1、1,自動(dòng)控制理論,中國計(jì)量學(xué)院機(jī)電學(xué)院 周秀英 86914549 仰儀南樓310室,2,自動(dòng)控制理論教材,自動(dòng)控制理論 械工業(yè)出版社 鄒伯敏等 (推薦教材),3,課程 性質(zhì),自動(dòng)控制理論是自動(dòng)化專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，主要研究自動(dòng)控制系統(tǒng)普遍規(guī)律的學(xué)科。其任務(wù)是使學(xué)生獲得自動(dòng)控制系統(tǒng)的思想和基本理論，掌握自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本分析方法，并為設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。后續(xù)課程有：智能控制，過程控制 ，控制系統(tǒng)工 程設(shè)計(jì)等。,4,本課程為理論課，共68學(xué)時(shí)，其中經(jīng)典控制理論部分48學(xué)時(shí)，現(xiàn)代控制理論為20學(xué)時(shí)。主要內(nèi)容包括：第一章 緒論 第二章 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 第三章 控制系統(tǒng)的時(shí)域分析第四章 根軌跡法

2、 第五章 頻率響應(yīng)法 第九章 狀態(tài)空間分析法,主要內(nèi)容,5,學(xué)習(xí)目標(biāo),掌握常見系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型建立的方法 掌握用時(shí)域、頻域、根軌跡方法典型系統(tǒng)的性能 理解系統(tǒng)穩(wěn)定和穩(wěn)態(tài)誤差概念，掌握勞斯穩(wěn)定判據(jù)，李雅普諾夫穩(wěn)定性分析方法，及系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定性分析方法 掌握系統(tǒng)能控，能觀的概念和判斷以及系統(tǒng)觀測(cè)器的設(shè)計(jì)方法,6,第一章 緒論,11 概述 自動(dòng)化（Automation 或 Automatization ） 1. 自動(dòng)控制 就是指在沒有人直接參與的條件下，利用控制裝置（簡(jiǎn)稱控制器）使被控對(duì)象（或生產(chǎn)過程等）的某一物理量（如溫度、壓力、PH值等）能自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律變化（或運(yùn)行）。 2. 自動(dòng)控制系統(tǒng) 是

3、指實(shí)現(xiàn)上述控制目的，由相互制約的各部分按一定規(guī)律組成的具有特定功能的整體。,7,12 自動(dòng)控制理論的發(fā)展,2. 現(xiàn)代控制理論3. 大系統(tǒng)理論4. 智能控制理論,8,12 自動(dòng)控制理論的發(fā)展,1、經(jīng)典控制理論 研究的主要對(duì)象是單輸入、單輸出單變量系統(tǒng)。 如：調(diào)節(jié)電壓改變電機(jī)的速度；調(diào)整方向盤改變汽車 的運(yùn)動(dòng)軌跡等。 2、現(xiàn)代控制理論 研究的主要對(duì)象是多輸入、多輸出多變量系統(tǒng)。 如，汽車看成是一個(gè)具有兩個(gè)輸入（駕駛盤和加速踏 板）和兩個(gè)輸出（方向和速度）的控制系統(tǒng)。 計(jì)算機(jī)科學(xué)地發(fā)展，極大地促進(jìn)了控制科學(xué)地發(fā)展,9,經(jīng)典控制理論與現(xiàn)代控制理論比較,10,12 自動(dòng)控制理論的發(fā)展,3、大系統(tǒng)控制理論

4、 大系統(tǒng)控制理論是一種過程控制與信息處理相結(jié)合的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)工程理論，研究的對(duì)象具有規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能綜合、目標(biāo)多樣、因素眾多等特點(diǎn)。它是一個(gè)多輸入、多輸出、多干擾、多變量的系統(tǒng)。 如：人體，我們就可以看作為一個(gè)大系統(tǒng)，其中有體溫的控制、情感的控制、人體血液中各種成分的控制等等。 大系統(tǒng)控制理論目前仍處于發(fā)展階段。,11,12 自動(dòng)控制理論的發(fā)展,4、智能控制 這是近年來新發(fā)展起來的一種控制技術(shù)，是人工智能在控制上的應(yīng)用。它的指導(dǎo)思想是依據(jù)人的思維方式和處理問題的技巧，解決那些目前需要人的智能才能解決的復(fù)雜的控制問題。 它是一門新興的控制學(xué)科，有些問題尚存有爭(zhēng)議，然而由于它實(shí)用性強(qiáng)，能運(yùn)用人

5、們的經(jīng)驗(yàn)與技巧解決許多以往控制中難以解決的棘手問題（如建模等），因此得到了人們極大的重視，。,12,控制理論的發(fā)展,13,13 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類,一、按信號(hào)的傳遞路徑來分類 1、開環(huán)控制系統(tǒng) 特點(diǎn)：系統(tǒng)的輸出端與輸入端不存在反饋回路，輸出量對(duì)系統(tǒng)的控制作用不發(fā)生影響的系統(tǒng)。,14,13 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類,2、閉環(huán)控制系統(tǒng)（反饋控制系統(tǒng)） 特點(diǎn)：系統(tǒng)輸出信號(hào)與測(cè)量元件之間存在反饋回路。 “閉環(huán)”這個(gè)術(shù)語的含義，就是將輸出信號(hào)通過測(cè)量元件反饋到系統(tǒng)的輸入端，通過比較、控制來減小系統(tǒng)誤差。,15,13 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類,二、按系統(tǒng)的控制作用來分類 1、恒值控制系統(tǒng)（或稱自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)、自動(dòng)鎮(zhèn)定系

6、統(tǒng)） 特點(diǎn)：輸入信號(hào)是一個(gè)恒定的數(shù)值。工業(yè)生產(chǎn)中的恒 溫、恒壓等自動(dòng)控制系統(tǒng)都屬于這一類型。 2、過程控制系統(tǒng)（或稱程序控制系統(tǒng)） 特點(diǎn)：輸入信號(hào)是一個(gè)已知的函數(shù)。系統(tǒng)的控制過程 按 預(yù)定的程序進(jìn)行，要求被控量能迅速準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)輸入，如化 工中的壓力、溫度、流量控制。 恒值控制系統(tǒng)可看成輸入等于常值的過程控制系統(tǒng)。,16,13 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類,3、隨動(dòng)系統(tǒng)（或稱伺服系統(tǒng)） 特點(diǎn)：輸入信號(hào)是一個(gè)未知函數(shù)。要求控制系統(tǒng)的 輸出量跟隨輸入信號(hào)變化。 如：火炮自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)。 該系統(tǒng)要求有較好的跟蹤能力。,17,13 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類,三、按系統(tǒng)傳輸信號(hào)的性質(zhì)來分類 1、連續(xù)系統(tǒng) 特點(diǎn)：系統(tǒng)各部分信

7、號(hào)都是時(shí)間t 的連續(xù)函數(shù)，即模擬的連續(xù)函數(shù)。目前工業(yè)中普遍采用的常規(guī)儀表PID調(diào)節(jié)器控制的系統(tǒng)。 2、離散系統(tǒng) 特點(diǎn)：系統(tǒng)的某一處或幾處信號(hào)以脈沖序列或數(shù)碼形式傳遞的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)中用脈沖開關(guān)或采樣開關(guān)，將連續(xù)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散信號(hào)。其中離散信號(hào)以脈沖形式傳遞的系統(tǒng)又叫脈沖控制系統(tǒng)，離散信號(hào)以數(shù)碼形式傳遞的系統(tǒng)又叫數(shù)字控制系統(tǒng)。,18,13 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類,19,13 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類,四、按描述系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型不同來分類 1、線性系統(tǒng) 特點(diǎn)：系統(tǒng)由線性元件構(gòu)成，描述運(yùn)動(dòng)規(guī)律的數(shù)學(xué)模型為線性微分方程。運(yùn)動(dòng)方程一般形式： 式中：r(t)系統(tǒng)輸入量； c(t)系統(tǒng)輸出量 主要特點(diǎn)是具有疊加性和齊次

8、性。,20,13 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類,2、非線性系統(tǒng) 特點(diǎn)：在構(gòu)成系統(tǒng)的環(huán)節(jié)中有一個(gè)或一個(gè)以上的非線性 環(huán)節(jié)。 非線性的理論研究遠(yuǎn)不如線性系統(tǒng)那么完整，目前尚無 通用的方法可以解決各類非線性系統(tǒng)。 其他的分類方法： 按功能來分： 溫度控制系統(tǒng)、速度控制系統(tǒng)、 位置控系統(tǒng)等。 按元件組成分：機(jī)電系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、生物系統(tǒng)等。,21,13 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類,分類小結(jié),22,14 反饋控制系統(tǒng)的基本組成,控制系統(tǒng)的組成：輸入部分、控制系統(tǒng)部分和輸出部分。 從物理角度上看，自動(dòng)控制研究的是特定激勵(lì)作用下的系 統(tǒng)響應(yīng)變化情況； 從數(shù)學(xué)角度上看，研究的是輸入與輸出之間的映射關(guān)系。,23,14 反饋控制系統(tǒng)

9、的基本組成,1. 溫控系統(tǒng)人工控制,24,14 反饋控制系統(tǒng)的基本組成,控制目標(biāo)：要求爐子的溫度恒定在期望的數(shù)值上。 控制過程：,25,14 反饋控制系統(tǒng)的基本組成,2.溫控系統(tǒng)自動(dòng)控制,26,14 反饋控制系統(tǒng)的基本組成,控制目標(biāo)：要求爐子的溫度恒定在期望的數(shù)值上。 控制過程：,27,14 反饋控制系統(tǒng)的基本組成,一般的形式 輸入信號(hào)系統(tǒng)控制目標(biāo)的反映，是人的意愿的具體體現(xiàn)。 控制系統(tǒng)主要完成對(duì)有關(guān)信號(hào)的變換、處理，發(fā)出控制 量，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成控制功能。 輸出信號(hào)系統(tǒng)的控制結(jié)果，反映了被控對(duì)象的運(yùn)行狀。,28,14 反饋控制系統(tǒng)的基本組成,火炮自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)“火炮打飛機(jī)”,29,14 反饋控

10、制系統(tǒng)的基本組成,3. 典型的反饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖,30,1.5 對(duì)控制系統(tǒng)的要求,基本要求： 穩(wěn)定性 穩(wěn)態(tài)特性 動(dòng)態(tài)特性 （穩(wěn)、準(zhǔn)、快） 穩(wěn)定性：穩(wěn)定性是對(duì)控制系統(tǒng)最基本的要求。所謂系統(tǒng)穩(wěn)定，一般指當(dāng)系統(tǒng)受到擾動(dòng)作用后，系統(tǒng)的被控制量偏離了原來的平衡狀態(tài)，但當(dāng)擾動(dòng)撤離后，經(jīng)過若干時(shí)間，系統(tǒng)若仍能返回到原來的平衡狀態(tài)，則稱系統(tǒng)是穩(wěn)定的。,31,穩(wěn)態(tài)精度（準(zhǔn)確性）：給定穩(wěn)態(tài)誤差和擾動(dòng)穩(wěn)態(tài)誤差越小，表示穩(wěn)態(tài)精度也越高。 響應(yīng)速度(快速性)：控制系統(tǒng)不僅要穩(wěn)定和并有較高的精度，而且還要求系統(tǒng)的響應(yīng)具有一定的快速性，對(duì)于某些系統(tǒng)來說，這是一個(gè)十分重要的性能指標(biāo)。有關(guān)系統(tǒng)響應(yīng)速度定量的性能指標(biāo)，一般可以用上升時(shí)間調(diào)整時(shí)間和峰值時(shí)間來表示。（動(dòng)態(tài)特性）,32,本章小結(jié),1.自動(dòng)控制概念；,2.控制系統(tǒng)的組