山東大學自控原理課件

1、1,《自動控制原理》,主講教師：楊西俠,2,教育部副部長 吳啟迪（2007年全國自動化教育年會） 自動化領域涉及的面非常廣泛，除了實際工程應用之外，還包括基礎研究、方法論直到哲學研究的內容，這對學生的培養(yǎng)過程就非常的全面；對激發(fā)學生的創(chuàng)新能力而言，這個領域可以發(fā)揮的作用非常巨大。自動控制是一個內涵非常豐富和美麗的架構。比如說反饋的概念，這個概念無處不在。另一個就是系統(tǒng)的概念，我想沒有什么人能比我們學自動化的人更懂得,3,什

2、么是系統(tǒng)工程了。所以，當我們把這些東西與很多背景結合起來的時候，就深刻感覺到控制真正是一種方法論。近年來出現的復雜性、非線性、混沌等問題，都是在這個領域迸發(fā)出來的。我相信，用自動控制中這些豐富而美麗的概念和方法來激發(fā)我們的學生，一定可以產生很多創(chuàng)新。我們自豪地說，自動控制的理論是一種會激發(fā)創(chuàng)新的理論。,4,第一章　緒論,主要內容：　　1.自動控制、自動控制系統(tǒng)的概念 2.自動控制的兩種基本方式 3.自動控制系統(tǒng)的類型

3、 4.自動控制系統(tǒng)的要求和分析設計 5.自動控制理論的發(fā)展概況,5,第一章　緒論,§1-1 引言 §1-2 自動控制的基本知識 §1-3 自動控制系統(tǒng)的基本控制方式 §1-4 自動控制系統(tǒng)的分類及基本組成 §1-5 對控制系統(tǒng)的要求和分析設計 §1-6 自動控制理論的發(fā)展概況,6,1-1 引言,1.控制理論的基礎觀念 控制理論

4、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)，即根據期望的輸出來改變輸入，使系統(tǒng)的輸出能有某種預期的效果。3.控制論與數學及自動化技術的關系,7,1.2.1 自動控制問題的提出 一個簡單的水箱液面，因生產和生活需要，希望液面高度h 維持恒定。當水的流入量與流出量平衡時，水箱的液面高度維持在預定的高度上。,1.2 自

5、動控制的基本知識,當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。,,8,這種出水量與進水量的不平衡現象必然要經常發(fā)生的。這使得這種“水位恒定的要求”變得難以實現了。 所謂控制就是強制性地改變某些物理量（如上例中的進水量），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準上。 人工控制的例子。,,,這種人為地強制性地改變進水量，而使液面高度維持恒定的過程，即是人工控制過程。,9,1

6、.2.2 自動控制的定義及基本職能元件 1.自動控制的定義 自動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)）自動地按預先給定的規(guī)律去運行。,浮子,當出水與進水的平衡被破壞時，水箱水位下降(或上升)，出現偏差。這偏差由浮子檢測出來，自動控制器在偏差的作用下，控制閥門開大(或關小)，對偏差進行修正，從而保持液面高度不變。,10,2. 自動控制的基本職能元件 自動控制的實現,實

7、際上是由自動控制裝置來代替人的基本功能，從而實現自動控制的。畫出以上人工控制與自動控制的功能方框圖進行對照。,眼睛 ? 浮子 大腦 ? 自動控制器 肌肉、手 ? 執(zhí)行元件,11,,比較兩圖可以看出，自動控制實現人工控制的功能，存在必不可少的三種代替人的職能的基本元件：,,,12,測量元件與變送器（代替眼睛）； 自動控制器（代替大腦）；

8、 執(zhí)行元件（代替肌肉、手）。 這些基本元件與被控對象相連接，一起構成一個自動控制系統(tǒng)。下圖是典型控制系統(tǒng)方框圖。,13,1.2.3 自動控制中的一些術語及方框圖 1.常用術語 控制對象 控制器 系統(tǒng) 系統(tǒng)輸出 操作量 參考輸入 擾動 特性 2.系統(tǒng)方框圖 將系統(tǒng)中各個部分都用一個方框來表示，并注上文字或代號，根據各方框之間的信息傳遞關系，用有向線段把它們依次

9、連接起來，并標明相應的信息。 突出了系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)輸入與輸出的關系及各環(huán)節(jié)之間的相互影響，便于定性和定量分析。,14,1.3.1 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系。 開環(huán)控制系統(tǒng)的典型方框圖如圖所示。,1.2 自動控制系統(tǒng)的基本控制方式,交通指揮紅綠燈，自動洗衣機，自動售貨機，產品自動生產線，數控車床等等。,15,

10、1.按給定控制 下圖是一個直流電動機轉速控制系統(tǒng)。,當調節(jié)電位器滑臂位置時，改變功率放大器的輸入電壓，從而改變電動機的電樞電壓，最終改變電動機的轉速。以上的控制過程，用方框圖簡單直觀地表示出來。,16,2.按擾動控制 圖示是一個按擾動控制的直流電動機轉速控制系統(tǒng)。,控制過程可用方框圖表示成如圖示的形式。,17,把負載變化視為外部擾動輸入，對輸出轉速產生的影響及控制補償作用，分別沿箭頭的方向從輸入端傳送到輸出端，作用的路徑也

11、是單向的，不閉合的。有時我們稱按擾動控制為順饋控制。,18,開環(huán)控制的特點： （1）結構簡單、調整方便、成本低。 （2）給定一個輸入，有相應的一個輸出。 （3）在系統(tǒng)方框圖中，作用信號是單方向傳遞的，形成開環(huán)。 （4）輸出不影響輸入。 （5）若系統(tǒng)有外界擾動時，系統(tǒng)輸出量不可能有準確的數值，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)輸出信號對控制作用有直接影響的系統(tǒng)，

12、都叫做閉環(huán)控制系統(tǒng)。,19,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，即根據實際輸出來修正控制作用，實現對被控對象進行控制的任務，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，其控制作用的基礎是被控量與給定值之間的偏差。 人本身就是一個具有高度復雜控制能力的閉環(huán)系統(tǒng)。比如，人可以用手拿到放在

13、桌上的書等物，體現了閉環(huán)控制的原理。 直流電動機轉速閉環(huán)控制的例子。,20,,21,閉環(huán)控制的特點： 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，由偏差產生對系統(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，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。,22,三.開

14、環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的比較 閉環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)點是采用了反饋，因而使系統(tǒng)的響應對外部干擾和內部系統(tǒng)的參數變化均相當不敏感。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。 從穩(wěn)定性的觀點出發(fā)，開環(huán)控制系統(tǒng)比較容易建造，因為對開環(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)定性則始終是一個重要問題。因為閉環(huán)系統(tǒng)可能引起過調誤差，從而導致系統(tǒng)做等幅振蕩或變幅振蕩。

15、 工程上常采用的復合控制方法，就是把兩者結合起來使用。,23,復合控制實質上是在閉環(huán)控制回路的基礎上，附加一個輸入信號（給定或擾動）的順饋通路，對該信號實行加強或補償，以達到精確的控制效果。 常見的方式有以下兩種： 1.附加給定輸入補償,通常，附加的補償裝置可提供一個順饋控制信號，與原輸入信號一起對被控對象進行控制，以提高系統(tǒng)的跟蹤能力。,24,2.附加擾動輸入補償 該種復合控制方框圖。附加的補償裝

16、置所提供的控制作用，主要起到對擾動影響“防患未然”的效果。,25,1-4 自動控制系統(tǒng)的分類基本組成,1.4.1 按給定信號的特征劃分 給定信號是系統(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)，直流電動機調速系統(tǒng)等等。 2.隨動控制系統(tǒng)：給定信號上預先不知道的隨時間任意變化的函數。控制系統(tǒng)

17、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)星的雷達天線系統(tǒng) 3.程序控制系統(tǒng)：給定值按預先給定的規(guī)律變化的控制系統(tǒng)。機械加工中的程序控制機床等等。,26,1.4.2 按系統(tǒng)的數學描述劃分 1.線性系統(tǒng) 當系統(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，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的直線，也稱其為線性元件。因

18、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)的一個突出特點就是滿足疊加原理，可運用疊加原理的兩個性質（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。,r1(t) → c1(t) r2(t) → c2(t)r1(t) + r2(t) → c1(t) + c2(t)ar1(t) → ac1(t),27,線性定常系統(tǒng)和線性時變系統(tǒng),疊加原理 r1(t) → c1(t) r2(t) → c2(t)

19、 r1(t) + r2(t) → c1(t) + c2(t) ar1(t) → ac1(t),28,2.非線性系統(tǒng) 系統(tǒng)中只要存在一個非線性特性的元件，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)。,29,1.4.3 按信號傳遞的連續(xù)性劃分 1.連續(xù)系統(tǒng) 連續(xù)系統(tǒng)的特點是系統(tǒng)中各元件的輸入信號和輸出信號都是時間的連續(xù)函數。這類系統(tǒng)的

20、運動狀態(tài)是用微分方程來描述的。 連續(xù)系統(tǒng)中各元件傳輸的信息在工程上稱為模擬量，多數實際物理系統(tǒng)都屬于這一類，其輸入輸出一般用r(t)和c(t)表示。,30,2.離散系統(tǒng) 控制系統(tǒng)中只要有一處的信號是脈沖序列或數碼時，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。實際物理系統(tǒng)中，信息的表現形式為離散信號的并不多見，往往是控制上的需要，人為地將連續(xù)信號離散化，我們稱其為采樣。,31,1.4.4 按系統(tǒng)的輸入與

21、輸出信號的數量劃分 1.單變量系統(tǒng)（SISO） 2.多變量系統(tǒng)（MIMO）1.4.5 自動控制系統(tǒng)的基本組成 在形形色色的自動控制系統(tǒng)中，反饋控制是最基本的控制方式之一。一個典型的反饋控制系統(tǒng)總是由控制對象和各種結構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。下面給出這些職能元件的種類和各自的職能。,32,給定元件：其職能是給出與期望的輸出相對應的

22、系統(tǒng)輸入量，是一類產生系統(tǒng)控制指令的裝置。,33,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際輸出值與給定元件給出的輸入值進行比較，求出它們之間的偏差。 放大元件：其職能是將過于微弱的偏差信號加以放大，以足夠的功率來推動執(zhí)行機構或被控對象。 執(zhí)行元件：其職能是直接推動被控對象，使其被控量發(fā)生變化。

23、 校正元件：為改善或提高系統(tǒng)的性能，在系統(tǒng)基本結構基礎上附加參數可靈活調整的元件。工程上稱為調節(jié)器。常用串聯或反饋的方式連接在系統(tǒng)中。,34,1.5 對控制系統(tǒng)的要求和分析設計,1.5.1 對系統(tǒng)的要求 各類控制系統(tǒng)為達到理想的控制目的，必須具備以下兩個方面的性能 (基本要求) ： （a）使系統(tǒng)的輸出快速準確地按輸入信號要求的期望輸出值變化。 （b）使系統(tǒng)的輸出盡量不受任何擾動的影響。 對自控系統(tǒng)性能的要求一般

24、可歸納為三大性能指標： （1）穩(wěn)定性：要求系統(tǒng)絕對穩(wěn)定且有一定的穩(wěn)定裕量。 （2）瞬態(tài)質量：要求系統(tǒng)瞬態(tài)響應過程具有一定的快速性和變化的平穩(wěn)性。,35,在實際系統(tǒng)中，由于總是存在著不同性質的儲能元件。并且也由于能源功率的限制，使得系統(tǒng)放大能力必然有限。因而使相應的運動加速度不會太大，速度和位移不會瞬間變化，而要經歷一段時間，即系統(tǒng)運動必然有一個漸變的過程。,（3）穩(wěn)態(tài)誤差：要求系統(tǒng)最終的響應準確度，限制在工程允許的范圍之內，是系

25、統(tǒng)控制精度的恒量。,36,1.5.2 控制系統(tǒng)的分析和設計 1.系統(tǒng)分析 系統(tǒng)給定，在規(guī)定的工作條件下，對它進行分析研究，其中包括穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)性能分析，看是否滿足要求，以及分析某個參數變化時對上述性能指標的影響，決定如何合理地選取等。 2.系統(tǒng)的設計 系統(tǒng)設計的目的，是要尋找一個能夠實現所要求性能的自動控制系統(tǒng)。因此，在系統(tǒng)應完成的任務和應具備的性能已知的條件下，根據被控對象的特點，構造出適合的控制器是設

26、計的主要任務。應進行的步驟如下： （1）熟悉對系統(tǒng)性能的要求。 （2）根據要求的性能指標綜合確定系統(tǒng)的數學模型。,37,（3）若控制對象是已知的，根據確定的系統(tǒng)數學模型和已知部分的數學模型，求得控制器的數模和控制規(guī)律。 （4）按綜合確定的數模進行系統(tǒng)分析，驗證它在各種信號作用下是否滿足要求。若不滿足，及時修正。 （5）樣機設計制造和試驗，驗證設計結果。,1-6 自動控制理論的發(fā)展概況,具有“自動”功能的裝置的歷史可追逆到公

27、元前14~11世紀在中國、埃及和巴比倫出現的自動計時漏壺。 公元4世紀，希臘柏拉圖(Platon)首先使用了“控制論”一詞。 運用反饋原理設計出來并成功應用的是英-瓦特(J.wate)于1788年發(fā)明的蒸汽機用的離心式飛錘調速器。,38,后來，英-麥克斯韋(J.C.Maxwell)于1868年發(fā)表了“論調速器”一文，對它的穩(wěn)定性進行了分析，指出控制系統(tǒng)的品質可用微分方程來描述，系統(tǒng)的穩(wěn)定性可用特征方程根的

28、位置和形式來研究。當屬最早的理論工作。 1875年英-勞斯(E.J.Routh)和德-赫爾維茨(A.Hurwitz)先后提出了根據代數方程系數判別系統(tǒng)穩(wěn)定性的準則。 1892年俄-李雅普諾夫出版了專著“論運動穩(wěn)定性的一般問題”，提出了用李雅普諾夫函數的正定性及其導數的負定性判別系統(tǒng)穩(wěn)定性的準則，從而建立了動力學系統(tǒng)的一般穩(wěn)定性理論。 1932年美籍瑞典-奈奎斯特(H.Nyquist)提出了

29、根據頻率響應判別反饋系統(tǒng)穩(wěn)定性的準則。,39,1938年前蘇聯米哈依洛夫提出了圖解分析方法判別系統(tǒng)穩(wěn)定性的準則，把奈氏判據推廣到條件穩(wěn)定和條件不穩(wěn)定系統(tǒng)的一般情況。 1948年美國維納(N.wiener)出版了專著《控制論—關于在動物和機器中控制和通信的科學》，系統(tǒng)地論述了控制理論的一般原理和方法，推廣了反饋的概念，為控制理論學科的發(fā)展奠定了基礎。該書的出版標志控制學科的誕生。 1954年我國-錢學森在美

30、出版了《工程控制論》一書，書中所闡述的基本理論和觀點，奠定了工程控制論的基礎。,40,三個時期 （1）經典控制理論（本世紀30~50年代） 對 象：SISO 線性定常系統(tǒng) 數學工具：拉氏變換 數 模：傳遞函數 方 法：頻域法 根軌跡法 代表性：

31、 勞斯、奈奎斯特、依萬思等 （2）現代控制理論（本世紀50~70年代） 對象：MIMO 非線性系統(tǒng) 時變系統(tǒng) 數學工具：線性代數 矩陣理論 數模：狀態(tài)空間表達式 方法：狀態(tài)空間法 代表性：Kalman能控、能觀測

32、 Bellman的動態(tài)規(guī)劃 龐特里亞金的極大值原理,41,（3）大系統(tǒng)理論和智能控制理論（本世紀60年代末~） 多樣化發(fā)展的時期 理論方法：自動控制理論，人工智能，模糊數學，神經網絡，運籌學等 美-扎德(L.A.Zadel) 美籍華人傅京生(J.S.Fu)和桑托斯(E.S.Saridis),42,結