自動(dòng)控制理論第一章緒論

?自動(dòng)控制理論?1.教育部副部長(zhǎng)吳啟迪〔2007年全國(guó)自動(dòng)化教育年會(huì)〕自動(dòng)化領(lǐng)域涉及的面非常廣泛，除了實(shí)際工程應(yīng)用之外，還包括根底研究、方法論直到哲學(xué)研究的內(nèi)容，這對(duì)學(xué)生的培養(yǎng)過程就非常的全面；對(duì)激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力而言，這個(gè)領(lǐng)域可以發(fā)揮的作用非常巨大。自動(dòng)控制是一個(gè)內(nèi)涵非常豐富和美麗的架構(gòu)。比方說反響的概念，這個(gè)概念無處不在。另一個(gè)就是系統(tǒng)的概念，我想沒有什么人能比我們學(xué)自動(dòng)化的人更懂得2.什么是系統(tǒng)工程了。所以，當(dāng)我們把這些東西與很多背景結(jié)合起來的時(shí)候，就深刻感覺到控制真正是一種方法論。近年來出現(xiàn)的復(fù)雜性、非線性、混沌等問題，都是在這個(gè)領(lǐng)域迸發(fā)出來的。我相信，用自動(dòng)控制中這些豐富而美麗的概念和方法來激發(fā)我們的學(xué)生，一定可以產(chǎn)生很多創(chuàng)新。我們自豪地說，自動(dòng)控制的理論是一種會(huì)激發(fā)創(chuàng)新的理論。3.第一章緒論

第一節(jié)概述第二節(jié)根本控制方式第三節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成及術(shù)語第四節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類第五節(jié)自控控制理論概要4.

第一節(jié)概述自動(dòng)控制問題的提出一個(gè)簡(jiǎn)單的水箱液面，因生產(chǎn)和生活需要，希望液面高度h維持恒定。當(dāng)水的流入量與流出量平衡時(shí)，水箱的液面高度維持在預(yù)定的高度上。當(dāng)水的流出量增大或流入量減小，平衡那么被破壞，液面的高度不能自然地維持恒定。水箱流出流入h5.這種出水量與進(jìn)水量的不平衡現(xiàn)象必然要經(jīng)常發(fā)生的。這使得這種“水位恒定的要求〞變得難以實(shí)現(xiàn)了。所謂控制就是強(qiáng)制性地改變某些物理量〔如上例中的進(jìn)水量〕，而使另外某些特定的物理量〔如液面高度h〕維持在某種特定的標(biāo)準(zhǔn)上。水箱流出流入h

這種人為地強(qiáng)制性地改變進(jìn)水量，而使液面高度維持恒定的過程，即是人工控制過程。人工控制的例子。6.自動(dòng)控制就是在沒有人直接參與的情況下，利用控制器使被控對(duì)象〔或過程〕的某些物理量〔或狀態(tài)〕自動(dòng)地按預(yù)先給定的規(guī)律去運(yùn)行。水箱流出流入h控制器浮子

當(dāng)出水與進(jìn)水的平衡被破壞時(shí)，水箱水位下降(或上升)，出現(xiàn)偏差。這偏差由浮子檢測(cè)出來，自動(dòng)控制器在偏差的作用下，控制閥門開大(或關(guān)小)，對(duì)偏差進(jìn)行修正，從而保持液面高度不變。自動(dòng)控制的概念7.2.自動(dòng)控制的根本職能元件自動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn),實(shí)際上是由自動(dòng)控制裝置來代替人的根本功能，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的。畫出以上人工控制與自動(dòng)控制的功能方框圖進(jìn)行對(duì)照。水箱流出流入h水箱流出流入h控制器浮子

眼睛

浮子大腦

自動(dòng)控制器肌肉、手

執(zhí)行元件8.肌肉和閥門希望液位實(shí)際液位大腦水箱眼睛比較兩圖可以看出，自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)人工控制的功能，存在必不可少的三種代替人的職能的根本元件：氣動(dòng)閥門希望液位實(shí)際液位浮子控制器水箱9.執(zhí)行元件參考輸入輸出測(cè)量變送元件控制器對(duì)象擾動(dòng)輸入測(cè)量元件與變送器〔代替眼睛〕；自動(dòng)控制器〔代替大腦〕；執(zhí)行元件〔代替肌肉、手〕。這些根本元件與被控對(duì)象相連接，一起構(gòu)成一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)。以下圖是典型控制系統(tǒng)方框圖。10.自動(dòng)控制中的一些術(shù)語及方框圖1.常用術(shù)語控制對(duì)象控制器系統(tǒng)系統(tǒng)輸出操作量參考輸入擾動(dòng)2.系統(tǒng)方框圖將系統(tǒng)中各個(gè)局部都用一個(gè)方框來表示，并注上文字或代號(hào)，根據(jù)各方框之間的信息傳遞關(guān)系，用有向線段把它們依次連接起來，并標(biāo)明相應(yīng)的信息。突出了系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)輸入與輸出的關(guān)系及各環(huán)節(jié)之間的相互影響，便于定性和定量分析。11.本課程的主要內(nèi)容系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立時(shí)域分析法頻域分析法根軌跡法控制系統(tǒng)校正離散控制系統(tǒng)非線性系統(tǒng)現(xiàn)代控制理論初步

12.第二節(jié)根本控制方式開環(huán)控制定義：如果系統(tǒng)的輸出量不參與對(duì)系統(tǒng)的控制，那么稱為開環(huán)控制。控制器被控對(duì)象控制量被控量開環(huán)控制系統(tǒng)的典型方框圖如下圖。

交通指揮紅綠燈，自動(dòng)洗衣機(jī)，自動(dòng)售貨機(jī)，產(chǎn)品自動(dòng)生產(chǎn)線，數(shù)控車床等等。13.例子：直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng)

M功率放大器電動(dòng)機(jī)負(fù)載電位器當(dāng)調(diào)節(jié)電位器滑臂位置時(shí)，改變功率放大器的輸入電壓，從而改變電動(dòng)機(jī)的電樞電壓，最終改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。以上的控制過程，用方框圖簡(jiǎn)單直觀地表示出來。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速滑臂位置功率放大器電位器14.閉環(huán)控制定義：如果系統(tǒng)的輸出量參與對(duì)系統(tǒng)的控制，那么稱為閉環(huán)控制。閉環(huán)控制系統(tǒng)的典型方框圖如下圖。 根據(jù)實(shí)際輸出來修正控制作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制的任務(wù)，這種控制原理稱為反響控制原理?？刂破鞅豢貙?duì)象反饋元件輸入輸出+-偏差15.例子：直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)

測(cè)速發(fā)電機(jī)檢測(cè)得到電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速n，并轉(zhuǎn)換成與給定電壓相同的物理量uf，然后反響到輸入端，與給定電壓ur相比較，其偏差值ue經(jīng)放大器放大后，來控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使電動(dòng)機(jī)保持在與給定電壓ur相對(duì)應(yīng)的速度下運(yùn)轉(zhuǎn)。F測(cè)速發(fā)動(dòng)機(jī)電位器功率放大器M功率放大器電動(dòng)機(jī)負(fù)載nurufueua16.閉環(huán)控制的特點(diǎn)：①控制作用不是直接來自給定輸入，而是系統(tǒng)的偏差信號(hào)，由偏差產(chǎn)生對(duì)系統(tǒng)被控量的控制；②系統(tǒng)被控量的反響信息又反過來影響系統(tǒng)的偏差信號(hào)，即影響控制作用的大小。這種自成循環(huán)的控制作用，使信息的傳遞路徑形成了一個(gè)閉合的環(huán)路，稱為閉環(huán)。③提高了控制精度。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速給定位置功率放大器電位器+-負(fù)載擾動(dòng)測(cè)速發(fā)動(dòng)機(jī)ufureua17.開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的比較:1.閉環(huán)控制采用的是負(fù)反響原理:將系統(tǒng)輸出量引回輸入端,與輸入量比較,利用所得偏差進(jìn)行控制,使偏差減小或消除.2.開環(huán)控制與閉環(huán)控制的根本區(qū)別在于閉環(huán)控制具有反響環(huán)節(jié),具有自動(dòng)修復(fù)被控量偏離給定值的能力,具有很強(qiáng)的抗干擾能力.3.在系統(tǒng)參數(shù)配合不當(dāng)時(shí),閉環(huán)系統(tǒng)容易產(chǎn)生震蕩甚至不穩(wěn)定.工程上常采用的復(fù)合控制方法，就是把兩者結(jié)合起來使用。18.控制器被控對(duì)象前饋控制器輸入輸出+-+擾動(dòng)

1、構(gòu)成：將開環(huán)控制和閉環(huán)控制結(jié)合起來。

2、特點(diǎn)：兼有開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，控制精度高，控制作用快，但結(jié)構(gòu)也較為復(fù)雜。復(fù)合控制19.自動(dòng)控制系統(tǒng)舉例20.第三節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類根本組成一、按給定信號(hào)的特征劃分給定信號(hào)是系統(tǒng)的指令信息。它代表了系統(tǒng)希望的輸出值，反映了控制系統(tǒng)要完成的根本任務(wù)和職能。1.恒值控制系統(tǒng)：給定輸入維持不變，希望輸出維持在某一特定值上。液位控制系統(tǒng)，直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)等等。2.隨動(dòng)控制系統(tǒng)：給定信號(hào)上預(yù)先不知道的隨時(shí)間任意變化的函數(shù)?？刂葡到y(tǒng)能夠使被控量以盡可能小的誤差跟隨給定值的變化。跟蹤衛(wèi)星的雷達(dá)天線系統(tǒng)3.程序控制系統(tǒng)：給定值按預(yù)先給定的規(guī)律變化的控制系統(tǒng)。機(jī)械加工中的程序控制機(jī)床等等。21.二、按系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述劃分1.線性系統(tǒng)當(dāng)系統(tǒng)各元件輸入輸出特性是線性特性，系統(tǒng)的狀態(tài)和性能可以用線性微分〔或差分〕方程來描述時(shí)，那么稱這種系統(tǒng)為線性系統(tǒng)。所謂線性特性是指元件的靜特性是一條過原點(diǎn)的直線，也稱其為線性元件。因此，由線性元件組成的系統(tǒng)那么必是線性系統(tǒng)。線性系統(tǒng)的一個(gè)突出特點(diǎn)就是滿足疊加原理，可運(yùn)用疊加原理的兩個(gè)性質(zhì)〔可疊加性和齊次性〕，作為鑒別系統(tǒng)是否為線性系統(tǒng)的依據(jù)。線性系統(tǒng)r(t)c(t)r1(t)→

c1(t)r2(t)→

c2(t)r1(t)+r2(t)

→c1(t)+c2(t)ar1(t)→

ac1(t)22.yx0b-byxa-a0-bb2.非線性系統(tǒng)系統(tǒng)中只要存在一個(gè)非線性特性的元件，系統(tǒng)就由非線性方程來描述，這種系統(tǒng)稱為非線性系統(tǒng)。yxka-a0M-Myxka-a023.三、

按信號(hào)傳遞的連續(xù)性劃分

1.連續(xù)系統(tǒng)

連續(xù)系統(tǒng)的特點(diǎn)是系統(tǒng)中各元件的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)都是時(shí)間的連續(xù)函數(shù)。這類系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是用微分方程來描述的。連續(xù)系統(tǒng)中各元件傳輸?shù)男畔⒃诠こ躺戏Q為模擬量，多數(shù)實(shí)際物理系統(tǒng)都屬于這一類，其輸入輸出一般用r(t)和c(t)表示。r(t)

t

0c(t)

t

024.

2.離散系統(tǒng)

控制系統(tǒng)中只要有一處的信號(hào)是脈沖序列或數(shù)碼時(shí)，該系統(tǒng)即為離散系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的狀態(tài)和性能一般用差分方程來描述。實(shí)際物理系統(tǒng)中，信息的表現(xiàn)形式為離散信號(hào)的并不多見，往往是控制上的需要，人為地將連續(xù)信號(hào)離散化，我們稱其為采樣。c(t)

t

0c(t)c*(t)c*(t)

t

025.四、按系統(tǒng)的輸入與輸出信號(hào)的數(shù)量劃分1.單變量系統(tǒng)〔SISO〕2.多變量系統(tǒng)〔MIMO〕五、自動(dòng)控制系統(tǒng)的根本組成在形形色色的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，反響控制是最根本的控制方式之一。一個(gè)典型的反響控制系統(tǒng)總是由控制對(duì)象和各種結(jié)構(gòu)不同的職能元件組成的。除控制對(duì)象外，其他各局部可統(tǒng)稱為控制裝置。每一局部各司其職，共同完成控制任務(wù)。下面給出這些職能元件的種類和各自的職能。26.輸出輸入放大元件+-測(cè)量變送元件給定元件執(zhí)行元件串聯(lián)校正元件+-對(duì)象反饋校正元件

給定元件：其職能是給出與期望的輸出相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)輸入量，是一類產(chǎn)生系統(tǒng)控制指令的裝置。27.測(cè)量元件：其職能是檢測(cè)被控量，如果測(cè)出的物理量屬于非電量，大多情況下要把它轉(zhuǎn)換成電量，以便利用電的手段加以處理。比較元件：其職能是把測(cè)量元件檢測(cè)到的實(shí)際輸出值與給定元件給出的輸入值進(jìn)行比較，求出它們之間的偏差。放大元件：其職能是將過于微弱的偏差信號(hào)加以放大，以足夠的功率來推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)或被控對(duì)象。執(zhí)行元件：其職能是直接推動(dòng)被控對(duì)象，使其被控量發(fā)生變化。校正元件：為改善或提高系統(tǒng)的性能，在系統(tǒng)根本結(jié)構(gòu)根底上附加參數(shù)可靈活調(diào)整的元件。工程上稱為調(diào)節(jié)器。常用串聯(lián)或反響的方式連接在系統(tǒng)中。28.第四節(jié)對(duì)控制系統(tǒng)的要求和分析設(shè)計(jì)一、對(duì)系統(tǒng)的要求各類控制系統(tǒng)為到達(dá)理想的控制目的，必須具備以下兩個(gè)方面的性能(根本要求)：〔a〕使系統(tǒng)的輸出快速準(zhǔn)確地按輸入信號(hào)要求的期望輸出值變化?！瞓〕使系統(tǒng)的輸出盡量不受任何擾動(dòng)的影響。對(duì)自控系統(tǒng)性能的要求一般可歸納為三大性能指標(biāo)：〔1〕穩(wěn)定性：要求系統(tǒng)絕對(duì)穩(wěn)定且有一定的穩(wěn)定裕量。〔2〕瞬態(tài)質(zhì)量：要求系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)過程具有一定的快速性和變化的平穩(wěn)性。29.

在實(shí)際系統(tǒng)中，由于總是存在著不同性質(zhì)的儲(chǔ)能元件。并且也由于能源功率的限制，使得系統(tǒng)放大能力必然有限。因而使相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)加速度不會(huì)太大，速度和位移不會(huì)瞬間變化，而要經(jīng)歷一段時(shí)間，即系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)必然有一個(gè)漸變的過程。r(t)t0c(t)

t

0〔3〕穩(wěn)態(tài)誤差：要求系統(tǒng)最終的響應(yīng)準(zhǔn)確度，限制在工程允許的范圍之內(nèi)，是系統(tǒng)控制精度的恒量。30.二、控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)1.系統(tǒng)分析系統(tǒng)給定，在規(guī)定的工作條件下，對(duì)它進(jìn)行分析研究，其中包括穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能分析，看是否滿足要求，以及分析某個(gè)參數(shù)變化時(shí)對(duì)上述性能指標(biāo)的影響，決定如何合理地選取等。2.系統(tǒng)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的，是要尋找一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)所要求性能的自動(dòng)控制系統(tǒng)。因此，在系統(tǒng)應(yīng)完成的任務(wù)和應(yīng)具備的性能的條件下，根據(jù)被控對(duì)象的特點(diǎn)，構(gòu)造出適合的控制器是設(shè)計(jì)的主要任務(wù)。應(yīng)進(jìn)行的步驟如下：〔1〕熟悉對(duì)系統(tǒng)性能的要求?！?〕根據(jù)要求的性能指標(biāo)綜合確定系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。31.〔3〕假設(shè)控制對(duì)象是的，根據(jù)確定的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型和局部的數(shù)學(xué)模型，求得控制器的數(shù)模和控制規(guī)律?！?〕按綜合確定的數(shù)模進(jìn)行系統(tǒng)分析，驗(yàn)證它在各種信號(hào)作用下是否滿足要求。假設(shè)不滿足，及時(shí)修正?！?〕樣機(jī)設(shè)計(jì)制造和試驗(yàn)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果。32.第五節(jié)自動(dòng)控制理論開展簡(jiǎn)況WaterClock水運(yùn)儀象臺(tái)歐洲工業(yè)革命1750’PrehistoryofAutoControlPrimitivePeriodClassicPeriodModernPeriod電話&世界大戰(zhàn)1910-1945空間技術(shù)&電腦時(shí)代195733.300BC 古希臘人創(chuàng)造的浮球調(diào)節(jié)裝置

800AD

古阿拉伯人利用浮球進(jìn)行水鐘控制1086AD 蘇頌韓公廉創(chuàng)造的水