1自動(dòng)控制原理課件概要

華中科技大學(xué)把握系：樊慧津自動(dòng)把握原理

(AutomaticControlTheory)學(xué)時(shí)：48+8/3.5考試：閉卷考試參考書(shū)目：王敏，秦肖臻編自動(dòng)把握原理。北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2023孫德寶主編。自動(dòng)把握原理。北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2023胡壽松主編。自動(dòng)把握原理。第三版。北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1994王劃一主編。自動(dòng)把握原理。北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2023試驗(yàn)安排4周〔332/322〕，8，11周〔620〕南一樓0401-0402班周一〔11-12〕0403-0404班周四〔11-12〕4周〔332/322〕，7，11周〔620〕南一樓0405-0406班周二〔9-10〕0407-0408班周二〔11-12〕14周計(jì)算中心四樓401機(jī)房0401-0408班周五〔1-2〕3主要內(nèi)容緒論把握系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型線性系統(tǒng)的時(shí)域分析線性系統(tǒng)的頻域分析線性系統(tǒng)的校正方法線性離散把握系統(tǒng)〔采樣系統(tǒng)分析〕狀態(tài)空間分析設(shè)計(jì)4第一章緒論1.1自動(dòng)把握的根本概念：明確什么叫自動(dòng)把握，正確理解被控對(duì)象、把握裝置和自控系統(tǒng)等概念。1.2自動(dòng)把握理論的進(jìn)展：了解自動(dòng)把握理論進(jìn)展的四個(gè)主要階段。1.3把握系統(tǒng)的分類：明確系統(tǒng)常用的分類方式，把握各類別的含義和信息特征1.4對(duì)把握系統(tǒng)的根本要求：明確對(duì)自控系統(tǒng)的根本要求，正確理解三大性能指標(biāo)的含義。5手動(dòng)控制人在把握過(guò)程中起三個(gè)作用：〔1〕觀測(cè)：用眼睛去觀測(cè)溫度計(jì)和轉(zhuǎn)速表的指示值；〔2〕比較與決策：人腦把觀測(cè)得到的數(shù)據(jù)與要求的數(shù)據(jù)相比較，并進(jìn)展推斷，依據(jù)給定的把握規(guī)律給出把握量；〔3〕執(zhí)行：依據(jù)把握量用手具體調(diào)整，如調(diào)整閥門(mén)開(kāi)度、轉(zhuǎn)變觸點(diǎn)位置。把握：操縱，抑制使不超出范圍或任憑活動(dòng)。61.1自動(dòng)把握的根本概念在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的眾多領(lǐng)域中，自動(dòng)把握技術(shù)起著越來(lái)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(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)展和應(yīng)用，在宇航、機(jī)器人把握、制導(dǎo)及核動(dòng)力等高新技術(shù)領(lǐng)域中，自動(dòng)把握技術(shù)更具特殊重要的作用。不僅如此，自動(dòng)把握技術(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)治理和其它很多社會(huì)生活領(lǐng)域中，特殊在化學(xué)工業(yè)中的應(yīng)用有傳熱設(shè)備把握，反響器把握，流體輸送設(shè)備把握，精餾塔把握等。自動(dòng)把握已成為現(xiàn)代社會(huì)生活中不行缺少的一局部。7自動(dòng)把握：自動(dòng)把握，就是在沒(méi)有人直接參與的狀況下，利用外加的設(shè)備或裝置〔把握裝置〕，使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程〔把握對(duì)象〕的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)〔被控量〕自動(dòng)地依據(jù)預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。自動(dòng)把握系統(tǒng)：是指能夠?qū)Ρ豢貙?duì)象的工作狀態(tài)進(jìn)展自動(dòng)把握的系統(tǒng)。它是把握對(duì)象以及參與實(shí)現(xiàn)其被把握量自動(dòng)把握的裝置或元部件的組合，一般由把握裝置和被控對(duì)象組成。一般包括三種機(jī)構(gòu)：測(cè)量機(jī)構(gòu)、比較機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)。自動(dòng)把握系統(tǒng)的功能和組成是多種多樣的，其構(gòu)造有簡(jiǎn)潔也有簡(jiǎn)潔。它可以只把握一個(gè)物理量，也可以把握多個(gè)物理量甚至一個(gè)企業(yè)機(jī)構(gòu)的全部生產(chǎn)和治理過(guò)程；它可以是一個(gè)具體的工程系統(tǒng)，也可以是比較抽象的社會(huì)系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)或經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)。8把握系統(tǒng)分析：系統(tǒng)的構(gòu)造參數(shù)，分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性，求取系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)性能指標(biāo)，并據(jù)此評(píng)價(jià)系統(tǒng)的過(guò)程稱為把握系統(tǒng)分析。把握系統(tǒng)設(shè)計(jì)〔或綜合〕：依據(jù)把握對(duì)象和給定系統(tǒng)的性能指標(biāo)，合理確實(shí)定把握裝置的構(gòu)造參數(shù)，稱為把握系統(tǒng)設(shè)計(jì)。被控量：指被控對(duì)象中要求保持給定值、要按給定規(guī)律變化的物理量。被控量又稱輸出量、輸出信號(hào)。給定值：系統(tǒng)輸出量應(yīng)到達(dá)的數(shù)值〔例如與要求的爐溫對(duì)應(yīng)的電壓〕。擾動(dòng)：是一種對(duì)自動(dòng)把握系統(tǒng)輸出量起反作用的信號(hào)，如電源電壓的波動(dòng)、環(huán)境溫度的變化。9開(kāi)環(huán)把握是指系統(tǒng)的被把握量〔輸出量〕只受控于把握作用，而對(duì)把握作用不能反施任何影響的把握方式。承受開(kāi)環(huán)把握的系統(tǒng)稱為開(kāi)環(huán)把握系統(tǒng)。優(yōu)點(diǎn)：構(gòu)造簡(jiǎn)潔，本錢(qián)低廉，易于實(shí)現(xiàn)缺點(diǎn)：對(duì)擾動(dòng)沒(méi)有抑制力氣，把握精度低把握方式

開(kāi)環(huán)控制10閉環(huán)把握閉環(huán)把握是指系統(tǒng)的被把握量〔輸出量〕與把握作用之間存在著負(fù)反響的把握方式。承受閉環(huán)把握的系統(tǒng)稱為閉環(huán)把握系統(tǒng)或反響把握系統(tǒng)。閉環(huán)把握是一切生物把握自身運(yùn)動(dòng)的根本規(guī)律。人本身就是一個(gè)具有高度簡(jiǎn)潔把握力氣的閉環(huán)系統(tǒng)。優(yōu)點(diǎn)：具有自動(dòng)補(bǔ)償由于系統(tǒng)內(nèi)部和外部干擾所引起的系統(tǒng)誤差〔偏差〕的力氣，因而有效地提高了系統(tǒng)的精度。缺點(diǎn)：系統(tǒng)參數(shù)應(yīng)適中選擇，否則可能不能正常工作。11反響的概念反響：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(guò)程。假設(shè)反響信號(hào)是與輸入信號(hào)相減而使偏差值越來(lái)越小，則稱為負(fù)反響；反之，則稱為正反響。明顯，負(fù)反響把握是一個(gè)利用偏差進(jìn)展把握并最終消退偏差的過(guò)程，又稱偏差把握。同時(shí)，由于有反響的存在，整個(gè)把握過(guò)程是閉合的，故也稱為閉環(huán)把握。12比較以上兩種把握方式由于開(kāi)環(huán)把握的特點(diǎn)是把握裝置只依據(jù)給定的輸入信號(hào)對(duì)被把握量進(jìn)展單向把握，而不對(duì)把握量進(jìn)展測(cè)量并反向影響把握作用。這樣，當(dāng)爐溫偏離希望值時(shí)，開(kāi)關(guān)K的接通或斷開(kāi)時(shí)間不會(huì)相應(yīng)轉(zhuǎn)變。因此，開(kāi)環(huán)把握不具有修正由于擾動(dòng)〔使被把握量偏離希望值的因素〕而消逝的被把握量與希望值之間偏差的力氣，即抗干擾力氣差。在閉環(huán)把握中，被控量一般是由測(cè)量裝置檢測(cè)并反響到輸入端，然后由比較裝置將它與輸入信號(hào)綜合得到偏差〔誤差〕，有時(shí)，測(cè)量與綜合作用是由一個(gè)裝置完成的，如水銀溫度計(jì)。由于承受了接觸式水銀溫度計(jì)，可以不斷對(duì)爐溫進(jìn)展測(cè)量和比較，依據(jù)爐溫的實(shí)際偏差進(jìn)展把握，提高了把握精度和抗干擾力氣。13是開(kāi)環(huán)和閉環(huán)把握相結(jié)合的一種把握方式。它是在閉環(huán)把握回路的根底上，附加一個(gè)輸入信號(hào)或擾動(dòng)信號(hào)的順饋通路，用來(lái)提高系統(tǒng)的把握精度。順饋通路通常由對(duì)輸入信號(hào)的補(bǔ)償器或?qū)_動(dòng)信號(hào)的補(bǔ)償器組成。優(yōu)點(diǎn)：具有很高的把握精度，可以抑制幾乎全部的可量測(cè)擾動(dòng)缺點(diǎn):補(bǔ)償器的參數(shù)要有較高的穩(wěn)定性復(fù)合把握14方框圖的概念

方框把握裝置和被控對(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(kāi)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)15開(kāi)環(huán)把握系統(tǒng)方框圖控制裝置被控對(duì)象輸入量輸出量〔被把握量〕輸入量：加在電阻絲兩端的電壓被把握對(duì)象：爐子被把握量〔輸出量〕：爐溫把握裝置：開(kāi)關(guān)K和電熱絲，對(duì)被把握量起把握作用。16溫度計(jì)繼電器電阻絲爐溫

輸入量（爐溫希望值）

輸出量（爐溫實(shí)際值）擾動(dòng)閉環(huán)把握的電加熱爐方框圖17人取書(shū)的把握過(guò)程眼睛腦手

輸入量（書(shū)的位置）

輸出量（手的位置）18閉環(huán)把握系統(tǒng)方框圖19反饋控制系統(tǒng)方框圖反響把握系統(tǒng)的組成、名詞術(shù)語(yǔ)和定義201.2自動(dòng)把握理論的進(jìn)展自動(dòng)把握理論是爭(zhēng)論自動(dòng)把握共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)。既是一門(mén)古老的、已臻成熟的學(xué)科，又是一門(mén)正在進(jìn)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)把握理論的進(jìn)展可分為四個(gè)主要階段：第一階段：經(jīng)典把握理論〔或古典把握理論〕的產(chǎn)生、進(jìn)展和成熟；其次階段：現(xiàn)代把握理論的興起和進(jìn)展；第三階段：大系統(tǒng)把握興起和進(jìn)展階段；第四階段：智能把握進(jìn)展階段。21經(jīng)典把握理論把握理論的進(jìn)展初期，是以反響理論為根底的自動(dòng)調(diào)整原理，主要用于工業(yè)把握。其次次世界大戰(zhàn)期間，為了設(shè)計(jì)和制造飛機(jī)及船用自動(dòng)駕駛儀、火炮定位系統(tǒng)、雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)等基于反響原理的軍用裝備，進(jìn)一步促進(jìn)和完善了自動(dòng)把握理論的進(jìn)展。1868年，馬克斯威爾〔〕提出了低階系統(tǒng)的穩(wěn)定性代數(shù)判據(jù)。1875年和1896年，數(shù)學(xué)家勞斯〔Routh〕和赫爾威茨〔Hurwitz〕分別獨(dú)立地提出了高階系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)，即Routh和Hurwitz判據(jù)。二戰(zhàn)期間〔1938-1945年〕奈奎斯特〔H.Nyquist〕提出了頻率響應(yīng)理論1948年，伊萬(wàn)斯〔〕提出了根軌跡法。至此，把握理論進(jìn)展的第一階段根本完成，形成了以頻率法和根軌跡法為主要方法的經(jīng)典把握理論。22經(jīng)典把握理論的根本特征〔1〕主要用于線性定常系統(tǒng)的爭(zhēng)論，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；〔2〕只用于單輸入，單輸出的反響把握系統(tǒng)；〔3〕只爭(zhēng)論系統(tǒng)輸入與輸出之間的關(guān)系，而無(wú)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。根本方法：根軌跡法，頻率法，PID調(diào)整器〔頻域〕反響把握是一種最根本最重要的把握方式，引入反響信號(hào)后，系統(tǒng)對(duì)來(lái)自內(nèi)部和外部干擾的響應(yīng)變得特殊遲鈍，從而提高了系統(tǒng)的抗干擾力氣和把握精度。與此同時(shí)，反響作用又帶來(lái)了系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題，正是這個(gè)曾一度困擾人們的系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題激發(fā)了人們對(duì)反響把握系統(tǒng)進(jìn)展深入爭(zhēng)論的熱忱，推動(dòng)了自動(dòng)把握理論的進(jìn)展與完善。因此從某種意義上講，古典把握理論是伴隨著反響把握技術(shù)的產(chǎn)生和進(jìn)展而漸漸完善和成熟起來(lái)的。23現(xiàn)代把握理論經(jīng)典把握理論只適用于單輸入、單輸出的線性定常系統(tǒng)，只留意系統(tǒng)的外部描述而無(wú)視系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)。在實(shí)際應(yīng)用中有很大局限性。隨著航天事業(yè)和計(jì)算機(jī)的進(jìn)展，20世紀(jì)60年月初，在經(jīng)典把握理論的根底上，以線性代數(shù)理論和狀態(tài)空間分析法為根底的現(xiàn)代把握理論快速進(jìn)展起來(lái)。1954年貝爾曼〔R.Belman)提出動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論1956年龐特里雅金〔〕提出極大值原理1960年卡爾曼〔R.K.Kalman)提出多變量最優(yōu)把握和最優(yōu)濾波理論在數(shù)學(xué)工具、理論根底和爭(zhēng)論方法上不僅能供給系統(tǒng)的外部信息〔輸出量和輸入量〕，而且還能供給系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)變量的信息。它無(wú)論對(duì)線性系統(tǒng)或非線性系統(tǒng)，定常系統(tǒng)或時(shí)變系統(tǒng)，單變量系統(tǒng)或多變量系統(tǒng)，都是一種有效的分析方法。根本方法：狀態(tài)方程〔時(shí)域〕大系統(tǒng)理論20世紀(jì)70年月開(kāi)頭，現(xiàn)代把握理論連續(xù)向深度和廣度進(jìn)展，消逝了一些新的把握方法和理論。如〔1〕現(xiàn)代頻域方法以傳遞函數(shù)矩陣為數(shù)學(xué)模型，爭(zhēng)論線性定常多變量系統(tǒng)；〔2〕自適應(yīng)把握理論和方法以系統(tǒng)辨識(shí)和參數(shù)估量為根底，在實(shí)時(shí)辨識(shí)根底上在線確定最優(yōu)把握規(guī)律；〔3〕魯棒把握方法在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和其它性能根底上，設(shè)計(jì)不變的魯棒把握器，以處理數(shù)學(xué)模型的不確定性。

25隨著把握理論應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，從個(gè)別小系統(tǒng)的把握，進(jìn)展到假設(shè)干個(gè)相互關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)組成的大系統(tǒng)進(jìn)展整體把握，從傳統(tǒng)的工程把握領(lǐng)域推廣到包括經(jīng)濟(jì)治理、生物工程、能源、運(yùn)輸、環(huán)境等大型系統(tǒng)以及社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域。大系統(tǒng)理論是過(guò)程把握與信息處理相結(jié)合的系統(tǒng)工程理論，具有規(guī)模浩大、構(gòu)造簡(jiǎn)潔、功能綜合、目標(biāo)多樣、因素眾多等特點(diǎn)。它是一個(gè)多輸入、多輸出、多干擾、多變量的系統(tǒng)。大系統(tǒng)理論目前仍處于進(jìn)展和開(kāi)創(chuàng)性階段。智能把握是近年來(lái)新進(jìn)展起來(lái)的一種把握技術(shù)，是人工智能在把握上的應(yīng)用。智能把握的概念和原理主要是針對(duì)被控對(duì)象、環(huán)境、把握目標(biāo)或任務(wù)的簡(jiǎn)潔性提出來(lái)的，它的指導(dǎo)思想是依據(jù)人的思維方式和處理問(wèn)題的技巧，解決那些目前需要人的智能才能解決的簡(jiǎn)潔的把握問(wèn)題。被控對(duì)象的簡(jiǎn)潔性表達(dá)為:模型的不確定性，高度非線性，分布式的傳感器和執(zhí)行器，動(dòng)態(tài)突變，多時(shí)間標(biāo)度，簡(jiǎn)潔的信息模式，浩大的數(shù)據(jù)量，以及嚴(yán)格的特性指標(biāo)等。智能把握是驅(qū)動(dòng)智能機(jī)器自主地實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)的過(guò)程27智能把握是從“仿人”的概念動(dòng)身的。其方法包括學(xué)習(xí)把握、模糊把握、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)把握和專家把握等方法。281.3把握系統(tǒng)的分類恒值系統(tǒng)和隨動(dòng)系統(tǒng)〔按參考輸入形式分類〕恒值系統(tǒng)是指參考輸入量保持常值的系統(tǒng)。其任務(wù)是消退或削減擾動(dòng)信號(hào)對(duì)系統(tǒng)輸出的影響，使被把握量〔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)是指參考輸入量隨時(shí)間任意變化的系統(tǒng)。其任務(wù)是要求輸出量以確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)。29線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)〔依據(jù)組成系統(tǒng)的元件特性分類〕線性系統(tǒng)是指構(gòu)成系統(tǒng)的全部元件都是線性元件的系統(tǒng)。其動(dòng)態(tài)性能可用線性微分方程描述，系統(tǒng)滿足疊加原理。非線性系統(tǒng)是指構(gòu)成系統(tǒng)的元件中含有非線性元件的系統(tǒng)。其只能用非線性微分方程描述，不滿足疊加原理。同時(shí)把可以進(jìn)展線性化處理的系統(tǒng)或元件特性稱為非本質(zhì)非線性特性。反之，稱之為本質(zhì)非線性，它只能用非線性理論分析爭(zhēng)論。30連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)〔依據(jù)系統(tǒng)內(nèi)信號(hào)的傳遞形式分類〕連續(xù)系統(tǒng)是指系統(tǒng)內(nèi)各處的信號(hào)都是以連續(xù)的模擬量傳遞的系統(tǒng)。假設(shè)系統(tǒng)內(nèi)某處或數(shù)處信號(hào)是以脈沖序列或數(shù)碼形式傳遞的系統(tǒng)則稱為離散系統(tǒng)。其脈沖序列可由脈沖信號(hào)發(fā)生器或振蕩器產(chǎn)生，也可用采樣開(kāi)關(guān)將連續(xù)信號(hào)變成脈沖序列，這類把握系統(tǒng)又稱為采樣把握系統(tǒng)或脈沖把握系統(tǒng)。而用數(shù)字計(jì)算機(jī)或數(shù)字把握器把握的系統(tǒng)又稱為數(shù)字把握系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)把握系統(tǒng)。311.4把握系統(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)，準(zhǔn)，快穩(wěn)定性控制系統(tǒng)運(yùn)行的必要條件，不穩(wěn)定的系統(tǒng)是不能工作的動(dòng)態(tài)性能系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性，系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程越短越好穩(wěn)態(tài)性能過(guò)渡過(guò)程結(jié)束，到達(dá)穩(wěn)態(tài)后系統(tǒng)的控制精度的度量y(t)t0y(t)t0y(t)t0y(t)t0(a)(b)(c)(d)32穩(wěn)定性系統(tǒng)在受到擾動(dòng)作用后自動(dòng)返