自動控制的一般概念課件

《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!

《自動控制原理》授課教師：楊敏1

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(guān)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 學時：48學時（3學分）一.

介紹課程基本情況2二.課程的性質(zhì)和特點自動控制是一門技術(shù)學科，從方法論的角度來研究系統(tǒng)的建立、分析與設(shè)計。《自動控制原理》是本學科的技術(shù)基礎(chǔ)課，（1）自動控制理論的基礎(chǔ)課程，該課程與其它課程的關(guān)系。自動控制理論電機與拖動模擬電子技術(shù)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)二.課程的性質(zhì)和特點自動控制是一門技術(shù)學科，從方法論的角度來3（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(yīng)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(shè)計（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4三.本課程學習方法1、打好基礎(chǔ)

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

應(yīng)用學到的基本理論和基本方法解決實際問題三.本課程學習方法1、打好基礎(chǔ)高等數(shù)學（微積分）、信5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(wù)第一章自動控制的一般概念1.1引言_歷史的回顧61.1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(shù)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。1.1引言_歷史的回顧自動控制理論是研7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(chǔ)的自動調(diào)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(shè)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(yīng)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)典控制理論控制理論的發(fā)展初期，是以反饋理論為基礎(chǔ)的自動調(diào)節(jié)8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(guān)系，而忽視系統(tǒng)的內(nèi)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(chǔ)：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)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9

應(yīng)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(nèi)部和外部干擾的響應(yīng)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(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展而逐漸完善和成熟起來的。應(yīng)該指出的是，反饋控制是一種最基10現(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(nèi)部狀態(tài)，因而在實際應(yīng)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(chǔ)上，以線性代數(shù)理論和狀態(tài)空間分析法為基礎(chǔ)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(chǔ)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(nèi)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?，F(xiàn)代控制理論由于經(jīng)典控制理論只適用于單11現(xiàn)代控制理論以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，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(shè)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(chǔ)：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、非線性現(xiàn)代控制理論以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究多輸入-多121.2自動控制系統(tǒng)的基本概念1.2自動控制系統(tǒng)的基本概念13

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)的人工控制

鍋爐溫度眼腦手給定溫度人擾動-14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15歸納1控制的任務(wù)；2自動控制；3自動控制系統(tǒng)；4輸入量；5輸出量；6擾動量；7控制裝置；8前向通道；9反饋通道。-擾動-+歸納1控制的任務(wù)；2自動控制；-擾動-+161、自動控制在無人直接參與的情況下，通過控制器使被控對象或過程自動地按照預(yù)定要求進行。3、輸出量

被控對象的輸出量，是要求嚴格加以控制的物理量。（定值或給定規(guī)律）2、自動控制系統(tǒng)將被控對象和控制裝置（控制器）按照一定的方式連接起來構(gòu)成的有機總體。1、自動控制3、輸出量2、自動控制系統(tǒng)17

4、控制裝置被控對象施加控制作用的機構(gòu)的總體。6、擾動

擾動是一種對系統(tǒng)的輸出產(chǎn)生不利影響的信號。如果擾動產(chǎn)生在系統(tǒng)內(nèi)部稱為內(nèi)擾；擾動產(chǎn)生在系統(tǒng)外部，則稱為外擾。5、被控對象對象是一個設(shè)備，它是由一些機器零件有機地組合在一起的，其作用是完成一個特定的動作。在下面的討論中，稱任何被控物體（如加熱爐、化學反應(yīng)器或宇宙飛船）為被控對象。簡稱對象。4、控制裝置6、擾動5、被控對象18例題1-2液位控制系統(tǒng)

圖（I）是一個液位控制系統(tǒng)原理圖。自動控制器通過比較實際液位與希望液位，并通過調(diào)整氣動閥門的開度，對誤差進行修正，從而保持液位不變。圖（II）是該控制系統(tǒng)的方框圖。例題1-2液位控制系統(tǒng)圖（I）19比較、放大器：控制器浮子：測量元件氣動閥門：執(zhí)行機構(gòu)水箱：被控對象比較、放大器：控制器201.3開環(huán)控制與反饋控制1.3.1開環(huán)控制系統(tǒng)1.3.2反饋控制系統(tǒng)1.3.3開環(huán)與反饋控制系統(tǒng)的比較1.3開環(huán)控制與反饋控制1.3.1開環(huán)控制系統(tǒng)211.3.1開環(huán)控制

特點：系統(tǒng)的輸出量不會對系統(tǒng)的控制作用發(fā)生影響。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。例子：自動售貨機、自動洗衣機、產(chǎn)品生產(chǎn)線、數(shù)控機床、紅綠燈等1.3.1開環(huán)控制特點：系統(tǒng)的輸出22例題1-4開環(huán)爐溫控制系統(tǒng)被控對象：爐子被控量（輸出量）：爐溫控制裝置：開關(guān)K和電熱絲對被控制量起控制作用。輸出量(爐溫)

控制裝置被控對象輸入信號(爐子)(開關(guān))例題1-4開環(huán)爐溫控制系統(tǒng)被控對象：爐子輸出量(爐溫)23開環(huán)控制的特點由于開環(huán)控制的特點是控制裝置只按照給定的輸入信號對被控制量進行單向控制，而不對控制量進行測量并反向影響控制作用。這樣，當爐溫偏離希望值時，開關(guān)K的接通或斷開時間不會相應(yīng)改變。因此，開環(huán)控制不具有修正由于擾動（使被控制量偏離希望值的因素）而出現(xiàn)的被控制量與希望值之間偏差的能力，即抗干擾能力差。開環(huán)控制的特點由于開環(huán)控制的特點是控制裝置只按照24例題1-5溫度自動控制系統(tǒng)原理圖

1.3.2反饋控制溫度自動控制系統(tǒng)方框圖例題1-5溫度自動控制系統(tǒng)原理圖1.3.2反饋控制溫度自25反饋控制反饋控制是這樣一種控制過程，它能夠在存在擾動的情況下，力圖減小系統(tǒng)的輸出量與參考輸入量（也稱參據(jù)量）（或者任意變化的希望的狀態(tài)）之間的偏差，而且其工作正是基于這一偏差基礎(chǔ)之上的。反饋控制系統(tǒng)

反饋控制系統(tǒng)是一種能對輸出量與參考輸入量進行比較，并力圖保持兩者之間的既定關(guān)系的系統(tǒng)，它利用輸出量與輸入量的偏差來進行控制。應(yīng)當指出，反饋控制系統(tǒng)不限于工程范疇，在各種非工程范疇內(nèi)，諸如經(jīng)濟學和生物學中，也存在著反饋控制系統(tǒng)。反饋控制反饋控制系統(tǒng)26反饋控制系統(tǒng)的基本組成

被控對象控制裝置(由具有一定職能的各種基本元件組成)

測量元件：其職能是測量被控制的物理量;

給定元件：其職能是給出與期望的被控量相對應(yīng)的系統(tǒng)輸入量（即參據(jù)量）。

比較元件：把測量元件檢測的被控量實際值與給定元件給出的參據(jù)量進行比較，求出它們之間的偏差。

放大元件：將比較元件給出的偏差進行放大，用來推動執(zhí)行元件去控制被控對象。

執(zhí)行元件：直接推動被控對象，使其被控量發(fā)生變化。

校正元件：亦稱補償元件，它是結(jié)構(gòu)或參數(shù)便于調(diào)整的元件，用串聯(lián)或反饋的方式連接在系統(tǒng)中，以改善系統(tǒng)性能。反饋控制系統(tǒng)的基本組成被控對象27用“○”號代表比較元件，“—”號代表兩者符號相反，“+”號代表兩者符號相同。信號沿箭頭方向從輸入端到達輸出端的傳輸通路稱前向通路；系統(tǒng)輸出量經(jīng)測量元件反饋到輸入端的傳輸通路稱主反饋通路。前向通路與主反饋通路共同構(gòu)成主回路。此外，還有局部反饋通路以及由它構(gòu)成的內(nèi)回路。用“○”號代表比較元件，“—”號代表兩者符號相反，“+”號代281.3.3

閉環(huán)與開環(huán)控制系統(tǒng)的比較閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點

偏差控制，可以抑制內(nèi)、外擾動對被控制量產(chǎn)生的影響。精度高、結(jié)構(gòu)復雜，設(shè)計、分析麻煩。開環(huán)控制系統(tǒng)的特點

順向作用，沒有反向的聯(lián)系，沒有修正偏差能力，抗擾動性較差。結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便、成本低。1.3.3閉環(huán)與開環(huán)控制系統(tǒng)的比較閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點開環(huán)控291.4自動控制系統(tǒng)的分類按控制方式分按元件類型分按系統(tǒng)功用分按系統(tǒng)性能分按參據(jù)量變化規(guī)律分1.4自動控制系統(tǒng)的分類按控制方式分按元件類型分按系統(tǒng)功30開環(huán)控制反饋控制復合控制按控制方式分開環(huán)控制按控制方式分31復合控制方式對于主要擾動采用適當?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，以消除其余擾動的影響。系統(tǒng)的主要擾動已被補償，反饋控制系統(tǒng)就比較容易設(shè)計，控制效果也會更好。被控量輸入信號(-)補償裝置控制裝置受控對象復合控制方式對于主要擾動采用適當?shù)难a償裝置實現(xiàn)按擾動控制，同32機械系統(tǒng)——恒張力系統(tǒng)電氣系統(tǒng)機電系統(tǒng)——全自動照相機，光機電結(jié)合液壓系統(tǒng)——伺服液壓缸，汽車發(fā)動機，大型的仿真模擬臺氣動系統(tǒng)生物系統(tǒng)按元件類

型分機械系統(tǒng)——恒張力系統(tǒng)按33按系統(tǒng)功用分溫度控制系統(tǒng)壓力控制系統(tǒng)位置控制系統(tǒng)

按系統(tǒng)功用分溫度控制系統(tǒng)壓力控制系統(tǒng)位置控制系統(tǒng)34線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)定常系統(tǒng)時變系統(tǒng)確定性系統(tǒng)不確定性系統(tǒng)按系統(tǒng)性能分離散系統(tǒng)線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)定常系統(tǒng)時變系統(tǒng)確定性系統(tǒng)不確定性35一、線性連續(xù)控制系統(tǒng)

式中：c(t)—被控量；r(t)—系統(tǒng)輸入量。系數(shù)a0，a1，…，an，b0，b1，…，bm若是常數(shù)，稱為定常系統(tǒng)；若隨時間變化，稱為時變系統(tǒng)。

這類系統(tǒng)可以用線性微分方程式描述：一、線性連續(xù)控制系統(tǒng)式中：c(t)—被控量；r(t)—36二、線性定常離散控制系統(tǒng)式中：m≦n，n為差分方程的次數(shù)；系數(shù)a0，a1，…，an，b0，b1，…，bm為常系數(shù)；r(k)，c(k)分別為輸入和輸出采樣序列。二、線性定常離散控制系統(tǒng)式中：m≦n，n為差分方程的次數(shù)37三、非線性控制系統(tǒng)非線性方程的特點：系數(shù)與變量有關(guān)方程中含有變量及其導數(shù)的高次冪或乘積項。

三、非線性控制系統(tǒng)非線性方程的特點：38恒值控制系統(tǒng)隨動系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)按參據(jù)量變化規(guī)律分恒值控制系統(tǒng)隨動系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)按參據(jù)量變化規(guī)律分39

1、恒值控制系統(tǒng)（調(diào)節(jié)器）：參據(jù)量是一個常值,要求被控量也等于一個常值。這類系統(tǒng)分析、設(shè)計的重點是研究各種擾動對被控對象的影響以及抗擾動的措施。 過程控制系統(tǒng)：被控量是溫度、流量、壓力、液位等生產(chǎn)過程參量。2、隨動系統(tǒng)（跟蹤系統(tǒng)）：參據(jù)量是預(yù)先未知的隨時間任意變化的函數(shù)，要求被控量以盡可能小的誤差跟隨參據(jù)量的變化。這類系統(tǒng)分析、設(shè)計的重點是研究被控量跟隨的快速性和準確性。

伺服系統(tǒng)：被控量是機械位置及其導數(shù)。3、程序控制系統(tǒng)：參據(jù)量是按預(yù)定規(guī)律隨時間變化的函數(shù)，要求被控量迅速、準確地加以復現(xiàn)。1、恒值控制系統(tǒng)（調(diào)節(jié)器）：參據(jù)量是一個常值,要求被控量也40穩(wěn)定性：

1）對恒值系統(tǒng)，要求當系統(tǒng)受到擾動后，經(jīng)過一定時間的調(diào)整能夠回到原來的期望值。2）對隨動系統(tǒng)，被控制量始終跟蹤參據(jù)量的變化。穩(wěn)定性是對系統(tǒng)的基本要求，不穩(wěn)定的系統(tǒng)不能實現(xiàn)預(yù)定任務(wù)。穩(wěn)定性通常由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)決定與外界因素無關(guān)。1.5.1對自動控制系統(tǒng)性能的基本要求可以歸結(jié)為穩(wěn)定性（長期穩(wěn)定性）、準確性（精度）和快速性（相對穩(wěn)定性）。穩(wěn)準快1.5對自動控制系統(tǒng)的基本要求穩(wěn)定性：1.5.1對自動控制系統(tǒng)性能的基本要求可以歸結(jié)為穩(wěn)定41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