第1章自動(dòng)控制(new)

1、自動(dòng)控制原理主要參考書:胡壽松編 緒方勝彥 教材:自動(dòng)控制原理是自動(dòng)化學(xué)科的重要理論基礎(chǔ)。第一章:自動(dòng)控制的基本概念 什么是控制?所謂控制就是:對(duì)被控對(duì)象運(yùn)動(dòng)過程施加一定的影響或措施使其過程按照指定路徑向預(yù)定目標(biāo)發(fā)展。 社會(huì)運(yùn)動(dòng)生物過程經(jīng)濟(jì)過程溫度壓力的保持軋鋼造紙厚度的控制工程施工過程衛(wèi)星的控制導(dǎo)彈控制無人駕駛飛機(jī)1.1基本概念工程控制論范疇生物/經(jīng)濟(jì)等控制論范疇測量,比較,控制,控制對(duì)象例3:遙控?zé)o人駕駛飛機(jī)“愛國者”地空導(dǎo)彈系統(tǒng) 導(dǎo)彈攔擊視頻例4控制領(lǐng)域一個(gè)經(jīng)典的例子：倒立擺熱力系統(tǒng)控制水溫直接控制熱力系統(tǒng)控制水溫直接控制熱力系統(tǒng)控制水溫比較兩系統(tǒng)：直接控制什么是自動(dòng)控制?自動(dòng)控制:在無

2、人直接參與的情況下，通過控制器使被控對(duì)象運(yùn)動(dòng)過程自動(dòng)地按照預(yù)定要求進(jìn)行。 人工控制的缺點(diǎn):速度低精度低效率低不適應(yīng)惡劣環(huán)境不能進(jìn)行復(fù)雜控制1.2自動(dòng)控制理論中的一些術(shù)語被控對(duì)象 是一個(gè)設(shè)備，它是由一些零件有機(jī)地組合在一起，完成一個(gè)特定的目標(biāo)設(shè)備。任何被控物體（如加熱爐、化學(xué)反應(yīng)器或宇宙飛船）為對(duì)象。(這里限于工程控制論范疇)過程任何被控制的運(yùn)行狀態(tài)稱為過程，其具體例子如化學(xué)過程、經(jīng)濟(jì)學(xué)過程、生物學(xué)過程。 系統(tǒng) 完成一定任務(wù)的一些元、部件的組合。擾動(dòng)擾動(dòng)是一種對(duì)系統(tǒng)的輸出產(chǎn)生不利影響的信號(hào)。如果擾動(dòng)產(chǎn)生在系統(tǒng)內(nèi)部稱為內(nèi)擾；擾動(dòng)產(chǎn)生在系統(tǒng)外部，則稱為外擾。外擾是系統(tǒng)的輸入量之一。反饋本質(zhì)測量偏差，

3、利用 偏差，減少（乃至消除）偏差反饋控制 反饋控制是一種將輸出量引入到輸入端進(jìn)行比較,利用偏差來控制系統(tǒng)的過程.反饋控制系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng)是一種能對(duì)輸出量與參考輸入量進(jìn)行比較，并力圖保持兩者之間的既定關(guān)系的系統(tǒng)，它利用輸出量與輸入量的偏差來進(jìn)行控制。 隨動(dòng)系統(tǒng)隨動(dòng)系統(tǒng)是一種反饋控制系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)中，輸出量是機(jī)械位移、速度或者加速度。因此，隨動(dòng)系統(tǒng)這個(gè)術(shù)語，與位置（或速度或加速度）控制系統(tǒng)是同義語。在現(xiàn)代工業(yè)中，廣泛采用著隨動(dòng)系統(tǒng)。 過程控制在工業(yè)生產(chǎn)過程中，諸如對(duì)壓力、溫度、濕度、流量、頻率以及原料、燃料成分比例等方面的控制，稱為過程控制。1.3自動(dòng)控制發(fā)展的歷史現(xiàn) 代 控 制 理 論經(jīng)典控制

4、理論狀態(tài)空間分析法最優(yōu)化方法Kalman濾波動(dòng)態(tài)規(guī)劃時(shí)間:上世紀(jì)5060年代頻域分析法低階系統(tǒng)時(shí)域分析法本質(zhì)是:時(shí)域分析法18世紀(jì)- 發(fā)展概況現(xiàn)代歐洲最先發(fā)明反饋控制的是荷蘭的德勒貝爾（C. Drebbel），它使用了溫度反饋控制最先使用反饋控制裝置 凱特斯比斯(Kitesibbios)，希臘人, 公元前300年到1年中使用的浮子調(diào)節(jié)器。以保持油面高度穩(wěn)定。 赫容（Heron）（亞歷山大時(shí)代）浮力學(xué)介紹浮閥控制液位的方法?，F(xiàn)代歐洲最先發(fā)明反饋控制 德勒貝爾（C. Drebbel），荷蘭人，它使用了溫度反饋控制。(二)、現(xiàn)代控制理論階段 實(shí)際應(yīng)用方面:最早的在工業(yè)中使用的壓力反饋控制器瓦特（ J

5、.Watt），離心調(diào)節(jié)器，1788年用于限制蒸汽機(jī)引擎速度。離心調(diào)節(jié)器是自動(dòng)控制領(lǐng)域的第一項(xiàng)重大成果。 理論上： 1868年麥克斯韋爾(J.C.Maxwell)基于微分方程描述從理論上給出了它的穩(wěn)定性條件。 1877年勞斯(E.J.Routh)以及1895年霍爾維茨(A.Hurwitz) 高階線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)； 1892年李雅普諾夫(A.M.Lyapunov) 給出了非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)。同一時(shí)期，維什哥熱斯基(I.A.Vyshnegreskii) 也用一種正規(guī)的數(shù)學(xué)理論描述了這種理論。1922年米羅斯基(N.Minorsky)給出了位置控制系統(tǒng)的分析，并對(duì)PID三作用控制給出了控制規(guī)律

6、公式。 1931年，美國開始出售帶有線性放大器和I(積分)作用的氣動(dòng)控制器。 1932年奈奎斯特(Nyquist )提出了負(fù)反饋系統(tǒng)的頻率域穩(wěn)定性判據(jù)(針對(duì)美國長距離電話線路負(fù)反饋放大器應(yīng)用中出現(xiàn)的失真等問題) Regeneration Theory , Bell system technical Journal,vol 13,1932 1934年，哈仁(H.L.Hazen)給出了伺服機(jī)構(gòu)的理論研究成果。 1940年，波德(H.Bode) 進(jìn)一步研究通信系統(tǒng)頻域方法，提出了頻域響應(yīng)的對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖描述方法。 1943年，哈爾(A.C.Hall)利用傳遞函數(shù)(復(fù)數(shù)域模型)和方框圖，把通信工程的頻域響

7、應(yīng)方法和機(jī)械工程的時(shí)域方法統(tǒng)一起來，人們稱此方法為復(fù)域方法。 二戰(zhàn)時(shí)期對(duì)控制系統(tǒng)的貢獻(xiàn)：自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)，自動(dòng)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，自動(dòng)雷達(dá)探測系統(tǒng)在自動(dòng)控制基礎(chǔ)上發(fā)展的軍事系統(tǒng)。對(duì)高性能武器的要求還促進(jìn)了對(duì)非線性系統(tǒng)，采樣數(shù)據(jù)系統(tǒng)以及隨機(jī)控制系統(tǒng)的研究。 1948年伊文斯(W.Evans)又進(jìn)一步提出了屬于經(jīng)典方法的根軌跡設(shè)計(jì)法，它給出了系統(tǒng)參數(shù)變換與時(shí)域性能變化之間的關(guān)系。至此，復(fù)數(shù)域與頻率域的方法進(jìn)一步完善。 Graphical analysis of control system,Trans.amer.inst.Electrical Engineers 194820世紀(jì)60年代初=現(xiàn)代控制理論。195

8、4年貝爾曼(R.Bellman)的動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論， 1956年龐特里雅金(L.S.Pontryagin)的極大值原理 1960年卡爾曼（R.E.Kalman）的多變量最優(yōu)濾波理論。 20世紀(jì)60年代，數(shù)字計(jì)算機(jī)的應(yīng)用為復(fù)雜系統(tǒng)的基于時(shí)域分析的現(xiàn)代控制理論提供了可能。 從1960年到現(xiàn)代，確定性系統(tǒng)、隨機(jī)系統(tǒng)的最佳控制，魯棒控制及復(fù)雜系統(tǒng)的自適應(yīng)和學(xué)習(xí)控制，都得到充分的研究。Tamer Baser ,Twenty-Five Seminal papers(1932-1981)25篇方法:以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)的頻域法對(duì)象:單輸入-單輸出一類定?？刂葡到y(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問題。手段:圖解特點(diǎn):定性分析,這些理論由

9、于其發(fā)展較早，現(xiàn)已日臻成熟。 目標(biāo)：穩(wěn)定和達(dá)到一定的性能 方法:狀態(tài)空間法為基礎(chǔ) ,最優(yōu)化方法,卡爾曼濾波,動(dòng)態(tài)規(guī)劃,本質(zhì)是時(shí)域法對(duì)象:研究多輸入-多輸出、時(shí)變、非線性一類控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問題。手段:計(jì)算機(jī),現(xiàn)代數(shù)學(xué)特點(diǎn):定量分析,系統(tǒng)具有高精度和高效能的特點(diǎn)目標(biāo)：性能最優(yōu)1.4自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類開環(huán)控制閉環(huán)控制(反饋控制)復(fù)合控制 按系統(tǒng)功用分溫度控制系統(tǒng)壓力控制系統(tǒng)位置控制系統(tǒng) 控制方式分線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)齊次性、疊加性連續(xù)系統(tǒng)離散系統(tǒng)采樣時(shí)間間隔定常系統(tǒng)時(shí)變系統(tǒng)系統(tǒng)隨時(shí)間變化確定性系統(tǒng)隨機(jī)系統(tǒng)系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)特性按參據(jù)量變化規(guī)律分恒值控制系統(tǒng)抗擾動(dòng)隨動(dòng)系統(tǒng)跟蹤輸入程序控制系統(tǒng)跟蹤預(yù)定規(guī)律這

10、里介紹按方式分:開環(huán)控制和閉環(huán)控制1.5 開環(huán)控制和閉環(huán)控制 開環(huán)控制 指系統(tǒng)輸出量對(duì)輸入量沒有任何影響的系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)如圖所示。開環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)： 順向作用，沒有反向的聯(lián)系，沒有修正偏差能力，抗擾動(dòng)性較差。結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便、成本低。閉環(huán)控制(反饋控制) 閉環(huán)控制系統(tǒng): 將輸出量引入到輸入端進(jìn)行比較,利用偏差來控制的系統(tǒng)正反饋 負(fù)反饋 閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)： 偏差控制，可以抑制內(nèi)、外擾動(dòng)對(duì)被控制量產(chǎn)生的影響。精度高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)、分析麻煩。易產(chǎn)生不穩(wěn)定輸入量串聯(lián)補(bǔ)償元件測量元件輸出量放大元件執(zhí)行元件被控對(duì)象反饋補(bǔ)償元件主反饋一般一個(gè)完整反饋控制系統(tǒng)的基本組成圖 用“”號(hào)代表比較元件，“”號(hào)代表

11、兩者符號(hào)相反，“+”號(hào)代表兩者符號(hào)相同。 信號(hào)沿箭頭方向從輸入端到達(dá)輸出端的傳輸通路稱前向通路； 輸出量經(jīng)測量元件反饋到輸入端的傳輸通路稱主反饋通路； 前向通路與主反饋通路共同構(gòu)成主回路。 此外，還有局部反饋通路以及由它構(gòu)成的內(nèi)回路。反饋控制系統(tǒng)的基本組成 被控對(duì)象（或過程） 控制裝置 由具有一定職能的各種基本元件組成： 測量元件：其職能是測量被控制的物理量；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（即參考量）；比較元件比較元件：把測量元件檢測的被控量實(shí)際值與給定元件給出的參考量進(jìn)行比較，求出它們之間的偏差；放大元件：將比較元件給出的偏差進(jìn)行放大 用來推動(dòng)執(zhí)行元件去控制被控對(duì)象

12、執(zhí)行元件：直接推動(dòng)被控對(duì)象，使其被控量發(fā)生變化；校正元件：亦稱補(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)或反饋的方式 連接在系統(tǒng) 中，以改善系統(tǒng)性能。H注注入入控控制制器器（比比較較、放放大大）Q1浮浮子子流流出出Q2 氣氣動(dòng)動(dòng)閥閥門門液位系統(tǒng)原理圖自動(dòng)控制系統(tǒng)舉例給定希望液位 希希望望液液位位實(shí)實(shí)際際液液位位放放大大元元件件氣氣動(dòng)動(dòng)閥閥門門水水 箱箱浮浮 子子控控制制器器 注注入入液位系統(tǒng)方框圖1.6對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求1.6.1對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)性能的基本要求可以歸結(jié)為：穩(wěn)定性（長期穩(wěn)定性） 準(zhǔn)確性（精度） 快速性（相對(duì)穩(wěn)定性）簡言之：穩(wěn) 準(zhǔn) 快1.7本課程的任務(wù)課程所要研究的三大課題：1）如何保證系統(tǒng)穩(wěn)定2) 如何從理論上對(duì)它的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度進(jìn)行定性的分析和定量的計(jì)算。3）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.一種重要方法：給定輸入分析輸出1.8常采用的典型輸入信號(hào)有： 1.8.1 階躍函數(shù) 它的數(shù)學(xué)表達(dá)式為： 000)(tAttr1.8.2 斜坡函數(shù)（等速度函數(shù)） 它的數(shù)學(xué)表達(dá)式為 000)(tAtttr它的數(shù)學(xué)表達(dá)式為 02100)(2tAtttr1.8.3 拋物線函數(shù)（等加速度函數(shù)）1.8.4 脈沖函數(shù) ttAttr0000)(1.8.5 正弦函數(shù) 它的數(shù)學(xué)表達(dá)式為 0sin00)(ttAttr 式中A為振幅