第1章-自動控制理論緒論

1、自動控制理論教材：教材：自動控制理論自動控制理論王孝武，方敏，葛鎖良編王孝武，方敏，葛鎖良編. . 機械工業(yè)出版社機械工業(yè)出版社 2010.62010.6參考書：參考書： 自動控制理論自動控制理論（第五版）（第五版），胡壽松主編胡壽松主編. .科學(xué)出版社科學(xué)出版社 現(xiàn)代控制工程現(xiàn)代控制工程 緒方勝彥著緒方勝彥著, ,科學(xué)出版社科學(xué)出版社 自動控制原理自動控制原理 孫虎章主編，中央廣播電視大學(xué)孫虎章主編，中央廣播電視大學(xué)參考葛鎖良老師課件參考葛鎖良老師課件主講教師主講教師: : 平兆武平兆武合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院自動化系合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院自動化系第一章 緒 論1.1 自動

2、控制與自動控制系統(tǒng) 一：自動控制所謂自動控制，是指在沒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），使機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（統(tǒng)稱控制對象）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量）自動地按照預(yù)定的規(guī)律運行。思考：實際中的自動控制？蒸汽機速度控制英國英國JWatt發(fā)明的離心式發(fā)明的離心式調(diào)速器控制蒸汽機速度，被調(diào)速器控制蒸汽機速度，被普遍認為是普遍認為是最早應(yīng)用于工業(yè)最早應(yīng)用于工業(yè)過程過程的自動控制系統(tǒng)。的自動控制系統(tǒng)。（年）（年）n0二：自動控制系統(tǒng)由控制器（控制裝置）和被控對象組成，具有自動控制功能的系統(tǒng)，稱為自動控制系統(tǒng)?？刂破鞅豢貙ο?( )r t( )c t被控制的機器設(shè)備或

3、生產(chǎn)過程稱作被控對象，將表征其工況的關(guān)鍵參數(shù)稱作被控量（輸出量），而將對這些工況參數(shù)所要求達到的值稱作給定值（或希望值、輸入量）。自動控制的任務(wù)可抽象為：使被控對象的被控量按給定值變化。對被控對象實施控制的裝置稱為控制器。其基本功能有:測量、決策和執(zhí)行1.2 自動控制系統(tǒng)的組成自動控制系統(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：測量元件 其職能是對物理量進行檢測(被控量、內(nèi)部變量、干擾信號)2：給定元件 其職能是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 其職能是對兩個物理量進行比較、加減運算，以形成偏差信號4：放大元件 其職能是將比較元件給出

4、的偏差信號進行放大，用來推動執(zhí)行元件去控制被控對象。 5：執(zhí)行元件 其職能是直接推動被控對象，使被控量發(fā)生變化6:校正元件 也叫補償元件，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。 自動控制系統(tǒng)原理框圖 術(shù)語：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、輸出信號、擾動信號擾動負反饋、正反饋反饋信號、誤差信號、控制信號控制裝置1.3 1.3 自動控制方式自動控制方式根據(jù)控制信號的來源不同，可以分為以下三種控制結(jié)構(gòu)：根據(jù)控制信號的來源不同，可以分為以下三種控制結(jié)構(gòu)：輸出輸出計算計算執(zhí)行執(zhí)行被控對象被控對象干擾干擾控制裝置控制裝置輸入輸入

5、控制量控制量按給定值控制：按給定值控制：按干擾補償：按干擾補償：輸出輸出計算計算執(zhí)行執(zhí)行被控對象被控對象干擾干擾控制裝置控制裝置測量測量控制量控制量輸入輸入輸出輸出比較、計算比較、計算執(zhí)行執(zhí)行被控對象被控對象測量測量干擾干擾控制裝置控制裝置輸入輸入控制量控制量自動控制方式：自動控制方式：1.開環(huán)控制方式：開環(huán)控制方式：按給定值控制、按干擾補償按給定值控制、按干擾補償2.閉環(huán)控制方式（反饋控制）：閉環(huán)控制方式（反饋控制）：按偏差調(diào)節(jié)按偏差調(diào)節(jié)基本控制方式3.復(fù)合控制方式：復(fù)合控制方式：在閉環(huán)控制基礎(chǔ)上附加輸入補償或干擾補償在閉環(huán)控制基礎(chǔ)上附加輸入補償或干擾補償按偏差調(diào)節(jié)：按偏差調(diào)節(jié)：干擾干擾控制

6、裝置控制裝置補償裝置補償裝置被控對象被控對象輸出輸出干擾干擾輸入輸入控制裝置控制裝置補償裝置補償裝置被控對象被控對象輸出輸出輸入輸入按輸入補償?shù)膹?fù)合控制按輸入補償?shù)膹?fù)合控制按干擾補償?shù)膹?fù)合控制按干擾補償?shù)膹?fù)合控制明確控制系統(tǒng)的任務(wù)；明確控制系統(tǒng)的任務(wù)；明確系統(tǒng)工作原理；明確系統(tǒng)工作原理；被控對象是什么？被控量（系統(tǒng)輸出量）？有哪些干擾？被控對象是什么？被控量（系統(tǒng)輸出量）？有哪些干擾？參考輸入？有誰提供？參考輸入？有誰提供？畫出控制系統(tǒng)的原理方框圖，分析系統(tǒng)采用何種控制方式。畫出控制系統(tǒng)的原理方框圖，分析系統(tǒng)采用何種控制方式。分析實際控制系統(tǒng)的步驟：分析實際控制系統(tǒng)的步驟：分析舉例分析舉例爐溫

7、控制系統(tǒng)控制任務(wù)：控制任務(wù)：保持爐溫保持爐溫T為為T0不變不變被控對象：爐子被控對象：爐子被控量：爐溫被控量：爐溫T控制方式：按給定值控制控制方式：按給定值控制定時開關(guān)電阻絲爐子給定爐溫實際爐溫工作原理：工作原理：水位自動控制系統(tǒng)水門水門2 2杠桿杠桿水門水門1水箱水箱控制任務(wù)：控制任務(wù)：保持水位保持水位為為不變不變被控對象：水箱被控對象：水箱被控量：水位被控量：水位工作原理：工作原理：水門杠桿水箱水門用水量控制方式：按干擾補償控制方式：按干擾補償熱處理爐溫度控制系統(tǒng)控制任務(wù)：控制任務(wù)：保持爐溫保持爐溫T為為T0不變不變被控對象：烘爐被控對象：烘爐被控量：爐溫被控量：爐溫T工作原理：工作原理：

8、控制方式：按偏差調(diào)節(jié)控制方式：按偏差調(diào)節(jié)無靜差系統(tǒng)無靜差系統(tǒng)位置隨動控制系統(tǒng)位置隨動控制系統(tǒng)橋式電位計橋式電位計放大器放大器電動機電動機減速器減速器工作機械工作機械手柄手柄控制任務(wù)控制任務(wù)：要求工作機械的角位置要求工作機械的角位置c c跟隨給定角位置跟隨給定角位置r r被控對象：工作機械被控對象：工作機械被控量：角位置被控量：角位置工作原理：工作原理：控制方式：按偏差調(diào)節(jié)控制方式：按偏差調(diào)節(jié)rsue減速器橋式電位器電動機-c放大器工作機械無靜差系統(tǒng)無靜差系統(tǒng)谷物濕度控制系統(tǒng)控制任務(wù)控制任務(wù)：保持輸出谷物濕度為給定值保持輸出谷物濕度為給定值被控對象：谷物被控對象：谷物被控量：谷物濕度被控量：谷物

9、濕度工作原理：工作原理：控制方式：復(fù)合控制控制方式：復(fù)合控制e濕度測量調(diào)節(jié)器谷物-閥門給定濕度谷物濕度濕度測量輸入谷物濕度1. 自動控制系統(tǒng)的分類另外：另外： 按控制方式按控制方式可分為開環(huán)控制、閉環(huán)控制、復(fù)合控制等； 按元件類型按元件類型可分為機械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)等； 按系統(tǒng)功用按系統(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：按照描述系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型： 線性系統(tǒng) ： 時變系統(tǒng)、定常系統(tǒng)時變系統(tǒng)、定常系統(tǒng) 非線性系統(tǒng)按照系統(tǒng)傳遞的信號的性質(zhì)：按照系統(tǒng)傳遞的信號的性

10、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)輸入信號的變化規(guī)律：按照系統(tǒng)輸入信號的變化規(guī)律： 隨動控制系統(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)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： 1010( )( )( )( )( )( )nmnmnmddddac tac ta c tbr tbr tb r tdtdtdtdt系數(shù)a0、a1、，b0、b1、為常數(shù)時，系統(tǒng)稱為線性定常系統(tǒng)線性定常系統(tǒng)，系數(shù)a0、a1、，b0、b1、隨時間而變時，系統(tǒng)稱為線性時變系統(tǒng)線性時變系統(tǒng)。 線性離散系統(tǒng)線性離散系統(tǒng)離散系統(tǒng)是指系統(tǒng)的某

11、處或多處的信號為脈沖序列或數(shù)碼形式，因而信號在時間上是離散的。這類系統(tǒng)可用差分方程描述，其一般形式為： 1010()(1)( )()(1)( )nma c knac ka c kb r kmbr kb r k非線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng) 系統(tǒng)中只要有一個元部件的輸入-輸出特性是非線性的，這類系統(tǒng)就稱為非線性系統(tǒng)，這時要用非線性微分（或差分）方程來描述其特性。例如：2( )( )( )( )( )ctc t c tctr t1.5 對控制系統(tǒng)的性能要求控制系統(tǒng)的時間響應(yīng)過程系統(tǒng)受到外部作用（給定值或干擾）后，被控量（輸出）隨時間變化系統(tǒng)受到外部作用（給定值或干擾）后，被控量（輸出）隨時間變化的全過程稱為

12、系統(tǒng)的時間響應(yīng)過程的全過程稱為系統(tǒng)的時間響應(yīng)過程c(t) ?？刂葡到y(tǒng)控制系統(tǒng)( )r t( )c t( )d t動態(tài)過程（瞬態(tài)過程）動態(tài)過程（瞬態(tài)過程）穩(wěn)態(tài)過程穩(wěn)態(tài)過程t076) c( )c t1( )c t1t0123) at0) b45( )c t1( )1( )r tt考慮 時：不同控制系統(tǒng)的時間響應(yīng)過程比較穩(wěn)定性穩(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)隨時間的增長逐漸減小或趨于零。也就是說，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，還必須對其過渡過程的形式和快慢提出要求。 準確性準確性 當(dāng)過渡過程結(jié)束后，被控量達到的穩(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)控制精度的重要標志。 對控制系統(tǒng)要求：穩(wěn)、快、準1.6 自動控制理論發(fā)展概況自動控制理論自動控制理論 自動控制理論是研究自動控制共同規(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)的自動調(diào)節(jié)原理，并主要用于工業(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)以及其他基于反饋原理的軍用裝備，進一步促進并完善了自動控制理

14、論的發(fā)展。到戰(zhàn)后，已形成完整的自動控制理論體系，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。 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算機技術(shù)的應(yīng)用，為適應(yīng)宇航技術(shù)的發(fā)展，自動控制理論跨入了一個新階段現(xiàn)代控制理論。它主要研究具有高性能、高精度的多變量變參數(shù)系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題，采用的方法是以狀態(tài)為基礎(chǔ)的時域法。目前，自動控制理論還在繼續(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)典控制理論經(jīng)典控制理論 核心是核心是反饋反饋控制的思想控制的思想 20世紀40 - 50年代發(fā)展形成1945年美國人Bode

15、 “網(wǎng)絡(luò)分析與放大器的設(shè)計”（專著），奠定了控制理論的基礎(chǔ)。 50年代趨于成熟 對單輸入單輸出系統(tǒng)進行分析，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)代控制理論現(xiàn)代控制理論 20世紀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、時變參數(shù)、高精度復(fù)雜系統(tǒng)的控制問題大系統(tǒng)、復(fù)雜系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)大系統(tǒng)、復(fù)雜系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng) 20世紀80年代以后各學(xué)科相互滲透，要分析的系統(tǒng)越來越大，越來越復(fù)雜。例人工智能、模擬人的人腦功能、機器

16、人等。自動控制的應(yīng)用領(lǐng)域 交通工程 機器人 建筑與樓宇自動化 辦公自動化 家庭自動化 商業(yè)自動化 管理自動化 社會與經(jīng)濟系統(tǒng)控制 軍事與國防 航空航天 工業(yè)生產(chǎn)過程 （石油、化工、冶金、熱動 .） 電力系統(tǒng)自動化 先進制造技術(shù) 車輛工程1.7 1.7 本課程的內(nèi)容本課程的內(nèi)容線性定常連續(xù)系統(tǒng)線性定常連續(xù)系統(tǒng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 系統(tǒng)的分析方法：系統(tǒng)的分析方法： 系統(tǒng)的校正方法系統(tǒng)的校正方法 （第（第2章）章）（第（第3章）章）（第（第4章）章）（第（第5章）章）（第（第6章）章）時域法時域法 根軌跡法根軌跡法 頻域法頻域法復(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

17、，則稱其為 的拉普拉斯變換，記為設(shè)函數(shù) 當(dāng) 時有定義，且積分為實變量）（ttf)(0t0( ) ( )( )stF sf tf t edtL)(sF)(tf0( )()stf t e dtsj11( ) ( )( )2jstjf tF sF se dsj L2 幾種典型函數(shù)的拉氏變換 0001)( 1)(ttttf1）單位階躍函數(shù) 1(t)1f(t)t2）單位斜坡函數(shù))( 1000)(ttttttff(t)t3）單位加速度函數(shù))( 12100021)(22ttttttff(t)t1(t)可用于表示信號作用的時間域f(t)tab1t2t0112( )1( ) 1()1() 1()f tatttb

18、tttt4）單位脈沖函數(shù)( )( )00f ttt( )1t dt1且1f(t)tf(t)t0001( )lim1( ) 1()1( )dttttdt( ) t( )F s11( ) t1s( )f tt21s212t31sate1sasint22scost22ss規(guī)定積分下限取0-3 拉氏變換的幾個基本法則拉氏變換的幾個基本法則(0)0f121212( )( )( )( )( )( )af tbf taf tbf taF sbF sLLL( )( )(0)df tsF sfdtL( )( )df tsF sdtL1).線性性質(zhì)2).微分性質(zhì)若則( 1)011( )( )(0)tf t dtF

19、 sfssL( 1)(0)0ft其中積分在時的值( 1)(0)0f若01( )( )tf t dtF ss則L3).積分性質(zhì)4).終值定理設(shè) ，且 在 平面的右半平面及除原點外的虛軸上解析，即 極點均位于 平面的左半平面（包括坐標原點） ( )( )f tF sL( )F ss( )F ss)(lim)(lim0ssFtfst設(shè) ，則有 5).位移定理 ( )( )f tF sL00 ()( )sf teF sL( )()ate f tF saL22( )sin()atF setsa例如L按定義求拉氏反變換很困難，一般常用部分分式法計算：4 拉氏反變換拉氏反變換nmnmbbbaaaasasas

20、bsbsbsbsAsBsFmnnnnnmmmm為正數(shù)，且、均為實數(shù)，及，其中10211111110)()()(12( )()()()(1, )( )0niA ssssssss inA s是的根。121121)( )0( )niniiiniA sCCCCCF sssssssssss無重根( )(1)lim()( )(2)( )iiiiiisss sB sCCssF sCA s的求法：1111( )( )inns tiiiiiCf tF sC essLL例例22( )43sF sss求的反變換。12222( )43(1)(3)13CCssF sssssss112321lim(1)(3)(1)221lim(3)(3)(1)2sssCssssCsss31122( )1311( )22ttF sssf tee的計算公式：的計算同單根部分，為單根）重根，有有重根（設(shè)、mnmnnmmmmmmnmmCCCCssCssCssCssCssCsFsssmssA,)()()(,0)(21111111