第1章 自動控制系統(tǒng)概述課件

1、第一章第一章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述目的目的 對學(xué)科有一個初步的概念上的了解，對學(xué)科有一個初步的概念上的了解，懂得其重要性懂得其重要性, ,引起學(xué)習興趣，了解恰當?shù)膶W(xué)引起學(xué)習興趣，了解恰當?shù)膶W(xué)習方法。習方法。內(nèi)容內(nèi)容掌握控制系統(tǒng)的基本概念及基本術(shù)語掌握控制系統(tǒng)的基本概念及基本術(shù)語掌握控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)掌握控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)掌握對控制系統(tǒng)的一般要求掌握對控制系統(tǒng)的一般要求了解控制理論的發(fā)展了解控制理論的發(fā)展1.1 引引 言言自動控制自動控制 在沒有人的直接參與的情況下，利用在沒有人的直接參與的情況下，利用控制控制裝置裝置使使被控對象被控對象的特性自動地按照預(yù)先規(guī)定的特性自動地按照預(yù)先規(guī)

2、定的規(guī)律運行或使它的某些參數(shù)按預(yù)定的要求的規(guī)律運行或使它的某些參數(shù)按預(yù)定的要求變化。變化。 自動控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)控制裝置控制裝置 自動控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)被控對象被控對象 自動控制系統(tǒng)舉例自動控制系統(tǒng)舉例 自動控制原理自動控制原理 是自動控制學(xué)科的基礎(chǔ)理論，是研究各是自動控制學(xué)科的基礎(chǔ)理論，是研究各類控制系統(tǒng)類控制系統(tǒng)共性共性的一門技術(shù)基礎(chǔ)科學(xué)。的一門技術(shù)基礎(chǔ)科學(xué)。 研究一般規(guī)律研究一般規(guī)律 提供基本方法提供基本方法一種思想方法一種思想方法1.2 開環(huán)控制與閉環(huán)控制開環(huán)控制與閉環(huán)控制 開環(huán)控制開環(huán)控制 引例：引例： 電 位 器 V+ 功率 放大器 電動機 負載 結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)圖：控制器控制器被

3、控對象被控對象輸入輸入控制量控制量輸出輸出缺點：自身沒有能力根據(jù)系統(tǒng)的輸出量來修正控缺點：自身沒有能力根據(jù)系統(tǒng)的輸出量來修正控 制量的的數(shù)值，控制精度取決于器件精度，制量的的數(shù)值，控制精度取決于器件精度， 系統(tǒng)系統(tǒng)抗干擾能力抗干擾能力差差特點：控制量與輸出量之間僅有特點：控制量與輸出量之間僅有前向通路前向通路，信號，信號 的傳遞是的傳遞是單方向單方向的，輸出對輸入沒有影響的，輸出對輸入沒有影響. . 電 位 器 V+ 功率 放大器 電動機 負載 人工閉環(huán)系統(tǒng)人工閉環(huán)系統(tǒng)如何用裝置來替人？如何用裝置來替人？ 閉環(huán)控制閉環(huán)控制 引例：引例： 電電 位位 器器 V+ 功功率率 放放大大器器 電電動動

4、機機 負負載載 測測速速發(fā)發(fā)電電機機 結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)圖：功率放大電動機反饋元件nngdufuu-gdufu-gdufu-功率放大電動機nugdufu-反饋元件功率放大電動機nugdufu-特點：不僅有從輸入至輸出之間前向通路，同時特點：不僅有從輸入至輸出之間前向通路，同時具有從輸出返回至輸入端的信號傳遞通道。信號具有從輸出返回至輸入端的信號傳遞通道。信號的傳遞構(gòu)成的傳遞構(gòu)成閉合回路閉合回路. . 優(yōu)點：控制精度高，系統(tǒng)抗干擾能力優(yōu)點：控制精度高，系統(tǒng)抗干擾能力強強.1.3 自動控制與自動控制系統(tǒng)自動控制與自動控制系統(tǒng) 自動控制中的常用術(shù)語自動控制中的常用術(shù)語 電電 位位 器器 V+ 功功率率 放放

5、大大器器 電電動動機機 負負載載 測測速速發(fā)發(fā)電電機機 被控對象被控對象被控量被控量反饋量反饋量給定量給定量控制量控制量擾動量擾動量1.3.1 1.3.1 自動控制系統(tǒng)的組成自動控制系統(tǒng)的組成 自動控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)自動控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 反饋量 控制器Gc 輸入量 + - 受控對象Go 反饋環(huán)節(jié)H 輸出量 u r c 控制量 偏差 n 擾動量 b 根據(jù)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分類根據(jù)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分類 開環(huán)控制開環(huán)控制 閉環(huán)控制閉環(huán)控制 擾動控制擾動控制 復(fù)合控制復(fù)合控制1.3.2 1.3.2 自動控制系統(tǒng)的分類自動控制系統(tǒng)的分類 根據(jù)給定參考輸入信號分類根據(jù)給定參考輸入信號分類 恒值控制系統(tǒng)恒值控制

6、系統(tǒng) 隨動控制系統(tǒng)隨動控制系統(tǒng)給定值給定值不變，不變，克服干克服干擾擾給定值為給定值為未知的時未知的時間函數(shù)間函數(shù) 根據(jù)系統(tǒng)數(shù)學(xué)性質(zhì)分類根據(jù)系統(tǒng)數(shù)學(xué)性質(zhì)分類 線性系統(tǒng)線性系統(tǒng) 非線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)是否滿足是否滿足疊加定理疊加定理 連續(xù)時間系統(tǒng)連續(xù)時間系統(tǒng) 離散時間系統(tǒng)離散時間系統(tǒng) u(nT) t 0 T 2T nT 根據(jù)時間信號的不同方式分類根據(jù)時間信號的不同方式分類 A/D - + 給定值 數(shù)字控制器 輸出 執(zhí)行器 D/A 數(shù)字計算機 受控對象 傳感器 u(t) t 0 根據(jù)控制對象端口信號數(shù)量來分類根據(jù)控制對象端口信號數(shù)量來分類 系 統(tǒng) u y 系 統(tǒng) um yr u2 y2 u1 y1

7、SISO系統(tǒng)系統(tǒng) MIMO系統(tǒng)系統(tǒng)1.3.3 1.3.3 自動控制系統(tǒng)的基本要求及本課自動控制系統(tǒng)的基本要求及本課 研究的內(nèi)容研究的內(nèi)容 自動控制系統(tǒng)的基本要求：自動控制系統(tǒng)的基本要求：必須穩(wěn)定的必須穩(wěn)定的 c(t) t 給定值 響應(yīng)緩慢 響應(yīng)快速 變化劇烈 t c(t) 響應(yīng)平穩(wěn) t 跟蹤誤差 c(t) 響應(yīng)動作要響應(yīng)動作要快快動態(tài)過程動態(tài)過程平穩(wěn)平穩(wěn)跟蹤值要跟蹤值要準確準確 研究的內(nèi)容 系統(tǒng)分析系統(tǒng)分析 系統(tǒng)綜合（系統(tǒng)設(shè)計，校正）系統(tǒng)綜合（系統(tǒng)設(shè)計，校正）1.4 1.4 自動控制理論的發(fā)展自動控制理論的發(fā)展 早期：樸素的控制思想應(yīng)用早期：樸素的控制思想應(yīng)用 尾 羽 空氣阻力 箭蔟 飛行方向

8、 我國古代的弓箭我國古代的弓箭 蒸汽機的速度控制蒸汽機的速度控制（200多年前）多年前）美國美國MIT的的N. Wiener于于1948發(fā)表發(fā)表控制論控制論(Cybernetics)，標志著控制論學(xué)科的誕生。，標志著控制論學(xué)科的誕生。 經(jīng)典控制理論發(fā)展階段經(jīng)典控制理論發(fā)展階段頻率分析法頻率分析法和和根軌跡分析法根軌跡分析法，構(gòu)成了經(jīng)典，構(gòu)成了經(jīng)典控制理論的基礎(chǔ)?？刂评碚摰幕A(chǔ)。數(shù)學(xué)工具數(shù)學(xué)工具：主要是線性微分方程和基于拉普拉主要是線性微分方程和基于拉普拉斯變換的傳遞函數(shù)。斯變換的傳遞函數(shù)。研究對象研究對象：基本是單輸入單輸出系統(tǒng)?；臼菃屋斎雴屋敵鱿到y(tǒng)。典型成果典型成果：雷達：雷達高炮跟蹤系統(tǒng)

9、，軋鋼機控制高炮跟蹤系統(tǒng)，軋鋼機控制系統(tǒng)，液壓伺服系統(tǒng)等。系統(tǒng)，液壓伺服系統(tǒng)等。 現(xiàn)代控制理論發(fā)展階段數(shù)學(xué)工具數(shù)學(xué)工具：主要是主要是狀態(tài)空間法狀態(tài)空間法研究對象研究對象：研究對象更為廣泛。如研究對象更為廣泛。如線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)、定常系統(tǒng)與時變系統(tǒng)、多與非線性系統(tǒng)、定常系統(tǒng)與時變系統(tǒng)、多輸入多輸出系統(tǒng)、變量耦合系統(tǒng)輸入多輸出系統(tǒng)、變量耦合系統(tǒng)等。等。典型成果典型成果：空間技術(shù)、軍事技術(shù)、多方面的多方面的工業(yè)技術(shù) 現(xiàn)代控制理論發(fā)展階段現(xiàn)代控制理論發(fā)展階段7070年代年代至今，基于人腦的思維、學(xué)習、推理至今，基于人腦的思維、學(xué)習、推理決策功能研究與發(fā)展的，是當前控制理論學(xué)科研決策功能研究與發(fā)展的，是當前控制理論學(xué)科研究的前沿領(lǐng)域究的前沿領(lǐng)域( (理論上未出現(xiàn)劃時代的進展理論上未出現(xiàn)劃時代的進展)。主要研究方向主要研究方向：自適應(yīng)控制理論、模糊控制理論、自適應(yīng)控制理論、模糊控制理論、人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、渾沌理論研究人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、渾沌理論研究等。等。 主要研究成果主要研究成果：各種自動設(shè)計系統(tǒng)，神經(jīng)計算機，各種自動設(shè)計系統(tǒng)，神經(jīng)計算機，機器人控制系統(tǒng)，模式識別，人工推理機機器人控制系統(tǒng)，模式識別，人工推理機等。等。 我國歷史和現(xiàn)狀我國歷史和現(xiàn)狀我國起步晚，在現(xiàn)代科學(xué)史上沒有占據(jù)一席我國起步晚，在現(xiàn)代科學(xué)史上沒有占據(jù)一席之地，之地，19541954年年錢學(xué)森