自動控制的一般概念

《自動控制原理》授課教師：楊敏聯(lián)系電話：83535948地址：主樓906信息與控制系答疑時間：每周一次，時間待定歡迎任何形式的意見和建議!

學時：48學時（3學分） 教材：《自動控制原理》第4版胡壽松主編 參考書:《自動控制原理》吳麒《自動控制原理》李友善Matlab及有關該軟件的工具書

作業(yè)：每章交一次 答疑：每周一次（時間地點待定）

一.

介紹課程基本情況二.課程的性質和特點自動控制是一門技術學科，從方法論的角度來研究系統(tǒng)的建立、分析與設計。《自動控制原理》是本學科的技術基礎課，（1）自動控制理論的基礎課程，該課程與其它課程的關系。自動控制理論電機與拖動模擬電子技術線性代數(shù)微積分（含微分方程）復變函數(shù)、拉普拉斯變換電路理論大學物理（力學、熱力學）信號與系統(tǒng)（2）自動控制理論已經(jīng)發(fā)展為理論嚴密、系統(tǒng)完整、邏輯性很強的一門學科。從基本反饋控制原理發(fā)展到：自適應控制、優(yōu)化控制、魯棒控制、大系統(tǒng)控制、智能控制。討論的對象：因果系統(tǒng)、工程系統(tǒng)系統(tǒng)的廣義性：經(jīng)濟、社會、工程、生物、環(huán)境、醫(yī)學課程特點：研究系統(tǒng)的共性問題實際系統(tǒng)物理模型數(shù)學模型方法（系統(tǒng)組成分析、設計三.本課程學習方法1、打好基礎

高等數(shù)學（微積分）、信號與系統(tǒng)2、做好預習3、聽好課講課的速度較快、了解課程內容掌握基本理論和基本方法4、做好習題

應用學到的基本理論和基本方法解決實際問題第一章自動控制的一般概念1.1引言_歷史的回顧1.2自動控制系統(tǒng)的基本概念1.3反饋控制和開環(huán)控制1.4自動控制系統(tǒng)的分類1.5對自動控制系統(tǒng)的基本要求1.6本課程的研究任務1.1引言_歷史的回顧

自動控制理論是研究自動控制共同規(guī)律的技術科學。既是一門古老的、已臻成熟的學科，又是一門正在發(fā)展的、具有強大生命力的新興學科。從1868年馬克斯威爾提出低階系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù)至今一百多年里，自動控制理論的發(fā)展可分為四個主要階段：第一階段：經(jīng)典控制理論的產(chǎn)生、發(fā)展和成熟；第二階段：現(xiàn)代控制理論的興起和發(fā)展；第三階段：大系統(tǒng)控制興起和發(fā)展階段；第四階段：智能控制發(fā)展階段。經(jīng)典控制理論控制理論的發(fā)展初期，是以反饋理論為基礎的自動調節(jié)原理，主要用于工業(yè)控制。第二次世界大戰(zhàn)期間，為了設計和制造飛機及船用自動駕駛儀、火炮定位系統(tǒng)、雷達跟蹤系統(tǒng)等基于反饋原理的軍用裝備，進一步促進和完善了自動控制理論的發(fā)展。1868年，馬克斯威爾（J.C.Maxwell）提出了低階系統(tǒng)的穩(wěn)定性代數(shù)判據(jù)。1895年，數(shù)學家勞斯（Routh）和赫爾威茨（Hurwitz）分別獨立地提出了高階系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)，即Routh和Hurwitz判據(jù)。二戰(zhàn)期間（1938-1945年）奈奎斯特（H.Nyquist）提出了頻率響應理論1948年，伊萬斯（W.R.Evans）提出了根軌跡法。至此，控制理論發(fā)展的第一階段基本完成，形成了以頻率法和根軌跡法為主要方法的經(jīng)典控制理論。經(jīng)典控制理論的基本特征（1）主要用于線性定常系統(tǒng)的研究，即用于常系數(shù)線性微分方程描述的系統(tǒng)的分析與綜合；（2）只用于單輸入，單輸出的反饋控制系統(tǒng)；（3）只討論系統(tǒng)輸入與輸出之間的關系，而忽視系統(tǒng)的內部狀態(tài)，是一種對系統(tǒng)的外部描述方法。研究對象：單輸入單輸出線性系統(tǒng)數(shù)學基礎：微積分、積分變換系統(tǒng)描述方法：傳遞函數(shù)研究方法：時域法、頻率特性法、根軌跡法核心概念：輸出反饋適用系統(tǒng)：線性系統(tǒng)

應該指出的是，反饋控制是一種最基本最重要的控制方式，引入反饋信號后，系統(tǒng)對來自內部和外部干擾的響應變得十分遲鈍，從而提高了系統(tǒng)的抗干擾能力和控制精度。與此同時，反饋作用又帶來了系統(tǒng)穩(wěn)定性問題，正是這個曾一度困擾人們的系統(tǒng)穩(wěn)定性問題激發(fā)了人們對反饋控制系統(tǒng)進行深入研究的熱情，推動了自動控制理論的發(fā)展與完善。因此從某種意義上講，古典控制理論是伴隨著反饋控制技術的產(chǎn)生和發(fā)展而逐漸完善和成熟起來的?，F(xiàn)代控制理論

由于經(jīng)典控制理論只適用于單輸入、單輸出的線性定常系統(tǒng)，只注重系統(tǒng)的外部描述而忽視系統(tǒng)的內部狀態(tài)，因而在實際應用中有很大局限性。

隨著航天事業(yè)和計算機的發(fā)展，20世紀60年代初，在經(jīng)典控制理論的基礎上，以線性代數(shù)理論和狀態(tài)空間分析法為基礎的現(xiàn)代控制理論迅速發(fā)展起來。1954年貝爾曼（R.Belman)提出動態(tài)規(guī)劃理論1956年龐特里雅金（L.S.Pontryagin）提出極大值原理1960年卡爾曼R.K.Kalman)提出多變量最優(yōu)控制和最優(yōu)濾波理論在數(shù)學工具、理論基礎和研究方法上不僅能提供系統(tǒng)的外部信息（輸出量和輸入量），而且還能提供系統(tǒng)內部狀態(tài)變量的信息。它無論對線性系統(tǒng)或非線性系統(tǒng)，定常系統(tǒng)或時變系統(tǒng)，單變量系統(tǒng)或多變量系統(tǒng)，都是一種有效的分析方法。現(xiàn)代控制理論以狀態(tài)空間法為基礎，研究多輸入-多輸出、時變、非線性一類控制系統(tǒng)的分析與設計問題。系統(tǒng)具有高精度和高效能的特點。研究對象：多輸入多輸出線性系統(tǒng)數(shù)學基礎：線性代數(shù)、矩陣理論系統(tǒng)描述方法：狀態(tài)空間表達式研究方法：時域法核心概念：狀態(tài)反饋適用系統(tǒng)：線性、非線性1.2自動控制系統(tǒng)的基本概念

熱力系統(tǒng)的人工控制

鍋爐溫度眼腦手給定溫度人擾動-熱力系統(tǒng)的自動控制

鍋爐溫度測量環(huán)節(jié)控制閥比較器-溫度給定溫度自動控制器歸納1控制僅的任訊務；2自動置控制鳥；3自動擾控制意系統(tǒng)換；4輸入鼓量；5輸出景量；6擾動狐量；7控制飾裝置；8前向仿通道診；9反饋撫通道鼓。-擾動-+1、自蓬動控較制在無楊人直笑接參視與的徒情況飄下，打通過判控制稅器使怎被控參對象陡或過樓程自甩動地車按照療預定累要求仇進行并。3、輸出父量被控味對象歲的輸批出量謝，是吩要求監(jiān)嚴格焦加以逝控制借的物凡理量眠。（腫定值命或給餃定規(guī)贈律）2、自動屋控制較系統(tǒng)將被跳控對逝象和丹控制真裝置漆（控順制器區(qū)）按龜照一代定的烈方式設連接歷起來肉構成結的有孕機總痰體。4、控制得裝置被控繭對象密施加誼控制抄作用爬的機鉗構的探總體擠。6、擾動擾動串是一何種對豈系統(tǒng)奇的輸千出產(chǎn)挺生不越利影蔑響的璃信號甩。如果冊擾動贏產(chǎn)生東在系售統(tǒng)內愉部稱爬為內先擾；東擾動搶產(chǎn)生毛在系統(tǒng)投外部要，則硬稱為愉外擾敬。5、被序控對太象對象童是一袋個設講備，跌它是蠶由一竊些機判器零即件有款機地塑組合顏在一拾起的鴨，其蔥作用屆是完縫成一順個特票定的隔動作鄙。在糾下面結的討寄論中殃，稱積任何慎被控嫌物體孤（如置加熱海爐、忠化學棋反應昨器或蔥宇宙銳飛船擠）為蝦被控翁對象暴。簡蠻稱對陸象。例題1-題2液位鼓控制歪系統(tǒng)圖（I）是炭一個烏液位濕控制族系統(tǒng)原理傍圖。好自動嫩控制交器通過幫比較箭實際陸液位巾與希遼望液框位，勁并通慚過調劃整氣斤動閥寶門的逆開度塞，對權誤差襖進行丹修正絡，從政而保糾持液典位不耕變。圖叨（II）是疏該控丟制系迷統(tǒng)的方框編圖。比較奔、放厲大器：控忍制藍器浮昨子開：測溪量元倡件氣可動咐閥巨門賭：執(zhí)投行機畫構水笛箱：被控忽對象1.亡3開環(huán)禁控制死與反毯饋控討制1.束3.想1開環(huán)謠控制功系統(tǒng)1.哈3.頭2反饋唐控制向系統(tǒng)1.鋸3.紐奉3開環(huán)牌與反炊饋控聚制系斧統(tǒng)的挨比較1.害3.購1開環(huán)可控制特點杏：系屢統(tǒng)的款輸出柳量不謀會對蘭系統(tǒng)疑的控其制作鞋用發(fā)憐生影叛響?？刂平溲b置閥與被室控對配象之層間只義有順續(xù)向作銀用而廉沒有邁反向恨聯(lián)系引的控桶制。例子帽：自郵動售覆貨機嘗、自栗動洗致衣機青、產(chǎn)零品生近產(chǎn)線邪、數(shù)控窯機床機、紅竊綠燈卸等例題1-千4開環(huán)喂爐溫樸控制篩系統(tǒng)被控籠對象苦：爐輔子被控史量（務輸出最量）局：爐謀溫控制井裝置堤：開匆關K和電竭熱絲客對被暫控制形量起描控制覽作用菊。輸出量(爐溫)

控制裝置被控對象輸入信號(爐子)(開關)開環(huán)餓控制獄的特較點由于隔開環(huán)眉控制舊的特資點是匪控制術裝置邁只按款照給驗定的緊輸入尖信號肝對被席控制即量進互行單天向控功制，烘而不壇對控伍制量梅進行四測量受并反嗽向影床響控媽制作傾用。壓這樣長，當冰爐溫沾偏離笨希望鼠值時沉，開添關K的接輝通或當斷開斑時間健不會廉相應煤改變蔑。因存此，溝開環(huán)澡控制撲不具昏有修澡正由旺于擾稍動（鐘使被刃控制怕量偏診離希歡望值首的因辦素）酸而出捕現(xiàn)的熄被控繞制量蓮與希肆望值瓜之間勻偏差破的能飯力，勤即抗攀干擾損能力納差。例題1-難5溫度卵自動嘴控制墊系統(tǒng)戒原理禽圖1.斬3.地2反饋陽控制溫度違自動叼控制擦系統(tǒng)冬方框錦圖反饋賞控制反饋崖控制樹是這說樣一拼種控禮制過身程，邁它能井夠在弱存在少擾動育的情串況下灣，力形圖減胞小系辟統(tǒng)的擱輸出委量與則參考蹈輸入省量（恒也稱軋參據(jù)復量）丟（或旺者任碗意變吩化的起希望砍的狀哀態(tài)）抄之間樂的偏客差，儉而且克其工手作正紐奉是基險于這渣一偏騾差基掀礎之震上的暫。反饋漸控制飯系統(tǒng)反饋詳控制洋系統(tǒng)碗是一信種能狗對輸陣出量薄與參絞考輸割入量受進行春比較，斷并力屯圖保找持兩彼者之粱間的忙既定癢關系具的系且統(tǒng)，否它利橡用輸籌出量與輸兼入量菊的偏塌差來桿進行離控制餐。應跑當指牌出，罰反饋膀控制消系統(tǒng)刃不限于工訪程范猶疇，循在各及種非急工程做范疇港內，桑諸如端經(jīng)濟谷學和仿生物沸學中，俊也存煉在著知反饋盜控制抱系統(tǒng)征。反饋臉控制腿系統(tǒng)鐵的基葬本組揚成被控播對象控制握裝置(由具萬有一堅定職嘉能的犧各種涉基本禽元件殲組成)測量特元件樸：其職夏能是惱測量楚被控核制的鳥物理竟量;給定輕元件治：其職鑄能是仆給出注與期卷望的察被控限量相被對應怎的系鍋統(tǒng)輸付入量巖（即輛參據(jù)樹量）香。比較結元件沙：把測野量元運件檢積測的碎被控世量實華際值永與給轟定元桂件給徐出的豈參據(jù)熄量進襪行比千較，央求出雨它們巴之間閉的偏宇差。放大魯元件餡：將比喘較元給件給護出的肅偏差武進行敞放大見，用域來推境動執(zhí)沒行元瘦件去忘控制顛被控從對象曲。執(zhí)行廣元件宴：直接革推動拐被控戴對象偏，使玩其被菊控量搞發(fā)生就變化眾。校正惹元件孫：亦稱亭補償銳元件伶，它鍵是結術構或飯參數(shù)隨便于走調整劈燕的元獅件，澡用串尊聯(lián)或起反饋呼的方泊式連淚接在腸系統(tǒng)晌中，萬以改帥善系魯統(tǒng)性氧能。用“○”號代縣表比稅較元新件，唯“—”號代尺表兩亞者符惹號相斧反，浩“+”號代匹表兩蘇者符土號相山同。助信號謎沿箭勻頭方驗向從蜓輸入損端到舉達輸謎出端靈的傳墾輸通抱路稱團前向太通路蓄；系件統(tǒng)輸屆出量碗經(jīng)測蛋量元騎件反愿饋到睛輸入依端的堵傳輸鬼通路享稱主勢反饋尾通路綢。前批向通覺路與機主反裝饋通揚路共喜同構畢成主數(shù)回路屈。此血外，傾還有狂局部數(shù)反饋壤通路駛以及辦由它族構成予的內艇回路旨。1.但3.裳3閉環(huán)倡與開薦環(huán)控趙制系耳統(tǒng)的猾比較閉環(huán)貪控制霜系統(tǒng)征的特齒點偏差哪控制遷，可渴以抑濤制內哄、外近擾動燙對被反控制省量產(chǎn)幫生的午影響仰。精灣度高慘、結蹦構復助雜，務設計軋、分午析麻慈煩。開環(huán)晨控制滾系統(tǒng)使的特蟻點順向聾作用刻，沒決有反找向的頌聯(lián)系偏，沒住有修詢正偏復差能澡力，襪抗擾勸動性似較差悶。結煮構簡疊單、漏調整汪方便純、成隊本低候。1.宋4自動勵控制葵系統(tǒng)宵的分能類按控就制方吵式分按元牧件類橡型分按系才統(tǒng)功段用分按系導統(tǒng)性側能分按參停據(jù)量港變化熱規(guī)律生分開環(huán)嗎控制反饋舍控制復合蹦控制按控兩制方劉式分復合盼控制射方式對于叨主要櫻擾動鋼采用咽適當攜的補怠償裝裹置實穩(wěn)現(xiàn)按跪擾動鞭控制磨，同探時，萍再組鮮成反尺饋控蕉制系尚統(tǒng)實霸現(xiàn)按賤偏差掉控制將，以邁消除囑其余難擾動腰的影都響。系統(tǒng)漁的主存要擾展動已談被補嗎償，障反饋蔽控制翼系統(tǒng)蛇就比澇較容繪易設統(tǒng)計，洋控制功效果樓也會扁更好其。被控量輸入信號(-)補償裝置控制裝置受控對象機械引系統(tǒng)——恒張犬力系月統(tǒng)電氣陣系統(tǒng)機電朵系統(tǒng)——全自落動照謊相機社，光偷機電屑結合液壓扔系統(tǒng)——伺服根液壓尚缸，跪汽車富發(fā)動租機，求大型的仿無真模期擬臺氣動滑系統(tǒng)生物龍系統(tǒng)按元件類型分按系規(guī)統(tǒng)功幕用分溫度膝控制亮系統(tǒng)壓力蒜控制令系統(tǒng)位置榨控制陣系統(tǒng)貼育線性錢系統(tǒng)非線平性系社統(tǒng)連續(xù)鎮(zhèn)系統(tǒng)定常鉗系統(tǒng)時變剪系統(tǒng)確定寶性系搏統(tǒng)不確劇定性欄系統(tǒng)按系嬸統(tǒng)性到能分離散連系統(tǒng)一、龍線性勾連續(xù)帶控制俱系統(tǒng)式中申：c(床t)—被控鍛量；r(晉t)—系統(tǒng)懲輸入塑量。泳系數(shù)a0，a1，…，an，b0，b1，…，bm若是臭常數(shù)哭，稱靜為定常殲系統(tǒng)；若票隨時撕間變仍化，叮稱為時變食系統(tǒng)。這類饑系統(tǒng)樣可以戲用線背性微憲分方嚴程式購描述害：二、復線性漢定常府離散封控制斥系統(tǒng)式中董：m≦磚n，n為差砍分方合程的垃次數(shù)戶；系圍數(shù)a0，a1，…，an，b0，b1，…，bm為常過系數(shù)慈；r(守k)，c(盟k)分別菊為輸配入和減輸出巡壽采樣角序列候。三、義非線望性控汪制系血統(tǒng)非線下性方蜘程的朗特點浙：系數(shù)球與變緩量有挪關方程粥中含地有變緞量及駕其導峽數(shù)的滅高次嘉冪或捐乘積掀項。恒值若控制廉系統(tǒng)隨動使系統(tǒng)程序萬控制咐系統(tǒng)按參銷據(jù)量柄變化為規(guī)律折分1、恒然值控趕制系杏統(tǒng)（平調節(jié)文器）：參據(jù)數(shù)量是反一個諸常值,要求斯被控鐮量也盯等于傅一個吐常值岡。這運類系萍統(tǒng)分趙析、事設計溜的重恭點是略研究寇各種撲擾動筒對被銅控對顛象的趁影響植以及塞抗擾案動的夠措施滅。過程會控制絹系統(tǒng)泊：被土控量軟是溫院度、狀流量早、壓昏力、化液位乏等生戲產(chǎn)過厲程參姑量。2、隨接動系偏統(tǒng)（稈跟蹤問系統(tǒng)想）：雙參據(jù)稍量是懂預先粘未知希的隨偷時間換任意舉變化眾的函改數(shù)，四要求尚被控屈量以濫盡可北能小采的誤聞差跟第隨參毛據(jù)量績的變棗化。紀這類龜系統(tǒng)牧分析從、設研計的餅重點培是研楚究被紋控量浮跟隨櫻的快背速性書和準唇確性昏。伺服隔系統(tǒng)安：被細控量財是機史械位蹄置及餃其導異數(shù)。3、程饒序控慌制系循統(tǒng)：參據(jù)影量是宿按預貴定規(guī)暮律隨梳時間裂變化禽的函段數(shù)，爬要求忍被控什量迅差速、殺準確友地加爆以復賽現(xiàn)。穩(wěn)定遇性：1）對恒朵值系切統(tǒng)，死要求柄當系窩統(tǒng)受弦到擾朱動后吧，經(jīng)遙過一臨定時劫間的電調整泄能夠友回到奶原來貨的期鞏望值陷。2）對隨突動系舊統(tǒng)，士被控筐制量咸始終蓋跟蹤荒參據(jù)蕉量的棉變化辱。穩(wěn)定邪性是街對系忠統(tǒng)的嗽基本狼要求繼，不索穩(wěn)定辱的系坐統(tǒng)不蛇能實來現(xiàn)預廣定任介務。穩(wěn)定提性通劈燕常由岡系統(tǒng)仗的結隱構決搞定與崇外界璃因素盛無關捆。1.惡5.飲1對自青動控臭制系勞統(tǒng)性尼能的丟基本聽要求可以狀歸結級為穩(wěn)定性漿（長廣期穩(wěn)千定性筑）、準確性喇（精粘度）毛和快速性番（相餅對穩(wěn)閥定性穗）。穩(wěn)準快1.訊5對自傻動控做制系乒統(tǒng)的疤基本賄要求準確下性：用穩(wěn)要態(tài)誤責差來磁表示魔。在參緊考輸繞入信孟號作煉用下捕，當幣系統(tǒng)戴達到慢穩(wěn)態(tài)顛后，躲其穩(wěn)癥態(tài)輸壟出與鎖參考療輸入甚所要醫(yī)求的此期望哭輸出談之差切叫做浮給定洞穩(wěn)態(tài)山誤差票。顯獎然，敏這種勉誤差榨越小哀，表