chap自動(dòng)控制理論的一般概念實(shí)用實(shí)用教案

1、第1頁(yè)/共31頁(yè)第一頁(yè)，共32頁(yè)。17651765年，瓦特發(fā)明蒸汽機(jī)，用離心式調(diào)速器控制蒸氣機(jī)年，瓦特發(fā)明蒸汽機(jī)，用離心式調(diào)速器控制蒸氣機(jī)19481948年，維納控制論或關(guān)于年，維納控制論或關(guān)于(guny)(guny)在動(dòng)物和機(jī)器在動(dòng)物和機(jī)器中控制和通中控制和通 信的科學(xué)產(chǎn)生信的科學(xué)產(chǎn)生40406060年代年代 經(jīng)典控制理論（頻域法為主）經(jīng)典控制理論（頻域法為主）60607070年代年代 現(xiàn)代控制理論（時(shí)域法為主現(xiàn)代控制理論（時(shí)域法為主) )7070年代以后年代以后 大系統(tǒng)控制理論大系統(tǒng)控制理論自動(dòng)控制：自動(dòng)控制： 在沒(méi)有人直接參與的情況下，采用控在沒(méi)有人直接參與的情況下，采用控制裝置或機(jī)械使

2、被控制對(duì)象達(dá)到預(yù)期制裝置或機(jī)械使被控制對(duì)象達(dá)到預(yù)期(yq)的目標(biāo)的目標(biāo) 。發(fā)展簡(jiǎn)史：發(fā)展簡(jiǎn)史：第2頁(yè)/共31頁(yè)第二頁(yè)，共32頁(yè)。自動(dòng)控制研究自動(dòng)控制研究(ynji)(ynji)的內(nèi)容：的內(nèi)容： 經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論 現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論 主要研究主要研究(ynji)(ynji)對(duì)象對(duì)象: :對(duì)單輸入單輸出線性定對(duì)單輸入單輸出線性定常系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問(wèn)題。常系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問(wèn)題?，F(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論 主要研究主要研究(ynji)(ynji)對(duì)象對(duì)象: :多輸入、多輸出、時(shí)變多輸入、多輸出、時(shí)變參數(shù)、高精度復(fù)雜系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問(wèn)題。參數(shù)、高精度復(fù)雜系統(tǒng)的分析和設(shè)

3、計(jì)問(wèn)題。第3頁(yè)/共31頁(yè)第三頁(yè)，共32頁(yè)。研究對(duì)象研究對(duì)象數(shù)學(xué)工具數(shù)學(xué)工具分析方法分析方法局限性局限性經(jīng)典經(jīng)典控制控制理論理論單單I/OI/O線性定常線性定常系統(tǒng)系統(tǒng)微分方程，微分方程，傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)時(shí)域法時(shí)域法頻域法頻域法根軌跡法根軌跡法對(duì)復(fù)雜多變量對(duì)復(fù)雜多變量系統(tǒng)、時(shí)變和系統(tǒng)、時(shí)變和非線性系統(tǒng)無(wú)非線性系統(tǒng)無(wú)能為力能為力現(xiàn)代現(xiàn)代控制控制理論理論多輸入多輸入- -多多輸出變系輸出變系數(shù)，非線數(shù)，非線性等系統(tǒng)性等系統(tǒng)線性代數(shù)、線性代數(shù)、矩陣?yán)碚摼仃嚴(yán)碚摖顟B(tài)狀態(tài)空間法空間法比較繁瑣比較繁瑣（但由于計(jì)（但由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的算機(jī)技術(shù)的 迅速發(fā)展，迅速發(fā)展，已克服已克服) )第4頁(yè)/共31頁(yè)第四頁(yè)，共3

4、2頁(yè)。第5頁(yè)/共31頁(yè)第五頁(yè)，共32頁(yè)。 控制控制(kngzh)裝置與被控對(duì)象之間只有順向裝置與被控對(duì)象之間只有順向作用而沒(méi)有反向聯(lián)系的控制作用而沒(méi)有反向聯(lián)系的控制(kngzh)?；蛘哒f(shuō)系?；蛘哒f(shuō)系統(tǒng)的輸出量對(duì)系統(tǒng)的控制統(tǒng)的輸出量對(duì)系統(tǒng)的控制(kngzh)作用無(wú)影響的作用無(wú)影響的控制控制(kngzh)系統(tǒng)。系統(tǒng)。溫度計(jì) 加熱電阻絲u220Vk爐溫開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)爐溫開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng) 開(kāi)關(guān)閉合后，不開(kāi)關(guān)閉合后，不同的輸入電壓同的輸入電壓u u對(duì)應(yīng)于對(duì)應(yīng)于不同的溫度不同的溫度t t。第6頁(yè)/共31頁(yè)第六頁(yè)，共32頁(yè)。給定(i dn)值輸出量控制器被控制對(duì)象擾動(dòng)輸出量 受控對(duì)象控制裝置 (電源 )輸入量(

5、(溫度) )擾動(dòng)量開(kāi)關(guān)電爐恒溫箱加熱電阻絲爐溫開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)方框圖爐溫開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)方框圖第7頁(yè)/共31頁(yè)第七頁(yè)，共32頁(yè)?？刂品绞剑嚎刂品绞剑?按給定值操縱。信號(hào)由給定值至輸出量單向傳遞。一按給定值操縱。信號(hào)由給定值至輸出量單向傳遞。一定的給定值對(duì)應(yīng)定的給定值對(duì)應(yīng)(duyng)一定的輸出量。系統(tǒng)的控制精一定的輸出量。系統(tǒng)的控制精度取決于系統(tǒng)事先的調(diào)整精度。對(duì)于工作過(guò)程中受到的度取決于系統(tǒng)事先的調(diào)整精度。對(duì)于工作過(guò)程中受到的擾動(dòng)或特性參數(shù)的變化無(wú)法自動(dòng)補(bǔ)償。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本擾動(dòng)或特性參數(shù)的變化無(wú)法自動(dòng)補(bǔ)償。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，多用于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)穩(wěn)定和擾動(dòng)信號(hào)較弱的場(chǎng)合低廉，多用于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)穩(wěn)定和擾

6、動(dòng)信號(hào)較弱的場(chǎng)合.開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn)：開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn)： 信號(hào)從輸入到輸出無(wú)反饋信號(hào)從輸入到輸出無(wú)反饋, ,單向傳遞單向傳遞(chund). (chund). 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單. . 控制精度不高控制精度不高, ,無(wú)法抑制擾動(dòng)無(wú)法抑制擾動(dòng). .第8頁(yè)/共31頁(yè)第八頁(yè)，共32頁(yè)。輸出量對(duì)輸入量沒(méi)有影響輸出量對(duì)輸入量沒(méi)有影響(yngxing)(yngxing)的系統(tǒng)稱為開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的系統(tǒng)稱為開(kāi)環(huán)系統(tǒng) 第9頁(yè)/共31頁(yè)第九頁(yè)，共32頁(yè)。反饋(fnku)第10頁(yè)/共31頁(yè)第十頁(yè)，共32頁(yè)。控制控制(kngzh)(kngzh)任務(wù)：保持工作機(jī)械恒速任務(wù)：保持工作機(jī)械恒速運(yùn)行運(yùn)行. .控制控制(kngzh)(k

7、ngzh)過(guò)程：過(guò)程：fanuuun 第11頁(yè)/共31頁(yè)第十一頁(yè)，共32頁(yè)。典型典型(dinxng)閉環(huán)系統(tǒng)方框圖閉環(huán)系統(tǒng)方框圖第12頁(yè)/共31頁(yè)第十二頁(yè)，共32頁(yè)。特點(diǎn)特點(diǎn): : 輸出影響輸入，所以能削弱或抑制干擾；輸出影響輸入，所以能削弱或抑制干擾；低精度元件可組成高精度系統(tǒng)；因?yàn)榭赡馨l(fā)生低精度元件可組成高精度系統(tǒng)；因?yàn)榭赡馨l(fā)生超調(diào)，振蕩超調(diào)，振蕩(zhndng)(zhndng)，所以穩(wěn)定性很重要，所以穩(wěn)定性很重要第13頁(yè)/共31頁(yè)第十三頁(yè)，共32頁(yè)。第14頁(yè)/共31頁(yè)第十四頁(yè)，共32頁(yè)。主主 反反 饋饋 與輸出成正比或某種函數(shù)關(guān)系，但量綱與給定信號(hào)相同；與輸出成正比或某種函數(shù)關(guān)系，但量綱

8、與給定信號(hào)相同；偏偏 差差 給定信號(hào)與主反饋信號(hào)之差的信號(hào)；給定信號(hào)與主反饋信號(hào)之差的信號(hào)；控制單元控制單元 接受偏差信號(hào)，通過(guò)轉(zhuǎn)換與運(yùn)算，產(chǎn)生期望的控制量；接受偏差信號(hào)，通過(guò)轉(zhuǎn)換與運(yùn)算，產(chǎn)生期望的控制量；擾擾 動(dòng)動(dòng) 對(duì)系統(tǒng)輸出產(chǎn)生不利影響對(duì)系統(tǒng)輸出產(chǎn)生不利影響(yngxing)(yngxing)的信號(hào)；的信號(hào)；反饋環(huán)節(jié)反饋環(huán)節(jié) 檢測(cè)輸出信號(hào)并轉(zhuǎn)換與給定輸入信號(hào)相同量綱的信號(hào)。檢測(cè)輸出信號(hào)并轉(zhuǎn)換與給定輸入信號(hào)相同量綱的信號(hào)。第15頁(yè)/共31頁(yè)第十五頁(yè)，共32頁(yè)。輸出量環(huán)節(jié)名稱（或特性）輸入量(a) (- -)(b)re=r-b b(c)c引出點(diǎn)cc 擾動(dòng)被控量偏差信號(hào) (- -) 參考 輸入信

9、號(hào)r(t) 調(diào)節(jié)器(或控制器)u(t)受控系統(tǒng)e(t) c(t)反饋信號(hào) 控制量 給定 控制 環(huán)節(jié) 放大 元件 執(zhí)行 機(jī)構(gòu) 受控 對(duì)象 反饋裝置 (測(cè)量元件)第16頁(yè)/共31頁(yè)第十六頁(yè)，共32頁(yè)。擾動(dòng)(b) 方框圖(- -)utug 給定 裝置 放大器 電動(dòng)機(jī) 轉(zhuǎn)速反 饋裝置 觸發(fā)器 晶闡管可 控整流器控 制 裝 置受控對(duì)象nueudo第17頁(yè)/共31頁(yè)第十七頁(yè)，共32頁(yè)。 它是把按偏差控制與按擾動(dòng)它是把按偏差控制與按擾動(dòng)(rodng)控制結(jié)合起來(lái)，對(duì)于主要擾動(dòng)控制結(jié)合起來(lái)，對(duì)于主要擾動(dòng)(rodng)采用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償裝置實(shí)現(xiàn)按擾動(dòng)采用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償裝置實(shí)現(xiàn)按擾動(dòng)(rodng)控制，同時(shí)再組成反饋控制

10、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)按偏控制，同時(shí)再組成反饋控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)按偏差控制，以消除其余擾動(dòng)差控制，以消除其余擾動(dòng)(rodng)產(chǎn)生的偏差。產(chǎn)生的偏差。按擾動(dòng)(rodng)補(bǔ)償ou 輸入信號(hào) (- -) 電壓放大器功率放大器 電動(dòng)機(jī)測(cè)速發(fā)電機(jī)電壓放大器電阻R電動(dòng)機(jī)速度復(fù)合控制系統(tǒng)方框圖電動(dòng)機(jī)速度復(fù)合控制系統(tǒng)方框圖eutunMc第18頁(yè)/共31頁(yè)第十八頁(yè)，共32頁(yè)。 也稱鎮(zhèn)定系統(tǒng)。輸出量以一定的精度等于給定也稱鎮(zhèn)定系統(tǒng)。輸出量以一定的精度等于給定值，而給定值一般不變化或變化很緩慢，擾動(dòng)可隨值，而給定值一般不變化或變化很緩慢，擾動(dòng)可隨時(shí)變化的系統(tǒng)稱為時(shí)變化的系統(tǒng)稱為(chn wi)恒值系統(tǒng)，在生產(chǎn)恒值系統(tǒng)，在生產(chǎn)過(guò)程中

11、，這類系統(tǒng)非常多。例如，冶金部門的恒溫過(guò)程中，這類系統(tǒng)非常多。例如，冶金部門的恒溫系統(tǒng)，石油部門的恒壓系統(tǒng)等。系統(tǒng)，石油部門的恒壓系統(tǒng)等。恒值系統(tǒng)恒值系統(tǒng)(xtng)：第19頁(yè)/共31頁(yè)第十九頁(yè)，共32頁(yè)。 系統(tǒng)通過(guò)間隙傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量出密封間隙值并送入計(jì)算機(jī)，與設(shè)定值比較后，發(fā)出控制指令系統(tǒng)通過(guò)間隙傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量出密封間隙值并送入計(jì)算機(jī)，與設(shè)定值比較后，發(fā)出控制指令至電動(dòng)機(jī)提升機(jī)構(gòu)，調(diào)整密封板的位置，達(dá)到維持密封間隙值恒定至電動(dòng)機(jī)提升機(jī)構(gòu)，調(diào)整密封板的位置，達(dá)到維持密封間隙值恒定(hngdng)的目的。的目的。第20頁(yè)/共31頁(yè)第二十頁(yè)，共32頁(yè)。 輸出量能以一定精度跟隨給定值變化輸出量能以一

12、定精度跟隨給定值變化的系統(tǒng)的系統(tǒng)(xtng)稱隨動(dòng)系統(tǒng)稱隨動(dòng)系統(tǒng)(xtng)，又稱，又稱為跟蹤系統(tǒng)為跟蹤系統(tǒng)(xtng)。這類系統(tǒng)。這類系統(tǒng)(xtng)的的特點(diǎn)是系統(tǒng)特點(diǎn)是系統(tǒng)(xtng)的給定值變化規(guī)律完全的給定值變化規(guī)律完全取決于事先不能確定的時(shí)間函數(shù)，而輸出取決于事先不能確定的時(shí)間函數(shù)，而輸出量是與輸入量同樣的物理量并且能以一定量是與輸入量同樣的物理量并且能以一定的精度跟隨輸入量變化的系統(tǒng)的精度跟隨輸入量變化的系統(tǒng)(xtng)。例。例如：火炮系統(tǒng)如：火炮系統(tǒng)(xtng)，衛(wèi)星控制系統(tǒng)，衛(wèi)星控制系統(tǒng)(xtng)等。等。隨動(dòng)系統(tǒng)隨動(dòng)系統(tǒng)(xtng)：第21頁(yè)/共31頁(yè)第二十一頁(yè)，共32頁(yè)。控

13、制任務(wù)：控制任務(wù)：要求工作機(jī)械能夠跟隨指令機(jī)構(gòu)同要求工作機(jī)械能夠跟隨指令機(jī)構(gòu)同步轉(zhuǎn)動(dòng)步轉(zhuǎn)動(dòng), ,即要使工作機(jī)械的角位置跟隨給定指令即要使工作機(jī)械的角位置跟隨給定指令轉(zhuǎn)角，亦即使：轉(zhuǎn)角，亦即使：oi第22頁(yè)/共31頁(yè)第二十二頁(yè)，共32頁(yè)。 首先確定以下基本問(wèn)題：首先確定以下基本問(wèn)題：（1 1）受控對(duì)象）受控對(duì)象: : 工作機(jī)械；工作機(jī)械；（2 2）被）被 控控 量量: : 角位置；角位置；（3 3）指令轉(zhuǎn)角）指令轉(zhuǎn)角: : 給定值；給定值；（4 4）測(cè)量元件）測(cè)量元件: : 通過(guò)兩個(gè)相同的電位計(jì)測(cè)量轉(zhuǎn)角值，并轉(zhuǎn)換為通過(guò)兩個(gè)相同的電位計(jì)測(cè)量轉(zhuǎn)角值，并轉(zhuǎn)換為 相應(yīng)的電壓值；相應(yīng)的電壓值；（5 5）計(jì)

14、算比較）計(jì)算比較: : 兩個(gè)測(cè)量電位計(jì)的橋式連接，即完成了減法運(yùn)算，兩個(gè)測(cè)量電位計(jì)的橋式連接，即完成了減法運(yùn)算， 兩電刷之間的電壓代表了被控量對(duì)給定量的誤差兩電刷之間的電壓代表了被控量對(duì)給定量的誤差(wch)(wch)；（6 6）執(zhí)行機(jī)械）執(zhí)行機(jī)械: : 電機(jī)減速裝置。電機(jī)減速裝置。系統(tǒng)的工作系統(tǒng)的工作(gngzu)(gngzu)原理：原理： 如果工作如果工作(gngzu)(gngzu)機(jī)械轉(zhuǎn)角等于指令轉(zhuǎn)角，則機(jī)械轉(zhuǎn)角等于指令轉(zhuǎn)角，則經(jīng)事先整定，經(jīng)事先整定，即電機(jī)不動(dòng)，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。當(dāng)指令轉(zhuǎn)角改變，隨之改變，而工作即電機(jī)不動(dòng)，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。當(dāng)指令轉(zhuǎn)角改變，隨之改變，而工作(gngzu)

15、(gngzu)機(jī)械仍處于原位，則從而使電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)工作機(jī)械仍處于原位，則從而使電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)工作(gngzu)(gngzu)機(jī)械朝所要求的方向快速機(jī)械朝所要求的方向快速偏轉(zhuǎn)，直至電機(jī)停轉(zhuǎn)，此時(shí)系統(tǒng)在新的位置上處于與指令同步的平衡工作偏轉(zhuǎn)，直至電機(jī)停轉(zhuǎn)，此時(shí)系統(tǒng)在新的位置上處于與指令同步的平衡工作(gngzu)(gngzu)狀態(tài)，即完成了跟隨的任務(wù)。狀態(tài)，即完成了跟隨的任務(wù)。第23頁(yè)/共31頁(yè)第二十三頁(yè)，共32頁(yè)。 自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的的被控制量如果是根據(jù)預(yù)先編好的程序進(jìn)被控制量如果是根據(jù)預(yù)先編好的程序進(jìn)行控制的系統(tǒng)稱程序控制系統(tǒng)行控制的系統(tǒng)稱程序控制系統(tǒng)(kn zh x

16、 tn)。例如：煉鋼爐中的微機(jī)控制系。例如：煉鋼爐中的微機(jī)控制系統(tǒng)統(tǒng)(kn zh x tn)，洲際彈道導(dǎo)彈的，洲際彈道導(dǎo)彈的程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)(kn zh x tn)等。等。程序程序(chngx)控制控制系統(tǒng)：系統(tǒng)：第24頁(yè)/共31頁(yè)第二十四頁(yè)，共32頁(yè)。穩(wěn)定性穩(wěn)定性 被控制信號(hào)能跟蹤已變化的輸入信號(hào)，從一種狀態(tài)到另一種狀態(tài)，如果能做到，我們就認(rèn)被控制信號(hào)能跟蹤已變化的輸入信號(hào)，從一種狀態(tài)到另一種狀態(tài)，如果能做到，我們就認(rèn)為該系統(tǒng)為該系統(tǒng)(xtng)(xtng)是穩(wěn)定的，這是對(duì)反饋控制系統(tǒng)是穩(wěn)定的，這是對(duì)反饋控制系統(tǒng)(xtng)(xtng)提出的最基本要求。提出的最基本要求。 穩(wěn)定有絕對(duì)

17、穩(wěn)定和相對(duì)穩(wěn)定。穩(wěn)定有絕對(duì)穩(wěn)定和相對(duì)穩(wěn)定?？焖傩钥焖傩詫?duì)過(guò)渡過(guò)程的形式和快慢提出要求，一般稱為動(dòng)態(tài)性能。對(duì)過(guò)渡過(guò)程的形式和快慢提出要求，一般稱為動(dòng)態(tài)性能。穩(wěn)定高射炮射角隨動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定高射炮射角隨動(dòng)系統(tǒng)(xtng)(xtng)，雖然炮身最終能跟蹤目標(biāo)，但如果目標(biāo)變動(dòng)迅速，雖然炮身最終能跟蹤目標(biāo)，但如果目標(biāo)變動(dòng)迅速，而炮身行動(dòng)遲緩，仍然抓不住目標(biāo)。而炮身行動(dòng)遲緩，仍然抓不住目標(biāo)。準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性用穩(wěn)態(tài)誤差來(lái)表示。用穩(wěn)態(tài)誤差來(lái)表示。在參考輸入信號(hào)作用下，當(dāng)系統(tǒng)在參考輸入信號(hào)作用下，當(dāng)系統(tǒng)(xtng)(xtng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，其穩(wěn)態(tài)輸出與參考輸入所要求的達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，其穩(wěn)態(tài)輸出與參考輸入所要求的期望輸出之差叫做

18、給定穩(wěn)態(tài)誤差。顯然，這種誤差越小，表示系統(tǒng)期望輸出之差叫做給定穩(wěn)態(tài)誤差。顯然，這種誤差越小，表示系統(tǒng)(xtng)(xtng)的輸出跟隨參考的輸出跟隨參考輸入的精度越高。輸入的精度越高。第25頁(yè)/共31頁(yè)第二十五頁(yè)，共32頁(yè)。. .穩(wěn)定性：是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。穩(wěn)定性：是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。. .快速性：動(dòng)態(tài)性能，有指標(biāo)快速性：動(dòng)態(tài)性能，有指標(biāo)(zhbio)(zhbio)。. .準(zhǔn)確性：穩(wěn)態(tài)（過(guò)渡過(guò)程結(jié)束后的）值應(yīng)盡量與期望值一準(zhǔn)確性：穩(wěn)態(tài)（過(guò)渡過(guò)程結(jié)束后的）值應(yīng)盡量與期望值一致。致。tnn1(a)0(b)nt0n0n1t0n(c)n0t(e)n1n0t(d)n0n1n0t(f)第26頁(yè)/共31頁(yè)第二十六頁(yè)，共32頁(yè)?？刂葡到y(tǒng)控制系統(tǒng)(kn(kn zh x tn zh x tn) )的分析