2012年自動(dòng)控制原理課件ch1緒論

1、自動(dòng)控制理論(A)蔣麗英第一章 自動(dòng)控制的一般概念本章主要內(nèi)容 1.1 引言 1.2 自動(dòng)控制理論發(fā)展概述 1.3 自動(dòng)控制和自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念 1.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成 1.5 控制系統(tǒng)示例 1.6 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類 1.7 對控制系統(tǒng)性能的基本要求 1.8 本課程的研究內(nèi)容1.2 自動(dòng)控制理論發(fā)展概述1經(jīng)典控制理論以單變量控制，隨動(dòng)/調(diào)節(jié)為主要內(nèi)容，以微分方程和傳遞函數(shù)為數(shù)學(xué)模型，以頻率響應(yīng)法為主要方法。數(shù)學(xué)工具：微分方程，復(fù)變函數(shù)3后現(xiàn)代控制理論 大系統(tǒng)、智能控制 ；以 網(wǎng)絡(luò)、通訊、人機(jī)交互為代表的信息自動(dòng)化 集成的理論與技術(shù)。2現(xiàn)代控制理論 現(xiàn)代控制理論以多變量控制、最優(yōu)控

2、制為主要內(nèi)容，采用時(shí)域法，以狀態(tài)方程為數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)工具：線性代數(shù)， 泛函分析第一階段：經(jīng)典控制理論最先使用反饋控制裝置的是希臘人在公元前300年到1年中使用的浮子調(diào)節(jié)器。凱特斯比斯（Kitesibbios）在油燈中使用了浮子調(diào)節(jié)器以保持油面高度穩(wěn)定。閉環(huán)的自動(dòng)控制裝置的應(yīng)用，可以追溯到1788年瓦特（J.Watt）發(fā)明的飛錘調(diào)速器的研究。然而最終形成完整的自動(dòng)控制理論體系，是在20世紀(jì)40年代末。19世紀(jì)60年代期間是控制系統(tǒng)高速發(fā)展的時(shí)期1868年麥克斯韋爾（J.C.Maxwell）基于微分方程描述從理論上給出了它的穩(wěn)定性條件。1877年勞斯（E.J.Routh）,1895年霍爾維茨（A.

3、Hurwitz）分別獨(dú)立給出了高階線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)；1892年，李雅普諾夫（A.M.Lyapunov）給出了非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)。瓦特調(diào)速器 第一階段：經(jīng)典控制理論1922年米羅斯基(N.Minorsky)給出了位置控制系統(tǒng)的分析，并對PID三作用控制給出了控制規(guī)律公式。 1942年，齊格勒（J.G.Zigler）和尼科爾斯(N.B.Nichols)又給出了PID控制器的最優(yōu)參數(shù)整定法。1932年柰奎斯特(Nyquist)提出了負(fù)反饋系統(tǒng)的頻率域穩(wěn)定性判據(jù)。1940年，波德(H.Bode)進(jìn)一步研究通信系統(tǒng)頻域方法，提出了頻域響應(yīng)的對數(shù)坐標(biāo)圖描述方法。1943年，霍爾(A.C.Hall)

4、利用傳遞函（復(fù)數(shù)域模型）和方框圖，把通信工程的頻域響應(yīng)方法和機(jī)械工程的時(shí)域方法統(tǒng)一起來，人們稱此方法為復(fù)域方法。1948年伊文斯（W.Evans）又進(jìn)一步提出了屬于經(jīng)典方法的根軌跡設(shè)計(jì)法第一階段：經(jīng)典控制理論總結(jié):經(jīng)典控制理論的分析方法為復(fù)數(shù)域方法,以傳遞函數(shù)作為系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，常利用圖表進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，比求解微分方程簡便。優(yōu)點(diǎn):可通過試驗(yàn)方法建立數(shù)學(xué)模型，物理概念清晰，得到廣泛的工程應(yīng)用。缺點(diǎn):只適應(yīng)單變量線性定常系統(tǒng)，對系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)缺少了解，且復(fù)數(shù)域方法研究時(shí)域特性，得不到精確的結(jié)果。自動(dòng)控制理論發(fā)展概述1經(jīng)典控制理論以單變量控制，隨動(dòng)/調(diào)節(jié)為主要內(nèi)容，以微分方程和傳遞函數(shù)為數(shù)學(xué)模型，以頻率響

5、應(yīng)法為主要方法。數(shù)學(xué)工具：微分方程，復(fù)變函數(shù)3后現(xiàn)代控制理論 大系統(tǒng)、智能控制 ；以 網(wǎng)絡(luò)、通訊、人機(jī)交互為代表的信息自動(dòng)化 集成的理論與技術(shù)。2現(xiàn)代控制理論 現(xiàn)代控制理論以多變量控制、最優(yōu)控制為主要內(nèi)容，采用時(shí)域法，以狀態(tài)方程為數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)工具：線性代數(shù)， 泛函分析現(xiàn)代控制理論、后現(xiàn)代控制理論 現(xiàn)代控制理論 60年代初形成并迅速發(fā)展起來的 現(xiàn)代控制理論是在航天、航空、導(dǎo)彈等軍事尖端技術(shù)的發(fā)展，對自動(dòng)控制系統(tǒng)提出越來越高的要求的推動(dòng)下發(fā)展起來的。要求設(shè)計(jì)高精度、快速響應(yīng)、低消耗、低代價(jià)的控制系統(tǒng)；被控制對象越來越大型、復(fù)雜、綜合化，從單個(gè)局部自動(dòng)化發(fā)展成綜合集成自動(dòng)化第二階段：現(xiàn)代控制理論2

6、0世紀(jì)60年代初，在原有“經(jīng)典控制理論”的基礎(chǔ)上，形成了所謂的“現(xiàn)代控制理論” 。1892年俄國數(shù)學(xué)家Lyapunov創(chuàng)立的穩(wěn)定性理論被引入到控制中；1954年貝爾曼(R.Bellman)的動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論；1956年龐特里雅金(L.S.Pontryagin)提出了極大值原理；1960年卡爾曼（R.E.Kalman）的多變量最優(yōu)控制和最優(yōu)濾波理論。現(xiàn)代控制理論主要利用計(jì)算機(jī)作為系統(tǒng)建模、分析、設(shè)計(jì)以及控制的手段，適用于多變量、非線性、時(shí)變系統(tǒng)?，F(xiàn)代控制理論、后現(xiàn)代控制理論后現(xiàn)代控制理論 80年代以后，控制理論向廣度與深度發(fā)展 大系統(tǒng)，是指規(guī)模大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜變量眾多的信息與控制系統(tǒng)。在系統(tǒng)理論中，采用

7、狀態(tài)方程和代數(shù)方程相結(jié)合的數(shù)學(xué)模型，狀態(tài)空間，運(yùn)籌學(xué)等相結(jié)合的數(shù)學(xué)方法。 智能控制 是具有某些仿人智能的工程控制與信息處理系統(tǒng)，其中最典型的是智能機(jī)器人， 智能主體等。 21世紀(jì) 網(wǎng)絡(luò)、通訊、人機(jī)交互為代表的信息自動(dòng)化 集成的理論與技術(shù)。第三階段：大系統(tǒng)控制20世紀(jì)70年代開始，出現(xiàn)了一些新的控制方法和理論。如（1）現(xiàn)代頻域方法，該方法以傳遞函數(shù)矩陣為數(shù)學(xué)模型，研究線性定常多變量系統(tǒng)；（2）自適應(yīng)控制理論和方法，該方法以系統(tǒng)辨識(shí)和參數(shù)估計(jì)為基礎(chǔ)，處理被控對象不確定和緩時(shí)變，在實(shí)時(shí)辨識(shí)基礎(chǔ)上在線確定最優(yōu)控制規(guī)律；（3）魯棒控制方法，該方法在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和其它性能基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)不變的魯棒控制器，以

8、處理數(shù)學(xué)模型的不確定性；（4）預(yù)測控制方法，該方法為一種計(jì)算機(jī)控制算法，在預(yù)測模型的基礎(chǔ)上采用滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正，可以處理多變量系統(tǒng)。第四階段：智能控制智能控制的指導(dǎo)思想是依據(jù)人的思維方式和處理問題的技巧，解決那些目前需要人的智能才能解決的復(fù)雜的控制問題。被控對象的復(fù)雜性體現(xiàn)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，復(fù)雜的信息模式，龐大的數(shù)據(jù)量，以及嚴(yán)格的特性指標(biāo)等。而環(huán)境的復(fù)雜性則表現(xiàn)為變化的不確定性和難以辨識(shí)。 試圖用傳統(tǒng)的控制理論和方法去解決復(fù)雜的對象，復(fù)雜的環(huán)境和復(fù)雜的任務(wù)是不可能的。 智能控制的方法包括模糊控制，神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制，專家控制等方法。1.

9、3 自動(dòng)控制和自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念 1.3.1 自動(dòng)控制問題的提出水位控制系統(tǒng)（人工）目的：保持水池的水平保持不變什么影響水位的變化？進(jìn)水流量出水流量如何實(shí)現(xiàn)呢？調(diào)節(jié)閥門的開度有何缺點(diǎn)？自動(dòng)控制和自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念1.3.1 自動(dòng)控制問題的提出水位自動(dòng)控制系統(tǒng)（簡單形式）工作原理用水量增大用水量變小缺點(diǎn)存在誤差原因建立新的平衡狀態(tài)未達(dá)到控制要求怎么辦？自動(dòng)控制和自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念較完善的水位自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的動(dòng)畫自動(dòng)控制在無人直接參與的情況下，利用控制裝置，使工作機(jī)械、或生產(chǎn)過程（被控對象）的某一個(gè)物理量（被控量）按預(yù)定的規(guī)律（給定量）運(yùn)行。自動(dòng)控制與人工控制水位控制系統(tǒng)總結(jié)

10、人工控制眼睛 大腦 人手自動(dòng)控制浮子連桿、電位器電動(dòng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)只不過是把某些裝置有機(jī)地組合在一起，以代替人的職能而已。 測量 偏差控制 最常見的控制方式開環(huán)控制閉環(huán)控制復(fù)合控制1.3.2 開環(huán)控制概念（定義）：系統(tǒng)的控制輸入不受輸出影響的控制系統(tǒng)稱開環(huán)控制系統(tǒng)。特點(diǎn)：在開環(huán)控制系統(tǒng)中，輸入端與輸出端之間，只有信號(hào)的前向通道而不存在由輸出端到輸入端的反饋通路。 ？電壓放大器功率放大器他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)任務(wù)：控制直流電動(dòng)機(jī)以恒定的轉(zhuǎn)速帶動(dòng)負(fù)載工作。 被控對象被控量（輸出量）給定量（輸入量）直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng)方框圖方框圖(Block diagram)是控制系統(tǒng)中信息的流向和各環(huán)節(jié)

11、相互關(guān)系的圖解表示，非常方便定性分析和定量計(jì)算。它描述“信息”的傳遞，“信息”傳遞的路徑，“信息”的變換等等。電壓放大器功率放大器直流電動(dòng)機(jī)方框圖中各符號(hào)的意義 元部件 方框（塊）圖 信號(hào)（物理量）及傳遞方向中的符號(hào) 比較點(diǎn) 引出點(diǎn) 表示負(fù)反饋電壓放大器功率放大器電壓放大器功率放大器直流電動(dòng)機(jī)分析與結(jié)論輸出到輸入沒有信號(hào)傳遞開環(huán)控制精度不高如何提高控制精度呢？閉環(huán)控制方案1.3.3 閉環(huán)控制系統(tǒng)把輸出量的信息反饋到輸入端，通過比較輸入值與輸出值，產(chǎn)生偏差信號(hào)，該偏差信號(hào)以一定的控制規(guī)律產(chǎn)生控制作用，逐步減小以至消除這一偏差，從而實(shí)現(xiàn)所要求的控制性能。 1.3.3 閉環(huán)控制系統(tǒng)電壓放大器功率放大

12、器閉環(huán)系統(tǒng)的方框圖電壓放大器功率放大器直流電動(dòng)機(jī)測速電動(dòng)機(jī)閉環(huán)系統(tǒng)工作的本質(zhì)機(jī)理 將系統(tǒng)的輸出信號(hào)引回到輸入端，與輸入信號(hào)相比較，利用所得的偏差信號(hào)對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到減小偏差或消除偏差的目的。這就是負(fù)反饋控制原理，它是構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)的核心。 1.3.4 開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的比較開環(huán)控制系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)比較簡單成本較低 缺點(diǎn)：控制精度不高抑制干擾能力差對系統(tǒng)參數(shù)變化比較敏感。 閉環(huán)控制系統(tǒng) 缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜造價(jià)較高 優(yōu)點(diǎn)：抑制干擾能力強(qiáng) 對參數(shù)變化不敏感 可以選用不太精密的元件構(gòu)成較為精密的控制系統(tǒng) 1.3.4 開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的比較1.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成 被控對象控制

13、系統(tǒng) 測量元件 比較元件 控制裝置 放大元件 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 校正裝置 給定元件1.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成1.5 控制系統(tǒng)示例飛機(jī)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)控制任務(wù)：系統(tǒng)在任何擾動(dòng)作用下，保持飛機(jī)俯仰角不變。被控對象：飛機(jī)。被控量：飛機(jī)的俯仰角 。 俯仰角控制系統(tǒng)原理方框圖1.6 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類按給定信號(hào)劃分恒值控制系統(tǒng)控制輸入是恒定值，要求被控量保持給定值不變隨動(dòng)控制系統(tǒng) 給定信號(hào)的變化規(guī)律是事先不能確定的隨時(shí)間變化的信號(hào) 程序控制系統(tǒng)若給定輸入是預(yù)先設(shè)定的、按預(yù)定規(guī)律變化的信號(hào) 1.6 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類系統(tǒng)參數(shù)是否隨時(shí)間變化劃分定常系統(tǒng) 控制系統(tǒng)的參數(shù)在系統(tǒng)運(yùn)行過程中不隨時(shí)間變化 時(shí)變系統(tǒng) 控制系統(tǒng)

14、的參數(shù)在系統(tǒng)運(yùn)行過程中隨時(shí)間變化原因元器件老化等 1.6 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類按系統(tǒng)是否滿足疊加原理 （即按系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型劃分）線性系統(tǒng)由線性元部件組成的系統(tǒng)具有齊次性和疊加性非線性系統(tǒng) 含有一個(gè)或一個(gè)以上非線性元件的系統(tǒng)不滿足疊加性1.6 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類按信號(hào)傳遞的連續(xù)性劃分連續(xù)系統(tǒng)若系統(tǒng)中所有信號(hào)都是連續(xù)信號(hào)，則稱為連續(xù)系統(tǒng) 傳遞的信號(hào)為模擬信號(hào)離散系統(tǒng)如果系統(tǒng)中有一處或幾處的信號(hào)是離散信號(hào)（脈沖序列或數(shù)字編碼），則稱為離散系統(tǒng) 1.6 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類按系統(tǒng)輸入與輸出信號(hào)的數(shù)量劃分單變量系統(tǒng)（SISO）只有一個(gè)輸入、一個(gè)輸出的系統(tǒng)（不包含干擾信號(hào)）多變量系統(tǒng)（MIMO）包含多個(gè)輸入或多個(gè)輸出的系統(tǒng)控制系統(tǒng)分類小結(jié)1.7 對控制系統(tǒng)性能的基本要求穩(wěn)系統(tǒng)的穩(wěn)