自動控制理論第一章緒論

?自動控制理論?1.教育部副部長吳啟迪〔2007年全國自動化教育年會〕自動化領域涉及的面非常廣泛，除了實際工程應用之外，還包括根底研究、方法論直到哲學研究的內(nèi)容，這對學生的培養(yǎng)過程就非常的全面；對激發(fā)學生的創(chuàng)新能力而言，這個領域可以發(fā)揮的作用非常巨大。自動控制是一個內(nèi)涵非常豐富和美麗的架構(gòu)。比方說反響的概念，這個概念無處不在。另一個就是系統(tǒng)的概念，我想沒有什么人能比我們學自動化的人更懂得2.什么是系統(tǒng)工程了。所以，當我們把這些東西與很多背景結(jié)合起來的時候，就深刻感覺到控制真正是一種方法論。近年來出現(xiàn)的復雜性、非線性、混沌等問題，都是在這個領域迸發(fā)出來的。我相信，用自動控制中這些豐富而美麗的概念和方法來激發(fā)我們的學生，一定可以產(chǎn)生很多創(chuàng)新。我們自豪地說，自動控制的理論是一種會激發(fā)創(chuàng)新的理論。3.第一章緒論

第一節(jié)概述第二節(jié)根本控制方式第三節(jié)自動控制系統(tǒng)的組成及術語第四節(jié)自動控制系統(tǒng)的分類第五節(jié)自控控制理論概要4.

第一節(jié)概述自動控制問題的提出一個簡單的水箱液面，因生產(chǎn)和生活需要，希望液面高度h維持恒定。當水的流入量與流出量平衡時，水箱的液面高度維持在預定的高度上。當水的流出量增大或流入量減小，平衡那么被破壞，液面的高度不能自然地維持恒定。水箱流出流入h5.這種出水量與進水量的不平衡現(xiàn)象必然要經(jīng)常發(fā)生的。這使得這種“水位恒定的要求〞變得難以實現(xiàn)了。所謂控制就是強制性地改變某些物理量〔如上例中的進水量〕，而使另外某些特定的物理量〔如液面高度h〕維持在某種特定的標準上。水箱流出流入h

這種人為地強制性地改變進水量，而使液面高度維持恒定的過程，即是人工控制過程。人工控制的例子。6.自動控制就是在沒有人直接參與的情況下，利用控制器使被控對象〔或過程〕的某些物理量〔或狀態(tài)〕自動地按預先給定的規(guī)律去運行。水箱流出流入h控制器浮子

當出水與進水的平衡被破壞時，水箱水位下降(或上升)，出現(xiàn)偏差。這偏差由浮子檢測出來，自動控制器在偏差的作用下，控制閥門開大(或關小)，對偏差進行修正，從而保持液面高度不變。自動控制的概念7.2.自動控制的根本職能元件自動控制的實現(xiàn),實際上是由自動控制裝置來代替人的根本功能，從而實現(xiàn)自動控制的。畫出以上人工控制與自動控制的功能方框圖進行對照。水箱流出流入h水箱流出流入h控制器浮子

眼睛

浮子大腦

自動控制器肌肉、手

執(zhí)行元件8.肌肉和閥門希望液位實際液位大腦水箱眼睛比較兩圖可以看出，自動控制實現(xiàn)人工控制的功能，存在必不可少的三種代替人的職能的根本元件：氣動閥門希望液位實際液位浮子控制器水箱9.執(zhí)行元件參考輸入輸出測量變送元件控制器對象擾動輸入測量元件與變送器〔代替眼睛〕；自動控制器〔代替大腦〕；執(zhí)行元件〔代替肌肉、手〕。這些根本元件與被控對象相連接，一起構(gòu)成一個自動控制系統(tǒng)。以下圖是典型控制系統(tǒng)方框圖。10.自動控制中的一些術語及方框圖1.常用術語控制對象控制器系統(tǒng)系統(tǒng)輸出操作量參考輸入擾動2.系統(tǒng)方框圖將系統(tǒng)中各個局部都用一個方框來表示，并注上文字或代號，根據(jù)各方框之間的信息傳遞關系，用有向線段把它們依次連接起來，并標明相應的信息。突出了系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)輸入與輸出的關系及各環(huán)節(jié)之間的相互影響，便于定性和定量分析。11.本課程的主要內(nèi)容系統(tǒng)數(shù)學模型的建立時域分析法頻域分析法根軌跡法控制系統(tǒng)校正離散控制系統(tǒng)非線性系統(tǒng)現(xiàn)代控制理論初步

12.第二節(jié)根本控制方式開環(huán)控制定義：如果系統(tǒng)的輸出量不參與對系統(tǒng)的控制，那么稱為開環(huán)控制?？刂破鞅豢貙ο罂刂屏勘豢亓块_環(huán)控制系統(tǒng)的典型方框圖如下圖。

交通指揮紅綠燈，自動洗衣機，自動售貨機，產(chǎn)品自動生產(chǎn)線，數(shù)控車床等等。13.例子：直流電動機轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng)

M功率放大器電動機負載電位器當調(diào)節(jié)電位器滑臂位置時，改變功率放大器的輸入電壓，從而改變電動機的電樞電壓，最終改變電動機的轉(zhuǎn)速。以上的控制過程，用方框圖簡單直觀地表示出來。電動機轉(zhuǎn)速滑臂位置功率放大器電位器14.閉環(huán)控制定義：如果系統(tǒng)的輸出量參與對系統(tǒng)的控制，那么稱為閉環(huán)控制。閉環(huán)控制系統(tǒng)的典型方框圖如下圖。 根據(jù)實際輸出來修正控制作用，實現(xiàn)對被控對象進行控制的任務，這種控制原理稱為反響控制原理。控制器被控對象反饋元件輸入輸出+-偏差15.例子：直流電動機轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)

測速發(fā)電機檢測得到電動機的實際轉(zhuǎn)速n，并轉(zhuǎn)換成與給定電壓相同的物理量uf，然后反響到輸入端，與給定電壓ur相比較，其偏差值ue經(jīng)放大器放大后，來控制電動機的轉(zhuǎn)速，使電動機保持在與給定電壓ur相對應的速度下運轉(zhuǎn)。F測速發(fā)動機電位器功率放大器M功率放大器電動機負載nurufueua16.閉環(huán)控制的特點：①控制作用不是直接來自給定輸入，而是系統(tǒng)的偏差信號，由偏差產(chǎn)生對系統(tǒng)被控量的控制；②系統(tǒng)被控量的反響信息又反過來影響系統(tǒng)的偏差信號，即影響控制作用的大小。這種自成循環(huán)的控制作用，使信息的傳遞路徑形成了一個閉合的環(huán)路，稱為閉環(huán)。③提高了控制精度。電動機轉(zhuǎn)速給定位置功率放大器電位器+-負載擾動測速發(fā)動機ufureua17.開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的比較:1.閉環(huán)控制采用的是負反響原理:將系統(tǒng)輸出量引回輸入端,與輸入量比較,利用所得偏差進行控制,使偏差減小或消除.2.開環(huán)控制與閉環(huán)控制的根本區(qū)別在于閉環(huán)控制具有反響環(huán)節(jié),具有自動修復被控量偏離給定值的能力,具有很強的抗干擾能力.3.在系統(tǒng)參數(shù)配合不當時,閉環(huán)系統(tǒng)容易產(chǎn)生震蕩甚至不穩(wěn)定.工程上常采用的復合控制方法，就是把兩者結(jié)合起來使用。18.控制器被控對象前饋控制器輸入輸出+-+擾動

1、構(gòu)成：將開環(huán)控制和閉環(huán)控制結(jié)合起來。

2、特點：兼有開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)點，控制精度高，控制作用快，但結(jié)構(gòu)也較為復雜。復合控制19.自動控制系統(tǒng)舉例20.第三節(jié)自動控制系統(tǒng)的分類根本組成一、按給定信號的特征劃分給定信號是系統(tǒng)的指令信息。它代表了系統(tǒng)希望的輸出值，反映了控制系統(tǒng)要完成的根本任務和職能。1.恒值控制系統(tǒng)：給定輸入維持不變，希望輸出維持在某一特定值上。液位控制系統(tǒng)，直流電動機調(diào)速系統(tǒng)等等。2.隨動控制系統(tǒng)：給定信號上預先不知道的隨時間任意變化的函數(shù)。控制系統(tǒng)能夠使被控量以盡可能小的誤差跟隨給定值的變化。跟蹤衛(wèi)星的雷達天線系統(tǒng)3.程序控制系統(tǒng)：給定值按預先給定的規(guī)律變化的控制系統(tǒng)。機械加工中的程序控制機床等等。21.二、按系統(tǒng)的數(shù)學描述劃分1.線性系統(tǒng)當系統(tǒng)各元件輸入輸出特性是線性特性，系統(tǒng)的狀態(tài)和性能可以用線性微分〔或差分〕方程來描述時，那么稱這種系統(tǒng)為線性系統(tǒng)。所謂線性特性是指元件的靜特性是一條過原點的直線，也稱其為線性元件。因此，由線性元件組成的系統(tǒng)那么必是線性系統(tǒng)。線性系統(tǒng)的一個突出特點就是滿足疊加原理，可運用疊加原理的兩個性質(zhì)〔可疊加性和齊次性〕，作為鑒別系統(tǒng)是否為線性系統(tǒng)的依據(jù)。線性系統(tǒng)r(t)c(t)r1(t)→

c1(t)r2(t)→

c2(t)r1(t)+r2(t)

→c1(t)+c2(t)ar1(t)→

ac1(t)22.yx0b-byxa-a0-bb2.非線性系統(tǒng)系統(tǒng)中只要存在一個非線性特性的元件，系統(tǒng)就由非線性方程來描述，這種系統(tǒng)稱為非線性系統(tǒng)。yxka-a0M-Myxka-a023.三、

按信號傳遞的連續(xù)性劃分

1.連續(xù)系統(tǒng)

連續(xù)系統(tǒng)的特點是系統(tǒng)中各元件的輸入信號和輸出信號都是時間的連續(xù)函數(shù)。這類系統(tǒng)的運動狀態(tài)是用微分方程來描述的。連續(xù)系統(tǒng)中各元件傳輸?shù)男畔⒃诠こ躺戏Q為模擬量，多數(shù)實際物理系統(tǒng)都屬于這一類，其輸入輸出一般用r(t)和c(t)表示。r(t)

t

0c(t)

t

024.

2.離散系統(tǒng)

控制系統(tǒng)中只要有一處的信號是脈沖序列或數(shù)碼時，該系統(tǒng)即為離散系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的狀態(tài)和性能一般用差分方程來描述。實際物理系統(tǒng)中，信息的表現(xiàn)形式為離散信號的并不多見，往往是控制上的需要，人為地將連續(xù)信號離散化，我們稱其為采樣。c(t)

t

0c(t)c*(t)c*(t)

t

025.四、按系統(tǒng)的輸入與輸出信號的數(shù)量劃分1.單變量系統(tǒng)〔SISO〕2.多變量系統(tǒng)〔MIMO〕五、自動控制系統(tǒng)的根本組成在形形色色的自動控制系統(tǒng)中，反響控制是最根本的控制方式之一。一個典型的反響控制系統(tǒng)總是由控制對象和各種結(jié)構(gòu)不同的職能元件組成的。除控制對象外，其他各局部可統(tǒng)稱為控制裝置。每一局部各司其職，共同完成控制任務。下面給出這些職能元件的種類和各自的職能。26.輸出輸入放大元件+-測量變送元件給定元件執(zhí)行元件串聯(lián)校正元件+-對象反饋校正元件

給定元件：其職能是給出與期望的輸出相對應的系統(tǒng)輸入量，是一類產(chǎn)生系統(tǒng)控制指令的裝置。27.測量元件：其職能是檢測被控量，如果測出的物理量屬于非電量，大多情況下要把它轉(zhuǎn)換成電量，以便利用電的手段加以處理。比較元件：其職能是把測量元件檢測到的實際輸出值與給定元件給出的輸入值進行比較，求出它們之間的偏差。放大元件：其職能是將過于微弱的偏差信號加以放大，以足夠的功率來推動執(zhí)行機構(gòu)或被控對象。執(zhí)行元件：其職能是直接推動被控對象，使其被控量發(fā)生變化。校正元件：為改善或提高系統(tǒng)的性能，在系統(tǒng)根本結(jié)構(gòu)根底上附加參數(shù)可靈活調(diào)整的元件。工程上稱為調(diào)節(jié)器。常用串聯(lián)或反響的方式連接在系統(tǒng)中。28.第四節(jié)對控制系統(tǒng)的要求和分析設計一、對系統(tǒng)的要求各類控制系統(tǒng)為到達理想的控制目的，必須具備以下兩個方面的性能(根本要求)：〔a〕使系統(tǒng)的輸出快速準確地按輸入信號要求的期望輸出值變化?！瞓〕使系統(tǒng)的輸出盡量不受任何擾動的影響。對自控系統(tǒng)性能的要求一般可歸納為三大性能指標：〔1〕穩(wěn)定性：要求系統(tǒng)絕對穩(wěn)定且有一定的穩(wěn)定裕量。〔2〕瞬態(tài)質(zhì)量：要求系統(tǒng)瞬態(tài)響應過程具有一定的快速性和變化的平穩(wěn)性。29.

在實際系統(tǒng)中，由于總是存在著不同性質(zhì)的儲能元件。并且也由于能源功率的限制，使得系統(tǒng)放大能力必然有限。因而使相應的運動加速度不會太大，速度和位移不會瞬間變化，而要經(jīng)歷一段時間，即系統(tǒng)運動必然有一個漸變的過程。r(t)t0c(t)

t

0〔3〕穩(wěn)態(tài)誤差：要求系統(tǒng)最終的響應準確度，限制在工程允許的范圍之內(nèi)，是系統(tǒng)控制精度的恒量。30.二、控制系統(tǒng)的分析和設計1.系統(tǒng)分析系統(tǒng)給定，在規(guī)定的工作條件下，對它進行分析研究，其中包括穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)性能分析，看是否滿足要求，以及分析某個參數(shù)變化時對上述性能指標的影響，決定如何合理地選取等。2.系統(tǒng)的設計系統(tǒng)設計的目的，是要尋找一個能夠?qū)崿F(xiàn)所要求性能的自動控制系統(tǒng)。因此，在系統(tǒng)應完成的任務和應具備的性能的條件下，根據(jù)被控對象的特點，構(gòu)造出適合的控制器是設計的主要任務。應進行的步驟如下：〔1〕熟悉對系統(tǒng)性能的要求?！?〕根據(jù)要求的性能指標綜合確定系統(tǒng)的數(shù)學模型。31.〔3〕假設控制對象是的，根據(jù)確定的系統(tǒng)數(shù)學模型和局部的數(shù)學模型，求得控制器的數(shù)模和控制規(guī)律?！?〕按綜合確定的數(shù)模進行系統(tǒng)分析，驗證它在各種信號作用下是否滿足要求。假設不滿足，及時修正?！?〕樣機設計制造和試驗，驗證設計結(jié)果。32.第五節(jié)自動控制理論開展簡況WaterClock水運儀象臺歐洲工業(yè)革命1750’PrehistoryofAutoControlPrimitivePeriodClassicPeriodModernPeriod電話&世界大戰(zhàn)1910-1945空間技術&電腦時代195733.300BC 古希臘人創(chuàng)造的浮球調(diào)節(jié)裝置

800AD

古阿拉伯人利用浮球進行水鐘控制1086AD 蘇頌韓公廉創(chuàng)造的水