第5章火毒檢測.ppt

開始多用于工業(yè)：壓力、溫度、流量、位移、濕度、粘度自動控制后來進入軍事領域：飛機自動駕駛、火炮自動跟蹤、導彈、衛(wèi)星、宇宙飛船自動控制目前滲透到更多領域：大系統(tǒng)、交通管理、圖書管理等生物學系統(tǒng)：生物控制論、波斯頓假肢、人造器官經濟系統(tǒng)：模擬經濟管理過程、經濟控制論社會學：社會控制論,第一節(jié)自動控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史,引言,工業(yè)控制,電機控制機床控制生產過程自動化控制機器人控制.,控制技術的應用,家用電器,冰箱、洗衣機家庭影院微波爐.,樓宇電梯的控制,信號檢測,供電系統(tǒng),電機(執(zhí)行機構),可編程序控制器,ProgrammableLogicController,電機控制器,電子,機械,控制,口語汽車導航系統(tǒng)使用情景示意圖,汽車GPS定位，GIS導航，GSM通信,瑞典沃爾沃汽車公司計劃推出新型車沃爾沃S60，能在交通堵塞時自動駕駛。該車車載雷達感應器可以感知車前物體并測算彼此的距離，攝像機則能辨別出是何種物體。如果車前是行人或車輛，在雷達和攝像機均確認無誤，而司機沒有及時采取措施的情況下，汽車的全自動急剎車系統(tǒng)便會啟動。,燈光的控制,社會生活中的控制,教學過程方框圖,控制理論發(fā)展簡況,1788年，英國JamesWatt利用反饋原理發(fā)明蒸汽機用的離心調速機。是自動控制領域的第一項重大成果。1875年，1895年，英國Routh和德國Hurwitz先后提出判別系統(tǒng)穩(wěn)定性的代數(shù)方法。1892年，俄國李雅普諾夫在論運動穩(wěn)定性的一般問題中建立了動力學系統(tǒng)的一般穩(wěn)定性理論。1932年，Nyquist提出了根據(jù)頻率響應判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性的準則。1945年，美國Bode在網(wǎng)絡分析和反饋放大器設計中提出頻率響應分析法Bode圖。1948年，美國Wiener在控制論關于在動物和機器中控制和通信的科學中系統(tǒng)地論述了控制理論的一般原理和方法。標志控制學科的誕生,水運儀像臺：具備觀測天象、演示天象、報時的功能。它的一套動力裝置“是歐洲中世紀天文鐘的直接祖先”,一千多年前：銅壺滴漏計時器、指南針,胚胎萌芽期（1945年以前）十八世紀以后，蒸汽機的使用提出了調速穩(wěn)定等問題1765年俄國人波爾祖諾夫發(fā)明了鍋爐水位調節(jié)器1784年英國人瓦特發(fā)明了調速器，蒸汽機離心式調速器1877年產生了古氏判據(jù)和勞斯穩(wěn)定判據(jù)十九世紀前半葉，動力使用了發(fā)電機、電動機促進了水利、水電站的遙控和程控的發(fā)展以及電壓、電流的自動調節(jié)技術的發(fā)展十九世紀末，二十世紀初，使用內燃機促進了飛機、汽車、船舶、機器制造業(yè)和石油工業(yè)的發(fā)展，產生了伺服控制和過程控制二十世紀初第二次世界大戰(zhàn)，軍事工業(yè)發(fā)展很快飛機、雷達、火炮上的伺服機構，總結了自動調節(jié)技術及反饋放大器技術，搭起了經典控制理論的架子，但還沒有形成學科。,第一階段：經典控制理論（或古典控制理論）的產生、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。,自動控制理論的發(fā)展自動控制理論是研究自動控制共同規(guī)律的技術科學。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（J.C.Maxwell）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：,經典控制理論,控制理論的發(fā)展初期，是以反饋理論為基礎的自動調節(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。,a.特點研究對象：單輸入、單輸出線性定常系統(tǒng)。解決方法：頻率法、傳遞函數(shù)。數(shù)學工具：常微分方程、差分方程、拉氏變換、Z變換。b.局限性不能應用于時變系統(tǒng)、多變量系統(tǒng)。不能揭示系統(tǒng)更為深刻的內部特性。,現(xiàn)代控制理論,由于經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)的內部狀態(tài)。因而在實際應用中有很大局限性。隨著航天事業(yè)和計算機的發(fā)展，20世紀60年代初，在經典控制理論的基礎上，以線性代數(shù)理論和狀態(tài)空間分析法為基礎的現(xiàn)代控制理論迅速發(fā)展起來。特點研究對象：多輸入、多輸出系統(tǒng)，線性、非線性、定常或時變、連續(xù)或離散系統(tǒng)。解決方法：狀態(tài)空間法（時域方法）。數(shù)學工具：線性代數(shù)、微分方程組、矩陣理論。,大系統(tǒng)理論,隨著控制理論應用范圍的擴大，從個別小系統(tǒng)的控制，發(fā)展到若干個相互關聯(lián)的子系統(tǒng)組成的大系統(tǒng)進行整體控制，從傳統(tǒng)的工程控制領域推廣到包括經濟管理、生物工程、能源、運輸、環(huán)境等大型系統(tǒng)以及社會科學領域。大系統(tǒng)理論是過程控制與信息處理相結合的系統(tǒng)工程理論，具有規(guī)模龐大、結構復雜、功能綜合、目標多樣、因素眾多等特點。它是一個多輸入、多輸出、多干擾、多變量的系統(tǒng)。大系統(tǒng)理論目前仍處于發(fā)展和開創(chuàng)性階段。,智能控制,是近年來新發(fā)展起來的一種控制技術，是人工智能在控制上的應用。智能控制的概念和原理主要是針對被控對象、環(huán)境、控制目標或任務的復雜性提出來的，它的指導思想是依據(jù)人的思維方式和處理問題的技巧，解決那些目前需要人的智能才能解決的復雜的控制問題。被控對象的復雜性體現(xiàn)為:模型的不確定性，高度非線性，分布式的傳感器和執(zhí)行器，動態(tài)突變，多時間標度，復雜的信息模式，龐大的數(shù)據(jù)量，以及嚴格的特性指標等。智能控制是驅動智能機器自主地實現(xiàn)其目標的過程，對自主機器人的控制就是典型的例子而環(huán)境的復雜性則表現(xiàn)為變化的不確定性和難以辨識。,智能控制是從“仿人”的概念出發(fā)的。一般認為，其方法包括學習控制、模糊控制、神經元網(wǎng)絡控制、和專家控制等方法。,控制技術在機械制造領域中的應用,1.控制技術的應用不僅使生產過程實現(xiàn)了自動化，極大地提高了勞動生產率，而且減輕了人的勞動強度。,2.控制使工作具有高度的準確性，大大地提高了武器的命中率和戰(zhàn)斗力，例如火炮自動跟蹤系統(tǒng)必須采用計算機控制才能打下高速高空飛行的飛機。,3.某些人們不能直接參與工作的場合就更離不開自動控制技術了，例如原子能的生產、火炮或導彈的制導等等。,控制論的研究對象系統(tǒng),2、動力學問題:,系統(tǒng)在外界作用（輸入或激勵、包括外加控制與外界干擾）下，從一定初始狀態(tài)出發(fā)，經歷由其內部的固有特性（由系統(tǒng)的結構與參數(shù)所決定）所決定的動態(tài)歷程（輸出或響應）。這一過程中，系統(tǒng)及其輸入、輸出三者之間的動態(tài)關系即為系統(tǒng)的動力學問題。,例.彈簧質量阻尼單自由度系統(tǒng)。,分析：這是同一個系統(tǒng)，不同的外界作用,對上例，需要研究的問題可歸納為以下三類：,1)系統(tǒng)的輸入與系統(tǒng)的固有特性如何影響y(t)，三者之間表現(xiàn)為何種關系。,2)系統(tǒng)確定并已知時，對系統(tǒng)施加何種輸入，能使系統(tǒng)實現(xiàn)預期的響應。,3)對于確定的輸入，系統(tǒng)應具有什么特性，才能使系統(tǒng)實現(xiàn)預期的響應。,工程控制論的內容可歸納為如下5個方面：,（1）已知系統(tǒng)和輸入，求系統(tǒng)的輸出，即系統(tǒng)分析問題；,（2）已知系統(tǒng)和系統(tǒng)的理想輸出，設計輸入，即最優(yōu)控制問題；,（3）已知輸入和理想輸出時，設計系統(tǒng)，即最優(yōu)設計問題；,（4）輸出已知，確定系統(tǒng)，以識別輸入或輸入中的有關信息，此即濾波與預測問題；,（5）已知系統(tǒng)的輸入和輸出，求系統(tǒng)的結構與參數(shù)，即系統(tǒng)辨識問題。,自動控制是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設備或裝置（稱控制裝置或控制器），使機器、設備或生產過程（統(tǒng)稱被控對象）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量）自動地按照預定的規(guī)律運行。一般地說如何使被控量按照給定量的變化規(guī)律變化，就是一個控制系統(tǒng)要解決的基本問題。,控制是對對象施加某種操作,使其產生所期望的行為,控制論基本概念,控制三要素：被控對象控制目標控制裝置控制論：是關于控制原理和控制方法的學科研究事物變化和發(fā)展的一般規(guī)律可控和能控：多種可能性和一定的方式,下面通過具體例子來說明自動控制和自動控制系統(tǒng)的概念,水位控制系統(tǒng),水位控制系統(tǒng),29,控制任務：,維持水箱內水位恒定；,控制裝置：,氣動閥門、控制器；,受控對象：,水箱、供水系統(tǒng)；,被控量：,水箱內水位的高度；,給定值：,控制器刻度盤指針標定的預定水位高度；,測量裝置：,浮子；,比較裝置：,控制器刻度盤；,干擾：,水的流出量和流入量的變化都將破壞水位保持恒定；,控制直流電動機轉速示意圖如下所示:,激磁回路,激磁電流,電樞電壓,人所起的三個作用:(1)觀察電機的轉速;(2)將觀察到的轉速與需要保持的轉速在頭腦中進行比較;(3)根據(jù)比較得出的結論去調整電位器的輸出電壓.,自動控制直流電動機轉速示意圖如下所示:,1開環(huán)系統(tǒng)當一個系統(tǒng)以所需的方框圖表示而沒有反饋回路時，稱之為開環(huán)系統(tǒng)。,直流電動機轉速控制系統(tǒng)（開環(huán)系統(tǒng)）,電壓放大器,功率放大器,直流電動機,Ur,Ua,Mc,給定量,控制裝置,被控對象,被控量,自動控制系統(tǒng)的工作原理,反饋：將輸出量通過一定的方式送回到輸入端，并與輸入信號比較產生偏差信號過程稱為反饋外反饋：由附加的反饋控制裝置引起的信息交互內反饋：系統(tǒng)內部的信息交互負反饋：輸入信號反饋信號（輸出信號）正反饋：輸入信號+反饋信號,反饋控制原理：,沒有反饋回路,有反饋回路,反饋通路輸出信號被送回到輸入回路的通路。,注意電路中信號的流向,內反饋與外反饋,外反饋：在自動控制系統(tǒng)中，為達到某種控制目的而人為加入的反饋，稱為外反饋。,內反饋：在系統(tǒng)或過程中存在的各種自然形成的反饋，稱為內反饋。它是系統(tǒng)內部各個元素之間相互耦合的結果。內反饋是造成機械系統(tǒng)存在一定的動態(tài)特性的根本原因，紛繁復雜的內反饋的存在使得機械系統(tǒng)變得異常復雜。,顯然這是一個內反饋，因為沒有附加反饋控制裝置。內反饋是系統(tǒng)內部的信息交互，反映了系統(tǒng)的動態(tài)特性。,例：m-c-k系統(tǒng),直流電動機轉速自動控制系統(tǒng)可畫成如下方框圖：,方框：表示系統(tǒng)中的一個元件或幾個元件組合而成的一個裝置帶箭頭的直線：表示系統(tǒng)中信號流通的方向小圓圈符號：表示比較器,正負號表示信號在比較器中是被相加還是被相減,方框圖中信號的常用名稱:r(t):系統(tǒng)的輸入信號,其中使系統(tǒng)具有預定性能或預定輸出的,又可稱為給定輸入信號或參考輸入信號,如電位器的輸出電壓.c(t):系統(tǒng)的輸出信號（輸出量），又常叫做系統(tǒng)對輸入的響應,如電動機的轉速.b(t):叫反饋信號.而把系統(tǒng)中輸出信號轉換成反饋信號的元件或裝置,稱為反饋元件或反饋裝置,如測速發(fā)電機.e(t):叫偏差信號.是r(t)與b(t)比較的結果.u(t):是控制器的輸出信號,叫控制信號.,：干擾信號，它的作用是破壞系統(tǒng)具有預定性能或預定輸出.干擾信號根據(jù)具體情況,在系統(tǒng)中可有不同的作用點.,一些基本概念,前向通路：從輸入端沿箭頭方向到輸出端的傳輸通路主反饋通路：輸出經過測量元件到達輸入端的通路主回路：前向通路+主反饋通路內回路：局部前向通路+局部反饋通路單回路系統(tǒng)、多回路系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng)受到的外部作用參考（有用）輸入：決定系統(tǒng)被控量的變化規(guī)律擾動：系統(tǒng)外部擾動、系統(tǒng)內部擾動,爐溫控制系統(tǒng),爐溫控制系統(tǒng)原理方框圖,定時開關,爐子,電阻絲,當一個系統(tǒng)以所需的方框圖表示而存在反饋回路時，稱之為閉環(huán)系統(tǒng)。閉環(huán)系統(tǒng)也叫反饋控制系統(tǒng)。“閉環(huán)”這個術語的含義，就是應用反饋作用來減小系統(tǒng)誤差。,直流電動機轉速控制系統(tǒng)（閉環(huán)系統(tǒng)）,2閉環(huán)系統(tǒng),檢測偏差糾正偏差,例1爐溫控制系統(tǒng),例1爐溫控制系統(tǒng),爐溫控制系統(tǒng)方框圖,爐溫控制系統(tǒng)方框圖,例：,人騎自行車時，總是希望自行車具有一定的理想狀態(tài)（如速度，方向等），人腦根據(jù)這個理想狀態(tài)指揮四肢動作，使自行車按預定的狀態(tài)運動，此時，路面的狀況等因素會對自行車的實際狀態(tài)產生影響，使得自行車偏離理想狀態(tài)，人的感覺器官感覺車子的狀態(tài)，并將此信息返回到大腦，大腦根據(jù)實際狀態(tài)與理想狀態(tài)的偏差調整四肢動作，如此循環(huán)往復。其信息流動與反饋的過程如下圖所示：,控制系統(tǒng)的工作原理及其組成,人工控制恒溫箱調節(jié)過程：,觀測恒溫箱內的溫度（被控制量）,與要求的溫度（給定值）進行比較，得到溫度偏差的大小和方向,根據(jù)偏差大小和方向調節(jié)調壓器，控制加熱電阻絲的電流以調節(jié)溫度回復到要求值。,人工控制過程的實質：檢測偏差再糾正偏差。,恒溫箱自動控制系統(tǒng)工作原理：,恒溫箱實際溫度由熱電偶轉換為對應的電壓u2,恒溫箱期望溫度由電壓u1給定，并與實際溫度u2比較得到溫度偏差信號uu1u2,溫度偏差信號經電壓、功率放大后，用以驅動執(zhí)行電動機，并通過傳動機構拖動調壓器動觸頭。當溫度偏高時，動觸頭向減小電流的方向運動，反之加大電流，直到溫度達到給定值為止，此時，偏差u0，電機停止轉動。,系統(tǒng)功能框圖如下所示：,綜上所述，閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作原理：,檢測輸出量（被控制量）的實際值,將輸出量的實際值與給定值（輸入量）進行比較得出偏差；,用偏差值產生控制調節(jié)作用去消除偏差，使得輸出量維持期望的輸出。,由于存在輸出量反饋，上述系統(tǒng)能在存在無法預計擾動的情況下，自動減少系統(tǒng)的輸出量與參考輸入量（或者任意變化的希望的狀態(tài)）之間的偏差，故稱之為反饋控制。,顯然：反饋控制建立在偏差基礎上，其控制方式是“檢測偏差再糾正偏差”。,這種基于反饋原理，能對輸出量與參考輸入量進行比較，并力圖保持兩者之間既定關系的系統(tǒng)。稱為反饋控制系統(tǒng)。反饋控制系統(tǒng)具備測量、比較和執(zhí)行三個基本功能。,在反饋控制系統(tǒng)中,如果反饋信號的作用是加強輸入信號的作用,則稱為正反饋控制系統(tǒng);如果反饋信號的作用是減弱輸入信號的作用,則稱為負反饋控制系統(tǒng).控制理論中主要研究的是負反饋控制系統(tǒng).負反饋控制是實現(xiàn)自動控制最基本的方法。,看看誰“點睛”更準確？,樂樂和華華一起玩“點睛”小游戲。黑板上畫出一張缺眼睛小孩的臉：樂樂走到黑板附近，背著黑板畫出小孩的眼睛；華華走到黑板附近，朝著黑板畫出小孩的眼睛。,開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)框圖,比較器,+,-,輸入量（眼睛給定位置）,控制量（粉筆位移）,輸出量眼睛實際位置,控制量（粉筆位移）,輸出量眼睛實際位置,輸入量（眼睛給定位置）,樂樂開環(huán)控制框圖,華華閉環(huán)控制框圖,復合控制是閉環(huán)控制和開環(huán)控制相結合的一種方式。它是在閉環(huán)控制基礎上增加一個干擾信號的補償控制，以提高控制系統(tǒng)的抗干擾能力。,3復合控制系統(tǒng),補償裝置,控制器,被控對象,輸入信號,_,+,干擾信號,被控信號,根據(jù)干擾信號進行補償，提高系統(tǒng)的控制精度，減小干擾信號的影響,補償裝置,控制器,被控對象,輸入信號,_,+,干擾信號,根據(jù)輸入信號進行補償，提高系統(tǒng)的跟蹤性能,水溫調節(jié)系統(tǒng),水溫調節(jié)系統(tǒng),水溫調節(jié)系統(tǒng)方框圖,閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成,給定元件產生給定信號或輸入信號。,反饋元件測量被控制量（輸出量），產生反饋信號。為便于傳輸，反饋信號通常為電信號。,比較元件對給定信號和反饋信號進行比較，產生偏差信號；,放大元件對偏差信號進行放大，使之有足夠的能量驅動執(zhí)行元件實現(xiàn)控制功能。,執(zhí)行元件直接對受控對象進行操縱的元件；如電動機、液壓馬達等；,校正元件用以改善系統(tǒng)控制質量的裝置。,控制系統(tǒng)中比較元件、放大元件、執(zhí)行元件和反饋元件等共同起控制作用，統(tǒng)稱為控制器。,實際的控制系統(tǒng)中，擾動總是不可避免的，擾動分為內部擾動和外部擾動，但在控制系統(tǒng)中，擾動集中表現(xiàn)在控制量與被控量的偏差上，因此，可以將控制系統(tǒng)的擾動等效為對控制對象的干擾。,對控制系統(tǒng)基本要求,產生過渡過程的原因：1.內部原因：系統(tǒng)有慣性，有儲能元件2.外部原因：參數(shù)配置不當,對控制系統(tǒng)基本要求,控制系統(tǒng)的分類,按給定信號的形式自動調節(jié)系統(tǒng)/隨動系統(tǒng)按系統(tǒng)是否滿足疊加原理線性系統(tǒng)/非線性系統(tǒng)按系統(tǒng)參數(shù)是否隨時間變化定常系統(tǒng)/時變系統(tǒng)按信號傳遞的形式連續(xù)系統(tǒng)/離散系統(tǒng)按輸入輸出變量的多少單變量系統(tǒng)/多變量系統(tǒng)按被控量來分溫度控制系統(tǒng)/速度控制系統(tǒng),按給定信號的形式：,自動調節(jié)系統(tǒng)恒值控制系統(tǒng)系統(tǒng)輸入量為恒定值?？刂迫蝿帐潜ＷC在任何擾動作用下系統(tǒng)的輸出量為恒值。,如：恒溫箱控制、電網(wǎng)電壓、頻率控制等。,程序控制系統(tǒng)輸入量的變化規(guī)律預先確知，輸入裝置根據(jù)輸入的變化規(guī)律，發(fā)出控制指令，使被控對象按照指令程序的要求而運動。如數(shù)控加工系統(tǒng)。,隨動系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）輸入量的變化規(guī)律不能預先確知，其控制要求是輸出量迅速、平穩(wěn)地跟隨輸入量的變化，并能排除各種干擾因素的影響，準確地復現(xiàn)輸入信號的變化規(guī)律。,1、線性系統(tǒng)同時滿足疊加性與均勻性（又稱為齊次性）的系統(tǒng)稱為線性系統(tǒng)。若以符號來表示系統(tǒng)輸入與輸出之間的關系，則在輸入信號r(t)作用下，系統(tǒng)的輸出c(t)可表示為,設,疊加性：,齊次性,2、非線性系統(tǒng)不滿足滿足疊加性與均勻性（又稱為齊次性）的系統(tǒng)稱為非線性系統(tǒng)。其特性要用非線性的微分或差分方程來表示。,也可以將上述兩點統(tǒng)一表示為：,零輸入響應：激勵為零時，僅由系統(tǒng)的初始狀態(tài)所引起的響應。,線性系統(tǒng)的響應可以分解為兩個部分：,零狀態(tài)響應：系統(tǒng)的初始條件為零時，僅由輸入信號所引起的響應。,如果系統(tǒng)的初始狀態(tài)不為零，在輸入的作用下，線性定常系統(tǒng)的響應稱為全響應。,1、時變系統(tǒng)特性隨時間變化的系統(tǒng)。其輸出波形不僅與輸入波形有關，還與輸入信號加入的時刻有關。時變系統(tǒng)采用凍結系數(shù)法進行近似定常系統(tǒng)處理，這一方法實質是在系統(tǒng)工作的時間內，分段將時變系數(shù)凍結為常值。2、定常系統(tǒng)特性不隨時間變化的系統(tǒng)，又稱為時不變系統(tǒng)。定常系統(tǒng)又分為定常線性系統(tǒng)和定常非線性系統(tǒng)。,1、連續(xù)系統(tǒng)系統(tǒng)各部分的信號都是模擬的連續(xù)函數(shù)。目前工業(yè)中普遍采用的常規(guī)控制儀表PID調節(jié)器控制的系統(tǒng)及電動機速度自動控制系統(tǒng)就屬于這一類型。2、離散系統(tǒng)系統(tǒng)的某一處或幾處，信號以脈沖序列或數(shù)碼的形式傳遞的控制系統(tǒng)。其主要特點是：系統(tǒng)中用脈沖開關或采樣開關，將連續(xù)信號轉變?yōu)殡x散信號?？煞譃槊}沖控制系統(tǒng)和數(shù)字控制系統(tǒng)。,典型輸入信號,一階躍函數(shù),二斜坡函數(shù)（勻速函數(shù)）,三拋物線函數(shù)（勻加速函數(shù)）,R=1時，稱為單位階躍函數(shù)，記為l(t)。,R=1時，稱為單位斜坡函數(shù)。,R=1/2時，稱為單位拋物線函數(shù)。,四脈沖函數(shù),五正弦函數(shù),當時，則稱為單位脈沖函數(shù)。,系統(tǒng)性能分析方法,時間響應可分為瞬態(tài)響應與穩(wěn)態(tài)響應。,1）、瞬態(tài)響應系統(tǒng)在某一輸入信號的作用下，系統(tǒng)的輸出量從初始狀態(tài)到穩(wěn)定狀態(tài)的響應過程稱為瞬態(tài)響應。,2）、穩(wěn)態(tài)響應在某一輸入信號的作用后，時間趨于無窮大時系統(tǒng)的輸出狀態(tài)稱為穩(wěn)態(tài)響應。,穩(wěn)、快,準,系統(tǒng)在單位階躍信號作用下的時間響應的形式,系統(tǒng)的輸出量在ts（調整時間）時刻達到穩(wěn)定狀態(tài)，在t從0ts時間內的響應過程稱為瞬態(tài)響應；當t時，系統(tǒng)的輸出即為穩(wěn)態(tài)響應。,當t時，c(t)收斂于某一穩(wěn)定值，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的；若c(t)呈等幅振蕩或發(fā)散，則系統(tǒng)不穩(wěn)定。瞬態(tài)響應直接反應了系統(tǒng)的動態(tài)特性，穩(wěn)態(tài)響應偏離希望輸出值的程度可以衡量系統(tǒng)的精確程度。,控制系統(tǒng)的計算機輔助設計,20世紀50年代，頻域法在控制系統(tǒng)分析與設計中得到迅速的發(fā)展，而時域法相對處于停滯狀態(tài)。這一時期，為了得到復雜系統(tǒng)在時域中的解，曾廣泛采用模擬計算機仿真的方法；20世紀60年代，數(shù)字計算機開始應用于控制系統(tǒng)的計算機輔助設計，并取得了許多建設性的成果；20世紀70年代，開始出現(xiàn)了控制系統(tǒng)計算機輔助設計的軟件包；20世紀80年代，美國的Mathwork公司推出了MATLAB軟件系統(tǒng)，它具有模塊化的計算方法，可視化與智能化的人機交互功能，豐富的矩陣運算,圖形繪制,數(shù)據(jù)處理函數(shù),基于模塊化圖形組態(tài)的動態(tài)系統(tǒng)仿真工具SIMULINK等優(yōu)秀軟件,而且Mathwork公司密切注意科技發(fā)展的最新成果,及時地與不同領域的知名專家合作,推出了許多控制系統(tǒng)CAD的“工具箱”，被人們譽為“巨人肩上的工具”。,計算機仿真和輔助設計的基本概念1、計算機輔助設計的概念計算機輔助設計（CAD）技術是利用計算機高速而精確的計算能力、大容量存儲和處理數(shù)據(jù)的能力，結合設計者的綜合分析、邏輯判斷及創(chuàng)造性思維，用以加快設計進程、縮短設計周期、提高設計質量的技術。說明：計算機輔助設計從廣義上來講它包含了計算機仿真的內容，從狹義上說它的主要工作是利用計算機的運算能力來處理設計者手工處理所遇到的不便與繁瑣。,2、計算機仿真的概念仿真的定義仿真的基本思想是利用物理的或數(shù)學的模型來類比模仿現(xiàn)實過程，以尋求對真實過程的認識。它所遵循的基本原則是相似性原理。計算機仿真的定義計算機仿真是基于所建立的系統(tǒng)仿真模型，利用計算機對系統(tǒng)進行分析與研究的方法。,3、系統(tǒng)及其模型,1）系統(tǒng)的特性:,a.系統(tǒng)的性能不僅與系統(tǒng)的元素有關，而且還與系統(tǒng)的結構有關；,b.系統(tǒng)的內容比組成系統(tǒng)各元素的內容要豐富得多；,c.系統(tǒng)往往具有表現(xiàn)出在時域、頻域或復域等域內的動態(tài)特性。,2）機械系統(tǒng):,實現(xiàn)一定的機械運動、輸出一定的機械能，以及承受一定的機械載荷為目的的系統(tǒng)，稱為機械系統(tǒng)。對于機械系統(tǒng)，其輸入和輸出分別稱為“激勵”和“響應”。,3)系統(tǒng)模型:,模型是研究系統(tǒng)、認識系統(tǒng)與描述系統(tǒng)、分析系統(tǒng)的一種工具。在我們這里模型是指一種用數(shù)學方法所描述的抽象的理論模型，用來表達一個系統(tǒng)內部各部分之間，或系統(tǒng)與其外部環(huán)境之間的關系，故又稱為數(shù)學模型。,系統(tǒng)的模型包括實物模型、物理模型、和數(shù)學模型等等。而數(shù)學模型又包括靜態(tài)模型和動態(tài)模型。動態(tài)模型在一定的條件下可以轉換成靜態(tài)模型。在控制理論或控制工程中，一般關心的是系統(tǒng)的動態(tài)特性，因此，往往需要采用動態(tài)數(shù)學模型。,靜態(tài)模型反映系統(tǒng)在恒定載荷或緩變作用下或在系統(tǒng)平衡狀態(tài)下的特性，現(xiàn)時輸出僅由其現(xiàn)時輸入所決定，一般以代數(shù)公式描述。,動態(tài)模型反映系統(tǒng)在迅變載荷或在系統(tǒng)不平衡狀態(tài)下的特性，現(xiàn)時輸出還由受其以前輸入的歷史的影響，一般以微分方程或差分方程描述。,現(xiàn)代仿真模型指根據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學模型，用仿真語言轉化為計算機可以實施的模型。4、計算機仿真的三要素及基本步驟1、三要素（1）系統(tǒng)：研究的對象（2）模型：系統(tǒng)的抽象（3）計算機：工具與手段,2、基本步驟包括三個基本的內容：建模仿真實驗結果分析,獨輪自行車實物仿真問題,單一剛性鉸鏈，兩自由度動力學問題,問題的提出：獨輪自行車，機器人行走過程中的平衡控制，火箭發(fā)射中的垂直度控制，衛(wèi)星飛行中的姿態(tài)控制，海上鉆井平臺的穩(wěn)定控制，飛機的安全著陸控制。,獨輪自行車實物仿真問題,1)擺桿繞其中心的轉動方程為,2)擺桿重心的水平運動可能描述為,3)擺桿中心在垂直方向上的運動可描述為,4)小車水平方向運動可描述為,獨輪自行車實物仿真問題,精確模型：,在平衡點附近線性化：,對上述微分方程模型通過上一節(jié)的變換可以得到一階直線倒立擺系統(tǒng)的微分方程，傳遞函數(shù)和狀態(tài)方程三種形式。,在起重機系統(tǒng)中，為使重物盡快地由A點移動至B點（同時，還要保證重物在抵達B點處時滿足：條件），我們希望通過控制量u（t）適當控制小車的運行加速度來實現(xiàn)這一目標。顯然這是一個最優(yōu)控制問題。借助于Simulink封裝技術（子系統(tǒng)），在模型驗證的基礎上，采用時間最優(yōu)控制方案，實現(xiàn)起重機防擺控制的系統(tǒng)仿真實驗。,系統(tǒng)建模,定擺長起重機系統(tǒng)模型,定擺長起重機系統(tǒng)精確模型為,系統(tǒng)在條件下的簡化模型為,模型驗證,（一）模型封裝,利用前面介紹的Simulink封裝子系統(tǒng)功能，可使模型驗證原理表示得更加簡捷,如下圖所示:,模型驗證,（二）模型驗證,1實驗設計假定使起重機在（）初始狀態(tài)下，突加一有限恒定作用力，則依據(jù)經驗知：小車位置將不斷增大，而重物將在小車的一側做往復擺動,如下圖所示。利用仿真實驗來驗證正確數(shù)學模型應具有的這一必要性質。,模型驗證,（二）模型驗證,2仿真實驗仿真結果如下圖所示,從中可見：在1N恒定拖動力作用下，負載不斷的在區(qū)間內擺動，小車位置逐漸增加。這一結果符合前述的實驗設計，故可以在一定程度上確認：該起重機系統(tǒng)的數(shù)學模型是有效的。,應用仿真技術的意義,1、經濟大型、復雜系統(tǒng)直接實驗是十分昂貴的，如：空間飛行器的一次飛行實驗的成本約在1億美元左右，而采用仿真實驗僅需其成本的1/101/5，而且設備可以重復使用。2、安全某些系統(tǒng)（如載人飛行器、核電裝置等），直接實驗往往會有很大的危險，甚至是不允許的，而采用仿真實驗可以有效降低危險程度，對系統(tǒng)的研究起到保障作用。,3、快捷提高設計效率：比如電路設計，服裝設計等等。4、具有優(yōu)化設計和預測的特殊功能對一些真實系統(tǒng)進行結構和參數(shù)的優(yōu)化設計是非常困難的，這時仿真可以發(fā)揮它特殊的優(yōu)化設計功能。在非工程系統(tǒng)中（如社會、管理、經濟等系統(tǒng)），由于其規(guī)模及復雜程度巨大，直接實驗幾乎不可能，這時通過仿真技術的應用可以獲得對系統(tǒng)的某種超前認識。,仿真技術的發(fā)展趨勢,1、硬件方面：基于多CPU并行處理技術的全數(shù)字仿真將有效提高仿真系統(tǒng)的速度，大大增強數(shù)字仿真的實時性。2、應用軟件方面：直接面向用戶的數(shù)字仿真軟件不斷推陳出新，各種專家系統(tǒng)與智能化技術將更深入地應用于仿真軟件開發(fā)之中，使得在人機界面、結果輸出、綜合評判等方面達到更理想的境界。3、分布式數(shù)字仿真：充分利用網(wǎng)絡技術，協(xié)調合作，投資少，效果好。4、虛擬現(xiàn)實技術：綜合了計算機圖形技術、多媒體技術、傳感器技術、顯示技術以及仿真技術等多學科，使人置身于真實環(huán)境之中。,計算機仿真軟件,一、仿真軟件的發(fā)展1、程序編程階段所有問題（如：微分方程求解、矩陣運算、繪圖等）都是用高級算法語言（如C、FORTRAN等）來編寫。2、程序軟件包階段出現(xiàn)了“應用子程序庫”。3、交互式語言階段（仿真語言）仿真語言可用一條指令實現(xiàn)某種功能，如“系統(tǒng)特征值的求解”，使用人員不必考慮什么算法，以及如何實現(xiàn)等低級問題。,二、幾種仿真軟件1、PSPICE、ORCAD：通用的電子電路仿真軟件，適合于元件級仿真。2、SYSTEMVIEW：系統(tǒng)級的電路動態(tài)仿真軟件3、MATLAB：具有強大的數(shù)值計算能力，包含各種工具箱，其程序不能脫離MATLAB環(huán)境而運行，所以嚴格講，MATLAB不是一種計算機語言，而是一種高級的科學分析與計算軟件。4、SIMULINK：是MATLAB附帶的基于模型化圖形組態(tài)的動態(tài)仿真環(huán)境。,小結控制理論的發(fā)展時期；反饋、自動控制的概念；控制的三要素是什么？控制系統(tǒng)的基本要求；閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成；控制系統(tǒng)的分類。能正確分析控制系統(tǒng)的原理，并畫出方框圖。,例1：設電熱水器如下圖所示。為了保持希望的溫度，由溫