1%20控制系統(tǒng)導(dǎo)論ppt

1、1,自動控制原理,辦 公 室：科技館701室/3202室電子郵箱：jingang107@sohu.com網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺 :2009jingang 密碼：123,煙臺大學(xué)光電信息學(xué)院 晉剛,2,胡壽松. 自動控制原理簡明教程. 科學(xué)出版社,教 材,3,參 考 書,4,參 考 書,程 鵬.自動控制原理.高等教育出版社吳 麒.自動控制原理.清華大學(xué)出版社戴忠達.自動控制理論基礎(chǔ).清華大學(xué)出版社文 鋒.自動控制

2、理論.中國電力出版社劉 坤.MATLAB自動控制原理習(xí)題精解.國防工業(yè)出版社。,5,幾 點 要 求,紀律：考勤；手機；課堂紀律；,歡迎任何形式的意見和建議。,作業(yè)：認真、獨立完成；,考核：考試成績+平時成績；,6,第一章 控制系統(tǒng)導(dǎo)論,§1-1 自動控制的基本原理§1-2 自動控制系統(tǒng)示例§1-3 自動控制系統(tǒng)的分類§1-4 自控系統(tǒng)的基本要求§1-5 本課程主要

3、內(nèi)容,7,§1-1 自動控制的基本原理,1.1.1 自動控制技術(shù)及其應(yīng)用,1.自動控制:就是在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（控制裝置），使機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（控制對象）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（被控量）自動地按照預(yù)定的規(guī)律運行。,如：數(shù)控車床、無人駕駛飛機、空調(diào)、全自動洗衣機等,8,(1)人工控制（水箱水位人工控制系統(tǒng)）,觀測實際水位，將實際水位與要求的水位值相比較，得出兩者偏差。根據(jù)偏差的大小和方向調(diào)節(jié)進水閥

4、門的開度，即當(dāng)實際水位高于要求值時，關(guān)小進水閥門開度，否則加大閥門開度以改變進水量，從而改變水箱水位，使之與要求值保持一致。,9,(2)自動控制（水箱水位自動控制系統(tǒng)）,浮子：測量作用連桿：比較作用放大器伺服電動機 調(diào)節(jié)作用減速器閥門：執(zhí)行元件作用,,10,當(dāng)實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，電動機帶動減速器使閥門開度增加，直到實際水位重

5、新與水位要求值相等時為止。 水位自動控制的目的：使偏差消除或減小，使實際水位達到要求的水位值。,11,空調(diào)、冰箱自動調(diào)節(jié)溫度等數(shù)控車床按預(yù)定程序自動切削工作人造衛(wèi)星準確進入預(yù)定軌道并回收無人駕駛飛機按照預(yù)定航線自動升降飛行工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、通信、生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)境、經(jīng)濟管理和其它許多社會生活領(lǐng)域中,2.自動控制系統(tǒng)在生產(chǎn)生活中應(yīng)用,12,1.1.2 自動控制理論,1.自動控制理論：研究自動控制共同規(guī)律的技術(shù)學(xué)科。,2.自動控制理

6、論的發(fā)展： 第一階段：經(jīng)典控制理論的產(chǎn)生、發(fā)展和成熟； 第二階段：現(xiàn)代控制理論的興起和發(fā)展；,13,（1）經(jīng)典控制理論,控制理論的發(fā)展初期，是以反饋理論為基礎(chǔ)的自動調(diào)節(jié)原理，主要用于工業(yè)控制。第二次世界大戰(zhàn)期間，為了設(shè)計和制造飛機及船用自動駕駛儀、火炮定位系統(tǒng)、雷達跟蹤系統(tǒng)等基于反饋原理的軍用裝備，進一步促進和完善了自動控制理論的發(fā)展。,14,1868年，馬克斯威爾（J.C.Maxwell）提出了低階系統(tǒng)的穩(wěn)定性代數(shù)判據(jù) 。

7、1895年，數(shù)學(xué)家勞斯（Routh）和赫爾威茨（Hurwitz）分別獨立地提出了高階系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)，即Routh和Hurwitz判據(jù)。二戰(zhàn)期間（1938-1945年）奈奎斯特（H.Nyquist）提出了頻率響應(yīng)理論；1948年，伊萬斯（W.R.Evans）提出了根軌跡法。至此，控制理論發(fā)展的第一階段基本完成，形成了以頻率法和根軌跡法為主要方法的經(jīng)典控制理論。,15,經(jīng)典控制理論的基本特征：,主要用于線性定常系統(tǒng)的研究，即用于常系數(shù)

8、線性微分方程描述的系統(tǒng)的分析與綜合；只用于單輸入，單輸出的控制系統(tǒng)；只討論系統(tǒng)輸入與輸出之間的關(guān)系，而忽視系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)，是一種對系統(tǒng)的外部描述方法。,16,反饋控制是一種最基本最重要的控制方式。 引入反饋信號后，系統(tǒng)對來自內(nèi)部和外部干擾的響應(yīng)變得十分遲鈍，從而提高了系統(tǒng)的抗干擾能力和控制精度。與此同時，反饋作用又帶來了系統(tǒng)穩(wěn)定性問題，正是這個曾一度困擾人們的系統(tǒng)穩(wěn)定性問題激發(fā)了人們對反饋控制系統(tǒng)進行深入研

9、究的熱情，推動了自動控制理論的發(fā)展與完善。因此從某種意義上講，古典控制理論是伴隨著反饋控制技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展而逐漸完善和成熟起來的。,17,（2）現(xiàn)代控制理論,經(jīng)典控制理論的局限性:由于經(jīng)典控制理論只適用于單輸入、單輸出的線性定常系統(tǒng)，只注重系統(tǒng)的外部描述而忽視系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)。 隨著航天事業(yè)和計算機的發(fā)展，20世紀60年代初，在經(jīng)典控制理論的基礎(chǔ)上，以線性代數(shù)理論和狀態(tài)空間分析法為基礎(chǔ)的現(xiàn)代控制理論迅速發(fā)展起

10、來。,18,現(xiàn)代控制理論在數(shù)學(xué)工具、理論基礎(chǔ)和研究方法上不僅能提供系統(tǒng)的外部信息（輸出量和輸入量），而且還能提供系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)變量的信息。對線性系統(tǒng)或非線性系統(tǒng)，定常系統(tǒng)或時變系統(tǒng)，單變量系統(tǒng)或多變量系統(tǒng)，都是一種有效的分析方法。,19,20,目前發(fā)展：跨越學(xué)科界限，向以控制論、信息論、仿生學(xué)為基礎(chǔ)的智能控制理論深入。智能控制理論被譽為最新一代的控制理論。智能控制代表性理論：模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、遺傳算法、混沌控制、小波理論、擬人化

11、智能控制、博奕論等。,21,1.1.3 自動控制系統(tǒng),1.自動控制系統(tǒng)：由被控對象和控制裝置（控制器）按照一定方式連接起來、能完成一定自動控制任務(wù)的總體。 輸出量：自動控制系統(tǒng)的被控制量 輸入量：影響系統(tǒng)輸出量的外界輸入,22,(1)電動機轉(zhuǎn)速自動控制系統(tǒng)(開環(huán)),23,輸入量：給定電壓Ua；輸出量：電動機轉(zhuǎn)速n被控對象：機械負載（轉(zhuǎn)速）控制裝置：電壓比較器、電壓功率放大器K,24,(2)電動機轉(zhuǎn)速自動控制系統(tǒng)(閉環(huán)),25

12、,2.反饋控制原理,反饋：把取出的輸出量送回輸入端，并與輸入信號相比較產(chǎn)生偏差信號的過程，稱為反饋。若反饋的信號與輸入信號相減，使產(chǎn)生的偏差越來越小，則稱為負反饋；反之，則稱為正反饋。反饋控制的原理：在反饋控制系統(tǒng)中，控制裝置對被控對象施加的控制作用，是取自被控量的反饋信息，用來不斷修正被控量和輸入量之間的偏差，從而實現(xiàn)對被控對象進行控制的任務(wù)。,26,1.1.4 反饋控制系統(tǒng)的基本組成,被控對象控制裝置(由具有一定職能的各種基本元

13、件組成 ) 1.測量元件：測量被控制的物理量(一般為電量)； 2.給定元件：給出與期望的被控量相對應(yīng)的系統(tǒng)輸入量； 3.比較元件：把測量元件檢測的被控量實際值與給定元件給出的參據(jù)量進行比較，求出它們之間的偏差；,27,1.1.4 反饋控制系統(tǒng)的基本組成,4.放大元件：將比較元件給出的偏差進行放大，用來推動執(zhí)行元件去控制被控對象； 5.執(zhí)行元件：直接推動被控對象，使其被控量發(fā)生變化。 6.校正元件(補償元件):它是結(jié)構(gòu)或參數(shù)便于

14、調(diào)整的元件，用串聯(lián)或反饋的方式連接在系統(tǒng)中，以改善系統(tǒng)性能。,28,1.1.5 基本控制方式,1.反饋控制方式（偏差控制）,1）若n↑→ Ud ↑（Ua不變） → Ub↓ →n ↓,2）若n↓→ Ud ↓（Ua不變） → Ub ↑→n ↑,輸入信號：Ua；反饋信號Ud偏差量△U＝Ua－Ud,29,優(yōu)點：提高系統(tǒng)的抗干擾性； 提高系統(tǒng)控制精度。,反饋控制方式優(yōu)缺點,缺點：系統(tǒng)有延時存在，系統(tǒng)得不到及時校正； 閉環(huán)系統(tǒng)

15、可能產(chǎn)生振蕩，甚至不穩(wěn)定； 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)性能分析和設(shè)計較麻煩。,30,2.開環(huán)控制方式,輸入信號：Ua控制量Ub＝K×Ua輸出信號：n,1） Ua ↑→ Ub ↑ → n ↑,2） Ua↓ → Ub ↓ →n ↓,定義：系統(tǒng)的輸出量與輸入量間不存在反饋的通 道，這種控制方式稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。,31,開環(huán)控制方式優(yōu)缺點,優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單 調(diào)整方便 成本低,缺點：順向作用，

16、沒有修正偏差能力 抗干擾能力差,32,3.復(fù)合控制方式,(1)給定輸入的復(fù)合控制：,(2)擾動作用的復(fù)合控制：,,33,§1-2 自動控制系統(tǒng)示例,1.2.1 自動平衡式記錄儀,,34,1.2.1 自動平衡式記錄儀,開始時：Ui＝0，Uc＝0，Ua＝0，K1位于右端，K2位于左端,若Ui ↑ → Uc ↑ → Ua ↑ → 電動機正轉(zhuǎn)→ K2右移→記錄筆工作 （Uc ＝ Ui － Uf） ↓

17、 K1左移→ Uf ↑ → Uc ＝0 → Ua＝0 ↓ Uf 不變← K1?！妱訖C停轉(zhuǎn)↓記錄筆停 ← K2停,35,1.2.2飛機俯仰角控制系統(tǒng),給定電位器,,反饋電位器,,36,1.2.2飛機俯仰角控制系統(tǒng),37,1.2.3電阻爐微型計算機溫度控制系統(tǒng),,38,開環(huán)系統(tǒng) 1.3.1 閉環(huán)系統(tǒng)(反饋控制) 復(fù)合控制

18、,§1-3 自動控制系統(tǒng)的分類,,39,1.恒值控制系統(tǒng)（調(diào)節(jié)系統(tǒng)）,系統(tǒng)特點：系統(tǒng)輸入量不變，但由于擾動的存在，是被控量偏離要求值，控制系統(tǒng)根據(jù)偏差產(chǎn)生控制作用，并以一定的準確度保持在要求值附近。主要任務(wù)：盡量排除擾動的影響例：電動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng),40,2. 隨動系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）,火炮跟蹤系統(tǒng),41,系統(tǒng)特點：給定值是預(yù)先未知的、隨時間任意變換的函數(shù)；要求系統(tǒng)的被控量以盡可能小的誤差跟隨給定值。主要任務(wù)：使輸出跟隨輸入

19、的變化。例：火炮跟蹤系統(tǒng)。,42,連續(xù)系統(tǒng)：組成系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的輸入、 輸出信號均是連續(xù)時間 信號的系統(tǒng)。 離散系統(tǒng)： 控制系統(tǒng)中信號是離散 時間信號的系統(tǒng)。 采樣離散控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)既有連 續(xù)時間信號又有離散時 間信號的系統(tǒng)。（工業(yè) 計算機控制系統(tǒng)）,,1.3.3 連續(xù)系統(tǒng)與離散系統(tǒng),43,單輸入單輸出

20、系統(tǒng) SISO ——經(jīng)典控制理論范疇 多輸入多輸出系統(tǒng) MIMO——現(xiàn)代控制理論范疇,,1.3.4 SISO系統(tǒng)與MIMO系統(tǒng),44,在線性控制系統(tǒng)中, 組成控制系統(tǒng)的元件都具有線性特性。 這種系統(tǒng)的輸入/輸出關(guān)系一般可以用微分方程、差分方程或傳遞函數(shù)等來描述, 也可以用狀態(tài)空間表達式來表示。線性系統(tǒng)的主要特點是具有齊次性和適用疊加原理。,1.3.5 線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng),

21、45,如果線性系統(tǒng)中的參數(shù)不隨時間變化, 則稱為線性定常系統(tǒng); 否則稱為線性時變系統(tǒng)。 本書主要討論線性定常系統(tǒng)。 在控制系統(tǒng)中，若至少有一個元件具有非線性特性，則稱該系統(tǒng)為非線性控制系統(tǒng)。非線性系統(tǒng)一般不具有齊次性，也不適用疊加原理，而且它的輸出響應(yīng)和穩(wěn)定性與輸入信號和初始狀態(tài)有很大關(guān)系。,46,確定系統(tǒng)：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)、輸入信號均是確定的，則輸出也 是確定的。 不確定系統(tǒng)：

22、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)或輸入信號是不確定。,,1.3.6 確定系統(tǒng)與不確定系統(tǒng),,47,1.4.1 自動控制系統(tǒng)的基本要求,§1-4 自控系統(tǒng)的基本要求,1.穩(wěn)定性——穩(wěn) 穩(wěn)定性是保證控制系統(tǒng)能否應(yīng)用于實際的先決條件。 自動控制理論應(yīng)給出系統(tǒng)穩(wěn)定性判斷的方法，闡述系統(tǒng)穩(wěn)定性與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及參數(shù)間的關(guān)系。,48,2.快速性 ——快 控制系統(tǒng)對其過渡過程的形式和快慢提出要求——動

23、態(tài)性能（穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)） 動態(tài)過程的優(yōu)劣對隨動控制系統(tǒng)和恒值控制系統(tǒng)都具有非常重要的意義。,3.準確性 ——準 準確性表征系統(tǒng)實際穩(wěn)態(tài)值與期望值間的差值——穩(wěn)態(tài)誤差 穩(wěn)態(tài)誤差是表征系統(tǒng)控制精度的性能指標。,49,1.4.2 典型外作用,1.單位階躍函數(shù),50,2.斜坡函數(shù),斜坡函數(shù)與階躍函數(shù)互為微分和積分的關(guān)系,51,3.拋物線函數(shù),拋物線函數(shù)與斜坡函數(shù)互為微分和積分的關(guān)系,52,

24、脈沖函數(shù)與階躍函數(shù)互為微分和積分的關(guān)系,4.脈沖函數(shù),,53,5.正弦函數(shù),角頻率：ω(rad/s)周期：T＝1/ω (s),振幅：A初始相位：j,,54,1.5.1主要內(nèi)容穩(wěn)定性自控系統(tǒng)的分析快速性準確性控制系統(tǒng)設(shè)計與綜合 當(dāng)控制系統(tǒng)的主要元器件和結(jié)構(gòu)形式確定以后，為滿足動態(tài)性能指標和穩(wěn)態(tài)性能指標的要求，需要改變系統(tǒng)的某些參數(shù)或附加某種裝置，稱為控制系統(tǒng)的校正；改變系統(tǒng)參數(shù)或附

25、加校正裝置的過程稱為系統(tǒng)的綜合。,§1-5 本課程主要內(nèi)容,,55,1.5.2 主要分析方法,自動控制理論在闡述自動控制與自動控制系統(tǒng)相關(guān)基本概念的基礎(chǔ)上，從控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型入手，分別介紹時域分析法、根軌跡分析法、和頻率特性分析法。 上述三種分析方法雖然不同，但都圍繞著系統(tǒng)穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)特性和動態(tài)特性的分析這條主線來進行的，各種分析方法之間具有內(nèi)在的聯(lián)系。 系統(tǒng)校正與綜合的討論，這是比系統(tǒng)分析更深層次