四年級(jí)(新課標(biāo))數(shù)學(xué)控制論第二講(教學(xué)課件)

1、生物控制論首都醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院計(jì)算機(jī)教研室周萍第二講：控制論基本知識(shí)第二講：控制論基本知識(shí)第二講：控制論基本知識(shí)第一節(jié)：第一節(jié)： 常用術(shù)語(yǔ)常用術(shù)語(yǔ)第二節(jié)：第二節(jié)： 閉環(huán)控制與開環(huán)控制閉環(huán)控制與開環(huán)控制第三節(jié)：第三節(jié)： 控制系統(tǒng)的分類控制系統(tǒng)的分類第四節(jié)：第四節(jié)： 對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求常用術(shù)語(yǔ)：常用術(shù)語(yǔ)： 反饋控制系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng)是一種能對(duì)輸出量與參考輸是一種能對(duì)輸出量與參考輸入量進(jìn)行比較，并力圖保持兩者之間的既入量進(jìn)行比較，并力圖保持兩者之間的既定關(guān)系的系統(tǒng)，它利用輸出量與輸入量的定關(guān)系的系統(tǒng)，它利用輸出量與輸入量的偏差來進(jìn)行控制。偏差來進(jìn)行控制。 反饋控制

2、系統(tǒng)不限于工程范疇，在各種非工程范疇內(nèi)，諸如經(jīng)濟(jì)學(xué)和生物學(xué)中，也存在著反饋控制系統(tǒng)。常用術(shù)語(yǔ)：常用術(shù)語(yǔ)： 隨動(dòng)系統(tǒng)隨動(dòng)系統(tǒng)是一種反饋控制系統(tǒng)，在這種系是一種反饋控制系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)中，輸出量是機(jī)械位移、速度或者加速統(tǒng)中，輸出量是機(jī)械位移、速度或者加速度。因此，隨動(dòng)系統(tǒng)這個(gè)術(shù)語(yǔ)，與位置（度。因此，隨動(dòng)系統(tǒng)這個(gè)術(shù)語(yǔ)，與位置（或速度或加速度）控制系統(tǒng)是同義語(yǔ)。在或速度或加速度）控制系統(tǒng)是同義語(yǔ)。在現(xiàn)代工業(yè)中，廣泛采用著隨動(dòng)系統(tǒng)?，F(xiàn)代工業(yè)中，廣泛采用著隨動(dòng)系統(tǒng)。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，諸如對(duì)壓力、溫度、在工業(yè)生產(chǎn)過程中，諸如對(duì)壓力、溫度、濕度、流量、頻率以及原料、燃料成分比濕度、流量、頻率以及原料、燃料成分

3、比例等方面的控制，稱為例等方面的控制，稱為過程控制。過程控制。常用術(shù)語(yǔ)：常用術(shù)語(yǔ)：蒸蒸汽汽冷水熱水溫度計(jì)圖1-1 熱力系統(tǒng)的人工反饋控制排排水水例：例：自自動(dòng)動(dòng)控控制制器器熱熱水水冷冷水水蒸蒸汽汽溫溫度度測(cè)測(cè)量量裝裝置置 排排水水圖圖1 1- -2 2 熱熱力力系系統(tǒng)統(tǒng)的的自自動(dòng)動(dòng)反反饋饋控控制制控控制制閥閥例：閉環(huán)控制與開環(huán)控制 反饋控制系統(tǒng) 開環(huán)控制系統(tǒng) 閉環(huán)與開環(huán)控制系統(tǒng)的比較反饋控制系統(tǒng)1 反饋反饋3 3 閉環(huán)控制閉環(huán)控制 凡是系統(tǒng)輸出信號(hào)對(duì)控制作用有直接影響的系統(tǒng)，都稱為閉環(huán)系統(tǒng)。輸入信號(hào)和反饋信號(hào)（反饋信號(hào)可以是輸出信號(hào)本身，也可以是輸出信號(hào)的函數(shù)或?qū)?shù)）之差，稱為誤差信號(hào)，誤差信

4、號(hào)加到控制器上，以減小系統(tǒng)的誤差，并使系統(tǒng)的輸出量趨于所希望的值，換句話說，“閉環(huán)”這個(gè)術(shù)語(yǔ)的涵義，就是應(yīng)用反饋?zhàn)饔脕頊p小系統(tǒng)的誤差。控控制制器器對(duì)對(duì)象象或或過過程程測(cè)測(cè)量量元元件件 輸入量輸出量 圖1-1 閉環(huán)控制系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng)的基本組成 被控對(duì)象被控對(duì)象 控制裝置控制裝置(由具有一定職能的各種基本元件組成由具有一定職能的各種基本元件組成 ) 測(cè)量元件：測(cè)量元件：其職能是測(cè)量被控制的物理量其職能是測(cè)量被控制的物理量; 給定元件：給定元件：其職能是給出與期望的被控量相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)輸入其職能是給出與期望的被控量相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)輸入量（即參據(jù)量）。量（即參據(jù)量）。 比較元件比較元件：把測(cè)量元件檢測(cè)的被

5、控量實(shí)際值與給定元件給出：把測(cè)量元件檢測(cè)的被控量實(shí)際值與給定元件給出的參據(jù)量進(jìn)行比較，求出它們之間的偏差。的參據(jù)量進(jìn)行比較，求出它們之間的偏差。 放大元件：放大元件：將比較元件給出的偏差進(jìn)行放大，用來推動(dòng)執(zhí)行將比較元件給出的偏差進(jìn)行放大，用來推動(dòng)執(zhí)行元件去控制被控對(duì)象。元件去控制被控對(duì)象。 執(zhí)行元件：執(zhí)行元件：直接推動(dòng)被控對(duì)象，使其被控量發(fā)生變化。直接推動(dòng)被控對(duì)象，使其被控量發(fā)生變化。 校正元件：校正元件：亦稱補(bǔ)償元件，它是結(jié)構(gòu)或參數(shù)便于調(diào)整的元件亦稱補(bǔ)償元件，它是結(jié)構(gòu)或參數(shù)便于調(diào)整的元件，用串聯(lián)或反饋的方式連接在系統(tǒng)中，以改善系統(tǒng)性能。，用串聯(lián)或反饋的方式連接在系統(tǒng)中，以改善系統(tǒng)性能。 輸入

6、量輸出量串串聯(lián)聯(lián)補(bǔ)補(bǔ)償償元元件件放放大大元元件件執(zhí)執(zhí)行行元元件件被被控控對(duì)對(duì)象象反反饋饋補(bǔ)補(bǔ)償償元元件件圖圖1 14 4反反饋饋控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)基基本本組組成成測(cè)測(cè)量量元元件件局部反饋主反饋為改善系統(tǒng)性能用用“”號(hào)代表比較元件，號(hào)代表比較元件，“-”-”號(hào)代表兩者符號(hào)相反，號(hào)代表兩者符號(hào)相反，“+”+”號(hào)代表兩者符號(hào)相同。信號(hào)沿箭頭方向從輸入端到號(hào)代表兩者符號(hào)相同。信號(hào)沿箭頭方向從輸入端到達(dá)輸出端的傳輸通路稱達(dá)輸出端的傳輸通路稱前向通路前向通路；系統(tǒng)輸出量經(jīng)測(cè)量元件；系統(tǒng)輸出量經(jīng)測(cè)量元件反饋到輸入端的傳輸通路稱反饋到輸入端的傳輸通路稱主反饋通路主反饋通路。前向通路與主反。前向通路與主反饋通路共

7、同構(gòu)成饋通路共同構(gòu)成主回路主回路。此外，還有。此外，還有局部反饋通路局部反饋通路以及由以及由它構(gòu)成的它構(gòu)成的內(nèi)回路內(nèi)回路。 開環(huán)控制控控制制器器對(duì)對(duì)象象或或過過程程 輸入量輸出量圖1-5 開環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)與開環(huán)控制系統(tǒng)的比較控制系統(tǒng)的分類開環(huán)控制閉環(huán)控制(反饋控制)復(fù)合控制 對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)性能的基本要求對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)性能的基本要求可以歸結(jié)為可以歸結(jié)為穩(wěn)穩(wěn)定性（長(zhǎng)期穩(wěn)定性）、定性（長(zhǎng)期穩(wěn)定性）、準(zhǔn)準(zhǔn)確性確性（精度）和（精度）和快快速性（相對(duì)穩(wěn)定性）。速性（相對(duì)穩(wěn)定性）。 穩(wěn)穩(wěn) 準(zhǔn)準(zhǔn)快快穩(wěn)定性： 1 對(duì)恒值系統(tǒng)，要求當(dāng)系統(tǒng)受到擾動(dòng)后，經(jīng)過對(duì)恒值系統(tǒng)，

8、要求當(dāng)系統(tǒng)受到擾動(dòng)后，經(jīng)過一定時(shí)間的調(diào)整能夠回到原來的期望值。一定時(shí)間的調(diào)整能夠回到原來的期望值。 2 對(duì)隨動(dòng)系統(tǒng)，被控制量始終跟蹤參據(jù)量的變對(duì)隨動(dòng)系統(tǒng)，被控制量始終跟蹤參據(jù)量的變化?；?穩(wěn)定性是對(duì)系統(tǒng)的基本要求，不穩(wěn)定的系統(tǒng)不穩(wěn)定性是對(duì)系統(tǒng)的基本要求，不穩(wěn)定的系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)預(yù)定任務(wù)。穩(wěn)定性，通常由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)決定能實(shí)現(xiàn)預(yù)定任務(wù)。穩(wěn)定性，通常由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)決定與外界因素?zé)o關(guān)。與外界因素?zé)o關(guān)。對(duì)過渡過程的形式和快慢提出要對(duì)過渡過程的形式和快慢提出要求，一般稱為求，一般稱為動(dòng)態(tài)性能動(dòng)態(tài)性能。 穩(wěn)定高射炮射角隨動(dòng)系統(tǒng)，雖穩(wěn)定高射炮射角隨動(dòng)系統(tǒng)，雖然炮身最終能跟蹤目標(biāo)，但如果然炮身最終能跟蹤目標(biāo)，但如果目

9、標(biāo)變動(dòng)迅速，目標(biāo)變動(dòng)迅速，而炮身行動(dòng)遲緩，而炮身行動(dòng)遲緩，仍然抓不住目標(biāo)仍然抓不住目標(biāo)?？焖傩裕嚎焖傩裕簻?zhǔn)確性：準(zhǔn)確性：準(zhǔn)確性：用穩(wěn)態(tài)誤差來表示。用穩(wěn)態(tài)誤差來表示。在參考輸入信號(hào)作用下，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)在參考輸入信號(hào)作用下，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，其穩(wěn)態(tài)輸出與參考輸入所要求的期態(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望輸出之差叫做給定穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)誤差。這種誤差越小，表示系統(tǒng)的輸出跟隨參這種誤差越小，表示系統(tǒng)的輸出跟隨參考輸入的精度越高?？驾斎氲木仍礁?。2）根據(jù)對(duì)系統(tǒng)性能的要求，如何根據(jù)對(duì)系統(tǒng)性能的要求，如何合理地設(shè)計(jì)校正裝置，使系統(tǒng)的性合理地設(shè)計(jì)校正裝置，使系統(tǒng)的性能能全面地滿足技術(shù)上的要求。能能全面地滿足技術(shù)上的要求。本課程的任務(wù)本課程的任務(wù)本課程所要研究的兩大課題：本課程所要研究的兩大課題：1）對(duì)于一個(gè)具體的控制系統(tǒng)，如何對(duì)于一個(gè)具體的控制系統(tǒng)，如何從理論上對(duì)它的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精從理論上對(duì)它的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度進(jìn)行定性的分析和定量的計(jì)算。度進(jìn)行定性的分析和定量的計(jì)算。 圖（a）是一個(gè)液位控制系統(tǒng)原理圖。在這里，自動(dòng)控制器通過比較實(shí)際液位與希望液位，并通過調(diào)整氣動(dòng)閥門的開度，對(duì)誤差進(jìn)行修正，從而保持液位不變。圖（b）是該控制系統(tǒng)的方框圖。H H注注入入控控制制器器（比比較較、放放大大）Q Q1 1浮浮子子流流出出Q Q2 2（I I） 原原理理圖圖氣氣動(dòng)動(dòng)閥