自動控制的基本概念

自動控制原理

宋崎航空航天工程學(xué)部課程介紹教師：宋崎聯(lián)系電話：辦公室：機(jī)械館209學(xué)時：40學(xué)時【4學(xué)時實驗】考試形式：期末試卷成績占總成績的80%，考勤及作業(yè)占10%，實驗占10%自動控制理論第1章自動控制的基本概念第2章控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述第3章線性系統(tǒng)的時域分析與校正第4章根軌跡法第5章線性系統(tǒng)的頻域分析與校正第6章線性離散系統(tǒng)的分析與校正第1章自動控制的基本概念

1.1引言

1.2自動控制理論發(fā)展概述

1.3自動控制系統(tǒng)的基本原理

1.4自動控制系統(tǒng)的分類

1.5對控制系統(tǒng)性能的基本要求1.1引言人工控制的缺點：速度慢精度低效率差不適應(yīng)惡劣的環(huán)境什么是自動控制？自動控制：在無人直接參加的情況下，利用控制裝置使被控對象和過程自動地按預(yù)定規(guī)律變化的控制過程。自動控制系統(tǒng)：是以實現(xiàn)控制目的為目標(biāo)，由相互制約的各裝置按一定規(guī)律組成具有特定功能的整體。第一階段:經(jīng)典(自動)控制理論

經(jīng)典控制理論即古典控制理論,也稱為自動控制理論。主要研究對象:對單輸入單輸出線性定常系統(tǒng)的分析和設(shè)計問題。它的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下幾個過程：一萌芽階段如果要追朔自動控制技術(shù)的發(fā)展歷史,早在兩千年前中國就有了自動控制技術(shù)的萌芽。1.2自動控制理論發(fā)展概述公元235年馬鈞研制出能自動指示方向的指南車

指南車，又稱司南車，是中國古代用來指示方向的一種機(jī)械裝置。它利用差速齒輪原理，它與指南針利用地磁效應(yīng)不同，它是利用齒輪傳動系統(tǒng)，根據(jù)車輪的轉(zhuǎn)動，由車上木人指示方向。不論車子轉(zhuǎn)向何方，木人的手始終指向南方，“車雖回運而手常指南”。最先辜使用顧反饋呢控制紋裝置凱特積斯比乒斯(K丸it藥es丘ib翠bi療os標(biāo))，希核臘人,公元俊前30弓0年使舒用的傘浮子綱調(diào)節(jié)眾器。炭以保倚持油茂面高嬌度穩(wěn)爐定?？刂破鏖y門流入Q1浮子水箱流出Q2H二構(gòu)起步斤階段

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（J.Watt）發(fā)明的蒸汽機(jī)離心調(diào)速器，加速了第一次工業(yè)革命的步伐。瓦特17課88年英燃國Wa扛tt發(fā)明翻的控怨制蒸慘汽機(jī)脈速度董的離付心式康調(diào)速鏈器。鴿隨著漏蒸汽鎮(zhèn)機(jī)角爹速度摩的增境大，置離心漲力推冰動小延球向璃上，攻蒸汽翅閥門旅關(guān)小回。隨針著蒸陵汽閥釋門關(guān)蔬小，誤從鍋甚爐進(jìn)勢入引狹擎的覺蒸汽終減少要，蒸陪汽機(jī)幫的角薦速度拒減小少。反灰之，輝隨著壯蒸汽糊機(jī)角飄速度挎的下哲降，悶小球達(dá)向下來，蒸純汽閥鳥門開衣大，揚(yáng)進(jìn)入叛發(fā)動柏機(jī)的叔蒸汽嶺量增俗加，滑角速暴度增軌加。字通過忠這種炊方式駛，調(diào)建節(jié)發(fā)孫動機(jī)勝轉(zhuǎn)速步。三疼發(fā)展窄階段1.1868年麥克斯韋爾（J.C.Maxwell）解決了蒸汽機(jī)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)。麥克斯韋爾（J.C.Maxwell）1895年勞斯（Routh）與赫爾維茨（Hurwitz）把麥克斯韋爾的思想擴(kuò)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。赫爾維茨（Hurwitz）3.由于第二次世界大戰(zhàn)需要控制系統(tǒng)具有準(zhǔn)確跟蹤與補(bǔ)償能力，1932年奈奎斯特（H.Nyquist）提出了頻域內(nèi)研究系統(tǒng)的頻率響應(yīng)法，為具有高質(zhì)量的動態(tài)品質(zhì)和靜態(tài)準(zhǔn)確度的軍用控制系統(tǒng)提供了所需的分析工具。

奈奎斯特4.祖19萬48年伊遞萬斯炎（）制提出亦了復(fù)付數(shù)域臘內(nèi)研竭究系罰統(tǒng)的祖根軌伴跡法背。建立桌在奈叮奎斯賊特的悉頻率偷響應(yīng)飄法和疏伊萬斃斯的倒根軌輕跡法設(shè)基礎(chǔ)墊上的愉理論堅，稱發(fā)為經(jīng)脅典（乓古典鴉）控猶制理衡論（竊或自險動控封制理摩論）巨。四誘標(biāo)志煤階段

1.1947年控制論的奠基人美國數(shù)學(xué)家維納（N.Weiner）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(jī)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)?？刂普撝浮S納2.我國泄著名資科學(xué)囑家錢學(xué)袍森將控朽制理掩論應(yīng)沸用于凈工程碌實踐紀(jì)，并焰與19息54年出餡版了《工程搜控制密論》。錢學(xué)森從四先十年默代到左五十抽年代吧末，涌經(jīng)典蘇控制蒼理論懶的發(fā)洞展與悉應(yīng)用刺使整縮慧個世展界的邪科學(xué)動水平寶出現(xiàn)足了巨膽大的突飛躍柴，幾磨乎在活工業(yè)家、農(nóng)更業(yè)、爐交通喝運輸墳及國圈防建忘設(shè)的乞各個陶領(lǐng)域長都廣刺泛采滿用了竿自動候化控魔制技我術(shù)?？梢詣?wù)說工烏業(yè)革欲命和火戰(zhàn)爭壇促使境了經(jīng)泊典控橫制理耽論的旅發(fā)展酒。第二蟻階段昌現(xiàn)代看控制纖理論科學(xué)晉技術(shù)垃的發(fā)肉展不奴僅需婦要迅交速地臟發(fā)展墨控制邪理論鄭，而錯且也死給現(xiàn)漠代控爭制理戀論的墨發(fā)展肅準(zhǔn)備沫了兩防個重視要的偉條件—現(xiàn)代壟數(shù)學(xué)當(dāng)和數(shù)負(fù)字計赴算機(jī)書。現(xiàn)代苦數(shù)學(xué)欠，例蘋如泛柏函分猾析、斯現(xiàn)代且代數(shù)喇等，偵為現(xiàn)偽代控攪制理爆論提棚供了魯多種烘多樣闖的分著析工圍具；棟而數(shù)額字計騙算機(jī)原為現(xiàn)抄代控佛制理得論發(fā)嫌展提拔供了疊應(yīng)用怨的平鞠臺。在二抗十世殺紀(jì)五斗十年塑代末雄開始霞，隨華著計牽算機(jī)兩的飛貫速發(fā)罵展，卵推動印了核忘能技臥術(shù)、是空間負(fù)技術(shù)輛的發(fā)偽展，羅從而婦對出殊現(xiàn)的撤多輸橫入多艱輸出形系統(tǒng)策、非法線性望系統(tǒng)芳和時耽變系化統(tǒng)。主要度研究宿對象:多輸職入、旁多輸葵出、廚時變典參數(shù)睛、高拼精度映復(fù)雜肆系統(tǒng)祝的分套析和散設(shè)計策問題尚。1.五十隙年代蔑后期濫，貝爾匙曼（Be情ll貼ma磁n）等人甚提出蹈了狀柱態(tài)分桑析法踏；在19兆57年提出促了動榨態(tài)規(guī)閥劃。1.1959年卡爾曼（Kalman）和布西創(chuàng)建了卡爾曼濾波理論；1960年在控制系統(tǒng)的研究中成功地應(yīng)用了狀態(tài)空間法，并提出了可控性和可觀測性的新概念?？柭?.羅森究布洛畜克（未）、攪歐文女斯（捎）和悼麥克杰法輪扇（）抱研究歐了使決用于題計算慢機(jī)輔蓋助控廳制系邪統(tǒng)設(shè)刪計的憤現(xiàn)代抵頻域慕法理來論，央將經(jīng)飽典控抹制理失論傳股遞函食數(shù)的衛(wèi)概念爬推廣皮到多外變量牧系統(tǒng)枕，并殼探討填了傳塌遞函梁數(shù)矩怖陣與嶺狀態(tài)帶方程絡(luò)之間括的等直價轉(zhuǎn)細(xì)換關(guān)叢系，耐為進(jìn)味一步勝建立櫻統(tǒng)一妥的線應(yīng)性系交統(tǒng)理銹論奠梁定了為基礎(chǔ)2.利1歷96孩1年龐臟特里董亞金蜜（俄揉國人盲）提征出了判極小更（大宗）值折原理射。龐特里亞金L.S.Pontryagin4.肚20世紀(jì)70年代餃奧斯分特隆級姆（腸瑞典晚）和協(xié)朗道賓（法籌國，鍬）在模自適暴應(yīng)控現(xiàn)制理叔論和矩應(yīng)用棟方面憑作出智了貢具獻(xiàn)。與此速同時阻，關(guān)應(yīng)于系蔑統(tǒng)辨輪識、鑄最優(yōu)劈燕控制汪、離駱散時耀間系笑統(tǒng)和寺自適艙應(yīng)控頭制的污發(fā)展差大大毅豐富鑒了現(xiàn)織代控技制理斜論的渾內(nèi)容陷。

朗道L.D.Landau第三文階段胸大鉤系統(tǒng)網(wǎng)和智久能控晴制理駝?wù)撾A漠段20世紀(jì)70年代照末，誘控制敬理論衡向著“大系話統(tǒng)理才論”和“智能益控制禾理論”的方衣向發(fā)望展。大系謀統(tǒng)理紙論：用控靈制和視信息竄的觀查點，鞠研究學(xué)各種桿大系喇統(tǒng)的冒結(jié)構(gòu)氧方案涌、總榆體設(shè)眉計中斷的分映解方顧法和那協(xié)調(diào)椅等問專題的跡技術(shù)刷基礎(chǔ)小理論舍。復(fù)雜大系統(tǒng)控制智能災(zāi)控制毛理論解：研究揭與模消擬人改類智鋒能活們動及屋其控蛛制與愿信息值傳遞怒過程剪的規(guī)腹律，憤研制斗具有態(tài)某些哄擬人訊智能爺?shù)墓ど醭炭刂婆c段信息語處理仆系統(tǒng)回的理頌論。洗衣機(jī)智能模糊控制機(jī)器人神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制回顧摟控制弄理論都的發(fā)閉展歷蟻程可礦以看敞出，級它的緣瑞發(fā)展嶼過程去反映襲了人大類由秤機(jī)械竟化時眠代進(jìn)咬入電架氣化攜時代故，并裝走向廉自動虧化、帝信息遲化、讓智能骨化時熄代。哈勃饒望遠(yuǎn)完鏡－匙特殊故地衛(wèi)離星中巴征資源倒衛(wèi)星人造誦地球華衛(wèi)星麗控鼻制其充準(zhǔn)確縮慧地進(jìn)資入預(yù)烘定軌束道運田行并法回收4.自動饞控制席系統(tǒng)陰（應(yīng)陵用舉蜜例）無人董駕駛螺飛機(jī)鑰按預(yù)蘇定軌漁跡飛負(fù)行制導(dǎo)甘導(dǎo)彈現(xiàn)代事的高油新技茫術(shù)讓皇導(dǎo)彈篇長上云了“眼睛”和“大腦”，利淚用負(fù)箏反饋嶄控制邊原理巧去緊肯緊盯怕住目稿標(biāo)我國比研制場的地雖空導(dǎo)經(jīng)彈機(jī)器孩人足舍球比遍賽月球央車采用預(yù)高敏管感度女照相語機(jī)檢紡測半捐導(dǎo)體業(yè)晶片示的三煮軸控吧制系棍統(tǒng)激光籌眼科營手術(shù)系統(tǒng)1.膏3自動刻控制鈴的基總本原概理自動添控制樹的例綠子當(dāng)實督際水?dāng)D位低于要求趕水位須時，蛛電位亞器輸雄出電析壓值為正，且拆其大屈小反震映了脆實際庸水位唯與水震位要求值的塵差值波，放斬大器閉輸出潔信號借將有萌正的朗變化罰，電幼動機(jī)關(guān)帶動爬減速旬器使仿進(jìn)水眠閥門開度拌增加，直麥到實交際水鞋位重禿新與根水位忍要求橡值相仁等時蘇為止爆。36被控衣對象莖：又稱區(qū)控制濃對象藝或受姥控對匆象，苦指需賽要對芹它的蠻某個缸特定測的量囑進(jìn)行堆控制狼的設(shè)絹備或晨過程伐。（饞水箱贊）測量雪元件：它把獨被控推對象換的被旨控量披檢測村出來肚（浮襯子）比較植元件：它把膀測量者信號斜與給私定信英號比章較，笛得到古偏差職（比旦較電騙路）計算農(nóng)元件：可以睜進(jìn)行蜓復(fù)雜蓮運算意，決懼定系灘統(tǒng)性粗能的檔好壞放大杠元件：經(jīng)過建計算主處理畏的信涂號通吳常是箱弱信欠號，血不能南驅(qū)動收被控助制對瘋象，始由它誕進(jìn)行輕放大愈（放笑大器建）執(zhí)行健元件：它推利動被火控對吐象的唉被控醒量發(fā)暫生變主化斧（電阻動機(jī)+閥門拍）一個逃典型聚自動涉控制邪系統(tǒng)削的基饑本組暈成輸入書信號：也脆叫參拐考輸缸入，騰給定攏量或保給定溫值，站它是勉控制寨著輸茅出量險變化延規(guī)律攔的指健令信預(yù)號。輸出湖信號：是城指被族控對量象中煙要求陰按一國定規(guī)沉律變庸化的譜物理智量，窯又稱編被控資量，曠它與歌輸入樹量之策間保櫻持一蘭定的霞函數(shù)辰關(guān)系里。反饋新信號：由便系統(tǒng)(或元趨件)輸出碑端取影出并轟反向基送回般系統(tǒng)(或元濫件)輸入賊端的池信號蒸稱為貿(mào)反饋抓信號恥。反騰饋有主反換饋和局部秤反饋之分掩。名詞完術(shù)語偏差掩信號：它南是指酷參考決輸入禿與主悔反饋委信號晌之差語。誤差騎信號：指賀系統(tǒng)頭輸出辨量的扇實際便值與內(nèi)期望復(fù)值之尸差，畫簡稱病誤差壺。擾動數(shù)信號：簡脾稱擾研動或叢干擾粉、它割與控旱制作鋪用相岡反，莖是一到種不消希望氣的、棉影響搶系統(tǒng)喬輸出松的不曉利因峰素。靜擾動霞信號賭既可勁來自視系統(tǒng)謎內(nèi)部糞，又壇可來倦自系慮統(tǒng)外借部，啄前者曠稱內(nèi)部擱擾動，后稍者稱外部孟擾動。名詞腳術(shù)語391.施4自動波控制謙系統(tǒng)恭的分鳥類1.足4.積1按信就號傳掀遞路安徑分未類(1踢)按給陵定值后操作李的開氣環(huán)控逮制系返統(tǒng)(2抄)按干割擾補(bǔ)屯償?shù)暮﹂_環(huán)雙控制遷系統(tǒng)40(3覽)按偏冷差調(diào)賣節(jié)的材閉環(huán)揮控制凝系統(tǒng)(4蠟)復(fù)合鮮控制在系統(tǒng)1.眨4.戒2按輸?shù)秩胄抛谔柕氖卣饕姺诸惡阒档慰刂撇毕到y(tǒng)柱（又掘稱自拴動調(diào)符節(jié)系亦統(tǒng)）輸出充量以峰一定唇的精峽度等蛾于給許定值資，而受給定據(jù)值一脂般不輪變化泥或變筍化很魔緩慢寺，擾謎動可雜隨時驗變化散的系地統(tǒng)稱奪為恒粱值系慌統(tǒng)，巨在生攤產(chǎn)過關(guān)程中擱，這樂類系凍統(tǒng)非疑常多聲。例腸如，則冶金故部門躁的恒鑰溫系收統(tǒng)，伯石油竟部門廊的恒定壓系姐統(tǒng)等易。主滾要強(qiáng)父調(diào)抗擾零性。隨動切系統(tǒng)盼（又望稱伺帶服系率統(tǒng)）輸入馬信號烈是預(yù)勾先不牙知道音的隨溪時間糠任意愈變化予的函僅數(shù)，誼控制沃系統(tǒng)放能使真輸出則信號屠以任跡意高弟的精搞度跟討隨給蟻定值孤的變奏化笨。主愚要強(qiáng)躬調(diào)跟隨松性。系統(tǒng)酷的參筐據(jù)量柳時按給預(yù)定防規(guī)律鈔隨時幫間變并化的桿函數(shù)蹈，要累求被戶控量鍬迅速薪、準(zhǔn)此確地壺加以共復(fù)現(xiàn)票。程賢序控身制系勤統(tǒng)和左隨動叨系統(tǒng)施的參詠據(jù)量縱都是陸時間湯函數(shù)饞，不嫩過前俊者是租已知炕的時窄間函肆數(shù)，叮后者悼是未中知的黎任意緞時間停函數(shù)笨，而恒丈值控腎制系策統(tǒng)也曾可視龍為程袖序控哄制系鳴統(tǒng)的些特例廊。程序葉控制壺系統(tǒng)自動起控制獅原理43(1停)線性li久ne抬ar系統(tǒng)線性融系統(tǒng)退中各淺元件匯的靜特敢性為直線。線性殼系統(tǒng)續(xù)有兩由個重坐要特厘性——疊加溫性和貌齊次緊性1)疊加恥性：如果向用c1(t)表示擴(kuò)由r1(t)產(chǎn)生騎的輸心出，你用c2(t)表示插由r2(t)產(chǎn)生蜘的輸菜出，散則當(dāng)r1(t)和r2(t)同時走作用億時，輸出尤量為c1(t)鍛+c2(t)。2)齊次例性：如磨果用c(t)表示窯由r(t)產(chǎn)生彼的輸歇出量怪，則尾在Kr(t)作用下的輸出養(yǎng)量為Kc(t)。1.俗4.紗3按系俊統(tǒng)數(shù)學(xué)珍模型分類自動梯控制狠原理44(2淚)非線皆性no垃n-葉li物ne凡ar系統(tǒng)系統(tǒng)拌中只要孫某一污部件硬具有旁非線控性特宜性就是非線累性系燙統(tǒng)。非線壘性系跟統(tǒng)的潔特點登是不滿記足疊什加原規(guī)理。圖搬中分蓄別為繼電丸器、金死區(qū)罷、飽肯和、墓間隙膊特性，還掏有大仔量的專其它猶非線觸性特礦性。(a左)桃(碌b)近(c拼)刑(長d盤)45(1杯)連續(xù)嶄時間價系統(tǒng)惜：控成制系盆統(tǒng)中阿各環(huán)押節(jié)的動輸入釀量和獄輸出敞量均滑為時拳間t的連頂續(xù)函寇數(shù)(2姜)離散允時間英系統(tǒng)鎮(zhèn)：系呀統(tǒng)中謀只要抽一處酸信號滲是脈鹿沖序丟列或表數(shù)字超編碼1.喂4.爐4按時遺間變捎量特苗性分襯類46(1帶)定常奴系統(tǒng)系統(tǒng)沖參數(shù)虛在系這統(tǒng)運海行過蒸程中收相對彈于時屈間是悄不變芝的(2垮)時變首系統(tǒng)系統(tǒng)渾參數(shù)載是時宅間t的函抗數(shù)1.震4.摔5按系踢統(tǒng)參課數(shù)特宵性分德類47(1斤)單輸窩入單頂輸出除系統(tǒng)(2久)多輸汽入多帽輸出拾系統(tǒng)1.忙4.帥6揮按輸滅入輸閃出信熔號的獨數(shù)目年分類動態(tài)談過程抬：通耀常將劍系統(tǒng)妨受到續(xù)給定信值或宵干擾老信號爹作用悶后，橡控制叼被控漲量變到化的揉全過酒程稱份為系乒統(tǒng)的碌動態(tài)捎過程像。工程蟲上常鍋從穩(wěn)朝、快乞、準(zhǔn)請三個愁方面搬來評繼價控惜制系杠統(tǒng)。穩(wěn)：冠指動雜態(tài)過從程的槐平穩(wěn)泰性?？欤和碇竸犹銘B(tài)過豎程的籍快速他性。準(zhǔn)：畏指動蘇態(tài)過俊程的逝最終奪精度治。1.別5對控倚制系拔統(tǒng)性駐能的艘基本栽要求49當(dāng)系擋統(tǒng)受貧到干墊擾后瘦，系潑統(tǒng)的抬輸出c(t)可能機(jī)出現(xiàn)瀉增幅雹振蕩師或單芹調(diào)增敗長現(xiàn)憶象，襯這種往現(xiàn)象飾稱為不穩(wěn)延定現(xiàn)象旁，這望樣的雙系統(tǒng)郊稱為撥不穩(wěn)家定系縱統(tǒng)。才