第1章-自動控制理論緒論

1、自動控制理論,教材：《自動控制理論》王孝武，方敏，葛鎖良編. 機械工業(yè)出版社 2010.6,參考書： 《自動控制理論》（第五版），胡壽松主編.科學出版社 《現(xiàn)代控制工程》 緒方勝彥著,科學出版社 《自動控制原理》 孫虎章主編，中央廣播電視大學參考葛鎖良老師課件,主講教師: 平兆武,合肥工業(yè)大學電氣與自動化工程學院自動化系,第一章 緒 論,1.1 自動控制與自動控制系統(tǒng)

2、,一：自動控制,所謂自動控制，是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設備或裝置（稱控制裝置或控制器），使機器、設備或生產(chǎn)過程（統(tǒng)稱控制對象）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量）自動地按照預定的規(guī)律運行。,思考：實際中的自動控制？,蒸汽機速度控制,英國J．Watt發(fā)明的離心式調速器控制蒸汽機速度，被普遍認為是最早應用于工業(yè)過程的自動控制系統(tǒng)。（１７８８年）,二：自動控制系統(tǒng),由控制器（控制裝置）和被控對象組成，具有自動控制功能的系統(tǒng)，稱為

3、自動控制系統(tǒng)。,被控制的機器設備或生產(chǎn)過程稱作被控對象，將表征其工況的關鍵參數(shù)稱作被控量（輸出量），而將對這些工況參數(shù)所要求達到的值稱作給定值（或希望值、輸入量）。自動控制的任務可抽象為：使被控對象的被控量按給定值變化。,對被控對象實施控制的裝置稱為控制器。其基本功能有:測量、決策和執(zhí)行,1.2 自動控制系統(tǒng)的組成,自動控制系統(tǒng)是由各種結構不同的元部件組成的。將組成系統(tǒng)的元部件按職能分類主要由以下幾種。,1：測量元件 其職能是對物理

4、量進行檢測(被控量、內部變量、干擾信號),2：給定元件 其職能是給出與期望的被控量相對應的系統(tǒng)輸入量,3：比較元件 其職能是對兩個物理量進行比較、加減運算，以形成偏差信號,4：放大元件 其職能是將比較元件給出的偏差信號進行放大，用來推動執(zhí)行元件去控制被控對象。,5：執(zhí)行元件 其職能是直接推動被控對象，使被控量發(fā)生變化,6:校正元件 也叫補償元件，它是結構或參數(shù)便于調整的元件，用串聯(lián)或反饋方式連接在系統(tǒng)中，以改善系統(tǒng)的性能。,自

5、動控制系統(tǒng)原理框圖,術語：,前向通道（從輸入端到輸出端）、反饋通道（從輸出端到比較元件）,輸入信號、輸出信號、擾動信號,,擾動,負反饋、正反饋,反饋信號、誤差信號、控制信號,,控制裝置,1.3 自動控制方式,根據(jù)控制信號的來源不同，可以分為以下三種控制結構：,輸出,按給定值控制：,按干擾補償：,輸入,,自動控制方式：,1.開環(huán)控制方式：按給定值控制、按干擾補償,2.閉環(huán)控制方式（反饋控制）：按偏差調節(jié),基本控制方式,3.復合控制方式：在

6、閉環(huán)控制基礎上附加輸入補償或干擾補償,按偏差調節(jié)：,干擾,按輸入補償?shù)膹秃峡刂?按干擾補償?shù)膹秃峡刂?明確控制系統(tǒng)的任務；明確系統(tǒng)工作原理；被控對象是什么？被控量（系統(tǒng)輸出量）？有哪些干擾？參考輸入？有誰提供？畫出控制系統(tǒng)的原理方框圖，分析系統(tǒng)采用何種控制方式。,分析實際控制系統(tǒng)的步驟：,分析舉例,爐溫控制系統(tǒng),控制任務：保持爐溫T為T0不變,被控對象：爐子被控量：爐溫T,控制方式：按給定值控制,,定時開關,,電阻絲,爐子,

7、,,給定爐溫,實際爐溫,工作原理：．．．．,水位自動控制系統(tǒng),控制任務：保持水位Ｈ為Ｈ０不變,被控對象：水箱被控量：水位Ｈ,工作原理：．．．．,,水門１,,杠桿,水箱,,,Ｈ０,Ｈ,Ｑ１,水門２,,用水量,Ｑ２,,,控制方式：按干擾補償,熱處理爐溫度控制系統(tǒng),控制任務：保持爐溫T為T0不變,被控對象：烘爐被控量：爐溫T,工作原理：．．．．,控制方式：按偏差調節(jié),無靜差系統(tǒng),位置隨動控制系統(tǒng),,橋式電位計,放大器,電動機,減速器,

8、工作機械,手柄,控制任務：要求工作機械的角位置θc跟隨給定角位置θr,被控對象：工作機械被控量：角位置,工作原理：．．．．,控制方式：按偏差調節(jié),,減速器,,橋　式電位器,,,電動機,,,,-,,放大器,,,工作機械,,無靜差系統(tǒng),谷物濕度控制系統(tǒng),控制任務：保持輸出谷物濕度為給定值,被控對象：谷物被控量：谷物濕度,工作原理：．．．．,控制方式：復合控制,,濕度測量,,調節(jié)器,,,谷物,,,,-,,閥門,,給定濕度,谷物濕度,,,

9、濕度測量,,輸入谷物濕度,,,1.４ 自動控制系統(tǒng)的分類,另外： 按控制方式可分為開環(huán)控制、閉環(huán)控制、復合控制等； 按元件類型可分為機械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)等； 按系統(tǒng)功用可分為溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、位置控制系統(tǒng)等； 按系統(tǒng)性能可分為集總參數(shù)系統(tǒng)和分布參數(shù)系統(tǒng)、確定系統(tǒng)和不確定系統(tǒng)等；,按照描述系統(tǒng)的數(shù)學模型： 線性系統(tǒng) ： 時變系統(tǒng)、定常系統(tǒng) 非線性系統(tǒng)按照系統(tǒng)傳

10、遞的信號的性質： 連續(xù)控制系統(tǒng)（用微分方程描述） 離散控制系統(tǒng)（用差分方程描述）按照系統(tǒng)輸入信號的變化規(guī)律： 隨動控制系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)） 恒值控制系統(tǒng)（鎮(zhèn)定系統(tǒng)、調節(jié)系統(tǒng)） 程序控制系統(tǒng),線性連續(xù)系統(tǒng),這類系統(tǒng)可用線性微分方程描述，其一般形式為：,系數(shù)a0、a1、…，b0、b1、…為常數(shù)時，系統(tǒng)稱為線性定常系統(tǒng)，系數(shù)a0、a1、

11、…，b0、b1、…隨時間而變時，系統(tǒng)稱為線性時變系統(tǒng)。,線性離散系統(tǒng),離散系統(tǒng)是指系統(tǒng)的某處或多處的信號為脈沖序列或數(shù)碼形式，因而信號在時間上是離散的。這類系統(tǒng)可用差分方程描述，其一般形式為：,非線性系統(tǒng),系統(tǒng)中只要有一個元部件的輸入-輸出特性是非線性的，這類系統(tǒng)就稱為非線性系統(tǒng)，這時要用非線性微分（或差分）方程來描述其特性。　例如：,1.5 對控制系統(tǒng)的性能要求,控制系統(tǒng)的時間響應過程,系統(tǒng)受到外部作用（給定值或干擾）后，被控量（輸出

12、）隨時間變化的全過程稱為系統(tǒng)的時間響應過程c(t) 。,動態(tài)過程（瞬態(tài)過程）穩(wěn)態(tài)過程,考慮 時：,不同控制系統(tǒng)的時間響應過程比較,穩(wěn)定性 穩(wěn)定性是保證系統(tǒng)正常工作的先決條件。一個穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，其被控量偏離期望值的初始偏差應隨時間的增長逐漸減小或趨于零。也就是說，控制器的控制作用應使誤差逐漸減小。若控制不當，使誤差逐漸變大，就形成了不穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，不穩(wěn)定的控制系統(tǒng)是不能正常工作的。,快速性 為了很

13、好完成控制任務，控制系統(tǒng)僅僅滿足穩(wěn)定性要求是不夠的，還必須對其過渡過程的形式和快慢提出要求。,準確性 當過渡過程結束后，被控量達到的穩(wěn)態(tài)值（即平衡狀態(tài)）應與期望值一致。被控量的穩(wěn)態(tài)值與期望值之間的誤差稱為穩(wěn)態(tài)誤差。穩(wěn)態(tài)誤差是衡量控制系統(tǒng)控制精度的重要標志。,對控制系統(tǒng)要求：穩(wěn)、快、準,1.6 自動控制理論發(fā)展概況,自動控制理論 自動控制理論是研究自動控制共同規(guī)律的技術科學。它的發(fā)展初期，是以反饋理論為基礎的自動調節(jié)原理，并主要用于工

14、業(yè)控制。第二次世界大戰(zhàn)期間，為了設計和制造飛機及船用自動駕駛儀、火炮定位系統(tǒng)、雷達跟蹤系統(tǒng)以及其他基于反饋原理的軍用裝備，進一步促進并完善了自動控制理論的發(fā)展。到戰(zhàn)后，已形成完整的自動控制理論體系，這就是以傳遞函數(shù)為基礎的經(jīng)典控制理論，它主要研究單輸入-單輸出、線性定常系統(tǒng)的分析和設計。,60年代初期，隨著現(xiàn)代應用數(shù)學新成果的推出和電子計算機技術的應用，為適應宇航技術的發(fā)展，自動控制理論跨入了一個新階段——現(xiàn)代控制理論。它主要研究具有高

15、性能、高精度的多變量變參數(shù)系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題，采用的方法是以狀態(tài)為基礎的時域法。目前，自動控制理論還在繼續(xù)發(fā)展，并且已跨越學科界限，正向以控制論、信息論、仿生學為基礎的智能控制理論發(fā)展。,經(jīng)典控制理論 核心是反饋控制的思想 20世紀40 - 50年代發(fā)展形成1945年美國人Bode “網(wǎng)絡分析與放大器的設計”（專著），奠定了控制理論的基礎。 50年代趨于成熟 對單輸入單輸出系統(tǒng)進

16、行分析，采用頻率法、根軌跡法、相平面法、描述函數(shù)法；討論系統(tǒng)穩(wěn)定性的代數(shù)和幾何判據(jù)以及校正網(wǎng)絡等現(xiàn)代控制理論 20世紀60年代以后空間技術的發(fā)展提出了許多復雜控制問題，用于導彈、人造衛(wèi)星和宇宙飛船 Kalman “控制系統(tǒng)的一般理論”（論文）奠定了現(xiàn)代控制理論的基礎 解決多輸入、多輸出、時變參數(shù)、高精度復雜系統(tǒng)的控制問題大系統(tǒng)、復雜系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng) 20世紀80年代以后各學科相互滲

17、透，要分析的系統(tǒng)越來越大，越來越復雜。例人工智能、模擬人的人腦功能、機器人等。,自動控制的應用領域,交通工程機器人建筑與樓宇自動化辦公自動化家庭自動化商業(yè)自動化管理自動化社會與經(jīng)濟系統(tǒng)控制,軍事與國防航空航天工業(yè)生產(chǎn)過程 （石油、化工、冶金、熱動 ….）電力系統(tǒng)自動化先進制造技術車輛工程,1.7 本課程的內容,線性定常連續(xù)系統(tǒng),系統(tǒng)的數(shù)學模型

18、 系統(tǒng)的分析方法： 系統(tǒng)的校正方法,（第2章）（第3章）（第4章）（第5章）（第6章）,時域法 根軌跡法 頻域法,復習:拉普拉斯變換及線性微分方程的求解,1 拉氏變換的定義,存在 ，則稱其為 的拉普拉斯變換，記為,設函數(shù)

19、 當 時有定義，且積分,2 幾種典型函數(shù)的拉氏變換,1）單位階躍函數(shù) 1(t),2）單位斜坡函數(shù),3）單位加速度函數(shù),1(t)可用于表示信號作用的時間域,4）單位脈沖函數(shù),且,,,1,f(t),t,,,,f(t),t,,,,0,0,規(guī)定積分下限取0-,3 拉氏變換的幾個基本法則,1).線性性質,2).微分性質,若,則,3).積分性質,4).終值定理,設 ，且

20、 在 平面的右半平面及除原點外的虛軸上解析，即 極點均位于 平面的左半平面（包括坐標原點）,設 ，則有,5).位移定理,按定義求拉氏反變換很困難，一般常用部分分式法計算：,4 拉氏反變換,例,例,s域的代數(shù)方程,系統(tǒng)的微分方程,系統(tǒng)輸出的象函數(shù),微分方程的解,例,5、用拉氏變換法求解微分方程,應用拉氏變換的求解微分方程的優(yōu)點：（1）將微積分運算轉換為代數(shù)運算（2）運算過