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自動控制理論,1,第一章 概論 §1-1 控制理論在 工程中的應(yīng)用發(fā)展,,2,控制理論是在產(chǎn)業(yè)革命的背景下，在生產(chǎn)和軍事需求的刺激下，自動控制、電子技術(shù)、計算機科學(xué)等多種學(xué)科相互交叉發(fā)展的產(chǎn)物。,3,從二十世紀(jì)以來，特別是第二次世界大戰(zhàn)以后，自動控制和自動化科學(xué)得到了迅速的發(fā)展。 工業(yè)生產(chǎn)的自動化，改善了勞動條件，增加了產(chǎn)量，提高了質(zhì)量。在軍事裝備上，自動控制技術(shù)大大地提高了武器的威力和精度。近年來，由于計算機的廣泛應(yīng)用和控制理論的發(fā)展，使得自動控制技術(shù)所能完成的任務(wù)更加復(fù)雜、應(yīng)用的領(lǐng)域也越來越廣泛。,4,全球矚目的中國載人太空船神舟5號于2003年10月15日上午順利發(fā)射成功。從這一天起，中國成為繼俄羅斯和美國之后，第三個獨立成功將人類送上太空的國家。,神舟6號于2005年10月12日上午9:00在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空;,5,北京時間2008年 9月25日 21點10分04秒，我國第三艘載人飛船神舟7號成功發(fā)射，三名航天員翟志剛、劉伯明、景海鵬順利升空。 27日，翟志剛身著我國研制的“飛天”艙外航天服，在身著俄羅斯“海鷹”艙外航天服的劉伯明的輔助下，進行了19分35秒的出艙活動。中國隨之成為世界上第三個掌握空間出艙活動技術(shù)的國家。 2008年9月28日傍晚時分，神舟七號飛船在順利完成空間出艙活動和一系列空間科學(xué)試驗任務(wù)后，成功降落在內(nèi)蒙古中部阿木古朗草原上。,6,載人宇宙飛船為確保載人安全以及為保持航天員高效率工作，需要很復(fù)雜的特設(shè)系統(tǒng)，例如，用于空氣更新、廢水處理和再生、通風(fēng)、溫度和濕度控制等的環(huán)境控制和生命保障系統(tǒng)；報話通信系統(tǒng)、儀表和照明系統(tǒng)、航天服、載人機動裝置和逃逸救生系統(tǒng)等。,7,載人宇宙飛船除了要使飛船在返回過程中的制動過載限制在人的耐受范圍內(nèi)，還應(yīng)使其落點精度比返回式衛(wèi)星更高，從而及時發(fā)現(xiàn)和營救航天員。目前，掌握航天器返回技術(shù)的國家只有美國、俄羅斯和中國。,8,在工業(yè)中，機電工業(yè)是我國最重要的支柱產(chǎn)業(yè)之一，而傳統(tǒng)的機電產(chǎn)品正在向機電一體化（mechatrnics）方向發(fā)展。機電一體化產(chǎn)品或系統(tǒng)的顯著特點是控制自動化。機電控制型產(chǎn)品技術(shù)含量高，附加值大，在國內(nèi)外市場上具有很強的競爭優(yōu)勢，形成機電一體化產(chǎn)品發(fā)展的主流。,9,當(dāng)前國內(nèi)外機電結(jié)合型產(chǎn)品，諸如典型的工業(yè)機器人、數(shù)控機床、自動導(dǎo)引車等都廣泛地應(yīng)用了控制理論。,自動控制技術(shù)已經(jīng)成為生產(chǎn)（電力、機械、冶金、化工…）、軍事、科研、企業(yè)管理等幾乎一切領(lǐng)域中必不可少的手段。因此，各個領(lǐng)域的科學(xué)工作者和工程技術(shù)人員都必須具備一定的自動控制工程知識。,10,根據(jù)自動控制理論的內(nèi)容和發(fā)展的不同階段，控制理論可分為“經(jīng)典控制理論”和“現(xiàn)代控制理論”兩大部分。,“經(jīng)典控制理論”的內(nèi)容是以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，以頻率法和根軌跡法作為分析和綜合系統(tǒng)的基本方法，主要研究單輸入、單輸出這類控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計問題。,11,“現(xiàn)代控制理論”是在 “經(jīng)典控制理論”的基礎(chǔ)上，于20世紀(jì)60年代以后發(fā)展起來的。它的主要內(nèi)容是以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究多輸入、多輸出、時變參數(shù)、分布參數(shù)、隨機參數(shù)、非線性等控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計問題。,最優(yōu)控制、最優(yōu)濾波、系統(tǒng)辨識、自適應(yīng)控制等理論都是這一領(lǐng)域重要的分支，近年來現(xiàn)代控制理論在大系統(tǒng)理論和人工智能控制等諸多領(lǐng)域有重大發(fā)展。,12,半個多世紀(jì)以來，控制理論從主要依靠手工計算的經(jīng)典控制理論發(fā)展到依賴計算機的現(xiàn)代控制理論，發(fā)展了最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、智能控制。智能控制中，學(xué)習(xí)控制技術(shù)從簡單的參數(shù)學(xué)習(xí)向較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)、環(huán)境學(xué)習(xí)和復(fù)雜對象學(xué)習(xí)的方向發(fā)展；并發(fā)展了神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、進化算法、專家系統(tǒng)、魯棒控制與 控制等技術(shù)。同時還發(fā)展了MATLAB等控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計工具，使控制理論在工程上的應(yīng)用更加方便。,13,§1-2 自動控制系統(tǒng)的基本概念,14,自動控制：,在沒有人直接參與的條件下，利用控制器使被控對象（如機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程）的某些物理量（或工作狀態(tài)）能自動地按照預(yù)定的規(guī)律變化（或運行）。,15,如：人造衛(wèi)星按指定的軌道運行，并始終保持正確的姿態(tài)，使它的太陽能電池一直朝向太陽，無線電天線一直指向地球 ；,數(shù)控加工中心、焊接機器人、溫度控制系統(tǒng)等,16,如溫度、壓力、力、流量、電壓、轉(zhuǎn)數(shù)、位移、角度等。,一個共同點： 一個或一些被控物理量按給定量的變化而變化。,,17,一般地說，如何使被控量按給定量的變化規(guī)律而變化，是控制系統(tǒng)所要解決的基本任務(wù)。,18,一、液位控制系統(tǒng),人工控制,測量實際液面的高度ｈ1 -------用眼,圖1-1水池液面控制系統(tǒng),水池液面控制如圖1-1所示。,自動控制理論,希望液面高度,進水閥,放水閥,實際液面高度ｈ1與希望液面高度h0相比較 -------用腦,按比較的結(jié)果，即液面高度偏差的正負(fù)去決定控制動作 -------用手,被控對象,19,人工控制中有三種職能作用： 測量、比較和執(zhí)行,圖1-2 液面人工控制系統(tǒng)的方框圖,液面人工控制系統(tǒng)的方框圖如圖1-2所示。,自動控制理論,圖1-1水池液面控制系統(tǒng),希望液面高度,進水閥,放水閥,20,,自動控制,在自動控制系統(tǒng)中也必須有測量、比較和執(zhí)行這三種職能，如圖1-3所示。 液位控制系統(tǒng)由以下五部分組成。,21,測量元件-----浮子,,圖1-3 液面自動控制系統(tǒng),被控對象-----水池,自動控制理論,比較機構(gòu)-----求浮子的希望位置與實際位置之差,放大機構(gòu)-----當(dāng)誤差信號不足以使執(zhí)行元件動作時，一般都需要加放大元件，以提高系統(tǒng)的控制精度,執(zhí)行元件-----驅(qū)動被控對象，以改變被控制的量,22,為了控制系統(tǒng)的表示簡單明了，控制工程中一般用方框 圖表示系統(tǒng)的各個組件，組件的基本組成單元如圖1-4所示。,圖1-4 控制系統(tǒng)框圖的基本組成單元,自動控制理論,引出點,比較點,部件的框圖,23,圖1-3 液面自動控制系統(tǒng),圖1-5 液面自動控制系統(tǒng)的方框圖,故液位自動控制系統(tǒng)也可用圖1-5來表示。,顯然用框圖表示比原理圖更簡單，而且信號在系統(tǒng)中的 傳遞也更為清晰。因此在以后的討論中，控制系統(tǒng)一般均以 框圖形式表示。,24,直流隨動如圖1-6所示。,二、隨動控制系統(tǒng),圖1-6 直流隨動系統(tǒng)的原理圖,自動控制理論,直流隨動系統(tǒng)是用一對電位器作為位置的檢測元件，它們分別把系統(tǒng)的輸入與輸出的位置信號轉(zhuǎn)換成與之成比例的電信號，并進行比較。,,,25,,圖1-6 直流隨動系統(tǒng)的原理圖,圖1-7 直流隨動系統(tǒng)的方框圖,,,26,圖1-7 直流隨動系統(tǒng)的方框圖,圖1-5 液面自動控制系統(tǒng)的方框圖,,串聯(lián)校正,27,,串聯(lián)校正,28,§1-3 開環(huán)控制與閉環(huán)控制,開環(huán)控制,如果系統(tǒng)的輸出量沒有與參考輸入相比較,即系統(tǒng)的輸出與輸入間不存在著反饋的通道,這種控制方式叫開環(huán)控制,優(yōu)點,結(jié)構(gòu)簡單，所用元器件少, 成本低,缺點,系統(tǒng)沒有抗擾動功能，因而大大限制了系統(tǒng)的應(yīng)用范圍,29,,開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng),當(dāng)電動機的負(fù)載、交流電網(wǎng)的電壓以及電動機的勵磁稍有變化時，電動機的轉(zhuǎn)速就會隨之而變化，不能再維持Ug所期望的轉(zhuǎn)速。,30,,數(shù)控機床開環(huán)定位控制系統(tǒng),如果系統(tǒng)的給定輸入與被控量之間的關(guān)系固定，且其內(nèi)部參數(shù)或外來擾動的變化都較小，或這些擾動因素可以事先確定并能給予補償，則采用開環(huán)控制也能取得較為滿意的控制效果。,31,閉環(huán)控制,若把系統(tǒng)的被控制量反饋到它的輸入端，并與參考輸入相比較，這種控制方式叫閉環(huán)控制。相應(yīng)的系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng),閉環(huán)控制的優(yōu)點,自動地消弱或清除來自系統(tǒng)內(nèi)部或外部擾動對被控制量的影響,32,閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng),33,三種常用的分類方法,自動控制理論,§1-4 自動控制系統(tǒng)的分類,線性控制系統(tǒng)和非線性控制系統(tǒng),若組成控制的元件都具有線性特性則稱這種系統(tǒng)為線性控制系統(tǒng),若在控制系統(tǒng)中有一個以上的元件具有非線性則稱這種系統(tǒng)為非線性控制系統(tǒng),特點：,不具有比例性，也不適用疊加原理 系統(tǒng)的輸出響應(yīng)穩(wěn)定性與其初始狀態(tài)有關(guān),特點：,系統(tǒng)用微分方程、傳遞函數(shù)或狀態(tài)方程來描述 具有比例性并適用疊加原理,按系統(tǒng)組成元件的性質(zhì)分,34,恒值控制系統(tǒng)和隨動控制系統(tǒng),按系統(tǒng)給定信號的性質(zhì)分,恒值控制系統(tǒng)的參考輸入量為常量，要求它的被控制量在任何擾動的作用下能盡快地恢復(fù)（或接近）原有的穩(wěn)態(tài)值。 如液位控制系統(tǒng)、恒溫系統(tǒng)等；,隨動控制系統(tǒng)的輸入是一個變化量，要求系統(tǒng)的被控制量能快速準(zhǔn)確地跟隨參考輸入信號的變化而變化。 如轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)，位置隨動系統(tǒng)等。,35,自動控制理論,連續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng),按系統(tǒng)內(nèi)部傳輸信號的性質(zhì)分,若在控制系統(tǒng)內(nèi)部有一個或一個以上的信號是時間Ｔ的離散信號，則稱這類系統(tǒng)為離散控制系統(tǒng)。計算機控制系統(tǒng)是一種常見離散控制系統(tǒng),計算機控制系統(tǒng)的方框圖,控制系統(tǒng)中各部傳輸信號都是時間Ｔ的連續(xù)函數(shù)，則稱這類系統(tǒng)為連續(xù)控制系統(tǒng),36,自動控制理論,§1-5 對控制系統(tǒng)性能的要求和本課程的任務(wù),控制系統(tǒng)的性能一般從以下三方面來評價,一、穩(wěn)定性,當(dāng)系統(tǒng)受到某一擾動作用后，使被控制量偏離了原來的平衡狀態(tài)，但當(dāng)擾動一撤離，經(jīng)過一定的時間，如果系統(tǒng)仍能回到原有的平衡狀態(tài)，則稱系統(tǒng)是穩(wěn)定的。穩(wěn)定是系統(tǒng)能正常運行的必要條件,二、響應(yīng)速度,要求系統(tǒng)的輸出響應(yīng)具有一定的快速性，它是系統(tǒng)的一個重要性能指標(biāo),三、穩(wěn)態(tài)精度,控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度通常是用它的穩(wěn)態(tài)誤差來表示，穩(wěn)態(tài)誤差越小，系統(tǒng)的控制精度就越高,37,本課程要研究兩大課題,對于一個具體的控制系統(tǒng)，如何從理論上對它的動態(tài)性能和穩(wěn)定精度進行定性的分析和定量的計算,根據(jù)對系統(tǒng)性能的要求，如何合理地設(shè)計校正裝置，使系統(tǒng)的性能能全面地滿足技術(shù)上的要求,系統(tǒng)分析,系統(tǒng)設(shè)計和校正,38,,要明確： 1、被控量 給定量 2、比較點,,39,,,40,,41,,,42,,,43,