控制理論概論

控制理論基建輝第一章概述第一章概述第二節(jié)自動控制系統(tǒng)的分類第一節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)第四節(jié)自動控制理論發(fā)展簡述第三節(jié)對控制系統(tǒng)性能的要求第一章概述第一節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)一、自動控制的基本概念二、控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成及控制方式第一章概述第一節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)一、自動控制的基本概念現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中的自動控制技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用

航天器

工業(yè)控制

機(jī)器人

家用電器

自動控制的特征：

通過對各類機(jī)器、各種物理參量、工業(yè)生產(chǎn)過程等的控制直接造福于社會。

自動控制：

在無人直接參與下，利用控制裝置操縱受控對象，使受控對象的被控量按給定信號變化規(guī)律去變化。

自動控制示意圖控制器給定值檢測元件受控對象被控量自動控制系統(tǒng)控制裝置:受控對象:機(jī)器、設(shè)備、生產(chǎn)過程等控制器、檢測元件等分析和設(shè)計自動控制系統(tǒng)的性能。自動控制原理的主要任務(wù)：下面通過一些實(shí)例來說明自動控制和自動控制系統(tǒng)的基本概念例

水溫人工控制系統(tǒng)受控對象:水箱熱傳導(dǎo)器件系統(tǒng)的構(gòu)成：被控制量:水溫閥門顯示儀表蒸汽排水冷水熱水工作過程：蒸汽通過熱傳導(dǎo)器件把熱量傳遞給水,水的溫度與蒸汽的流量成正比.手動調(diào)節(jié)閥門的開度，從而調(diào)節(jié)蒸汽的流量,來控制水的溫度.但人工難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的高質(zhì)量控制.第一節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)例

水溫自動控制系統(tǒng)系統(tǒng)中增加了：控制器電機(jī)加入給定信號工作原理：檢測實(shí)際溫度產(chǎn)生控制信號通過電機(jī)調(diào)節(jié)閥門的開度從而調(diào)節(jié)蒸汽流入，控制水的溫度.實(shí)現(xiàn)沒有人直接參入的自動水溫控制.第一節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)控制器溫度檢測第一節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)為了方便地分析系統(tǒng)性能，一般用框圖來表示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，水溫自動控制系統(tǒng)可用框圖表示為：要使自動控制系統(tǒng)滿足工程實(shí)際的需要,必須研究自動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)與系統(tǒng)性能之間的關(guān)系。實(shí)際溫度偏差反饋量預(yù)期溫度_控制器執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥門水箱控制器第一節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)桿杠長度例

液位自動控制系統(tǒng)h水箱桿杠浮球閥門進(jìn)水系統(tǒng)組成：出水被控制量：水位高度工作原理：調(diào)節(jié)杠桿長度L，通過杠桿機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)閥門的開度，從而調(diào)節(jié)進(jìn)水量以控制液位的高度。L系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖浮球hr(s)h(t)閥門水箱杠桿機(jī)構(gòu)第一節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)Lh自動控制是指在無人直接參與的情況下，通過控制裝置使被控對象或生產(chǎn)過程自動地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。自動控制理論是研究自動控制問題共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)，主要講述自動控制技術(shù)的基本理論與控制系統(tǒng)分析與設(shè)計的基本方法等內(nèi)容。

二、自動控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成及控制方式1．開環(huán)控制有順向作用而無反向聯(lián)系.不同的被控對象和不同的控制裝置構(gòu)成了不同的控制系統(tǒng)，所以自動控制系統(tǒng)的種類是很多的。自動控制系統(tǒng)一般有兩種基本控制方式.開環(huán)控制控制裝置與受控對象之間只第一節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)例

轉(zhuǎn)臺速度開環(huán)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺電機(jī)電源和放大裝置速度設(shè)置系統(tǒng)組成：由圖可見：第一節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)速度設(shè)置信號通過功率放大以后，提供給電動機(jī)驅(qū)動電源，電動機(jī)帶動轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)。

由于被控制量速度沒有反饋到輸入端與給定信號比較,為開環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖:給定速度實(shí)際轉(zhuǎn)速放大器直流電動機(jī)轉(zhuǎn)臺這種轉(zhuǎn)臺在CD機(jī)、計算機(jī)磁盤驅(qū)動器等許多現(xiàn)代裝置中廣泛應(yīng)用.開環(huán)控制的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)和控制簡單，抗擾能力差，控制精度低，一般系統(tǒng)精度要求不高或干擾對系統(tǒng)的影響不大。如交通指揮的紅綠燈轉(zhuǎn)換，自動控制生產(chǎn)線2．閉環(huán)控制閉環(huán)控制:閉環(huán)控制又稱為反饋控制或按偏差控制。控制裝置與受控對象之間，不但有順向作用，還有反向聯(lián)系。

第一節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)例轉(zhuǎn)臺速度閉環(huán)控制系統(tǒng)系統(tǒng)中增加了測速發(fā)電機(jī)作為反饋裝置測出電動機(jī)的速度反饋給控制器。與給定信號比較產(chǎn)生偏差電壓，經(jīng)過功率放大后對電動機(jī)的速度進(jìn)行閉環(huán)控制.當(dāng)速度受擾動發(fā)生變化時，偏差電壓也隨之變化，通過閉環(huán)調(diào)節(jié)能消除干擾。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖測速機(jī)偏差預(yù)期速度實(shí)際轉(zhuǎn)速放大器_直流電動機(jī)轉(zhuǎn)臺放大裝置例位置隨動系統(tǒng)環(huán)型電位器電機(jī)電源齒輪系統(tǒng)組成：負(fù)載輸入θr輸出θc工作過程：θr=θcUd=0Udθr≠θcUd≠0電動機(jī)帶動齒輪轉(zhuǎn)動,調(diào)節(jié)θc,使θr=θc電動機(jī)靜止第一節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖θr_電位器θm△θ

θcueud放大器電動機(jī)減速器例

直流調(diào)速系統(tǒng)直流電機(jī)測速發(fā)電機(jī)電源和控制裝置負(fù)載系統(tǒng)組成：UnUf輸入反饋電壓e=Un-Uf轉(zhuǎn)速取決于：第一節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)n輸出電樞電壓UdUd=Ke當(dāng)干擾引起轉(zhuǎn)速變化時，系統(tǒng)自動調(diào)整：n↓→Uf↓→e↑→Ud↑→n↑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖測速機(jī)unufeudn_放大器直流電動機(jī)（3）能減小或消除由擾動形成的偏差，具有較高的控制精度和較強(qiáng)的抗擾能力。通過以上的實(shí)例分析可得出閉環(huán)控制系統(tǒng)具有的特點(diǎn)：第一節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)（1）系統(tǒng)的控制信號是給定值與反饋量的差值，故稱為按偏差控制或反饋控制。（2）閉環(huán)系統(tǒng)有兩種傳輸通道：前向通道和反饋通道。自動控制原理中主要討論閉環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制

閉環(huán)控制指控制裝置與被控對象之間既有正向的作用，又有反向聯(lián)系的控制過程。

若將系統(tǒng)的輸出量反饋到其輸入端，與參考輸入進(jìn)行比較，則構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)

把取出的輸出量送回輸入端，并與輸入信號相比較產(chǎn)生偏差信號的過程，稱為反饋

通過反饋使偏差增大的正反饋，用“+”表示通過反饋使偏差減小的負(fù)反饋，用“-”表示

閉環(huán)控制就是采用負(fù)反饋利用偏差來減小偏差的控制過程。工程中的自動控制系統(tǒng)多數(shù)為閉環(huán)控制系統(tǒng)，如艦船操舵系統(tǒng)、火炮發(fā)射系統(tǒng)、雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)等。閉環(huán)控制系統(tǒng)的精度主要取決于測量元件的精度。閉環(huán)系統(tǒng)的方框圖

3．復(fù)合控制測量出外部作用，形成與外部作用相反的控制量與外部作用共同使被控量基本不受影響。前饋補(bǔ)償控制復(fù)合控制具有兩種基本形式.前饋補(bǔ)償控制：復(fù)合控制：反饋控制+第一節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)在外部作用下，由系統(tǒng)被控制量的變化產(chǎn)生調(diào)節(jié)和控制作用。反饋控制：(a)按輸入前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制給定值被控制量_檢測元件控制器前饋通道第一節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)受控對象前饋補(bǔ)償控制反饋控制主通道(b)按擾動前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制第一節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)給定值被控制量_檢測元件控制器受控對象前饋補(bǔ)償控制反饋控制主通道前饋通道擾動第二節(jié)自動控制系統(tǒng)的分類一、線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)的分類方法較多，常見的有以下幾種由線性微分方程或線性差分方程所描述的系統(tǒng)。元件具有線性特性，滿足疊加原理由非線性方程描述的系統(tǒng)。至少一個元件不具有線性特性，不滿足疊加原理第一章概述線性系統(tǒng)：非線性系統(tǒng)：二、定常系統(tǒng)和時變系統(tǒng)定常系統(tǒng):若系統(tǒng)微分方程的系數(shù)為常數(shù)，則稱之為線性定常系統(tǒng)。此類系統(tǒng)為本書主要討論對象。系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型微分方程的系數(shù)不是時間變量的函數(shù)。否則稱為時變系統(tǒng)。第二節(jié)自動控制系統(tǒng)的分類三、連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)：系統(tǒng)中各部分的信號都是時間的連續(xù)函數(shù)即模擬量。離散系統(tǒng)：系統(tǒng)中有一處或多處信號為時間的離散函數(shù)，如脈沖或數(shù)碼信號。若系統(tǒng)中既有模擬量也有離散信號，則又可稱之為采樣系統(tǒng)。第二節(jié)自動控制系統(tǒng)的分類四、恒值系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)系統(tǒng)的給定值為一定值，而控制任務(wù)就是克服擾動，使被控量保持恒值。例如：電機(jī)速度控制、恒溫、恒壓、水位控制系統(tǒng)等。一般像溫度、壓力、流量、濕度、粘度等熱工參量的控制多數(shù)為恒值控制系統(tǒng)。

恒值系統(tǒng)：第二節(jié)自動控制系統(tǒng)的分類隨動系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）：系統(tǒng)給定值按照變化規(guī)律未知的任意時間函數(shù)變化，并要求被控量跟隨給定值變化。如：火炮自動跟蹤系統(tǒng)、導(dǎo)彈發(fā)射架控制系統(tǒng)，雷達(dá)天線控制系統(tǒng)等。第二節(jié)自動控制系統(tǒng)的分類程序控制系統(tǒng)：系統(tǒng)的給定值按照一定的時間函數(shù)變化，并要求被控量隨之變化。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)例如：機(jī)械手第二節(jié)自動控制系統(tǒng)的分類自動化生產(chǎn)線：第二節(jié)自動控制系統(tǒng)的分類第三節(jié)對控制系統(tǒng)性能的要求常見的評價系統(tǒng)優(yōu)劣的性能指標(biāo)是從動態(tài)過程中定義出來的。對系統(tǒng)性能的基本要求有三個方面。二、快速性一、穩(wěn)定性三、準(zhǔn)確性第一章概述

系統(tǒng)受外作用力后,其動態(tài)過程的振蕩傾向和系統(tǒng)恢復(fù)平衡的能力。一、穩(wěn)定性第三節(jié)對控制系統(tǒng)性能的要求穩(wěn)定性：系統(tǒng)受外作用力經(jīng)過一段時間，其被控量達(dá)到某一穩(wěn)定狀態(tài)，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的。否則為不穩(wěn)定的。r(t)t0c(t)r(t)c(t)不穩(wěn)定的系統(tǒng)是無法正常工作的。擾動信號作用下的不穩(wěn)定系統(tǒng):d(t)t0c(t)c(t)d(t)一個能在生產(chǎn)實(shí)際中應(yīng)用的系統(tǒng),不僅應(yīng)具有穩(wěn)定性,而且在動態(tài)過程中的震蕩也不能過于強(qiáng)烈.穩(wěn)定性通常由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)決定，與外界因素?zé)o關(guān)。通過動態(tài)過程時間長短表征快速性,為系統(tǒng)的動態(tài)性能。二、快速性第三節(jié)對控制系統(tǒng)性能的要求r(t)t0c(t)r(t)c1(t)c2(t)快速性表明了系統(tǒng)輸出對輸入響應(yīng)的快慢程度，用上升時間與調(diào)整時間來表示。過渡過程時間越短，表明快速性越好。反之亦然。t1t2由輸入給定值與輸出響應(yīng)的終值之間的差值ess（穩(wěn)態(tài)誤差）大小表征。三、準(zhǔn)確性第三節(jié)對控制系統(tǒng)性能的要求r(t)t0c(t)ess它反映了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。若系統(tǒng)最終的誤差為零，則稱為無差系統(tǒng)，否則為有差系統(tǒng)。c(t)r(t)四、平穩(wěn)性平穩(wěn)性是對系統(tǒng)響應(yīng)的振幅和頻率提出的要求，反映系統(tǒng)的阻尼程度，為系統(tǒng)的動態(tài)性能。用超調(diào)量來表示。穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性往往是互相制約的。在設(shè)計與調(diào)試的過程中,若過分強(qiáng)調(diào)某方面的性能,則可能會使其他方面的性能受到影響.怎樣根據(jù)工作任務(wù)的不同,分析和設(shè)計自動控制系統(tǒng)，使其對三方面的性能有所側(cè)重，并兼顧其它正是自控原理課程要解決的問題。第三節(jié)對控制系統(tǒng)性能的要求1945年開始形成的1765年俄國機(jī)械師波爾祖諾夫發(fā)明了蒸汽機(jī)鍋爐水位調(diào)節(jié)器1784年英國人瓦特(Watt)發(fā)明了蒸汽機(jī)離心式調(diào)速器1877年勞斯(Routh)和赫爾維茨(Hurwitz)提出判定系統(tǒng)穩(wěn)定的代數(shù)判據(jù)19世紀(jì)前半葉，生產(chǎn)中開始使用發(fā)電機(jī)和電動機(jī)

19世紀(jì)末到20世紀(jì)前半葉，內(nèi)燃機(jī)的使用二次世界大戰(zhàn)中，搭起了經(jīng)典控制理論的框架，戰(zhàn)后這些理論被公開，并應(yīng)用于一般的工業(yè)生產(chǎn)過程中第四節(jié)

自動控制理論發(fā)展簡述經(jīng)典控制理論（20世紀(jì)40—60年代）

1932年奈奎斯特(Nyquist)的《再生理論》一文，開辟了頻域法的新途徑；1945年伯德(Bode)的《網(wǎng)絡(luò)分析和反饋放大器設(shè)計》一文，奠定了經(jīng)典控制理論的理論基礎(chǔ)，在西方開始形成了自動控制學(xué)科；1947年美國出版了第一本自動控制教材《伺服機(jī)件原理》；1948年美國麻省理工學(xué)院出版了另一本《伺服機(jī)件原理》教材，建立了現(xiàn)在廣泛使用的頻域法；1948年維納(Wiener)在他的名著《控制論：或關(guān)于在動物和機(jī)器中控制和通信的科學(xué)》中基于信息的觀點(diǎn)給控制論(Cybernetics)下了一個廣義的定義。而在控制工程中又稱為控制理論(ControlTheory)。20世紀(jì)50年代是經(jīng)典控制理論發(fā)展和成熟的時期。現(xiàn)代控制理論（20世紀(jì)60年代中期成熟）20世紀(jì)5