控制系統(tǒng)導(dǎo)論

1、自動(dòng)控制原理 主講：電信學(xué)部控制科學(xué)與控制工程學(xué)院 潘學(xué)軍 課時(shí)：64學(xué)時(shí) 課程性質(zhì)：必修課 助課 參考書(shū)：自動(dòng)控制原理 孟華 機(jī)械工業(yè)出版社第一章 控制系統(tǒng)導(dǎo)論1-1 概述1-2 自動(dòng)控制的基本方式1-3 自動(dòng)控制系統(tǒng)中的常用術(shù)語(yǔ)1-4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類1-5 對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求1-6 本門(mén)課程的主要內(nèi)容1-1 概述自動(dòng)控制-在沒(méi)有人直接參與的情況下， 通過(guò)控制器使被控對(duì)象的某一 物理量（或工作狀態(tài)）自動(dòng)地 按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制原理-自動(dòng)控制技術(shù)的基礎(chǔ)理論。自動(dòng)控制系統(tǒng)- 為實(shí)現(xiàn)控制目的，由相互制 約的各部分按一定規(guī)律組成的 具有特定功能的整體。 n經(jīng)典控制理

2、論 20世紀(jì)40年代“經(jīng)典控制理論(Classical control theory)”正式誕生，代表作是維納（Wiener）1948年發(fā)表的控制論（Cybernetics or Control and Communication in the Animal and Machine）。經(jīng)典控制理論以傳遞函數(shù)為數(shù)學(xué)工具，研究對(duì)象主要是單輸入單輸出線性的一類自動(dòng)控制系統(tǒng)n 現(xiàn)代控制理論 20世紀(jì)60年代現(xiàn)代控制理論Modern control theory”以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，主要研究多輸入多輸出、時(shí)變、非線性控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問(wèn)題。n大系統(tǒng)理論 20世紀(jì)70年代, 自適應(yīng)控制理論、魯棒控制；主

3、要處理動(dòng)態(tài)、多輸入多輸出、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的系統(tǒng)n智能控制 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制、專家系統(tǒng) 經(jīng)典控制理論與現(xiàn)代控制理論比較： 經(jīng)典控制理論 研究對(duì)象：?jiǎn)屋斎?、單輸出系統(tǒng) 數(shù)學(xué)模型與工具：微分方程傳遞函數(shù) 研究?jī)?nèi)容：確定模型，系統(tǒng)分析，系統(tǒng)設(shè)計(jì) 現(xiàn)代控制理論 研究對(duì)象：多輸入、多輸出系統(tǒng) 數(shù)學(xué)模型與工具：狀態(tài)方程傳遞矩陣 研究?jī)?nèi)容：最優(yōu)控制，系統(tǒng)辨識(shí)，自適應(yīng)控制1-2 自動(dòng)控制的基本方式一、自動(dòng)控制系統(tǒng)組成一、自動(dòng)控制系統(tǒng)組成熱力系統(tǒng)自動(dòng)控制流程圖熱力系統(tǒng)自動(dòng)控制流程圖人工控制人工控制自動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖自動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖系統(tǒng)組成：系統(tǒng)組成： 被控對(duì)象被控對(duì)象 測(cè)量元件測(cè)量元件 控制裝置控制裝置 執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)

4、行機(jī)構(gòu)二 、控制的基本方式 信號(hào)由給定值至被控量單向傳遞； 抗干擾能力差，不能保證控制精度。 用于自動(dòng)化流水線控制，如包裝機(jī)等執(zhí)行執(zhí)行被控對(duì)象被控對(duì)象計(jì)算計(jì)算給定值給定值干擾干擾被控量被控量開(kāi)環(huán)控制之一：按給定值操作1.開(kāi)環(huán)控制開(kāi)環(huán)控制之二：按干擾補(bǔ)償執(zhí)行執(zhí)行被控對(duì)象被控對(duì)象計(jì)算計(jì)算干擾干擾被控量被控量測(cè)量測(cè)量n干擾經(jīng)測(cè)量、計(jì)算、執(zhí)行至被控量單向傳遞干擾經(jīng)測(cè)量、計(jì)算、執(zhí)行至被控量單向傳遞n測(cè)量的是干擾，利用干擾產(chǎn)生控制作用，以補(bǔ)償干測(cè)量的是干擾，利用干擾產(chǎn)生控制作用，以補(bǔ)償干擾的影響擾的影響 用于機(jī)械加工的恒速控制等2.閉環(huán)控制比較、計(jì)算比較、計(jì)算執(zhí)行執(zhí)行被控對(duì)象被控對(duì)象測(cè)量測(cè)量給定值給定值干

5、擾干擾被控量被控量閉環(huán)控制也稱反饋控制，或按偏差調(diào)節(jié)。閉環(huán)控制也稱反饋控制，或按偏差調(diào)節(jié)。 測(cè)量的是被控量； 只要被控量出現(xiàn)偏差，系統(tǒng)就自動(dòng)糾偏； 控制精度高。系統(tǒng)輸出對(duì)控制作用系統(tǒng)輸出對(duì)控制作用有直接影響有直接影響-閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)控制的缺點(diǎn)：1）結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高；2）由于反饋的存在，使控制系統(tǒng)可能出現(xiàn)“振蕩”。3.復(fù)合控制 閉環(huán)控制與補(bǔ)償控制相結(jié)合閉環(huán)控制與補(bǔ)償控制相結(jié)合 在閉環(huán)基礎(chǔ)上增加一個(gè)干擾的補(bǔ)償控制，在閉環(huán)基礎(chǔ)上增加一個(gè)干擾的補(bǔ)償控制， 提高系統(tǒng)抗干擾能力。提高系統(tǒng)抗干擾能力。比較、計(jì)算比較、計(jì)算執(zhí)行執(zhí)行受控對(duì)象受控對(duì)象測(cè)量測(cè)量給定值給定值干擾干擾被控量被控量補(bǔ)償裝置補(bǔ)償裝置分

6、析決策分析決策執(zhí)行執(zhí)行工作對(duì)象工作對(duì)象觀察觀察觀察觀察預(yù)期目標(biāo)預(yù)期目標(biāo)干擾干擾實(shí)際結(jié)果實(shí)際結(jié)果人工職能圖人工職能圖比較、計(jì)算比較、計(jì)算執(zhí)行執(zhí)行被控對(duì)象被控對(duì)象測(cè)量測(cè)量測(cè)量測(cè)量給定值給定值干擾干擾被控量被控量自動(dòng)控制方框圖自動(dòng)控制方框圖反饋控制應(yīng)具備三條基本功能：n測(cè)量n比較分析n執(zhí)行參與控制的信號(hào)來(lái)自三條通道：給定值，干擾和被控量三、自動(dòng)控制系統(tǒng)示例（一）溫度控制系統(tǒng)V熱電偶熱電偶T煤氣煤氣混混合合器器空氣空氣uruTu0u電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)閥門(mén)閥門(mén)烘爐烘爐指定電位計(jì)指定電位計(jì)工件工件比較線路比較線路放大器放大器電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)放大器放大器（給定指令）（給定指令）工工件件環(huán)環(huán)溫溫（被控量）（被控量）ur

7、（計(jì)算）（計(jì)算）烘爐烘爐（對(duì)象）（對(duì)象）熱電偶熱電偶uauTTu烘爐溫度控制系統(tǒng)功能方框圖烘爐溫度控制系統(tǒng)功能方框圖（二）位置隨動(dòng)系統(tǒng) rrucusuauaimc工作機(jī)械工作機(jī)械電位計(jì)電位計(jì)電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)電位計(jì)式橋路電位計(jì)式橋路 電動(dòng)機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)構(gòu) 工作機(jī)械工作機(jī)械給定值給定值干擾力矩干擾力矩被控量被控量rsuauc（執(zhí)行、對(duì)象）（執(zhí)行、對(duì)象）原理圖：原理圖：方框圖：方框圖：控制任務(wù)：使工作機(jī)構(gòu)跟隨指令機(jī)構(gòu)同控制任務(wù)：使工作機(jī)構(gòu)跟隨指令機(jī)構(gòu)同步轉(zhuǎn)動(dòng)，即步轉(zhuǎn)動(dòng)，即c(t)=r(t)（三）液位自動(dòng)控制系統(tǒng)液位控制系統(tǒng)液位控制系統(tǒng)控制器控制器減速器減速器電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)電位器電位器浮子浮子用水開(kāi)關(guān)用水開(kāi)關(guān)Q

8、2Q1cifSM1-3 自動(dòng)控制系統(tǒng)中的常用術(shù)語(yǔ)控制環(huán)節(jié)控制環(huán)節(jié)Gc被控對(duì)象被控對(duì)象G0反饋環(huán)節(jié)反饋環(huán)節(jié)H參考輸入?yún)⒖驾斎氡容^環(huán)節(jié)比較環(huán)節(jié)偏差偏差e控制量控制量u擾動(dòng)擾動(dòng)n輸出輸出c主反饋主反饋b1-4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類一、按輸入信號(hào)特征分類（1）恒值控制系統(tǒng)（或定值控制系統(tǒng)） 輸入信號(hào)是一個(gè)恒定的數(shù)值。輸入信號(hào)是一個(gè)恒定的數(shù)值。 主要研究各種干擾對(duì)系統(tǒng)輸出的影響以及主要研究各種干擾對(duì)系統(tǒng)輸出的影響以及如何克服這些干擾，使輸出量盡量保持在所設(shè)如何克服這些干擾，使輸出量盡量保持在所設(shè)定的給定值上。定的給定值上。（2）程序控制系統(tǒng)（3）隨動(dòng)系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)） 輸入信號(hào)是一個(gè)已知的時(shí)間函數(shù)，系統(tǒng)輸入

9、信號(hào)是一個(gè)已知的時(shí)間函數(shù)，系統(tǒng)的控制過(guò)程按預(yù)定的程序進(jìn)行，要求被控量的控制過(guò)程按預(yù)定的程序進(jìn)行，要求被控量能迅速準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)給定量。能迅速準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)給定量。 輸入信號(hào)是一個(gè)未知函數(shù)，要求輸入信號(hào)是一個(gè)未知函數(shù)，要求輸出量跟隨給定量變化。輸出量跟隨給定量變化。線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)可用線性微分方程或差分方程描述。可用線性微分方程或差分方程描述。線性系統(tǒng)重要特性疊加性,均勻性xyoyxo線性系統(tǒng)中各元件特性均為直線，如線性系統(tǒng)中各元件特性均為直線，如二、按描述系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型不同分類非線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)描述系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程為非線性微分描述系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程為非線性微分方程或差分方程。方程或差分方程。系數(shù)隨變量大小

10、而變化不滿足疊加原理非線性系統(tǒng)特點(diǎn)1.線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)2.2.定常系統(tǒng)定常系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng)定常系統(tǒng)：參數(shù)不隨時(shí)間變化定常系統(tǒng)：參數(shù)不隨時(shí)間變化時(shí)變系統(tǒng)；參數(shù)是時(shí)間時(shí)變系統(tǒng)；參數(shù)是時(shí)間t t 的函數(shù)的函數(shù)1、連續(xù)系統(tǒng)系統(tǒng)中各元件的輸入量和輸出量均為時(shí)間t的連續(xù)函數(shù)；運(yùn)動(dòng)規(guī)律可用微分方程描述。2、離散系統(tǒng)系統(tǒng)中只要有一個(gè)地方的信號(hào)是脈沖序列或數(shù)字編碼；運(yùn)動(dòng)規(guī)律可用差分方程描述。)(txto1t2t3t4tnt三、按三、按系統(tǒng)傳輸信號(hào)的性質(zhì)分類其它分類方法其它分類方法 按按I/OI/O信號(hào)數(shù)量分信號(hào)數(shù)量分：SI/SO , MI/MO 按控制系統(tǒng)功能分按控制系統(tǒng)功能分：

11、溫度控制系統(tǒng)，速度控：溫度控制系統(tǒng)，速度控制系統(tǒng)，位置控制系統(tǒng)制系統(tǒng)，位置控制系統(tǒng) 按系統(tǒng)元件組成分按系統(tǒng)元件組成分：機(jī)電系統(tǒng)，生物系：機(jī)電系統(tǒng)，生物系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)統(tǒng)，液壓系統(tǒng) 按不同的控制理論分支設(shè)計(jì)的新按不同的控制理論分支設(shè)計(jì)的新型控制系統(tǒng)分型控制系統(tǒng)分：最優(yōu)控制系統(tǒng)，自適應(yīng)控：最優(yōu)控制系統(tǒng)，自適應(yīng)控制系統(tǒng)，模糊控制系統(tǒng)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)制系統(tǒng)，模糊控制系統(tǒng)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)1-5 對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求一、穩(wěn)定性 系統(tǒng)穩(wěn)定是系統(tǒng)正常工作的基本條件二、快速性 在穩(wěn)定的前提下，希望控制過(guò)程進(jìn)行得越快越好三、準(zhǔn)確性 要求動(dòng)態(tài)誤差和穩(wěn)態(tài)誤差都越小越好 系統(tǒng)要求（或希望）的輸出量與實(shí)際輸出量之差稱為誤差； 動(dòng)態(tài)誤差是過(guò)渡過(guò)程中實(shí)際輸出與期望值間的偏差； 穩(wěn)態(tài)誤差表示到達(dá)平衡狀態(tài)（過(guò)渡過(guò)程結(jié)束）的精度。1-6 本門(mén)課程的主要內(nèi)容 建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 控制系統(tǒng)的分析法 時(shí)域分析 頻率特性分析 控制系統(tǒng)的校正 離散控制系統(tǒng) 非線性控制系統(tǒng)理