2012年自動控制原理課件ch1緒論

1、自動控制理論(A)蔣麗英第一章 自動控制的一般概念本章主要內(nèi)容 1.1 引言 1.2 自動控制理論發(fā)展概述 1.3 自動控制和自動控制系統(tǒng)的基本概念 1.4 自動控制系統(tǒng)的基本組成 1.5 控制系統(tǒng)示例 1.6 自動控制系統(tǒng)的分類 1.7 對控制系統(tǒng)性能的基本要求 1.8 本課程的研究內(nèi)容1.2 自動控制理論發(fā)展概述1經(jīng)典控制理論以單變量控制，隨動/調(diào)節(jié)為主要內(nèi)容，以微分方程和傳遞函數(shù)為數(shù)學(xué)模型，以頻率響應(yīng)法為主要方法。數(shù)學(xué)工具：微分方程，復(fù)變函數(shù)3后現(xiàn)代控制理論 大系統(tǒng)、智能控制 ；以 網(wǎng)絡(luò)、通訊、人機交互為代表的信息自動化 集成的理論與技術(shù)。2現(xiàn)代控制理論 現(xiàn)代控制理論以多變量控制、最優(yōu)控

2、制為主要內(nèi)容，采用時域法，以狀態(tài)方程為數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)工具：線性代數(shù)， 泛函分析第一階段：經(jīng)典控制理論最先使用反饋控制裝置的是希臘人在公元前300年到1年中使用的浮子調(diào)節(jié)器。凱特斯比斯（Kitesibbios）在油燈中使用了浮子調(diào)節(jié)器以保持油面高度穩(wěn)定。閉環(huán)的自動控制裝置的應(yīng)用，可以追溯到1788年瓦特（J.Watt）發(fā)明的飛錘調(diào)速器的研究。然而最終形成完整的自動控制理論體系，是在20世紀(jì)40年代末。19世紀(jì)60年代期間是控制系統(tǒng)高速發(fā)展的時期1868年麥克斯韋爾（J.C.Maxwell）基于微分方程描述從理論上給出了它的穩(wěn)定性條件。1877年勞斯（E.J.Routh）,1895年霍爾維茨（A.

3、Hurwitz）分別獨立給出了高階線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)；1892年，李雅普諾夫（A.M.Lyapunov）給出了非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)。瓦特調(diào)速器 第一階段：經(jīng)典控制理論1922年米羅斯基(N.Minorsky)給出了位置控制系統(tǒng)的分析，并對PID三作用控制給出了控制規(guī)律公式。 1942年，齊格勒（J.G.Zigler）和尼科爾斯(N.B.Nichols)又給出了PID控制器的最優(yōu)參數(shù)整定法。1932年柰奎斯特(Nyquist)提出了負(fù)反饋系統(tǒng)的頻率域穩(wěn)定性判據(jù)。1940年，波德(H.Bode)進(jìn)一步研究通信系統(tǒng)頻域方法，提出了頻域響應(yīng)的對數(shù)坐標(biāo)圖描述方法。1943年，霍爾(A.C.Hall)

4、利用傳遞函（復(fù)數(shù)域模型）和方框圖，把通信工程的頻域響應(yīng)方法和機械工程的時域方法統(tǒng)一起來，人們稱此方法為復(fù)域方法。1948年伊文斯（W.Evans）又進(jìn)一步提出了屬于經(jīng)典方法的根軌跡設(shè)計法第一階段：經(jīng)典控制理論總結(jié):經(jīng)典控制理論的分析方法為復(fù)數(shù)域方法,以傳遞函數(shù)作為系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，常利用圖表進(jìn)行分析設(shè)計，比求解微分方程簡便。優(yōu)點:可通過試驗方法建立數(shù)學(xué)模型，物理概念清晰，得到廣泛的工程應(yīng)用。缺點:只適應(yīng)單變量線性定常系統(tǒng)，對系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)缺少了解，且復(fù)數(shù)域方法研究時域特性，得不到精確的結(jié)果。自動控制理論發(fā)展概述1經(jīng)典控制理論以單變量控制，隨動/調(diào)節(jié)為主要內(nèi)容，以微分方程和傳遞函數(shù)為數(shù)學(xué)模型，以頻率響

5、應(yīng)法為主要方法。數(shù)學(xué)工具：微分方程，復(fù)變函數(shù)3后現(xiàn)代控制理論 大系統(tǒng)、智能控制 ；以 網(wǎng)絡(luò)、通訊、人機交互為代表的信息自動化 集成的理論與技術(shù)。2現(xiàn)代控制理論 現(xiàn)代控制理論以多變量控制、最優(yōu)控制為主要內(nèi)容，采用時域法，以狀態(tài)方程為數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)工具：線性代數(shù)， 泛函分析現(xiàn)代控制理論、后現(xiàn)代控制理論 現(xiàn)代控制理論 60年代初形成并迅速發(fā)展起來的 現(xiàn)代控制理論是在航天、航空、導(dǎo)彈等軍事尖端技術(shù)的發(fā)展，對自動控制系統(tǒng)提出越來越高的要求的推動下發(fā)展起來的。要求設(shè)計高精度、快速響應(yīng)、低消耗、低代價的控制系統(tǒng)；被控制對象越來越大型、復(fù)雜、綜合化，從單個局部自動化發(fā)展成綜合集成自動化第二階段：現(xiàn)代控制理論2

6、0世紀(jì)60年代初，在原有“經(jīng)典控制理論”的基礎(chǔ)上，形成了所謂的“現(xiàn)代控制理論” 。1892年俄國數(shù)學(xué)家Lyapunov創(chuàng)立的穩(wěn)定性理論被引入到控制中；1954年貝爾曼(R.Bellman)的動態(tài)規(guī)劃理論；1956年龐特里雅金(L.S.Pontryagin)提出了極大值原理；1960年卡爾曼（R.E.Kalman）的多變量最優(yōu)控制和最優(yōu)濾波理論。現(xiàn)代控制理論主要利用計算機作為系統(tǒng)建模、分析、設(shè)計以及控制的手段，適用于多變量、非線性、時變系統(tǒng)?，F(xiàn)代控制理論、后現(xiàn)代控制理論后現(xiàn)代控制理論 80年代以后，控制理論向廣度與深度發(fā)展 大系統(tǒng)，是指規(guī)模大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜變量眾多的信息與控制系統(tǒng)。在系統(tǒng)理論中，采用

7、狀態(tài)方程和代數(shù)方程相結(jié)合的數(shù)學(xué)模型，狀態(tài)空間，運籌學(xué)等相結(jié)合的數(shù)學(xué)方法。 智能控制 是具有某些仿人智能的工程控制與信息處理系統(tǒng)，其中最典型的是智能機器人， 智能主體等。 21世紀(jì) 網(wǎng)絡(luò)、通訊、人機交互為代表的信息自動化 集成的理論與技術(shù)。第三階段：大系統(tǒng)控制20世紀(jì)70年代開始，出現(xiàn)了一些新的控制方法和理論。如（1）現(xiàn)代頻域方法，該方法以傳遞函數(shù)矩陣為數(shù)學(xué)模型，研究線性定常多變量系統(tǒng)；（2）自適應(yīng)控制理論和方法，該方法以系統(tǒng)辨識和參數(shù)估計為基礎(chǔ)，處理被控對象不確定和緩時變，在實時辨識基礎(chǔ)上在線確定最優(yōu)控制規(guī)律；（3）魯棒控制方法，該方法在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和其它性能基礎(chǔ)上，設(shè)計不變的魯棒控制器，以

8、處理數(shù)學(xué)模型的不確定性；（4）預(yù)測控制方法，該方法為一種計算機控制算法，在預(yù)測模型的基礎(chǔ)上采用滾動優(yōu)化和反饋校正，可以處理多變量系統(tǒng)。第四階段：智能控制智能控制的指導(dǎo)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(fù)雜的控制問題。被控對象的復(fù)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(biāo)度，復(fù)雜的信息模式，龐大的數(shù)據(jù)量，以及嚴(yán)格的特性指標(biāo)等。而環(huán)境的復(fù)雜性則表現(xiàn)為變化的不確定性和難以辨識。 試圖用傳統(tǒng)的控制理論和方法去解決復(fù)雜的對象，復(fù)雜的環(huán)境和復(fù)雜的任務(wù)是不可能的。 智能控制的方法包括模糊控制，神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制，專家控制等方法。1.

9、3 自動控制和自動控制系統(tǒng)的基本概念 1.3.1 自動控制問題的提出水位控制系統(tǒng)（人工）目的：保持水池的水平保持不變什么影響水位的變化？進(jìn)水流量出水流量如何實現(xiàn)呢？調(diào)節(jié)閥門的開度有何缺點？自動控制和自動控制系統(tǒng)的基本概念1.3.1 自動控制問題的提出水位自動控制系統(tǒng)（簡單形式）工作原理用水量增大用水量變小缺點存在誤差原因建立新的平衡狀態(tài)未達(dá)到控制要求怎么辦？自動控制和自動控制系統(tǒng)的基本概念較完善的水位自動控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)的動畫自動控制在無人直接參與的情況下，利用控制裝置，使工作機械、或生產(chǎn)過程（被控對象）的某一個物理量（被控量）按預(yù)定的規(guī)律（給定量）運行。自動控制與人工控制水位控制系統(tǒng)總結(jié)

10、人工控制眼睛 大腦 人手自動控制浮子連桿、電位器電動機自動控制系統(tǒng)只不過是把某些裝置有機地組合在一起，以代替人的職能而已。 測量 偏差控制 最常見的控制方式開環(huán)控制閉環(huán)控制復(fù)合控制1.3.2 開環(huán)控制概念（定義）：系統(tǒng)的控制輸入不受輸出影響的控制系統(tǒng)稱開環(huán)控制系統(tǒng)。特點：在開環(huán)控制系統(tǒng)中，輸入端與輸出端之間，只有信號的前向通道而不存在由輸出端到輸入端的反饋通路。 ？電壓放大器功率放大器他勵直流電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)任務(wù)：控制直流電動機以恒定的轉(zhuǎn)速帶動負(fù)載工作。 被控對象被控量（輸出量）給定量（輸入量）直流電動機轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng)方框圖方框圖(Block diagram)是控制系統(tǒng)中信息的流向和各環(huán)節(jié)

11、相互關(guān)系的圖解表示，非常方便定性分析和定量計算。它描述“信息”的傳遞，“信息”傳遞的路徑，“信息”的變換等等。電壓放大器功率放大器直流電動機方框圖中各符號的意義 元部件 方框（塊）圖 信號（物理量）及傳遞方向中的符號 比較點 引出點 表示負(fù)反饋電壓放大器功率放大器電壓放大器功率放大器直流電動機分析與結(jié)論輸出到輸入沒有信號傳遞開環(huán)控制精度不高如何提高控制精度呢？閉環(huán)控制方案1.3.3 閉環(huán)控制系統(tǒng)把輸出量的信息反饋到輸入端，通過比較輸入值與輸出值，產(chǎn)生偏差信號，該偏差信號以一定的控制規(guī)律產(chǎn)生控制作用，逐步減小以至消除這一偏差，從而實現(xiàn)所要求的控制性能。 1.3.3 閉環(huán)控制系統(tǒng)電壓放大器功率放大

12、器閉環(huán)系統(tǒng)的方框圖電壓放大器功率放大器直流電動機測速電動機閉環(huán)系統(tǒng)工作的本質(zhì)機理 將系統(tǒng)的輸出信號引回到輸入端，與輸入信號相比較，利用所得的偏差信號對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到減小偏差或消除偏差的目的。這就是負(fù)反饋控制原理，它是構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)的核心。 1.3.4 開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的比較開環(huán)控制系統(tǒng)優(yōu)點：結(jié)構(gòu)比較簡單成本較低 缺點：控制精度不高抑制干擾能力差對系統(tǒng)參數(shù)變化比較敏感。 閉環(huán)控制系統(tǒng) 缺點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜造價較高 優(yōu)點：抑制干擾能力強 對參數(shù)變化不敏感 可以選用不太精密的元件構(gòu)成較為精密的控制系統(tǒng) 1.3.4 開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的比較1.4 自動控制系統(tǒng)的基本組成 被控對象控制

13、系統(tǒng) 測量元件 比較元件 控制裝置 放大元件 執(zhí)行機構(gòu) 校正裝置 給定元件1.4 自動控制系統(tǒng)的基本組成1.5 控制系統(tǒng)示例飛機自動駕駛系統(tǒng)控制任務(wù)：系統(tǒng)在任何擾動作用下，保持飛機俯仰角不變。被控對象：飛機。被控量：飛機的俯仰角 。 俯仰角控制系統(tǒng)原理方框圖1.6 自動控制系統(tǒng)的分類按給定信號劃分恒值控制系統(tǒng)控制輸入是恒定值，要求被控量保持給定值不變隨動控制系統(tǒng) 給定信號的變化規(guī)律是事先不能確定的隨時間變化的信號 程序控制系統(tǒng)若給定輸入是預(yù)先設(shè)定的、按預(yù)定規(guī)律變化的信號 1.6 自動控制系統(tǒng)的分類系統(tǒng)參數(shù)是否隨時間變化劃分定常系統(tǒng) 控制系統(tǒng)的參數(shù)在系統(tǒng)運行過程中不隨時間變化 時變系統(tǒng) 控制系統(tǒng)

14、的參數(shù)在系統(tǒng)運行過程中隨時間變化原因元器件老化等 1.6 自動控制系統(tǒng)的分類按系統(tǒng)是否滿足疊加原理 （即按系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型劃分）線性系統(tǒng)由線性元部件組成的系統(tǒng)具有齊次性和疊加性非線性系統(tǒng) 含有一個或一個以上非線性元件的系統(tǒng)不滿足疊加性1.6 自動控制系統(tǒng)的分類按信號傳遞的連續(xù)性劃分連續(xù)系統(tǒng)若系統(tǒng)中所有信號都是連續(xù)信號，則稱為連續(xù)系統(tǒng) 傳遞的信號為模擬信號離散系統(tǒng)如果系統(tǒng)中有一處或幾處的信號是離散信號（脈沖序列或數(shù)字編碼），則稱為離散系統(tǒng) 1.6 自動控制系統(tǒng)的分類按系統(tǒng)輸入與輸出信號的數(shù)量劃分單變量系統(tǒng)（SISO）只有一個輸入、一個輸出的系統(tǒng)（不包含干擾信號）多變量系統(tǒng)（MIMO）包含多個輸入或多個輸出的系統(tǒng)控制系統(tǒng)分類小結(jié)1.7 對控制系統(tǒng)性能的基本要求穩(wěn)系統(tǒng)的穩(wěn)