自動控制 緒論

1、自動控制原理l先修課程：l電路原理l電子技術基礎l復變函數與積分變換（拉式變換）l主要參考書： 張晉格著， 自動控制原理第2版，哈爾濱工業(yè)大學出版社，2007 夏德鈐、翁貽方編著，自動控制理論第2版，機械工業(yè)出版社，2004 第一章第一章 緒論緒論l1.1 引言 ：自動控制的基本概念和簡史l1.2 控制系統(tǒng)的基本控制方式l1.3 自動控制系統(tǒng)的類型 l1.4 控制系統(tǒng)的性能要求和典型輸入信號第一節(jié) 自動控制的基本概念液面控制系統(tǒng)手動控制l液面控制系統(tǒng)手動控制手臂,手人眼輸入信號大腦人眼輸出信號用自動裝置代替人工操作自動控制與手動控制第一節(jié)第一節(jié) 自動控制的基本概念自動控制的基本概念控制器 系統(tǒng)

2、中采用的控制裝置。電位器、放大器、電動機。被控對象 被控制的機器、設備或物體。如水箱。自動控制系統(tǒng) 由控制器和被控對象組成，能夠實現自動控制任務的系統(tǒng)。第一節(jié)第一節(jié) 自動控制的基本概念自動控制的基本概念第一節(jié)第一節(jié) 自動控制的基本概念自動控制的基本概念自動控制自動控制 例子例子數控機床按照預定程序自動地切削工作；雷達和計算機組成的導彈發(fā)射和制導系統(tǒng)，自動地將導彈引導到敵方目標；無人駕駛飛機按照預定航跡自動升降和飛行；人造衛(wèi)星準確地進入預定軌道運行并回收等 。自動控制技術 自動控制系統(tǒng)自動控制原理 自動控制實現自動控制所需技術 將被控對象和控制裝置按照一定的方式連接起來，組成一個有機總體 研究自

3、動控制技術的基本理論，準則 自動控制發(fā)展簡史自動控制發(fā)展簡史 l沒有人確切知道第一個控制系統(tǒng)是什么時候發(fā)明的。但我們可以肯定地說，那時它一定沒有被認為是一個“控制系統(tǒng)”。l因為控制太自然了。l從抽象意義上說，任何一個可以被另一個對象或過程改變的對象或過程都可稱之為控制系統(tǒng)。l我們無法確定人類是何時開始有目的地改變（控制）他所生存的環(huán)境。IEEE control system magzine, 1996, the evolving history of control：Presidents Message _Michael K. Masten走馬觀花看歷史走馬觀花看歷史BC300AC1, 古希臘

4、,浮球調節(jié)裝置, 水鐘近代最早發(fā)明的反饋系統(tǒng)1620年,荷蘭, 溫度調節(jié)器溫度調節(jié)器 Drebbel 孵化小雞的培育箱走馬觀花看歷史走馬觀花看歷史BC300AC1, 古希臘,浮球調節(jié)裝置, 水鐘近代最早發(fā)明的反饋系統(tǒng)1620年,荷蘭, 溫度調節(jié)器最早應用于工業(yè)過程的反饋系統(tǒng)1788年, James Watt, 應用于蒸汽機的飛球式調速器應用于蒸氣機的飛球式調速器應用于蒸氣機的飛球式調速器走馬觀花看歷史走馬觀花看歷史BC300AC1, 古希臘,浮球調節(jié)裝置, 水鐘近代最早發(fā)明的反饋系統(tǒng)1620年,荷蘭, 溫度調節(jié)器最早應用于工業(yè)過程的反饋系統(tǒng)1788年, James Watt, 應用于蒸汽機的飛

5、球式調速器1868年，James Clerk Maxwell, “論調速器” （穩(wěn)定性）走馬觀花看歷史走馬觀花看歷史BC300AC1, 古希臘,浮球調節(jié)裝置, 水鐘近代最早發(fā)明的反饋系統(tǒng)1620年,荷蘭, 溫度調節(jié)器最早應用于工業(yè)過程的反饋系統(tǒng)1788年, James Watt, 應用于蒸汽機的飛球式調速器1868年，James Clerk Maxwell, “論調速器” （穩(wěn)定性）20世紀10年代，PID 控制器出現走馬觀花看歷史走馬觀花看歷史BC300AC1, 古希臘,浮球調節(jié)裝置, 水鐘近代最早發(fā)明的反饋系統(tǒng)1620年,荷蘭, 溫度調節(jié)器最早應用于工業(yè)過程的反饋系統(tǒng)1788年, Jame

6、s Watt, 應用于蒸汽機的飛球式調速器1868年，James Clerk Maxwell, “論調速器” （穩(wěn)定性）20世紀10年代，PID 控制器出現1927年，反饋放大器，確定反饋核心地位經典控制理論：20世紀40-60年代,二戰(zhàn)軍工技術二戰(zhàn)軍工技術“軍事裝備是自動化之父，二戰(zhàn)是自動化誕生的產房” 維納控制論形成完整的控制理論傳遞函數為基礎，研究 SISO、線性定常系統(tǒng)代名詞：PID 控制現代控制理論：20世紀60-80年代,冷戰(zhàn)時期空間冷戰(zhàn)時期空間技術，技術，1968年美國阿波羅飛船登月，研究：MIMO、狀態(tài)空間法、貝爾曼的動態(tài)規(guī)劃法和龐特里亞金的極小值原理，以及卡爾曼濾波器。 智能

7、控制階段：20世紀80年代以后，計算機技術，研究：自適應控制、模糊控制、神經網絡自動控制發(fā)展的推動自動控制發(fā)展的推動數學工具數學工具經典控制理論：微分方程（時域） 轉化代數方程（復變量） 傳遞函數（頻域）Laplace采用頻域響應法和根軌跡法來研究控制系統(tǒng)現代控制理論：高階方程 微分方程組， 運用線性代數分析 開環(huán) OR 閉環(huán) ？第二節(jié) 開環(huán)控制和閉環(huán)控制開環(huán)控制和閉環(huán)控制 不測取系統(tǒng)的輸出量，系統(tǒng)的輸出對控制作用不產生影響?？刂蒲b置與被控對象之間只有順向作用而沒有反向聯(lián)系的控制一、開環(huán)控制開環(huán)控制系統(tǒng)例子例：烤面包機輸入定時器設定的時間輸出面包的顏色控制對象烤箱的加熱系統(tǒng)系統(tǒng)受控制量作用,輸

8、出量對控制量沒有反作用開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)的特點：1.結構簡單、造價低。2.系統(tǒng)的控制精度取決于給定信號的標定精度及控制器及被控對象參數的穩(wěn)定性。3.開環(huán)控制系統(tǒng)沒有抗干擾的能力，因此精度較低。開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)應用場合：1.控制量的變化規(guī)律可以預知。2.可能出現的干擾可以抑制。3.被控量很難測量。應用較為廣泛，如家電、加熱爐、車床等等。開環(huán)控制和閉環(huán)控制 將系統(tǒng)的輸出量（測量元件測量）反饋到輸入端，并與參考輸入相比較，產生一個偏差信號加到控制器上使輸出改變，從而減少系統(tǒng)誤差，到達實現精確控制的目的。二、閉環(huán)控制閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)

9、閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點：1.系統(tǒng)對外部或內部干擾（如內部件參數變動）的影響不敏感。2.由于采用反饋裝置，導致設備增多，線路復雜。3.閉環(huán)系統(tǒng)存在穩(wěn)定性問題。由于反饋通道的存在，對于那些慣性較大的系統(tǒng)，若參數配合不當，控制性能可能變得很差，甚至出現發(fā)散或等幅振蕩等不穩(wěn)定的情況。閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點：4. 實質：利用負反饋作用來減小系統(tǒng)的誤差。5. 負反饋具有自動調節(jié)能力，且哪一個量作為反饋信號，哪一個量就得到自動調節(jié)。開環(huán)控制和閉環(huán)控制 開環(huán)?閉環(huán)?反饋控制系統(tǒng)的框圖組成和術語定義反饋控制系統(tǒng)的框圖組成和術語定義 參考輸入-輸入到

10、控制系統(tǒng)的指令信號。主反饋-與輸出成比例或成某種函數關系，但量綱與參考輸入相同的信號。反饋控制系統(tǒng)的框圖組成和術語定義反饋控制系統(tǒng)的框圖組成和術語定義 偏差-參考輸入與主反饋之差的信號,有時也稱為誤差控制環(huán)節(jié)-接受偏差信號,通過轉換與運算,產生控制量反饋控制系統(tǒng)的框圖組成和術語定義反饋控制系統(tǒng)的框圖組成和術語定義 控制量-控制環(huán)節(jié)的輸出，作用于被控對象的信號。擾動-不希望的、影響輸出的信號。反饋控制系統(tǒng)的框圖組成和術語定義反饋控制系統(tǒng)的框圖組成和術語定義 被控對象-它接受控制量并輸出被控制量輸出-系統(tǒng)被控制量反饋控制系統(tǒng)的框圖組成和術語定義反饋控制系統(tǒng)的框圖組成和術語定義 反饋環(huán)節(jié)-將輸出轉換

11、為主反饋信號的裝置。比較環(huán)節(jié)-相當于偏差檢測器，它的輸出量等于兩輸入量的代數和。箭頭上的符號表示輸入在此相加或相減。反饋 正反饋：反饋信號與輸入端相加，自動控制系統(tǒng)中主要是用來對小的變化進行放大，增強增強輸入信號作用，使系統(tǒng)的輸入信號作用，使系統(tǒng)的偏差越來越大偏差越來越大(振蕩振蕩)負反饋：反饋信號與輸入端相減，通過輸入、輸出之間的差值作用于控制系統(tǒng)。差值反映了要求的輸出和實際的輸出之間的差別?？刂破鞯目刂撇呗允遣煌p小這個差值，以使差值變小。檢測偏差，糾正偏差檢測偏差，糾正偏差 第三節(jié)第三節(jié) 自動控制系統(tǒng)的類型自動控制系統(tǒng)的類型 一、按給定量的變化規(guī)律分類 恒值控制系統(tǒng)（自動調節(jié)系統(tǒng)） 隨動

12、系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)） 程序控制系統(tǒng) 參考輸入是常量參考輸入是隨機變化量輸入量是已知給定值的時間函數自動控制系統(tǒng)的類型自動控制系統(tǒng)的類型 一、按給定量的變化規(guī)律分類 恒值控制系統(tǒng)（自動調節(jié)系統(tǒng)） 隨動系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)） 程序控制系統(tǒng) 干擾 跟蹤性跟蹤性二、線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)(數學)線性系統(tǒng)可用線性常微分方程或差分方程描述。線性定常系統(tǒng)齊次性疊加性線性時變系統(tǒng)二、線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)(數學)非線性系統(tǒng)： 用非線性常微分方程描述舉例線性時變非線性線性時變自動控制系統(tǒng)的類型三、連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)（從系統(tǒng)中信息量的角度） 連續(xù)系統(tǒng)模擬量。微分方程描述。 離散系統(tǒng)脈沖量、數字量（只要有一處）。 差分方程描述。

13、 y(k+1)=3y(k)+4u(k)+2u(k-1)四、單輸入單輸出系統(tǒng)和多輸入多輸出系統(tǒng)五、確定系統(tǒng)和不確定系統(tǒng)結構、參數、輸入信號第四節(jié) 自動控制理論概要分析：被控對象、控制器性能指標設計：被控對象、性能指標控制器分析 （對控制系統(tǒng)的基本要求）穩(wěn)穩(wěn)準準快快穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。控制精度是控制系統(tǒng)重要的性能指標（穩(wěn)態(tài)誤差、穩(wěn)態(tài)性能）。過渡過程時間和最大超調量是控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標。1 穩(wěn)定性一個處于靜止或平衡工作狀態(tài)的系統(tǒng)，當受到激勵時，就可能偏離原平衡狀態(tài)；當激勵消失后，經過一段暫態(tài)過程，系統(tǒng)能恢復到原平衡狀態(tài)時，則系統(tǒng)稱為穩(wěn)定的。穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。 控

14、制系統(tǒng)穩(wěn)定性由系統(tǒng)結構所決定，與外界因素無關。 2 準確性 系統(tǒng)的準確性又可稱為系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，它可用系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差來表征。 系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差可定義為控制系統(tǒng)響應的穩(wěn)態(tài)值與其希望值之差。3 快速性 輸出量和輸入量產生偏差時，系統(tǒng)消除這種偏差的快慢程度。表征系統(tǒng)的動態(tài)性能。4 靈敏度系統(tǒng)中元件參數的改變對系統(tǒng)響應的影響，可以用靈敏度來表示。5 抗干擾性 系統(tǒng)的抗干擾性，直接與系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度有關，是衡量控制系統(tǒng)品質的一個重要參數。6 穩(wěn)健性（Robustness，魯棒性） 上述的4 和5兩個指標結合起來，稱為系統(tǒng)的穩(wěn)健性指標。 一個控制系統(tǒng)，如果具有低的靈敏度和良好的抗干擾性，則我們稱為系統(tǒng)是穩(wěn)健的

15、（Robust,魯棒）。注意：1 不同性質的控制系統(tǒng)，對穩(wěn)定性、精確性和快速性要求各有側重；2 系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精確性、快速性相互制約，應根據實際需求合理選擇。 為了能對不同的控制系統(tǒng)的性能用統(tǒng)一的標準來恒量，通常需要選擇幾種典型的外作用。 1.4.2 典型輸入信號選取原則： （1）在現場及實驗中容易產生 （2）系統(tǒng)在工程中經常遇到，并且是最不利的外 作用。 （3）數學表達式簡單，便于理論分析。（1）數學表達式 0,00,)(ttRtr階躍函數（位置函數）（2）圖形：R0 tr ( t )R=1時的階躍函數稱為單位階躍函數，常用1(t)表示。常用階躍函數作為評價系統(tǒng)動態(tài)性能的典型外作用。0, 00,)(ttRttr（1）數學表達式（2）圖形：斜坡函數 ( 速度函數)0 t r(t)R=1, 稱為單位速度函數。 0 t r(t)0,00,21)(2ttRttr拋物線函數(加速度函數)（1）數學表達式(2) 圖形R=1時稱為單位加速度函數。r(t)0tAtttAtr或0,00,/)(脈沖函數（1）數學表達式(2) 圖形：Adttrtttr)(0,00,)(0得到理想脈沖函數A=1時，稱為單位脈沖函數，記作(t)。