自動(dòng)控制原理(胡壽松)第一章ppt.ppt

1、自動(dòng)控制原理、電氣工程及其自動(dòng)化、Principles of Automatic Control，控制理論：自動(dòng)化學(xué)科的重要理論基礎(chǔ)、引用、研究自動(dòng)控制通用規(guī)則的技術(shù)科學(xué)、自動(dòng)控制原理控制理論體系、自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用、自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制原理是本學(xué)科的專業(yè)基礎(chǔ)課，是自動(dòng)控制理論的基礎(chǔ)課程微積分(包括微分方程式)、馬達(dá)與拖曳、模擬電子技術(shù)、線性代數(shù)、電路理論、信號(hào)與系統(tǒng)、自動(dòng)控制理論、復(fù)函數(shù)、拉普拉斯變換、大學(xué)物理(力學(xué)、)控制理論的內(nèi)容、二十世紀(jì)三項(xiàng)科學(xué)革命：控制論、量子論、相對(duì)論控制論：古典控制理論現(xiàn)代控制理論(智能控制) 導(dǎo)讀自動(dòng)化技術(shù)幾乎滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域和社會(huì)生活的各個(gè)方面，是現(xiàn)代

2、發(fā)展最快、應(yīng)用最廣泛、最引人注目的高新技術(shù)，探討解析、修訂推進(jìn)新技術(shù)革命和新產(chǎn)業(yè)革命的自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本方法。 本章主要敘述什么？ 從介紹自動(dòng)控制的發(fā)展歷史開(kāi)始，引出自動(dòng)控制理論的分析，設(shè)定自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本思想，然后介紹自動(dòng)控制的基本概念，介紹對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求，使讀者對(duì)自動(dòng)控制理論的總目標(biāo)有個(gè)大致的了解。 飛機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)、導(dǎo)航導(dǎo)彈和現(xiàn)代高新技術(shù)使導(dǎo)彈“眼”和“腦”發(fā)展，利用負(fù)反饋控制原理嚴(yán)格監(jiān)測(cè)目標(biāo)，控制哈勃望遠(yuǎn)鏡特殊衛(wèi)星、中巴資源衛(wèi)星、人造地球衛(wèi)星正確進(jìn)入預(yù)定軌道運(yùn)行和回收，雷達(dá)技術(shù)、雷達(dá)天線的作用是將雷達(dá)產(chǎn)生的電波向一定方向向外發(fā)射，接收反射的電波。 正因?yàn)樘炀€起著人眼

3、般的作用，所以雷達(dá)必須注視著整個(gè)天空的狀況進(jìn)行偵察。 天線不斷旋轉(zhuǎn)，用一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)將天線旋轉(zhuǎn)360度，就能在360度的范圍內(nèi)“搜索”。10、中國(guó)古代自動(dòng)化方面的輝煌成就：公元725年，一行，梁令產(chǎn)發(fā)明了自動(dòng)報(bào)時(shí)機(jī)構(gòu)的水運(yùn)動(dòng)象，其中使用天衡裝置，根據(jù)調(diào)整量的偏差進(jìn)行調(diào)整的自動(dòng)調(diào)節(jié)器公元1086-1092年， 蘇贊和韓公廉建設(shè)了具有“天衡”自動(dòng)調(diào)整和自動(dòng)報(bào)時(shí)機(jī)構(gòu)的水運(yùn)訂正對(duì)象臺(tái)的公元l135年，宋代王普在“蓮華泄”記述了使用浮閥式機(jī)構(gòu)自動(dòng)調(diào)整泄瓶的水位的公元1637年，在明代的天工開(kāi)物這本書中，記載了程序控制思想的提花織機(jī)的構(gòu)造圖飛球調(diào)節(jié)器世界公認(rèn)的第一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)是1788年瓦特發(fā)明了飛球調(diào)節(jié)

4、器，進(jìn)一步推進(jìn)了蒸汽機(jī)的應(yīng)用，促進(jìn)了工業(yè)的發(fā)展。 推進(jìn)了社會(huì)進(jìn)步是飛球調(diào)節(jié)器公認(rèn)為第一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的最主要原因，自動(dòng)控制原理國(guó)家精品課程浙江工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化研究所，12、沒(méi)有理論指導(dǎo)而使控制技術(shù)滯后一個(gè)世紀(jì)的飛球調(diào)節(jié)器有時(shí)會(huì)使蒸汽機(jī)的速度大幅度振動(dòng)。 在其他自動(dòng)控制系統(tǒng)中也發(fā)現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象。 當(dāng)時(shí)沒(méi)有自習(xí)理論，理論上說(shuō)不出來(lái)。 為了解決這個(gè)問(wèn)題，大約盲目地探索了一個(gè)世紀(jì)。自動(dòng)控制原理國(guó)家精品課程浙江工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化研究所，13、自動(dòng)控制理論開(kāi)始于1868年英國(guó)麥克斯威爾的關(guān)于調(diào)速器論文指出，飛球調(diào)節(jié)器不應(yīng)單獨(dú)研究，而應(yīng)從整個(gè)系統(tǒng)分析控制的不穩(wěn)定性。建立系統(tǒng)微分方程，分析微分方程解的穩(wěn)定性，分析實(shí)

5、際系統(tǒng)是否不穩(wěn)定。 因此，控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的分析成為判別微分方程式的特征根的實(shí)部的正、負(fù)符號(hào)問(wèn)題。 麥克斯韋的這篇萩名論文被公認(rèn)為自動(dòng)控制理論的開(kāi)端。 14、培養(yǎng)古典控制理論1875年，英國(guó)勞斯提出了代數(shù)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。 1895年，德國(guó)赫爾維茨提出代數(shù)穩(wěn)定的判斷標(biāo)準(zhǔn)。 1892年，俄羅斯李雅普諾夫提出了穩(wěn)定性定義和兩個(gè)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。 1932年，美國(guó)奈奎斯特提出了奈特的穩(wěn)定判定標(biāo)準(zhǔn)。 二戰(zhàn)期間對(duì)自動(dòng)炮、雷達(dá)、飛機(jī)和通信系統(tǒng)的控制研究直接推動(dòng)了經(jīng)典控制的發(fā)展。 古典控制理論的形成1948年，維納出版了控制論，形成了完整的古典控制理論，標(biāo)志著控制學(xué)科的誕生。 維納成了控制論的創(chuàng)始人！ 維納控制理論是關(guān)于如何

6、將機(jī)械部件和電氣部件組合成為具有穩(wěn)定的特定性能的系統(tǒng)的科學(xué)。 這門新科學(xué)的一個(gè)非常突出的特征是完全不考慮能量、熱量、效率等因素，而在其他各自然科學(xué)中，這些因素非常重要。 在控制論中討論的主要問(wèn)題是一個(gè)系統(tǒng)的各部分之間的相互作用的定性性質(zhì)和整個(gè)系統(tǒng)的整體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。 空間技術(shù)促進(jìn)現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生現(xiàn)代控制理論促進(jìn)空間技術(shù)的發(fā)展，二戰(zhàn)結(jié)束后，各國(guó)大力發(fā)展空間技術(shù)，古典控制理論不能滿足需求，需要研究新的控制理論。 現(xiàn)代控制理論在空間技術(shù)上取得了巨大成功，促進(jìn)了空間技術(shù)的發(fā)展。 17、現(xiàn)代控制理論在工業(yè)過(guò)程控制方面遇到滑尾，促進(jìn)了智能控制技術(shù)的誕生，現(xiàn)代控制理論在空間技術(shù)上取得了很大成功，但由于工業(yè)過(guò)程

7、控制中普遍存在的不確定性和干擾，難以取得預(yù)期的效果。 偽人類控制技術(shù)智能控制不能實(shí)現(xiàn)精確的控制，但是可能對(duì)各種復(fù)雜系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)相對(duì)令人滿意的控制。 以古典控制理論(古典控制理論)、傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，研究單輸入單輸出平穩(wěn)控制系統(tǒng)的分析與設(shè)置修正問(wèn)題：線性控制系統(tǒng)分析：時(shí)域分析、穩(wěn)定性與平穩(wěn)誤差分析、路徑軌跡分析、頻域分析。 非線性控制系統(tǒng)分析：相平面分析，描述函數(shù)分析。 (連續(xù)控制系統(tǒng)、離散控制系統(tǒng))、現(xiàn)代控制理論和狀態(tài)空間法基礎(chǔ)上研究多輸入多輸出時(shí)變、非線性、高精度、高性能控制系統(tǒng)的分析和設(shè)置修正問(wèn)題： (線性系統(tǒng)、自適應(yīng)控制、最優(yōu)控制、魯棒控制、最優(yōu)估計(jì)、最優(yōu)估計(jì))參考資料、自動(dòng)控制原理(第六版)

8、 胡壽松MATLAB與控制理論實(shí)驗(yàn)教學(xué)王寧自動(dòng)控制理論夏德鈴自動(dòng)控制原理問(wèn)題集胡壽松人工(手動(dòng))控制： (1)對(duì)象：儲(chǔ)液系統(tǒng)；(2)目標(biāo)：液位；(3)目標(biāo)：液位變化觀察；(4)腦：分析、比較、判斷；(5)手/足：自動(dòng)控制： (1)對(duì)象：儲(chǔ)液系統(tǒng)控制器：控制功能(5)執(zhí)行機(jī)構(gòu)：控制動(dòng)作完成、傳感器、信號(hào)、信號(hào)驅(qū)動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)：能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制任務(wù)的系統(tǒng)，由控制器和控制對(duì)象構(gòu)成。、 3、反饋控制原理、控制對(duì)象：要求自動(dòng)控制的機(jī)械、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程。 控制器：控制控制對(duì)象的控制裝置整體。 輸入量：作用于控制系統(tǒng)的輸入端，使系統(tǒng)具有規(guī)定的功能或規(guī)定的輸出的物理量。 輸出量：位于控制系統(tǒng)的輸出端，要求自動(dòng)

9、控制的物理量。 干擾量：破壞系統(tǒng)輸入量和輸出量之間規(guī)定規(guī)則的信號(hào)。 4、反饋控制系統(tǒng)的基本配置、自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制原理框圖、控制器、比較鏈路、輸入量、偏差、測(cè)量值、輸出量、控制量、擾動(dòng)量、控制操作、和廣義目標(biāo)(2)控制器：接收轉(zhuǎn)換和放大后的偏差信號(hào)(3)在放大轉(zhuǎn)換步驟：中將偏差信號(hào)轉(zhuǎn)換為適合于控制器執(zhí)行的信號(hào)。 根據(jù)控制的形式、振幅、功率放大變換。 (4)校正裝置：是被添加的用于改進(jìn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性的裝置。 校正裝置與系統(tǒng)的正向通道串聯(lián)時(shí)，稱為串聯(lián)校正裝置。如果校正裝置以反饋形式連接，則稱為并聯(lián)校正裝置，也稱為局部反饋校正。 (5)反饋鏈路：測(cè)量被控制量的實(shí)際值，并且經(jīng)由信號(hào)處理將其轉(zhuǎn)換為

10、與被控制量具有一定函數(shù)關(guān)系且具有與輸入信號(hào)相同的物理量的信號(hào)。 反饋鏈路通常也被稱為測(cè)量傳輸鏈路。 (6)預(yù)定的鏈路：生成輸入控制信號(hào)的裝置。 (1)輸入信號(hào)：指定直接影響系統(tǒng)的輸出量的外部輸入信號(hào)，包含控制信號(hào)和騷擾信號(hào)兩者。 其中，控制信號(hào)也稱為控制量、參考輸入或預(yù)定值。 (2)輸出信號(hào)：是由反饋控制系統(tǒng)控制的物理量，在與輸入信號(hào)之間具有一定的函數(shù)關(guān)系。 (3)反饋信號(hào)：變換、處理系統(tǒng)(或鏈路)的輸出信號(hào)，并且傳送到系統(tǒng)(或鏈路)的輸入端子的信號(hào)被稱為反饋信號(hào)。 當(dāng)反饋信號(hào)是從系統(tǒng)輸出端子提取出的系統(tǒng)輸入端子時(shí)，將該反饋信號(hào)稱為主反饋信號(hào)。 其他被稱為本地反饋信號(hào)。 (4)偏差信號(hào)：控制輸

11、入信號(hào)和主反饋信號(hào)之間的差。 (5)誤差信號(hào)：指示系統(tǒng)輸出的實(shí)際值和期望值之間的差。 系統(tǒng)希望值是理想化系統(tǒng)的輸出，實(shí)際上不存在，只能用與控制輸入信號(hào)具有一定比例關(guān)系的信號(hào)來(lái)表現(xiàn)。 在單位反饋的情況下，期望值是系統(tǒng)的輸入信號(hào)，誤差信號(hào)等于偏差信號(hào)。 (6)騷擾信號(hào)：除了控制信號(hào)之外，還是影響系統(tǒng)輸出的信號(hào)。 元素： (1) :元件(2) :信號(hào)(物理量)和傳輸方向(3) :比較點(diǎn)(信號(hào)疊加) (4) :引出點(diǎn)(分支，信號(hào)強(qiáng)度) (5) /-。 構(gòu)造如圖所示。 信號(hào)從規(guī)定值到被控制量單向傳輸。 這樣的控制雖然簡(jiǎn)單，但如果對(duì)象或控制裝置受到干擾，或動(dòng)作中特性殘奧表發(fā)生變化，則會(huì)直接影響被控制量，存

12、在無(wú)法自動(dòng)補(bǔ)償?shù)拇笕秉c(diǎn)。 因此，很難保證系統(tǒng)的控制精度。 從另一含義理解為對(duì)被控制主體和其它控制元素的技術(shù)要求高。 例如NC線切割機(jī)的進(jìn)給系統(tǒng)、包裝機(jī)等多為開(kāi)環(huán)控制。 2、反饋控制、閉環(huán)控制(核心)、閉環(huán)控制的定義是帶受控制量反饋的控制，其原理在圖中示出。 從系統(tǒng)中的信號(hào)流的角度來(lái)看，系統(tǒng)的輸出信號(hào)沿著反饋信道再次返回到系統(tǒng)的輸入端，組成閉合信道，因而被稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)或反饋控制系統(tǒng)。前/前信道、反/負(fù)信道，該控制方案可根據(jù)該變化來(lái)調(diào)整，因?yàn)橄到y(tǒng)利用該變化來(lái)校正該變化，即使該變化是由于干擾或由于配置殘奧儀表的改變而引起的受控變量的變化。 閉環(huán)控制系統(tǒng)的一大優(yōu)點(diǎn)是利用偏差補(bǔ)償偏差，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高控

13、制精度。 但是，與開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)相比，閉環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)困難。 由于閉環(huán)控制存在反饋信號(hào)，因此如果利用偏差進(jìn)行控制，則當(dāng)設(shè)定校正不好時(shí)，系統(tǒng)不能正常且穩(wěn)定地動(dòng)作。 另外，控制系統(tǒng)的精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性之間也經(jīng)常存在矛盾。 開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際工程中應(yīng)根據(jù)工程要求和具體情況來(lái)決定。 可以事先預(yù)測(cè)輸入量的變化規(guī)律，如果外部和內(nèi)部的殘奧儀表沒(méi)有變化，可以采用開(kāi)環(huán)控制。 如果無(wú)法預(yù)測(cè)系統(tǒng)干擾，則系統(tǒng)內(nèi)部殘奧儀表始終發(fā)生變化，最好采用閉環(huán)控制以確保控制精度。 如果系統(tǒng)性能要求較高，則可以采用將開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制結(jié)合的復(fù)合控制系統(tǒng)，以解決閉環(huán)控制精度與穩(wěn)定性之間的矛盾。 (3) .復(fù)

14、合控制、1-2自動(dòng)控制系統(tǒng)示例、1、函數(shù)記錄訂正、2 .飛機(jī)-自動(dòng)操縱裝置系統(tǒng)、規(guī)定電位計(jì)、反饋電位計(jì)、規(guī)定裝置、放大器4 .液位控制系統(tǒng)、 您可以選擇、或者、或者、或者、或者、或者、或者、或者、或者、或者、或者、或者、或者、或者、或者、或者、或者、或者、或者、或者工作原理輸入輸出被控制對(duì)象中間鏈路信號(hào)傳輸(自動(dòng)控制系統(tǒng)模塊圖的制作)、控制系統(tǒng)、1-3自動(dòng)控制系統(tǒng)的類型、1 .信號(hào)的流向不同、(1)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)信號(hào)的流向從輸入端到輸出端單向流動(dòng)。 (2)閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖所示，除了將控制系統(tǒng)中的信號(hào)從輸入端子輸出到輸出端子之外，如果在輸入端子中存在輸出反饋信號(hào)，則構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，還稱為反饋控制

15、系統(tǒng)。 (1)一定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)(自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng))，該系統(tǒng)的特征是輸入量為一定值，通常被稱為系統(tǒng)的規(guī)定值。 控制系統(tǒng)的作用是盡量排除各種干擾因素的影響，將輸出量維持在一定值(期待值)。 工業(yè)過(guò)程中恒溫、恒壓、恒速等控制系統(tǒng)。 (2)跟蹤系統(tǒng)(跟蹤系統(tǒng))、系統(tǒng)的控制輸入力量要求以不預(yù)先確定的任意量，該系統(tǒng)的輸出能夠快速地再現(xiàn)或跟蹤輸入信號(hào)的變化。 像雷達(dá)天線這樣的自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)和高炮自動(dòng)描繪系統(tǒng)是典型的跟蹤系統(tǒng)。 (3)系統(tǒng)的控制輸入信號(hào)不是一定值而是預(yù)先決定的運(yùn)動(dòng)規(guī)則，控制輸入信號(hào)是預(yù)先決定的程序信號(hào)，其目的是使控制對(duì)象的被控制量按照所請(qǐng)求的程序動(dòng)作。 系統(tǒng)類似數(shù)控車床。 3 .線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)。 所有構(gòu)成系統(tǒng)組件的特性都是線性的，并且可以用一個(gè)或多個(gè)線性微分方程來(lái)描述系統(tǒng)的輸入和輸出之間的關(guān)系。 線性系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是具有均勻性和重疊性。 (1)線性系統(tǒng)、(2)非線性系統(tǒng)、系統(tǒng)中，如果一個(gè)元器件的特性為線性微分方程式，且無(wú)法記述其輸入輸出關(guān)系，則稱為非線性系統(tǒng)。 非線性系統(tǒng)沒(méi)有完整成熟的統(tǒng)一分析法。 通常，在非線性程度不太嚴(yán)重或進(jìn)行近似分析的情況下，可以用線性系統(tǒng)的理論和方法來(lái)處理。 (1)穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)，只要描述系統(tǒng)特性的微分方程式的各個(gè)系數(shù)是與時(shí)間無(wú)關(guān)的常數(shù)，就稱為穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)。 這種系統(tǒng)只要輸入信號(hào)的形式不變化，不同時(shí)間輸入下的輸出響應(yīng)形式就相同。(2)在時(shí)變系統(tǒng)中，如果描述系統(tǒng)特性的微