自動控制原理：第一章 緒 論

1、自動控制原理第一章 緒 論自動控制系統(tǒng)的基本概念自動控制系統(tǒng)的組成自動控制系統(tǒng)的分類對控制系統(tǒng)的基本要求 本門課的內(nèi)容和要求自動控制的發(fā)展簡史1.1 什么是自動控制系統(tǒng)自動:就是不需要人的介入控制:達到人想要達到的某種目的自動控制:在脫離人的直接干預下，利用控制裝置，使被控對象按照預定的規(guī)律運行。自動控制系統(tǒng):將被控對象和實現(xiàn)控制功能的控制裝置組合起來稱為自動控制系統(tǒng)1.2 自動控制系統(tǒng)組成了解自動控制系統(tǒng)涉及到的領域了解自動控制系統(tǒng)的組成部分1.2.1 水位人工控制 系統(tǒng)生活中儲水人的動作眼睛觀察：是否滿了（檢測單元）大腦：是否發(fā)命令關水龍頭（控制器）手：執(zhí)行關水龍頭的命令（執(zhí)行器）有人的介

2、入，所以不是自動控制系統(tǒng)過程由下面的方塊圖表示1.2.2 水位自動控制 系統(tǒng)一控制目的：水箱的水位保持不變?nèi)绻魅肓亢土鞒隽康牧髁坎蛔?，那么可以根?jù)流入量和流出量的流量差以及容器容積大小算出閥門打開的時間，這個工作由控制器來完成。由于這個系統(tǒng)中已無需人的介入，因此為自動控制系統(tǒng)。系統(tǒng)過程由下面的方塊圖表示1.2.3 水位自動控制 系統(tǒng)二前例中影響水位的因素：物料的流入（主動控制）物料的流出（負載變化）當流入流出不平衡時水位發(fā)生變化前例中由于沒有對水位進行檢測，所以當水位發(fā)生變化時，控制器不知道，因此會產(chǎn)生偏差。改變的方法：對水位進行檢測，與希望水位進行比較，通過偏差大小進行控制。自動反饋控制系

3、統(tǒng)：儀器測量水位（浮子） 儀器發(fā)命令（控制器） 儀器調(diào)節(jié)閥（氣動閥門）控制目的：將工件放在正確的位置原理：測量（攝像機）比較（控制器）執(zhí)行（執(zhí)行器機械手）1.2.4 機器人控制系統(tǒng)小結(jié)控制系統(tǒng)的組成：被控對象和一個目的選擇一些儀器儀表（測量儀表、執(zhí)行機構(gòu)和控制器）控制器 執(zhí)行器 被控對象偏差被控參數(shù)測量儀表參考輸入控制系統(tǒng)通常習慣用方框圖來表示 方框：代表功能模塊方框圖 帶箭頭的線段：代表信號傳遞方向典型的控制系統(tǒng)方框圖是：構(gòu)成一個完整的控制系統(tǒng)。 1.3 控制系統(tǒng)的分類1.3.1 開環(huán)控制和閉環(huán)控制按結(jié)構(gòu)分水位（系統(tǒng)輸出）沒有反送到輸入端，因此對控制器的決策沒有影響。這種系統(tǒng)稱為開環(huán)系統(tǒng)。再

4、看看水位自動控制控制系統(tǒng)二先看看水位自動控制系統(tǒng)一水位（系統(tǒng)輸出）反送到輸入端，影響控制器的決策將輸出量反送到輸入端，與輸入端形成偏差稱之為反饋閉環(huán)控制將輸出量與參考輸入量進行比較，并且將它們的偏差作為控制手段，以保持兩者之間預定關系的系統(tǒng)。也稱為反饋控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)中主要采用負反饋 。負反饋：反饋的加入，使偏差越來越小。正反饋：反饋的加入，使偏差越來越大。（振蕩發(fā)生器）最大的特點：消除偏差；使系統(tǒng)對參數(shù)不敏感。開環(huán)控制和閉環(huán)控制的比較性能開環(huán)控制閉環(huán)控制有無反饋無有精度低高穩(wěn)定性不改變穩(wěn)定性可能改變穩(wěn)定性經(jīng)濟性成本低成本高信息反饋-最基本的自動控制原理反饋控制系統(tǒng)的中的常用術(shù)語：給定值（參

5、考輸入值）偏差值控制量被控量擾動量(內(nèi)擾,外擾)自動控制裝置 = 測量儀表 + 控制器 + 執(zhí)行器被控過程（被控對象）控制系統(tǒng) = 被控過程控制裝置1.3.2 按輸入信號的變化規(guī)律分定值控制：參考輸入為一個恒定的值。如水位控制、速度控制等。程序控制：參考輸入為一個已知的時間函數(shù)。如全自動洗衣機、熱處理過程等，隨動控制：參考輸入為一個隨機變化的函數(shù)。火炮跟蹤系統(tǒng)等連續(xù)系統(tǒng)：系統(tǒng)中傳遞的信號都是時間軸上連續(xù)的信號。離散系統(tǒng)：系統(tǒng)中某一處或幾處信號為脈沖序列或時間軸上不連續(xù)的信號。典型的如計算機控制系統(tǒng)。1.3.3 按系統(tǒng)中傳遞信號的特點分線性系統(tǒng):組成系統(tǒng)的所有元件或子系統(tǒng)都是線性的。非線性系統(tǒng)：

6、系統(tǒng)中至少有一個元件或子系統(tǒng)是非線性的。1.3.4 按系統(tǒng)特點分1.4 自控系統(tǒng)的要求和本門課程的任務建立控制系統(tǒng)的目的保證系統(tǒng)輸出具有輸入指定的數(shù)值保證系統(tǒng)輸出盡量不受擾動的影響對系統(tǒng)的具體要求1、系統(tǒng)穩(wěn)定性2、系統(tǒng)動態(tài)快速性3、系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的準確性研究一種方法（或理論）來指導構(gòu)筑一個控制系統(tǒng)具體：選擇系統(tǒng)的各個組成元件（構(gòu)成原系統(tǒng)） 設計控制裝置以達到改變原系統(tǒng)的目的本課程的內(nèi)容安排反過來看：3、設計控制器（系統(tǒng)設計或系統(tǒng)綜合）2、了解某種控制器對系統(tǒng)輸出的影響（系統(tǒng)分析）1、了解各種元器件或子系統(tǒng)的運動規(guī)律、動力學方程（建立數(shù)學模型）本課程的任務：1.5 本課程的內(nèi)容第二章 建立數(shù)學模型第三

7、章第四章兩種經(jīng)典系統(tǒng)分析方法（時域分析和頻域法）第五章 系統(tǒng)設計第六章 采樣控制系統(tǒng)第七章 狀態(tài)空間法1.6自動控制的發(fā)展簡史最初的閉環(huán)自動控制裝置是1788年瓦特（J.Watt）發(fā)明的飛錘調(diào)速器的研究。四個階段： 經(jīng)典控制理論階段 現(xiàn)代控制理論階段 大系統(tǒng)控制理論階段 智能控制階段 自動控制理論時域法經(jīng)典控制理論(19世紀中葉-20世紀50年代)線性非線性根軌跡法頻域法波波夫法李雅普諾夫法描述函數(shù)法相平面法采樣控制Z變換法現(xiàn)代控制理論(60年代以來)狀態(tài)反饋控制最優(yōu)控制智能控制預測控制自適應控制模糊控制大系統(tǒng)多層分散控制經(jīng)典控制理論階段（以傳遞函數(shù)作為系統(tǒng)數(shù)學模型）1868年麥克斯韋爾（J.

8、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.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)。在同一時期，維什哥熱斯基（I.A.Vyshnegreskii）也用一種正規(guī)的數(shù)學理論描述了這種理論。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。上述方法基

9、本上是時域方法。 1932年柰奎斯特(Nyquist)提出了負反饋系統(tǒng)的頻率域穩(wěn)定性判據(jù)。1940年，波德(H.Bode)進一步研究通信系統(tǒng)頻域方法，提出了頻域響應的對數(shù)坐標圖描述方法。頻域分析法主要用于描述反饋放大器的帶寬和其他頻域指標。1943年，霍爾(A.C.Hall)利用傳遞函數(shù)（復數(shù)域模型）和方框圖，把通信工程的頻域響應方法和機械工程的時域方法統(tǒng)一起來，人們稱此方法為復域方法。1948年伊文斯（W.Evans）又進一步提出了屬于經(jīng)典方法的根軌跡設計法，它給出了系統(tǒng)參數(shù)變換與時域性能變化之間的關系。返回總結(jié)：經(jīng)典控制理論的分析方法為復數(shù)域方法,以傳遞函數(shù)作為系統(tǒng)數(shù)學模型。優(yōu)點: 可通過

10、試驗方法建立數(shù)學模型，物理概念清晰。缺點: 只適應單變量線性定常系統(tǒng)，對系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)缺少了解。返回現(xiàn)代控制理論階段（以狀態(tài)空間表達式為模型）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)的極大值原理，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)代頻域方法，自適應控制理論和方法、魯棒控制方法等?？偨Y(jié)狀態(tài)空間方法屬于時域方法，其核心是最優(yōu)化技術(shù)，它以狀態(tài)空間描述（實質(zhì)上是一階微分或差分方程組）作為數(shù)學模型，適應于多變量、非線性、時變系統(tǒng)。返回本章小結(jié)本章首先介紹了什么是自動控制，介紹了自動控制理論中常用的術(shù)語：被控對象，參考輸入信號（給定值信號），擾動、偏差信號、