自動(dòng)控制技術(shù)第1章緒論

自動(dòng)控制技術(shù)任課教師：譚彧毛恩榮本課程安排參考教材機(jī)械工程控制基礎(chǔ)楊叔子等編著自動(dòng)控制理論胡壽松等編著嫦娥三號(hào)近月軌道示意圖1.0控制理論應(yīng)用(ApplicationofControlTheofy)1.0.1應(yīng)用實(shí)例1、嫦娥三號(hào)嫦娥三號(hào)軟著陸過(guò)程示意圖6個(gè)階段的最優(yōu)控制策略？（1）著陸準(zhǔn)備軌道：著陸準(zhǔn)備軌道的近月點(diǎn)是15KM，遠(yuǎn)月點(diǎn)是100KM。近月點(diǎn)在月心坐標(biāo)系的位置和軟著陸軌道形態(tài)共同決定了著陸點(diǎn)的位置。（2）主減速段：主減速段的區(qū)間是距離月面15km到3km。該階段的主要是減速，實(shí)現(xiàn)到距離月面3公里處嫦娥三號(hào)的速度降到57m/s。（3）快速調(diào)整段：快速調(diào)整段的主要是調(diào)整探測(cè)器姿態(tài)，需要從距離月面3km到2.4km處將水平速度減為0m/s，即使主減速發(fā)動(dòng)機(jī)的推力豎直向下，之后進(jìn)入粗避障階段。（4）粗避障段：粗避障段的范圍是距離月面2.4km到100m區(qū)間，其主要是要求避開(kāi)大的隕石坑，實(shí)現(xiàn)在設(shè)計(jì)著陸點(diǎn)上方100m處懸停，并初步確定落月地點(diǎn)。

（5）精避障段：精細(xì)避障段的區(qū)間是距離月面100m到30m。（6）緩速下降階段：緩速下降階段的區(qū)間是距離月面30m到4m。該階段的主要任務(wù)控制著陸器在距離月面4m處的速度為0m/s，即實(shí)現(xiàn)在距離月面4m處相對(duì)月面靜止，之后關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，使嫦娥三號(hào)自由落體到精確有落月點(diǎn)。距離月面100m處的數(shù)字高程圖距月面2400m處的數(shù)字高程圖2、航空噴藥Automaticsprayingaircraft飛行路徑如何控制？噴藥量如何控制？3、汽車巡航定速車速如何保持不變？4、拖拉機(jī)導(dǎo)航控制拖拉機(jī)如何按照直線行駛，實(shí)現(xiàn)耕作？1.0.2自動(dòng)控制系統(tǒng)無(wú)處不在1、軍事、航天領(lǐng)域

火炮跟蹤系統(tǒng)我國(guó)神舟載人宇宙飛船人造衛(wèi)星雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)2、工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)品加工和物流調(diào)配的自動(dòng)控制；石油化工生產(chǎn)過(guò)程、造紙、工業(yè)窯爐、軋鋼過(guò)程的自動(dòng)控制等。

寶鋼冷軋帶鋼監(jiān)測(cè)系統(tǒng)機(jī)械手3、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域自動(dòng)灌溉系統(tǒng)植物溫室溫度和濕度自動(dòng)控制系統(tǒng)4、商業(yè)領(lǐng)域商業(yè)設(shè)備、倉(cāng)儲(chǔ)自動(dòng)化設(shè)備與系統(tǒng)、物流監(jiān)控管理。自動(dòng)送貨車

5、日常生活機(jī)器狗電冰箱空調(diào)手動(dòng)控制與自動(dòng)控制的比較人工控制方式測(cè)量實(shí)際液面的高度---用眼實(shí)際液面高度與希望液面高度相比較---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(dòng)作--用手1、液位控制系統(tǒng)手動(dòng)控制靠人的觀測(cè)與操作1.0.3應(yīng)用實(shí)例分析自動(dòng)控制人工控制中有三種職能作用：測(cè)量、比較和執(zhí)行，而在自動(dòng)控制系統(tǒng)中也必須有這三種。自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)水位與控制閥門2.工作機(jī)構(gòu)位置自動(dòng)控制系統(tǒng)

3.汽車控制系統(tǒng)駕車人駕駛機(jī)構(gòu)汽車實(shí)際速度預(yù)期速度（電壓）視覺(jué)觸覺(jué)_+預(yù)期行駛方向?qū)嶋H行駛方向4.轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)放大器直流電機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)際速度預(yù)期速度（電壓）放大器直流電機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)際速度預(yù)期速度（電壓）轉(zhuǎn)速計(jì)_+蒸汽機(jī)離心機(jī)構(gòu)比較機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)閥門蒸汽量5.蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)

自動(dòng)控制理論研究的是工程技術(shù)中的廣義系統(tǒng)在一定的外界條件（即輸入或激勵(lì)，包括外加控制與外加干擾）作用下，從系統(tǒng)的一定初始的狀態(tài)出發(fā)，所經(jīng)歷的由其內(nèi)部的固有特性（即由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)所決定的特性）所決定的整個(gè)動(dòng)態(tài)歷程。系統(tǒng)、輸入、輸出三者之間的關(guān)系。1.1課程研究對(duì)象與任務(wù)例小車運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)以f(t)作為輸入

以x(t)作為輸入mp2+cp+k

為方程左邊的算子，它由系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)與參數(shù)所決定，反映了與外界無(wú)關(guān)的系統(tǒng)本身的固有特性。1和cp+k

分別為兩個(gè)方程的右邊的算子，反映了系統(tǒng)與外界的關(guān)系。令p=d/dt則一般線性系統(tǒng)，可用高階微分方程表示：

左邊算子反映了系統(tǒng)本身的固有特性；右邊算子反映了系統(tǒng)與外界之間的關(guān)系；y(t)為系統(tǒng)的輸出；x(t)為系統(tǒng)的輸入。特別指出系統(tǒng)的初始狀態(tài)也可視為一種特殊的輸入，即“初始輸入”或“初始激勵(lì)”。輸入的結(jié)果就是改變系統(tǒng)的狀態(tài)，并使系統(tǒng)的狀態(tài)不斷改變，這是力學(xué)中所講的強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)；當(dāng)系統(tǒng)的初始狀態(tài)不為零時(shí)，即使無(wú)輸入，系統(tǒng)的狀態(tài)也會(huì)不斷改變，這是力學(xué)中所講的自由運(yùn)動(dòng)。所謂系統(tǒng)的狀態(tài)為零，就是指系統(tǒng)處于平衡位置。系統(tǒng)及其輸入、輸出三者之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系，歸納有五個(gè)方面：已知系統(tǒng),輸入,求系統(tǒng)的輸出,即系統(tǒng)分析問(wèn)題。已知系統(tǒng),確定輸入,即最優(yōu)控制問(wèn)題。已知輸入,確定系統(tǒng),即最優(yōu)設(shè)計(jì)問(wèn)題。已知輸出,確定系統(tǒng),即濾波與預(yù)測(cè)問(wèn)題。已知輸入和輸出,求出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)，即系統(tǒng)識(shí)別或系統(tǒng)辨識(shí)問(wèn)題。1.2系統(tǒng)及其模型1、系統(tǒng)

將有關(guān)的部分聯(lián)系起來(lái)，作為一個(gè)有機(jī)的整體加以考察、分析與處理，這個(gè)有機(jī)的整體稱為“系統(tǒng)”。組成系統(tǒng)的各個(gè)部分，可以是元件，也可以是下一級(jí)的系統(tǒng)，后者稱為“子系統(tǒng)”；而整個(gè)系統(tǒng)又可以是上一層系統(tǒng)的子系統(tǒng)。必須注意，一個(gè)系統(tǒng)的特性并不能看成是組成它的元件或子系統(tǒng)的特性的簡(jiǎn)單的總和。2、機(jī)械系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)一定的機(jī)械運(yùn)動(dòng)、輸出一定的機(jī)械能，以及承受一定的機(jī)械載荷為目的的系統(tǒng)，稱為機(jī)械系統(tǒng)。機(jī)械系統(tǒng)輸入與輸出，又分別稱為“激勵(lì)”與“響應(yīng)”。

模型使人們研究系統(tǒng)、認(rèn)識(shí)系統(tǒng)與描述系統(tǒng)的一種工具。這里所說(shuō)的“模型”是指一種用數(shù)學(xué)方法描述的抽象的理論模型，用來(lái)表達(dá)一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部各部分之間，或系統(tǒng)與其外部環(huán)境之間的關(guān)系，故又稱為“數(shù)學(xué)模型”。3、靜態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型以地基振動(dòng)位移y(t)為激勵(lì)，以機(jī)器振動(dòng)位移x(t)為響應(yīng)，得上述都是動(dòng)態(tài)模型，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)很慢時(shí)，有

于是靜態(tài)模型反映系統(tǒng)在恒定載荷或緩變載荷作用下或在系統(tǒng)平衡狀態(tài)下的特性；動(dòng)態(tài)模型則是用于研究系統(tǒng)在迅速變載荷作用下或在系統(tǒng)不平衡狀態(tài)下的特性。1.3反饋(Feedback)將系統(tǒng)的輸出，部分或全部地返回到輸入，稱為系統(tǒng)反饋。系統(tǒng)之所以有動(dòng)態(tài)歷程，系統(tǒng)及其輸入、輸出之間之所以有動(dòng)態(tài)關(guān)系，就是由于系統(tǒng)本身有著信息的反饋。反饋:將檢測(cè)出來(lái)的輸出量送回到系統(tǒng)的輸入端，并與輸入

信號(hào)比較的過(guò)程，稱為反饋。內(nèi)反饋:在系統(tǒng)中存在的各種自然形成的反饋，稱為內(nèi)反饋。外反饋:在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，為達(dá)到某種控制目的而人為加

入的反饋，稱為外反饋。正反饋:反饋信號(hào)與輸入信號(hào)相加，使偏差信號(hào)增大的反饋。負(fù)反饋:反饋信號(hào)與輸入信號(hào)相減，使偏差信號(hào)減小的反饋。工作臺(tái)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路控制命令移動(dòng)量（輸入）（輸出）絲杠工作臺(tái)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路控制命令移動(dòng)量（輸入）（輸出）絲杠放大器工作臺(tái)無(wú)反饋控制原理圖工作臺(tái)有反饋控制原理圖1、機(jī)械工程中的反饋控制2、機(jī)械系統(tǒng)的內(nèi)在反饋系統(tǒng)就是元素按一定規(guī)律的集合。即要有元素，而且元素之間按一定規(guī)律的聯(lián)系。聯(lián)系的實(shí)質(zhì)就是信息的傳輸和交換。系統(tǒng)之所以表現(xiàn)出處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)之中，就是因?yàn)樵刂g有著聯(lián)系，有著信息傳輸與交換；就是因?yàn)榉从诚到y(tǒng)情況的狀態(tài)變量之間有著聯(lián)系，有著信息傳輸與交換。系統(tǒng)本身信息的反饋就是系統(tǒng)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的內(nèi)因。——+——+——+若改為狀態(tài)方程令矩陣A：表達(dá)了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)，代表了系統(tǒng)的固有特性。矩陣A的主對(duì)角元素：反映了狀態(tài)變量本身的交互作用情況。非主對(duì)角元素：反映了狀態(tài)變量之間的交互作用情況?？刂普摰闹行乃枷刖褪欠答伩刂??！?系統(tǒng)狀態(tài)方程框圖1.4.1、系統(tǒng)的幾種分類1、對(duì)廣義系統(tǒng)可按反饋情況分開(kāi)環(huán)系統(tǒng)(Open-loopsystem)：一個(gè)系統(tǒng)以所需要的方框圖表示而沒(méi)有反饋回路。1.4系統(tǒng)分類及基本要求(Classificationandbasic

requirementsof

ControlTheory)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)(Closed-loopsystem)：一個(gè)系統(tǒng)以所需要的方框圖表示而存在反饋回路。閉環(huán)系統(tǒng)的輸出可作為反饋信息來(lái)改變有關(guān)環(huán)節(jié)的輸入，進(jìn)而改變輸出的本身，以獲得高精度的輸出，所以大量的自動(dòng)控制系統(tǒng)都采用閉環(huán)系統(tǒng)。電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)3、閉環(huán)控制系統(tǒng)組成

輸入環(huán)節(jié)：它是給出輸入信號(hào)的環(huán)節(jié)，用于確定被控對(duì)象的“目標(biāo)值”。反饋環(huán)節(jié)：將被控量轉(zhuǎn)換為反饋信號(hào)的裝置，一般為檢測(cè)元件。比較環(huán)節(jié)：輸入信號(hào)與反饋信號(hào)進(jìn)行比較，得到偏差信號(hào)ε，控制環(huán)節(jié)：將偏差信號(hào)作必要的處理，按照一定的規(guī)律放大后，給出控制信號(hào)。執(zhí)行環(huán)節(jié)：接受控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象按照預(yù)期的規(guī)律運(yùn)行。

閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn):利用輸入信號(hào)與反饋信號(hào)的偏差對(duì)系統(tǒng)的輸出進(jìn)行控制，使被控對(duì)象按一定的規(guī)律運(yùn)行?？垢蓴_能力強(qiáng)，穩(wěn)態(tài)精度高、動(dòng)態(tài)性能好等。由此帶來(lái)的問(wèn)題：設(shè)計(jì)不合理時(shí)，將出現(xiàn)不穩(wěn)定。在開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)中不存在同樣的問(wèn)題。閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作過(guò)程：測(cè)量被控制量的實(shí)際值；將實(shí)際值與給定值進(jìn)行比較，求出偏差的大小與方向；根據(jù)偏差的大小與方向進(jìn)行控制以糾正偏差。3對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)還可按輸出變化規(guī)律分自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)：在外界干擾作用下，系統(tǒng)的輸出仍能基本保持為常量的系統(tǒng)。隨動(dòng)（伺服）系統(tǒng)：在外界條件作用下，系統(tǒng)的輸出能相應(yīng)于輸入在廣闊范圍內(nèi)按任意規(guī)律變化的系統(tǒng)。程序控制系統(tǒng)：在外界條件作用下，系統(tǒng)的輸出按預(yù)定的程序變化的系統(tǒng)。（數(shù)控機(jī)床）1.4.2對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求1、系統(tǒng)的穩(wěn)定性：是控制系統(tǒng)正常工作的首要條件，且是重要條件。穩(wěn)定性是指動(dòng)態(tài)過(guò)程的振蕩傾向和系統(tǒng)能夠恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力。系統(tǒng)在輸入作用下，期望輸出與輸入一致。曲線①逐漸接近輸入，系統(tǒng)是穩(wěn)定的；反之如曲線②，系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。2、響應(yīng)的快速性：當(dāng)系統(tǒng)的輸出量與給定的輸入量之間產(chǎn)生偏差時(shí)，消除這種偏差的快慢程度?？焖傩约磩?dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行的時(shí)間長(zhǎng)短。過(guò)程時(shí)間越短，說(shuō)明系統(tǒng)快速性越好，如曲線②；反之說(shuō)明系統(tǒng)響應(yīng)遲鈍，如曲線①。3、響應(yīng)的準(zhǔn)確性：在過(guò)渡過(guò)程結(jié)束后輸出量與給定的輸入量的偏差，稱為靜態(tài)偏差或穩(wěn)定精度。以上分析的穩(wěn)、快、準(zhǔn)三方面的性能指標(biāo)往往由于被控對(duì)象的具體情況不同，各系統(tǒng)要求也有所側(cè)重，而且同一個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)、快、準(zhǔn)的要求是相互制約的。穩(wěn)和快反映了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程性能的好壞。既快又穩(wěn)，表明系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)精度高。1.5機(jī)械制造的發(fā)展與控制理論的應(yīng)用1.6自動(dòng)控制理論的發(fā)展歷程1、經(jīng)典控制理論（40~50年代形成）主要研究對(duì)象：?jiǎn)屋斎搿獑屋敵鼍€性定常系統(tǒng)主要分析方法:傳遞函數(shù)，頻率法，PID調(diào)節(jié)器(頻域)主要數(shù)學(xué)工具：常微分方程和復(fù)變函數(shù)。自動(dòng)控制是一門年輕的學(xué)科,它在20世紀(jì)40年代末才形成。經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論智能控制理論、現(xiàn)代控制理論（60~70年代形成）主要研究對(duì)象：多輸入—多輸出系統(tǒng)、時(shí)變系統(tǒng)主要分析方法:狀態(tài)空間分析法，最優(yōu)控制所用數(shù)學(xué)工具：微分方程、線性代數(shù)及數(shù)值計(jì)算。3、智能控制技術(shù)（90年代開(kāi)始發(fā)展）智能控制方法在較深層次上模擬人類大腦的思維判斷過(guò)程，通過(guò)模擬人類思維判斷的各種算法實(shí)現(xiàn)控制。主要有模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制等。三種理論應(yīng)用情況經(jīng)典理論：接近90％現(xiàn)代理論：10％智能理論：0.0