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自動(dòng)控制理論,1,第一章 概論 §1-1 控制理論在 工程中的應(yīng)用發(fā)展,,2,控制理論是在產(chǎn)業(yè)革命的背景下，在生產(chǎn)和軍事需求的刺激下，自動(dòng)控制、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等多種學(xué)科相互交叉發(fā)展的產(chǎn)物。,3,從二十世紀(jì)以來(lái)，特別是第二次世界大戰(zhàn)以后，自動(dòng)控制和自動(dòng)化科學(xué)得到了迅速的發(fā)展。 工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化，改善了勞動(dòng)條件，增加了產(chǎn)量，提高了質(zhì)量。在軍事裝備上，自動(dòng)控制技術(shù)大大地提高了武器的威力和精度。近年來(lái)，由于計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用和控制理論的發(fā)展，使得自動(dòng)控制技術(shù)所能完成的任務(wù)更加復(fù)雜、應(yīng)用的領(lǐng)域也越來(lái)越廣泛。,4,全球矚目的中國(guó)載人太空船神舟5號(hào)于2003年10月15日上午順利發(fā)射成功。從這一天起，中國(guó)成為繼俄羅斯和美國(guó)之后，第三個(gè)獨(dú)立成功將人類(lèi)送上太空的國(guó)家。,神舟6號(hào)于2005年10月12日上午9:00在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空;,5,北京時(shí)間2008年 9月25日 21點(diǎn)10分04秒，我國(guó)第三艘載人飛船神舟7號(hào)成功發(fā)射，三名航天員翟志剛、劉伯明、景海鵬順利升空。 27日，翟志剛身著我國(guó)研制的“飛天”艙外航天服，在身著俄羅斯“海鷹”艙外航天服的劉伯明的輔助下，進(jìn)行了19分35秒的出艙活動(dòng)。中國(guó)隨之成為世界上第三個(gè)掌握空間出艙活動(dòng)技術(shù)的國(guó)家。 2008年9月28日傍晚時(shí)分，神舟七號(hào)飛船在順利完成空間出艙活動(dòng)和一系列空間科學(xué)試驗(yàn)任務(wù)后，成功降落在內(nèi)蒙古中部阿木古朗草原上。,6,載人宇宙飛船為確保載人安全以及為保持航天員高效率工作，需要很復(fù)雜的特設(shè)系統(tǒng)，例如，用于空氣更新、廢水處理和再生、通風(fēng)、溫度和濕度控制等的環(huán)境控制和生命保障系統(tǒng)；報(bào)話(huà)通信系統(tǒng)、儀表和照明系統(tǒng)、航天服、載人機(jī)動(dòng)裝置和逃逸救生系統(tǒng)等。,7,載人宇宙飛船除了要使飛船在返回過(guò)程中的制動(dòng)過(guò)載限制在人的耐受范圍內(nèi)，還應(yīng)使其落點(diǎn)精度比返回式衛(wèi)星更高，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)和營(yíng)救航天員。目前，掌握航天器返回技術(shù)的國(guó)家只有美國(guó)、俄羅斯和中國(guó)。,8,在工業(yè)中，機(jī)電工業(yè)是我國(guó)最重要的支柱產(chǎn)業(yè)之一，而傳統(tǒng)的機(jī)電產(chǎn)品正在向機(jī)電一體化（mechatrnics）方向發(fā)展。機(jī)電一體化產(chǎn)品或系統(tǒng)的顯著特點(diǎn)是控制自動(dòng)化。機(jī)電控制型產(chǎn)品技術(shù)含量高，附加值大，在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，形成機(jī)電一體化產(chǎn)品發(fā)展的主流。,9,當(dāng)前國(guó)內(nèi)外機(jī)電結(jié)合型產(chǎn)品，諸如典型的工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)等都廣泛地應(yīng)用了控制理論。,自動(dòng)控制技術(shù)已經(jīng)成為生產(chǎn)（電力、機(jī)械、冶金、化工…）、軍事、科研、企業(yè)管理等幾乎一切領(lǐng)域中必不可少的手段。因此，各個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)工作者和工程技術(shù)人員都必須具備一定的自動(dòng)控制工程知識(shí)。,10,根據(jù)自動(dòng)控制理論的內(nèi)容和發(fā)展的不同階段，控制理論可分為“經(jīng)典控制理論”和“現(xiàn)代控制理論”兩大部分。,“經(jīng)典控制理論”的內(nèi)容是以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，以頻率法和根軌跡法作為分析和綜合系統(tǒng)的基本方法，主要研究單輸入、單輸出這類(lèi)控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問(wèn)題。,11,“現(xiàn)代控制理論”是在 “經(jīng)典控制理論”的基礎(chǔ)上，于20世紀(jì)60年代以后發(fā)展起來(lái)的。它的主要內(nèi)容是以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究多輸入、多輸出、時(shí)變參數(shù)、分布參數(shù)、隨機(jī)參數(shù)、非線(xiàn)性等控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問(wèn)題。,最優(yōu)控制、最優(yōu)濾波、系統(tǒng)辨識(shí)、自適應(yīng)控制等理論都是這一領(lǐng)域重要的分支，近年來(lái)現(xiàn)代控制理論在大系統(tǒng)理論和人工智能控制等諸多領(lǐng)域有重大發(fā)展。,12,半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，控制理論從主要依靠手工計(jì)算的經(jīng)典控制理論發(fā)展到依賴(lài)計(jì)算機(jī)的現(xiàn)代控制理論，發(fā)展了最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、智能控制。智能控制中，學(xué)習(xí)控制技術(shù)從簡(jiǎn)單的參數(shù)學(xué)習(xí)向較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)、環(huán)境學(xué)習(xí)和復(fù)雜對(duì)象學(xué)習(xí)的方向發(fā)展；并發(fā)展了神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、進(jìn)化算法、專(zhuān)家系統(tǒng)、魯棒控制與 控制等技術(shù)。同時(shí)還發(fā)展了MATLAB等控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具，使控制理論在工程上的應(yīng)用更加方便。,13,§1-2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念,14,自動(dòng)控制：,在沒(méi)有人直接參與的條件下，利用控制器使被控對(duì)象（如機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程）的某些物理量（或工作狀態(tài)）能自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律變化（或運(yùn)行）。,15,如：人造衛(wèi)星按指定的軌道運(yùn)行，并始終保持正確的姿態(tài)，使它的太陽(yáng)能電池一直朝向太陽(yáng)，無(wú)線(xiàn)電天線(xiàn)一直指向地球 ；,數(shù)控加工中心、焊接機(jī)器人、溫度控制系統(tǒng)等,16,如溫度、壓力、力、流量、電壓、轉(zhuǎn)數(shù)、位移、角度等。,一個(gè)共同點(diǎn)： 一個(gè)或一些被控物理量按給定量的變化而變化。,,17,一般地說(shuō)，如何使被控量按給定量的變化規(guī)律而變化，是控制系統(tǒng)所要解決的基本任務(wù)。,18,一、液位控制系統(tǒng),人工控制,測(cè)量實(shí)際液面的高度ｈ1 -------用眼,圖1-1水池液面控制系統(tǒng),水池液面控制如圖1-1所示。,自動(dòng)控制理論,希望液面高度,進(jìn)水閥,放水閥,實(shí)際液面高度ｈ1與希望液面高度h0相比較 -------用腦,按比較的結(jié)果，即液面高度偏差的正負(fù)去決定控制動(dòng)作 -------用手,被控對(duì)象,19,人工控制中有三種職能作用： 測(cè)量、比較和執(zhí)行,圖1-2 液面人工控制系統(tǒng)的方框圖,液面人工控制系統(tǒng)的方框圖如圖1-2所示。,自動(dòng)控制理論,圖1-1水池液面控制系統(tǒng),希望液面高度,進(jìn)水閥,放水閥,20,,自動(dòng)控制,在自動(dòng)控制系統(tǒng)中也必須有測(cè)量、比較和執(zhí)行這三種職能，如圖1-3所示。 液位控制系統(tǒng)由以下五部分組成。,21,測(cè)量元件-----浮子,,圖1-3 液面自動(dòng)控制系統(tǒng),被控對(duì)象-----水池,自動(dòng)控制理論,比較機(jī)構(gòu)-----求浮子的希望位置與實(shí)際位置之差,放大機(jī)構(gòu)-----當(dāng)誤差信號(hào)不足以使執(zhí)行元件動(dòng)作時(shí)，一般都需要加放大元件，以提高系統(tǒng)的控制精度,執(zhí)行元件-----驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象，以改變被控制的量,22,為了控制系統(tǒng)的表示簡(jiǎn)單明了，控制工程中一般用方框 圖表示系統(tǒng)的各個(gè)組件，組件的基本組成單元如圖1-4所示。,圖1-4 控制系統(tǒng)框圖的基本組成單元,自動(dòng)控制理論,引出點(diǎn),比較點(diǎn),部件的框圖,23,圖1-3 液面自動(dòng)控制系統(tǒng),圖1-5 液面自動(dòng)控制系統(tǒng)的方框圖,故液位自動(dòng)控制系統(tǒng)也可用圖1-5來(lái)表示。,顯然用框圖表示比原理圖更簡(jiǎn)單，而且信號(hào)在系統(tǒng)中的 傳遞也更為清晰。因此在以后的討論中，控制系統(tǒng)一般均以 框圖形式表示。,24,直流隨動(dòng)如圖1-6所示。,二、隨動(dòng)控制系統(tǒng),圖1-6 直流隨動(dòng)系統(tǒng)的原理圖,自動(dòng)控制理論,直流隨動(dòng)系統(tǒng)是用一對(duì)電位器作為位置的檢測(cè)元件，它們分別把系統(tǒng)的輸入與輸出的位置信號(hào)轉(zhuǎn)換成與之成比例的電信號(hào)，并進(jìn)行比較。,,,25,,圖1-6 直流隨動(dòng)系統(tǒng)的原理圖,圖1-7 直流隨動(dòng)系統(tǒng)的方框圖,,,26,圖1-7 直流隨動(dòng)系統(tǒng)的方框圖,圖1-5 液面自動(dòng)控制系統(tǒng)的方框圖,,串聯(lián)校正,27,,串聯(lián)校正,28,§1-3 開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制,開(kāi)環(huán)控制,如果系統(tǒng)的輸出量沒(méi)有與參考輸入相比較,即系統(tǒng)的輸出與輸入間不存在著反饋的通道,這種控制方式叫開(kāi)環(huán)控制,優(yōu)點(diǎn),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所用元器件少, 成本低,缺點(diǎn),系統(tǒng)沒(méi)有抗擾動(dòng)功能，因而大大限制了系統(tǒng)的應(yīng)用范圍,29,,開(kāi)環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng),當(dāng)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載、交流電網(wǎng)的電壓以及電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁稍有變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就會(huì)隨之而變化，不能再維持Ug所期望的轉(zhuǎn)速。,30,,數(shù)控機(jī)床開(kāi)環(huán)定位控制系統(tǒng),如果系統(tǒng)的給定輸入與被控量之間的關(guān)系固定，且其內(nèi)部參數(shù)或外來(lái)擾動(dòng)的變化都較小，或這些擾動(dòng)因素可以事先確定并能給予補(bǔ)償，則采用開(kāi)環(huán)控制也能取得較為滿(mǎn)意的控制效果。,31,閉環(huán)控制,若把系統(tǒng)的被控制量反饋到它的輸入端，并與參考輸入相比較，這種控制方式叫閉環(huán)控制。相應(yīng)的系統(tǒng)稱(chēng)為閉環(huán)控制系統(tǒng),閉環(huán)控制的優(yōu)點(diǎn),自動(dòng)地消弱或清除來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)部或外部擾動(dòng)對(duì)被控制量的影響,32,閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng),33,三種常用的分類(lèi)方法,自動(dòng)控制理論,§1-4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(lèi),線(xiàn)性控制系統(tǒng)和非線(xiàn)性控制系統(tǒng),若組成控制的元件都具有線(xiàn)性特性則稱(chēng)這種系統(tǒng)為線(xiàn)性控制系統(tǒng),若在控制系統(tǒng)中有一個(gè)以上的元件具有非線(xiàn)性則稱(chēng)這種系統(tǒng)為非線(xiàn)性控制系統(tǒng),特點(diǎn)：,不具有比例性，也不適用疊加原理 系統(tǒng)的輸出響應(yīng)穩(wěn)定性與其初始狀態(tài)有關(guān),特點(diǎn)：,系統(tǒng)用微分方程、傳遞函數(shù)或狀態(tài)方程來(lái)描述 具有比例性并適用疊加原理,按系統(tǒng)組成元件的性質(zhì)分,34,恒值控制系統(tǒng)和隨動(dòng)控制系統(tǒng),按系統(tǒng)給定信號(hào)的性質(zhì)分,恒值控制系統(tǒng)的參考輸入量為常量，要求它的被控制量在任何擾動(dòng)的作用下能盡快地恢復(fù)（或接近）原有的穩(wěn)態(tài)值。 如液位控制系統(tǒng)、恒溫系統(tǒng)等；,隨動(dòng)控制系統(tǒng)的輸入是一個(gè)變化量，要求系統(tǒng)的被控制量能快速準(zhǔn)確地跟隨參考輸入信號(hào)的變化而變化。 如轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)，位置隨動(dòng)系統(tǒng)等。,35,自動(dòng)控制理論,連續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng),按系統(tǒng)內(nèi)部傳輸信號(hào)的性質(zhì)分,若在控制系統(tǒng)內(nèi)部有一個(gè)或一個(gè)以上的信號(hào)是時(shí)間Ｔ的離散信號(hào)，則稱(chēng)這類(lèi)系統(tǒng)為離散控制系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是一種常見(jiàn)離散控制系統(tǒng),計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的方框圖,控制系統(tǒng)中各部傳輸信號(hào)都是時(shí)間Ｔ的連續(xù)函數(shù)，則稱(chēng)這類(lèi)系統(tǒng)為連續(xù)控制系統(tǒng),36,自動(dòng)控制理論,§1-5 對(duì)控制系統(tǒng)性能的要求和本課程的任務(wù),控制系統(tǒng)的性能一般從以下三方面來(lái)評(píng)價(jià),一、穩(wěn)定性,當(dāng)系統(tǒng)受到某一擾動(dòng)作用后，使被控制量偏離了原來(lái)的平衡狀態(tài)，但當(dāng)擾動(dòng)一撤離，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間，如果系統(tǒng)仍能回到原有的平衡狀態(tài)，則稱(chēng)系統(tǒng)是穩(wěn)定的。穩(wěn)定是系統(tǒng)能正常運(yùn)行的必要條件,二、響應(yīng)速度,要求系統(tǒng)的輸出響應(yīng)具有一定的快速性，它是系統(tǒng)的一個(gè)重要性能指標(biāo),三、穩(wěn)態(tài)精度,控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度通常是用它的穩(wěn)態(tài)誤差來(lái)表示，穩(wěn)態(tài)誤差越小，系統(tǒng)的控制精度就越高,37,本課程要研究?jī)纱笳n題,對(duì)于一個(gè)具體的控制系統(tǒng)，如何從理論上對(duì)它的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定精度進(jìn)行定性的分析和定量的計(jì)算,根據(jù)對(duì)系統(tǒng)性能的要求，如何合理地設(shè)計(jì)校正裝置，使系統(tǒng)的性能能全面地滿(mǎn)足技術(shù)上的要求,系統(tǒng)分析,系統(tǒng)設(shè)計(jì)和校正,38,,要明確： 1、被控量 給定量 2、比較點(diǎn),,39,,,40,,41,,,42,,,43,