自動(dòng)控制理論 第八章工大出品

自動(dòng)控制理論第八章工大出品7/27/2023北京郵電大學(xué)信息工程學(xué)院第1頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月參考書自動(dòng)控制原理國(guó)防工業(yè)出版社李友善自動(dòng)控制原理學(xué)習(xí)與考研指導(dǎo)科學(xué)出版社梅曉榕自動(dòng)控制原理試題精選與答題技巧哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社王彤7/27/2023北京郵電大學(xué)信息工程學(xué)院第2頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月講課內(nèi)容：第一章～第五章，第七章。課時(shí)安排：一，3；二，8；三，10；四，6；五，10；七，8；學(xué)習(xí)方法：比較抽象的技術(shù)基礎(chǔ)課，以數(shù)學(xué)、物理及有關(guān)學(xué)科為其理論基礎(chǔ)，運(yùn)用信息的傳遞、處理與反饋進(jìn)行控制這一正確的思維方法與觀點(diǎn)，在數(shù)理基礎(chǔ)學(xué)科與專業(yè)課程之間架起一道橋梁，將兩者緊密結(jié)合起來。在學(xué)習(xí)本課程前，應(yīng)有良好的數(shù)學(xué)、力學(xué)、電學(xué)的基礎(chǔ)，有一定的機(jī)械等其它學(xué)科的知識(shí)。不必過分追求數(shù)學(xué)論證的嚴(yán)密性，但一定要充分注意數(shù)學(xué)結(jié)論的準(zhǔn)確性與物理概念的明晰性。要重視實(shí)驗(yàn)，要重視習(xí)題，獨(dú)立完成作業(yè)，有助于對(duì)基本概念的理解與基本方法的運(yùn)用。。作業(yè)：隨堂布置，認(rèn)真、及時(shí)地完成課后作業(yè)，檢查所學(xué)內(nèi)容；

考試：閉卷考試（13周）7/27/2023北京郵電大學(xué)信息工程學(xué)院第3頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一章概論

本章要點(diǎn)：（1）反饋控制工作原理及相關(guān)概念（2）控制系統(tǒng)的類型（3）對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求基本要求：（1）了解自動(dòng)控制概念及研究對(duì)象與任務(wù)（2）掌握反饋的含義，學(xué)會(huì)分析動(dòng)態(tài)系統(tǒng)內(nèi)信息流動(dòng)的過程，掌握系統(tǒng)或過程中存在的反饋。（3）了解正反饋、負(fù)反饋的概念。（4）了解控制系統(tǒng)中基本名詞和基本變量。（5）了解對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求。7/27/2023北京郵電大學(xué)信息工程學(xué)院第4頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月本課程與其它課程的關(guān)系：自動(dòng)控制理論電路理論電機(jī)與拖動(dòng)大學(xué)物理信號(hào)與系統(tǒng)復(fù)變函數(shù)拉氏變換模擬電子技術(shù)線性代數(shù)微積分各類專業(yè)課線性系統(tǒng)現(xiàn)代控制理論7/27/2023北京郵電大學(xué)信息工程學(xué)院第5頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

§1-1自動(dòng)控制的一般概念

一.自動(dòng)控制系統(tǒng)1、自動(dòng)控制的應(yīng)用自動(dòng)控制：在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱為控制裝置或控制器），使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（通稱被控對(duì)象）的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量）自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。自動(dòng)控制系統(tǒng)：能夠?qū)Ρ豢刂茖?duì)象的工作狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)控制的系統(tǒng)。包括被控對(duì)象和控制裝置。

自動(dòng)控制的目的：提高產(chǎn)品質(zhì)量；提高勞動(dòng)生產(chǎn)率；改善勞動(dòng)條件，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度；提高生活質(zhì)量等。7/27/2023北京郵電大學(xué)信息工程學(xué)院第6頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用舉例例1工業(yè)加熱爐的控制生產(chǎn)工藝過程要求控制爐溫為設(shè)定值（例如600℃左右），并且在各種擾動(dòng)（如電源電壓波動(dòng)、熱負(fù)荷變化等）作用下只允許很下的偏差（例如1℃）。這時(shí)受控對(duì)象為熱處理爐，被控量為爐溫。如果不用自動(dòng)控制而由人工操作，控制精度很難保證，產(chǎn)品質(zhì)量也將受到影響。1）開環(huán)控制7/27/2023北京郵電大學(xué)信息工程學(xué)院第7頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2）閉環(huán)控制7/27/2023北京郵電大學(xué)信息工程學(xué)院第8頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例2液位控制系統(tǒng)控制器減速器電動(dòng)機(jī)電位器浮子用水開關(guān)Q2Q1cifSM7/27/2023北京郵電大學(xué)信息工程學(xué)院第9頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月問題的提出（1）受控系統(tǒng)的性能難合人意（2）存在各種擾動(dòng)阻礙系統(tǒng)的被控量按照預(yù)定的規(guī)律變化系統(tǒng)的輸入信號(hào)=有用的輸入信號(hào)+擾動(dòng)7/27/2023北京郵電大學(xué)信息工程學(xué)院第10頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2自動(dòng)控制理論自動(dòng)控制理論是研究自動(dòng)控制技術(shù)的基礎(chǔ)理論，是理論性較強(qiáng)的工程學(xué)科。注重工程應(yīng)用，在專業(yè)術(shù)語上不是非常嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚?。?jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論時(shí)間分界20世紀(jì)60年代，達(dá)到完善；20世紀(jì)60年代，開始發(fā)展；數(shù)學(xué)工具常微分方程，傳遞函數(shù)；一階微分方程組，狀態(tài)空間方程(傳遞函數(shù)陣)研究對(duì)象單輸入單輸出系統(tǒng)，定常系統(tǒng)；多輸入多輸出系統(tǒng)，定常和時(shí)變系統(tǒng)系統(tǒng)變量注重系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系；研究系統(tǒng)輸入、輸出及內(nèi)部變量的運(yùn)動(dòng)關(guān)系；7/27/2023北京郵電大學(xué)信息工程學(xué)院第11頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月自動(dòng)控制的發(fā)展史

自動(dòng)控制思想及其實(shí)踐歷史悠久。它是人類在認(rèn)識(shí)世界和改造世界的過程中產(chǎn)生的，并隨著社會(huì)的發(fā)展和科學(xué)水平的進(jìn)步而不斷發(fā)展。1、一千多年前：銅壺滴漏計(jì)時(shí)器、指南針、各種天文儀器

7/27/2023北京郵電大學(xué)信息工程學(xué)院第12頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、1769年J.Watt用離心式飛錘調(diào)速器構(gòu)建了蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制系統(tǒng)，在鍋爐壓力和負(fù)荷變化的條件下將蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速維持在一定的范圍內(nèi)。7/27/2023北京郵電大學(xué)信息工程學(xué)院第13頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、1868年J.C.Maxwell基于線性常微分方程描述，從理論上給出了系統(tǒng)穩(wěn)定的條件。此后勞斯（Routh）于1877年和赫爾維茨（Huiwitz）于1895年分別提出了用于高階線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)。4、1892年Lyapunov發(fā)表了專著《論運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的一般問題》，用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)分析方法全面論述了穩(wěn)定性問題。5、1932年順應(yīng)時(shí)代需要，Nyqiust提出了穩(wěn)定性的頻域方法。它不僅可以判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性，解決了Black負(fù)反饋放大器的穩(wěn)定性問題；而且還可以用來分析系統(tǒng)的穩(wěn)定裕量。6、1940年Bode引入了對(duì)數(shù)坐標(biāo)系，使頻率法更適合于工程運(yùn)用。7/27/2023北京郵電大學(xué)信息工程學(xué)院第14頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月7、1942年Harris引入了傳遞函數(shù)的概念。8、1848年Evans提出了根軌跡法。至此基于傳遞函數(shù)（或頻率特性）在復(fù)數(shù)域或頻率域進(jìn)行討論的方法（頻域法）趨于成熟，從而形成了經(jīng)典的控制理論9、1948年數(shù)學(xué)家維納（N.Wiener）出版了專著《控制論》，它是經(jīng)典控制論的輝煌總結(jié)。1954年錢學(xué)森出版了專著《工程控制論》，系統(tǒng)的闡述了控制論與工程結(jié)合的理論和應(yīng)用，揭示了控制論在自動(dòng)化，航空、航天、電子和通信等工程技術(shù)領(lǐng)域的意義和深遠(yuǎn)影響，標(biāo)志著控制論學(xué)科分支學(xué)科“工程控制論”的誕生。7/27/2023北京郵電大學(xué)信息工程學(xué)院第15頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月§1-2自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本形式

1開環(huán)控制（開環(huán)控制有何特點(diǎn)）控制裝置與被控制對(duì)象之間只有正向作用而沒有反向聯(lián)系的控制過程；每個(gè)輸入量對(duì)應(yīng)的有一輸出量，在開環(huán)系統(tǒng)中，不需要對(duì)輸出量進(jìn)行測(cè)量。開環(huán)控制的特點(diǎn)：（1）輸出不影響輸入，對(duì)輸出不需要測(cè)量，通常較容易實(shí)現(xiàn)；（2）組成系統(tǒng)的元、部件精度高，系統(tǒng)的精度才能高；（3）系統(tǒng)的穩(wěn)定性不是主要問題。開環(huán)系統(tǒng)存在的問題：（1）要求元、部件的精度要高；（2）當(dāng)存在變化規(guī)律無法預(yù)測(cè)的干擾時(shí)，不容易實(shí)現(xiàn)。

7/27/2023北京郵電大學(xué)信息工程學(xué)院第16頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月結(jié)論：如果系統(tǒng)中存在干擾,或者由于控制元器件老化,均會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)輸出發(fā)生變化,使輸出值偏離預(yù)期值。開環(huán)控制系統(tǒng)一般適用于干擾不強(qiáng)或可預(yù)測(cè)、并且控制精度要求不高的場(chǎng)合。2、閉環(huán)控制7/27/2023北京郵電大學(xué)信息工程學(xué)院第17頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月在閉環(huán)控制系統(tǒng)中,對(duì)系統(tǒng)輸出量不斷地進(jìn)行測(cè)量并反饋到系統(tǒng)的輸入端與輸入量進(jìn)行比較,產(chǎn)生偏差信號(hào),按偏差實(shí)現(xiàn)控制。閉環(huán)控制又稱為反饋控制。閉環(huán)控制的特點(diǎn)：（1）信號(hào)雙向傳遞，既有正向控制作用，又有反饋?zhàn)饔?，系統(tǒng)輸出量對(duì)控制量有直接影響，所以能削弱或抑制干擾；（2）低精度元件可組成高精度系統(tǒng)；（3）因?yàn)榭赡馨l(fā)生超調(diào)、振蕩，所以穩(wěn)定性問題很重要。系統(tǒng)的控制器和被控對(duì)象共同構(gòu)成了前向通道,而測(cè)量元件構(gòu)成了系統(tǒng)的反饋通道。7/27/2023北京郵電大學(xué)信息工程學(xué)院第18頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月采用正反饋形式的系統(tǒng)一般不能改進(jìn)系統(tǒng)性能,而且容易使系統(tǒng)性能變壞;而具有負(fù)反饋形式的系統(tǒng),它能抑制系統(tǒng)回路中存在的內(nèi)擾和外擾的影響，使系統(tǒng)輸出趨于給定輸入量,最終達(dá)到自動(dòng)控制的目的。通常而言,反饋控制就是指負(fù)反饋控制。

總結(jié)：采用閉環(huán)控制的系統(tǒng)，由于增加了反饋通道,可以較好地抑制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)中可能存在的擾動(dòng)和由于器件的老化而引起的結(jié)構(gòu)和參數(shù)的不確定性，使系統(tǒng)的控制精度得到了極大的提高。日常生活過程中的控制系統(tǒng)例子7/27/2023北京郵電大學(xué)信息工程學(xué)院第19頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月水箱水位控制系統(tǒng)---7/27/2023北京郵電大學(xué)信息工程學(xué)院第20頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

調(diào)節(jié)器(杠桿)執(zhí)行器調(diào)節(jié)閥水箱變送器(浮球)+-水箱水位控制系統(tǒng)框圖測(cè)量水位偏差量控制量調(diào)節(jié)位移進(jìn)水量實(shí)際水位設(shè)定水位7/27/2023北京郵電大學(xué)信息工程學(xué)院第21頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

下圖是一個(gè)閥門的人工控制系統(tǒng)原理示意圖。操作員根據(jù)儀表顯示的液體濃度來調(diào)節(jié)閥門，達(dá)到控制處理罐輸出液體濃度的目的。（1）該系統(tǒng)是開環(huán)控制還是閉環(huán)控制系統(tǒng)。（2）指出什么是輸入量，什么是輸出量。7/27/2023北京郵電大學(xué)信息工程學(xué)院第22頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月§1-3自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本類型7/27/2023北京郵電大學(xué)信息工程學(xué)院第23頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

線性控制系統(tǒng)

輸入與輸出成正比，可用疊加原理用線性數(shù)學(xué)模型描述

非線性控制系統(tǒng)

輸入與輸出不成正比，不可用疊加原理用非線性數(shù)學(xué)模型描述

7/27/2023北京郵電大學(xué)信息工程學(xué)院第24頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月非線性系統(tǒng):在構(gòu)成系統(tǒng)的環(huán)節(jié)中有一個(gè)或一個(gè)以上的非線性環(huán)節(jié)典型非線性特性:

飽和特性、死區(qū)性、間隙特性、繼電特性、磁滯特性等。7/27/2023北京郵電大學(xué)信息工程學(xué)院第25頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月如果線性系統(tǒng)中的參數(shù)不隨時(shí)間變化,則稱為線性定常系統(tǒng);否則稱為線性時(shí)變系統(tǒng)。本書主要討論線性定常系統(tǒng)。7/27/2023北京郵電大學(xué)信息工程學(xué)院第26頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月恒值控制系統(tǒng)（或稱自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)）特點(diǎn)：輸入信號(hào)是一個(gè)恒定的數(shù)值。恒值控制系統(tǒng)主要研究各種干擾對(duì)系統(tǒng)輸出的影響以及如何克服這些干擾隨動(dòng)控制系統(tǒng)（或稱伺服系統(tǒng)）特點(diǎn)：輸入信號(hào)是一個(gè)未知函數(shù)，要求輸出量以一定的準(zhǔn)確度跟隨給定量變化。雷達(dá)天線控制系統(tǒng)就是典型的伺服控制系統(tǒng)。程序控制系統(tǒng)特點(diǎn)：輸入信號(hào)是一個(gè)已知的時(shí)間函數(shù)，系統(tǒng)的控制過程按預(yù)定的程序進(jìn)行，要求被控量能迅速準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)。7/27/2023北京郵電大學(xué)信息工程學(xué)院第27頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月連續(xù)時(shí)間控制系統(tǒng)

系統(tǒng)各部分的信號(hào)是模擬的連續(xù)函數(shù)，例：工業(yè)中普遍采用的常規(guī)PID調(diào)節(jié)器控制的系統(tǒng)

離散時(shí)間控制系統(tǒng)系統(tǒng)的某一處或幾處，信號(hào)以脈沖序列或數(shù)碼的形式傳遞的控制系統(tǒng)，例：計(jì)算機(jī)控制的溫度控制系統(tǒng)

7/27/2023北京郵電大學(xué)信息工程學(xué)院第28頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月§1-4自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能要求

對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的要求，在時(shí)域中一般可歸納為三大性能指標(biāo)：

（1）穩(wěn)定性——穩(wěn)定性是保證系統(tǒng)正常工作的先決條件。

（2）快速性——為了很好完成控制任務(wù)，還必須對(duì)其過渡過程的形式和快慢提出要求。

（3）準(zhǔn)確性——要求系統(tǒng)最終的響應(yīng)準(zhǔn)確度。

上述要求，簡(jiǎn)稱穩(wěn)、快、準(zhǔn)。不同的系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)、快、準(zhǔn)的要求一般是不同的。對(duì)同一