自動(dòng)控制理論第一章

第一章自動(dòng)控制理論概述§1－1引言自動(dòng)控制技術(shù)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防、航空航天等各個(gè)領(lǐng)域中起著重要的作用！廣泛應(yīng)用于各種工程學(xué)科領(lǐng)域，并擴(kuò)展到生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)管理和其它許多社會(huì)生活領(lǐng)域。獨(dú)立的學(xué)科并與其它學(xué)科相互滲透、相互促進(jìn)。

《自動(dòng)控制原理》是自動(dòng)控制技術(shù)的基礎(chǔ)理論，是一門理論性較強(qiáng)的工程科學(xué)。

現(xiàn)代的工程技術(shù)人員和科學(xué)工作者，必須具備一定的自動(dòng)控制理論基礎(chǔ)知識(shí)！

§1-2自動(dòng)控制理論和自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念第一章自動(dòng)控制理論概述采用離心調(diào)速器的蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)舉例：第一章自動(dòng)控制理論概述一、人工控制與自動(dòng)控制第一章自動(dòng)控制理論概述第一章自動(dòng)控制理論概述二、開環(huán)控制系統(tǒng)例：烤面包機(jī)輸入—定時(shí)器設(shè)定的時(shí)間輸出—面包的顏色控制對(duì)象—烤箱的加熱系統(tǒng)控制器與被控對(duì)象之間只有正向的控制作用。輸出量對(duì)控制量沒有影響。輸入輸出間沒有反饋回路。第一章自動(dòng)控制理論概述第一章自動(dòng)控制理論概述開環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低。系統(tǒng)的控制精度取決于給定信號(hào)的標(biāo)定精度及控制器及被控對(duì)象參數(shù)的穩(wěn)定性。開環(huán)系統(tǒng)沒有抗干擾的能力。因此精度較低。應(yīng)用場(chǎng)合：控制量的變化規(guī)律可以預(yù)知?？赡艹霈F(xiàn)的干擾可以抑制。被控量很難測(cè)量。應(yīng)用較為廣泛，如家電、加熱爐、車床等等。第一章自動(dòng)控制理論概述三、閉環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)系統(tǒng)精度不高、適應(yīng)性不強(qiáng)。

將輸出量引入到輸入端，使輸出量對(duì)控制作用產(chǎn)生直接的影響。形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。第一章自動(dòng)控制理論概述前向通道：系統(tǒng)輸入量到輸出量之間的通道。反饋通道：從輸出量到反饋信號(hào)之間的通道。比較環(huán)節(jié)：輸出量為各輸入量的代數(shù)和。輸入量：ur

輸出量：n反饋量：uf

控制量：ua偏差量(ue)＝給定量

(ur)－反饋量(uf)第一章自動(dòng)控制理論概述閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：系統(tǒng)對(duì)外部或內(nèi)部干擾(如內(nèi)部件參數(shù)變動(dòng))的影響不甚敏感。出于采用反饋裝置，導(dǎo)致設(shè)備增多，線路復(fù)雜。閉環(huán)系統(tǒng)存在穩(wěn)定性問題。由于反饋通道的存在，對(duì)于那些慣性較大的系統(tǒng)，若參數(shù)配合不當(dāng)，控制性能可能變得很差．甚至出現(xiàn)發(fā)散或等幅振蕩等不穩(wěn)定的情況。注意：對(duì)于主反饋必須采用負(fù)反饋。若采用正反饋將使偏差越來越大。閉環(huán)控制系統(tǒng)：通過反饋回路使系統(tǒng)構(gòu)成閉環(huán)并按偏差的性質(zhì)產(chǎn)生控制作用，以求減小或消除偏差(從而減小或消除誤差)的控制系統(tǒng)。第一章自動(dòng)控制理論概述四、自動(dòng)控制系統(tǒng)的概念和特征自動(dòng)控制：在沒有人直接參與的情況下，通過控制器（控制裝置）使被控制對(duì)象或過程自動(dòng)地在一定的精度范圍內(nèi)按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。系統(tǒng)：由相互制約的各個(gè)部分按一定的規(guī)律組成的、為達(dá)到一定目的的、具有一定功能的整體。反饋：將檢測(cè)出來的輸出量送回到系統(tǒng)的輸入端，并與輸入信號(hào)比較的過程。反饋分為負(fù)反饋（反饋信號(hào)與輸入信號(hào)相減）和正反饋（反饋信號(hào)與輸入信號(hào)相加）。自動(dòng)控制的基礎(chǔ)為閉環(huán)控制。控制論的奠基人N.Wiener給出的定義為：“Feedbackisamethodofcontrollingasystembyinsertingintoittheresultofitspastperformance”

《控制論——關(guān)于在動(dòng)物和機(jī)器中控制和通訊的科學(xué)》美國(guó)MIT的N.Wiener研究隨機(jī)過程的預(yù)測(cè)(1942)，提出Wiener濾波理論(1942)，發(fā)表《控制論》(Cybernetics)一書(1948)，標(biāo)志著控制論學(xué)科的誕生。第一章自動(dòng)控制理論概述自動(dòng)控制系統(tǒng)的特征：1.結(jié)構(gòu)上必須有反饋裝置并按負(fù)反饋的原則構(gòu)成系統(tǒng)。2.由偏差產(chǎn)生控制作用?？刂频哪康氖潜M量的減小或消除偏差，使輸出量接近于期望值。自動(dòng)控制系統(tǒng)定義：

是一個(gè)帶有反饋裝置的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。系統(tǒng)能自動(dòng)而連續(xù)地測(cè)量被控制量，并求出偏差，進(jìn)而根據(jù)偏差的大小和正負(fù)極性進(jìn)行控制，而控制的目的是力圖減小或消除所存在的偏差。第一章自動(dòng)控制理論概述§1－3自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成和分類一、控制系統(tǒng)的組成測(cè)量反饋元件——用以測(cè)量被控量并將其轉(zhuǎn)換成與輸入量同一物理量后，再反饋到輸入端以作比較。比較元件——用來比較輸人信號(hào)與反饋信號(hào)。放大元件——將微弱的信號(hào)作線性放大。校正元件——按某種函數(shù)規(guī)律變換控制信號(hào)，并產(chǎn)生反映兩者差值的偏差信號(hào)。以利于改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)或靜態(tài)性能。執(zhí)行元件——根據(jù)偏差信號(hào)的性質(zhì)執(zhí)行相應(yīng)的控制作用，以便使被控量按期望值變化?？刂茖?duì)象——又稱被控對(duì)象或受控對(duì)象，通常是指生產(chǎn)過程中需要進(jìn)行控制的工作機(jī)械或生產(chǎn)過程。出現(xiàn)于被控對(duì)象中需要控制的物理量稱為被控量。第一章自動(dòng)控制理論概述第一章自動(dòng)控制理論概述常用的名詞術(shù)語(yǔ)輸入信號(hào)：也叫參考輸入，給定量或給定值，它是控制著輸出量變化規(guī)律的指令信號(hào)。輸出信號(hào)：是指被控對(duì)象中要求按一定規(guī)律變化的物理量，又稱被控量，它與輸入量之間保持一定的函數(shù)關(guān)系。反饋信號(hào)：由系統(tǒng)(或元件)輸出端取出并反向送回系統(tǒng)(或元件)輸入端的信號(hào)稱為反饋信號(hào)。反饋有主反饋和局部反饋之分。偏差信號(hào)：它是指參考輸入與主反饋信號(hào)之差。誤差信號(hào)：指系統(tǒng)輸出量的實(shí)際值與期望值之差，簡(jiǎn)稱誤差。擾動(dòng)信號(hào)：簡(jiǎn)稱擾動(dòng)或干擾、它與控制作用相反，是一種不希望的、影響系統(tǒng)輸出的不利因素。擾動(dòng)信號(hào)既可來自系統(tǒng)內(nèi)部，又可來自系統(tǒng)外部，前者稱內(nèi)部擾動(dòng)，后者稱外部擾動(dòng)。第一章自動(dòng)控制理論概述二、自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類1.按輸入信號(hào)的特征分

恒值控制系統(tǒng)（又稱自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)）輸入信號(hào)為常數(shù)。主要強(qiáng)調(diào)抗擾性。

隨動(dòng)系統(tǒng)（又稱伺服系統(tǒng)）輸入信號(hào)是預(yù)先不知道的隨時(shí)間任意變化的函數(shù)，控制系統(tǒng)能使輸出信號(hào)以任意高的精度跟隨給定值的變化。主要強(qiáng)調(diào)跟隨性。程序控制系統(tǒng)

輸入信號(hào)是已知的、預(yù)先設(shè)定好的時(shí)間的函數(shù)。

第一章自動(dòng)控制理論概述第一章自動(dòng)控制理論概述飛機(jī)示意圖給定裝置放大器舵機(jī)飛機(jī)

反饋電位器

垂直陀螺儀θ0θc擾動(dòng)俯仰角控制系統(tǒng)方塊圖國(guó)民收入的反饋系統(tǒng)模型第一章自動(dòng)控制理論概述2.按描述元件的動(dòng)態(tài)方程分

線性系統(tǒng)組成系統(tǒng)的全部元件都是線性元件，它們的輸入-輸出的靜態(tài)特性均為線性，這類系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)可由常系數(shù)的微分方程（或差分方程）來描述。非線性系統(tǒng)系統(tǒng)中含有一個(gè)或多個(gè)非線性元件，非線性元件的靜態(tài)輸入-輸出特性均為非線性的。凡含有非線性元件的系統(tǒng)均稱為非線性系統(tǒng)。系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)需要用非線性的微分方程或差分方程來描述。第一章自動(dòng)控制理論概述3.按信號(hào)傳遞是否連續(xù)分類連續(xù)系統(tǒng)系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)間的信號(hào)均為時(shí)間t的連續(xù)函數(shù)。運(yùn)動(dòng)規(guī)律用微分方程來描述。離散系統(tǒng)信號(hào)的傳遞過程中，只要有一處是脈沖序列或數(shù)字編碼，這類系統(tǒng)要用差分方程來進(jìn)行描述。4.按系統(tǒng)的參數(shù)是否隨時(shí)間的變化而分類定常系統(tǒng)時(shí)變系統(tǒng)5.單輸入-單輸出和多輸入多輸出第一章自動(dòng)控制理論概述6.確定和不確定系統(tǒng)7.集中參數(shù)系統(tǒng)和分布參數(shù)系統(tǒng)第一章自動(dòng)控制理論概述§1-4自動(dòng)控制理論概要一、自動(dòng)控制理論主要研究的問題

系統(tǒng)分析

在已知系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)的條件下，研究系統(tǒng)在某種典型輸入信號(hào)下輸出信號(hào)變化的全過程，并從這個(gè)變化過程中得到評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能的指標(biāo)；以及討論系統(tǒng)的性能和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)的關(guān)系。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在給定被控對(duì)象及所要求的性能指標(biāo)的情況下，設(shè)計(jì)一個(gè)即能完成控制任務(wù)又可以滿足所提出的性能指標(biāo)的控制系統(tǒng)。要改變系統(tǒng)的某些參數(shù)或者是加入校正裝置，使其滿足預(yù)定的性能指標(biāo)要求。第一章自動(dòng)控制理論概述二、對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確性，即穩(wěn)、快、準(zhǔn)。

穩(wěn)定性穩(wěn)定性是指系統(tǒng)重新恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力，任何一個(gè)正常工作的系統(tǒng)首先必須是穩(wěn)定的。快速性由于系統(tǒng)的對(duì)象和元件通常具有一定的慣性，并受到能源功率的限制，因此，當(dāng)系自輸入(給定輸入或擾動(dòng)輸入)信號(hào)改變時(shí)，在控制作用下，系統(tǒng)必然由原先的平衡狀態(tài)經(jīng)過一段時(shí)間才過渡到另一個(gè)新的平衡狀態(tài)，這個(gè)過程稱為過渡過程。過渡過程越短，表明系統(tǒng)的快速性越好?？焖傩允呛饬肯到y(tǒng)質(zhì)量高低的重要指標(biāo)之一。第一章自動(dòng)控制理論概述

準(zhǔn)確性對(duì)一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)而言，當(dāng)過渡過程結(jié)束后，系統(tǒng)輸出量的實(shí)際值與期望值之差稱為穩(wěn)態(tài)誤差，它是衡量系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度的重要指標(biāo)。穩(wěn)態(tài)誤差越小，表示系統(tǒng)的準(zhǔn)確性越好。穩(wěn)、準(zhǔn)、快是相互制約的！

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程第一章自動(dòng)控制理論概述三、古典控制理論和現(xiàn)代控制理論1.發(fā)展過程

1877年，勞斯(E．Routh)和1895年赫爾維茨(A．Hurwith)分別獨(dú)立地提出了關(guān)于判斷控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的代數(shù)判據(jù)。

1932年奈奎斯特(H．Nyquist)在研究負(fù)反饋放大器時(shí)創(chuàng)立了有名的穩(wěn)定性判據(jù)，并提出了穩(wěn)定裕量的概念。

1945年伯德(H.W.Bode)提出了分析控制系統(tǒng)的另一種圖解方法即頻率法。

1948年伊萬(wàn)斯(w.K．Evans)又創(chuàng)立了根軌跡法。

美國(guó)MIT的N.Wiener研究隨機(jī)過程的預(yù)測(cè)(1942)，提出Wiener濾波理論(1942)，發(fā)表《控制論》(Cybernetics)一書(1948)，標(biāo)志著控制論學(xué)科的誕生。第一章自動(dòng)控制理論概述

50年代中期，經(jīng)典控制理論又添加了非線性系統(tǒng)理論和離散控制理論，從而形成了完整的理論體系。60年代初又形成了現(xiàn)代控制理論。

1956年龐特里亞金提出了極大值原理。

1957年貝爾曼(K．Bellman)提出了動(dòng)態(tài)規(guī)劃。

1961年卡爾曼(R．E．Kalman)提出了最優(yōu)濾波理論以及狀態(tài)空間方法的應(yīng)用。從60年代至今，現(xiàn)代控制理論義有巨大的發(fā)展，并形成了若干學(xué)科分支．如線性系統(tǒng)理論、最優(yōu)控制理論、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)辨識(shí)、自適應(yīng)控制、魯棒控制理論、復(fù)雜大系統(tǒng)理論等。第一章自動(dòng)控制理論概述四、自動(dòng)控制理論的主要內(nèi)容1經(jīng)典控制理論以描述輸入與輸出外部關(guān)系的傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)。研究單輸入、單輸出系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問題。以積分變換為主要的數(shù)學(xué)工具。研究方法有時(shí)域分析法、根軌跡法