第1章 2016自動控制的基本概念GG

2024/2/26第1章自動控制的一般概念1自動控制原理2024/2/26第1章自動控制的一般概念21.1自動控制與自動控制系統(tǒng)

1.2自動控制的方式

1.3自動控制系統(tǒng)的分類

1.4對自動控制系統(tǒng)的基本要求

1.5自動控制系統(tǒng)的分析與設計工具

第1章自動控制的一般概念2024/2/26第1章自動控制的一般概念3自動控制理論發(fā)展簡介自動控制理論

經(jīng)典控制理論

現(xiàn)代控制理論

自動控制原理系統(tǒng)數(shù)學模型的建立時域分析頻域分析法根軌跡法非線性系統(tǒng)采樣控制系統(tǒng)

2024/2/26第1章自動控制的一般概念4外部輸入—輸出描述的傳遞函數(shù)數(shù)學工具數(shù)學模型積分變換、Z變換，傳遞函數(shù)研究領域時域頻域2024/2/26第1章自動控制的一般概念51.1自動控制與自動控制系統(tǒng)自動控制：是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設備和裝置，使機器設備或生產(chǎn)過程的某個工作狀態(tài)或參數(shù)自動地按照預定的規(guī)律運行。

自動控制系統(tǒng)：完成自動控制所需的物理部件構成的有機整體。在自動控制系統(tǒng)中，外加的設備或裝置稱為控制器或控制裝置，機器設備或生產(chǎn)過程統(tǒng)稱為控制對象，被控制的工作狀態(tài)或參數(shù)稱為被控量或輸出量。輸出的期望值為給定量，即輸入量。妨礙控制量對被控量進行正?？刂频乃幸蛩胤Q為擾動量。給定量和擾動量都是控制系統(tǒng)的輸入量。

2024/2/26第1章自動控制的一般概念6一、水池液位控制系統(tǒng)

F1為出水閥、F2為進水閥，控制要求希望液位的等于h0。當人參與控制時，就要不斷地將實際液位與希望液位作比較，根據(jù)比較的結果，決定進水閥F1

開度是增大還是減小，以達到維持液位不變的目的。由此可見，人若參與控制中起以下3方面的作用：測量、比較、執(zhí)行與控制手動控制2024/2/26第1章自動控制的一般概念7人工控制測量實際液面的高度h0-------用眼實際液面高度ｈ0與希望液面高度h1相比較-------用腦按比較的結果，即液面高度偏差的正負去決定控制動作

-------用手液面人工控制系統(tǒng)的方框圖如圖所示。用自動控制去代替上述的人工控制，那么在自動控制系統(tǒng)中必須具有上述3種職能機構，即測量機構、比較機構和執(zhí)行機構。

2024/2/26第1章自動控制的一般概念8人工控制的恒值水位系統(tǒng)簡單的水位自動控制系統(tǒng)2024/2/26第1章自動控制的一般概念9人工控制的恒值水位系統(tǒng)簡單的水位自動控制系統(tǒng)+-放大器電動機減速器2024/2/26第1章自動控制的一般概念10自動控制水位自動控制系統(tǒng)原理圖自動控制系統(tǒng)，就可以實現(xiàn)不論經(jīng)出水閥F1流出的流量如何變化，系統(tǒng)總能自動地維持其液位高度在允許的偏差范圍之內(nèi)。調(diào)節(jié)過程：假設水池液位因F1閥開度的增大而降低，則系統(tǒng)立即產(chǎn)生一個與降落液位成比例的誤差電壓u，該電壓經(jīng)放大器放大后供電給進水閥的拖動電動機，使閥F2的開度也相應地增大，從而使水池的液位恢復到所希望的高度。2024/2/26第1章自動控制的一般概念11自動控制系統(tǒng)：完成自動控制所需的物理部件構成的有機整體。在自動控制系統(tǒng)中，外加的設備或裝置稱為控制器或控制裝置，機器設備或生產(chǎn)過程統(tǒng)稱為控制對象，被控制的工作狀態(tài)或參數(shù)稱為被控量或輸出量。輸出的期望值為給定量，即輸入量。妨礙控制量對被控量進行正?？刂频乃幸蛩胤Q為擾動量。給定量和擾動量都是控制系統(tǒng)的輸入量。

2024/2/26第1章自動控制的一般概念12系統(tǒng)組成：⑴被控對象-----水池⑵測量元件-----浮子⑶比較機構-----浮子的希望位置與實際位置之差⑷放大機構-----提高系統(tǒng)的控制精度⑸執(zhí)行元件-----驅(qū)動被控對象，以改變被控制的量水位自動控制系統(tǒng)方框圖自動控制

2024/2/26第1章自動控制的一般概念131.2自動控制的方式1.2.1開環(huán)控制與閉環(huán)控制開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)參考輸入：晶閘管整流裝置輸出直流電壓：轉速：n當電動機的負載、交流電網(wǎng)的電壓以及電動機的勵磁稍有變化時，電動機的轉速就會隨之變化，不能再維持所期望的轉速。2024/2/26第1章自動控制的一般概念141.2.1開環(huán)控制與閉環(huán)控制開環(huán)控制開環(huán)控制：系統(tǒng)中的信號只從控制裝置向被控對象傳遞，而無反向傳遞，即信號傳遞路徑不構成閉合回路，相應的控制系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。

特點：結構簡單，所用的元件少，成本低，系統(tǒng)容易穩(wěn)定；抗干擾能力差?？刂蒲b置與受控對象之間只有順向作用而無反向聯(lián)系。2024/2/26第1章自動控制的一般概念15調(diào)節(jié)過程：

閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)2.閉環(huán)控制2024/2/26第1章自動控制的一般概念16閉環(huán)控制：在控制系統(tǒng)中，通過測量裝置檢測輸出量，并與輸入信號進行比較，進而使控制裝置按照二者的偏差來調(diào)節(jié)輸出量，此類控制方式稱為閉環(huán)控制。此時系統(tǒng)中存在信號的反向傳遞，通過測量裝置使信號流構成閉合回路。閉環(huán)控制又稱為反饋控制或偏差控制，相應的控制系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖2024/2/26第1章自動控制的一般概念17閉環(huán)控制系統(tǒng)特點：(1)閉環(huán)控制稱為偏差控制或反饋控制。(2)閉環(huán)控制系統(tǒng)具有兩種傳輸信號的通道：前向通道和反饋通道。(3)閉環(huán)控制能有效克服作用在反饋環(huán)內(nèi)前向通道上擾動，使得系統(tǒng)的被控量基本不受該擾動的影響。⑴由信號反饋構成閉環(huán)⑵控制作用由偏差產(chǎn)生2024/2/26第1章自動控制的一般概念18開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)比較電壓放大器M+

If-Ud晶閘管功率放大器TG擾動控制裝置n電位器電壓放大器晶閘管功率放大器直流電動機電位器測速發(fā)電機輸出量n2024/2/26第1章自動控制的一般概念19開環(huán)控制的優(yōu)缺點：結構簡單，所用元器件少系統(tǒng)沒有抗擾動功能，因而大限制了系統(tǒng)的應用范圍閉環(huán)控制若把系統(tǒng)的被控制量反饋到它的輸入端，并與參考輸入相比較，這種控制方式叫閉環(huán)控制。相應的系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制的優(yōu)點：自動地消弱或清除來自系統(tǒng)內(nèi)部或外部擾動對被控制量的影響開環(huán)控制如果系統(tǒng)的輸出量沒有與參考輸入相比較,即系統(tǒng)的輸出與輸入間不存在著反饋的通道,這種控制方式叫開環(huán)控制。2024/2/26第1章自動控制的一般概念20+-+ugudoMiuin(a)原理圖R

放大

器負載

給定信號ug被控量擾動inui(b)方塊圖

電壓

放大

電阻

R觸發(fā)器

晶闡管可控整流器

電動

機控制裝置與受控對象之間只有順向作用而無反向聯(lián)系。開環(huán)控制前饋控制(開環(huán))2024/2/26第1章自動控制的一般概念21開環(huán)控制系統(tǒng)：

1.結構簡單經(jīng)濟2.調(diào)試方便

3.抗干擾能力差，控制精度不高。閉環(huán)控制系統(tǒng)：

1.系統(tǒng)具有糾正偏差的能力。

2.抗擾性好，控制精度高。

3.包含元件多，結構復雜，價格高。

4.參數(shù)應選擇適當。開環(huán)＋閉環(huán)＝復合控制系統(tǒng)（兼有兩者的優(yōu)點，精度很高）開環(huán)與閉環(huán)系統(tǒng)的比較閉環(huán)控制的優(yōu)點：自動地消弱或清除來自系統(tǒng)內(nèi)部或外部擾動對被控制量的影響2024/2/26第1章自動控制的一般概念223.復合控制n擾動(ML)uiugut(-)(b)方塊圖擾動檢測裝置晶闡管可控整流器轉速反饋裝置電動機放大器放大器觸發(fā)器udoMR

iugutTG(a)原理圖負載放大器

放大器+2024/2/26第1章自動控制的一般概念23復合控制兩種基本形式：輸入順饋補償?shù)膹秃峡刂坪蛿_動前饋補償?shù)膹秃峡刂?。前饋補償控制與反饋控制相結合，就構成了復合控制。

輸入補償?shù)捻橉亸秃峡刂茢_動補償?shù)那梆亸秃峡刂铺攸c：將給定量或擾動量直接折算到系統(tǒng)輸入端，對控制量的大小進行修正，即在偏差產(chǎn)生之前就進行了防止偏差產(chǎn)生的控制。2024/2/26第1章自動控制的一般概念241.2.2閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成被控對象、控制裝置被控對象：被控制的設備或過程。

(被控量：被控設備或過程中需要加以控制的物理量自動控制裝置：由具有一定職能的各種基本元件（部件）組成。測量元件、給定元件比較元件、放大元件執(zhí)行元件、校正元件2024/2/26第1章自動控制的一般概念25比較環(huán)節(jié)：將給定環(huán)節(jié)輸出的給定值與檢測裝置測量的輸出值（反饋值）進行比較，從而產(chǎn)生期望值與實際值的偏差

校正環(huán)節(jié)：按某種規(guī)律對偏差信號進行運算，用運算的結果控制執(zhí)行機構以改善被控制系統(tǒng)的性能功放環(huán)節(jié)：提升控制信號的功率，以驅(qū)動執(zhí)行機構。執(zhí)行環(huán)節(jié)：控制被控對象的行為以改變其輸出值。

檢測裝置：檢測裝置用來檢測被控量，如熱電偶、測速發(fā)電機

給定環(huán)節(jié)：產(chǎn)生參考輸入信號的元件。如:電位器、旋轉變壓器等2024/2/26第1章自動控制的一般概念26自動控制框圖的一般形式自動控制系統(tǒng)的框圖2024/2/26第1章自動控制的一般概念27主反饋：直接取自系統(tǒng)輸出端n，經(jīng)過測量和變換，又引入到系統(tǒng)輸入端的信號ub叫主反饋信號，相應的反饋叫主反饋。前向通道：從系統(tǒng)輸入端到輸出量之間的通道稱為前向通道。主反饋通道：從輸出量到主反饋信號之間的通道稱為主反饋通道。單位反饋系統(tǒng)：主反饋信號等于輸出量的系統(tǒng)叫單位反饋系統(tǒng)。非單位反饋系統(tǒng)：主反饋信號不等于輸出量的系統(tǒng)叫非單位反饋系統(tǒng)。局部反饋：對應內(nèi)回路。重要概念：2024/2/26第1章自動控制的一般概念28

若組成控制的元件都具有線性特性則稱這種系統(tǒng)為線性控制系統(tǒng)若在控制系統(tǒng)中有一個以上的元件具有非線性則稱這種系統(tǒng)為非線性控制系統(tǒng)特點：不具有比例性，也不適用疊加原理系統(tǒng)的輸出響應穩(wěn)定性與其初始狀態(tài)有關特點：系統(tǒng)用微分方程、傳遞函數(shù)或狀態(tài)方程來描述具有比例性并適用疊加原理1.3自動控制系統(tǒng)的分類1．按元件特性分類：線性控制系統(tǒng)、非線性控制系統(tǒng)2024/2/26第1章自動控制的一般概念292024/2/26第一章緒論302.按系統(tǒng)內(nèi)部傳輸信號的性質(zhì)分為連續(xù)控制和離散控制系統(tǒng)。

控制系統(tǒng)中各部傳輸信號都是時間Ｔ的連續(xù)函數(shù)，則稱這類系統(tǒng)為連續(xù)控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)的方框圖若在控制系統(tǒng)內(nèi)部有一個或一個以上的信號是時間Ｔ的離散信號，則稱這類系統(tǒng)為離散控制系統(tǒng)。計算機控制系統(tǒng)是一種常見離散控制系統(tǒng)。2024/2/26第1章自動控制的一般概念313.按系統(tǒng)內(nèi)部傳輸信號的性質(zhì)分定值(恒值)控制系統(tǒng)、隨動(伺服)系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)。恒值控制系統(tǒng)的參與輸入量為常量，要求它的被控制量在任何擾動的作用下能盡快地恢復（或接近）原有的穩(wěn)態(tài)值.如恒溫、水位、恒壓控制系統(tǒng)隨動控制系統(tǒng)的輸入是一個變化量，要求系統(tǒng)的被控制量能快速準確地跟隨參考輸入信號的變化而變化.

比如：飛機和艦船的操舵系統(tǒng)，雷達自動跟蹤系統(tǒng)。c.程序控制系統(tǒng)（輸入量按照給定的程序變化。）任務：使輸出量按預先給定的程序指令而動作最典型的就是數(shù)控車床和機器人控制系統(tǒng)。2024/2/26第1章自動控制的一般概念32直流隨動如圖所示:隨動控制系統(tǒng)圖1-6直流隨動系統(tǒng)的原理圖2024/2/26第1章自動控制的一般概念334．按系統(tǒng)輸入和輸出信號的數(shù)目分類：單輸入單輸出(SISO)系統(tǒng)、多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng)5．按控制系統(tǒng)的參數(shù)是否隨時間變化，可分為定常系統(tǒng)、時變系統(tǒng).系統(tǒng)中的參數(shù)是時間t的函數(shù)，則這類系統(tǒng)稱為時變系統(tǒng)。2024/2/26第1章自動控制的一般概念341.4對自動控制系統(tǒng)的基本要求tnn1(a)0(b)nt0n0n1t0n(c)n0t(e)n1n0t(d)n0n1n0t(f)（1）穩(wěn)定性對恒值系統(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。對隨動系統(tǒng)，被控制量始終跟蹤參考量的變化。穩(wěn)定性是對系統(tǒng)的基本要求.

2024/2/26第1章自動控制的一般概念351.4對自動控制系統(tǒng)的基本要求（2）快速性對過渡過程的形式和快慢提出要求，一般稱為動態(tài)性能。（3）準確性(穩(wěn)定精度)用穩(wěn)態(tài)誤差來表示。如果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。穩(wěn)態(tài)誤差越小，系統(tǒng)的控制精度就越高。t01輸入c(t)122024/2/26第1章自動控制的一般概念36本課程的任務本課程要研究兩大任務對于一個具體的控制系統(tǒng)，如何從理論上對它的動態(tài)性能和穩(wěn)定精度進行定性的分析和定量的計算。根據(jù)對系統(tǒng)性能的要求，如何合理地設計校正裝置，使系統(tǒng)的性能能全面地滿足技術上的要求。2024/2/26第1章自動控制的一般概念371.5自動控制系統(tǒng)的分析與設計工具（1）系統(tǒng)辨識工具箱(systemidentificationtoolbox)

（2）控制系統(tǒng)工具箱(controlsystemtoolbox)

（3）魯棒控制工具箱(robustcontroltoolbox)（4）模型預測控制工具箱(modelpredictivecontroltoolbox)

（5）模糊邏輯工具箱(fuzzylogictoolbox)（6）非線性控制設計模塊(nonlinearcontroldesignblocket)2024/2/26第1章自動控制的一般概念38（1）系統(tǒng)辨識工具箱(systemidentificationtoolbox)該工具箱提供了進行系統(tǒng)模型辨識的工具，其主要功能包括：①參數(shù)化模型辨識。有AR、ARX、狀態(tài)空間和輸出誤差等模型類辨識工具。②非參數(shù)化模型辨識。③模型驗證。對辨識模型進行仿真并將真實輸出數(shù)據(jù)與模型預測數(shù)據(jù)進行比較，計算響應的殘差。④遞推參數(shù)估計。針對各種參數(shù)模型，利用遞推估計方法獲得模型參數(shù)。⑤各類模型的建立和轉換。⑥集成多種功能的圖形用戶。以圖形交互方式實現(xiàn)各類模型的選擇和建立，輸入輸出數(shù)據(jù)的加載和預處理，以及模型估計。返回2024/2/26第1章自動控制的一般概念39（2）控制系統(tǒng)工具箱(controlsystemtoolbox)為LTI線性定常系統(tǒng)的建模、分析和設計提供了一個完整的解決方案。其主要功能如下：①系統(tǒng)建模：狀態(tài)空間、傳遞函數(shù)、零極點增益模型，并實現(xiàn)任意兩者之間的轉換②系統(tǒng)分析：既支持連續(xù)和離散系統(tǒng)，也適用于SISO和MIMO系統(tǒng)；時域分析、頻域分析③系統(tǒng)設計：計算系統(tǒng)的各種特性，如可控和可觀測Gramain矩陣、系統(tǒng)零極點、李雅普諾夫方程、穩(wěn)定裕度、阻尼系數(shù)，以及根軌跡的增益選擇等返回2024/2/26第1章自動控制的一般概念40（3）魯棒控制工具箱(robustcontroltoolbox)該工具箱提供魯棒分析和設計的工具有：①模型建立和轉換工具。建立增廣狀態(tài)方程和傳遞函數(shù)模型，進行多變量系統(tǒng)雙線性變換等。②魯棒分析工具。進行特征根軌跡、奇異值、結構奇異值分析等。③魯棒綜合工具。進行頻率加權LQG綜合，LQG/LTR，H∞綜合等。④魯棒模型降價工具。實現(xiàn)均衡降價，最優(yōu)Hankel范數(shù)近似降價(具有加性誤差界)，Schur均衡截斷降價(具有加性誤差界)，Schur均衡隨機截斷降價(具有加性誤差界)等。返回2024/2/26第1章自動控制的一般概念41（4）模型預測控制工具箱(modelpredictivecontroltoolbox)該工具箱提供了一系列函數(shù)，用于模型預測控制的分析、設計和仿真。這些函數(shù)的主要類型如下：①系統(tǒng)模型辨識。通過多變量線性回歸方法計算MISO脈沖響應模型，由MISO脈沖響應模型生成MIMO階躍響應模型，對測量數(shù)據(jù)尺度化等。②模型建立和轉換。建立模型預測工具箱使用的mod模型，以及狀態(tài)空間模型與mod模型、階躍響應模型、脈沖響應模型之間的轉換。③模型預測控制器設計和仿真。有面向階躍響應模型的預測控制器設計和仿真，以及面向MPC-