自動(dòng)控制原理 第2版 課件 第一章緒論2

自動(dòng)控制原理

第一章緒論(第2次課)

1閉環(huán)與開環(huán)控制系統(tǒng)的比較開環(huán)控制：順向作用，沒有反向的聯(lián)系，沒有修正偏差的能力，抗擾動(dòng)性較差。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)整方便、成本低。在精度要求不高或擾動(dòng)影響較小的場(chǎng)合，這種控制方式還有一定的實(shí)用價(jià)值（步進(jìn)電機(jī)，水泵，風(fēng)扇）。

閉環(huán)控制：為基于偏差的控制，可以抑制內(nèi)（系統(tǒng)參數(shù)變化）、外擾動(dòng)（負(fù)載變化）對(duì)被控變量產(chǎn)生的影響，因此，控制精度高。但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高（價(jià)格成倍增加，車床、洗衣機(jī)、小轎車）；系統(tǒng)設(shè)計(jì)、分析麻煩。

2閉環(huán)控制有一定的時(shí)間延遲，有時(shí)候控制不及時(shí)導(dǎo)致性能變差。另外一種抑制干擾的開環(huán)控制系統(tǒng)3另外一種開環(huán)控制方式：按干擾補(bǔ)償?shù)拈_環(huán)控制該系統(tǒng)對(duì)干擾進(jìn)行測(cè)量，利用測(cè)量得到的干擾值修正控制作用，補(bǔ)償干擾對(duì)被控量的影響。這種控制方式稱為前饋控制，F(xiàn)eedforwardControl。

從干擾作用端至輸出端，也僅有順向作用而無反向聯(lián)系，因此也是開環(huán)控制。這種控制方式使用的前提條件是干擾能夠被測(cè)量到。

復(fù)合控制系統(tǒng)(CompoundControlSystem)定義：開環(huán)控制和閉環(huán)控制相結(jié)合的一種控制方式。是構(gòu)成高精度控制系統(tǒng)的一種有效控制方式，使控制系統(tǒng)具有良好的控制性能。復(fù)合控制的兩種基本形式

按輸入前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制按干擾前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制4三、復(fù)合控制系統(tǒng)三、復(fù)合控制系統(tǒng)5第三節(jié)控制系統(tǒng)舉例6自動(dòng)駕駛的6個(gè)級(jí)別L0無自動(dòng)化L1駕駛支援(車道保持系統(tǒng)、定速巡航系統(tǒng))L2部分自動(dòng)化(適應(yīng)巡航系統(tǒng))。L3有條件自動(dòng)化L4高度自動(dòng)化L5完全自動(dòng)化汽車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)Apollo汽車機(jī)器人8圖1-14縱向控制基本結(jié)構(gòu)圖9圖1-15橫向控制基本結(jié)構(gòu)圖電熱爐溫度計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)10第四節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類按工作原理分類開環(huán)控制、閉環(huán)控制、復(fù)合控制按數(shù)學(xué)模型分類線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)定常系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng)按系統(tǒng)內(nèi)部的信號(hào)特征分類連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)按輸入量變化規(guī)律的功能分類（重要）恒值控制系統(tǒng)：如溫度控制系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)等隨動(dòng)控制系統(tǒng)：如機(jī)器人、高射炮等程序控制系統(tǒng)：如數(shù)控機(jī)床、交通燈系統(tǒng)等11第四節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類12恒值控制系統(tǒng)，也稱為調(diào)節(jié)(regulator)系統(tǒng)，用于抑制各種干擾信號(hào)、保持輸出穩(wěn)定的系統(tǒng)。隨動(dòng)控制系統(tǒng)，也稱為伺服(servo)系統(tǒng)，用于跟蹤某個(gè)參考信號(hào)的系統(tǒng)。伺服（Servo）來源于拉丁語Servus，是“奴隸（slave）”或“奴仆（servant）”的意思。也就是說“伺服”應(yīng)該充當(dāng)?shù)眯膽?yīng)手的馴服工具，完全按照控制信號(hào)的要求而動(dòng)作?！八欧姍C(jī)”含有使電機(jī)像奴隸一樣忠實(shí)地按照命令動(dòng)作的意義。第五節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求一、自動(dòng)控制系統(tǒng)性能的基本要求（三個(gè)方面）穩(wěn)定性（先決條件）

系統(tǒng)受到短暫的擾動(dòng)后其運(yùn)動(dòng)性能從偏差平衡點(diǎn)恢復(fù)到原來平衡狀態(tài)的能力。由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定,與外界因素?zé)o關(guān)。13

第五節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求14火箭運(yùn)行的穩(wěn)定性騎自行車的穩(wěn)定性

第五節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求15控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定現(xiàn)象綠色虛線代表目標(biāo)軌跡紅色、藍(lán)色、紫色代表三種不同的不穩(wěn)定運(yùn)行軌跡動(dòng)態(tài)性能（過渡過程性能要求）：

描述動(dòng)態(tài)性能可以用平穩(wěn)性和快速性加以衡量，如：上升時(shí)間、峰值時(shí)間、調(diào)整時(shí)間、超調(diào)量。

第五節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求16我們總是要求控制系統(tǒng)具有很好的快速性和平穩(wěn)性。穩(wěn)態(tài)誤差（控制精度要求）：

系統(tǒng)過渡過程結(jié)束后，期望的穩(wěn)態(tài)輸出量與實(shí)際的穩(wěn)態(tài)輸出量之差叫穩(wěn)態(tài)誤差。顯然，這種誤差越小，表示系統(tǒng)的輸出跟隨參考輸入的精度越高。

第五節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求17簡(jiǎn)單地說：穩(wěn)、快、準(zhǔn)

第五節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求180二、典型的外作用1、階躍函數(shù)（位置函數(shù)）

例如：電源電壓的突然跳動(dòng)；負(fù)載突然增大或減小；恒值控制系統(tǒng)的設(shè)定值等等。階躍函數(shù)的幅值R=1時(shí)，稱為單位階躍函數(shù)，常記作

第五節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求1902、斜坡函數(shù)（速度函數(shù)）

例如：雷達(dá)跟蹤的目標(biāo)以恒定速度飛行

第五節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求203、拋物線函數(shù)（加速度函數(shù)）

例如：飛行器的加速運(yùn)動(dòng)當(dāng)R=1/2時(shí)，稱為單位加速度函數(shù)。

第五節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求2104、單位脈沖函數(shù)任意形式的外作用都分解成不同時(shí)刻的一系列脈沖函數(shù)之和可代表一些瞬間即逝的擾動(dòng)信號(hào)第六節(jié)自動(dòng)控制理論的發(fā)展簡(jiǎn)史人類對(duì)控制系統(tǒng)的基本原理（反饋）早有認(rèn)識(shí)，并利用它創(chuàng)造了許多裝置。如2000年前，羅馬人：水位控制系統(tǒng)。中國能工巧匠：張衡的地震方向測(cè)定儀，蘇頌的水運(yùn)儀象臺(tái)。221932年，Nyquist提出了一種根據(jù)系統(tǒng)的開環(huán)頻率響應(yīng)(對(duì)穩(wěn)態(tài)正弦輸入)，確定閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法。1868年，英國J.C麥克斯韋首先解釋了瓦特速度控制系統(tǒng)中出現(xiàn)的不穩(wěn)定問題。1892年李雅普諾夫闡述了穩(wěn)定性的概念，1877年勞斯(Routh)、1895年赫爾維茨分別提出了判斷系統(tǒng)是否穩(wěn)定的判據(jù)。1788年，JamesWatt為控制蒸汽機(jī)速度設(shè)計(jì)的離心調(diào)節(jié)器，是自動(dòng)控制領(lǐng)域的第一項(xiàng)重大成果。離心調(diào)節(jié)器第六節(jié)自動(dòng)控制理論的發(fā)展簡(jiǎn)史2420世紀(jì)40年代，頻率響應(yīng)法為閉環(huán)控制系統(tǒng)提供了一種可行方法，Evans提出并完善了根軌跡法?？刂普撝浮S納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(dòng)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(dòng)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)。Cybernetics:控制論第六節(jié)自動(dòng)控制理論的發(fā)展簡(jiǎn)史25從1980－現(xiàn)在，魯棒控制、智能控制等理論正在快速地深入發(fā)展。20世紀(jì)60年代，數(shù)字計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)為復(fù)雜系統(tǒng)的基于時(shí)域分析的現(xiàn)代控制理論提供了可能。（卡爾曼）從1960－1980，確定性系統(tǒng)、隨機(jī)系統(tǒng)的最佳控制，及復(fù)雜系統(tǒng)的自適應(yīng)和學(xué)習(xí)控制，都得到充分的研究。我國著名科學(xué)家錢學(xué)森將控制理論應(yīng)用于工程實(shí)踐，并與1954年出版了《工程控制論》。錢學(xué)森《工程控制論》是繼維納的《控制論》之后對(duì)控制與制導(dǎo)方面進(jìn)行創(chuàng)造性論述的又一經(jīng)典專著?？刂普撻_始成為一門研究信息和控制一般規(guī)律的新興學(xué)科。古典（經(jīng)典）控制理論

（1787——1960）

以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)研究單輸入－單輸出定?？刂葡到y(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問題。這些理論由于其發(fā)展較早，現(xiàn)已臻成熟。第六節(jié)自動(dòng)控制理論的發(fā)展簡(jiǎn)史26后現(xiàn)代控制理論（1980——）

以魯棒控制、智能控制為代表，研究研究針對(duì)當(dāng)數(shù)學(xué)模型存在不確定時(shí)，所設(shè)計(jì)的控制器仍能使系統(tǒng)保持理想的性能要求，在一定程度上彌補(bǔ)了現(xiàn)代控制理論對(duì)數(shù)學(xué)模型依賴過高的缺陷。

現(xiàn)代（近代）控制理論

（1960——1980）

以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究多輸入－多輸出控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問題。系統(tǒng)具有高精度和高效能的特點(diǎn)。