自動(dòng)控制原理緒論演示文稿

自動(dòng)控制原理緒論演示文稿當(dāng)前1頁，總共40頁。（優(yōu)選）自動(dòng)控制原理緒論當(dāng)前2頁，總共40頁。第一章緒論第二章控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型第三章控制系統(tǒng)的時(shí)域分析第四章根軌跡法第五章線性系統(tǒng)的頻域分析第六章線性系統(tǒng)的校正方法第七章線性離散控制系統(tǒng)第八章非線性系統(tǒng)理論第九章狀態(tài)空間分析目錄3當(dāng)前3頁，總共40頁。第一章緒論1.1引言

（自動(dòng)控制原理發(fā)展概況及應(yīng)用領(lǐng)域）1.2控制系統(tǒng)的一般概念

（開環(huán)控制、閉環(huán)控制）1.3控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)

（穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)、瞬態(tài)性能指標(biāo)）1.4典型輸入信號(hào)

（階躍信號(hào)、斜坡信號(hào)、拋物線信號(hào)、脈沖信號(hào)）4當(dāng)前4頁，總共40頁。1.1引言1.1.1自動(dòng)控制技術(shù)及其應(yīng)用在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的眾多領(lǐng)域中，自動(dòng)控制技術(shù)起著越來越重要的作用。如數(shù)控車床按預(yù)定程序自動(dòng)切削，人造衛(wèi)星準(zhǔn)確進(jìn)入預(yù)定軌道并回收等。除了在工業(yè)上廣泛應(yīng)用外，近幾十年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，在宇航、機(jī)器人控制、導(dǎo)彈制導(dǎo)及核動(dòng)力等高新技術(shù)領(lǐng)域中，自動(dòng)控制技術(shù)更具特別重要的作用。不僅如此，自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用范圍現(xiàn)在已擴(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)域中，自動(dòng)控制已成為現(xiàn)代社會(huì)生活中不可缺少的一部分。5當(dāng)前5頁，總共40頁。應(yīng)用領(lǐng)域工業(yè)航空航天機(jī)器人控制導(dǎo)彈制導(dǎo)核動(dòng)力生物醫(yī)學(xué)環(huán)境管理家用電器1.1引言6當(dāng)前6頁，總共40頁。自動(dòng)控制：在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（控制裝置），使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（控制對(duì)象）的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)（被控量）自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。自動(dòng)控制系統(tǒng)：是指能夠?qū)Ρ豢貙?duì)象的工作狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)控制的系統(tǒng)。它一般由控制裝置和被控對(duì)象組成。被控制對(duì)象是指那些要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程?？刂蒲b置是指對(duì)被控對(duì)象起控制作用的設(shè)備總體。1.1引言7當(dāng)前7頁，總共40頁。1.1.2自動(dòng)控制理論的發(fā)展

自動(dòng)控制理論是研究自動(dòng)控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)。既是一門古老的、已臻成熟的學(xué)科，又是一門正在發(fā)展的、具有強(qiáng)大生命力的新興學(xué)科。從1868年馬克斯威爾（）提出低階系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù)至今一百多年里，自動(dòng)控制理論的發(fā)展可分為四個(gè)主要階段：第一階段：經(jīng)典控制理論（或古典控制理論）的產(chǎn)生、發(fā)展和成熟；第二階段：現(xiàn)代控制理論的興起和發(fā)展；第三階段：大系統(tǒng)控制興起和發(fā)展階段；第四階段：智能控制發(fā)展階段。1.1引言8當(dāng)前8頁，總共40頁?？刂评碚摰陌l(fā)展：（工業(yè)控制理論）1經(jīng)典控制理論40-50年代形成SISO系統(tǒng)線性定常系統(tǒng)基于：二戰(zhàn)軍工技術(shù)目標(biāo)：反饋控制系統(tǒng)的鎮(zhèn)定基本方法：傳遞函數(shù)，頻率法，PID調(diào)節(jié)器(頻域)代表人物：伯德、伊文斯2現(xiàn)代控制理論60-70年代形成MIMO系統(tǒng)基于：冷戰(zhàn)時(shí)期空間技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)目標(biāo)：最優(yōu)控制基本方法：狀態(tài)方程（時(shí)域）代表人物：龐德里亞金、貝爾曼、卡爾曼、布西1.1引言9當(dāng)前9頁，總共40頁。3智能控制技術(shù)（90年代開始發(fā)展）專家系統(tǒng)模糊控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)4正在發(fā)展的各個(gè)領(lǐng)域自適應(yīng)控制大系統(tǒng)理論

H∞魯棒控制非線性控制（微分幾何，混沌，變結(jié)構(gòu)）1.1引言10當(dāng)前10頁，總共40頁。經(jīng)典控制理論的基本特征主要用于線性定常系統(tǒng)的研究，即用于常系數(shù)線性微分方程描述的系統(tǒng)的分析與綜合；只用于單輸入，單輸出的反饋控制系統(tǒng)；只討論系統(tǒng)輸入與輸出之間的關(guān)系，而忽視系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)，是一種對(duì)系統(tǒng)的外部描述方法。1.1引言11當(dāng)前11頁，總共40頁。1.2控制系統(tǒng)的一般概念開環(huán)控制是指系統(tǒng)的被控制量（輸出量）只受控于控制作用，而對(duì)控制作用不能反施任何影響的控制方式。采用開環(huán)控制的系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。1.2.1開環(huán)控制與閉環(huán)控制開環(huán)控制12當(dāng)前12頁，總共40頁。

閉環(huán)控制

閉環(huán)控制是指系統(tǒng)的被控制量（輸出量）與控制作用之間存在著負(fù)反饋的控制方式。采用閉環(huán)控制的系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)或反饋控制系統(tǒng)。1.2控制系統(tǒng)的一般概念13當(dāng)前13頁，總共40頁。反饋的概念

反饋：把輸出量送回到系統(tǒng)的輸入端并與輸入信號(hào)比較的過程。若反饋信號(hào)是與輸入信號(hào)相減而使偏差值越來越小，則稱為負(fù)反饋；反之，則稱為正反饋。顯然，負(fù)反饋控制是一個(gè)利用偏差進(jìn)行控制并最后消除偏差的過程，又稱偏差控制。同時(shí)，由于有反饋的存在，整個(gè)控制過程是閉合的，故也稱為閉環(huán)控制。1.2控制系統(tǒng)的一般概念14當(dāng)前14頁，總共40頁。方框圖的概念

方框：

控制裝置和被控對(duì)象分別用方框表示信號(hào)線:

方框的輸入和輸出以及它們之間的聯(lián)接用帶箭頭的信號(hào)線表示輸入信號(hào):

進(jìn)入方框的信號(hào)輸出信號(hào):

離開方框的信號(hào)信號(hào)線方框信號(hào)線輸入信號(hào)輸出信號(hào)1.2控制系統(tǒng)的一般概念15當(dāng)前15頁，總共40頁。開環(huán)控制系統(tǒng)方框圖控制裝置被控對(duì)象輸入量輸出量（被控制量）輸入量：加在電阻絲兩端的電壓被控制對(duì)象：爐子被控制量（輸出量）：爐溫控制裝置：開關(guān)K和電熱絲，對(duì)被控制量起控制作用。1.2控制系統(tǒng)的一般概念16當(dāng)前16頁，總共40頁。閉環(huán)控制方框圖1.2控制系統(tǒng)的一般概念17當(dāng)前17頁，總共40頁。開環(huán)和閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)開環(huán)系統(tǒng)：結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好，容易設(shè)計(jì)和調(diào)整以及成本較低的優(yōu)點(diǎn)，但控制精度較低。對(duì)那些負(fù)載恒定，擾動(dòng)小，控制精度要求不高的實(shí)際系統(tǒng)，是有效的控制方式。(我行我素)閉環(huán)系統(tǒng)：由于增加了檢測(cè)裝置和反饋環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成本有所增加；但它提高了系統(tǒng)的控制精度和抗干擾能力。（隨機(jī)應(yīng)變、見風(fēng)使舵）1.2控制系統(tǒng)的一般概念18當(dāng)前18頁，總共40頁。191.2控制系統(tǒng)的一般概念輸入量（給定量）控制器執(zhí)行器被控對(duì)象輸出量（被控量）控制量開環(huán)控制閉環(huán)控制控制器執(zhí)行器被控對(duì)象被控量（輸出量）給定量（輸入量）檢測(cè)裝置控制量比較器當(dāng)前19頁，總共40頁。20輸入量（人熱輻射發(fā)出的信號(hào)）控制器（控制電路）執(zhí)行器（電動(dòng)機(jī)）被控對(duì)象（自動(dòng)門）輸出量（門開或閉）控制量（轉(zhuǎn)動(dòng)）輸入量（有無聲音）控制器（聲電傳感器）執(zhí)行器（觸點(diǎn)延時(shí)開關(guān)）被控對(duì)象（樓道燈）輸出量（燈亮或滅）控制量（電流）賓館自動(dòng)門控制系統(tǒng)樓道自動(dòng)聲控?zé)粞b置1.2控制系統(tǒng)的一般概念當(dāng)前20頁，總共40頁。21控制器（控制裝置）執(zhí)行器（制冷裝置）被控對(duì)象（電冰箱）被控量（冰箱實(shí)際溫度）給定量（設(shè)定的溫度）檢測(cè)裝置（冰箱溫控裝置）控制量（制冷量）比較器家用電冰箱溫度控制系統(tǒng)給定量（設(shè)定的溫度）控制家用電飯鍋溫度控制系統(tǒng)器（溫控裝置）執(zhí)行器（電熱盤）被控對(duì)象（電飯鍋）被控量（電飯鍋溫度70—80℃）檢測(cè)裝置（雙金屬片）控制量（加熱時(shí)間）比較器家用電飯鍋保溫控制系統(tǒng)1.2控制系統(tǒng)的一般概念當(dāng)前21頁，總共40頁。反饋控制系統(tǒng)方框圖1.2.2反饋控制系統(tǒng)的組成、名詞術(shù)語和定義1.2控制系統(tǒng)的一般概念22當(dāng)前22頁，總共40頁。參考輸入r輸入到控制系統(tǒng)中的指令信號(hào)；主反饋b與輸出成正比或某種函數(shù)關(guān)系且與參考輸入量綱相同的反饋信號(hào)；偏差e參考輸入與主反饋之差，即e=r-b;控制量u從控制器輸出并作用于被控制對(duì)象的信號(hào)；擾動(dòng)n來自系統(tǒng)內(nèi)部或外部，對(duì)系統(tǒng)輸出產(chǎn)生不利影響的信號(hào)；輸出c反饋控制系統(tǒng)的被控制量，即被控制對(duì)象的輸出量；1.2控制系統(tǒng)的一般概念23當(dāng)前23頁，總共40頁。比較環(huán)節(jié)將參考輸入與主反饋信號(hào)進(jìn)行比較的環(huán)節(jié)，它的輸出等于參考輸入與主反饋信號(hào)的差值，即偏差e,比較環(huán)節(jié)又稱為偏差檢測(cè)器；控制器用來對(duì)被控制對(duì)象施加控制作用的裝置；控制對(duì)象被控制的機(jī)器、設(shè)備、過程或系統(tǒng)；反饋環(huán)節(jié)將輸出量轉(zhuǎn)化為主反饋信號(hào)的裝置，反饋環(huán)節(jié)中通常含有信號(hào)檢測(cè)裝置。1.2控制系統(tǒng)的一般概念24當(dāng)前24頁，總共40頁。1.2.3反饋控制系統(tǒng)的分類按參考輸入形式分類:

恒值系統(tǒng)

隨動(dòng)系統(tǒng)

按照組成系統(tǒng)的元件特性分類:

線性系統(tǒng)

非線性系統(tǒng)按照系統(tǒng)內(nèi)信號(hào)的傳遞形式分類:

連續(xù)系統(tǒng)

離散系統(tǒng)1.2控制系統(tǒng)的一般概念25當(dāng)前25頁，總共40頁。線性系統(tǒng)：當(dāng)系統(tǒng)中各元件輸入輸出特性是線性特性，系統(tǒng)的狀態(tài)和性能以線性微分方程或差分方程來描述時(shí)，這種系統(tǒng)稱為線性系統(tǒng)。非線性系統(tǒng)：系統(tǒng)中只要存在一個(gè)元件為非線性元件，系統(tǒng)的微分方程就由非線性方程來描述，這樣的系統(tǒng)稱為非線性系統(tǒng)。1.2控制系統(tǒng)的一般概念26當(dāng)前26頁，總共40頁。古典控制理論中（我們所正在學(xué)習(xí)的），采用的是單輸入單輸出描述方法。主要是針對(duì)線性定常系統(tǒng)，對(duì)于非線性系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng)，解決問題的能力是極其有限的。[非線性系統(tǒng)]：如果不能應(yīng)用疊加原理，則系統(tǒng)是非線性的。下面是非線性系統(tǒng)的一些例子：1.2控制系統(tǒng)的一般概念27當(dāng)前27頁，總共40頁。連續(xù)控制系統(tǒng)：連續(xù)系統(tǒng)的特點(diǎn)是系統(tǒng)中各元件的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)都是時(shí)間的連續(xù)函數(shù)，這類系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是用微分方程來描述的。離散控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)中只要存在一處的信號(hào)為脈沖序列或數(shù)碼時(shí)，該系統(tǒng)即為離散系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的狀態(tài)和性能一般用差分方程來描述。1.2控制系統(tǒng)的一般概念28當(dāng)前28頁，總共40頁。恒值系統(tǒng)：參考輸入量保持常值的系統(tǒng)。其任務(wù)是消除或減少擾動(dòng)信號(hào)對(duì)系統(tǒng)輸出的影響，使被控制量（即系統(tǒng)的輸出量）保持在給定或希望的數(shù)值上。隨動(dòng)系統(tǒng)：參考輸入量隨時(shí)間任意變化的系統(tǒng)。其任務(wù)是要求輸出量以一定的精度和速度跟蹤參考輸入量，跟蹤的速度和精度是隨動(dòng)系統(tǒng)的兩項(xiàng)主要性能指標(biāo)。1.2控制系統(tǒng)的一般概念29當(dāng)前29頁，總共40頁。單輸入單輸出系統(tǒng)與多輸入多輸出系統(tǒng)1.單輸入單輸出系統(tǒng)(單變量系統(tǒng))系統(tǒng)的輸入量和輸出量各為一個(gè),稱為單輸入單輸出系統(tǒng)。2.多輸入多輸出系統(tǒng)(多變量系統(tǒng))

若系統(tǒng)的輸入量和輸出量多于一個(gè),稱為多輸入多輸出系統(tǒng)。對(duì)于線性多輸入多輸出系統(tǒng),系統(tǒng)的任何一個(gè)輸出等于數(shù)個(gè)輸入單獨(dú)作用下輸出的疊加。

1.2控制系統(tǒng)的一般概念當(dāng)前30頁，總共40頁。1.3控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)對(duì)控制系統(tǒng)性能的要求概括為三方面：

穩(wěn)定性控制系統(tǒng)運(yùn)行的必要條件，不穩(wěn)定的系統(tǒng)不能工作

穩(wěn)態(tài)性能過渡過程結(jié)束，到達(dá)穩(wěn)態(tài)后系統(tǒng)的控制精度的度量

瞬態(tài)性能

系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性，系統(tǒng)的過渡過程越短越好穩(wěn)定性

系統(tǒng)在受到擾動(dòng)作用后自動(dòng)返回原來的平衡狀態(tài)的能力。如果系統(tǒng)受到擾動(dòng)作用（系統(tǒng)內(nèi)或系統(tǒng)外）后，能自動(dòng)返回到原來的平衡狀態(tài)，則該系統(tǒng)是穩(wěn)定的。穩(wěn)定系統(tǒng)的數(shù)學(xué)特征是其輸出量具有非發(fā)散性；反之，系統(tǒng)是不穩(wěn)定系統(tǒng)。31當(dāng)前31頁，總共40頁。在自動(dòng)控制理論中，有多種穩(wěn)定性的定義，這里只討論其中最常用的一種，即漸近穩(wěn)定性的定義。

圖aAf

圖b

圖cdfcA圖c中，小球在C、D范圍內(nèi)，系統(tǒng)是穩(wěn)定的，故可以認(rèn)為該系統(tǒng)是條件穩(wěn)定系統(tǒng)。圖a為穩(wěn)定的系統(tǒng)。圖b為不穩(wěn)定系統(tǒng)。1.3控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)32當(dāng)前32頁，總共40頁。穩(wěn)態(tài)誤差

指穩(wěn)定系統(tǒng)在完成過渡過程后的穩(wěn)態(tài)輸出偏離希望值的程度。開環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差通常與系統(tǒng)的增益或放大倍數(shù)有關(guān)，而反饋控制系統(tǒng)（閉環(huán)系統(tǒng)）的控制精度主要取決于它的反饋深度。穩(wěn)態(tài)誤差越小，系統(tǒng)的精度越高，它由系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)反映出來。1.3控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)33當(dāng)前33頁，總共40頁。瞬態(tài)響應(yīng)指標(biāo)

在時(shí)域中，常用單位階躍信號(hào)作用下，系統(tǒng)輸出的超調(diào)量p,上升時(shí)間Tr，峰值時(shí)間Tp,過渡過程時(shí)間（或調(diào)整時(shí)間）Ts和振蕩次數(shù)N等特征量表示。單位階躍信號(hào)作用下，穩(wěn)定系統(tǒng)的典型輸出響應(yīng)曲線1.3控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)34當(dāng)前34頁，總共40頁。自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)例：造紙機(jī)分部傳動(dòng)控制系統(tǒng)1.3控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)當(dāng)前35頁，總共40頁。

如圖所示。含有大量水分的紙張經(jīng)過第一壓榨棍后，去掉了一部分含水量，然后再進(jìn)入第二壓榨棍，再榨去一部分水分。第一和第二壓榨棍分別由各自的電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，顯然兩個(gè)壓榨棍的轉(zhuǎn)速必須協(xié)調(diào)，否則將會(huì)拉斷紙頁或出現(xiàn)疊堆。

自動(dòng)控制系統(tǒng)中壓榨棍拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)M的轉(zhuǎn)速由測(cè)速發(fā)電機(jī)TG檢測(cè)出來，并轉(zhuǎn)換為速度反饋電壓Uf。參考電壓Ur，與反饋電壓Uf相比較得偏差電壓Ur-Uf，經(jīng)過放大去控制拖動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到兩個(gè)壓榨棍的轉(zhuǎn)速協(xié)調(diào)。1.3控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)36