自動控制理論第1章緒論

1、1第1章 緒論2w If necessity is the mother of invention, discontent is the father of progress.w 如果需要是發(fā)明之母如果需要是發(fā)明之母, ,不滿足就是進(jìn)步之父不滿足就是進(jìn)步之父 。洛克菲勒洛克菲勒31.11.1課程的性質(zhì)和特點(diǎn)課程的性質(zhì)和特點(diǎn)w 自動控制是一門技術(shù)學(xué)科，從方法論的角度來研究系統(tǒng)的建立、分析與設(shè)計(jì)。w 自動控制原理是本學(xué)科的重要的技術(shù)基礎(chǔ)課 (1) 自動控制理論的基礎(chǔ)課程 ，該課程與其它課程的關(guān)系。自動控制理論電機(jī)與拖動模擬電子技術(shù)線性代數(shù)微積分（含微分方程）復(fù)變函數(shù)、拉普拉斯變換電路理論大學(xué)物理（

2、力學(xué)、熱力學(xué)）信號與系統(tǒng)41.2自動控制的基本概念w 自動控制自動控制：在在沒有人直接參與沒有人直接參與的情況下，利用的情況下，利用外外加的設(shè)備（裝置）加的設(shè)備（裝置），使，使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程的的某個(gè)某個(gè)工作狀態(tài)（參數(shù)）工作狀態(tài)（參數(shù)）自動的按自動的按預(yù)定的規(guī)律預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行運(yùn)行。w 反饋(feedback)：將輸出量通過一定的方式送回到輸入端，并與輸入信號比較產(chǎn)生偏差信號過程稱為反饋w 負(fù)反饋(negative feedback)：輸入信號-反饋信號（或輸出信號）使得系統(tǒng)的輸出偏差減小w 正反饋（positive feedback)：輸入信號+反饋信號w 反饋控制(f

3、eedback control)、閉環(huán)控制(closed-loop control)w 按偏差進(jìn)行控制51.2自動控制的基本概念開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng): :系統(tǒng)的輸出端與輸入端不存在反饋回系統(tǒng)的輸出端與輸入端不存在反饋回路路，輸出量對系統(tǒng)的控制作用不發(fā)生影響的系統(tǒng)輸出量對系統(tǒng)的控制作用不發(fā)生影響的系統(tǒng)。圖紙程序指令（步進(jìn)電機(jī)）微型計(jì)算機(jī)放大器執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作機(jī)床切削刀具61.2自動控制的基本概念w 閉環(huán)環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)環(huán)控制系統(tǒng)：系統(tǒng)輸出信號與測量元件之間系統(tǒng)輸出信號與測量元件之間存在反饋回路存在反饋回路。 “閉環(huán)”這個(gè)術(shù)語的含義，就是將輸出信號通過測量元件反饋到系統(tǒng)的輸入端，通過比較、控制來減小

4、系統(tǒng)誤差。位移微型計(jì)算機(jī)放大器執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作機(jī)床切削刀具反饋測量元件圖紙7手臂,手人眼輸入信號大腦人眼輸出信號用自動裝置代替人工操作閉環(huán)控制8調(diào)壓器溫度計(jì)電熱絲爐子220人工閉環(huán)控制人工閉環(huán)控制9 控制目標(biāo)：控制目標(biāo)：要求爐子的溫度恒定在期望的數(shù)值上。要求爐子的溫度恒定在期望的數(shù)值上。 控制過程：控制過程：輸入信號（期望爐溫）輸出信號（實(shí)際爐溫）腦（計(jì)算、比較）放大、執(zhí)行（手臂、手）被控對象（電熱絲、爐子）測量（眼睛）人工閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)框圖人工閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)框圖10自動控制自動控制11buu+_實(shí)際溫度電壓放大器功率放大器爐子熱電偶電機(jī)、減速器、調(diào)壓器期望溫度ru自動控制框圖自動控制框圖12閉環(huán)控制

5、一般形式閉環(huán)控制一般形式一般的形式一般的形式 輸入信號輸出信號放大比較執(zhí)行被控對象測量輸入信號輸入信號系統(tǒng)控制目標(biāo)的反映系統(tǒng)控制目標(biāo)的反映控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)主要完成對有關(guān)信號的變換、處理，發(fā)主要完成對有關(guān)信號的變換、處理，發(fā)出控制量，驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成控制功能。出控制量，驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成控制功能。輸出信號輸出信號系統(tǒng)的控制結(jié)果，反映了被控對象的運(yùn)系統(tǒng)的控制結(jié)果，反映了被控對象的運(yùn)行狀行狀 13飛機(jī)示意圖飛機(jī)示意圖14飛機(jī)方塊圖飛機(jī)方塊圖給給定定裝裝置置放放大大器器舵機(jī)舵機(jī)飛機(jī)飛機(jī) 反饋電反饋電位器位器 垂直垂直陀螺儀陀螺儀0擾動擾動俯仰角控制系統(tǒng)方塊圖俯仰角控制系統(tǒng)方塊圖151.3 1.3 自動控

6、制理論的發(fā)展自動控制理論的發(fā)展1 1、經(jīng)典控制理論、經(jīng)典控制理論 研究的主要對象是單輸入、單輸出單變量系統(tǒng)。如：調(diào)節(jié)電壓改變電機(jī)的速度；調(diào)整方向盤改變汽車的運(yùn)動軌跡等。2 2、現(xiàn)代控制理論、現(xiàn)代控制理論 研究的主要對象是多輸入、多輸出多變量系統(tǒng)。如，汽車看成是一個(gè)具有兩個(gè)輸入（駕駛盤和加速踏板）和兩個(gè)輸出（方向和速度）的控制系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)科學(xué)地發(fā)展，極大地促進(jìn)了控制科學(xué)地發(fā)展16經(jīng)典控制理論與現(xiàn)代控制理論比較經(jīng)典控制理論與現(xiàn)代控制理論比較項(xiàng)目經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論研究對象線性定常系統(tǒng)（單輸入、單輸出）線性、非線性、定常、時(shí)變系統(tǒng)（多輸入、多輸出）描述方法傳遞函數(shù)（輸入、輸出描述）向量空間（狀態(tài)

7、空間描述）研究辦法根軌跡法和頻率法狀態(tài)空間法研究目標(biāo)系統(tǒng)分析及給定輸入、輸出情況下的系統(tǒng)綜合揭示系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律，實(shí)現(xiàn)在一定意義下的最優(yōu)控制與設(shè)計(jì)17自動控制理論發(fā)展簡史w 1769年：James Watt發(fā)明飛球調(diào)節(jié)器，用來控制蒸汽機(jī)的轉(zhuǎn)速w 1868年：J. C. Maxwell發(fā)表調(diào)速器，提出反饋控制的概念及穩(wěn)定性條件w 1884年：E. J. Routh提出勞斯穩(wěn)定性判據(jù)w 1892年：A. M. Lyapunov提出李雅普諾夫穩(wěn)定性理論w 1895年：A. Hurwifz提出赫爾維茨穩(wěn)定性判據(jù)18w 1932年：H. Nyquist提出奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)w 1945年：H. W. Bo

8、de提出反饋放大器的一般設(shè)計(jì)方法w 1948年：N. Wiener發(fā)表控制論，標(biāo)志經(jīng)典控制理論基本形成w 1950年：W. R. Evans提出根軌跡法，并應(yīng)用于反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)w 1954年：錢學(xué)森發(fā)表工程控制論自動控制理論發(fā)展簡史19w 1956年：蓬特里亞金（Pontryagin）提出極大值原理w 1957年：R. I. Bellman提出動態(tài)規(guī)劃理論w 1960年：R. E. Kalman提出卡爾曼濾波理論w 19601980年：確定性系統(tǒng)的最優(yōu)控制、隨機(jī)系統(tǒng)的最優(yōu)控制、復(fù)雜系統(tǒng)的自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)控制w 1980迄今：魯棒控制、H控制、非線性控制、智能控制等自動控制理論發(fā)展簡史201.

9、41.4自動控制系統(tǒng)的類型自動控制系統(tǒng)的類型w自動調(diào)整系統(tǒng)自動調(diào)整系統(tǒng)特征：輸入信號為常數(shù)特征：輸入信號為常數(shù)典型系統(tǒng)：液位、溫度、壓力、流量控制典型系統(tǒng)：液位、溫度、壓力、流量控制w程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)特征：輸入信號為預(yù)知的隨時(shí)間變化函數(shù)特征：輸入信號為預(yù)知的隨時(shí)間變化函數(shù)典型系統(tǒng)：熱處理爐控制系統(tǒng)、鏡片固化爐溫度典型系統(tǒng)：熱處理爐控制系統(tǒng)、鏡片固化爐溫度控制、程序控制機(jī)床、灌裝生產(chǎn)線、自動生產(chǎn)流水控制、程序控制機(jī)床、灌裝生產(chǎn)線、自動生產(chǎn)流水線。線。w隨動系統(tǒng)（伺服控制系統(tǒng)）隨動系統(tǒng)（伺服控制系統(tǒng)）特征：輸入信號未知的隨時(shí)間變化任意函數(shù)特征：輸入信號未知的隨時(shí)間變化任意函數(shù)典型系統(tǒng)：魚雷

10、飛行、炮瞄雷達(dá)、火炮自動瞄準(zhǔn)典型系統(tǒng)：魚雷飛行、炮瞄雷達(dá)、火炮自動瞄準(zhǔn)、導(dǎo)彈制導(dǎo)。、導(dǎo)彈制導(dǎo)。21按描述元件的動態(tài)方程分類按描述元件的動態(tài)方程分類w線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)特征：元件是線性的、系統(tǒng)運(yùn)動方程可用線性特征：元件是線性的、系統(tǒng)運(yùn)動方程可用線性微分方程或差分方程描述微分方程或差分方程描述w非線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)特征：系統(tǒng)中含有至少一個(gè)非線性元件、系統(tǒng)特征：系統(tǒng)中含有至少一個(gè)非線性元件、系統(tǒng)運(yùn)動方程需用非線性方程或差分方程描述運(yùn)動方程需用非線性方程或差分方程描述典型非線性：飽和、死區(qū)、繼電器、傳動間隙典型非線性：飽和、死區(qū)、繼電器、傳動間隙22按系統(tǒng)傳遞的信號分類按系統(tǒng)傳遞的信號分類w連續(xù)系統(tǒng)連續(xù)

11、系統(tǒng)特征：系統(tǒng)各環(huán)節(jié)之間傳遞的信號均為時(shí)間的連特征：系統(tǒng)各環(huán)節(jié)之間傳遞的信號均為時(shí)間的連續(xù)函數(shù)，一般用微分方程描述。續(xù)函數(shù)，一般用微分方程描述。w離散系統(tǒng)離散系統(tǒng)特征：在信號傳遞過程中，至少有一處的信號是特征：在信號傳遞過程中，至少有一處的信號是脈沖序列或數(shù)字編碼。脈沖序列或數(shù)字編碼。23按輸入輸出信號數(shù)量分類按輸入輸出信號數(shù)量分類w單輸入單輸出系統(tǒng)（單變量系統(tǒng)）單輸入單輸出系統(tǒng)（單變量系統(tǒng)）特征：輸入輸出變量僅有一個(gè)。特征：輸入輸出變量僅有一個(gè)。w多輸入多輸出系統(tǒng)多輸入多輸出系統(tǒng)特征：輸入輸出變量多于一個(gè)特征：輸入輸出變量多于一個(gè)。24按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)的確定性分類按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)的確定性分類

12、w確定系統(tǒng)確定系統(tǒng)特征：系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)是確定的、已知的，系特征：系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)是確定的、已知的，系統(tǒng)的輸入信號也是確定的，可以用解析式或圖統(tǒng)的輸入信號也是確定的，可以用解析式或圖表確切表示。表確切表示。w不確定系統(tǒng)不確定系統(tǒng)特征：系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)是不確定的或，系統(tǒng)的特征：系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)是不確定的或，系統(tǒng)的輸入信號是不確定的。輸入信號是不確定的。 25按系統(tǒng)微分方程分類按系統(tǒng)微分方程分類w集中參數(shù)系統(tǒng)集中參數(shù)系統(tǒng)特征：能用常微分方程描述特征：能用常微分方程描述w分布參數(shù)系統(tǒng)分布參數(shù)系統(tǒng)特征：至少有一個(gè)環(huán)節(jié)需要用偏微分方程特征：至少有一個(gè)環(huán)節(jié)需要用偏微分方程描述。描述。261.5對自動控制系統(tǒng)基本要求穩(wěn)定性穩(wěn)定性 是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件 線性控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性由系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)與參線性控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性由系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)與參數(shù)所數(shù)所 決定的，與外部條件無關(guān)。決定的，與外部條件無關(guān)?？焖傩钥焖傩?是系統(tǒng)在穩(wěn)定的條件下，衡量系統(tǒng)過渡是系統(tǒng)在穩(wěn)定的條件下，衡量系統(tǒng)過渡過程的形式和快慢，通常稱為過程的形式和快慢，通常稱為“系統(tǒng)動態(tài)性能系統(tǒng)動態(tài)性能”。 過渡過程時(shí)間、超調(diào)量過渡過程時(shí)間、超調(diào)量準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性 是在系統(tǒng)過渡過程結(jié)束后，衡量系統(tǒng)輸出是在系統(tǒng)過渡過程結(jié)束后，衡量系統(tǒng)輸出（被控量）達(dá)到的穩(wěn)態(tài)值與