控制/大系統(tǒng)理論現(xiàn)代控制理論經(jīng)典控制理論研究對象：機組自動化等的多輸入多輸出系統(tǒng)。主要數(shù)學(xué)工具：一階微分方程組、矩陣論、狀態(tài)空間法。主要方法：變分法、極大值原理等等重點問題：最優(yōu)控制、隨機控制和自適應(yīng)控制。核心控制裝置：計算機20世紀(jì)70年代20世紀(jì)60年代20世紀(jì)40~50年代研究對象:線性定常單輸入單輸出系統(tǒng)主要數(shù)學(xué)工具:微分方程、傳遞函數(shù)、結(jié)構(gòu)框圖、頻率特性等主要研究方法:時域法、頻域法、根軌跡法主要解決的問題:單機裝置的穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確性。大系統(tǒng)理論是控制理論在廣度上的拓展，例如控制對象延伸到了社會、經(jīng)濟、管理系統(tǒng)，以及生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)等復(fù)雜系統(tǒng)。智能控制理論是控制理論在深度上的挖掘，為解決模擬人腦功能，形成了新的學(xué)科——模擬人腦思維形成模糊控制、專家系統(tǒng)等模擬人腦結(jié)構(gòu)或功能形成人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能控制/大系統(tǒng)理論現(xiàn)代控制理論經(jīng)典控制理論20世紀(jì)70年代20世紀(jì)60年代20世紀(jì)40~50年代廣度上擴展的更為復(fù)雜的系統(tǒng)多輸入多輸出復(fù)雜系統(tǒng)單變量定?？刂葡到y(tǒng)控制理論發(fā)展經(jīng)過了三個時期：我國著名科學(xué)家錢學(xué)森將控制理論應(yīng)用于工程實踐，并與1954年出版了《工程控制論》。自動控制的任務(wù)：通常，在自動控制技術(shù)中，把工作的機器設(shè)備稱為被控對象，把表征這些機器設(shè)備工作狀態(tài)的物理參量稱為被控量，而對這些物理參量的要求值稱為給定值或希望值（或參考輸入）。液位控制系統(tǒng)目標(biāo)液位自動控制的任務(wù)：流入Q1流出Q2H大腦手臂,手控制器氣動閥門浮子控制任務(wù)：維持水箱內(nèi)水位恒定；控制裝置：氣動閥門、控制器；受控對象：水箱、供水系統(tǒng)；被控量：水箱內(nèi)水位的高度；給定值：控制器刻度盤指針標(biāo)定的預(yù)定水位高度；測量裝置：浮子；比較裝置：控制器刻度盤；干擾：水的流出量和流入量的變化都將破壞水位保持恒定；自動控制即沒有人直接參與的控制，其基本任務(wù)是：在無人直接參與的情況下，只利用控制裝置操縱被控對象，使被控制量等于給定值。由此可見：1-２自動控制的基本方式閉環(huán)控制復(fù)合控制開環(huán)控制一、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爐溫開環(huán)控制系統(tǒng)開關(guān)閉合后，不同的輸入電壓u對應(yīng)于不同的溫度t。給定值輸出量典型開環(huán)控制方框圖控制裝置被控對象擾動控制裝置

受控對象輸出量

(電源)輸入量(溫度)擾動量開關(guān)電爐恒溫箱加熱電阻絲爐溫開環(huán)控制系統(tǒng)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。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.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，成本低廉.

控制精度不高,無法抑制擾動.當(dāng)加熱物件增多時，系統(tǒng)溫度調(diào)節(jié)過程如下：經(jīng)電壓放大電動機正轉(zhuǎn)電位器放大器電動機減速器變壓器電阻爐熱電偶一、開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)二、閉環(huán)控制反饋1-自耦變壓器2-電加熱器3-熱電偶4-電動機5-減速器爐溫閉環(huán)控制系統(tǒng)反饋：

輸出量送回至輸入端并與輸入信號比較的過程負反饋：

反饋的信號與輸入信號相減而使偏差越來越小典型閉環(huán)系統(tǒng)方框圖閉環(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。特點:

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)定性很重要開環(huán)

優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，工作穩(wěn)定，當(dāng)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。三、開環(huán)控制與反饋控制的比較主反饋：與輸出成正比或某種函數(shù)關(guān)系；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；反饋單元：將輸出信號轉(zhuǎn)換成反饋信號。四、閉環(huán)控制系統(tǒng)的術(shù)語和定義P7輸出量環(huán)節(jié)名稱（或特性）輸入量(a)(c)c引出點cc方框圖的組成：

(-)(b)re=r-b

b控制器氣動閥門流入Q1浮子水箱流出Q2H方框圖?五、復(fù)合控制復(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。對于主要擾動采用適當(dāng)?shù)难a償裝置實現(xiàn)按擾動控制，同時再組成反饋控制系統(tǒng)實現(xiàn)按偏差控制。按擾動補償輸入信號

(-)

電壓放大器功率放大器電動機測速發(fā)電機電壓放大器電阻R電動機速度復(fù)合控制系統(tǒng)方框圖

下圖是一個閥門的人工控制系統(tǒng)原理示意圖。操作員根據(jù)儀表顯示的液體濃度來調(diào)節(jié)閥門，達到控制處理罐輸出液體濃度的目的。（1）該系統(tǒng)是開環(huán)控制還是閉環(huán)控制系統(tǒng)。（2）指出什么是輸入量，什么是輸出量。習(xí)題1.4一、按控制系統(tǒng)元件特性分類按組成控制系統(tǒng)的各元器件的輸入/輸出特性分為線性控制系統(tǒng)和非線性控制系統(tǒng)。1．線性控制系統(tǒng)1-3控制系統(tǒng)的分類線性控制系統(tǒng)具有一個很顯著的特點，即滿足疊加性和齊次性。

2．非線性控制系統(tǒng)

如果描述系統(tǒng)動態(tài)過程的微分方程是一個非線性微分方程，則該系統(tǒng)就是一個非線性系統(tǒng)。或者說，當(dāng)系統(tǒng)中至少有一個元器件的輸入/輸出特性為非線性的，則該系統(tǒng)就是非線性系統(tǒng)。

典型非線性(b)死區(qū)非線性(a)飽和非線性(c)繼電非線性二、按控制系統(tǒng)信號形式分類1．連續(xù)控制系統(tǒng)當(dāng)控制系統(tǒng)各處的信號都是時間的連續(xù)函數(shù)時，稱為連續(xù)控制系統(tǒng)。

2．離散控制系統(tǒng)

當(dāng)控制系統(tǒng)的某一處或幾處的信號是以脈沖序列或數(shù)碼形式傳遞的，在時間上是離散的，此系統(tǒng)稱為離散控制系統(tǒng)。離散信號取脈沖形式的系統(tǒng)稱為脈沖控制系統(tǒng)；而對于采用數(shù)字計算機或數(shù)字控制器的系統(tǒng)，其離散信號為數(shù)字形式，稱為數(shù)字控制系統(tǒng)。采樣開關(guān)脈沖控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖數(shù)據(jù)保持器控制對象數(shù)字控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖控制器控制對象A∕DD∕A三、按輸入量的變化形式分類1．恒值控制系統(tǒng)

輸入量是不變的常數(shù)，要求輸出量盡可能保持在期望值上。如恒溫、恒壓、恒速系統(tǒng).

2．程序控制系統(tǒng)系統(tǒng)的輸入量是按照預(yù)先設(shè)定的時間函數(shù)變化，要求輸出量準(zhǔn)確或以一定的精度跟蹤變化。如程控機床.3．隨動控制系統(tǒng)（又稱伺服系統(tǒng)）系統(tǒng)的輸入量是隨時間任意變化的，要求輸出量準(zhǔn)確或以一定的精度跟隨輸入量的變化。如雷達、導(dǎo)彈瞄準(zhǔn)、跟蹤衛(wèi)星的雷達天線控制系統(tǒng)等。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).快速性

對過渡過程的形式和快慢提出要求，一般稱為動態(tài)性能。準(zhǔn)確性

用穩(wěn)態(tài)誤差來表示。在參考輸入信號作用下，當(dāng)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。1-4對自動控制系統(tǒng)系統(tǒng)的要求一、穩(wěn)定性暫態(tài)：把輸出量處于變化狀態(tài)稱為暫態(tài)或動態(tài)。穩(wěn)態(tài)：把輸出量處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)（達到的平衡狀態(tài)）稱為穩(wěn)態(tài)或靜態(tài)。所謂穩(wěn)定是指當(dāng)系統(tǒng)受到瞬時擾動的作用，使輸出量偏離了原來的平衡狀態(tài)而產(chǎn)生偏差，當(dāng)擾動消失后，輸出量能夠恢復(fù)到（或接近于）原來的平衡狀態(tài)。穩(wěn)定的系統(tǒng)擾動擾動不穩(wěn)定的系統(tǒng)二、準(zhǔn)確性自動控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性即控制精度的高低，通常用穩(wěn)態(tài)誤差來表示。對于一個穩(wěn)定的系統(tǒng)，當(dāng)暫態(tài)過程結(jié)束到達穩(wěn)態(tài)時，系統(tǒng)輸出量的實際值與期望值之差，稱為穩(wěn)態(tài)誤差。自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差(b)有差系統(tǒng)(a)無差系統(tǒng)擾動擾動三、快速性對于一般的控制系統(tǒng)，當(dāng)給定量突然增加某一值時，輸出量在暫態(tài)過程中的變化形式可能有：期望輸出值(3)(4)期望輸出值期望輸出值(1)(2)1．單調(diào)過程此暫態(tài)過程輸出量單調(diào)變化，且變化比較緩慢，暫態(tài)過程的時間較長。

2．衰減振蕩過程輸出量變化較快，以致調(diào)節(jié)過頭而產(chǎn)生超調(diào)，經(jīng)過幾次振蕩后，達到新的穩(wěn)定工作狀態(tài)3．持續(xù)振蕩過程輸出量在新的平衡狀態(tài)上下振蕩而且是持續(xù)的，始終達不到新的平衡狀態(tài)。4．發(fā)散振蕩過程不但不能糾正偏差，反而使偏差越來越大，總也達不到所要求的穩(wěn)定工作狀態(tài)。tnn1(a)0(b)nt