自動原理1

1、自動控制理論,主講：熊新民 Tel: 18623718206 控制理論學(xué)習(xí)群QQ：222475191 PPT制作：黃鳳芝,課程性質(zhì) 專業(yè)基礎(chǔ)課學(xué)時 72學(xué)時（60 理論+12 實(shí)驗(yàn)） 4學(xué)分先修課程 高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、積分變換、 電路、數(shù)字電子技術(shù)、模擬電子技術(shù),前言,自動控制技術(shù)應(yīng)用自動控制技術(shù)幾乎滲透到國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域及社會生活的各個方面，是當(dāng)代發(fā)展最迅速、應(yīng)用

2、最廣泛、最引人注目的高科技，是推動新的技術(shù)革命和新的產(chǎn)業(yè)革命的關(guān)鍵技術(shù)，在某種程度上說，自動化是現(xiàn)代化的同義詞。,雷達(dá)自動跟蹤的導(dǎo)彈系統(tǒng),無人機(jī),人造地球衛(wèi)星發(fā)射系統(tǒng),哈勃望遠(yuǎn)鏡－特殊衛(wèi)星,,交通系統(tǒng),汽車自動化生產(chǎn)線,本課程學(xué)習(xí)的內(nèi)容,研究對象——自動控制系統(tǒng)?；緝?nèi)容——自動控制系統(tǒng)的基本概念、分析方法和設(shè)計(jì)方法。,控制系統(tǒng)基本概念,連續(xù)系統(tǒng),離散系統(tǒng),時域法,根軌跡法,頻域法,快速性,穩(wěn)定性,準(zhǔn)確性,分析方法,設(shè)計(jì)方法,分析法

3、,綜合法,第一章 自動控制概論第二章 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型第三章 線性系統(tǒng)的時域分析法第四章 線性系統(tǒng)的根軌跡法第五章 線性系統(tǒng)的頻域分析法第六章 線性系統(tǒng)的校正方法第七章 線性離散控制系統(tǒng),第一章 自動控制概論,1.1 控制理論的發(fā)展1.2 自動控制方式1.3 自動控制系統(tǒng)的組成1.4 自動控制系統(tǒng)的分類1.5 自動控制系統(tǒng)的基本要求,控制理論：控制理論是研究自動控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)。經(jīng)典控制理論

4、 現(xiàn)代控制理論智能控制理論,以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，研究單輸入-單輸出定?？刂葡到y(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問題,以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究多輸入-多輸出、時變、高精度、高性能控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問題,1.1 控制理論的發(fā)展,以人工智能為基礎(chǔ)，研究無模型或無精確模型系統(tǒng)的推理控制問題,發(fā)展概況—1,年 英國瓦特 飛球調(diào)節(jié)器 公認(rèn)的第一個自動控制系統(tǒng)年 麥克斯韋爾“論調(diào)速器”公認(rèn)為自動控制理論的開端1875年 英國勞斯提出代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)

5、 勞斯穩(wěn)定判據(jù)1895年 德國赫爾維茲提出代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)1892年 俄國李雅普諾夫提出穩(wěn)定性定義和兩個穩(wěn)定判據(jù)1932年 美國奈奎斯特提出奈氏穩(wěn)定判據(jù)二戰(zhàn)中自動火炮、雷達(dá)、飛機(jī)以及通訊系統(tǒng)的控制研究直接推動了經(jīng)典控制的發(fā)展1948年，維納出版《控制論》，形成完整的經(jīng)典控制理論， 標(biāo)志控制學(xué)科的誕生。,發(fā)展概況—2,二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，各國大力發(fā)展空間技術(shù)，經(jīng)典控制理論不能滿足需要，需要研究新的控制理論

6、。因此眾多的數(shù)學(xué)家、科學(xué)家投入自動控制理論的研究，如自動控制科學(xué)家從力學(xué)中引進(jìn)了狀態(tài)空間的概念。 隨著電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，自動控制理論開始進(jìn)入“現(xiàn)代控制理論”階段。 現(xiàn)代控制理論在空間技術(shù)取得巨大成功，但由于工業(yè)過程控制中普遍存在的不確定性和干擾，難以取得預(yù)期的效果。因此出現(xiàn)模擬人的控制技術(shù)——智能控制。,發(fā)展概況—3,1、基本概念1.控制（Control）：根據(jù)某種原理或方法，使特定對象（被控對象）的某些物理量（被

7、控量）按照預(yù)期規(guī)律變化的操縱過程。2.人工控制（Manual Control）：由人直接或間接操作執(zhí)行裝置的控制方式。,1.2 自動控制方式,3.自動控制（Automatic Control）：是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加設(shè)備或裝置（或稱為控制裝置或控制器），使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（統(tǒng)稱為被控對象）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（稱為被控量）自動地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。4.自動控制系統(tǒng) （Control System）：是由被控對象和

8、自動控制裝置按一定方式聯(lián)結(jié)起來的，以完成某種自動控制任務(wù)的有機(jī)整體。,人工控制的例子 示例——水池水位控制,被控對象：水池被控量：水池的水位,觀測實(shí)際水位，將期望的水位值與實(shí)際水位相比較，兩者之差為誤差。根據(jù)誤差的大小和方向調(diào)節(jié)進(jìn)水閥門的開度，當(dāng)實(shí)際水位高于要求值時，關(guān)小進(jìn)水閥門開度，否則加大閥門開度以改變進(jìn)水量，從而改變水池水位，使之與要求值保持一致。,人腦：記住水位的期望值；人眼：觀察水池的實(shí)際水位；測量（測量反饋機(jī)構(gòu)）人

9、腦：比較水池的期望值-實(shí)際值；比較機(jī)構(gòu)、控制人手：調(diào)節(jié)進(jìn)水閥門的開度，執(zhí)行控制作用。執(zhí)行機(jī)構(gòu) 這是一個反復(fù)觀察測量、比較、調(diào)整執(zhí)行的過程，力圖將水池水位的期望值與實(shí)際值之間的差值減為0。,人工控制精度不高，人的反應(yīng)不夠快，不少惡劣的場合人無法參與直接控制。,自動控制,當(dāng)實(shí)際水位低于要求水位時，電位器輸出電壓值為正，且其大小反映了實(shí)際水位與水位要求值的差值，放大器輸出信號將有正的變化，電動機(jī)帶動減速器使進(jìn)水閥門開度增加，直到實(shí)

10、際水位重新與水位要求值相等時為止。,,,,期望水位,Show,2024年3月18日,電位計(jì)+連桿—人腦：記住水位的期望值；浮子—人眼：觀察水池的實(shí)際水位；電位計(jì)+連桿—人腦： 反映誤差（=水位的期望值-實(shí)際值）；電動機(jī)—人手：調(diào)節(jié)進(jìn)水閥門開度，執(zhí)行控制作用。,控制過程：測量（測量反饋機(jī)構(gòu)）—浮子 比較（比較機(jī)構(gòu)）—電位計(jì)+連桿 執(zhí)行（執(zhí)行機(jī)構(gòu)）—電動機(jī),2、自動控制系統(tǒng)的基本控制方式

11、 控制系統(tǒng)的類型很多，它們的結(jié)構(gòu)類型和所完成的任務(wù)也各不相同?？刂葡到y(tǒng)中最常見的兩種控制方式是開環(huán)控制和閉環(huán)控制（或反饋控制），這兩種控制的組合即為復(fù)合控制，相對應(yīng)的控制系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)和復(fù)合控制系統(tǒng)。 自動控制理論主要研究閉環(huán)控制系統(tǒng),（1）反饋控制方式——閉環(huán)控制 閉環(huán)控制的定義是有被控制量反饋的控制。 系統(tǒng)中信號流向：輸出信號沿反饋通道回到系統(tǒng)的輸入端，構(gòu)成閉合通道，故稱閉環(huán)控制系

12、統(tǒng),或反饋控制系統(tǒng)。,例子,1.人取書,方框圖,2. 鍋爐液位控制系統(tǒng),方框圖,這種控制方式,無論是由于干擾造成,還是由于結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化引起被控量出現(xiàn)偏差,系統(tǒng)就利用偏差去糾正偏差,故這種控制方式為按偏差調(diào)節(jié)。 閉環(huán)控制系統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)是利用偏差來糾正偏差,使系統(tǒng)達(dá)到較高的控制精度。閉環(huán)控制的缺點(diǎn)——引入反饋增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，如果閉環(huán)系統(tǒng)參數(shù)的選取不適當(dāng)，系統(tǒng)可能會產(chǎn)生振蕩，甚至系統(tǒng)失穩(wěn)而無法正常工作，這是自動控制理論和系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須

13、解決的重要問題。,（2）開環(huán)控制,開環(huán)控制系統(tǒng)是指無被控量反饋的控制系統(tǒng),即需要控制的是被控對象的某一量(被控量), 而測量的只是給定信號, 被控量對于控制作用沒有任何影響的系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)如上圖所示。,這種控制優(yōu)點(diǎn)——結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，調(diào)試方便，成本低。因此，在輸入量和輸出量之間的關(guān)系固定，且內(nèi)部參數(shù)或外部負(fù)載等擾動因素不大，或這些擾動因素可以預(yù)測并進(jìn)行補(bǔ)償?shù)那疤嵯?，?yīng)盡量采用開環(huán)控制系統(tǒng).缺點(diǎn)——抗干擾性能差。當(dāng)對象或控制裝置受到

14、外部干擾,或工作中特性參數(shù)發(fā)生變化,會直接影響被控量,而無法自動補(bǔ)償。因此,系統(tǒng)的控制精度難以保證。意味著對受控對象和其它控制元件的技術(shù)要求較高。,（3）復(fù)合控制,1.3 自動控制系統(tǒng)的組成,,自動控制系統(tǒng)控制原理方框圖,控制器,反饋控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu),控制系統(tǒng)中常用的名詞術(shù)語輸入量：泛指對系統(tǒng)的輸出量有直接影響的外界輸入信號, 既包括控制信號又包括擾動信號。其中控制信號又稱控制量、參考輸入、或給定值。輸出量: 指反饋控制系統(tǒng)中被控

15、制的物理量， 與輸入信號之間有一定的函數(shù)關(guān)系。反饋量:將系統(tǒng)(或環(huán)節(jié))的輸出信號經(jīng)變換、處理送到系統(tǒng)(或環(huán)節(jié))的輸入端的信號,稱為反饋信號。若此信號是從系統(tǒng)輸出端取出送入系統(tǒng)輸入端,這種反饋信號稱主反饋信號。而其它稱為局部反饋信號。,偏差:控制輸入信號與主反饋信號之差。誤差:它指系統(tǒng)輸出量的實(shí)際值與希望值之差。系統(tǒng)希望值是用與控制輸入信號具有一定比例關(guān)系的信號來表示。在單位反饋情況下,希望值就

16、是系統(tǒng)的輸入信號,誤差信號等于偏差信號。擾動量:除控制信號以外,對系統(tǒng)的輸出有不良影響的信號。,被控對象（被控過程）——又稱控制對象或受控對象，指需要對它的某個特定的量進(jìn)行控制的設(shè)備或過程。被控對象的輸出變量是被控變量，常常記作輸出信號或輸出量。被控對象除了受到控制作用外，還受到外部擾動作用。給定元件（環(huán)節(jié)）——其作用是給出與期望的輸出相對應(yīng)的系統(tǒng)輸入量，是一類產(chǎn)生系統(tǒng)控制指令的裝置。測量反饋元件——如傳感器和測量儀表，感受或測量

17、被控變量的值并把它變換為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——比較輸入信號與反饋信號，以產(chǎn)生反映兩者差值的偏差信號。放大元件——將微弱的信號作線性放大。校正元件——也叫補(bǔ)償元件，是按某種函數(shù)規(guī)律變換控制信號，以利于改善系統(tǒng)的動態(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，以便使被控制量按期望值變化。如電動機(jī)、氣動控制閥等。,自動控制系統(tǒng)方塊圖的繪制關(guān)鍵,系統(tǒng)工作原理輸入量—輸出量被控對

18、象中間環(huán)節(jié)及其連接順序信號傳遞路徑,元素：（1） ：元件（2） ：信號（物理量）傳遞方向（3） ：比較點(diǎn)（信號相加或相減）（4） ：引出點(diǎn)（信號分支、強(qiáng)度不變） （5）+/- ：信號參考極性（正、負(fù)）,,,,1.4 自動控制系統(tǒng)的分類,常用的自動控制系統(tǒng)分類方法按輸入量的變化規(guī)律分類按系統(tǒng)的傳輸信號對時間的關(guān)系按系統(tǒng)的輸出量和輸入量的關(guān)系分類按系統(tǒng)參數(shù)是否隨時間變化分類,1、按輸入量的變化規(guī)

19、律分類,（1）恒值控制系統(tǒng)：這類系統(tǒng)的輸入信號為一常數(shù)，擾動使被控量偏離理想值而出現(xiàn)偏差，利用偏差該系統(tǒng)可使被控量回復(fù)到理想值或接近理想值。如恒溫、恒壓、恒速等（2）隨動系統(tǒng)（跟蹤系統(tǒng)）：這類系統(tǒng)的輸入量是預(yù)先未知的隨時間任意變化的函數(shù)，要求被控量以盡可能小的誤差跟隨輸入量的變化，又稱為跟蹤系統(tǒng)。重點(diǎn)研究被控量跟隨的快速性和準(zhǔn)確性。如機(jī)器人控制系統(tǒng)、雷達(dá)天線的自動跟蹤系統(tǒng)、火炮控制系統(tǒng)等,（3）程序控制系統(tǒng)：這類系統(tǒng) 的輸入量為按預(yù)定

20、的規(guī)律隨時間變化的函數(shù)，要求被控量迅速、準(zhǔn)確地加以復(fù)現(xiàn)。如機(jī)械加工中的數(shù)控機(jī)床工作臺移動系統(tǒng)。,2、按信號的傳遞是否連續(xù)分,（1）連續(xù)系統(tǒng)：這類系統(tǒng)中所有元件的信號都是隨時間連續(xù)變化的, 信號的大小均是可任意取值的模擬量, 也稱為模擬控制系統(tǒng)（2）離散系統(tǒng)：這類系統(tǒng)在信號傳遞過程中有一處或多處的信號是脈沖序列或數(shù)碼形式。若系統(tǒng)采用了采樣開關(guān),將連續(xù)信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散的脈沖形式的信號,此類系統(tǒng)稱為采樣控制系統(tǒng)或脈沖控制系統(tǒng)。若采用數(shù)字計(jì)算

21、機(jī)或數(shù)字控制器,其離散信號是以數(shù)碼形式傳遞的,此類系統(tǒng)稱為數(shù)字控制系統(tǒng)。,連續(xù)系統(tǒng)用微分方程描述：,其中， 為被控量， 為輸入量,離散系統(tǒng)用差分方程描述:,為輸入量和輸出量的采樣序列,為差分方程的次數(shù),3、按系統(tǒng)的輸出量和輸入量的關(guān)系分類,（1）線性系統(tǒng)：組成系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)的輸入輸出特性都是線性的，可用一個或一組線性微分方程來描述系統(tǒng)輸入和輸出之間關(guān)系。線性系統(tǒng)的主要特征是具有齊次性和疊加性。,假設(shè)元件輸入為r(t)、r1

22、(t)、r2(t)，對應(yīng)的輸出為c(t)、c1(t)、c2(t)： 如果r(t)=r1(t)+ r2(t) 時， c(t) = c1(t) + c2(t) 滿足疊加性 如果r(t)=a·r1(t)時， c(t) =ac1(t) 滿足齊次性 滿足迭加性和齊次性的元件才是線性元件。,（2）非線性系統(tǒng)：系統(tǒng)中只要有一個元器件的特性不能用線性微分方程描述其輸入和輸出關(guān)系,則稱為非線性系統(tǒng)。必須用非線性微分

23、（或差分）方程描述其特性。非線性微分方程特點(diǎn)：系數(shù)與變量有關(guān)，或方程中含有變量及其導(dǎo)數(shù)的高次冪或乘積項(xiàng),4、按系統(tǒng)參數(shù)是否隨時間變化分,（1）定常系統(tǒng)：描述系統(tǒng)特性的微分方程中各項(xiàng)系數(shù)都是與時間無關(guān)的常數(shù)——定常系統(tǒng)。該類系統(tǒng)只要輸入信號的形式不變，在不同時間輸入下的輸出響應(yīng)形式是相同的。 （2）時變系統(tǒng)：描述系統(tǒng)特性的微分方程中只要有一項(xiàng)系數(shù)是時間的函數(shù)——時變系統(tǒng)。,1.5 自動控制系統(tǒng)的基本要求,一、基本要求 對于不同類

24、型的控制系統(tǒng)，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)已知的情況下，研究的內(nèi)容都是系統(tǒng)在典型輸入信號下，被控量變化的全過程。 對每一類被控量變化的全過程提出的共同基本要求都是一樣的，穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確性，即穩(wěn)、快、準(zhǔn)。,（1）穩(wěn)定性,穩(wěn)定工作是所有自動控制系統(tǒng)的最基本要求,是系統(tǒng)能否工作的前提。不穩(wěn)定的系統(tǒng)根本無法完成控制任務(wù)。線性自控系統(tǒng)的穩(wěn)定性是由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)覺定的，與外界因素?zé)o關(guān)。穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，被控量偏離期望值初始偏差隨時間的增長逐漸減

25、小并趨于零；不穩(wěn)定系統(tǒng)的初始偏差隨時間增長而發(fā)散。,,單調(diào)過程,減幅振蕩,等幅振蕩,增幅振蕩,不穩(wěn)定,穩(wěn)定,穩(wěn)定,不穩(wěn)定,（2）快速性,自動控制系統(tǒng)其動態(tài)過程多屬于衰減振蕩情況?？刂葡到y(tǒng)的動態(tài)過程不僅要是穩(wěn)定的，并且希望過渡過程時間（又稱調(diào)整時間）越短越好（快速性），最大振蕩幅度（用超調(diào)量衡量）越小越好，衰減得越快越好（用衰減比衡量）,（3）準(zhǔn)確性,指系統(tǒng)在過渡過程結(jié)束后，偏差的最終值的大小，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(biāo)

26、。穩(wěn)態(tài)誤差越小，表示系統(tǒng)的準(zhǔn)確性越好，被控量（輸出量）的期望值與實(shí)際值之間的差值就越小。,二、典型外作用 為了能對不同的控制系統(tǒng)的性能用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來恒量，通常需要選擇幾種典型的外作用。選取原則：（1）在現(xiàn)場及實(shí)驗(yàn)中容易產(chǎn)生（2）系統(tǒng)在工程中經(jīng)常遇到，并且是最不利的外作用。（3）數(shù)學(xué)表達(dá)式簡單，便于理論分析。,階躍函數(shù) 斜坡函數(shù) 脈沖函數(shù) 正弦函數(shù),,,（2）斜坡函數(shù) 數(shù)學(xué)表達(dá)式： 圖形：