工学第一章绪论自动控制理论.ppt

自动控制理论1第一章 概论1-1 控制理论在 工程中的应用发展2 控制理论是在产业革命的背景控制理论是在产业革命的背景下，在生产和军事需求的刺激下，下，在生产和军事需求的刺激下，自动控制、电子技术、计算机科学自动控制、电子技术、计算机科学等多种学科相互交叉发展的产物。等多种学科相互交叉发展的产物。3 从二十世纪以来，特别是第二次世界从二十世纪以来，特别是第二次世界大战以后，自动控制和自动化科学得到了大战以后，自动控制和自动化科学得到了迅速的发展。迅速的发展。工业生产的自动化，改善了劳动条件，工业生产的自动化，改善了劳动条件，增加了产量，提高了质量。在军事装备上，增加了产量，提高了质量。在军事装备上，自动控制技术大大地提高了武器的威力和自动控制技术大大地提高了武器的威力和精度。近年来，由于计算机的广泛应用和精度。近年来，由于计算机的广泛应用和控制理论的发展，使得自动控制技术所能控制理论的发展，使得自动控制技术所能完成的任务更加复杂、应用的领域也越来完成的任务更加复杂、应用的领域也越来越广泛。越广泛。4 全球瞩目的中国载人太空船神舟全球瞩目的中国载人太空船神舟5号于号于2003年年10月月15日上午顺利发射成功。日上午顺利发射成功。从这一天起，中国成为继俄罗斯和美国从这一天起，中国成为继俄罗斯和美国之后，第三个独立成功将人类送上太空之后，第三个独立成功将人类送上太空的国家。的国家。神舟神舟6号于号于2005年年10月月12日上午日上午9:00在酒泉卫星发射中心发射升空在酒泉卫星发射中心发射升空;5v北京时间北京时间2008年年 9月月25日日 21点点10分分04秒，秒，我国第三艘载人飞船神舟我国第三艘载人飞船神舟7号成功发射，三名号成功发射，三名航天员翟志刚、刘伯明、景海鹏顺利升空。航天员翟志刚、刘伯明、景海鹏顺利升空。v27日，翟志刚身着我国研制的日，翟志刚身着我国研制的“飞天飞天”舱外舱外航天服，在身着俄罗斯航天服，在身着俄罗斯“海鹰海鹰”舱外航天服舱外航天服的刘伯明的辅助下，进行了的刘伯明的辅助下，进行了19分分35秒的出舱秒的出舱活动。中国随之成为世界上第三个掌握空间活动。中国随之成为世界上第三个掌握空间出舱活动技术的国家。出舱活动技术的国家。v2008年年9月月28日傍晚时分，神舟七号飞船在日傍晚时分，神舟七号飞船在顺利完成空间出舱活动和一系列空间科学试顺利完成空间出舱活动和一系列空间科学试验任务后，成功降落在内蒙古中部阿木古朗验任务后，成功降落在内蒙古中部阿木古朗草原上。草原上。6 载人宇宙飞船为确保载人安全载人宇宙飞船为确保载人安全以及为保持航天员高效率工作，需以及为保持航天员高效率工作，需要很复杂的特设系统，例如，用于要很复杂的特设系统，例如，用于空气更新、废水处理和再生、通风、空气更新、废水处理和再生、通风、温度和湿度控制等的环境控制和生温度和湿度控制等的环境控制和生命保障系统；报话通信系统、仪表命保障系统；报话通信系统、仪表和照明系统、航天服、载人机动装和照明系统、航天服、载人机动装置和逃逸救生系统等。置和逃逸救生系统等。7 载人宇宙飞船除了要使飞船载人宇宙飞船除了要使飞船在返回过程中的制动过载限制在在返回过程中的制动过载限制在人的耐受范围内，还应使其落点人的耐受范围内，还应使其落点精度比返回式卫星更高，从而及精度比返回式卫星更高，从而及时发现和营救航天员。目前，掌时发现和营救航天员。目前，掌握航天器返回技术的国家只有美握航天器返回技术的国家只有美国、俄罗斯和中国。国、俄罗斯和中国。8 在工业中，机电工业是我国最重在工业中，机电工业是我国最重要的支柱产业之一，而传统的机电产要的支柱产业之一，而传统的机电产品正在向机电一体化（品正在向机电一体化（mechatrnicsmechatrnics）方向发展。机电一体化产品或系统的方向发展。机电一体化产品或系统的显著特点是控制自动化。机电控制型显著特点是控制自动化。机电控制型产品技术含量高，附加值大，在国内产品技术含量高，附加值大，在国内外市场上具有很强的竞争优势，形成外市场上具有很强的竞争优势，形成机电一体化产品发展的主流。机电一体化产品发展的主流。9 当前国内外机电结合型产品，诸当前国内外机电结合型产品，诸如典型的工业机器人、数控机床、自动如典型的工业机器人、数控机床、自动导引车等都广泛地应用了控制理论。导引车等都广泛地应用了控制理论。自动控制技术已经成为生产（电力、自动控制技术已经成为生产（电力、机械、冶金、化工机械、冶金、化工）、军事、科研、）、军事、科研、企业管理等几乎一切领域中必不可少的企业管理等几乎一切领域中必不可少的手段。因此，各个领域的科学工作者和手段。因此，各个领域的科学工作者和工程技术人员都必须具备一定的自动控工程技术人员都必须具备一定的自动控制工程知识。制工程知识。10 根据自动控制理论的内容和发展根据自动控制理论的内容和发展的不同阶段，控制理论可分为的不同阶段，控制理论可分为“经典控经典控制理论制理论”和和“现代控制理论现代控制理论”两大部分。两大部分。“经典控制理论经典控制理论”的内容是以传递的内容是以传递函数为基础，以频率法和根轨迹法作为函数为基础，以频率法和根轨迹法作为分析和综合系统的基本方法，主要研究分析和综合系统的基本方法，主要研究单输入、单输出这类控制系统的分析和单输入、单输出这类控制系统的分析和设计问题。设计问题。11 “现代控制理论现代控制理论”是在是在 “经典控制经典控制理论理论”的基础上，于的基础上，于20世纪世纪60年代以后年代以后发展起来的。它的主要内容是以状态空发展起来的。它的主要内容是以状态空间法为基础，研究多输入、多输出、时间法为基础，研究多输入、多输出、时变参数、分布参数、随机参数、非线性变参数、分布参数、随机参数、非线性等控制系统的分析和设计问题。等控制系统的分析和设计问题。最优控制、最优滤波、系统辨识、最优控制、最优滤波、系统辨识、自适应控制等理论都是这一领域重要的自适应控制等理论都是这一领域重要的分支，近年来现代控制理论在大系统理分支，近年来现代控制理论在大系统理论和人工智能控制等诸多领域有重大发论和人工智能控制等诸多领域有重大发展。展。12 半个多世纪以来，控制理论从主要依靠半个多世纪以来，控制理论从主要依靠手工计算的经典控制理论发展到依赖计算机手工计算的经典控制理论发展到依赖计算机的现代控制理论，发展了最优控制、自适应的现代控制理论，发展了最优控制、自适应控制、智能控制。智能控制中，学习控制技控制、智能控制。智能控制中，学习控制技术从简单的参数学习向较为复杂的结构学习、术从简单的参数学习向较为复杂的结构学习、环境学习和复杂对象学习的方向发展；并发环境学习和复杂对象学习的方向发展；并发展了神经元网络、模糊逻辑、进化算法、专展了神经元网络、模糊逻辑、进化算法、专家系统、鲁棒控制与家系统、鲁棒控制与 控制等技术。同时控制等技术。同时还发展了还发展了MATLAB等控制系统计算机辅助设等控制系统计算机辅助设计工具，使控制理论在工程上的应用更加方计工具，使控制理论在工程上的应用更加方便。便。131-2 自动控制系统的基本概念14自动控制：自动控制：在没有人直接参与的条件下，在没有人直接参与的条件下，利用控制器使被控对象（如机器、利用控制器使被控对象（如机器、设备或生产过程）的某些物理量设备或生产过程）的某些物理量（或工作状态）能自动地按照预定（或工作状态）能自动地按照预定的规律变化（或运行）。的规律变化（或运行）。15如：人造卫星按指定的轨道运行，如：人造卫星按指定的轨道运行，并始终保持正确的姿态，使它的并始终保持正确的姿态，使它的太阳能电池一直朝向太阳，无线太阳能电池一直朝向太阳，无线电天线一直指向地球电天线一直指向地球；数控加工中心、焊接机器人、数控加工中心、焊接机器人、温度控制系统等温度控制系统等16如温度、压力、力、如温度、压力、力、流量、电压、转数、流量、电压、转数、位移、角度等。位移、角度等。一个共同点：一个共同点：一个或一些被控物理量一个或一些被控物理量按给定量的变化而变化按给定量的变化而变化。17 一般地说，如何使被控量一般地说，如何使被控量按给定量的变化规律而变化，按给定量的变化规律而变化，是控制系统所要解决的基本任是控制系统所要解决的基本任务。务。18一、液位控制系统一、液位控制系统uu 人工控制人工控制测量实际液面的高度测量实际液面的高度1 1 -用眼用眼图图1-11-1水池液面控制系统水池液面控制系统水池液面控制如图水池液面控制如图1-11-1所示。所示。自动控制理论自动控制理论希望液面高度希望液面高度进水阀进水阀放水阀放水阀实际液面高度实际液面高度1 1与希望液面高度与希望液面高度h h0 0相比较相比较 -用脑用脑按比较的结果，即液面高度偏差的正负去决定控制动作按比较的结果，即液面高度偏差的正负去决定控制动作 -用手用手被控对象被控对象19 人工控制中有三种职能作用：人工控制中有三种职能作用：测量、比较和执行测量、比较和执行图图1-2 1-2 液面人工控制系统的方框图液面人工控制系统的方框图液面人工控制系统的方框图如图液面人工控制系统的方框图如图1-21-2所示。所示。自动控制理论自动控制理论图图1-11-1水池液面控制系统水池液面控制系统希望液面高度希望液面高度进水阀进水阀放水阀放水阀20uu 自动控制自动控制 在自动控制系统中也必须有测量、比较和执行这三种在自动控制系统中也必须有测量、比较和执行这三种职能，如图职能，如图1-31-3所示。所示。液位控制系统由以下五部分组成。液位控制系统由以下五部分组成。21 测量元件测量元件-浮子浮子图图1-3 1-3 液面自动控制系统液面自动控制系统 被控对象被控对象-水池水池自动控制理论自动控制理论比较机构比较机构-求浮子的希望位置与实际位置之差求浮子的希望位置与实际位置之差放大机构放大机构-当误差信号不足以使执行元件动作时，一般都当误差信号不足以使执行元件动作时，一般都需要加放大元件，以提高系统的控制精度需要加放大元件，以提高系统的控制精度执行元件执行元件-驱动被控对象，以改变被控制的量驱动被控对象，以改变被控制的量22 为了控制系统的表示简单明了，控制工程中一般用方框为了控制系统的表示简单明了，控制工程中一般用方框图表示系统的各个组件，组件的基本组成单元如图图表示系统的各个组件，组件的基本组成单元如图1-41-4所示。所示。图图1-4 1-4 控制系统框图的基本组成单元控制系统框图的基本组成单元自动控制理论自动控制理论引出点引出点引出点引出点比较点比较点比较点比较点部件的框部件的框部件的框部件的框图图图图23图图1-3 1-3 液面自动控制系统液面自动控制系统图图1-5 1-5 液面自动控制系统的方框图液面自动控制系统的方框图故液位自动控制系统也可用图故液位自动控制系统也可用图1-51-5来表示。来表示。显然用框图表示比原理图更简单，而且信号在系统中的显然用框图表示比原理图更简单，而且信号在系统中的传递也更为清晰。因此在以后的讨论中，控制系统一般均以传递也更为清晰。因此在以后的讨论中，控制系统一般均以框图形式表示。框图形式表示。24 直流随动如图直流随动如图1-61-6所示。所示。二、随动控制系统二、随动控制系统图图1-6 1-6 直流随动系统的原理图直流随动系统的原理图自动控制理论自动控制理论 直流随动系统是用一对电位器直流随动系统是用一对电位器作为位置的检测元件，它们分别把作为位置的检测元件，它们分别把系统的输入与输出的位置信号转换系统的输入与输出的位置信号转换成与之成比例的电信号，并进行比成与之成比例的电信号，并进行比较。较。25图图1-6 1-6 直流随动系统的原理图直流随动系统的原理图图图1-7 1-7 直流随动系统的方框图直流随动系统的方框图26图图1-7 1-7 直流随动系统的方框图直流随动系统的方框图图图1-5 1-5 液面自动控制系统的方框图液面自动控制系统的方框图自动控制框图的一般形式自动控制框图的一般形式d(t)d(t)串联校正串联校正反馈校正反馈校正27自动控制框图的一般形式自动控制框图的一般形式d(t)d(t)串联校正串联校正反馈校正反馈校正d(t)d(t)281-3 开环控制与闭环控制开环控制与闭环控制v开环控制开环控制 如果系统的输出量没有与参考输入相比较如果系统的输出量没有与参考输入相比较,即系统的即系统的输出与输入间不存在着反馈的通道输出与输入间不存在着反馈的通道,这种控制方式叫开环这种控制方式叫开环控制控制优点优点结构简单，所用元器件少结构简单，所用元器件少,成本低成本低缺点缺点系统没有抗扰动功能，因而大大限制了系统的应用范围系统没有抗扰动功能，因而大大限制了系统的应用范围29开环直流调速系统开环直流调速系统开环直流调速系统开环直流调速系统 晶闸管晶闸管 整流装置整流装置 电动机电动机 触发器触发器U Ug gU Ud d转速转速n nT TL L扰动扰动 当电动机的负载、交流电网的电压以及电动机的励磁稍当电动机的负载、交流电网的电压以及电动机的励磁稍当电动机的负载、交流电网的电压以及电动机的励磁稍当电动机的负载、交流电网的电压以及电动机的励磁稍有变化时，电动机的转速就会随之而变化，不能再维持有变化时，电动机的转速就会随之而变化，不能再维持有变化时，电动机的转速就会随之而变化，不能再维持有变化时，电动机的转速就会随之而变化，不能再维持UgUg所所所所期望的转速。期望的转速。期望的转速。期望的转速。30数控机床开环定位控制系统数控机床开环定位控制系统数控机床开环定位控制系统数控机床开环定位控制系统 如果系统的给定输入与被控量之间的关系固定，且其内如果系统的给定输入与被控量之间的关系固定，且其内如果系统的给定输入与被控量之间的关系固定，且其内如果系统的给定输入与被控量之间的关系固定，且其内部参数或外来扰动的变化都较小，或这些扰动因素可以事先部参数或外来扰动的变化都较小，或这些扰动因素可以事先部参数或外来扰动的变化都较小，或这些扰动因素可以事先部参数或外来扰动的变化都较小，或这些扰动因素可以事先确定并能给予补偿，则采用开环控制也能取得较为满意的控确定并能给予补偿，则采用开环控制也能取得较为满意的控确定并能给予补偿，则采用开环控制也能取得较为满意的控确定并能给予补偿，则采用开环控制也能取得较为满意的控制效果。制效果。制效果。制效果。分配器分配器分配器分配器步进电机步进电机步进电机步进电机精精精精 密密密密传动机构传动机构传动机构传动机构工作台工作台工作台工作台控制脉冲控制脉冲控制脉冲控制脉冲工作台位移工作台位移工作台位移工作台位移31v闭环控制闭环控制 若把系统的被控制量反馈到它的输入端，并与参考输若把系统的被控制量反馈到它的输入端，并与参考输若把系统的被控制量反馈到它的输入端，并与参考输若把系统的被控制量反馈到它的输入端，并与参考输入相比较，这种控制方式叫闭环控制。相应的系统称为闭入相比较，这种控制方式叫闭环控制。相应的系统称为闭入相比较，这种控制方式叫闭环控制。相应的系统称为闭入相比较，这种控制方式叫闭环控制。相应的系统称为闭环控制系统环控制系统环控制系统环控制系统闭环控制的优点闭环控制的优点闭环控制的优点闭环控制的优点自动地消弱或清除来自系统内部或外部扰动对被控制量自动地消弱或清除来自系统内部或外部扰动对被控制量自动地消弱或清除来自系统内部或外部扰动对被控制量自动地消弱或清除来自系统内部或外部扰动对被控制量的影响的影响的影响的影响32闭环直流调速系统闭环直流调速系统闭环直流调速系统闭环直流调速系统33v三种常用的分类方法三种常用的分类方法自动控制理论自动控制理论1-4 自动控制系统的分类自动控制系统的分类u 线性控制系统和非线性控制系统线性控制系统和非线性控制系统线性控制系统和非线性控制系统线性控制系统和非线性控制系统若组成控制的元件都具有线性特性则称这种系统为线性控制系统若组成控制的元件都具有线性特性则称这种系统为线性控制系统若组成控制的元件都具有线性特性则称这种系统为线性控制系统若组成控制的元件都具有线性特性则称这种系统为线性控制系统若在控制系统中有一个以上的元件具有非线性则称这种系统为非线若在控制系统中有一个以上的元件具有非线性则称这种系统为非线若在控制系统中有一个以上的元件具有非线性则称这种系统为非线若在控制系统中有一个以上的元件具有非线性则称这种系统为非线性控制系统性控制系统性控制系统性控制系统特点：特点：特点：特点：不具有比例性，也不适用叠加原理不具有比例性，也不适用叠加原理不具有比例性，也不适用叠加原理不具有比例性，也不适用叠加原理系统的输出响应稳定性与其初始状态有关系统的输出响应稳定性与其初始状态有关系统的输出响应稳定性与其初始状态有关系统的输出响应稳定性与其初始状态有关特点：特点：特点：特点：系统用微分方程、传递函数或状态方系统用微分方程、传递函数或状态方系统用微分方程、传递函数或状态方系统用微分方程、传递函数或状态方程来描述程来描述程来描述程来描述具有比例性并适用叠加原理具有比例性并适用叠加原理具有比例性并适用叠加原理具有比例性并适用叠加原理按系统组成元件的性质分按系统组成元件的性质分按系统组成元件的性质分按系统组成元件的性质分34u 恒值控制系统和随动控制系统恒值控制系统和随动控制系统恒值控制系统和随动控制系统恒值控制系统和随动控制系统按系统给定信号的性质分按系统给定信号的性质分按系统给定信号的性质分按系统给定信号的性质分恒值控制系统的参考输入量为常量，要求它的被控制量在任何恒值控制系统的参考输入量为常量，要求它的被控制量在任何恒值控制系统的参考输入量为常量，要求它的被控制量在任何恒值控制系统的参考输入量为常量，要求它的被控制量在任何扰动的作用下能尽快地恢复（或接近）原有的稳态值。扰动的作用下能尽快地恢复（或接近）原有的稳态值。扰动的作用下能尽快地恢复（或接近）原有的稳态值。扰动的作用下能尽快地恢复（或接近）原有的稳态值。如液位控制系统、恒温系统等；如液位控制系统、恒温系统等；随动控制系统的输入是一个变化量，要求系统的被控制量能快随动控制系统的输入是一个变化量，要求系统的被控制量能快随动控制系统的输入是一个变化量，要求系统的被控制量能快随动控制系统的输入是一个变化量，要求系统的被控制量能快速准确地跟随参考输入信号的变化而变化。速准确地跟随参考输入信号的变化而变化。速准确地跟随参考输入信号的变化而变化。速准确地跟随参考输入信号的变化而变化。如转速调节系统，位置随动系统等。如转速调节系统，位置随动系统等。35自动控制理论自动控制理论u连续控制系统和离散控制系统连续控制系统和离散控制系统连续控制系统和离散控制系统连续控制系统和离散控制系统按系统内部传输信号的性质分按系统内部传输信号的性质分按系统内部传输信号的性质分按系统内部传输信号的性质分若在控制系统内部有一个或一个以上的信号是时间的离散信若在控制系统内部有一个或一个以上的信号是时间的离散信若在控制系统内部有一个或一个以上的信号是时间的离散信若在控制系统内部有一个或一个以上的信号是时间的离散信号，则称这类系统为离散控制系统。计算机控制系统是一种常见号，则称这类系统为离散控制系统。计算机控制系统是一种常见号，则称这类系统为离散控制系统。计算机控制系统是一种常见号，则称这类系统为离散控制系统。计算机控制系统是一种常见离散控制系统离散控制系统离散控制系统离散控制系统计算机控制系统的方框图计算机控制系统的方框图控制系统中各部传输信号都是时间的连续函数，则称这类系控制系统中各部传输信号都是时间的连续函数，则称这类系控制系统中各部传输信号都是时间的连续函数，则称这类系控制系统中各部传输信号都是时间的连续函数，则称这类系统为连续控制系统统为连续控制系统统为连续控制系统统为连续控制系统36自动控制理论自动控制理论1-5 对控制系统性能的要求和本课程的任务对控制系统性能的要求和本课程的任务v控制系统的性能一般从以下三方面来评价控制系统的性能一般从以下三方面来评价一、稳定性一、稳定性一、稳定性一、稳定性当系统受到某一扰动作用后，使被控制量偏离了原来的平衡状态，当系统受到某一扰动作用后，使被控制量偏离了原来的平衡状态，当系统受到某一扰动作用后，使被控制量偏离了原来的平衡状态，当系统受到某一扰动作用后，使被控制量偏离了原来的平衡状态，但当扰动一撤离，经过一定的时间，如果系统仍能回到原有的平衡状但当扰动一撤离，经过一定的时间，如果系统仍能回到原有的平衡状但当扰动一撤离，经过一定的时间，如果系统仍能回到原有的平衡状但当扰动一撤离，经过一定的时间，如果系统仍能回到原有的平衡状态，则称系统是稳定的。稳定是系统能正常运行的必要条件态，则称系统是稳定的。稳定是系统能正常运行的必要条件态，则称系统是稳定的。稳定是系统能正常运行的必要条件态，则称系统是稳定的。稳定是系统能正常运行的必要条件二、响应速度二、响应速度二、响应速度二、响应速度要求系统的输出响应具有一定的快速性，它是系统的一个重要性要求系统的输出响应具有一定的快速性，它是系统的一个重要性要求系统的输出响应具有一定的快速性，它是系统的一个重要性要求系统的输出响应具有一定的快速性，它是系统的一个重要性能指标能指标能指标能指标三、稳态精度三、稳态精度三、稳态精度三、稳态精度控制系统的稳态精度通常是用它的稳态误差来表示，稳态误差越控制系统的稳态精度通常是用它的稳态误差来表示，稳态误差越控制系统的稳态精度通常是用它的稳态误差来表示，稳态误差越控制系统的稳态精度通常是用它的稳态误差来表示，稳态误差越小，系统的控制精度就越高小，系统的控制精度就越高小，系统的控制精度就越高小，系统的控制精度就越高37本课程要研究两大课题本课程要研究两大课题本课程要研究两大课题本课程要研究两大课题对于一个具体的控制系统，如何从理论上对它的动态对于一个具体的控制系统，如何从理论上对它的动态对于一个具体的控制系统，如何从理论上对它的动态对于一个具体的控制系统，如何从理论上对它的动态性能和稳定精度进行定性的分析和定量的计算性能和稳定精度进行定性的分析和定量的计算性能和稳定精度进行定性的分析和定量的计算性能和稳定精度进行定性的分析和定量的计算根据对系统性能的要求，如何合理地设计校正装置，根据对系统性能的要求，如何合理地设计校正装置，根据对系统性能的要求，如何合理地设计校正装置，根据对系统性能的要求，如何合理地设计校正装置，使系统的性能能全面地满足技术上的要求使系统的性能能全面地满足技术上的要求使系统的性能能全面地满足技术上的要求使系统的性能能全面地满足技术上的要求u系统分析系统分析系统分析系统分析u系统设计和校正系统设计和校正系统设计和校正系统设计和校正38要明确：要明确：1、被控量、被控量 给定量给定量2、比较点、比较点3940414243