控制工程緒論1

第一章緒論1.1自動(dòng)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)分類1.3自動(dòng)控制實(shí)際的開展簡(jiǎn)史1.4工程控制問題的根本要求0.1控制的含義控制〔CONTROL〕----某個(gè)主體使某個(gè)客體按照一定的目的動(dòng)作主體---人：人工控制；機(jī)器：自動(dòng)控制客體---指一件物體，一套安裝，一個(gè)物化過程，一個(gè)特定系統(tǒng)。物體--飛船，電爐?！诧w船控制〕安裝--鍋爐，汽機(jī)。〔鍋爐控制〕過程--熄滅，傳動(dòng)?！蚕缈刂啤诚到y(tǒng)--電力，化工，冶金。〔電力控制〕0.1人工控制與自動(dòng)控制煤氣灶上油煎雞蛋時(shí)的油溫控制自行車速度控制汽車駕駛收音機(jī)音量調(diào)理電飯煲空調(diào)抽水馬桶汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制導(dǎo)彈飛行控制聲控光控路燈1.1自動(dòng)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介1、自動(dòng)控制、系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制：是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或安裝〔稱控制安裝或控制器〕，使機(jī)器、設(shè)備或消費(fèi)過程〔統(tǒng)稱被控對(duì)象〕的某個(gè)任務(wù)形狀或參數(shù)〔即被控量〕自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律〔給定值〕運(yùn)轉(zhuǎn)。系統(tǒng)：是指按照某些規(guī)律結(jié)合在一同的物體〔元部件〕的組合，它們相互作用、相互依存，并能完成一定的義務(wù)。自動(dòng)控制系統(tǒng)：可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的系統(tǒng)就可稱為自動(dòng)控制系統(tǒng)，普通由控制安裝和被控對(duì)象組成。分析決策執(zhí)行任務(wù)對(duì)象實(shí)踐結(jié)果察看察看干擾預(yù)期目的人工控制圖比較、計(jì)算執(zhí)行被控對(duì)象被控量丈量丈量干擾給定值自動(dòng)控制方框圖Watt’sflyballgovernor爐溫控制系統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)速、位置的控制工業(yè)過程中溫度、壓力、流量的控制遠(yuǎn)洋巨輪航行控制深水潛艇的控制飛機(jī)自動(dòng)駕駛神舟飛船的前往控制“勇氣〞號(hào)、“機(jī)遇〞號(hào)的火星登陸控制等等總之，自動(dòng)控制技術(shù)的運(yùn)用幾乎無所不在。2、自動(dòng)控制的運(yùn)用領(lǐng)域自動(dòng)控制原理：是研討自動(dòng)控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)，而不是對(duì)某一過程或?qū)ο蟮脑敿?xì)控制實(shí)現(xiàn)〔正如微積分是一種數(shù)學(xué)工具一樣〕。處理的根本問題：建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型〔建?！撤治隹刂葡到y(tǒng)的性能〔分析〕控制系統(tǒng)的綜合與校正——控制器設(shè)計(jì)〔綜合〕3、自動(dòng)控制原理及其要處理的根本問題4、自動(dòng)控制原理研討的主要內(nèi)容經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論研究對(duì)象

單輸入、單輸出系統(tǒng)（SISO）

多輸入、多輸出系統(tǒng)（MIMO）數(shù)學(xué)模型

傳遞函數(shù)

狀態(tài)方程研究手段

頻域法、根軌跡法

狀態(tài)空間方法研究目的

系統(tǒng)綜合、校正

最優(yōu)控制、系統(tǒng)辨識(shí)、最佳估計(jì)、自適應(yīng)控制爐溫控制系統(tǒng)方框圖爐溫控制系統(tǒng)方框圖控制系統(tǒng)的功能框圖控制系統(tǒng)功能框圖6、控制系統(tǒng)的組成被控對(duì)象：在自動(dòng)化領(lǐng)域，被控制的安裝、物理系統(tǒng)或過程稱為被控對(duì)象。控制器：對(duì)控制對(duì)象產(chǎn)生控制造用的安裝稱為控制器，有時(shí)也稱為控制元件、調(diào)理器等。執(zhí)行元件：直接改動(dòng)被控變量的元件稱為執(zhí)行元件。丈量元件：可以將一種物理量檢測(cè)出來并轉(zhuǎn)化成另一種容易處置和運(yùn)用的物理量的安裝稱為傳感器或丈量元件〔熱敏電阻〕。參考輸入元件：將指令輸入信號(hào)變成參考輸入信號(hào)的元件可稱為參考輸入元件〔電位器〕。8、控制系統(tǒng)中常用的信號(hào)和變量輸入信號(hào)：由外部加到系統(tǒng)中的變量，它不受系統(tǒng)中其他變量的影響和控制。輸出信號(hào)：由系統(tǒng)或元件產(chǎn)生的變量，其中最受關(guān)注的輸出信號(hào)又稱為被控變量控制變量：控制器的輸出信號(hào)稱為控制變量，它作用在控制對(duì)象〔執(zhí)行元件、功率放大器〕上，影響和改動(dòng)被控變量〔放大器〔控制器〕的輸出信號(hào)〕。被控變量：在控制系統(tǒng)中被控制的物理量是被控變量?！部諝鉁囟取撤错懶盘?hào)：是被控變量經(jīng)傳感器等元件變換并前往到輸入端的信號(hào)，普通與被控變量成正比〔熱敏電阻即溫度傳感器的輸出信號(hào)〕。給定值：又稱為指令輸入信號(hào)，它與被控變量是同一物理單位，用來表示被控變量的設(shè)定值〔室內(nèi)溫度的設(shè)定值〕。參考輸入信號(hào)：代表指令輸入信號(hào)與反響信號(hào)進(jìn)展比較的基準(zhǔn)信號(hào)稱為參考輸入信號(hào)〔電位器的輸出電壓〕。偏向信號(hào)：參考輸入信號(hào)與反響信號(hào)之差稱為偏向信號(hào)〔e=r-y〕。擾動(dòng)信號(hào)：是加于系統(tǒng)上的不希望的外來信號(hào)，它對(duì)被控變量產(chǎn)生不利的影響〔周圍環(huán)境溫度的變化及房間散熱條件的變化等〕。1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)分類開環(huán)控制和閉環(huán)控制按照控制方式和戰(zhàn)略，系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)兩大類。圖1-3開環(huán)控制系統(tǒng)圖1-4閉環(huán)控制系統(tǒng)1、開環(huán)控制系統(tǒng)控制器和控制對(duì)象間只需正向控制造用，系統(tǒng)的輸出量不會(huì)對(duì)控制器產(chǎn)生任何影響；構(gòu)造簡(jiǎn)單，本錢低，容易控制，但控制精度低；普通適宜于干擾不強(qiáng)或可預(yù)測(cè)的、控制精度要求不高的場(chǎng)所；假設(shè)系統(tǒng)的給定輸入與被控量之間的關(guān)系固定，且其內(nèi)部參數(shù)或外來擾動(dòng)的變化都比較小，或這些擾動(dòng)要素可以事先確定并能給予補(bǔ)償，那么采用開環(huán)控制也能獲得較為稱心的控制效果；對(duì)擾動(dòng)沒有抑制才干。按給定值支配的開環(huán)控制系統(tǒng)計(jì)算控制對(duì)象給定值〔控制安裝〕被控量執(zhí)行干擾按干擾補(bǔ)償?shù)拈_環(huán)控制系統(tǒng)計(jì)算控制對(duì)象丈量被控量執(zhí)行干擾(溫度)輸出量(手柄位置)輸入量調(diào)壓器加熱電阻絲電爐恒溫箱受控對(duì)象擾動(dòng)量控制安裝擾動(dòng)輸出量輸入量控制安裝受控對(duì)象開環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖k

udn~ug例：直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)2、閉環(huán)控制系統(tǒng)系統(tǒng)輸出量對(duì)控制造用有直接影響；實(shí)現(xiàn)了按偏向控制；也稱為反響控制；閉環(huán)控制系統(tǒng)由前向通道〔控制器和控制對(duì)象〕和反響通道〔反響安裝〕構(gòu)成〔如圖1-4〕；反響控制：正反響和負(fù)反響；具有正反響方式的系統(tǒng)普通不能改良系統(tǒng)性能，而且容易使系統(tǒng)性能變壞；通常而言，反響控制就是指負(fù)反響控制。閉環(huán)系統(tǒng)必需思索穩(wěn)定性問題按偏向調(diào)理的閉環(huán)控制系統(tǒng)比較、計(jì)算控制對(duì)象丈量被控量執(zhí)行干擾給定值－例：直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)ugkudn~ub按偏向調(diào)理：n↑→ub↑→(ug-ub)↓→ud↓→n↓控制量：ud=k(ug-ub)偏向信號(hào)：ug-ub3、閉環(huán)系統(tǒng)與開環(huán)系統(tǒng)的區(qū)別與開環(huán)控制系統(tǒng)相比，閉環(huán)控制系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是檢測(cè)偏向、糾正偏向；從系統(tǒng)構(gòu)造上看，閉環(huán)系統(tǒng)具有反向通道；從功能上看，閉環(huán)系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：由于添加了反響通道，系統(tǒng)的控制精度得到了提高，假設(shè)采用開環(huán)控制，要到達(dá)同樣的精度，那么需求高精度的控制器，從而大大添加了本錢；由于存在系統(tǒng)的反響，可以較好地抑制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)中能夠存在的擾動(dòng)和由于器件的老化而引起的構(gòu)造和參數(shù)的不確定性；反響環(huán)節(jié)的存在可以較好地改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。開環(huán)控制閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低復(fù)雜、成本高精度精度低、對(duì)元器件要求高精度高、對(duì)元器件要求低穩(wěn)定性通常不考慮必須考慮二、線性控制系統(tǒng)和非線性控制系統(tǒng)按照系統(tǒng)能否滿足疊加原理，系統(tǒng)可分為線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)兩類。線性控制系統(tǒng)組成控制系統(tǒng)的元件都具有線性特性；輸入輸出關(guān)系普通可以用微分方程、差分方程、傳送函數(shù)以及形狀空間表達(dá)式來描畫；線性系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是具有齊次性和適用疊加原理；假設(shè)線性系統(tǒng)中的參數(shù)不隨時(shí)間變化，那么稱為線性定常系統(tǒng)；否那么稱為線性時(shí)變系統(tǒng)。非線性控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)中，假設(shè)至少有一個(gè)元件具有非線性特性；普通不具有齊次性，也不適用疊加原理；輸出呼應(yīng)和穩(wěn)定性與輸入信號(hào)和初始形狀有很大關(guān)系；也有時(shí)變和定常系統(tǒng)之分；嚴(yán)厲地講，絕對(duì)線性的控制系統(tǒng)〔或元件〕是不存在的。三、定值控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)按照輸入信號(hào)分類，控制系統(tǒng)可分為定值控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。定值控制系統(tǒng)〔r(t)=const.〕輸入信號(hào)是恒值，要求被控變量堅(jiān)持相對(duì)應(yīng)的數(shù)值不變室溫控制系統(tǒng)、直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)伺服系統(tǒng)〔r(t)不可預(yù)測(cè)〕輸入信號(hào)是變化規(guī)律未知的恣意時(shí)間函數(shù)；系統(tǒng)的義務(wù)是使被控變量按照同樣規(guī)律變化并與輸入信號(hào)的誤差堅(jiān)持在規(guī)定的范圍內(nèi)；導(dǎo)彈發(fā)射架控制系統(tǒng)、火炮隨動(dòng)系統(tǒng)、雷達(dá)天線控制系統(tǒng)；當(dāng)被控量為位置或角度時(shí)，伺服系統(tǒng)又稱為隨動(dòng)系統(tǒng)。程序控制系統(tǒng)〔r(t)變化事先知〕輸入信號(hào)是按知的規(guī)律〔事先規(guī)定的程序〕變化；要求被控變量也按相應(yīng)的規(guī)律隨輸入信號(hào)變化，誤差不超越規(guī)定值；熱處置爐的溫控系統(tǒng)、機(jī)床的數(shù)碼加工系統(tǒng)和仿形控制系統(tǒng)。四、延續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng)延續(xù)控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)中各部分的信號(hào)都是時(shí)間的延續(xù)函數(shù)。離散控制系統(tǒng)：在控制系統(tǒng)各部分的信號(hào)中只需有一個(gè)是時(shí)間的離散信號(hào)。離散模型是計(jì)算機(jī)控制的最主要模型。思索題：指出以下方程分別表示哪類系統(tǒng)？1.3自動(dòng)控制實(shí)際的開展簡(jiǎn)史1經(jīng)典控制實(shí)際40~50年代構(gòu)成SISO系統(tǒng)基于：二戰(zhàn)軍工技術(shù)目的：反響控制系統(tǒng)的鎮(zhèn)定根本方法：傳送函數(shù)，頻率法，PID調(diào)理器(頻域)2現(xiàn)代控制實(shí)際60~70年代構(gòu)成MIMO系統(tǒng)基于：冷戰(zhàn)時(shí)期空間技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)目的：最優(yōu)控制根本方法：形狀方程〔時(shí)域〕3智能控制技術(shù)90年代開場(chǎng)開展專家系統(tǒng)——姑蘇慕容模糊控制——醉拳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)控制4正在開展的各個(gè)領(lǐng)域自順應(yīng)控制——獨(dú)孤九劍大系統(tǒng)實(shí)際魯棒控制——金鐘罩鐵布衫多率周期控制非線性控制〔微分幾何，混沌，變構(gòu)造〕1.4工程控制問題的根本要求為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，必需對(duì)控制系統(tǒng)提出一定的要求；對(duì)于一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)而言，當(dāng)輸入量和擾動(dòng)量均不變時(shí)，系統(tǒng)輸出量也恒定不變，這種形狀稱為平衡態(tài)或靜態(tài)、穩(wěn)態(tài)；當(dāng)輸入量或擾動(dòng)量發(fā)生變化時(shí)，反響量將與輸入量產(chǎn)生偏向，經(jīng)過控制器的作用，從而使輸出量最終穩(wěn)定，即到達(dá)一個(gè)新的平衡形狀；由于系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)總存在慣性，系統(tǒng)從一個(gè)平衡點(diǎn)到另一個(gè)平衡點(diǎn)無法瞬間完成，即存在一個(gè)過渡過程，該過程也稱為動(dòng)態(tài)過程或暫態(tài)過程。根據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)輸出和暫態(tài)過程的特性，對(duì)閉環(huán)控制系統(tǒng)的根本要求可以歸納為三個(gè)方面：穩(wěn)、快、準(zhǔn)。1、穩(wěn)：控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與平穩(wěn)性。穩(wěn)定性是指控制系統(tǒng)偏離平衡形狀后，自動(dòng)恢復(fù)到平衡形狀的才干；控制系統(tǒng)必需具有穩(wěn)定性〔系統(tǒng)正常任務(wù)的必要條件〕；穩(wěn)定的控制系統(tǒng)必然存在過渡過程；穩(wěn)定與否通常可以用曲線來描畫〔如以下圖所示〕。①②Otr(t)c(t)平穩(wěn)是指動(dòng)態(tài)過程振蕩的振幅和頻率。即被控量圍繞給定值擺動(dòng)的幅度和擺動(dòng)的次數(shù)。好的動(dòng)態(tài)過程擺動(dòng)的幅度小，擺動(dòng)的次數(shù)少。2、快：系統(tǒng)的快速性，即動(dòng)態(tài)過程進(jìn)展的時(shí)間長(zhǎng)短。穩(wěn)和快反映了系統(tǒng)在控制過程中的性能。系統(tǒng)在跟蹤過程中，被控量偏離給定值越小，偏離時(shí)間越短，闡明系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)精度越高。tc(t)r(t)O②①3、準(zhǔn)：就是要求被控量和設(shè)定值之間的誤差到達(dá)所要求的精度范圍。準(zhǔn)確性反映了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度