控制系統(tǒng)理論基礎(chǔ)課件

第五章一、自動控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史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)控制機器人家用電器自動控制的特征：

通過對各類機器、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:機器、設(shè)備、生產(chǎn)過程等控制器、檢測元件等

下面通過一些實例來說明自動控制和自動控制系統(tǒng)的基本概念一、自動控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史自動控制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.但人工難以實現(xiàn)穩(wěn)定的高質(zhì)量控制.一、自動控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史自動控制的基本概念溫度檢測

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。實際溫度偏差反饋量預(yù)期溫度_控制器執(zhí)行機構(gòu)閥門水箱控制器一、自動控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史自動控制的基本概念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一、自動控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史自動控制的基本概念系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖浮球hr(s)h(t)閥門水箱

杠桿機構(gòu)Lh一、自動控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史1.經(jīng)典（自動）控制理論它的發(fā)展大致經(jīng)歷了萌芽、起步、發(fā)展、標(biāo)志等幾個過程。萌芽階段早在兩千年前中國就有了自動控制技術(shù)的萌芽。兩千年前我國發(fā)明的指南車，就是一種開環(huán)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。公元1086－1089年（北宋哲宗元祐初年），

我國發(fā)明的水運儀象臺就是一種閉環(huán)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。一、自動控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史1.經(jīng)典控制理論起步階段

隨著科學(xué)技術(shù)與工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，到十八世紀(jì)，自動控制技術(shù)逐漸應(yīng)用到現(xiàn)代工業(yè)中。其中最卓越的代表是瓦特發(fā)明的蒸汽機離心調(diào)速器，加速了第一次工業(yè)革命的步伐。一、自動控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史1.經(jīng)典控制理論發(fā)展階段1868年馬克斯韋爾解決了蒸汽機調(diào)速系統(tǒng)中出現(xiàn)的劇烈振蕩的不穩(wěn)定問題，提出了簡單的穩(wěn)定性代數(shù)判據(jù)。1895年勞斯（Routh）與赫爾維茨（Hurwitz）把馬克斯韋爾的思想擴展到高階微分方程描述的更復(fù)雜的系統(tǒng)中,各自提出了兩個著名的穩(wěn)定性判據(jù)—勞斯判據(jù)和赫爾維茨判據(jù)?；旧蠞M足了二十世紀(jì)初期控制工程師的需要。一、自動控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史1.經(jīng)典控制理論標(biāo)志階段1947年控制論的奠基人美國數(shù)學(xué)家韋納把控制論引起的自動化同第二次產(chǎn)業(yè)革命聯(lián)系起來，并與1948年出版了《控制論—關(guān)于在動物和機器中控制與通訊的科學(xué)》，書中論述了控制理論的一般方法，推廣了反饋的概念，為控制理論這門學(xué)科奠定了基礎(chǔ)。我國著名科學(xué)家錢學(xué)森將控制理論應(yīng)用于工程實踐，并與1954年出版了《工程控制論》。一、自動控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史1.經(jīng)典控制理論從四十年代到五十年代末，經(jīng)典控制理論的發(fā)展與應(yīng)用使整個世界的科學(xué)水平出現(xiàn)了巨大的飛躍，幾乎在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸及國防建設(shè)的各個領(lǐng)域都廣泛采用了自動化控制技術(shù)。（可以說工業(yè)革命和戰(zhàn)爭促使了經(jīng)典控制理論的發(fā)展）。一、自動控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史2.現(xiàn)代控制理論

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展不僅需要迅速地發(fā)展控制理論，而且也給現(xiàn)代控制理論的發(fā)展準(zhǔn)備了兩個重要的條件—現(xiàn)代數(shù)學(xué)和數(shù)字計算機?，F(xiàn)代數(shù)學(xué)，例如泛函分析、現(xiàn)代代數(shù)等，為現(xiàn)代控制理論提供了多種多樣的分析工具；而數(shù)字計算機為現(xiàn)代控制理論發(fā)展提供了應(yīng)用的平臺。在二十世紀(jì)五十年代末開始，隨著計算機的飛速發(fā)展，推動了核能技術(shù)、空間技術(shù)的發(fā)展，從而對出現(xiàn)的多輸入多輸出系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)和時變系統(tǒng)。一、自動控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史2.現(xiàn)代控制理論羅森布洛克、歐文斯和麥克法輪研究了使用于計算機輔助控制系統(tǒng)設(shè)計的現(xiàn)代頻域法理論，將經(jīng)典控制理論傳遞函數(shù)的概念推廣到多變量系統(tǒng)，并探討了傳遞函數(shù)矩陣與狀態(tài)方程之間的等價轉(zhuǎn)換關(guān)系，為進(jìn)一步建立統(tǒng)一的線性系統(tǒng)理論奠定了基礎(chǔ)1961年龐特里亞金（俄國人）提出了極?。ù螅┲翟?。一、自動控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史2.現(xiàn)代控制理論20世紀(jì)70年代奧斯特隆姆（瑞典）和朗道（法國）在自適應(yīng)控制理論和應(yīng)用方面作出了貢獻(xiàn)。與此同時，關(guān)于系統(tǒng)辨識、最優(yōu)控制、離散時間系統(tǒng)和自適應(yīng)控制的發(fā)展大大豐富了現(xiàn)代控制理論的內(nèi)容。

朗道一、自動控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史2.現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論與經(jīng)典控制理論的差異經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論研究對象單輸入單輸出系統(tǒng)(SISO)高階微分方程多輸入多輸出系統(tǒng)(MIMO):一階微分方程研究方法傳遞函數(shù)法(外部描述)狀態(tài)空間法(內(nèi)部描述)研究工具拉普拉斯變換線性代數(shù)矩陣分析方法頻域(復(fù)域),頻率響應(yīng)和根軌跡法復(fù)域、實域，可控和可觀測設(shè)計方法PID控制和校正網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)反饋和輸出反饋

其他

頻率法的物理意義直觀、實用，難于實現(xiàn)最優(yōu)控制易于實現(xiàn)實時控制和最優(yōu)控制一、自動控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史3.魯棒控制理論大系統(tǒng)理論：用控制和信息的觀點，研究各種大系的結(jié)構(gòu)方案、總體設(shè)計中的分解方法和協(xié)調(diào)等問題的技術(shù)基礎(chǔ)理論。一、自動控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史3.魯棒控制理論智能控制理論：研究與模擬人類智能活動及其控制與信息傳遞過程的規(guī)律，研制具有某些擬人智能的工程控制與信息處理系統(tǒng)的理論。洗衣機智能模糊控制機器人神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制一、自動控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史3.魯棒控制理論復(fù)雜系統(tǒng)理論：把系統(tǒng)的研究拓廣到開放復(fù)雜巨系統(tǒng)的范籌，以解決復(fù)雜系統(tǒng)的控制為目標(biāo)。

回顧控制理論的發(fā)展歷程可以看出，它的發(fā)展過程反映了人類由機械化時代進(jìn)入電氣化時代，并走向自動化、信息化、智能化時代。復(fù)雜航天器控制二、自動控制系統(tǒng)的工作原理例轉(zhuǎn)臺速度開環(huán)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺電機電源和放大裝置速度設(shè)置系統(tǒng)組成：由圖可見：

速度設(shè)置信號通過功率放大以后，提供給電動機驅(qū)動電源，電動機帶動轉(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:給定速度實際轉(zhuǎn)速放大器直流電動機轉(zhuǎn)臺

這種轉(zhuǎn)臺在CD機、計算機磁盤驅(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：

結(jié)構(gòu)和控制簡單，抗擾能力差，控制精度低，一般用于對控制性能要求不高的場合。二、自動控制系統(tǒng)的工作原理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。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)電機作為反饋裝置

測出電動機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)圖測速機偏差預(yù)期速度實際轉(zhuǎn)速放大器_直流電動機轉(zhuǎn)臺二、自動控制系統(tǒng)的工作原理

（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的抗擾能力。

通過以上的實例分析可得出閉環(huán)控制系統(tǒng)具有的特點：

（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)。二、自動控制系統(tǒng)的工作原理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。前饋補償控制復(fù)合控制具有兩種基本形式.前饋補償控制：復(fù)合控制：反饋控制+

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：二、自動控制系統(tǒng)的工作原理(a)按輸入前饋補償?shù)膹?fù)合控制給定值被控制量_檢測元件控制器前饋通道受控對象前饋補償控制反饋控制主通道二、自動控制系統(tǒng)的工作原理(b)按擾動前饋補償?shù)膹?fù)合控制給定值被控制量_檢測元件控制器受控對象前饋補償控制反饋控制主通道前饋通道擾動三、對控制系統(tǒng)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。2、快速性1、穩(wěn)定性3、準(zhǔn)確性三、對控制系統(tǒng)的要求

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。1、穩(wěn)定性穩(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烈.三、對控制系統(tǒng)的要求通過動態(tài)過程時間長短表征快速性。2、快速性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

過渡過程時間越短，表明快速性越好。反之亦然。t1t2三、對控制系統(tǒng)的要求

由輸入給定值與輸出響應(yīng)的終值之間的差值ess大小表征。3、準(zhǔn)確性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)三、對控制系統(tǒng)的要求

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，并兼顧其它是自控原理要解決的問題。四、自動控制系統(tǒng)的分類1、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)。由非線性方程描述的系統(tǒng)。線性系統(tǒng)：非線性系統(tǒng)：四、自動控制系統(tǒng)的分類2、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)。四、自動控制系統(tǒng)的分類3、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)。四、自動控