自動(dòng)控制理論課件

第一章控制系統(tǒng)導(dǎo)論1.1自動(dòng)控制的基本原理1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)示例1.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類1.4對控制系統(tǒng)的基本要求End

本章重點(diǎn)1.自動(dòng)控制和自動(dòng)控制系統(tǒng)的含義；2.反饋和反饋控制的概念、反饋控制的特點(diǎn)；3.控制系統(tǒng)的組成和分類和特點(diǎn)。

本章難點(diǎn)1.深刻理解反饋的概念和思想；2.確定控制系統(tǒng)的被控對象、被控量、給定量等；繪制方塊圖，分析實(shí)際控制系統(tǒng)的基本原理?！?－1控制系統(tǒng)的基本原理自動(dòng)控制技術(shù)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防、航空航天等各個(gè)領(lǐng)域中起著重要的作用！廣泛應(yīng)用于各種工程學(xué)科領(lǐng)域，并擴(kuò)展到生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)管理和其它許多社會(huì)生活領(lǐng)域。獨(dú)立的學(xué)科并與其它學(xué)科相互滲透、相互促進(jìn)。《自動(dòng)控制原理》是自動(dòng)控制技術(shù)的基礎(chǔ)理論，是一門理論性較強(qiáng)的工程科學(xué)。

現(xiàn)代的工程技術(shù)人員和科學(xué)工作者，必須具備一定的自動(dòng)控制理論基礎(chǔ)知識！

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(fù)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）。例水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)系統(tǒng)中增加了：控制器電機(jī)加入給定信號工作原理：檢測實(shí)際溫度產(chǎn)生控制信號通過電機(jī)調(diào)節(jié)閥門的開度從而調(diào)節(jié)蒸汽流入，控制水的溫度.實(shí)現(xiàn)沒有人直接參入的自動(dòng)水溫控制.為了方便地分析系統(tǒng)性能，一般用框圖來表示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，如圖所示:要使自動(dòng)控制系統(tǒng)滿足工程實(shí)際的需要,必須研究自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)與系統(tǒng)性能之間的關(guān)系。實(shí)際溫度偏差反饋量預(yù)期溫度_控制器執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥門水箱自動(dòng)控制系統(tǒng)：為了實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制任務(wù)，首先要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(gè)有機(jī)整體，這就是自動(dòng)控制系統(tǒng)。自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本控制方式1.開環(huán)控制2.閉環(huán)控制3.復(fù)合控制溫度計(jì)

加熱電阻絲調(diào)壓器u(a)原理圖~220V輸出量(手柄位置)輸入量調(diào)壓器加熱電阻絲

電爐

恒溫箱

被控對象(溫度)擾動(dòng)量(b)方塊圖控制裝置擾動(dòng)輸出量輸入量控制裝置被控對象開環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖

開環(huán)控制按擾動(dòng)控制的開環(huán)控制系統(tǒng)，是利用可測量的擾動(dòng)量，產(chǎn)生一種補(bǔ)償作用，以減小或抵消擾動(dòng)對輸出的影響，這種控制方式也稱順饋控制。按擾動(dòng)控制的速度控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低。系統(tǒng)的控制精度取決于給定信號的標(biāo)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(yīng)用場合：控制量的變化規(guī)律可以預(yù)知?？赡艹霈F(xiàn)的干擾可以抑制。被控量很難測量。應(yīng)用較為廣泛，如家電、加熱爐、車床等等。閉環(huán)控制控制裝置與受控對象之間，不但有順向作用，而且還有反向聯(lián)系.閉環(huán)控制又稱為反饋控制或按偏差控制。調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖unufeudn_直流電動(dòng)機(jī)放大器測速機(jī)由電網(wǎng)電壓波動(dòng)，負(fù)載變化以及其他部分的參數(shù)變化所引起的轉(zhuǎn)速變化，都可以通過系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)整加以抑制。n↓→Uf↓→e↑→Ud↑→n↑減小或消除由于擾動(dòng)所形成的偏差值，具有較高的控制精度和較強(qiáng)的抗擾能力。閉環(huán)控制系統(tǒng)具有的特點(diǎn)：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：輸出量：n反饋量：控制量：偏差量()＝給定量

(

)－反饋量(

)閉環(huán)控制系統(tǒng)：通過反饋回路使系統(tǒng)構(gòu)成閉環(huán)并按偏差的性質(zhì)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)。閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：系統(tǒng)對外部或內(nèi)部干擾(如內(nèi)部件參數(shù)變動(dòng))的影響不甚敏感。出于采用反饋裝置，導(dǎo)致設(shè)備增多，線路復(fù)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(dāng)，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(fù)反饋。若采用正反饋將使偏差越來越大。3．復(fù)合控制按偏差控制和按擾動(dòng)控制相結(jié)合的控制方式稱為復(fù)合控制。前饋補(bǔ)償控制復(fù)合控制具有兩種基本形式.復(fù)合控制：反饋控制+(b)按擾動(dòng)前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制檢測元件_前饋控制擾動(dòng)被控制量給定值受控對象控制器_復(fù)合控制udoMRiugutTG(a)原理圖負(fù)載放大器

放大器+被控量輸入信號(-)補(bǔ)償裝置控制裝置受控對象n擾動(dòng)(ML)uiugut(-)(b)方塊圖擾動(dòng)檢測裝置晶闡管可控整流器轉(zhuǎn)速反饋裝置電動(dòng)機(jī)放大器放大器觸發(fā)器控制系統(tǒng)的組成測量反饋元件——用以測量被控量并將其轉(zhuǎn)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(dòng)態(tài)品質(zhì)或靜態(tài)性能。執(zhí)行元件——根據(jù)偏差信號的性質(zhì)執(zhí)行相應(yīng)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(jìn)行控制的工作機(jī)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。常用的名詞術(shù)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(guān)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(shí)際值與期望值之差，簡稱誤差。擾動(dòng)信號：簡稱擾動(dòng)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(dòng)信號既可來自系統(tǒng)內(nèi)部，又可來自系統(tǒng)外部，前者稱內(nèi)部擾動(dòng)，后者稱外部擾動(dòng)?！?－1自動(dòng)控制系統(tǒng)示例例1爐溫控制系統(tǒng)例2函數(shù)記錄儀方框圖第三節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類按給定信號的形式恒值系統(tǒng)/程序系統(tǒng)/隨動(dòng)系統(tǒng)按系統(tǒng)是否滿足疊加原理線性系統(tǒng)/非線性系統(tǒng)按系統(tǒng)參數(shù)是否隨時(shí)間變化定常系統(tǒng)/時(shí)變系統(tǒng)按信號傳遞的形式連續(xù)系統(tǒng)/離散系統(tǒng)按輸入輸出變量的多少單變量系統(tǒng)/多變量系統(tǒng)一、按輸入信號形式1、恒值控制系統(tǒng)（或稱自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)）這類系統(tǒng)的特點(diǎn)是輸入信號是一個(gè)恒定的數(shù)值。恒值控制系統(tǒng)主要研究各種干擾對系統(tǒng)輸出的影響以及如何克服這些干擾，把輸入、輸出量盡量保持在希望數(shù)值上。一、按輸入信號形式2、過程控制系統(tǒng)（或稱程序控制系統(tǒng)）這類系統(tǒng)的特點(diǎn)是輸入信號是一個(gè)已知的時(shí)間函數(shù)，系統(tǒng)的控制過程按預(yù)定的程序進(jìn)行，要求被控量能迅速準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)。恒值控制系統(tǒng)也認(rèn)為是過程控制系統(tǒng)的特例。3、隨動(dòng)控制系統(tǒng)（或稱伺服系統(tǒng)）這類系統(tǒng)的特點(diǎn)是輸入信號是一個(gè)未知函數(shù)，要求輸出量跟隨給定量變化。如雷達(dá)天線跟蹤系統(tǒng)，當(dāng)被跟蹤目標(biāo)位置未知時(shí)屬于這類系統(tǒng)。隨動(dòng)系統(tǒng)是指參考輸入量隨時(shí)間任意變化的系統(tǒng)。其任務(wù)是要求輸出量以一定的精度和速度跟蹤參考輸入量，跟蹤的速度和精度是隨動(dòng)系統(tǒng)的兩項(xiàng)主要性能指標(biāo)。工業(yè)自動(dòng)化儀表中的顯示記錄儀，跟蹤衛(wèi)星的雷達(dá)天線控制系統(tǒng)(如圖所示)等均屬于隨動(dòng)控制系統(tǒng)。二、按系統(tǒng)是否滿足疊加原理(1)線性系統(tǒng)

當(dāng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律用線性微分方程或者線性差分方程描述時(shí)，則這類系統(tǒng)稱為線性系統(tǒng)。線性系統(tǒng)有兩個(gè)重要特性：疊加性和齊次性。（a）疊加性當(dāng)系統(tǒng)同時(shí)存在幾個(gè)輸入量時(shí)，其輸出量等于各輸入量單獨(dú)作用時(shí)所引起的輸出量的和。如果用箭頭表示輸入量x和輸出量y的對應(yīng)關(guān)系，上述性質(zhì)可表示如下：例如：設(shè)有線性系統(tǒng)的微分方程式為:

若

時(shí)，方程式的解為

；而

時(shí)，方程式的解為

：即有：則當(dāng)

時(shí)容易驗(yàn)證，原方程式的解為

，這就是疊加性。疊加性表明，兩個(gè)不同的外作用同時(shí)作用于系統(tǒng)所產(chǎn)生的總響應(yīng)，等于兩個(gè)外作用單獨(dú)作用時(shí)分別產(chǎn)生的響應(yīng)之和。(b)齊次性當(dāng)輸入量增大或縮小k(k為實(shí)數(shù))倍時(shí)，系統(tǒng)輸出量也按同一倍數(shù)增大或縮小。即當(dāng)

時(shí)，式中a為常數(shù)，則方程式的解為

，這就是齊次性。齊次性表明，當(dāng)外作用的數(shù)值增大若干倍時(shí)，其響應(yīng)也相應(yīng)增大同樣的倍數(shù)。(2)非線性系統(tǒng)

在構(gòu)成系統(tǒng)的環(huán)節(jié)中有一個(gè)或一個(gè)以上的非線性環(huán)節(jié)時(shí)，則稱此系統(tǒng)為非線性系統(tǒng)。典型的非線性特性有飽和特性、死區(qū)特性、間隙特性、繼電特性、磁滯特性等。如圖:（1）定常系統(tǒng)如果系統(tǒng)中參數(shù)不隨時(shí)間變化，則這類系統(tǒng)稱為定常系統(tǒng)。在實(shí)踐中遇到的系統(tǒng)，大多數(shù)屬于這一類。（2）時(shí)變系統(tǒng)如果系統(tǒng)中的參數(shù)是時(shí)間t的函數(shù)，則這類系統(tǒng)稱為時(shí)變系統(tǒng)。三、按系統(tǒng)參數(shù)是否隨時(shí)間變化如果一個(gè)線性系統(tǒng)微分方程的系數(shù)為常數(shù)，那么系統(tǒng)稱為線性定常系統(tǒng)。例如：如果一個(gè)線性系統(tǒng)微分方程的系數(shù)為時(shí)間的函數(shù)，那么系統(tǒng)稱為線性時(shí)變系統(tǒng)。例如:連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)是指系統(tǒng)內(nèi)各處的信號都是以連續(xù)的模擬量傳遞的系統(tǒng)。即系統(tǒng)中各元件的輸入量和輸出量均為時(shí)間的連續(xù)函數(shù)。連續(xù)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可以用微分方程來描述。系統(tǒng)內(nèi)某處或數(shù)處信號是以脈沖序列或數(shù)碼形式傳遞的系統(tǒng)則稱為離散系統(tǒng)，如下圖所示，其運(yùn)動(dòng)方程只能用差分方程描述。四、按信號傳遞的形式§1-4對控制系統(tǒng)性能的要求常見的評價(jià)系統(tǒng)優(yōu)劣的性能指標(biāo)是從動(dòng)態(tài)過程中定義出來的。對系統(tǒng)性能的基本要求有三個(gè)方面。二、快速性一、穩(wěn)定性三、準(zhǔn)確性

系統(tǒng)受外作用力后,其動(dòng)態(tài)過程的振蕩傾向和系統(tǒng)恢復(fù)平衡的能力。一、穩(wěn)定性穩(wěn)定性：如果系統(tǒng)受外作用力經(jīng)過一段時(shí)間，其被控量達(dá)到某一穩(wěn)定狀態(tài)，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的。否則為不穩(wěn)定的。穩(wěn)定系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程r(t)t0c(t)1r(t)c(t)不穩(wěn)定系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程(a)給定信號作用c(t)(b)擾動(dòng)信號作用d(t)t0c(t)r(t)t0c(t)r(t)c(t)d(t)不穩(wěn)定的系統(tǒng)是無法正常工作的。通過動(dòng)態(tài)過程時(shí)間長短表征。時(shí)間越短，表明快速性越好，反之亦然。二、快速性r(t)t0c(t)r(t)c1(t)c2(t)快速性表明了系統(tǒng)輸出對輸入響應(yīng)的快慢程度由輸入給定值與輸出響應(yīng)的終值之間的差值ess大小表征。三、準(zhǔn)確性r(t)t0c(t)r(t)c(t)ess穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性往往是互相制約的。在設(shè)計(jì)與調(diào)試的過程中,若過分強(qiáng)調(diào)某方面的性能,則可能會(huì)使其他方面的性能受到影響.怎樣根據(jù)工作任務(wù)的不同,分析和設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)，使其對三方面的性能有所側(cè)重，并兼顧其它正是自控原理課程要解決的問題。

自動(dòng)控制理論研究的是如何按受控對象和環(huán)境特征，通過能動(dòng)地采集和運(yùn)用信息，施加控制作用使系統(tǒng)在不確定的條件下正常運(yùn)行并具有預(yù)定功能。它是研究自動(dòng)控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)，其主要內(nèi)容涉及受控對象、環(huán)境特征、控制目標(biāo)和控制手段以及它們之間的相互作用。

§1-5自動(dòng)控制理論發(fā)展簡述具有“自動(dòng)”功能的裝置自古有之，瓦特發(fā)明的蒸汽機(jī)上的離心調(diào)速器是比較自覺地運(yùn)用反饋原理進(jìn)行設(shè)計(jì)并取得成功的首例。麥克斯韋對它的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，于1868年發(fā)表的論文當(dāng)屬最早的理論工作。從20世紀(jì)20年代到40年代形成了以時(shí)域法，頻率法和根軌跡法為支柱的“古典”控制理論。60年代以來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和航天等高科技的推動(dòng)，又產(chǎn)生了基于狀態(tài)空間模型的所謂“現(xiàn)代”控制理論。隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，人們力求使設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)的性能指標(biāo)，為了使系統(tǒng)在一定的約束條件下，其某項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)而實(shí)行的控制稱為最優(yōu)控制。當(dāng)對象或環(huán)境特性變化時(shí)，為了使系統(tǒng)能自行調(diào)節(jié)，以跟蹤這種變化并保持良好的品質(zhì)，又出現(xiàn)了自適應(yīng)控制。各種理論中仍是古典頻率法最為適用。真正優(yōu)良的設(shè)計(jì)必須允許模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不精確并可能在一定范圍內(nèi)變化，即具有魯棒性。這是當(dāng)前的重要前沿課題之一。另外，使理論實(shí)用化的一個(gè)重要途徑就是數(shù)學(xué)模擬（仿真）和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）。近年來，在非線性系統(tǒng)理論、離散事件系統(tǒng)、大系統(tǒng)和復(fù)雜系統(tǒng)理論等方面均有不同程度的發(fā)展。智能控制也得到了很快的發(fā)展，它主要包括專家系統(tǒng)、模糊控制和人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等內(nèi)容?？傊詣?dòng)控制理論正隨著技術(shù)和生產(chǎn)的發(fā)展而不斷發(fā)展，而它反過來又成為高新技術(shù)發(fā)展的重要理論根據(jù)。本書所介紹的內(nèi)容是該理論中最基本的也是最重要的內(nèi)容，即古典控制理論部分。它在工程實(shí)踐中用得最多，也是進(jìn)一步學(xué)習(xí)自動(dòng)控制理論的基礎(chǔ)。課程要求深刻理解反饋控制的概念系統(tǒng)的建模和化簡掌握時(shí)域和頻域的分析設(shè)計(jì)方法應(yīng)用MATLAB進(jìn)行控制系統(tǒng)的輔助分析和設(shè)計(jì)（1）階躍信號

階躍信號的表達(dá)式為：(1-1)當(dāng)A=1時(shí)，則稱為單位階躍信號，常用1(t)表示，如圖1-11所示。

典型外界干擾作用（2）斜坡信號

斜坡信號在t

=0時(shí)為零，并隨時(shí)間線性增加，所以也叫等速度信號。它等于階躍信號對時(shí)間的積分，而它對時(shí)間的導(dǎo)數(shù)就是階躍信號。斜坡信號的表達(dá)式為：

（2）斜坡信號

斜坡信號在t

=0時(shí)為零，并隨時(shí)間線性增加，所以也叫等速度信號。它等于階躍信號對時(shí)間的積分，而它對時(shí)間的導(dǎo)數(shù)就是階躍信號。斜坡信號的表達(dá)式為：

（3）拋物線信號拋物線信號也叫等加速度信號，它可以通過對斜坡信號的積分而得。拋物線信號的表達(dá)式為：（3.3）當(dāng)A=1時(shí)，則稱為單位拋物線信號，如圖3-3所示（4）脈沖信號單位脈沖信號的表達(dá)式為：