第1章-自動(dòng)控制理論緒論

1、自動(dòng)控制理論,教材：《自動(dòng)控制理論》王孝武，方敏，葛鎖良編. 機(jī)械工業(yè)出版社 2010.6,參考書(shū)： 《自動(dòng)控制理論》（第五版），胡壽松主編.科學(xué)出版社 《現(xiàn)代控制工程》 緒方勝?gòu)┲?科學(xué)出版社 《自動(dòng)控制原理》 孫虎章主編，中央廣播電視大學(xué)參考葛鎖良老師課件,主講教師: 平兆武,合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院自動(dòng)化系,第一章 緒 論,1.1 自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)

2、,一：自動(dòng)控制,所謂自動(dòng)控制，是指在沒(méi)有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱控制裝置或控制器），使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程（統(tǒng)稱控制對(duì)象）的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量）自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。,思考：實(shí)際中的自動(dòng)控制？,蒸汽機(jī)速度控制,英國(guó)J．Watt發(fā)明的離心式調(diào)速器控制蒸汽機(jī)速度，被普遍認(rèn)為是最早應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程的自動(dòng)控制系統(tǒng)。（１７８８年）,二：自動(dòng)控制系統(tǒng),由控制器（控制裝置）和被控對(duì)象組成，具有自動(dòng)控制功能的系統(tǒng)，稱為

3、自動(dòng)控制系統(tǒng)。,被控制的機(jī)器設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程稱作被控對(duì)象，將表征其工況的關(guān)鍵參數(shù)稱作被控量（輸出量），而將對(duì)這些工況參數(shù)所要求達(dá)到的值稱作給定值（或希望值、輸入量）。自動(dòng)控制的任務(wù)可抽象為：使被控對(duì)象的被控量按給定值變化。,對(duì)被控對(duì)象實(shí)施控制的裝置稱為控制器。其基本功能有:測(cè)量、決策和執(zhí)行,1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成,自動(dòng)控制系統(tǒng)是由各種結(jié)構(gòu)不同的元部件組成的。將組成系統(tǒng)的元部件按職能分類主要由以下幾種。,1：測(cè)量元件 其職能是對(duì)物理

4、量進(jìn)行檢測(cè)(被控量、內(nèi)部變量、干擾信號(hào)),2：給定元件 其職能是給出與期望的被控量相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)輸入量,3：比較元件 其職能是對(duì)兩個(gè)物理量進(jìn)行比較、加減運(yùn)算，以形成偏差信號(hào),4：放大元件 其職能是將比較元件給出的偏差信號(hào)進(jìn)行放大，用來(lái)推動(dòng)執(zhí)行元件去控制被控對(duì)象。,5：執(zhí)行元件 其職能是直接推動(dòng)被控對(duì)象，使被控量發(fā)生變化,6:校正元件 也叫補(bǔ)償元件，它是結(jié)構(gòu)或參數(shù)便于調(diào)整的元件，用串聯(lián)或反饋方式連接在系統(tǒng)中，以改善系統(tǒng)的性能。,自

5、動(dòng)控制系統(tǒng)原理框圖,術(shù)語(yǔ)：,前向通道（從輸入端到輸出端）、反饋通道（從輸出端到比較元件）,輸入信號(hào)、輸出信號(hào)、擾動(dòng)信號(hào),,擾動(dòng),負(fù)反饋、正反饋,反饋信號(hào)、誤差信號(hào)、控制信號(hào),,控制裝置,1.3 自動(dòng)控制方式,根據(jù)控制信號(hào)的來(lái)源不同，可以分為以下三種控制結(jié)構(gòu)：,輸出,按給定值控制：,按干擾補(bǔ)償：,輸入,,自動(dòng)控制方式：,1.開(kāi)環(huán)控制方式：按給定值控制、按干擾補(bǔ)償,2.閉環(huán)控制方式（反饋控制）：按偏差調(diào)節(jié),基本控制方式,3.復(fù)合控制方式：在

6、閉環(huán)控制基礎(chǔ)上附加輸入補(bǔ)償或干擾補(bǔ)償,按偏差調(diào)節(jié)：,干擾,按輸入補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制,按干擾補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制,明確控制系統(tǒng)的任務(wù)；明確系統(tǒng)工作原理；被控對(duì)象是什么？被控量（系統(tǒng)輸出量）？有哪些干擾？參考輸入？有誰(shuí)提供？畫(huà)出控制系統(tǒng)的原理方框圖，分析系統(tǒng)采用何種控制方式。,分析實(shí)際控制系統(tǒng)的步驟：,分析舉例,爐溫控制系統(tǒng),控制任務(wù)：保持爐溫T為T(mén)0不變,被控對(duì)象：爐子被控量：爐溫T,控制方式：按給定值控制,,定時(shí)開(kāi)關(guān),,電阻絲,爐子,

7、,,給定爐溫,實(shí)際爐溫,工作原理：．．．．,水位自動(dòng)控制系統(tǒng),控制任務(wù)：保持水位Ｈ為Ｈ０不變,被控對(duì)象：水箱被控量：水位Ｈ,工作原理：．．．．,,水門(mén)１,,杠桿,水箱,,,Ｈ０,Ｈ,Ｑ１,水門(mén)２,,用水量,Ｑ２,,,控制方式：按干擾補(bǔ)償,熱處理爐溫度控制系統(tǒng),控制任務(wù)：保持爐溫T為T(mén)0不變,被控對(duì)象：烘爐被控量：爐溫T,工作原理：．．．．,控制方式：按偏差調(diào)節(jié),無(wú)靜差系統(tǒng),位置隨動(dòng)控制系統(tǒng),,橋式電位計(jì),放大器,電動(dòng)機(jī),減速器,

8、工作機(jī)械,手柄,控制任務(wù)：要求工作機(jī)械的角位置θc跟隨給定角位置θr,被控對(duì)象：工作機(jī)械被控量：角位置,工作原理：．．．．,控制方式：按偏差調(diào)節(jié),,減速器,,橋　式電位器,,,電動(dòng)機(jī),,,,-,,放大器,,,工作機(jī)械,,無(wú)靜差系統(tǒng),谷物濕度控制系統(tǒng),控制任務(wù)：保持輸出谷物濕度為給定值,被控對(duì)象：谷物被控量：谷物濕度,工作原理：．．．．,控制方式：復(fù)合控制,,濕度測(cè)量,,調(diào)節(jié)器,,,谷物,,,,-,,閥門(mén),,給定濕度,谷物濕度,,,

9、濕度測(cè)量,,輸入谷物濕度,,,1.４ 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類,另外： 按控制方式可分為開(kāi)環(huán)控制、閉環(huán)控制、復(fù)合控制等； 按元件類型可分為機(jī)械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)等； 按系統(tǒng)功用可分為溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、位置控制系統(tǒng)等； 按系統(tǒng)性能可分為集總參數(shù)系統(tǒng)和分布參數(shù)系統(tǒng)、確定系統(tǒng)和不確定系統(tǒng)等；,按照描述系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型： 線性系統(tǒng) ： 時(shí)變系統(tǒng)、定常系統(tǒng) 非線性系統(tǒng)按照系統(tǒng)傳

10、遞的信號(hào)的性質(zhì)： 連續(xù)控制系統(tǒng)（用微分方程描述） 離散控制系統(tǒng)（用差分方程描述）按照系統(tǒng)輸入信號(hào)的變化規(guī)律： 隨動(dòng)控制系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)） 恒值控制系統(tǒng)（鎮(zhèn)定系統(tǒng)、調(diào)節(jié)系統(tǒng)） 程序控制系統(tǒng),線性連續(xù)系統(tǒng),這類系統(tǒng)可用線性微分方程描述，其一般形式為：,系數(shù)a0、a1、…，b0、b1、…為常數(shù)時(shí)，系統(tǒng)稱為線性定常系統(tǒng)，系數(shù)a0、a1、

11、…，b0、b1、…隨時(shí)間而變時(shí)，系統(tǒng)稱為線性時(shí)變系統(tǒng)。,線性離散系統(tǒng),離散系統(tǒng)是指系統(tǒng)的某處或多處的信號(hào)為脈沖序列或數(shù)碼形式，因而信號(hào)在時(shí)間上是離散的。這類系統(tǒng)可用差分方程描述，其一般形式為：,非線性系統(tǒng),系統(tǒng)中只要有一個(gè)元部件的輸入-輸出特性是非線性的，這類系統(tǒng)就稱為非線性系統(tǒng)，這時(shí)要用非線性微分（或差分）方程來(lái)描述其特性。　例如：,1.5 對(duì)控制系統(tǒng)的性能要求,控制系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)過(guò)程,系統(tǒng)受到外部作用（給定值或干擾）后，被控量（輸出

12、）隨時(shí)間變化的全過(guò)程稱為系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)過(guò)程c(t) 。,動(dòng)態(tài)過(guò)程（瞬態(tài)過(guò)程）穩(wěn)態(tài)過(guò)程,考慮 時(shí)：,不同控制系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)過(guò)程比較,穩(wěn)定性 穩(wěn)定性是保證系統(tǒng)正常工作的先決條件。一個(gè)穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，其被控量偏離期望值的初始偏差應(yīng)隨時(shí)間的增長(zhǎng)逐漸減小或趨于零。也就是說(shuō)，控制器的控制作用應(yīng)使誤差逐漸減小。若控制不當(dāng)，使誤差逐漸變大，就形成了不穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，不穩(wěn)定的控制系統(tǒng)是不能正常工作的。,快速性 為了很

13、好完成控制任務(wù)，控制系統(tǒng)僅僅滿足穩(wěn)定性要求是不夠的，還必須對(duì)其過(guò)渡過(guò)程的形式和快慢提出要求。,準(zhǔn)確性 當(dāng)過(guò)渡過(guò)程結(jié)束后，被控量達(dá)到的穩(wěn)態(tài)值（即平衡狀態(tài)）應(yīng)與期望值一致。被控量的穩(wěn)態(tài)值與期望值之間的誤差稱為穩(wěn)態(tài)誤差。穩(wěn)態(tài)誤差是衡量控制系統(tǒng)控制精度的重要標(biāo)志。,對(duì)控制系統(tǒng)要求：穩(wěn)、快、準(zhǔn),1.6 自動(dòng)控制理論發(fā)展概況,自動(dòng)控制理論 自動(dòng)控制理論是研究自動(dòng)控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)。它的發(fā)展初期，是以反饋理論為基礎(chǔ)的自動(dòng)調(diào)節(jié)原理，并主要用于工

14、業(yè)控制。第二次世界大戰(zhàn)期間，為了設(shè)計(jì)和制造飛機(jī)及船用自動(dòng)駕駛儀、火炮定位系統(tǒng)、雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)以及其他基于反饋原理的軍用裝備，進(jìn)一步促進(jìn)并完善了自動(dòng)控制理論的發(fā)展。到戰(zhàn)后，已形成完整的自動(dòng)控制理論體系，這就是以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)的經(jīng)典控制理論，它主要研究單輸入-單輸出、線性定常系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)。,60年代初期，隨著現(xiàn)代應(yīng)用數(shù)學(xué)新成果的推出和電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，為適應(yīng)宇航技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)控制理論跨入了一個(gè)新階段——現(xiàn)代控制理論。它主要研究具有高

15、性能、高精度的多變量變參數(shù)系統(tǒng)的最優(yōu)控制問(wèn)題，采用的方法是以狀態(tài)為基礎(chǔ)的時(shí)域法。目前，自動(dòng)控制理論還在繼續(xù)發(fā)展，并且已跨越學(xué)科界限，正向以控制論、信息論、仿生學(xué)為基礎(chǔ)的智能控制理論發(fā)展。,經(jīng)典控制理論 核心是反饋控制的思想 20世紀(jì)40 - 50年代發(fā)展形成1945年美國(guó)人Bode “網(wǎng)絡(luò)分析與放大器的設(shè)計(jì)”（專著），奠定了控制理論的基礎(chǔ)。 50年代趨于成熟 對(duì)單輸入單輸出系統(tǒng)進(jìn)

16、行分析，采用頻率法、根軌跡法、相平面法、描述函數(shù)法；討論系統(tǒng)穩(wěn)定性的代數(shù)和幾何判據(jù)以及校正網(wǎng)絡(luò)等現(xiàn)代控制理論 20世紀(jì)60年代以后空間技術(shù)的發(fā)展提出了許多復(fù)雜控制問(wèn)題，用于導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星和宇宙飛船 Kalman “控制系統(tǒng)的一般理論”（論文）奠定了現(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ) 解決多輸入、多輸出、時(shí)變參數(shù)、高精度復(fù)雜系統(tǒng)的控制問(wèn)題大系統(tǒng)、復(fù)雜系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng) 20世紀(jì)80年代以后各學(xué)科相互滲

17、透，要分析的系統(tǒng)越來(lái)越大，越來(lái)越復(fù)雜。例人工智能、模擬人的人腦功能、機(jī)器人等。,自動(dòng)控制的應(yīng)用領(lǐng)域,交通工程機(jī)器人建筑與樓宇自動(dòng)化辦公自動(dòng)化家庭自動(dòng)化商業(yè)自動(dòng)化管理自動(dòng)化社會(huì)與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)控制,軍事與國(guó)防航空航天工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程 （石油、化工、冶金、熱動(dòng) ….）電力系統(tǒng)自動(dòng)化先進(jìn)制造技術(shù)車(chē)輛工程,1.7 本課程的內(nèi)容,線性定常連續(xù)系統(tǒng),系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

18、 系統(tǒng)的分析方法： 系統(tǒng)的校正方法,（第2章）（第3章）（第4章）（第5章）（第6章）,時(shí)域法 根軌跡法 頻域法,復(fù)習(xí):拉普拉斯變換及線性微分方程的求解,1 拉氏變換的定義,存在 ，則稱其為 的拉普拉斯變換，記為,設(shè)函數(shù)

19、 當(dāng) 時(shí)有定義，且積分,2 幾種典型函數(shù)的拉氏變換,1）單位階躍函數(shù) 1(t),2）單位斜坡函數(shù),3）單位加速度函數(shù),1(t)可用于表示信號(hào)作用的時(shí)間域,4）單位脈沖函數(shù),且,,,1,f(t),t,,,,f(t),t,,,,0,0,規(guī)定積分下限取0-,3 拉氏變換的幾個(gè)基本法則,1).線性性質(zhì),2).微分性質(zhì),若,則,3).積分性質(zhì),4).終值定理,設(shè) ，且

20、 在 平面的右半平面及除原點(diǎn)外的虛軸上解析，即 極點(diǎn)均位于 平面的左半平面（包括坐標(biāo)原點(diǎn)）,設(shè) ，則有,5).位移定理,按定義求拉氏反變換很困難，一般常用部分分式法計(jì)算：,4 拉氏反變換,例,例,s域的代數(shù)方程,系統(tǒng)的微分方程,系統(tǒng)輸出的象函數(shù),微分方程的解,例,5、用拉氏變換法求解微分方程,應(yīng)用拉氏變換的求解微分方程的優(yōu)點(diǎn)：（1）將微積分運(yùn)算轉(zhuǎn)換為代數(shù)運(yùn)算（2）運(yùn)算過(guò)