自動控制理論第一章

1、2021-6-29 1 自動控制原理自動控制原理 王承國王承國 2021-6-29 2 主要參考書 自動控制原理自動控制原理 科學出版社 胡壽松 自動控制原理自動控制原理 國防工業(yè)出版社 李友善 自動控制原理自動控制原理 華南理工大學出版社 高國燊 自動控制原理自動控制原理 清華大學出版社 吳 麒 MATLAB/Simulink與控制系統(tǒng)仿真與控制系統(tǒng)仿真 電子工業(yè)出版社 王正林 反饋控制系統(tǒng)設計與分析反饋控制系統(tǒng)設計與分析 MATLAB語言應用語言應用 清華大學出版社 薛定宇 2021-6-29 3 中文核心期刊要目總覽中文核心期刊要目總覽 ( (北京大學北京大學20122012版）版） 自

2、動化學報自動化學報 控制理論與應用控制理論與應用 模式識別與人工智能模式識別與人工智能 控制與決策控制與決策 信息與控制信息與控制 機器人機器人 系統(tǒng)仿真學報系統(tǒng)仿真學報 數(shù)據(jù)采集與處理數(shù)據(jù)采集與處理 傳感器技術傳感器技術 2021-6-29 4 課程概況課程概況 國家一級學科：控制科學與工程國家一級學科：控制科學與工程 國家二級學科：控制理論與控制工程、檢測技術與自動國家二級學科：控制理論與控制工程、檢測技術與自動 化裝置、系統(tǒng)工程、模式識別與智能系統(tǒng)和導航、制導化裝置、系統(tǒng)工程、模式識別與智能系統(tǒng)和導航、制導 與控制與控制 對應本科專業(yè)：自動化（自動控制）對應本科專業(yè)：自動化（自動控制）

3、難、理性很強、與數(shù)學聯(lián)系密切難、理性很強、與數(shù)學聯(lián)系密切 學分：學分：3 3 總學時：總學時：4848 時間：周三時間：周三1-21-2節(jié)，周五節(jié)，周五1-21-2節(jié)節(jié) 地點：教學一區(qū)地點：教學一區(qū)12071207 2021-6-29 5 課程要求及考核方式 2021-6-29 6 1 1-1 -1 自動自動控制的基本原理與方式控制的基本原理與方式 1-2 1-2 自動控制系統(tǒng)實例自動控制系統(tǒng)實例 1-3 1-3 自動控制系統(tǒng)的分類自動控制系統(tǒng)的分類 1-4 1-4 對自動控制系統(tǒng)的基本要求對自動控制系統(tǒng)的基本要求 2021-6-29 7 自動控制自動控制 自動控制是指在無人直接參與的情況下，

4、利用外加的設自動控制是指在無人直接參與的情況下，利用外加的設 備或裝置（統(tǒng)稱備或裝置（統(tǒng)稱控制裝置或控制器控制裝置或控制器），使機器、設備或生產(chǎn)），使機器、設備或生產(chǎn) 過程（統(tǒng)稱過程（統(tǒng)稱被控對象被控對象）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（即）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量被控量） 自動地按照預定的規(guī)律運行。自動地按照預定的規(guī)律運行。 自動控制理論自動控制理論 自動控制理論是研究自動控制問題共同規(guī)律的技術科學，自動控制理論是研究自動控制問題共同規(guī)律的技術科學， 主要講述自動控制技術的基本理論與控制系統(tǒng)分析與設計的主要講述自動控制技術的基本理論與控制系統(tǒng)分析與設計的 基本方法等內容?；痉椒ǖ葍热?。 202

5、1-6-29 8 是指按照某些規(guī)律結合在一起的物體（元部件）的組合，它是指按照某些規(guī)律結合在一起的物體（元部件）的組合，它 們相互作用、相互依存，并能完成一定的任務。們相互作用、相互依存，并能完成一定的任務。 系統(tǒng)系統(tǒng) 能夠實現(xiàn)自動控制的系統(tǒng)就可稱為自動控制系統(tǒng)，一般由能夠實現(xiàn)自動控制的系統(tǒng)就可稱為自動控制系統(tǒng)，一般由 控制裝置和被控對象控制裝置和被控對象組成。組成。 自動控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng) 2021-6-29 9 自動控制是一門技術學科，從方法論的角度來研究系統(tǒng)的建自動控制是一門技術學科，從方法論的角度來研究系統(tǒng)的建 立、分析與設計。立、分析與設計。 自動控制原理自動控制原理是本學科的專業(yè)

6、技術核心課程。是本學科的專業(yè)技術核心課程。 （1 1）自動控制理論的基礎課程，該課程與其它課程的關系。）自動控制理論的基礎課程，該課程與其它課程的關系。 自動控制理論自動控制理論 電路理論電路理論 電機與拖動電機與拖動 大學物理大學物理 信號與系統(tǒng)信號與系統(tǒng) 復變函數(shù)復變函數(shù) 拉氏變換拉氏變換 模擬電子技術模擬電子技術 線性代數(shù)線性代數(shù) 微積分微積分 各各 類類 專業(yè)課專業(yè)課 線性系統(tǒng)線性系統(tǒng) 現(xiàn)代控現(xiàn)代控 制理論制理論 2021-6-29 10 （2 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）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

7、：自適應性很強的一門學科。從基本反饋控制原理發(fā)展到：自適應 控制、最優(yōu)控制、魯棒控制、大系統(tǒng)控制、智能控制等?？刂?、最優(yōu)控制、魯棒控制、大系統(tǒng)控制、智能控制等。 討論的對象：因果系統(tǒng)討論的對象：因果系統(tǒng) 、工程系統(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、設計 2021-6-29 11 控制理論的發(fā)展歷史 1765年年俄國機械師波爾祖諾夫發(fā)明了蒸汽機鍋爐水位調節(jié)器俄國機械師波爾祖諾夫發(fā)明了蒸汽機鍋爐水位調節(jié)器

8、1788年年英國人瓦特英國人瓦特(Watt)發(fā)明了蒸汽機離心式調速器發(fā)明了蒸汽機離心式調速器 1877年年勞斯勞斯(Routh)和和赫爾維茨赫爾維茨(Hurwitz)提出判定系統(tǒng)穩(wěn)定的代數(shù)判提出判定系統(tǒng)穩(wěn)定的代數(shù)判 據(jù)據(jù) 1892年年俄國學者俄國學者李亞普諾夫李亞普諾夫發(fā)表了發(fā)表了“論運動穩(wěn)定性的一般問題論運動穩(wěn)定性的一般問題”的博的博 士論文，提出李亞普諾夫穩(wěn)定性理論士論文，提出李亞普諾夫穩(wěn)定性理論 19世紀末到世紀末到20世紀前半葉世紀前半葉，內燃機的使用，內燃機的使用 二次世界大戰(zhàn)中二次世界大戰(zhàn)中，搭起了經(jīng)典控制理論的框架，戰(zhàn)后這些理論被公，搭起了經(jīng)典控制理論的框架，戰(zhàn)后這些理論被公 開

9、，并應用于一般的工業(yè)生產(chǎn)過程中開，并應用于一般的工業(yè)生產(chǎn)過程中 20世紀世紀10年代，年代，PID控制器控制器 2021-6-29 12 經(jīng)典控制理論（經(jīng)典控制理論（20世紀世紀4060年代）年代） 1932年奈奎斯特年奈奎斯特(Nyquist)的的再生理論再生理論一文，開辟了頻域法的一文，開辟了頻域法的 新途徑新途徑 1945年伯德年伯德(Bode)的的網(wǎng)絡分析和反饋放大器設計網(wǎng)絡分析和反饋放大器設計一文，奠定了一文，奠定了 經(jīng)典控制理論的理論基礎，在西方開始形成了自動控制學科經(jīng)典控制理論的理論基礎，在西方開始形成了自動控制學科 1947年美國出版了第一本自動控制教材年美國出版了第一本自動控

10、制教材伺服機件原理伺服機件原理 1948年美國麻省理工學院出版了另一本年美國麻省理工學院出版了另一本伺服機件原理伺服機件原理教材，教材， 建立了現(xiàn)在廣泛使用的頻域法建立了現(xiàn)在廣泛使用的頻域法 1948年年維納維納(Wiener)在他的名著在他的名著控制論：關于在動物和機器中控控制論：關于在動物和機器中控 制和通信的科學制和通信的科學中基于信息的觀點給控制論中基于信息的觀點給控制論(Cybernetics)下了一下了一 個廣義的定義。而在控制工程中又稱為控制理論個廣義的定義。而在控制工程中又稱為控制理論(Control Theory)。 20世紀世紀50年代是經(jīng)典控制理論發(fā)展和成熟的時期。年代是

11、經(jīng)典控制理論發(fā)展和成熟的時期。 2021-6-29 13 美國美國MIT的的N. Wiener于于1948發(fā)表發(fā)表控制論控制論(Cybernetics)， 標志著控制論學科的誕生。標志著控制論學科的誕生。 2021-6-29 14 現(xiàn)代控制理論（現(xiàn)代控制理論（20世紀世紀60年代中期成熟）年代中期成熟） 20世紀世紀50年代末年代末60年代初，空間技術開始發(fā)展，前蘇聯(lián)年代初，空間技術開始發(fā)展，前蘇聯(lián) 和美國都競相進行了大量研究。和美國都競相進行了大量研究。 1960年在美國自動控制聯(lián)合會第一屆年會上首次提出年在美國自動控制聯(lián)合會第一屆年會上首次提出 “現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論”這個名詞。這個名

12、詞。 在狀態(tài)空間法發(fā)展初期，具有重要意義的是龐特里亞金在狀態(tài)空間法發(fā)展初期，具有重要意義的是龐特里亞金 （Pontryagin）的極大值原理。貝爾曼（）的極大值原理。貝爾曼（Bellman）的動態(tài)）的動態(tài) 規(guī)劃理論和卡爾曼（規(guī)劃理論和卡爾曼（Kalman）的最佳濾波理論，有人把它）的最佳濾波理論，有人把它 們作為現(xiàn)代控制理論的起點，主要研究系統(tǒng)辨識、最優(yōu)控們作為現(xiàn)代控制理論的起點，主要研究系統(tǒng)辨識、最優(yōu)控 制、最佳濾波及自適應控制等內容。制、最佳濾波及自適應控制等內容。 國內控制論的發(fā)展歷史國內控制論的發(fā)展歷史 我國起步晚，在現(xiàn)代科學史上沒有占據(jù)一席之地，我國起步晚，在現(xiàn)代科學史上沒有占據(jù)一席

13、之地， 1954年年錢學森錢學森創(chuàng)立并引入工程控制論，創(chuàng)立并引入工程控制論，80年代普遍開展教年代普遍開展教 學和研究，但基礎工業(yè)落后，以原料到生產(chǎn)，各方面落后，學和研究，但基礎工業(yè)落后，以原料到生產(chǎn)，各方面落后， 從自動化的材料、元件、系統(tǒng)和技術各方面都與發(fā)達國家從自動化的材料、元件、系統(tǒng)和技術各方面都與發(fā)達國家 有較大差距。有較大差距。 2021-6-29 16 經(jīng)典控制與現(xiàn)代控制經(jīng)典控制與現(xiàn)代控制 經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論 研究對象研究對象 單輸入、單輸出系統(tǒng)單輸入、單輸出系統(tǒng) （SISO） 多輸入、多輸出系統(tǒng)多輸入、多輸出系統(tǒng) （MIMO） 數(shù)學模型數(shù)學模型 傳

14、遞函數(shù)傳遞函數(shù) 狀態(tài)方程狀態(tài)方程 研究手段研究手段 頻域法、根軌跡法頻域法、根軌跡法 狀態(tài)空間方法狀態(tài)空間方法 研究目的研究目的 系統(tǒng)綜合、校正系統(tǒng)綜合、校正 最優(yōu)控制、系統(tǒng)辨識、最優(yōu)控制、系統(tǒng)辨識、 最優(yōu)估計、自適應控制最優(yōu)估計、自適應控制 2021-6-29 17 1-1 自動控制的基本原理與方式 1.人工控制與自動控制：水箱水位控制問題人工控制與自動控制：水箱水位控制問題 眼眼 手手 腦腦 水位測水位測 量與變量與變 送送 執(zhí)行器執(zhí)行器 控制器控制器給給 定定 2021-6-29 18 人工控制：眼、腦、手、水箱人工控制：眼、腦、手、水箱+ +閥門閥門 人腦人腦手手水箱系統(tǒng)水箱系統(tǒng) 眼眼

15、 h 自動控制：傳感器、控制器、執(zhí)行器、水箱自動控制：傳感器、控制器、執(zhí)行器、水箱+ +閥門閥門 控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器水箱系統(tǒng)水箱系統(tǒng) 傳感器傳感器 h 2021-6-29 19 2.2.反饋控制原理反饋控制原理 控制論的奠基人控制論的奠基人N.WienerN.Wiener給出的定義：給出的定義： “Feedback is a method of controlling a system by inserting into it the result of its past performance” 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，并力是一種能對輸出量與參考輸

16、入量進行比較，并力 圖保持兩者之間的既定關系的系統(tǒng)，它利用輸出量與輸入量的圖保持兩者之間的既定關系的系統(tǒng)，它利用輸出量與輸入量的 偏差來進行控制。偏差來進行控制。 2021-6-29 20 3.3.反饋控制系統(tǒng)的基本組成反饋控制系統(tǒng)的基本組成 反饋控制系統(tǒng)：被控對象、控制裝置反饋控制系統(tǒng)：被控對象、控制裝置 控制裝置：由具有一定職能的各種基本元件（部件）組成?？刂蒲b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、校正元件放大元件、執(zhí)行元件、校正元件 測量元件測量元件 串聯(lián)校正串聯(lián)校正 反饋校正反饋校正 執(zhí)行元件執(zhí)行元

17、件 放大元件放大元件 被控對象被控對象 局部反饋局部反饋 主反饋主反饋 2021-6-29 21 一些基本概念一些基本概念 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(jīng)過測量元件到達輸入端的通路主反饋通路：輸出經(jīng)過測量元件到達輸入端的通路 主回路：前向通路主回路：前向通路+ +主反饋通路主反饋通路 內回路：局部前向通路內回路：局部前向通路+ +局部反饋通路局部反饋通路 單回路系統(tǒng)、多回路系統(tǒng)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)律參考（有用）輸入：

18、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)內部擾動擾動：系統(tǒng)外部擾動、系統(tǒng)內部擾動 2021-6-29 22 4.4.自動控制系統(tǒng)的基本控制方式自動控制系統(tǒng)的基本控制方式 按照控制方式和策略，自動控制系統(tǒng)可分為：按照控制方式和策略，自動控制系統(tǒng)可分為： 開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng) 閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng) 復合控制系統(tǒng)復合控制系統(tǒng) 2021-6-29 23 開環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖開環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖 p開環(huán)控制是指控制裝置與被控制對象之間只有正向作用而開環(huán)控制是指控制裝置與被控制對象之間只有正向作用而 沒有反向聯(lián)系的控制過程。沒有反向聯(lián)系的控制過程。 p開環(huán)控制系統(tǒng)不具備自動修正的能力。開

19、環(huán)控制系統(tǒng)不具備自動修正的能力。 p當系統(tǒng)精度要求不高或干擾對系統(tǒng)的影響不大時，可以采當系統(tǒng)精度要求不高或干擾對系統(tǒng)的影響不大時，可以采 用開環(huán)控制方式，如交通指揮的紅綠燈轉換，自動控制生產(chǎn)用開環(huán)控制方式，如交通指揮的紅綠燈轉換，自動控制生產(chǎn) 線等。線等。 p開環(huán)控制系統(tǒng)的精度主要取決于構成系統(tǒng)元器件的精度以開環(huán)控制系統(tǒng)的精度主要取決于構成系統(tǒng)元器件的精度以 及調整的精度。及調整的精度。 開環(huán)控制開環(huán)控制 2021-6-29 24 特點：系統(tǒng)輸出量對系統(tǒng)的輸入量不產(chǎn)生影響，結構簡單、特點：系統(tǒng)輸出量對系統(tǒng)的輸入量不產(chǎn)生影響，結構簡單、 調整方便、成本低調整方便、成本低 開環(huán)控制有兩種方式：開環(huán)

20、控制有兩種方式： 按給定量控制按給定量控制 按擾動量控制按擾動量控制 利用可測量的擾動量，產(chǎn)生補償作用，利用可測量的擾動量，產(chǎn)生補償作用， 以減小或抵消擾動對輸出量的影響（以減小或抵消擾動對輸出量的影響（順饋順饋） 開環(huán)控制開環(huán)控制 2021-6-29 25 閉環(huán)控制閉環(huán)控制 閉環(huán)控制是控制裝置與被控對象之間既有正向的作用，閉環(huán)控制是控制裝置與被控對象之間既有正向的作用， 又有反向聯(lián)系的控制過程。又有反向聯(lián)系的控制過程。 若將系統(tǒng)的輸出量反饋到其輸入端，與參考輸入進行比若將系統(tǒng)的輸出量反饋到其輸入端，與參考輸入進行比 較，則構成較，則構成閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng) 把取出的輸出量送回輸入端，并與輸入信號

21、相比較產(chǎn)生把取出的輸出量送回輸入端，并與輸入信號相比較產(chǎn)生 偏差信號的過程，稱為偏差信號的過程，稱為反饋反饋 通過反饋使偏差增大的通過反饋使偏差增大的正反饋正反饋，用，用“+”表示表示 通過反饋使偏差減小的通過反饋使偏差減小的負反饋負反饋，用，用“-” 表示表示 2021-6-29 26 p閉環(huán)控制就是采用負反饋利用偏差來減小偏差的控制過程。閉環(huán)控制就是采用負反饋利用偏差來減小偏差的控制過程。 p工程中的自動控制系統(tǒng)多數(shù)為閉環(huán)控制系統(tǒng)，如艦船操舵系工程中的自動控制系統(tǒng)多數(shù)為閉環(huán)控制系統(tǒng)，如艦船操舵系 統(tǒng)、火炮發(fā)射系統(tǒng)、雷達跟蹤系統(tǒng)等。統(tǒng)、火炮發(fā)射系統(tǒng)、雷達跟蹤系統(tǒng)等。 p閉環(huán)控制系統(tǒng)的精度主要

22、取決于測量元件的精度。閉環(huán)控制系統(tǒng)的精度主要取決于測量元件的精度。 閉環(huán)系統(tǒng)的方框圖閉環(huán)系統(tǒng)的方框圖 閉環(huán)控制閉環(huán)控制 2021-6-29 27 開環(huán)控制與閉環(huán)控制的比較開環(huán)控制與閉環(huán)控制的比較 l 開環(huán)控制系統(tǒng)中信號由輸入到輸出是單方向傳遞的，不必對輸開環(huán)控制系統(tǒng)中信號由輸入到輸出是單方向傳遞的，不必對輸 出信號進行測量，因此結構簡單，調整方便，成本較低。出信號進行測量，因此結構簡單，調整方便，成本較低。 l 開環(huán)控制可分為按給定量進行控制與按擾動量進行控制，按擾開環(huán)控制可分為按給定量進行控制與按擾動量進行控制，按擾 動量進行控制又稱為前饋控制，適用于擾動可測量的場合。動量進行控制又稱為前饋

23、控制，適用于擾動可測量的場合。 l 由于開環(huán)控制只有正向作用，沒有反向的聯(lián)系，因此沒有修正由于開環(huán)控制只有正向作用，沒有反向的聯(lián)系，因此沒有修正 偏差的能力，抗擾動性較差。偏差的能力，抗擾動性較差。 l 在精度要求不高或擾動影響較小的情況下，這種控制方式有一在精度要求不高或擾動影響較小的情況下，這種控制方式有一 定的實用價值。定的實用價值。 l 一般來說，當系統(tǒng)的控制規(guī)律能預先確知，并對系統(tǒng)可能出現(xiàn)一般來說，當系統(tǒng)的控制規(guī)律能預先確知，并對系統(tǒng)可能出現(xiàn) 的干擾可以做到有效抑制時，應采用開環(huán)控制系統(tǒng)。的干擾可以做到有效抑制時，應采用開環(huán)控制系統(tǒng)。 開開 環(huán)環(huán) 控控 制制 2021-6-29 28

24、 l閉環(huán)控制系統(tǒng)由于引入了反饋機制，可以抑制內部參閉環(huán)控制系統(tǒng)由于引入了反饋機制，可以抑制內部參 數(shù)變化和外部擾動對系統(tǒng)輸出產(chǎn)生的影響。數(shù)變化和外部擾動對系統(tǒng)輸出產(chǎn)生的影響。 l采用成本較低、精度不太高的元器件構成高精度的控采用成本較低、精度不太高的元器件構成高精度的控 制系統(tǒng)。制系統(tǒng)。 l應用比較廣泛，但穩(wěn)定性是設計中要考慮的主要問題。應用比較廣泛，但穩(wěn)定性是設計中要考慮的主要問題。 l只有在系統(tǒng)的控制量和擾動量均無法預知的情況下，只有在系統(tǒng)的控制量和擾動量均無法預知的情況下， 閉環(huán)控制系統(tǒng)才有其明確的優(yōu)越性。閉環(huán)控制系統(tǒng)才有其明確的優(yōu)越性。 閉閉 環(huán)環(huán) 控控 制制 2021-6-29 29

25、 開環(huán)控制開環(huán)控制閉環(huán)控制閉環(huán)控制 結構結構簡單、成本低簡單、成本低復雜、成本高復雜、成本高 精度精度 精度低、對元器精度低、對元器 件要求高件要求高 精度高、對元器件精度高、對元器件 要求低要求低 穩(wěn)定性穩(wěn)定性通常不考慮通常不考慮必須考慮必須考慮 2021-6-29 30 復合控制復合控制 將按偏差控制與按前饋控制結合起來，對于主要擾動將按偏差控制與按前饋控制結合起來，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)以實現(xiàn)按偏差控制，以消除其余擾動產(chǎn)生的偏差?？刂葡到y(tǒng)以實現(xiàn)按偏差控制，以消除其余擾動產(chǎn)生的偏差。 這種

26、按偏差控制與按擾動控制相結合的控制方式稱為這種按偏差控制與按擾動控制相結合的控制方式稱為復合復合 控制控制。 （1）按偏差控制）按偏差控制+按擾動補償控制按擾動補償控制 （2）按偏差控制）按偏差控制+按給定補償控制按給定補償控制 2021-6-29 31 1-2 1-2 自動控制系統(tǒng)示例自動控制系統(tǒng)示例 函數(shù)記錄儀函數(shù)記錄儀 飛機飛機- -自動駕駛儀系統(tǒng)自動駕駛儀系統(tǒng) 電阻爐微機溫度控制系統(tǒng)電阻爐微機溫度控制系統(tǒng) 飛行模擬器的視景系統(tǒng)飛行模擬器的視景系統(tǒng) 鍋爐液位控制系統(tǒng)鍋爐液位控制系統(tǒng) 磁盤驅動讀取系統(tǒng)磁盤驅動讀取系統(tǒng) 胰島素注射控制系統(tǒng)胰島素注射控制系統(tǒng) 2021-6-29 32 被控對象

27、：水箱被控對象：水箱 被控量：水箱水位被控量：水箱水位 控制裝置：杠桿控制裝置：杠桿 檢測元件：浮球檢測元件：浮球 控制手段：進水閥控制手段：進水閥 水箱水位控制系統(tǒng)水箱水位控制系統(tǒng) 2021-6-29 33 水箱水位控制系統(tǒng)水箱水位控制系統(tǒng) 調節(jié)器(杠桿) 執(zhí)行器 調節(jié)閥 水箱 變送器(浮球) + - 測量水位 偏 差 量 控 制 量 調 節(jié) 位 移 進 水 量 實 際 水 位 設 定 水 位 2021-6-29 34 2021-6-29 35 爐溫控制系統(tǒng)方框圖爐溫控制系統(tǒng)方框圖 爐溫控制系統(tǒng)方框圖爐溫控制系統(tǒng)方框圖 2021-6-29 36 汽車駕駛控制系統(tǒng)汽車駕駛控制系統(tǒng) 2021-6

28、-29 37 2021-6-29 38 1-3 1-3 自動控制系統(tǒng)的分類自動控制系統(tǒng)的分類 分類方法分類方法 按控制方式：開環(huán)控制、閉環(huán)控制、復合控制按控制方式：開環(huán)控制、閉環(huán)控制、復合控制 按元件類型：機械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、機電系統(tǒng)、液壓系按元件類型：機械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、機電系統(tǒng)、液壓系 統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、生物系統(tǒng)等。統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、生物系統(tǒng)等。 按系統(tǒng)功能：溫度、壓力、位置按系統(tǒng)功能：溫度、壓力、位置 按系統(tǒng)性能：線性與非線性、連續(xù)與離散、定常與時變按系統(tǒng)性能：線性與非線性、連續(xù)與離散、定常與時變 按參考量變化規(guī)律：恒值、隨動、程序控制按參考量變化規(guī)律：恒值、隨動、程序控制 2021-6-29

29、39 線性控制系統(tǒng)和非線性控制系統(tǒng)線性控制系統(tǒng)和非線性控制系統(tǒng) 按照系統(tǒng)按照系統(tǒng)是否滿足疊加原理是否滿足疊加原理，系統(tǒng)可分為線性系，系統(tǒng)可分為線性系 統(tǒng)和非線性系統(tǒng)兩類統(tǒng)和非線性系統(tǒng)兩類 。 線性控制系統(tǒng)線性控制系統(tǒng) 組成控制系統(tǒng)的元件都具有線性特性；組成控制系統(tǒng)的元件都具有線性特性； 輸入輸出關系一般可以用微分方程、差分方程、傳遞函輸入輸出關系一般可以用微分方程、差分方程、傳遞函 數(shù)以及狀態(tài)空間表達式來描述；數(shù)以及狀態(tài)空間表達式來描述； 線性系統(tǒng)的主要特點是具有線性系統(tǒng)的主要特點是具有齊次性齊次性和適用和適用疊加原理疊加原理； 如果線性系統(tǒng)中的參數(shù)不隨時間變化，則稱為線性定常如果線性系統(tǒng)中的

30、參數(shù)不隨時間變化，則稱為線性定常 系統(tǒng)；否則稱為線性時變系統(tǒng)系統(tǒng)；否則稱為線性時變系統(tǒng) 。 2021-6-29 40 非線性控制系統(tǒng)非線性控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)中，若至少有一個元件具有非線性特性；控制系統(tǒng)中，若至少有一個元件具有非線性特性； 一般不具有齊次性，也不適用疊加原理；一般不具有齊次性，也不適用疊加原理； 輸出響應和穩(wěn)定性與輸入信號和初始狀態(tài)有很大關系；輸出響應和穩(wěn)定性與輸入信號和初始狀態(tài)有很大關系； 也有時變和定常系統(tǒng)之分；也有時變和定常系統(tǒng)之分； 嚴格地講，絕對線性的控制系統(tǒng)（或元件）是不存在的嚴格地講，絕對線性的控制系統(tǒng)（或元件）是不存在的 由于非線性系統(tǒng)的復雜性，分析非線性系統(tǒng)沒有

31、一種統(tǒng)一的由于非線性系統(tǒng)的復雜性，分析非線性系統(tǒng)沒有一種統(tǒng)一的 方法方法 非線性方程的特點：系數(shù)與變量有關，或者方程中含有變量非線性方程的特點：系數(shù)與變量有關，或者方程中含有變量 及其導數(shù)的高次冪或乘積數(shù)及其導數(shù)的高次冪或乘積數(shù) 2021-6-29 41 1 1、線性連續(xù)控制系統(tǒng)、線性連續(xù)控制系統(tǒng) )()()()( )()()()( 1 1 1 10 1 1 1 10 trbtr dt d btr dt d btr dt d b tcatc dt d atc dt d atc dt d a mm m m m m nn n n n n 由系數(shù)判定線性時變系統(tǒng)、線性定常系統(tǒng)。由系數(shù)判定線性時變系統(tǒng)

32、、線性定常系統(tǒng)。 線性定常系統(tǒng)根據(jù)參考輸入量又可分為：線性定常系統(tǒng)根據(jù)參考輸入量又可分為： 恒值控制系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)恒值控制系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng) 2021-6-29 42 系統(tǒng)主要特點系統(tǒng)主要特點 （1）恒值控制系統(tǒng)）恒值控制系統(tǒng) （調節(jié)器、自動調節(jié)系統(tǒng)調節(jié)器、自動調節(jié)系統(tǒng)） 參考輸入是個常值，要求被控量也等于常值。參考輸入是個常值，要求被控量也等于常值。 外部擾動的存在，被控量偏離參考量而出現(xiàn)偏差，控制系外部擾動的存在，被控量偏離參考量而出現(xiàn)偏差，控制系 統(tǒng)根據(jù)偏差產(chǎn)生控制作用，以克服擾動的影響，使被控量統(tǒng)根據(jù)偏差產(chǎn)生控制作用，以克服擾動的影響，使被控量 恢復到給定的常值

33、。恢復到給定的常值。 （2）隨動系統(tǒng)（）隨動系統(tǒng)（跟蹤、伺服跟蹤、伺服） 參考輸入是參考輸入是預先未知預先未知的隨時間任意變化的函數(shù)，要求被控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考輸入量變化。量以盡可能小的誤差跟隨參考輸入量變化。 （3）程序控制系統(tǒng)）程序控制系統(tǒng) 參考輸入是按預定規(guī)律隨時間變化的函數(shù)，要求被控量迅參考輸入是按預定規(guī)律隨時間變化的函數(shù)，要求被控量迅 速、準確地復現(xiàn)。速、準確地復現(xiàn)。 2021-6-29 43 2.2.線性定常離散系統(tǒng)線性定常離散系統(tǒng) )() 1() 1()( )() 1() 1()( 110 110 krbkrbmkrbmkrb kcakc

34、ankcankca mm nn 3.3.非線性控制系統(tǒng)非線性控制系統(tǒng) )()()()( 2 trytytyty 系統(tǒng)的某處或多處的信號為脈沖序列或數(shù)碼形式，信號在系統(tǒng)的某處或多處的信號為脈沖序列或數(shù)碼形式，信號在 時間上是離散的。連續(xù)信號經(jīng)過采樣開關的采樣就可以轉時間上是離散的。連續(xù)信號經(jīng)過采樣開關的采樣就可以轉 換成離散信號，離散信號用換成離散信號，離散信號用差分方程差分方程描述。描述。 2021-6-29 44 1-4 1-4 對自動控制系統(tǒng)的基本要求對自動控制系統(tǒng)的基本要求 穩(wěn)定性（穩(wěn)）、快速性（快）、準確性（準）穩(wěn)定性（穩(wěn)）、快速性（快）、準確性（準） “穩(wěn)穩(wěn)”與與“快快”是說明系統(tǒng)動

35、態(tài)（過渡過程）品質。是說明系統(tǒng)動態(tài)（過渡過程）品質。 系統(tǒng)的系統(tǒng)的過渡過程過渡過程產(chǎn)生的原因產(chǎn)生的原因 ：系統(tǒng)中儲能元件的能量不：系統(tǒng)中儲能元件的能量不 可能突變。可能突變。 “準準”是說明系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)）品質。是說明系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)）品質。 2021-6-29 45 自動控制系統(tǒng)的基本要求自動控制系統(tǒng)的基本要求 p c ( ) c t ( ) s t p t r tt 2 0 p l快速性：快速性：快速性是對系統(tǒng)響應速度快慢提快速性是對系統(tǒng)響應速度快慢提 出的要求，為系統(tǒng)的動態(tài)性能。一般出的要求，為系統(tǒng)的動態(tài)性能。一般用系統(tǒng)用系統(tǒng) 響應單位階躍信號的過渡過程的一些特征值響應單位階躍信號的過

36、渡過程的一些特征值 來表示，如上升時間與調節(jié)時間來表示。來表示，如上升時間與調節(jié)時間來表示。 l準確性：準確性：準確性為系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。當系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)后，其穩(wěn)態(tài)輸出與參考輸入準確性為系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。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穩(wěn)態(tài)誤差。顯然，這種誤差越小，表示系統(tǒng)的輸出跟隨所要求的期望輸出之差叫做穩(wěn)態(tài)誤差。顯然，這種誤差越小，表示系統(tǒng)的輸出跟隨 參考輸入的精度越高。參考輸入的精度越高。 l穩(wěn)定性：穩(wěn)定性：穩(wěn)定性是指系統(tǒng)重新恢復平衡狀穩(wěn)定性是指系統(tǒng)重新恢復平衡狀 態(tài)的能力。穩(wěn)定性是對系統(tǒng)的最基本要求，態(tài)的能力。穩(wěn)定性是對系統(tǒng)的最基本要求， 不穩(wěn)定的系統(tǒng)不能實現(xiàn)

37、預定任務。穩(wěn)定性通不穩(wěn)定的系統(tǒng)不能實現(xiàn)預定任務。穩(wěn)定性通 常由系統(tǒng)的結構決定，與外界因素無關。常由系統(tǒng)的結構決定，與外界因素無關。 2021-6-29 46 2. 2. 典型外作用典型外作用 為什么要研究典型輸入信號？為什么要研究典型輸入信號？ 控制系統(tǒng)的輸入信號是隨機和無法事先確定的?？刂葡到y(tǒng)的輸入信號是隨機和無法事先確定的。 為了測試比較控制系統(tǒng)的性能，需要有一個共同的基礎為了測試比較控制系統(tǒng)的性能，需要有一個共同的基礎 可以采用很接近實際控制系統(tǒng)經(jīng)常遇到的輸入信號，并可以采用很接近實際控制系統(tǒng)經(jīng)常遇到的輸入信號，并 在數(shù)學描述上加以理想化后能用較為典型且簡單的函數(shù)在數(shù)學描述上加以理想化后

38、能用較為典型且簡單的函數(shù) 形式表達出來的信號。形式表達出來的信號。 常用的典型輸入信號有五種。常用的典型輸入信號有五種。 2021-6-29 47 （1 1）階躍函數(shù)（信號）階躍函數(shù)（信號） （2 2）斜坡函數(shù)（信號）斜坡函數(shù)（信號） （3）脈沖函數(shù)（信號）脈沖函數(shù)（信號） （4）正弦函數(shù)（信號）正弦函數(shù)（信號） 0 00 )( ttR t tf )(1)(1 lim)( 0 0 0 0 ttt t A tf t )sin()(tAtf )()(tAtf )()( 0 ttAtf 0 00 )( tR t tf 2021-6-29 48 階躍函數(shù)階躍函數(shù) 它表示一個在它表示一個在t=0時出現(xiàn)的

39、，幅值為時出現(xiàn)的，幅值為A的階躍變化函數(shù)。的階躍變化函數(shù)。 在實際系統(tǒng)中，如負荷突然增大或減小，流量閥突然開在實際系統(tǒng)中，如負荷突然增大或減小，流量閥突然開 大或關小均可以近似看成階躍函數(shù)的形式。大或關小均可以近似看成階躍函數(shù)的形式。 0 00 )( tR t tr 2021-6-29 49 A A=1=1的函數(shù)稱為單位階躍函數(shù)，記作的函數(shù)稱為單位階躍函數(shù)，記作1(1(t t) )。因此，幅值為。因此，幅值為A A的的 階躍函數(shù)也可表示為階躍函數(shù)也可表示為 )( 1)(tAtr 出現(xiàn)在出現(xiàn)在 時刻的階躍函數(shù)，表示為時刻的階躍函數(shù)，表示為 0 tt 0 0 0 0 )( ttA tt ttr 一般將階躍信號作用下系統(tǒng)的相應特性作為評價系統(tǒng)動一般將階躍信號作用下系統(tǒng)的相應特性作為評價系統(tǒng)動 態(tài)性能指標的依據(jù)。態(tài)性能指標的依據(jù)。 2021-6-29 50 斜坡函數(shù)（速度函數(shù)）斜坡函數(shù)（速度函數(shù)） 斜坡函數(shù)從斜坡函數(shù)從t t = 0= 0時刻開始，隨時間以恒定速度增加。時刻開始，隨時間以恒定速度增加。 A A = 1= 1時斜坡函數(shù)稱作單位斜坡函數(shù)。時斜坡函數(shù)稱作單位斜坡函數(shù)。 斜坡函數(shù)等于階躍函數(shù)對時間的積分，反之，階躍函斜坡函數(shù)等于階躍函數(shù)對時間的積分，反之，階躍函 數(shù)