1%20控制系統(tǒng)導(dǎo)論ppt

1、1,自動(dòng)控制原理,辦 公 室：科技館701室/3202室電子郵箱：jingang107@sohu.com網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái) :2009jingang 密碼：123,煙臺(tái)大學(xué)光電信息學(xué)院 晉剛,2,胡壽松. 自動(dòng)控制原理簡(jiǎn)明教程. 科學(xué)出版社,教 材,3,參 考 書(shū),4,參 考 書(shū),程 鵬.自動(dòng)控制原理.高等教育出版社吳 麒.自動(dòng)控制原理.清華大學(xué)出版社戴忠達(dá).自動(dòng)控制理論基礎(chǔ).清華大學(xué)出版社文 鋒.自動(dòng)控制

2、理論.中國(guó)電力出版社劉 坤.MATLAB自動(dòng)控制原理習(xí)題精解.國(guó)防工業(yè)出版社。,5,幾 點(diǎn) 要 求,紀(jì)律：考勤；手機(jī)；課堂紀(jì)律；,歡迎任何形式的意見(jiàn)和建議。,作業(yè)：認(rèn)真、獨(dú)立完成；,考核：考試成績(jī)+平時(shí)成績(jī)；,6,第一章 控制系統(tǒng)導(dǎo)論,§1-1 自動(dòng)控制的基本原理§1-2 自動(dòng)控制系統(tǒng)示例§1-3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類§1-4 自控系統(tǒng)的基本要求§1-5 本課程主要

3、內(nèi)容,7,§1-1 自動(dòng)控制的基本原理,1.1.1 自動(dòng)控制技術(shù)及其應(yīng)用,1.自動(dòng)控制:就是在沒(méi)有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（控制裝置），使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程（控制對(duì)象）的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)（被控量）自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。,如：數(shù)控車床、無(wú)人駕駛飛機(jī)、空調(diào)、全自動(dòng)洗衣機(jī)等,8,(1)人工控制（水箱水位人工控制系統(tǒng)）,觀測(cè)實(shí)際水位，將實(shí)際水位與要求的水位值相比較，得出兩者偏差。根據(jù)偏差的大小和方向調(diào)節(jié)進(jìn)水閥

4、門的開(kāi)度，即當(dāng)實(shí)際水位高于要求值時(shí)，關(guān)小進(jìn)水閥門開(kāi)度，否則加大閥門開(kāi)度以改變進(jìn)水量，從而改變水箱水位，使之與要求值保持一致。,9,(2)自動(dòng)控制（水箱水位自動(dòng)控制系統(tǒng)）,浮子：測(cè)量作用連桿：比較作用放大器伺服電動(dòng)機(jī) 調(diào)節(jié)作用減速器閥門：執(zhí)行元件作用,,10,當(dāng)實(shí)際水位低于要求水位時(shí)，電位器輸出電壓值為正，且其大小反映了實(shí)際水位與水位要求值的差值，放大器輸出信號(hào)將有正的變化，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)減速器使閥門開(kāi)度增加，直到實(shí)際水位重

5、新與水位要求值相等時(shí)為止。 水位自動(dòng)控制的目的：使偏差消除或減小，使實(shí)際水位達(dá)到要求的水位值。,11,空調(diào)、冰箱自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度等數(shù)控車床按預(yù)定程序自動(dòng)切削工作人造衛(wèi)星準(zhǔn)確進(jìn)入預(yù)定軌道并回收無(wú)人駕駛飛機(jī)按照預(yù)定航線自動(dòng)升降飛行工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、通信、生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)管理和其它許多社會(huì)生活領(lǐng)域中,2.自動(dòng)控制系統(tǒng)在生產(chǎn)生活中應(yīng)用,12,1.1.2 自動(dòng)控制理論,1.自動(dòng)控制理論：研究自動(dòng)控制共同規(guī)律的技術(shù)學(xué)科。,2.自動(dòng)控制理

6、論的發(fā)展： 第一階段：經(jīng)典控制理論的產(chǎn)生、發(fā)展和成熟； 第二階段：現(xiàn)代控制理論的興起和發(fā)展；,13,（1）經(jīng)典控制理論,控制理論的發(fā)展初期，是以反饋理論為基礎(chǔ)的自動(dòng)調(diào)節(jié)原理，主要用于工業(yè)控制。第二次世界大戰(zhàn)期間，為了設(shè)計(jì)和制造飛機(jī)及船用自動(dòng)駕駛儀、火炮定位系統(tǒng)、雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)等基于反饋原理的軍用裝備，進(jìn)一步促進(jìn)和完善了自動(dòng)控制理論的發(fā)展。,14,1868年，馬克斯威爾（J.C.Maxwell）提出了低階系統(tǒng)的穩(wěn)定性代數(shù)判據(jù) 。

7、1895年，數(shù)學(xué)家勞斯（Routh）和赫爾威茨（Hurwitz）分別獨(dú)立地提出了高階系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)，即Routh和Hurwitz判據(jù)。二戰(zhàn)期間（1938-1945年）奈奎斯特（H.Nyquist）提出了頻率響應(yīng)理論；1948年，伊萬(wàn)斯（W.R.Evans）提出了根軌跡法。至此，控制理論發(fā)展的第一階段基本完成，形成了以頻率法和根軌跡法為主要方法的經(jīng)典控制理論。,15,經(jīng)典控制理論的基本特征：,主要用于線性定常系統(tǒng)的研究，即用于常系數(shù)

8、線性微分方程描述的系統(tǒng)的分析與綜合；只用于單輸入，單輸出的控制系統(tǒng)；只討論系統(tǒng)輸入與輸出之間的關(guān)系，而忽視系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)，是一種對(duì)系統(tǒng)的外部描述方法。,16,反饋控制是一種最基本最重要的控制方式。 引入反饋信號(hào)后，系統(tǒng)對(duì)來(lái)自內(nèi)部和外部干擾的響應(yīng)變得十分遲鈍，從而提高了系統(tǒng)的抗干擾能力和控制精度。與此同時(shí)，反饋?zhàn)饔糜謳?lái)了系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題，正是這個(gè)曾一度困擾人們的系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題激發(fā)了人們對(duì)反饋控制系統(tǒng)進(jìn)行深入研

9、究的熱情，推動(dòng)了自動(dòng)控制理論的發(fā)展與完善。因此從某種意義上講，古典控制理論是伴隨著反饋控制技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展而逐漸完善和成熟起來(lái)的。,17,（2）現(xiàn)代控制理論,經(jīng)典控制理論的局限性:由于經(jīng)典控制理論只適用于單輸入、單輸出的線性定常系統(tǒng)，只注重系統(tǒng)的外部描述而忽視系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)。 隨著航天事業(yè)和計(jì)算機(jī)的發(fā)展，20世紀(jì)60年代初，在經(jīng)典控制理論的基礎(chǔ)上，以線性代數(shù)理論和狀態(tài)空間分析法為基礎(chǔ)的現(xiàn)代控制理論迅速發(fā)展起

10、來(lái)。,18,現(xiàn)代控制理論在數(shù)學(xué)工具、理論基礎(chǔ)和研究方法上不僅能提供系統(tǒng)的外部信息（輸出量和輸入量），而且還能提供系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)變量的信息。對(duì)線性系統(tǒng)或非線性系統(tǒng)，定常系統(tǒng)或時(shí)變系統(tǒng)，單變量系統(tǒng)或多變量系統(tǒng)，都是一種有效的分析方法。,19,20,目前發(fā)展：跨越學(xué)科界限，向以控制論、信息論、仿生學(xué)為基礎(chǔ)的智能控制理論深入。智能控制理論被譽(yù)為最新一代的控制理論。智能控制代表性理論：模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、遺傳算法、混沌控制、小波理論、擬人化

11、智能控制、博奕論等。,21,1.1.3 自動(dòng)控制系統(tǒng),1.自動(dòng)控制系統(tǒng)：由被控對(duì)象和控制裝置（控制器）按照一定方式連接起來(lái)、能完成一定自動(dòng)控制任務(wù)的總體。 輸出量：自動(dòng)控制系統(tǒng)的被控制量 輸入量：影響系統(tǒng)輸出量的外界輸入,22,(1)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制系統(tǒng)(開(kāi)環(huán)),23,輸入量：給定電壓Ua；輸出量：電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n被控對(duì)象：機(jī)械負(fù)載（轉(zhuǎn)速）控制裝置：電壓比較器、電壓功率放大器K,24,(2)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制系統(tǒng)(閉環(huán)),25

12、,2.反饋控制原理,反饋：把取出的輸出量送回輸入端，并與輸入信號(hào)相比較產(chǎn)生偏差信號(hào)的過(guò)程，稱為反饋。若反饋的信號(hào)與輸入信號(hào)相減，使產(chǎn)生的偏差越來(lái)越小，則稱為負(fù)反饋；反之，則稱為正反饋。反饋控制的原理：在反饋控制系統(tǒng)中，控制裝置對(duì)被控對(duì)象施加的控制作用，是取自被控量的反饋信息，用來(lái)不斷修正被控量和輸入量之間的偏差，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制的任務(wù)。,26,1.1.4 反饋控制系統(tǒng)的基本組成,被控對(duì)象控制裝置(由具有一定職能的各種基本元

13、件組成 ) 1.測(cè)量元件：測(cè)量被控制的物理量(一般為電量)； 2.給定元件：給出與期望的被控量相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)輸入量； 3.比較元件：把測(cè)量元件檢測(cè)的被控量實(shí)際值與給定元件給出的參據(jù)量進(jìn)行比較，求出它們之間的偏差；,27,1.1.4 反饋控制系統(tǒng)的基本組成,4.放大元件：將比較元件給出的偏差進(jìn)行放大，用來(lái)推動(dòng)執(zhí)行元件去控制被控對(duì)象； 5.執(zhí)行元件：直接推動(dòng)被控對(duì)象，使其被控量發(fā)生變化。 6.校正元件(補(bǔ)償元件):它是結(jié)構(gòu)或參數(shù)便于

14、調(diào)整的元件，用串聯(lián)或反饋的方式連接在系統(tǒng)中，以改善系統(tǒng)性能。,28,1.1.5 基本控制方式,1.反饋控制方式（偏差控制）,1）若n↑→ Ud ↑（Ua不變） → Ub↓ →n ↓,2）若n↓→ Ud ↓（Ua不變） → Ub ↑→n ↑,輸入信號(hào)：Ua；反饋信號(hào)Ud偏差量△U＝Ua－Ud,29,優(yōu)點(diǎn)：提高系統(tǒng)的抗干擾性； 提高系統(tǒng)控制精度。,反饋控制方式優(yōu)缺點(diǎn),缺點(diǎn)：系統(tǒng)有延時(shí)存在，系統(tǒng)得不到及時(shí)校正； 閉環(huán)系統(tǒng)

15、可能產(chǎn)生振蕩，甚至不穩(wěn)定； 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)性能分析和設(shè)計(jì)較麻煩。,30,2.開(kāi)環(huán)控制方式,輸入信號(hào)：Ua控制量Ub＝K×Ua輸出信號(hào)：n,1） Ua ↑→ Ub ↑ → n ↑,2） Ua↓ → Ub ↓ →n ↓,定義：系統(tǒng)的輸出量與輸入量間不存在反饋的通 道，這種控制方式稱為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。,31,開(kāi)環(huán)控制方式優(yōu)缺點(diǎn),優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 調(diào)整方便 成本低,缺點(diǎn)：順向作用，

16、沒(méi)有修正偏差能力 抗干擾能力差,32,3.復(fù)合控制方式,(1)給定輸入的復(fù)合控制：,(2)擾動(dòng)作用的復(fù)合控制：,,33,§1-2 自動(dòng)控制系統(tǒng)示例,1.2.1 自動(dòng)平衡式記錄儀,,34,1.2.1 自動(dòng)平衡式記錄儀,開(kāi)始時(shí)：Ui＝0，Uc＝0，Ua＝0，K1位于右端，K2位于左端,若Ui ↑ → Uc ↑ → Ua ↑ → 電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)→ K2右移→記錄筆工作 （Uc ＝ Ui － Uf） ↓

17、 K1左移→ Uf ↑ → Uc ＝0 → Ua＝0 ↓ Uf 不變← K1?！妱?dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)↓記錄筆停 ← K2停,35,1.2.2飛機(jī)俯仰角控制系統(tǒng),給定電位器,,反饋電位器,,36,1.2.2飛機(jī)俯仰角控制系統(tǒng),37,1.2.3電阻爐微型計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng),,38,開(kāi)環(huán)系統(tǒng) 1.3.1 閉環(huán)系統(tǒng)(反饋控制) 復(fù)合控制

18、,§1-3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類,,39,1.恒值控制系統(tǒng)（調(diào)節(jié)系統(tǒng)）,系統(tǒng)特點(diǎn)：系統(tǒng)輸入量不變，但由于擾動(dòng)的存在，是被控量偏離要求值，控制系統(tǒng)根據(jù)偏差產(chǎn)生控制作用，并以一定的準(zhǔn)確度保持在要求值附近。主要任務(wù)：盡量排除擾動(dòng)的影響例：電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng),40,2. 隨動(dòng)系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）,火炮跟蹤系統(tǒng),41,系統(tǒng)特點(diǎn)：給定值是預(yù)先未知的、隨時(shí)間任意變換的函數(shù)；要求系統(tǒng)的被控量以盡可能小的誤差跟隨給定值。主要任務(wù)：使輸出跟隨輸入

19、的變化。例：火炮跟蹤系統(tǒng)。,42,連續(xù)系統(tǒng)：組成系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的輸入、 輸出信號(hào)均是連續(xù)時(shí)間 信號(hào)的系統(tǒng)。 離散系統(tǒng)： 控制系統(tǒng)中信號(hào)是離散 時(shí)間信號(hào)的系統(tǒng)。 采樣離散控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)既有連 續(xù)時(shí)間信號(hào)又有離散時(shí) 間信號(hào)的系統(tǒng)。（工業(yè) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)）,,1.3.3 連續(xù)系統(tǒng)與離散系統(tǒng),43,單輸入單輸出

20、系統(tǒng) SISO ——經(jīng)典控制理論范疇 多輸入多輸出系統(tǒng) MIMO——現(xiàn)代控制理論范疇,,1.3.4 SISO系統(tǒng)與MIMO系統(tǒng),44,在線性控制系統(tǒng)中, 組成控制系統(tǒng)的元件都具有線性特性。 這種系統(tǒng)的輸入/輸出關(guān)系一般可以用微分方程、差分方程或傳遞函數(shù)等來(lái)描述, 也可以用狀態(tài)空間表達(dá)式來(lái)表示。線性系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是具有齊次性和適用疊加原理。,1.3.5 線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng),

21、45,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(shū)主要討論線性定常系統(tǒng)。 在控制系統(tǒng)中，若至少有一個(gè)元件具有非線性特性，則稱該系統(tǒng)為非線性控制系統(tǒng)。非線性系統(tǒng)一般不具有齊次性，也不適用疊加原理，而且它的輸出響應(yīng)和穩(wěn)定性與輸入信號(hào)和初始狀態(tài)有很大關(guān)系。,46,確定系統(tǒng)：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)、輸入信號(hào)均是確定的，則輸出也 是確定的。 不確定系統(tǒng)：

22、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)或輸入信號(hào)是不確定。,,1.3.6 確定系統(tǒng)與不確定系統(tǒng),,47,1.4.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求,§1-4 自控系統(tǒng)的基本要求,1.穩(wěn)定性——穩(wěn) 穩(wěn)定性是保證控制系統(tǒng)能否應(yīng)用于實(shí)際的先決條件。 自動(dòng)控制理論應(yīng)給出系統(tǒng)穩(wěn)定性判斷的方法，闡述系統(tǒng)穩(wěn)定性與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及參數(shù)間的關(guān)系。,48,2.快速性 ——快 控制系統(tǒng)對(duì)其過(guò)渡過(guò)程的形式和快慢提出要求——?jiǎng)?/p>

23、態(tài)性能（穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)） 動(dòng)態(tài)過(guò)程的優(yōu)劣對(duì)隨動(dòng)控制系統(tǒng)和恒值控制系統(tǒng)都具有非常重要的意義。,3.準(zhǔn)確性 ——準(zhǔn) 準(zhǔn)確性表征系統(tǒng)實(shí)際穩(wěn)態(tài)值與期望值間的差值——穩(wěn)態(tài)誤差 穩(wěn)態(tài)誤差是表征系統(tǒng)控制精度的性能指標(biāo)。,49,1.4.2 典型外作用,1.單位階躍函數(shù),50,2.斜坡函數(shù),斜坡函數(shù)與階躍函數(shù)互為微分和積分的關(guān)系,51,3.拋物線函數(shù),拋物線函數(shù)與斜坡函數(shù)互為微分和積分的關(guān)系,52,

24、脈沖函數(shù)與階躍函數(shù)互為微分和積分的關(guān)系,4.脈沖函數(shù),,53,5.正弦函數(shù),角頻率：ω(rad/s)周期：T＝1/ω (s),振幅：A初始相位：j,,54,1.5.1主要內(nèi)容穩(wěn)定性自控系統(tǒng)的分析快速性準(zhǔn)確性控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與綜合 當(dāng)控制系統(tǒng)的主要元器件和結(jié)構(gòu)形式確定以后，為滿足動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)和穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)的要求，需要改變系統(tǒng)的某些參數(shù)或附加某種裝置，稱為控制系統(tǒng)的校正；改變系統(tǒng)參數(shù)或附

25、加校正裝置的過(guò)程稱為系統(tǒng)的綜合。,§1-5 本課程主要內(nèi)容,,55,1.5.2 主要分析方法,自動(dòng)控制理論在闡述自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)相關(guān)基本概念的基礎(chǔ)上，從控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型入手，分別介紹時(shí)域分析法、根軌跡分析法、和頻率特性分析法。 上述三種分析方法雖然不同，但都圍繞著系統(tǒng)穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性的分析這條主線來(lái)進(jìn)行的，各種分析方法之間具有內(nèi)在的聯(lián)系。 系統(tǒng)校正與綜合的討論，這是比系統(tǒng)分析更深層次