自動控制理論鄒伯敏第三第一章課件

主講:段納503A要求自動控制理論1課程安排（72學(xué)時）理論課（64學(xué)時）

經(jīng)典控制理論（1-6章）現(xiàn)代控制理論（9章）實驗（8學(xué)時）

典型環(huán)節(jié)及其階躍響應(yīng)（2學(xué)時）二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)（2學(xué)時）系統(tǒng)頻率特性測量（2學(xué)時）連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)超前校正（2學(xué)時）23考核4第一章緒論1.1引言1.2

自動控制系統(tǒng)的一般概念1.3

開環(huán)控制與閉環(huán)控制1.4自動控制系統(tǒng)的分類1.5自動控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)及本課程的研究內(nèi)容

本章小結(jié)5

自動控制理論是自動化學(xué)科的重要理論基礎(chǔ)，是研究自動控制系統(tǒng)共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)，專門研究自動控制系統(tǒng)的基本原理和基本方法。6

1.1引言

在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的眾多領(lǐng)域中，自動控制技術(shù)起著越來越重要的作用。自動控制技術(shù)給人們提供了獲得動態(tài)系統(tǒng)最佳性能的方法，從普通的工業(yè)生產(chǎn)到尖端的國防科技，到處都有自動控制技術(shù)大顯身手的空間，它使得無數(shù)高難度的、復(fù)雜的、高精度的控制成為可能。71、自動控制技術(shù)應(yīng)用于軍事、航天領(lǐng)域火炮、雷達(dá)自動跟蹤目標(biāo)；人造衛(wèi)星、宇宙飛船的發(fā)射與回收；導(dǎo)彈的精確制導(dǎo)；無人駕駛飛機(jī)的飛行控制等。一、應(yīng)用82、自動控制技術(shù)應(yīng)用于民用領(lǐng)域工業(yè)生產(chǎn)過程控制等。

電機(jī)轉(zhuǎn)速控制；鍋爐的溫度和壓力控制；電壓自動穩(wěn)定控制；機(jī)器人控制；9二:自動首控制扶理論乞發(fā)展吳簡介1.萌芽：18世紀(jì)查第一家次技繭術(shù)革輛命（脫機(jī)械川化）時域饑分析①挽俄國央人波痰爾佐歇諾夫護(hù)發(fā)明旬鍋爐需水位屬調(diào)節(jié)晴器②子英國投人瓦友特發(fā)旺明蒸肝汽機(jī)錫離心趕飛錘汗式調(diào)訂速器心，萌濕生了臺自動蒼控制的爹基本搭原理③18梅77年，靠勞斯抵，18斃95年，爺赫維屑茨分歡別提吧出了婆系統(tǒng)藍(lán)穩(wěn)定和的代數(shù)廈判據(jù)瘦（19世紀(jì)蓄末）102.奠定愿基礎(chǔ)（20世紀(jì)呈）——經(jīng)典叉控制祖論①30停~4閣0年代剃，奈資奎斯湯特提撥出系鳳統(tǒng)穩(wěn)念定性充的頻掉率判忽據(jù)奈氏溫圖、斗奈氏嘗判據(jù)雄，從時絨域分瞧析轉(zhuǎn)屢到頻遣域分罩析②19藝40年，琴博德信在頻雪率法擇中引細(xì)入對扭數(shù)坐神標(biāo)系泛，博德多圖③19困42年，枕哈里陳斯引繁入傳遞礎(chǔ)函數(shù)概念④19攤48年，蒜伊萬印恩提翼出根軌察跡分析歌方法⑤19厘49年，派英國化人維藥納在忽火炮默控制窯中發(fā)神現(xiàn)了換反饋鼠的概幅念，軟出版繭了《控制——關(guān)于搖在動釘物和猛機(jī)器茂中控蘿制和犁通訊螞的科凱學(xué)》，奠銳定了敗控制轟論的伶基礎(chǔ)50年代鍬中期掉，添爺加了突非線石性系括統(tǒng)理佩論和離散效控制板理論，形穗成了釀完整限的理蔽論體萄系。113.發(fā)展迅速撇滲透蜘到許畫多學(xué)貢科，臭應(yīng)用反于火錯炮、筑導(dǎo)彈潛控制鞭系統(tǒng)抹，數(shù)草控、模電力療、罰冶嶄金錢學(xué)豪森，19鬼54年首騙創(chuàng)《工程慰控制咽論》推廣憂到其塊它領(lǐng)殿域：生物站控制結(jié)論：生命理系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)紅控制上論：經(jīng)濟(jì)略運(yùn)行程與發(fā)喊展問晴題社會持控制甜論：社會剖管理爬與社末會服負(fù)務(wù)問惡題狀態(tài)級空間金法被值引入圍到控投制理瓜論中,Ka叢lm宅an提出頸了能支控性,能觀剩性,是現(xiàn)叛代控礙制理塵論的胃重要光標(biāo)志.12三、銅分類1.經(jīng)典伙控制志理論40故~5須0年代以傳垃遞函肯數(shù)為帳基礎(chǔ)煤，研帳究單殖輸入依、單吐輸出霉系統(tǒng)里的分炊析和潑設(shè)計粥，針鑼對線跟性定揀常系因統(tǒng)，閑主要扭研究枝方法恭有時依域分滴析法笨、根筍軌跡距法和鉛頻率輩特性都法。2.現(xiàn)代車控制子理論60碌~7討0年代以矩減陣?yán)礤N論等角近代龍數(shù)學(xué)飛方法福作為腥工具疫，主愛要研黑究方喘法是待狀態(tài)鼠空間光法,把高丘階常兼微分織方程惕轉(zhuǎn)化把為一挺階常省微分弄方程軌組來尤描述根系統(tǒng)話，解哈決多給輸入凳多輸渠出的何問題熟，可斃處理櫻多變寇量、歷非線貸性、罪時變羨系統(tǒng).3.顧70年代筆至今巨大責(zé)發(fā)展最優(yōu)烏控制階、系輕統(tǒng)辨宜識、稿多變廚量控默制、絕自適室應(yīng)控稿制、魔專家依系統(tǒng)趨、人抽工智魄能、結(jié)神經(jīng)淺網(wǎng)絡(luò)愁控制牛、模樂糊控岸制、慶大系妖統(tǒng)理術(shù)論等拾等。131.累2自動裹控制煉系統(tǒng)歪的基危本概回念一:自動籍控制概念:自動信控制是在竿人不腳直接洗參與區(qū)的情菌況下柴，利寒用外庫加設(shè)只備或慰裝置垂（稱研為控趁制器烈）使真生產(chǎn)盟過程澡、機(jī)城器、罪設(shè)備乏等（稱為被控動對象碎）自悉動地耳按照游預(yù)定缸的規(guī)還律運(yùn)蜓行，性使被漁控對疾象的疑一個糟或多脾個物慣理參縣數(shù)（屋如溫染度、造流量裝等）（稱任為被共控量巖）能夠繭自動膏地在傘一定愈的精調(diào)度范數(shù)圍內(nèi)慰，按異照給心定的搜規(guī)律演變化舉。把實株現(xiàn)自漠動控殘制所倚需的食各個脾部件倡按一什定得剩規(guī)律護(hù)組合驗起來抗，去核控制能被控蹲對象策，這另個組桐合體凱為控敬制系售統(tǒng)。141、人良工控決制與停自動撿控制圖1-1水池液面控制系統(tǒng)15圖1-2液面人工控制系統(tǒng)的方框圖液面木人工煮控制隨系統(tǒng)棉的方侍框圖劑如圖1-凳2所示細(xì)。16自動宴控制圖1-蹦3:水池辱水位股的自分動控沙制系毅統(tǒng)示寺意圖圖1-3液面自動控制系統(tǒng)17被控朽對象--斗--尋-水池測量煎元件--帽--獎-浮子比較且機(jī)構(gòu)--頌--脊-浮子滲的希綢望位冶置與限實際語位置涂之差放大鋤機(jī)構(gòu)--娘--牧-提高畏系統(tǒng)倡的控承制精撇度執(zhí)行逃元件--爛--共-驅(qū)動珍被控昏對象逗，以術(shù)改變統(tǒng)被控熊制的遣量液位克控制灰系統(tǒng)誰由以掏下五畝部分獸組成撓：181）必光須給濤定水儀位要別求值歉，需百要水驢位給定饞元件.2）必啊須測沈量實坐際水購位,需要測量千元件.3）必倆須比踐較實絮際水冰位與嚇要求診水位,需要比較葬元件.4）必勒須產(chǎn)犧生控卵制策降略,驅(qū)動怖執(zhí)行比元件,需要放大洞元件.5）必奔須操納縱閥積門,需要執(zhí)行捏元件.6）必市須有被控申對象,即水芒箱中協(xié)的水,被控食量為水杰箱水菌位.7）反饋改環(huán)節(jié):閉環(huán)繩系統(tǒng)方中,包括嬸檢測畝、分酬壓、守濾波.2、自護(hù)動控徐制系戒統(tǒng)的夾組成19信號拖線:帶箭鄙號的卡線段,表示棄信號研流通怨的途威徑和釘方向為了稠清楚睛地表鄰示控忙制系降統(tǒng)的誘組成虛及各剖組成勺部分體之間踩信號與的傳帝輸關(guān)若系，涂畫出宴的控鋪制系廈統(tǒng)元香件作常用圖惕稱為系統(tǒng)嚼方框因圖?？驁D：功兇能框漢，信剛號線文，引燒出點灑和比輔較點恭組成比較撓點(相加句點)：表示滋兩個持或兩窯個以庸上的饅信號撫在該哥處進(jìn)飛行代貝數(shù)運(yùn)卸算，奸要注幟明輸羨入信忌號的待極性筑。功能各框：框內(nèi)鳥為系尖統(tǒng)中憲相對友獨(dú)立臟部件鈴的名百稱或古功能堡函數(shù)引出紛點：表示律信號互的引帖出，慣從同賭一信唉號線誼上取尾出的騾信號載，其普大小念和性麥質(zhì)相餓同液面自動控制系統(tǒng)的方框圖液位紐奉自動妙控制泳系統(tǒng)車可用喇下圖體來表粘示：20液面自動控制系統(tǒng)的方框圖液位騙自動僅控制停系統(tǒng)象可用扛下圖遲來表鹿示：21自動蒙控制飄系統(tǒng)盒的基大本組炮成部山分串聯(lián)校正元件放大元件執(zhí)行元件被控對象擾動d(t)并聯(lián)校正元件反饋元件輸出量被控量比較元件e(t)偏差信號主反饋信號b(t)測量反饋元件主反饋局部反饋＋r(t)＋－－給定元件輸入體量22(1稅)輸入涌信號:指給床定裝斑置輸謙出的蕩給定鼠信號逐，又軍稱為參考崗輸入或給定陷量。r(日t)3、自績動控篇制系識統(tǒng)中信剛號的伴定義(2熔)輸出墊信號(被控炎量)：指隊控制年系統(tǒng)蔑中被框控制凱的物簽理量威。c(勞t)(3戲)反饋茂信號:景將系館統(tǒng)(互或環(huán)戚節(jié))踏的輸茶出信瓦號經(jīng)前變換金、處羅理后束送到刃系統(tǒng)萬(葡或環(huán)棋節(jié))躲的筐輸入呈端的葬信號。b(誘t)23(5)擾動怪信號:除控匙制信構(gòu)號以升外，碼對系敵統(tǒng)的梯輸出心有影車響的瞧信號,有內(nèi)企外擾非動之秋分。噪聲d(腸t)(4冤)誤差然信號:參考慶輸入抄與主舊反饋鹿信號偏之差錦。e(襲t)=r(孔t)烘-b該(t)(6)中間輛變量:各環(huán)侮節(jié)的廢作用濁量.241.技3開環(huán)槍控制蛇和閉賺環(huán)控抬制通過家某種莫裝置禿將能店反映鑼輸出澤量的觀信號份引回拿去影姻響控嫂制信衛(wèi)號，嶼這種贏作用鐮稱為哥“反莫饋”(f摟ee授db犁ac彼k)作用.從信臣號傳姻送的呈特點或系累統(tǒng)的膛結(jié)構(gòu)粒形式,可將司控制宰系統(tǒng)罪分為開環(huán)您控制借系統(tǒng)(沒有卻反饋環(huán)節(jié)的系斜統(tǒng))與閉環(huán)詠控制絞系統(tǒng)(有反立饋環(huán)缺節(jié)的鋒系統(tǒng))兩大罷類。25一、董開寶環(huán)控籮制(o企pe兔n-棄lo岔op賞c蘆on索tr店ol匯s蔽ys帳te堵m)定義社：如首果系喉統(tǒng)的宣輸出見量沒瘡有與魚參考諷輸入井相比脾較,即系圖統(tǒng)的泊輸出單與輸硬入間槳不存科在著罵反饋里的通航道，奴這種博控制切方式銹叫開基環(huán)控判制.結(jié)構(gòu)戒如圖智所示哨。26優(yōu)點：結(jié)構(gòu)過簡單計；成疊本低作；只說要被樓控對今象穩(wěn)辟定，用系統(tǒng)少就能幟穩(wěn)定濃的工束作，鬧穩(wěn)定鮮性好賊。缺點：當(dāng)被挖控對劍象或婦控制桶裝置較受到丟干擾符，或肌系統(tǒng)怕參數(shù)龜發(fā)生仙變化朵時，黎會直蓬接影葵響被寄控量穿，系遲統(tǒng)對側(cè)此無家能為喉力。應(yīng)用匙場合：輸出沙量無奪法測啦量，爺對控墾制精晴度要潮求不終高且涉干擾飛影響聚較小嬌，或何這些柜擾動門因素蛾可以暴預(yù)先罩確定毀并能窄給予則補(bǔ)償元。27二、閉瘦環(huán)控?fù)p制系衡統(tǒng)(c舟lo箭se孔d-浴lo拐op箱c蓮on左tr爺ol過s太ys攤te膨m)定義：把系祝統(tǒng)的居控制紋量反別饋到殊它的財輸入池端，配并與蜘參考駐輸入須相比蠻較，災(zāi)這種闊控制監(jiān)方式儀叫做齒閉環(huán)碎控制罷，又期稱為反饋嚷控制。相廟應(yīng)的顧系統(tǒng)需稱為恨閉環(huán)借控制梨系統(tǒng)勺。28缺點：閉環(huán)呀系統(tǒng)爺?shù)慕Y(jié)牌構(gòu)比裕較復(fù)姻雜，宏構(gòu)造膏比較屯困難顏，成榨本提望高，戀存在欣著穩(wěn)摧定性休問題買。優(yōu)點：能冶自動勝消除義或消層弱干電擾信時號對慕控制濤量的茂影響資，具烘有很重強(qiáng)的智糾偏泛能力開，具什有良窄好的辮抗干寸擾能狐力.自動嚼控制航原理偷研究蟲在擾動原存在并考妥慮參數(shù)凝變化的條龍件下角，閉環(huán)士系統(tǒng)的性壤能分唐析和羊系統(tǒng)謊設(shè)計勤問題漢。291.丙4自動色控制糧系統(tǒng)懂的分究類30開環(huán)低控制察系統(tǒng)閉環(huán)巴控制題系統(tǒng)二、晨按輸視入量盛的特征凍分類1.恒值都控制系統(tǒng):定值構(gòu)調(diào)節(jié)嗚系統(tǒng)或自動海鎮(zhèn)定旱系統(tǒng).特點責(zé)：系統(tǒng)關(guān)的參磁考輸鞏入量義為恒浙量，話并且建要求伍系統(tǒng)嶼的輸哈出量歌相應(yīng)懸的保仿持恒蕩定例如：恒溫非控制挺系統(tǒng)一、按信濱號流阿向劃藥分2.隨動吳系統(tǒng):又稱誕為伺阻服系邁統(tǒng)。特點巴：系統(tǒng)守輸入量是預(yù)先貢未知嗎的、教隨時危間任護(hù)意變擊化的函統(tǒng)數(shù)，要穗求系孟統(tǒng)被買控量終以盡徒可能倘小的足誤差江跟隨諒給定值的揭變化帶。31三、按描氧述元胃件的辛動態(tài)尸方程秀分類1.線性給系統(tǒng)：組沖成系統(tǒng)呢的全部元件都是兼線性掃元件喚，它青們的輸入沿輸出靜態(tài)究特性均為際線性婆特性，其運(yùn)識動方虹程能用線性悠常微音分方誘程描述。主要講特點棟是具拒有疊加救性和齊次靠性。2.非線性邪系統(tǒng)：含字有一個欣或多個非姑線性努元件，其運(yùn)角動方季程用非線性鋪微分崖方程描述寒。四、按系糟統(tǒng)的皮參數(shù)藥是否咬隨時望間而桿變化裹分類1.定常治系統(tǒng)蹄（時估不變沸系統(tǒng)平）：系統(tǒng)承中的紋參數(shù)縮慧不隨繡時間鉤變化。2.時變蓮系統(tǒng)：系統(tǒng)中有柜的參碑?dāng)?shù)是時揮間t的函膠數(shù)。輸免出響偏應(yīng)波破形不安僅與爸輸入敞波形坐有關(guān)然還與顛加入今的時辭刻有袖關(guān)。32五：掘按信今號的齊傳遞騎是否掌連續(xù)例分1.連續(xù)漿系統(tǒng)男：該類狗系統(tǒng)甚各環(huán)胳節(jié)間瓦的信臣號均回為時隙間t的連迫續(xù)函章數(shù).2.離散虛系統(tǒng)穗：該類新系統(tǒng)息在信潤號傳飽遞過割程中兄有一屬處或服多處戴的信冒號是診脈沖蘭序列煙或數(shù)侄字編消碼。巡壽數(shù)字歪控制陵系統(tǒng)盤、采狹樣系羽統(tǒng)為辱離散植系統(tǒng)箭。離散萍信號離散懼信號計算機(jī)被控對象擾動反饋元件e(t)＋－A/DD/A放大元件執(zhí)行元件331.罩6自動熟控制之系統(tǒng)往的性頭能指柳標(biāo)及劉本課勒程的樓研究爬內(nèi)容34一、自詞動控兵制系棵統(tǒng)的沫性能短指標(biāo)穩(wěn)定貸性，違穩(wěn)態(tài)駛性能融和動徑態(tài)性芬能1.系統(tǒng)勺的穩(wěn)匯定性猶（st灶ab泄il劉it加y）穩(wěn)定竊性——如果退系統(tǒng)朗在平削衡狀柏態(tài)受案到有類界的僚外作煙用，香它將額離開鐮原來伶的平傘衡狀膜態(tài)，清產(chǎn)生克偏差鳳，不莖論偏白差多巷大，郵當(dāng)取街消外獻(xiàn)作用靠后都跡能以慕足夠斃的精保度恢鉆復(fù)到妻原來略的平套衡狀堆態(tài)。寺它是修自動限控制違系統(tǒng)救正常雞工作摸的先應(yīng)決條懂件。穩(wěn)定絨性是顆系統(tǒng)疏去掉算外作臘用后驢本身釋的一隨種恢?jǐn)n復(fù)能皺力，將是系妙統(tǒng)本岔身的跌固有匆特性恨，它歪僅與跟系統(tǒng)急的結(jié)擱構(gòu)和逮參數(shù)如有關(guān)卷，與款初始嬸條件刷和外征作用光無關(guān)喚。352.系統(tǒng)證的穩(wěn)凝態(tài)性傘能——是指校當(dāng)系穩(wěn)統(tǒng)從其一個爆穩(wěn)態(tài)棋過渡慘到新采的穩(wěn)均態(tài)，銳或系仁統(tǒng)受挽到擾未動作談用又廟重新子平衡鴉后，肢系統(tǒng)春會出站現(xiàn)偏輛差，偏差柜的最蜻終值崖的大葬小，握稱為晶穩(wěn)態(tài)安誤差，它鵝是衡兄量系奏統(tǒng)穩(wěn)鐵態(tài)精己度的型重要衣指標(biāo)曬。穩(wěn)吼態(tài)誤閃差越穴小，中表示稿系統(tǒng)厚的準(zhǔn)楊確性嗚越好休，被將控量撫（輸她出量而）的長期望斥值與饑實際惹值之械間的嫂差值如就越佩小。363.系統(tǒng)萬的動刃態(tài)性襪能——系統(tǒng)舒從一脫個穩(wěn)神態(tài)過稀程過瞇渡到諷新的揀穩(wěn)態(tài)挎都需剩要經(jīng)屑?xì)v一她個過宴渡過阿程，齒表征巾這個脊過渡丸過程焰性能田的指鍵標(biāo)叫悔動態(tài)逗性能服指標(biāo)彼。最大合超調(diào)友量叔調(diào)整梁時間紅震蕩茶次數(shù)37自動脈控制槍理論境的內(nèi)急容與臟自動版控制錯系統(tǒng)巧需要促研究期的問酒題密切相慶關(guān)。要研大究的販問題憂有兩唐個方壇面，連即系統(tǒng)的分追析系統(tǒng)饅設(shè)計。二、廊本課書程的載研究戒內(nèi)容1:自動街控制嫩系統(tǒng)洞的分寒析(時域玻分析每，根及軌跡京法，痛頻率務(wù)響應(yīng))控制賀系統(tǒng)斤分析評包括免三個宰方面抹內(nèi)容勾：①穩(wěn)定涌性分續(xù)析；②穩(wěn)態(tài)煤特性緊分析；③動態(tài)選特性塵（暫雙態(tài)特房誠性或芒瞬態(tài)柄特性積）分滔析。2:自動仁控制刊系統(tǒng)的設(shè)蜘計與科綜合本課魯程的挽一個轟重要椅內(nèi)容毒是討餅論當(dāng)廈控制帶系統(tǒng)蘇的主群要元沙器件增和結(jié)映構(gòu)形唱式確倦定以栗后，蠟為滿誕足動豪態(tài)性灶能指太標(biāo)和竄穩(wěn)態(tài)年性能禮指標(biāo)