自動(dòng)控制 緒論

自動(dòng)控制原理先修課程：電路原理電子技術(shù)基礎(chǔ)復(fù)變函數(shù)與積分變換（拉式變換）√主要參考書：張晉格著，《自動(dòng)控制原理》第2版，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2007√夏德鈐、翁貽方編著，《自動(dòng)控制理論》第2版，機(jī)械工業(yè)出版社，2004√第一章緒論1.1引言：自動(dòng)控制的基本概念和簡(jiǎn)史1.2控制系統(tǒng)的基本控制方式1.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的類型1.4控制系統(tǒng)的性能要求和典型輸入信號(hào)第一節(jié)自動(dòng)控制的基本概念

液面控制系統(tǒng)—手動(dòng)控制液面控制系統(tǒng)——手動(dòng)控制手臂,手人眼輸入信號(hào)大腦人眼輸出信號(hào)用自動(dòng)裝置代替人工操作自動(dòng)控制與手動(dòng)控制第一節(jié)自動(dòng)控制的基本概念?控制器系統(tǒng)中采用的控制裝置。電位器、放大器、電動(dòng)機(jī)。?被控對(duì)象被控制的機(jī)器、設(shè)備或物體。如水箱。?自動(dòng)控制系統(tǒng)由控制器和被控對(duì)象組成，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制任務(wù)的系統(tǒng)。第一節(jié)自動(dòng)控制的基本概念第一節(jié)自動(dòng)控制的基本概念自動(dòng)控制例子數(shù)控機(jī)床按照預(yù)定程序自動(dòng)地切削工作；雷達(dá)和計(jì)算機(jī)組成的導(dǎo)彈發(fā)射和制導(dǎo)系統(tǒng)，自動(dòng)地將導(dǎo)彈引導(dǎo)到敵方目標(biāo)；無人駕駛飛機(jī)按照預(yù)定航跡自動(dòng)升降和飛行；人造衛(wèi)星準(zhǔn)確地進(jìn)入預(yù)定軌道運(yùn)行并回收等。自動(dòng)控制技術(shù)自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制所需技術(shù)

將被控對(duì)象和控制裝置按照一定的方式連接起來，組成一個(gè)有機(jī)總體研究自動(dòng)控制技術(shù)的基本理論，準(zhǔn)則自動(dòng)控制發(fā)展簡(jiǎn)史沒有人確切知道第一個(gè)控制系統(tǒng)是什么時(shí)候發(fā)明的。但我們可以肯定地說，那時(shí)它一定沒有被認(rèn)為是一個(gè)“控制系統(tǒng)”。因?yàn)榭刂铺匀涣?。從抽象意義上說，任何一個(gè)可以被另一個(gè)對(duì)象或過程改變的對(duì)象或過程都可稱之為控制系統(tǒng)。我們無法確定人類是何時(shí)開始有目的地改變（控制）他所生存的環(huán)境。IEEEcontrolsystemmagzine,1996,theevolvinghistoryofcontrol：President’sMessage______MichaelK.Masten走馬觀花看歷史BC300~AC1,古希臘,浮球調(diào)節(jié)裝置,水鐘近代最早發(fā)明的反饋系統(tǒng)1620年,荷蘭,溫度調(diào)節(jié)器溫度調(diào)節(jié)器

Drebbel孵化小雞的培育箱走馬觀花看歷史BC300~AC1,古希臘,浮球調(diào)節(jié)裝置,水鐘近代最早發(fā)明的反饋系統(tǒng)1620年,荷蘭,溫度調(diào)節(jié)器最早應(yīng)用于工業(yè)過程的反饋系統(tǒng)1788年,JamesWatt,應(yīng)用于蒸汽機(jī)的飛球式調(diào)速器應(yīng)用于蒸氣機(jī)的飛球式調(diào)速器走馬觀花看歷史BC300~AC1,古希臘,浮球調(diào)節(jié)裝置,水鐘近代最早發(fā)明的反饋系統(tǒng)1620年,荷蘭,溫度調(diào)節(jié)器最早應(yīng)用于工業(yè)過程的反饋系統(tǒng)1788年,JamesWatt,應(yīng)用于蒸汽機(jī)的飛球式調(diào)速器1868年，JamesClerkMaxwell,“論調(diào)速器”（穩(wěn)定性）走馬觀花看歷史BC300~AC1,古希臘,浮球調(diào)節(jié)裝置,水鐘近代最早發(fā)明的反饋系統(tǒng)1620年,荷蘭,溫度調(diào)節(jié)器最早應(yīng)用于工業(yè)過程的反饋系統(tǒng)1788年,JamesWatt,應(yīng)用于蒸汽機(jī)的飛球式調(diào)速器1868年，JamesClerkMaxwell,“論調(diào)速器”（穩(wěn)定性）20世紀(jì)10年代，PID控制器出現(xiàn)走馬觀花看歷史BC300~AC1,古希臘,浮球調(diào)節(jié)裝置,水鐘近代最早發(fā)明的反饋系統(tǒng)1620年,荷蘭,溫度調(diào)節(jié)器最早應(yīng)用于工業(yè)過程的反饋系統(tǒng)1788年,JamesWatt,應(yīng)用于蒸汽機(jī)的飛球式調(diào)速器1868年，JamesClerkMaxwell,“論調(diào)速器”（穩(wěn)定性）20世紀(jì)10年代，PID控制器出現(xiàn)1927年，反饋放大器，確定反饋核心地位經(jīng)典控制理論：20世紀(jì)40-60年代,二戰(zhàn)軍工技術(shù)“軍事裝備是自動(dòng)化之父，二戰(zhàn)是自動(dòng)化誕生的產(chǎn)房”維納－《控制論》形成完整的控制理論－傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，研究SISO、線性定常系統(tǒng)代名詞：PID控制現(xiàn)代控制理論：20世紀(jì)60-80年代,冷戰(zhàn)時(shí)期空間技術(shù)，1968年美國(guó)阿波羅飛船登月，研究：MIMO、狀態(tài)空間法、貝爾曼的動(dòng)態(tài)規(guī)劃法和龐特里亞金的極小值原理，以及卡爾曼濾波器。智能控制階段：20世紀(jì)80年代以后，計(jì)算機(jī)技術(shù)，研究：自適應(yīng)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)控制發(fā)展的推動(dòng)數(shù)學(xué)工具經(jīng)典控制理論：微分方程（時(shí)域）轉(zhuǎn)化代數(shù)方程（復(fù)變量）傳遞函數(shù)（頻域）Laplace采用頻域響應(yīng)法和根軌跡法來研究控制系統(tǒng)現(xiàn)代控制理論：高階方程微分方程組，運(yùn)用線性代數(shù)分析

開環(huán)OR閉環(huán)？？第二節(jié)開環(huán)控制和閉環(huán)控制開環(huán)控制和閉環(huán)控制

不測(cè)取系統(tǒng)的輸出量，系統(tǒng)的輸出對(duì)控制作用不產(chǎn)生影響。控制裝置與被控對(duì)象之間只有順向作用而沒有反向聯(lián)系的控制一、開環(huán)控制開環(huán)控制系統(tǒng)例子例：烤面包機(jī)輸入——定時(shí)器設(shè)定的時(shí)間輸出——面包的顏色控制對(duì)象——烤箱的加熱系統(tǒng)系統(tǒng)受控制量作用,輸出量對(duì)控制量沒有反作用

開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：1.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低。2.系統(tǒng)的控制精度取決于給定信號(hào)的標(biāo)定精度及控制器及被控對(duì)象參數(shù)的穩(wěn)定性。3.開環(huán)控制系統(tǒng)沒有抗干擾的能力，因此精度較低。開環(huán)控制系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)合：1.控制量的變化規(guī)律可以預(yù)知。2.可能出現(xiàn)的干擾可以抑制。3.被控量很難測(cè)量。應(yīng)用較為廣泛，如家電、加熱爐、車床等等。

開環(huán)控制和閉環(huán)控制

將系統(tǒng)的輸出量（測(cè)量元件測(cè)量）反饋到輸入端，并與參考輸入相比較，產(chǎn)生一個(gè)偏差信號(hào)加到控制器上使輸出改變，從而減少系統(tǒng)誤差，到達(dá)實(shí)現(xiàn)精確控制的目的。二、閉環(huán)控制閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)

閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：1.系統(tǒng)對(duì)外部或內(nèi)部干擾（如內(nèi)部件參數(shù)變動(dòng)）的影響不敏感。2.由于采用反饋裝置，導(dǎo)致設(shè)備增多，線路復(fù)雜。3.閉環(huán)系統(tǒng)存在穩(wěn)定性問題。由于反饋通道的存在，對(duì)于那些慣性較大的系統(tǒng)，若參數(shù)配合不當(dāng)，控制性能可能變得很差，甚至出現(xiàn)發(fā)散或等幅振蕩等不穩(wěn)定的情況。

閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：4.實(shí)質(zhì)：利用負(fù)反饋?zhàn)饔脕頊p小系統(tǒng)的誤差。5.負(fù)反饋具有自動(dòng)調(diào)節(jié)能力，且哪一個(gè)量作為反饋信號(hào)，哪一個(gè)量就得到自動(dòng)調(diào)節(jié)。

開環(huán)控制和閉環(huán)控制

開環(huán)?閉環(huán)?反饋控制系統(tǒng)的框圖組成和術(shù)語定義

參考輸入---輸入到控制系統(tǒng)的指令信號(hào)。主反饋---與輸出成比例或成某種函數(shù)關(guān)系，但量綱與參考輸入相同的信號(hào)。反饋控制系統(tǒng)的框圖組成和術(shù)語定義

偏差---參考輸入與主反饋之差的信號(hào),有時(shí)也稱為誤差控制環(huán)節(jié)---接受偏差信號(hào),通過轉(zhuǎn)換與運(yùn)算,產(chǎn)生控制量反饋控制系統(tǒng)的框圖組成和術(shù)語定義

控制量---控制環(huán)節(jié)的輸出，作用于被控對(duì)象的信號(hào)。擾動(dòng)---不希望的、影響輸出的信號(hào)。反饋控制系統(tǒng)的框圖組成和術(shù)語定義

被控對(duì)象---它接受控制量并輸出被控制量輸出---系統(tǒng)被控制量反饋控制系統(tǒng)的框圖組成和術(shù)語定義

反饋環(huán)節(jié)---將輸出轉(zhuǎn)換為主反饋信號(hào)的裝置。比較環(huán)節(jié)---相當(dāng)于偏差檢測(cè)器，它的輸出量等于兩輸入量的代數(shù)和。箭頭上的符號(hào)表示輸入在此相加或相減。反饋

正反饋：反饋信號(hào)與輸入端相加，自動(dòng)控制系統(tǒng)中主要是用來對(duì)小的變化進(jìn)行放大，增強(qiáng)輸入信號(hào)作用，使系統(tǒng)的偏差越來越大(振蕩)負(fù)反饋：反饋信號(hào)與輸入端相減，通過輸入、輸出之間的差值作用于控制系統(tǒng)。差值反映了要求的輸出和實(shí)際的輸出之間的差別?？刂破鞯目刂撇呗允遣煌p小這個(gè)差值，以使差值變小。檢測(cè)偏差，糾正偏差

第三節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的類型一、按給定量的變化規(guī)律分類恒值控制系統(tǒng)（自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)）

隨動(dòng)系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）

程序控制系統(tǒng)

參考輸入是常量參考輸入是隨機(jī)變化量輸入量是已知給定值的時(shí)間函數(shù)自動(dòng)控制系統(tǒng)的類型一、按給定量的變化規(guī)律分類恒值控制系統(tǒng)（自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)）

隨動(dòng)系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）

程序控制系統(tǒng)

干擾跟蹤性跟蹤性二、線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)(數(shù)學(xué))

線性系統(tǒng)可用線性常微分方程或差分方程描述。線性定常系統(tǒng)齊次性疊加性線性時(shí)變系統(tǒng)二、線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)(數(shù)學(xué))

非線性系統(tǒng)：用非線性常微分方程描述舉例線性時(shí)變非線性線性時(shí)變自動(dòng)控制系統(tǒng)的類型三、連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)（從系統(tǒng)中信息量的角度）?連續(xù)系統(tǒng)——模擬量。微分方程描述。?離散系統(tǒng)——脈沖量、數(shù)字量（只要有一處）。差分方程描述。y(k+1)=3y(k)+4u(k)+2u(k-1)四、單輸入單輸出系統(tǒng)和多輸入多輸出系統(tǒng)五、確定系統(tǒng)和不確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)、輸入信號(hào)第四節(jié)自動(dòng)控制理論概要分析：被控對(duì)象、控制器——性能指標(biāo)設(shè)計(jì)：被控對(duì)象、性能指標(biāo)——控制器分析（對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求）穩(wěn)準(zhǔn)快穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。控制精度是控制系統(tǒng)重要的性能指標(biāo)（穩(wěn)態(tài)誤差、穩(wěn)態(tài)性能）。過渡過程時(shí)間和最大超調(diào)量是控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。1穩(wěn)定性一個(gè)處于靜止或平衡工作狀態(tài)的系統(tǒng)，當(dāng)受到激勵(lì)時(shí)，就可能偏離原平衡狀態(tài)；當(dāng)激勵(lì)消失后，經(jīng)過一段暫態(tài)過程，系統(tǒng)能恢復(fù)到原平衡狀態(tài)時(shí)，則系統(tǒng)稱為穩(wěn)定的。穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)正常工作的先決條件?？刂葡到y(tǒng)穩(wěn)定性由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所決定，與外界因素?zé)o關(guān)。

2準(zhǔn)確性系統(tǒng)的準(zhǔn)確性又可稱為系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，它可用系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差來表征。系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差可定義為控制系統(tǒng)響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)值與其希望值之差。3快速性輸出量和輸入量產(chǎn)生偏差時(shí)，系統(tǒng)消除這種偏差的快慢程度。表征系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。4靈敏度

系統(tǒng)中元件參數(shù)的改變對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響，可以用靈敏度來表示。5抗干擾性系統(tǒng)的抗干擾性，直接與系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度有關(guān)，是衡量控制系統(tǒng)品質(zhì)的一個(gè)重要參數(shù)。6

穩(wěn)健性（Robustness，魯棒性）上述的4和5兩個(gè)指標(biāo)結(jié)合起來，稱為系統(tǒng)的穩(wěn)健性指標(biāo)。一個(gè)控制系統(tǒng)，如果具有低的靈敏度和良好的抗干擾性，則我們稱為系統(tǒng)是穩(wěn)健的（Robust,魯棒）。注意：1不同性質(zhì)的控制系統(tǒng)，對(duì)穩(wěn)定性、精確性和快速性要求各有側(cè)重；2系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精確性、快速性相互制約，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求合理選擇。為了能對(duì)不同的控制系統(tǒng)的性能用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來恒量，通常需要選擇幾種典型的外作用。

1.4.2典型輸入信號(hào)選取原則：（1）在現(xiàn)場(chǎng)及實(shí)驗(yàn)中容易產(chǎn)生（2）系統(tǒng)在工程中經(jīng)常遇到，并且是最不利的外 作用。（3）數(shù)學(xué)表達(dá)式簡(jiǎn)單，便于理論分析。（1）數(shù)學(xué)表達(dá)式

階躍函數(shù)（位置函數(shù)）（2）圖形：R=1時(shí)的階躍函數(shù)稱為單位階躍函數(shù)，常用1(t)表示。常用階躍函數(shù)作為評(píng)價(jià)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的典型外作用。（1）數(shù)學(xué)表達(dá)式（2）圖形：斜坡函數(shù)(速度函數(shù))R=1,稱為單位速度函數(shù)。

拋物線函數(shù)(加速度函數(shù))（1）數(shù)學(xué)表達(dá)式(2)圖形R=1時(shí)稱為單位加速度函數(shù)。脈沖函數(shù)（1）數(shù)學(xué)表達(dá)式(2)圖形：A=1時(shí)，稱為單位脈沖函數(shù)，記作δ