第一章 自動(dòng)控制理論的一般概念

第一章自動(dòng)控制理論的一般概念第一頁，共三十二頁，2022年，8月28日自動(dòng)控制理論第一章自動(dòng)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(shí)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(jì)第二頁，共三十二頁，2022年，8月28日第一章自動(dòng)控制理論的一般概念1-1自動(dòng)控制發(fā)展簡史1-2自動(dòng)控制的基本方式1-3典型控制系統(tǒng)1-4對(duì)于自動(dòng)控制系統(tǒng)的要求第三頁，共三十二頁，2022年，8月28日1765年，瓦特發(fā)明蒸汽機(jī)，用離心式調(diào)速器控制蒸氣機(jī)1948年，維納《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)》產(chǎn)生40－60年代經(jīng)典控制理論（頻域法為主）60－70年代現(xiàn)代控制理論（時(shí)域法為主)70年代以后大系統(tǒng)控制理論自動(dòng)控制：

在沒有人直接參與的情況下，采用控制裝置或機(jī)械使被控制對(duì)象達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。1-1自動(dòng)控制發(fā)展簡史發(fā)展簡史：第四頁，共三十二頁，2022年，8月28日自動(dòng)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(duì)象:對(duì)單輸入單輸出線性定常系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問題?，F(xiàn)代控制理論主要研究對(duì)象:多輸入、多輸出、時(shí)變參數(shù)、高精度復(fù)雜系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問題。第五頁，共三十二頁，2022年，8月28日研究對(duì)象數(shù)學(xué)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(shí)域法頻域法根軌跡法對(duì)復(fù)雜多變量系統(tǒng)、時(shí)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?yán)碚摖顟B(tài)空間法比較繁瑣（但由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，已克服)第六頁，共三十二頁，2022年，8月28日閉環(huán)控制復(fù)合控制開環(huán)控制1-2自動(dòng)控制的基本方式第七頁，共三十二頁，2022年，8月28日一、開環(huán)控制控制裝置與被控對(duì)象之間只有順向作用而沒有反向聯(lián)系的控制。溫度計(jì)

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(duì)應(yīng)于不同的溫度t。第八頁，共三十二頁，2022年，8月28日給定值輸出量典型開環(huán)控制的方框圖控制器被控制對(duì)象擾動(dòng)輸出量

受控對(duì)象控制裝置

(電源)輸入量(溫度)擾動(dòng)量開關(guān)電爐恒溫箱加熱電阻絲爐溫開環(huán)控制系統(tǒng)方框圖第九頁，共三十二頁，2022年，8月28日控制方式：按給定值操縱。信號(hào)由給定值至輸出量單向傳遞。一定的給定值對(duì)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(duì)于工作過程中受到的擾動(dòng)或特性參數(shù)的變化無法自動(dòng)補(bǔ)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(dòng)信號(hào)較弱的場合.開環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn)：信號(hào)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(dòng).第十頁，共三十二頁，2022年，8月28日例:

直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng)。

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

第十一頁，共三十二頁，2022年，8月28日二、閉環(huán)控制圖示:人工電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)反饋第十二頁，共三十二頁，2022年，8月28日控制任務(wù)：保持工作機(jī)械恒速運(yùn)行.控制過程：第十三頁，共三十二頁，2022年，8月28日反饋：

輸出量送回至輸入端并與輸入信號(hào)比較的過程負(fù)反饋：

反饋的信號(hào)與輸入信號(hào)相減而使偏差越來越小典型閉環(huán)系統(tǒng)方框圖第十四頁，共三十二頁，2022年，8月28日閉環(huán)控制:

是指控制器與控制對(duì)象之間既有順向作用有反向聯(lián)系的控制過程。特點(diǎn):

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?yàn)榭赡馨l(fā)生超調(diào)，振蕩，所以穩(wěn)定性很重要第十五頁，共三十二頁，2022年，8月28日開環(huán)

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，工作穩(wěn)定，當(dāng)輸入信號(hào)和擾動(dòng)能預(yù)先知道時(shí)，控制效果較好。缺點(diǎn)：不能自動(dòng)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(dòng)對(duì)控制精度影響較大。閉環(huán)

優(yōu)點(diǎn)：具有自動(dòng)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(dòng)引起的誤差，控制精度高。

缺點(diǎn)：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第十六頁，共三十二頁，2022年，8月28日主反饋

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

—給定信號(hào)與主反饋信號(hào)之差的信號(hào)；控制單元

—接受偏差信號(hào)，通過轉(zhuǎn)換與運(yùn)算，產(chǎn)生期望的控制量；擾動(dòng)

—對(duì)系統(tǒng)輸出產(chǎn)生不利影響的信號(hào)；反饋環(huán)節(jié)

—檢測輸出信號(hào)并轉(zhuǎn)換與給定輸入信號(hào)相同量綱的信號(hào)。四、閉環(huán)控制系統(tǒng)的術(shù)語和定義第十七頁，共三十二頁，2022年，8月28日輸出量環(huán)節(jié)名稱（或特性）輸入量(a)

(-)(b)re=r-b

b(c)c引出點(diǎn)cc閉環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖

方框圖的組成：

擾動(dòng)被控量偏差信號(hào)

(-)

參考輸入信號(hào)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(hào)

控制量

給定

控制環(huán)節(jié)

放大

元件

執(zhí)行

機(jī)構(gòu)

受控

對(duì)象

反饋裝置

(測量元件)第十八頁，共三十二頁，2022年，8月28日擾動(dòng)(b)方框圖(-)utug給定裝置放大器電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速反饋裝置觸發(fā)器晶闡管可控整流器控制裝置受控對(duì)象nueudo第十九頁，共三十二頁，2022年，8月28日五、復(fù)合控制它是把按偏差控制與按擾動(dòng)控制結(jié)合起來，對(duì)于主要擾動(dòng)采用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償裝置實(shí)現(xiàn)按擾動(dòng)控制，同時(shí)再組成反饋控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)按偏差控制，以消除其余擾動(dòng)產(chǎn)生的偏差。按擾動(dòng)補(bǔ)償

輸入信號(hào)

(-)

電壓放大器功率放大器電動(dòng)機(jī)測速發(fā)電機(jī)電壓放大器電阻R電動(dòng)機(jī)速度復(fù)合控制系統(tǒng)方框圖第二十頁，共三十二頁，2022年，8月28日也稱鎮(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(dòng)可隨時(shí)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。1-3典型控制系統(tǒng)恒值系統(tǒng)：第二十一頁，共三十二頁，2022年，8月28日例電站鍋爐空氣預(yù)熱器密封間隙控制系統(tǒng)系統(tǒng)通過間隙傳感器實(shí)時(shí)測量出密封間隙值并送入計(jì)算機(jī)，與設(shè)定值比較后，發(fā)出控制指令至電動(dòng)機(jī)提升機(jī)構(gòu)，調(diào)整密封板的位置，達(dá)到維持密封間隙值恒定的目的。第二十二頁，共三十二頁，2022年，8月28日

輸出量能以一定精度跟隨給定值變化的系統(tǒng)稱隨動(dòng)系統(tǒng)，又稱為跟蹤系統(tǒng)。這類系統(tǒng)的特點(diǎn)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(shí)間函數(shù)。例如，火炮系統(tǒng)，衛(wèi)星控制系統(tǒng)等。隨動(dòng)系統(tǒng)：第二十三頁，共三十二頁，2022年，8月28日例:一位置隨動(dòng)系統(tǒng)的工作原理圖?？刂迫蝿?wù)：要求工作機(jī)械能夠跟隨指令機(jī)構(gòu)同步轉(zhuǎn)動(dòng),即要使工作機(jī)械的角位置跟隨給定指令轉(zhuǎn)角，亦即使：第二十四頁，共三十二頁，2022年，8月28日首先確定以下基本問題：（1）受控對(duì)象:工作機(jī)械；（2）被控量:角位置；（3）指令轉(zhuǎn)角:給定值；（4）測量元件:通過兩個(gè)相同的電位計(jì)測量轉(zhuǎn)角及，并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓及；（5）計(jì)算比較:兩個(gè)測量電位計(jì)的橋式連接，即完成了減法運(yùn)算，兩電刷之間的電壓代表了被控量對(duì)給定量的誤差；（6）執(zhí)行機(jī)械:電機(jī)減速裝置。系統(tǒng)的工作原理：

如果工作機(jī)械轉(zhuǎn)角等于指令轉(zhuǎn)角，則經(jīng)事先整定，即電機(jī)不動(dòng)，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。當(dāng)指令轉(zhuǎn)角改變，隨之改變，而工作機(jī)械仍處于原位，則從而使電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)工作機(jī)械朝所要求的方向快速偏轉(zhuǎn)，直至電機(jī)停轉(zhuǎn)，此時(shí)系統(tǒng)在新的位置上處于與指令同步的平衡工作狀態(tài)，即完成了跟隨的任務(wù)。第二十五頁，共三十二頁，2022年，8月28日

自動(dòng)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(jìn)行控制的系統(tǒng)稱程序控制系統(tǒng)。例如，煉鋼爐中的微機(jī)控制系統(tǒng)，洲際彈道導(dǎo)彈的程序控制系統(tǒng)等。程序控制系統(tǒng)：第二十六頁，共三十二頁，2022年，8月28日穩(wěn)定性

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

對(duì)過渡過程的形式和快慢提出要求，一般稱為動(dòng)態(tài)性能。穩(wěn)定高射炮射角隨動(dòng)系統(tǒng)，雖然炮身最終能跟蹤目標(biāo)，但如果目標(biāo)變動(dòng)迅速，而炮身行動(dòng)遲緩，仍然抓不住目標(biāo)。準(zhǔn)確性

用穩(wěn)態(tài)誤差來表示。在參考輸入信號(hào)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。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(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)系統(tǒng)的要求第二十七頁，共三十二頁，2022年，8月28日.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(dòng)態(tài)性能，有指標(biāo)。.準(zhǔn)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。第二十八頁，共三十二頁，2022年，8月28日控制系統(tǒng)的分析典型信號(hào)下的響應(yīng)(階躍響應(yīng),頻率特性)數(shù)學(xué)模型(傳遞函數(shù),狀態(tài)方程)性能指標(biāo)(穩(wěn)態(tài)誤差,超調(diào)量)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)性能要求(性能指標(biāo),約束條件)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計(jì)和整定性能校核(計(jì)算,仿真,實(shí)驗(yàn))1-5自動(dòng)控制理論的基本問題第