自動(dòng)控制原理第一章課件

第一章緒論

§1-1引言

§1-2自動(dòng)控制的基本知識(shí)

§1-3自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本控制方式

§1-4自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類及基本組成

§1-5對控制系統(tǒng)的要求和分析設(shè)計(jì)

§1-6自動(dòng)控制理論的發(fā)展概況1第一章緒論§1-1引言11-1引言1.控制理論的基礎(chǔ)觀念

控制理論是建立在有可能發(fā)展一種一般方法來研究各式各樣系統(tǒng)中控制過程這一基礎(chǔ)上的理論。2.控制理論的研究對象控制理論研究的對象可狹義地定義為這樣一種信息系統(tǒng)，即根據(jù)期望的輸出來改變輸入，使系統(tǒng)的輸出能有某種預(yù)期的效果。3.控制論與數(shù)學(xué)及自動(dòng)化技術(shù)的關(guān)系21-1引言1.控制理論的基礎(chǔ)觀念21.2.1自動(dòng)控制問題的提出

一個(gè)簡單的水箱液面，因生產(chǎn)和生活需要，希望液面高度h維持恒定。當(dāng)水的流入量與流出量平衡時(shí)，水箱的液面高度維持在預(yù)定的高度上。1.2自動(dòng)控制的基本知識(shí)水箱流出流入h

當(dāng)水的流出量增大或流入量減小，平衡則被破壞，液面的高度不能自然地維持恒定。31.2.1自動(dòng)控制問題的提出1.2自動(dòng)控制的基本知識(shí)水箱

這種出水量與進(jìn)水量的不平衡現(xiàn)象必然要經(jīng)常發(fā)生的。這使得這種“水位恒定的要求”變得難以實(shí)現(xiàn)了。所謂控制就是強(qiáng)制性地改變某些物理量（如上例中的進(jìn)水量），而使另外某些特定的物理量（如液面高度h）維持在某種特定的標(biāo)準(zhǔn)上。人工控制的例子。水箱流出流入h

這種人為地強(qiáng)制性地改變進(jìn)水量，而使液面高度維持恒定的過程，即是人工控制過程。4這種出水量與進(jìn)水量的不平衡現(xiàn)象必然要經(jīng)常發(fā)生的。這使1.2.2自動(dòng)控制的定義及基本職能元件

1.自動(dòng)控制的定義自動(dòng)控制就是在沒有人直接參與的情況下，利用控制器使被控對象（或過程）的某些物理量（或狀態(tài)）自動(dòng)地按預(yù)先給定的規(guī)律去運(yùn)行。水箱流出流入h控制器浮子

當(dāng)出水與進(jìn)水的平衡被破壞時(shí)，水箱水位下降(或上升)，出現(xiàn)偏差。這偏差由浮子檢測出來，自動(dòng)控制器在偏差的作用下，控制閥門開大(或關(guān)小)，對偏差進(jìn)行修正，從而保持液面高度不變。51.2.2自動(dòng)控制的定義及基本職能元件水箱流出流入h控制器2.自動(dòng)控制的基本職能元件自動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn),實(shí)際上是由自動(dòng)控制裝置來代替人的基本功能，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的。畫出以上人工控制與自動(dòng)控制的功能方框圖進(jìn)行對照。水箱流出流入h水箱流出流入h控制器浮子

眼睛浮子大腦

自動(dòng)控制器肌肉、手執(zhí)行元件62.自動(dòng)控制的基本職能元件水箱流出流入h水箱流出流入h控肌肉和閥門希望液位實(shí)際液位大腦水箱眼睛

比較兩圖可以看出，自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)人工控制的功能，存在必不可少的三種代替人的職能的基本元件：氣動(dòng)閥門希望液位實(shí)際液位浮子控制器水箱7肌肉和閥門希望液位實(shí)際液位大腦水箱眼睛比較兩圖執(zhí)行元件參考輸入輸出測量變送元件控制器對象擾動(dòng)輸入

測量元件與變送器（代替眼睛）；自動(dòng)控制器（代替大腦）；執(zhí)行元件（代替肌肉、手）。這些基本元件與被控對象相連接，一起構(gòu)成一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)。下圖是典型控制系統(tǒng)方框圖。8執(zhí)行參考輸入輸出測量變送元件控制器對象擾動(dòng)輸入測量1.2.3自動(dòng)控制中的一些術(shù)語及方框圖

1.常用術(shù)語控制對象控制器系統(tǒng)系統(tǒng)輸出操作量參考輸入擾動(dòng)特性

2.系統(tǒng)方框圖將系統(tǒng)中各個(gè)部分都用一個(gè)方框來表示，并注上文字或代號(hào)，根據(jù)各方框之間的信息傳遞關(guān)系，用有向線段把它們依次連接起來，并標(biāo)明相應(yīng)的信息。突出了系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)輸入與輸出的關(guān)系及各環(huán)節(jié)之間的相互影響，便于定性和定量分析。91.2.3自動(dòng)控制中的一些術(shù)語及方框圖91.3.1開環(huán)控制開環(huán)控制是最簡單的一種控制方式，我們可以給出開環(huán)控制的一般定義：定義：控制量與被控量之間只有順向作用而沒有反向聯(lián)系。開環(huán)控制系統(tǒng)的典型方框圖如圖所示。1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本控制方式控制器被控對象控制量被控量

交通指揮紅綠燈，自動(dòng)洗衣機(jī)，自動(dòng)售貨機(jī)，產(chǎn)品自動(dòng)生產(chǎn)線，數(shù)控車床等等。101.3.1開環(huán)控制1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本控制方式控制器電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速滑臂位置功率放大器電位器1.按給定控制下圖是一個(gè)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。

當(dāng)調(diào)節(jié)電位器滑臂位置時(shí)，改變功率放大器的輸入電壓，從而改變電動(dòng)機(jī)的電樞電壓，最終改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。以上的控制過程，用方框圖簡單直觀地表示出來。

M功率放大器電動(dòng)機(jī)負(fù)載電位器11電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速滑臂位置功率電位器1.按給定控制當(dāng)2.按擾動(dòng)控制

圖示是一個(gè)按擾動(dòng)控制的直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。負(fù)載電壓放大器M功率放大器++-Ri+控制過程可用方框圖表示成如圖示的形式。122.按擾動(dòng)控制負(fù)載電壓M功率++-Ri+控制過程可用方框電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速給定不變功率放大器電位器++負(fù)載變化電壓放大器檢測電阻

把負(fù)載變化視為外部擾動(dòng)輸入，對輸出轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的影響及控制補(bǔ)償作用，分別沿箭頭的方向從輸入端傳送到輸出端，作用的路徑也是單向的，不閉合的。有時(shí)我們稱按擾動(dòng)控制為順饋控制。13電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速給定功率電位器++負(fù)載變化電壓檢測把負(fù)載

開環(huán)控制的特點(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便、成本低。

（2）給定一個(gè)輸入，有相應(yīng)的一個(gè)輸出。（3）在系統(tǒng)方框圖中，作用信號(hào)是單方向傳遞的，形成開環(huán)。（4）輸出不影響輸入。

（5）若系統(tǒng)有外界擾動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)輸出量不可能有準(zhǔn)確的數(shù)值，即開環(huán)控制精度不高，或抗干擾能力差。1.3.2閉環(huán)控制定義：凡是系統(tǒng)輸出信號(hào)對控制作用有直接影響的系統(tǒng)，都叫做閉環(huán)控制系統(tǒng)。14開環(huán)控制的特點(diǎn)：14

在控制系統(tǒng)中，控制裝置對被控對象所施加的控制作用，若能取自被控量的反饋信息，即根據(jù)實(shí)際輸出來修正控制作用，實(shí)現(xiàn)對被控對象進(jìn)行控制的任務(wù)，這種控制原理稱為反饋控制原理。正是由于引入了反饋信息，使整個(gè)控制過程成為閉合的。因此，按反饋原理建立起來的控制系統(tǒng)，叫做閉環(huán)控制系統(tǒng)。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，其控制作用的基礎(chǔ)是被控量與給定值之間的偏差。

人本身就是一個(gè)具有高度復(fù)雜控制能力的閉環(huán)系統(tǒng)。比如，人可以用手拿到放在桌上的書等物，體現(xiàn)了閉環(huán)控制的原理。直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的例子。15在控制系統(tǒng)中，控制裝置對被控對象所施加的控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速給定位置功率放大器電位器+-負(fù)載擾動(dòng)測速發(fā)動(dòng)機(jī)ufureuaF測速發(fā)動(dòng)機(jī)M功率放大器電動(dòng)機(jī)負(fù)載電位器16電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速給定功率電位器+-負(fù)載擾動(dòng)測速發(fā)動(dòng)機(jī)ufureua

閉環(huán)控制的特點(diǎn)：①控制作用不是直接來自給定輸入，而是系統(tǒng)的偏差信號(hào)，由偏差產(chǎn)生對系統(tǒng)被控量的控制；②系統(tǒng)被控量的反饋信息又反過來影響系統(tǒng)的偏差信號(hào)，即影響控制作用的大小。這種自成循環(huán)的控制作用，使信息的傳遞路徑形成了一個(gè)閉合的環(huán)路，稱為閉環(huán)。③提高了控制精度。閉環(huán)控制系統(tǒng)的典型方框圖如圖所示?？刂破鞅豢貙ο蠓答佋斎胼敵?-偏差17閉環(huán)控制的特點(diǎn)：控制器被控對象反饋元件輸入輸出+-偏三.開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的比較閉環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是采用了反饋，因而使系統(tǒng)的響應(yīng)對外部干擾和內(nèi)部系統(tǒng)的參數(shù)變化均相當(dāng)不敏感。這樣，對于給定的控制對象，有可能采用不太精密且成本較低的元件構(gòu)成精密的控制系統(tǒng)。在開環(huán)情況下，就不可能做到這一點(diǎn)。從穩(wěn)定性的觀點(diǎn)出發(fā)，開環(huán)控制系統(tǒng)比較容易建造，因?yàn)閷﹂_環(huán)系統(tǒng)來說，不存在穩(wěn)定性的問題。但是在閉環(huán)系統(tǒng)中，穩(wěn)定性則始終是一個(gè)重要問題。因?yàn)殚]環(huán)系統(tǒng)可能引起過調(diào)誤差，從而導(dǎo)致系統(tǒng)做等幅振蕩或變幅振蕩。工程上常采用的復(fù)合控制方法，就是把兩者結(jié)合起來使用。18三.開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的比較18

復(fù)合控制實(shí)質(zhì)上是在閉環(huán)控制回路的基礎(chǔ)上，附加一個(gè)輸入信號(hào)（給定或擾動(dòng)）的順饋通路，對該信號(hào)實(shí)行加強(qiáng)或補(bǔ)償，以達(dá)到精確的控制效果。常見的方式有以下兩種：

1.附加給定輸入補(bǔ)償控制器被控對象補(bǔ)償裝置輸入輸出+-

通常，附加的補(bǔ)償裝置可提供一個(gè)順饋控制信號(hào)，與原輸入信號(hào)一起對被控對象進(jìn)行控制，以提高系統(tǒng)的跟蹤能力。19復(fù)合控制實(shí)質(zhì)上是在閉環(huán)控制回路的基礎(chǔ)上，附加2.附加擾動(dòng)輸入補(bǔ)償

該種復(fù)合控制方框圖。附加的補(bǔ)償裝置所提供的控制作用，主要起到對擾動(dòng)影響“防患未然”的效果?？刂破鞅豢貙ο笱a(bǔ)償裝置輸入輸出+-+擾動(dòng)202.附加擾動(dòng)輸入補(bǔ)償控制器被控對象補(bǔ)償裝置輸入輸出+-+擾動(dòng)1-4自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類基本組成1.4.1按給定信號(hào)的特征劃分

給定信號(hào)是系統(tǒng)的指令信息。它代表了系統(tǒng)希望的輸出值，反映了控制系統(tǒng)要完成的基本任務(wù)和職能。

1.恒值控制系統(tǒng)：給定輸入維持不變，希望輸出維持在某一特定值上。

液位控制系統(tǒng)，直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)等等。

2.隨動(dòng)控制系統(tǒng)：給定信號(hào)上預(yù)先不知道的隨時(shí)間任意變化的函數(shù)?？刂葡到y(tǒng)能夠使被控量以盡可能小的誤差跟隨給定值的變化。

跟蹤衛(wèi)星的雷達(dá)天線系統(tǒng)

3.程序控制系統(tǒng)：給定值按預(yù)先給定的規(guī)律變化的控制系統(tǒng)。機(jī)械加工中的程序控制機(jī)床等等。211-4自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類基本組成1.4.1按給定信號(hào)的1.4.2按系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述劃分

1.線性系統(tǒng)

當(dāng)系統(tǒng)各元件輸入輸出特性是線性特性，系統(tǒng)的狀態(tài)和性能可以用線性微分（或差分）方程來描述時(shí)，則稱這種系統(tǒng)為線性系統(tǒng)。所謂線性特性是指元件的靜特性是一條過原點(diǎn)的直線，也稱其為線性元件。因此，由線性元件組成的系統(tǒng)則必是線性系統(tǒng)。線性系統(tǒng)的一個(gè)突出特點(diǎn)就是滿足疊加原理，可運(yùn)用疊加原理的兩個(gè)性質(zhì)（可疊加性和齊次性），作為鑒別系統(tǒng)是否為線性系統(tǒng)的依據(jù)。線性系統(tǒng)r(t)c(t)r1(t)→

c1(t)r2(t)→

c2(t)r1(t)+r2(t)

→c1(t)+c2(t)ar1(t)→

ac1(t)221.4.2按系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述劃分線性系統(tǒng)r(t)c(t)r1線性定常系統(tǒng)和線性時(shí)變系統(tǒng)疊加原理r1(t)→

c1(t)r2(t)→

c2(t)r1(t)+r2(t)→c1(t)+c2(t)ar1(t)→

ac1(t)23線性定常系統(tǒng)和線性時(shí)變系統(tǒng)疊加原理r1(t)→cyx0b-byxa-a0-bb2.非線性系統(tǒng)系統(tǒng)中只要存在一個(gè)非線性特性的元件，系統(tǒng)就由非線性方程來描述，這種系統(tǒng)稱為非線性系統(tǒng)。yxka-a0M-Myxka-a024yx0b-byxa-a0-bb2.非線性系統(tǒng)yxka-a1.4.3按信號(hào)傳遞的連續(xù)性劃分

1.連續(xù)系統(tǒng)

連續(xù)系統(tǒng)的特點(diǎn)是系統(tǒng)中各元件的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)都是時(shí)間的連續(xù)函數(shù)。這類系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是用微分方程來描述的。連續(xù)系統(tǒng)中各元件傳輸?shù)男畔⒃诠こ躺戏Q為模擬量，多數(shù)實(shí)際物理系統(tǒng)都屬于這一類，其輸入輸出一般用r(t)和c(t)表示。r(t)

t

0c(t)

t

0251.4.3按信號(hào)傳遞的連續(xù)性劃分r(t)t0c(t)

2.離散系統(tǒng)

控制系統(tǒng)中只要有一處的信號(hào)是脈沖序列或數(shù)碼時(shí)，該系統(tǒng)即為離散系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的狀態(tài)和性能一般用差分方程來描述。實(shí)際物理系統(tǒng)中，信息的表現(xiàn)形式為離散信號(hào)的并不多見，往往是控制上的需要，人為地將連續(xù)信號(hào)離散化，我們稱其為采樣。c(t)

t

0c(t)c*(t)c*(t)

t

0262.離散系統(tǒng)c(t)t0c(t)c*(t)c*(1.4.4按系統(tǒng)的輸入與輸出信號(hào)的數(shù)量劃分

1.單變量系統(tǒng)（SISO）

2.多變量系統(tǒng)（MIMO）1.4.5自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成在形形色色的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，反饋控制是最基本的控制方式之一。一個(gè)典型的反饋控制系統(tǒng)總是由控制對象和各種結(jié)構(gòu)不同的職能元件組成的。除控制對象外，其他各部分可統(tǒng)稱為控制裝置。每一部分各司其職，共同完成控制任務(wù)。下面給出這些職能元件的種類和各自的職能。271.4.4按系統(tǒng)的輸入與輸出信號(hào)的數(shù)量劃分27輸出輸入放大元件+-測量變送元件給定元件執(zhí)行元件串聯(lián)校正元件+-對象反饋校正元件

給定元件：其職能是給出與期望的輸出相對應(yīng)的系統(tǒng)輸入量，是一類產(chǎn)生系統(tǒng)控制指令的裝置。28輸出輸放大+-測量變送給定執(zhí)行串聯(lián)校正元件+-對反饋校正

測量元件：其職能是檢測被控量，如果測出的物理量屬于非電量，大多情況下要把它轉(zhuǎn)換成電量，以便利用電的手段加以處理。

比較元件：其職能是把測量元件檢測到的實(shí)際輸出值與給定元件給出的輸入值進(jìn)行比較，求出它們之間的偏差。

放大元件：其職能是將