自動控制原理-高國燊ch1課件

自動控制原理教材：高國燊《自動控制原理》(第三版)華南理工大學出版社《自動控制原理》與其它課程的關系微積分電機與拖動模擬電子技術電路分析信號與系統(tǒng)復變函數(shù)與積分變換大學物理（力學、熱力學）自動控制原理各類控制系統(tǒng)課程1.胡壽松，《自動控制原理》(第4版)，科學出版社2.涂植英，《自動控制原理》(第二版)，重慶大學出版社4.孫亮，《自動控制原理》，北京工業(yè)大學出版社參考書主要教學環(huán)節(jié)1.課堂教學

認真聽課，積極思考，主動學習，理解基本概念、基本理論，掌握分析、設計簡單自動控制系統(tǒng)的方法、技巧。2.課后自學、獨立完成作業(yè)培養(yǎng)自學能力和分析與處理問題的能力?？荚嚪绞剑洪]卷總成績=平時成績×30％+期末成績×70%考試方式及成績評定第一章緒論1.1引言1.2自動控制的基本概念1.3自動控制系統(tǒng)的組成1.4自動控制系統(tǒng)的分類1.6對自動控制系統(tǒng)的基本要求及本課程的研究內(nèi)容1.1引言一、自動控制的定義及應用自動控制技術在化工、造紙、電力、汽車和鋼鐵等領域起著越來越重要的作用。近幾十年來，計算機技術的發(fā)展與應用，自動控制技術在許多高科技領域(航空航天、導彈制導、核動力)作用更大，且擴展到生物、醫(yī)學、環(huán)境、經(jīng)濟管理和其他許多社會領域。自動控制：在沒有人直接參與的情況下，利用控制裝置使被控對象自動地按照預定的規(guī)律運行。鍋爐設備的壓力和溫度自動保持恒定；數(shù)控機床按照預定的程序自動地切削工件；導彈發(fā)射與制導系統(tǒng)，自動地使導彈攻擊敵方目標；無人駕駛飛機能按預定軌道自動飛行；人造地球衛(wèi)星能夠發(fā)射到預定軌道并能準確回收；……人造地球衛(wèi)星無人駕駛飛機雷達技術制導導彈二、自動控制理論的發(fā)展1.經(jīng)典控制理論(自動控制原理)控制理論的發(fā)展初期是以反饋理論為基礎的自動調(diào)節(jié)原理，主要用于工業(yè)控制。第二次世界大戰(zhàn)期間，為了設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)等基于反饋原理的軍用裝備，進一步促進和完善了自動控制理論的發(fā)展。兩千年前我國發(fā)明的指南車，就是一種開環(huán)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。公元1086-1092年(北宋)，我國發(fā)明的水運儀象臺，就是一種閉環(huán)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。水運儀象臺是集觀測天象的渾儀、演示天象的渾象、計量時間的漏刻和報告時刻的機械裝置于一體的大型綜合性觀測儀器。隨著科學技術與工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，到十八世紀，自動控制技術逐漸應用到現(xiàn)代工業(yè)中。1765年瓦特(J.Watt)發(fā)明蒸汽機，1788年瓦特利用反饋原理發(fā)明蒸汽機用的離心調(diào)速器。1868年馬克斯威爾(J.C.Maxwell)發(fā)表《論調(diào)節(jié)器》，提出了低階系統(tǒng)的穩(wěn)定性代數(shù)判據(jù)，解決了蒸汽機調(diào)速系統(tǒng)中出現(xiàn)的劇烈振蕩的不穩(wěn)定問題。1877年勞斯(Routh)、1895年赫爾維茨(Hurwitz)把馬克斯韋爾的思想擴展到高階微分方程描述的更復雜的系統(tǒng)中，分別獨立地提出了兩個著名的穩(wěn)定性判據(jù)—勞斯判據(jù)和赫爾維茨判據(jù)，基本上滿足了二十世紀初期控制工程師的需要。赫爾維茨(Hurwitz)由于第二次世界大戰(zhàn)需要控制系統(tǒng)具有準確跟蹤與補償能力，1932年奈魁斯特(H.Nyquist)提出了頻域內(nèi)研究系統(tǒng)的頻率響應法，為具有高質(zhì)量的動態(tài)品質(zhì)和靜態(tài)準確度的軍用控制系統(tǒng)提供了所需的分析工具。奈魁斯特(H.Nyquist)1945年伯德(H.W.Bode)提出了簡便而實用的伯德圖法(頻率法)；1948年伊文思(W.R.Evans)提出了直觀而又形象的根軌跡法；20世紀50年代非線性系統(tǒng)理論和離散控制理論。研究對象：單輸入單輸出(SISO)、線性定常系統(tǒng)核心概念：輸出反饋數(shù)學基礎：微積分、積分變換系統(tǒng)描述方法：傳遞函數(shù)研究方法：時域法、根軌跡法、頻率特性法2.現(xiàn)代控制理論由于經(jīng)典控制理論只適用于單輸入、單輸出的線性定常系統(tǒng)，只注重系統(tǒng)的外部描述而忽視系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)。因而在實際應用中有很大局限性。隨著航天事業(yè)和計算機的發(fā)展，20世紀60年代初，在經(jīng)典控制理論的基礎上，以線性代數(shù)理論和狀態(tài)空間分析法為基礎的現(xiàn)代控制理論迅速發(fā)展起來。五十年代后期，貝爾曼(Bellman)等人提出了狀態(tài)分析法，在1957年提出了動態(tài)規(guī)劃。1960年卡爾曼(Kalman)成功地應用了狀態(tài)空間法，提出了可控性和可觀測性的新概念。卡爾曼1965年羅森布洛克(H.H.Rosenbrock)提出了尋求最優(yōu)控制的動態(tài)規(guī)劃方法。1961年龐特里亞金(俄國人)證明了最優(yōu)控制中的極大值原理。龐特里亞金(L.S.Pontryagin)與此同時，關于系統(tǒng)辨識、最優(yōu)控制、離散時間系統(tǒng)和自適應控制的發(fā)展大大豐富了現(xiàn)代控制理論的內(nèi)容，形成若干分支。研究對象：多輸入多輸出(MIMO)、非線性、時變系統(tǒng)核心概念：狀態(tài)反饋數(shù)學基礎：線性代數(shù)、矩陣理論系統(tǒng)描述方法：狀態(tài)空間表達式研究方法：時域法1.2自動控制的基本概念一、人工控制與自動控制人工控制的恒值水位系統(tǒng)水池進水出水實際水位要求水位閥門被控對象--水池被控量--水池中的水位簡單的水位自動控制系統(tǒng)水池出水浮子連桿進水閥二、控制系統(tǒng)的兩種基本形式1.開環(huán)控制系統(tǒng)輸入量被控對象輸出量控制器特點：(1)只有正向作用，沒有反饋作用；(2)結構簡單，成本低，調(diào)試方便；(3)抗干擾能力差，控制精度不高。應用：自動售貨機、自動洗衣機、自動流水線、包裝機等直流電動機轉速開環(huán)控制系統(tǒng)+電壓放大器功率放大器+-+-+-+-+ERWuruaMCn電動機負載給定量ur電壓放大器功率放大器輸出量n(對象)直流電動機MC干擾(控制裝置)ua2.閉環(huán)控制系統(tǒng)特點：(1)既有正向作用，又有反饋控制；(2)系統(tǒng)具有糾正偏差的能力；(3)具有較高的控制精度和較強的抗干擾能力；(4)包含元件多，結構復雜，成本相對較高。輸入量被控對象輸出量控制器測量元件+-偏差量反饋量直流電動機轉速閉環(huán)控制系統(tǒng)+電壓放大器功率放大器+-+-+-+-+ERWuruaMCn電動機負載uf+-+-u1ue測速發(fā)電機開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的比較開環(huán)控制系統(tǒng)：

1.結構簡單、成本低廉；

2.調(diào)試方便；

3.抗干擾能力差，控制精度不高。閉環(huán)控制系統(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，結構復雜，價格高；

4.參數(shù)應選擇適當。開環(huán)＋閉環(huán)＝復合控制系統(tǒng)(兼有兩者的優(yōu)點，精度很高)三、自動控制系統(tǒng)的特征和定義特征：1.必須要有負反饋；2.由偏差產(chǎn)生控制作用；3.控制的作用是使被控量盡量接近期望值。自動控制系統(tǒng)：為實現(xiàn)某種自動控制，需要把一些相互關聯(lián)的部件按一定的模式組合起來，構成一個系統(tǒng)，來實現(xiàn)自動控制。1.3自動控制系統(tǒng)的組成一、基本組成串聯(lián)校正元件放大元件執(zhí)行元件并聯(lián)校正元件反饋元件輸出——r(t)c(t)輸入信號++偏差信號e主反饋信號測量反饋元件主反饋局部反饋比較元件擾動控制對象基本元部件測量反饋元件：測量被控制量并將其轉換成與輸入相同的物理量后，再反饋到輸入端以作比較。測速發(fā)電機、電位器、熱電偶比較元件：用來比較輸入信號與反饋信號，并產(chǎn)生反映兩者差值的偏差信號。差動放大器、機械差動裝置、電橋電路放大元件：將微弱的信號作線性放大，用來推動執(zhí)行元件去控制被控對象。電壓放大級、功率放大級執(zhí)行元件：根據(jù)偏差信號的性質(zhì)執(zhí)行相應的控制作用，以便被使被控量按期望值變化。閥、電動機、液壓馬達校正環(huán)節(jié)：用于改善系統(tǒng)性能，校正環(huán)節(jié)可加于偏差信號與輸出信號之間的通道內(nèi)，也可加于某一局部反饋通道內(nèi)。由電阻、電容組成的無源或有源網(wǎng)絡控制對象：生產(chǎn)過程中需要進行控制的工作機械或生產(chǎn)過程。被控量：出現(xiàn)于被控對象中需要控制的物理量。二、常用名詞術語系統(tǒng)：由被控對象和自動控制裝置按一定方式聯(lián)接起來的，以完成某種自動控制任務的有機整體。輸入信號：參考輸入、給定值、期望值輸出信號：被控制量反饋信號：由系統(tǒng)的輸出端送回到系統(tǒng)的輸入端的信號。偏差信號：參考輸入與主反饋之差。誤差信號：輸出量的實際值與期望值之差。在單位反饋下：誤差信號＝偏差信號擾動信號：一種對系統(tǒng)的輸出產(chǎn)生不利影響的信號。1.4自動控制系統(tǒng)的分類一、按參考輸入信號分1.恒值控制系統(tǒng)--輸入信號為常數(shù)(恒值)如溫度、流量、液位、壓力控制tr(t)2.程序控制系統(tǒng)--輸入信號為預知的隨時間變化函數(shù)如數(shù)控機床、熱處理爐溫控制3.隨動控制系統(tǒng)(伺服系統(tǒng))--輸入信號是未知的隨時間變化任意函數(shù)如火炮控制、雷達天線控制二、按系統(tǒng)數(shù)學性質(zhì)分1.線性系統(tǒng)--可用線性微分方程(差分方程)描述。2.非線性系統(tǒng)--需用非線性微分方程(或差分方程)描述。三、按系統(tǒng)傳遞的信號分1.連續(xù)系統(tǒng)2.離散系統(tǒng)四、按時間信號分1.定常系統(tǒng)2.時變系統(tǒng)1.6對自動控制系統(tǒng)的基本要求及本課程的研究內(nèi)容

1.“穩(wěn)”定性(stability)--基本要求系統(tǒng)受到擾動后，重新恢復平衡狀態(tài)的能力。穩(wěn)定性是對系統(tǒng)的最基本要求，不穩(wěn)定的系統(tǒng)無法正常工作。穩(wěn)定性，通常由系統(tǒng)的結構決定與外界因素無關。

一、基本要求C()C(t)t01321--衰減振蕩2--等幅振蕩3--發(fā)散2.“快”速性(rapidness)--動態(tài)要求對過渡過程的形式和快慢提出要求，一般來說，都希望系統(tǒng)的快速性要好。C()C(t)t01323.“準”確性(accuracy)--穩(wěn)態(tài)要求用穩(wěn)態(tài)誤差來表示。如果在參考輸入信號作用下，當系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)后，其穩(wěn)態(tài)輸出與參考輸入所要求的期望輸出之差叫做給定穩(wěn)態(tài)誤差。顯然，這種誤差越小，表示系統(tǒng)的輸出跟隨參考輸入的精度越高。

從總體上講，