自動控制理論第一章

第一章自動控制理論概述§1－1引言自動控制技術在工農業(yè)生產(chǎn)、國防、航空航天等各個領域中起著重要的作用！廣泛應用于各種工程學科領域，并擴展到生物、醫(yī)學、環(huán)境、經(jīng)濟管理和其它許多社會生活領域。獨立的學科并與其它學科相互滲透、相互促進。

《自動控制原理》是自動控制技術的基礎理論，是一門理論性較強的工程科學。

現(xiàn)代的工程技術人員和科學工作者，必須具備一定的自動控制理論基礎知識！

§1-2自動控制理論和自動控制系統(tǒng)的基本概念第一章自動控制理論概述采用離心調速器的蒸汽機轉速控制系統(tǒng)舉例：第一章自動控制理論概述一、人工控制與自動控制第一章自動控制理論概述第一章自動控制理論概述二、開環(huán)控制系統(tǒng)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)控制器與被控對象之間只有正向的控制作用。輸出量對控制量沒有影響。輸入輸出間沒有反饋回路。第一章自動控制理論概述第一章自動控制理論概述開環(huán)控制系統(tǒng)的特點：結構簡單、造價低。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(shù)的穩(wěn)定性。開環(huán)系統(tǒng)沒有抗干擾的能力。因此精度較低。應用場合：控制量的變化規(guī)律可以預知。可能出現(xiàn)的干擾可以抑制。被控量很難測量。應用較為廣泛，如家電、加熱爐、車床等等。第一章自動控制理論概述三、閉環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)系統(tǒng)精度不高、適應性不強。

將輸出量引入到輸入端，使輸出量對控制作用產(chǎn)生直接的影響。形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。第一章自動控制理論概述前向通道：系統(tǒng)輸入量到輸出量之間的通道。反饋通道：從輸出量到反饋信號之間的通道。比較環(huán)節(jié)：輸出量為各輸入量的代數(shù)和。輸入量：ur

輸出量：n反饋量：uf

控制量：ua偏差量(ue)＝給定量

(ur)－反饋量(uf)第一章自動控制理論概述閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點：系統(tǒng)對外部或內部干擾(如內部件參數(shù)變動)的影響不甚敏感。出于采用反饋裝置，導致設備增多，線路復雜。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(shù)配合不當，控制性能可能變得很差．甚至出現(xiàn)發(fā)散或等幅振蕩等不穩(wěn)定的情況。注意：對于主反饋必須采用負反饋。若采用正反饋將使偏差越來越大。閉環(huán)控制系統(tǒng)：通過反饋回路使系統(tǒng)構成閉環(huán)并按偏差的性質產(chǎn)生控制作用，以求減小或消除偏差(從而減小或消除誤差)的控制系統(tǒng)。第一章自動控制理論概述四、自動控制系統(tǒng)的概念和特征自動控制：在沒有人直接參與的情況下，通過控制器（控制裝置）使被控制對象或過程自動地在一定的精度范圍內按照預定的規(guī)律運行。系統(tǒng)：由相互制約的各個部分按一定的規(guī)律組成的、為達到一定目的的、具有一定功能的整體。反饋：將檢測出來的輸出量送回到系統(tǒng)的輸入端，并與輸入信號比較的過程。反饋分為負反饋（反饋信號與輸入信號相減）和正反饋（反饋信號與輸入信號相加）。自動控制的基礎為閉環(huán)控制?？刂普摰牡旎薔.Wiener給出的定義為：“Feedbackisamethodofcontrollingasystembyinsertingintoittheresultofitspastperformance”

《控制論——關于在動物和機器中控制和通訊的科學》美國MIT的N.Wiener研究隨機過程的預測(1942)，提出Wiener濾波理論(1942)，發(fā)表《控制論》(Cybernetics)一書(1948)，標志著控制論學科的誕生。第一章自動控制理論概述自動控制系統(tǒng)的特征：1.結構上必須有反饋裝置并按負反饋的原則構成系統(tǒng)。2.由偏差產(chǎn)生控制作用?？刂频哪康氖潜M量的減小或消除偏差，使輸出量接近于期望值。自動控制系統(tǒng)定義：

是一個帶有反饋裝置的動力學系統(tǒng)。系統(tǒng)能自動而連續(xù)地測量被控制量，并求出偏差，進而根據(jù)偏差的大小和正負極性進行控制，而控制的目的是力圖減小或消除所存在的偏差。第一章自動控制理論概述§1－3自動控制系統(tǒng)的組成和分類一、控制系統(tǒng)的組成測量反饋元件——用以測量被控量并將其轉換成與輸入量同一物理量后，再反饋到輸入端以作比較。比較元件——用來比較輸人信號與反饋信號。放大元件——將微弱的信號作線性放大。校正元件——按某種函數(shù)規(guī)律變換控制信號，并產(chǎn)生反映兩者差值的偏差信號。以利于改善系統(tǒng)的動態(tài)品質或靜態(tài)性能。執(zhí)行元件——根據(jù)偏差信號的性質執(zhí)行相應的控制作用，以便使被控量按期望值變化?？刂茖ο蟆址Q被控對象或受控對象，通常是指生產(chǎn)過程中需要進行控制的工作機械或生產(chǎn)過程。出現(xiàn)于被控對象中需要控制的物理量稱為被控量。第一章自動控制理論概述第一章自動控制理論概述常用的名詞術語輸入信號：也叫參考輸入，給定量或給定值，它是控制著輸出量變化規(guī)律的指令信號。輸出信號：是指被控對象中要求按一定規(guī)律變化的物理量，又稱被控量，它與輸入量之間保持一定的函數(shù)關系。反饋信號：由系統(tǒng)(或元件)輸出端取出并反向送回系統(tǒng)(或元件)輸入端的信號稱為反饋信號。反饋有主反饋和局部反饋之分。偏差信號：它是指參考輸入與主反饋信號之差。誤差信號：指系統(tǒng)輸出量的實際值與期望值之差，簡稱誤差。擾動信號：簡稱擾動或干擾、它與控制作用相反，是一種不希望的、影響系統(tǒng)輸出的不利因素。擾動信號既可來自系統(tǒng)內部，又可來自系統(tǒng)外部，前者稱內部擾動，后者稱外部擾動。第一章自動控制理論概述二、自動控制系統(tǒng)的分類1.按輸入信號的特征分

恒值控制系統(tǒng)（又稱自動調節(jié)系統(tǒng)）輸入信號為常數(shù)。主要強調抗擾性。

隨動系統(tǒng)（又稱伺服系統(tǒng)）輸入信號是預先不知道的隨時間任意變化的函數(shù)，控制系統(tǒng)能使輸出信號以任意高的精度跟隨給定值的變化。主要強調跟隨性。程序控制系統(tǒng)

輸入信號是已知的、預先設定好的時間的函數(shù)。

第一章自動控制理論概述第一章自動控制理論概述飛機示意圖給定裝置放大器舵機飛機

反饋電位器

垂直陀螺儀θ0θc擾動俯仰角控制系統(tǒng)方塊圖國民收入的反饋系統(tǒng)模型第一章自動控制理論概述2.按描述元件的動態(tài)方程分

線性系統(tǒng)組成系統(tǒng)的全部元件都是線性元件，它們的輸入-輸出的靜態(tài)特性均為線性，這類系統(tǒng)的運動可由常系數(shù)的微分方程（或差分方程）來描述。非線性系統(tǒng)系統(tǒng)中含有一個或多個非線性元件，非線性元件的靜態(tài)輸入-輸出特性均為非線性的。凡含有非線性元件的系統(tǒng)均稱為非線性系統(tǒng)。系統(tǒng)的運動需要用非線性的微分方程或差分方程來描述。第一章自動控制理論概述3.按信號傳遞是否連續(xù)分類連續(xù)系統(tǒng)系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)間的信號均為時間t的連續(xù)函數(shù)。運動規(guī)律用微分方程來描述。離散系統(tǒng)信號的傳遞過程中，只要有一處是脈沖序列或數(shù)字編碼，這類系統(tǒng)要用差分方程來進行描述。4.按系統(tǒng)的參數(shù)是否隨時間的變化而分類定常系統(tǒng)時變系統(tǒng)5.單輸入-單輸出和多輸入多輸出第一章自動控制理論概述6.確定和不確定系統(tǒng)7.集中參數(shù)系統(tǒng)和分布參數(shù)系統(tǒng)第一章自動控制理論概述§1-4自動控制理論概要一、自動控制理論主要研究的問題

系統(tǒng)分析

在已知系統(tǒng)的結構參數(shù)的條件下，研究系統(tǒng)在某種典型輸入信號下輸出信號變化的全過程，并從這個變化過程中得到評價系統(tǒng)性能的指標；以及討論系統(tǒng)的性能和系統(tǒng)結構、參數(shù)的關系。

系統(tǒng)設計

在給定被控對象及所要求的性能指標的情況下，設計一個即能完成控制任務又可以滿足所提出的性能指標的控制系統(tǒng)。要改變系統(tǒng)的某些參數(shù)或者是加入校正裝置，使其滿足預定的性能指標要求。第一章自動控制理論概述二、對控制系統(tǒng)的基本要求穩(wěn)定性、快速性、準確性，即穩(wěn)、快、準。

穩(wěn)定性穩(wěn)定性是指系統(tǒng)重新恢復平衡狀態(tài)的能力，任何一個正常工作的系統(tǒng)首先必須是穩(wěn)定的?？焖傩杂捎谙到y(tǒng)的對象和元件通常具有一定的慣性，并受到能源功率的限制，因此，當系自輸入(給定輸入或擾動輸入)信號改變時，在控制作用下，系統(tǒng)必然由原先的平衡狀態(tài)經(jīng)過一段時間才過渡到另一個新的平衡狀態(tài)，這個過程稱為過渡過程。過渡過程越短，表明系統(tǒng)的快速性越好?？焖傩允呛饬肯到y(tǒng)質量高低的重要指標之一。第一章自動控制理論概述

準確性對一個穩(wěn)定的系統(tǒng)而言，當過渡過程結束后，系統(tǒng)輸出量的實際值與期望值之差稱為穩(wěn)態(tài)誤差，它是衡量系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度的重要指標。穩(wěn)態(tài)誤差越小，表示系統(tǒng)的準確性越好。穩(wěn)、準、快是相互制約的！

控制系統(tǒng)設計過程第一章自動控制理論概述三、古典控制理論和現(xiàn)代控制理論1.發(fā)展過程

1877年，勞斯(E．Routh)和1895年赫爾維茨(A．Hurwith)分別獨立地提出了關于判斷控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的代數(shù)判據(jù)。

1932年奈奎斯特(H．Nyquist)在研究負反饋放大器時創(chuàng)立了有名的穩(wěn)定性判據(jù)，并提出了穩(wěn)定裕量的概念。

1945年伯德(H.W.Bode)提出了分析控制系統(tǒng)的另一種圖解方法即頻率法。

1948年伊萬斯(w.K．Evans)又創(chuàng)立了根軌跡法。

美國MIT的N.Wiener研究隨機過程的預測(1942)，提出Wiener濾波理論(1942)，發(fā)表《控制論》(Cybernetics)一書(1948)，標志著控制論學科的誕生。第一章自動控制理論概述

50年代中期，經(jīng)典控制理論又添加了非線性系統(tǒng)理論和離散控制理論，從而形成了完整的理論體系。60年代初又形成了現(xiàn)代控制理論。

1956年龐特里亞金提出了極大值原理。

1957年貝爾曼(K．Bellman)提出了動態(tài)規(guī)劃。

1961年卡爾曼(R．E．Kalman)提出了最優(yōu)濾波理論以及狀態(tài)空間方法的應用。從60年代至今，現(xiàn)代控制理論義有巨大的發(fā)展，并形成了若干學科分支．如線性系統(tǒng)理論、最優(yōu)控制理論、動態(tài)系統(tǒng)辨識、自適應控制、魯棒控制理論、復雜大系統(tǒng)理論等。第一章自動控制理論概述四、自動控制理論的主要內容1經(jīng)典控制理論以描述輸入與輸出外部關系的傳遞函數(shù)為基礎。研究單輸入、單輸出系統(tǒng)的分析和設計問題。以積分變換為主要的數(shù)學工具。研究方法有時域分析法、根軌跡法