自動(dòng)控制理論課件

1、自動(dòng)控制理論張曉路 主講自動(dòng)控制理論張曉路 主講目 錄第一章 引 言第二章 線性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型第三章 線性 系統(tǒng)的時(shí)域分析第四章 線性系統(tǒng)的根軌跡分析第五章 線性系統(tǒng)的頻域分析第六章 線性系統(tǒng)的校正第七章 非線性系統(tǒng)分析第八章 采樣控制系統(tǒng)目 錄一. 自動(dòng)控制的概念及應(yīng)用1.控制：是使某些物理量按指定的規(guī)律變化（包括保持恒定），以保證生產(chǎn)的安全性，經(jīng)濟(jì)性及產(chǎn)品質(zhì)量等要求的技術(shù)手段。2.自動(dòng)控制：就是應(yīng)用自動(dòng)化儀表或控制裝置代替人，自動(dòng)地對(duì)機(jī)器設(shè)備或生產(chǎn)過程進(jìn)行控制，使之達(dá)到預(yù)期的狀態(tài)或性能要求。第一章 引 論一. 自動(dòng)控制的概念及應(yīng)用第一章 引 論4050年代形成 適用于SISO（單輸入單輸出

2、）系統(tǒng) 目標(biāo)：反饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定 基本方法：傳遞函數(shù)，頻率法，PID調(diào)節(jié)器 (頻域)2.現(xiàn)代控制理論6070年代形成 適用于MIMO （多輸入多輸出）系統(tǒng) 目標(biāo)：最優(yōu)控制基本方法：狀態(tài)空間表達(dá)式二.自動(dòng)控制理論的發(fā)展 1.經(jīng)典控制理論4050年代形成 適用于SISO（單輸入單輸出）系統(tǒng)1.定義：輸出量與輸入量之間沒有反向聯(lián)系，只靠輸入量對(duì)輸出量單向控制的系統(tǒng)叫開環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制又可稱為前饋控制，因?yàn)榭刂谱饔檬怯奢斎胄盘?hào)直接向前輸送，而不是由輸出信號(hào)回輸?shù)捷斎胄盘?hào)來進(jìn)行控制的，故稱為前饋控制?？刂蒲b置被控對(duì)象控制量擾動(dòng)被控制量1-1 開環(huán)控制和閉環(huán)控制二、閉環(huán)控制系統(tǒng)1定義：輸出量與輸入量之

3、間有反向聯(lián)系，靠輸入量與主反饋信號(hào)之間的偏差對(duì) 輸出量進(jìn)行控制的系統(tǒng)叫閉環(huán)控制系統(tǒng)。反饋：是把系統(tǒng)輸出量全部或一部分回送到輸入端，以增強(qiáng)或減弱輸入信號(hào) 的效應(yīng)。一、開環(huán)控制系統(tǒng)1.定義：輸出量與輸入量之間沒有反向聯(lián)系，只靠輸入量對(duì)輸出量水位自動(dòng)控制系統(tǒng)工作原理目的:水位不變擾動(dòng):出水變化、進(jìn)水壓力變化等人工調(diào)節(jié)過程:檢測(cè)水位與希望高度比較確定閥門開度與方向執(zhí)行執(zhí)行:控制閥門(調(diào)節(jié)進(jìn)水量) 自動(dòng)控制:水位自動(dòng)控制系統(tǒng)工作原理目的:水位不變擾動(dòng):出水變化、進(jìn)水壓本系統(tǒng)中, 只要浮子不在給定位置上,電機(jī)就要工作,就是說,系統(tǒng)最終不會(huì)存在誤差 ;前面介紹的自動(dòng)控制系統(tǒng)中,如果用水量增加(減少),必須開

4、大(關(guān)小)閥門, 則浮子一定要偏離給定位置,就是說,系統(tǒng)存在有誤差;能不能做到使系統(tǒng)穩(wěn)定后不存在誤差？原理.更復(fù)雜的系統(tǒng)本系統(tǒng)中, 只要浮子不在給定位置上,電機(jī)就要工作,就是說,系系統(tǒng)功能框圖描述控制過程：假設(shè)Hc 浮子（測(cè)量出Hc，和整定的位置Hg作 比較）閥門Q1Hc閉環(huán)控制（反饋控制） 系統(tǒng)的輸出被檢測(cè)出來并饋送到輸入端和給定信號(hào)比較，影響 控制作用。由功能框圖可見，系統(tǒng)信號(hào)流動(dòng)形成一個(gè)閉環(huán)。 開環(huán)控制 系統(tǒng)只有正向控制作用， 信號(hào)流動(dòng)不形成閉環(huán)。系統(tǒng)功能框圖描述控制過程：假設(shè)Hc 浮子（測(cè)量出Hc，開環(huán)控制系統(tǒng)： 1. 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì) 2.調(diào)試方便 3.抗干擾能力差，控制精度不高。閉環(huán)控

5、制系統(tǒng)： 1.系統(tǒng)具有糾正偏差的能力。 2.抗擾性好，控制精度高。 3.包含元件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格高。 4.參數(shù)應(yīng)選擇適當(dāng)。開環(huán)閉環(huán)復(fù)合控制系統(tǒng)（兼有兩者的優(yōu)點(diǎn)，精度很高） 三、開環(huán)與閉環(huán)系統(tǒng)的比較開環(huán)控制系統(tǒng)：三、開環(huán)與閉環(huán)系統(tǒng)的比較按輸入量的特征分類按系統(tǒng)中傳遞信號(hào)的性質(zhì)分類線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)1-2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的類型按輸入量的特征分類1-2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的類型按輸入量的特征分類恒值控制系統(tǒng)：系統(tǒng)輸入量為恒定值?？刂迫蝿?wù)是保證在任何擾動(dòng)作用下系統(tǒng)的輸出量為恒值。如：恒溫箱控制、電網(wǎng)電壓、頻率控制等。隨動(dòng)系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）：輸入量的變化規(guī)律不能預(yù)先確知，其控制要求是輸出量迅速、平穩(wěn)地跟隨輸入

6、量的變化，并能排除各種干擾因素的影響，準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)的變化規(guī)律。如：仿形加工系統(tǒng)、火炮自動(dòng)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)等。按輸入量的特征分類恒值控制系統(tǒng)：系統(tǒng)輸入量為恒定值?？刂迫蝿?wù)連續(xù)控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中各部分傳遞的信號(hào)為隨時(shí)間連續(xù)變化的信號(hào)。連續(xù)控制系統(tǒng)通常采用微分方程描述。按系統(tǒng)中傳遞信號(hào)的性質(zhì)分類離散（數(shù)字）控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中某一處或多處的信號(hào)為脈沖序列或數(shù)字量傳遞的系統(tǒng)。離散控制系統(tǒng)通常采用差分方程描述。連續(xù)控制系統(tǒng)：按系統(tǒng)中傳遞信號(hào)的性質(zhì)分類離散（數(shù)字）控制系統(tǒng)按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類線性控制系統(tǒng)：由線性元件組成，輸入輸出問具有疊加性和均勻性性質(zhì)。以線性微分方程來表述。非線性控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中有非線性元件，輸入輸出

7、間不具有疊加性和均勻性性質(zhì)。用非線性微分方程來表述。按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類線性控制系統(tǒng)：非線性控制系統(tǒng)：線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)線性控制系統(tǒng)：由線性元件組成，輸入輸出問具有疊加性和均勻性性質(zhì)。以線性微分方程來表述。非線性控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中有非線性元件，輸入輸出間不具有疊加性和均勻性性質(zhì)。用非線性微分方程來表述。線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)線性控制系統(tǒng)：非線性控制系統(tǒng)：一.自動(dòng)控制系統(tǒng) 自動(dòng)控制系統(tǒng)是指由控制裝置與被控對(duì)象組成 1.被控對(duì)象：（要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的機(jī)器設(shè)備或生產(chǎn)過程）2.被控制量：（指被控制系統(tǒng)所要控制的物理量，一般指系統(tǒng)的輸出量）3.給定值：（根據(jù)生產(chǎn)要求，被控制量需要達(dá)到的數(shù)值）4.擾動(dòng)：（破壞控制

8、量與被控制量之間正常函數(shù)關(guān)系的因素，稱為系統(tǒng)的擾動(dòng)。如擾動(dòng)來自外部，叫做外擾，如果擾動(dòng)來自內(nèi)部，如系統(tǒng)中各元件參數(shù)的變化，稱為內(nèi)擾） 給定值和擾動(dòng)通稱為輸入量。5.控制裝置：（能夠?qū)Ρ豢貙?duì)象起控制作用的設(shè)備總稱）1-3 自動(dòng)控制理論概要一.自動(dòng)控制系統(tǒng)1-3 自動(dòng)控制理論概要二、自動(dòng)控制系統(tǒng)需要分析的問題自動(dòng)控制研究的三個(gè)基本問題： 建立數(shù)學(xué)模型 系統(tǒng)性能分析 控制器設(shè)計(jì)1。穩(wěn)定性 判定方法2。穩(wěn)態(tài)響應(yīng) 計(jì)算穩(wěn)態(tài)誤差的方法3。瞬態(tài)響應(yīng) 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程中的性能的好壞，動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的計(jì)算公式。三、自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問題1。系統(tǒng)的校正：原系統(tǒng)的性能不滿足要求，在原系統(tǒng)的基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)某些參數(shù)或增加某些環(huán)節(jié)來改善系統(tǒng)的性能。2。當(dāng)給定一個(gè)被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，一組要求的性能指 標(biāo)時(shí)，希望用一種簡(jiǎn)單的方法設(shè)計(jì)出系統(tǒng)。二、自動(dòng)控制系統(tǒng)需要分析的問題自動(dòng)控制研究的三個(gè)基本問題：1自動(dòng)控制理論的內(nèi)容自動(dòng)控制理論經(jīng)典控制理論(19世紀(jì)中葉-20世紀(jì)50年代)線性非線性根軌跡法頻域法時(shí)域法波波夫法李雅普諾夫法描述函數(shù)法相平面法采樣控制Z變換法現(xiàn)代控制理論(60年代以來)狀態(tài)反饋控制最優(yōu)控制智能控制預(yù)測(cè)控制自適應(yīng)控制模糊控制大系統(tǒng)多層分散控制自動(dòng)控制理論的內(nèi)容自動(dòng)控制