1、1,自動控制原理,任課老師：馬寶萍,2,3,哈佛大學(xué)圖書館館訓(xùn),1.現(xiàn)在睡覺的話，會做夢；而現(xiàn)在學(xué)習(xí)的話，會讓夢實(shí)現(xiàn)。 2.我無所事事的度過了今天，是昨天死去的人們所期望的明天。 3.學(xué)習(xí)不是人生的全部，但學(xué)習(xí)都征服不了，那你還能做什么？ 4.今天不想走，明天就要跑了。 5.此刻睡覺的口水將變成明天流下的淚水。,4,第1章緒論,主要內(nèi)容 1.1 引言 1.2 自動控制的基本知識 1.3 自動控制系統(tǒng)的分類 1.4 自動控制系統(tǒng)的基本組成 1.5 對控制系統(tǒng)的要求 1.6 自動控制理論的發(fā)展概況,5,自動控制的起源,圖1.（a）開發(fā)于18世紀(jì)80年代的離心調(diào)速器對點(diǎn)燃英國工業(yè)革命的瓦特蒸汽發(fā)動機(jī)

2、（b）的成功實(shí)現(xiàn)起了關(guān)鍵作用。（圖片由Richard Adamek (1999年版權(quán))和劍橋大學(xué)提供。）,1788年 離心調(diào)速器 瓦特,1.1 引言,6,波音777飛機(jī),磁盤驅(qū)動器,發(fā)展到今天，自動控制應(yīng)用在很多領(lǐng)域,7,在當(dāng)今時(shí)代，自動控制所起的作用越來越重要： 空間飛行器的導(dǎo)航和控制系統(tǒng) 制造業(yè)中的控制系統(tǒng) 工業(yè)過程控制系統(tǒng) 通訊系統(tǒng)的控制,自動控制發(fā)展的未來方向 航空航天與運(yùn)輸 信息與網(wǎng)絡(luò) 機(jī)器人技術(shù)和智能機(jī)械 材料及加工,這是一個(gè)充滿機(jī)遇和挑戰(zhàn)的領(lǐng)域！,8,控制論的提出 維納著控制論，或關(guān)于在動物和機(jī)器中控制與通訊的科學(xué)，1948年出版 維納(1894-1964)，美國數(shù)學(xué)家，控制論創(chuàng)

3、始人,可以說，沒有控制論的建立和發(fā)展，就沒有今天 這樣高度發(fā)達(dá)的自動化技術(shù)。,9,錢學(xué)森的工程控制論英文版(Engineering Cybernetics)，1954 年出版。 工程控制論則被界定為研究控制論這門科學(xué)中能夠直接用在控制系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的那些部分. 錢學(xué)森指出控制論在系統(tǒng)科學(xué)體系結(jié)構(gòu)中的定位，為復(fù)雜巨系統(tǒng)的建模、分析、運(yùn)籌和控制問題提供了理論基礎(chǔ)和方法論依據(jù)。,10,如何學(xué)好這門課程？ 1、認(rèn)真掌握基本原理； 2、多看參考書，多做練習(xí)題，分析實(shí)例； 3、利用Matlab軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助分析。,11,經(jīng)典教材,胡壽松主編，自動控制原理，第四版，科學(xué)出版社，2001。 緒方勝彥著，盧伯

4、英等譯，現(xiàn)代控制工程，第四版，電子工業(yè)出版社。 Richard C.Dorf等著，謝紅衛(wèi)等譯，現(xiàn)代控制系統(tǒng)，第八版，高等教育出版社。,12,推薦閱讀,控制論，維納著. 工程控制論，錢學(xué)森著. 信息爆炸時(shí)代的控制關(guān)于控制、動力學(xué)和系統(tǒng)未來方向的專家小組報(bào)告，2002年6月30日,13,網(wǎng)絡(luò)資源,國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)生自動控制原理精品課程網(wǎng)站 ,14,控制：通俗地說，就是使被控對象按照預(yù)定的方式工作,15,1.2.1 自動控制問題的提出 一個(gè)簡單的水箱液面，因生產(chǎn)和生活需要，希望液面高度h 維持恒定。當(dāng)水的流入量與流出量平衡時(shí)，水箱的液面高度維持在預(yù)定的高度上。,1.2 自動控制和自動控制系統(tǒng),當(dāng)水的

5、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。,16,所謂控制就是強(qiáng)制性地改變某些物理量（如上例中的進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)上。 人工控制示意圖：,這種人為地強(qiáng)制性地改變進(jìn)水量，而使液面高度維持恒定的過程，即是人工控制過程。,17,1.2.2 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(yù)先給定的規(guī)律去運(yùn)行。,浮子,當(dāng)出水與進(jìn)水的平衡被破壞時(shí)，水箱水位下降(或上升)，出現(xiàn)偏差。這偏差由浮子檢測出來，自動控制器在偏差的作用下，

6、控制閥門開大(或關(guān)小)，對偏差進(jìn)行修正，從而保持液面高度不變。,18,2. 自動控制的基本職能元件 自動控制的實(shí)現(xiàn),實(shí)際上是由自動控制裝置來代替人的基本功能，從而實(shí)現(xiàn)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(jìn)行對照。,眼睛 浮子 大腦 自動控制器 肌肉、手 執(zhí)行元件,19,比較兩圖可以看出，自動控制實(shí)現(xiàn)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：,20,測量元件與變送器（代替眼睛）； 自動控制器（代替大腦）； 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(gòu)成一個(gè)自動控制系統(tǒng)。下圖是典型控制系統(tǒng)方框圖。,21,1.2.3 自動控制中的一些術(shù)語及方框圖 1

7、.常用術(shù)語 控制（被控）對象被控制的設(shè)備或過程（如水箱）； 被控量c(y) 表征設(shè)備或過程運(yùn)行情況或狀態(tài)， 并需要嚴(yán)格加以控制的物理量，也可稱為系統(tǒng)的輸出。（如液位） 給定值（參考輸入）r 被控量應(yīng)保持的期望值；（如液位高度） 控制量（操作量）u 能夠引起被控量變化，并且被用作調(diào)節(jié)手段的參數(shù)；（如閥門開度） 擾動d 引起被控量變化的因素，包括內(nèi)擾、外擾；（如用水量） 偏差e 是對象受到擾動后，被控量與給定值之間的差值；,22,自動控制系統(tǒng)的任務(wù)可概括為：,使對象的被控量等于給定值，c(t)=r(t),23,2.系統(tǒng)方框圖,24,控制器,設(shè)定溫度Td(t),室內(nèi)溫度 T(t),比較器,室內(nèi)溫度測

8、量,空調(diào) 壓縮機(jī),例1：空調(diào)控制系統(tǒng),25,例2：汽車方向控制系統(tǒng),26,控制器,駕車人,汽車,實(shí)際 方向,比較器,視覺測量,偏差,方向盤,預(yù)期 方向,汽車方向控制系統(tǒng)原理圖,27,3.反饋與反饋控制的概念,反饋 系統(tǒng)的輸出經(jīng)過測量、變送元件送回系統(tǒng)的輸入端，這一過程稱為反饋。若反饋信號與給定值信號極性相反，則稱為負(fù)反饋；若極性相同，則稱為正反饋。 由前向通道、反饋通道形成一個(gè)閉合回路，稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。由于具有反饋，也稱“反饋控制系統(tǒng)”。 反饋控制是自動控制系統(tǒng)最基本的控制方式，也是應(yīng)用最廣泛的一種控制系統(tǒng)。,28,1.3 自動控制系統(tǒng)的分類,常用的自動控制系統(tǒng)分類方法包括： 按信號的傳遞路

9、徑來分 按系統(tǒng)輸入信號的變化規(guī)律不同來分 按系統(tǒng)傳輸信號的性質(zhì)來分 按描述系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型不同來分 其它分類方法,29,1.3.1 按信號的傳遞路徑分類,1開環(huán)控制系統(tǒng) 定義：指系統(tǒng)的輸出端與輸入端不存在反饋回路，輸出量對系統(tǒng)的控制作用不發(fā)生影響的系統(tǒng)。如工業(yè)上使用的數(shù)字程序控制機(jī)床：,圖紙,位移,程序,指令,放大器,執(zhí)行 機(jī)構(gòu),微型 計(jì)算機(jī),切削刀具,工作機(jī)床,30,直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng),31,電風(fēng)扇的控制,電機(jī) （執(zhí)行機(jī)構(gòu)）,風(fēng)扇葉片（控制對象）,開關(guān)或程序控制器,控制電壓,32,開環(huán)控制的特點(diǎn)： （1）結(jié)構(gòu)簡單，成本低，調(diào)整方便； （2）在系統(tǒng)方框圖中，作用信號是單方向傳遞的 （3）控制

10、器無法克服擾動，自動修正偏差； 開環(huán)控制適用于： 輸入-輸出關(guān)系已知，且系統(tǒng)不存在干擾（或擾動微弱）的場合。,33,2閉環(huán)控制系統(tǒng) 定義：系統(tǒng)中存在信號的閉合回路，或者輸入端與輸出端之間存在反饋的系統(tǒng)，稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)或反饋控制系統(tǒng)。,測量元件,圖紙,位移,放大器,執(zhí)行機(jī)構(gòu),微型 計(jì)算機(jī),切削刀具,工作機(jī)床,微型計(jì)算機(jī)控制機(jī)床（閉環(huán)系統(tǒng)）,34,直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制,35,閉環(huán)控制的優(yōu)點(diǎn)： 基于偏差的控制，可以抑制任何內(nèi)、外擾動對控制量的影響，控制精度較高。 閉環(huán)控制的缺點(diǎn)： （1）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高； （2）只有在偏差出現(xiàn)后才產(chǎn)生控制作用,36,3復(fù)合控制系統(tǒng) 復(fù)合控制是閉環(huán)控制和開環(huán)控制

11、相結(jié)合的一種方式。它是在閉環(huán)控制等基礎(chǔ)上增加一個(gè)干擾信號的補(bǔ)償控制，以提高控制系統(tǒng)的抗干擾能力。,37,增加干擾信號的補(bǔ)償控制作用，可以在干擾對被控量產(chǎn)生不利影響的同時(shí)及時(shí)提供控制作用以抵消此不利影響。 純閉環(huán)控制則要等待該不利影響反映到被控信號之后才引起控制作用，對干擾的反應(yīng)較慢。兩者的結(jié)合既能得到高精度控制，又能提高抗干擾能力。,38,1.3.2 按給定信號分類,1、恒值控制系統(tǒng) 輸入信號是一個(gè)恒定的數(shù)值。恒值控制系統(tǒng)主要研究各種干擾對系統(tǒng)輸出的影響以及如何克服這些干擾，把輸入、輸出量盡量保持在希望數(shù)值上。（例如：液位控制，電機(jī)轉(zhuǎn)速控制） c(t) = r(t) = const. 2、程序

12、控制系統(tǒng) 輸入信號是一個(gè)已知的時(shí)間函數(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)。（例如：數(shù)控機(jī)床加工系統(tǒng)） 恒值控制系統(tǒng)也可看作是程序控制系統(tǒng)的特例。 c(t) = r(t)， r(t)為已知時(shí)間函數(shù)。,39,3、隨動控制系統(tǒng)（或稱伺服系統(tǒng)） 這類系統(tǒng)的特點(diǎn)是輸入信號是一個(gè)未知函數(shù)，要求輸出量跟隨給定量變化，也稱為跟蹤控制。 (例如：火炮自動跟蹤系統(tǒng)，顯示記錄儀，跟蹤衛(wèi)星的雷達(dá)天線控制系統(tǒng)等） c(t) = r(t)， r(t)為未知時(shí)間函數(shù)。,40,1.3.3 按描述系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型分類,1、線性系統(tǒng) 由線性元件構(gòu)成的系統(tǒng)叫線性系統(tǒng)。其運(yùn)動方程為線性微分方程。若各項(xiàng)系數(shù)為常

13、數(shù)，則稱為線性定常系統(tǒng)。其運(yùn)動方程一般形式為: 式中：u(t) 系統(tǒng)的輸入量；y(t) 系統(tǒng)的輸出量。,主要特點(diǎn)：具有疊加性和齊次性，即當(dāng)系統(tǒng)的輸入分別為r1(t)和r2(t)時(shí)，對應(yīng)的輸出分別為c1(t)和c2(t)，則當(dāng)輸入為r(t)=a1r1(t)+a2r2(t)時(shí)，輸出量為c(t)=a1c1(t)+a2c2(t), 其中為a1、a2為常系數(shù)。,41,2、非線性系統(tǒng),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)時(shí)，則稱此系統(tǒng)為非線性系統(tǒng)。 典型的非線性特性有飽和特性、死區(qū)特性、間隙 特性、繼電特性、磁滯特性等。如圖1-16所示。 非線性特性可分為：非本質(zhì)非線性和本質(zhì)非線性兩大類。,42

14、,圖1-16 非線性元件靜特性舉例,43,嚴(yán)格來說，任何物理系統(tǒng)的特性都是非線性的。但為了研究問題的方便，許多系統(tǒng)在一定的條件下，一定的范圍內(nèi)，可以近似地看成為線性系統(tǒng)來加以分析研究，其誤差往往在工業(yè)生產(chǎn)允許的范圍之內(nèi)。 非線性的理論研究遠(yuǎn)不如線性系統(tǒng)那么完整和成熟，一般只能近似的定性描述和數(shù)值計(jì)算。,44,1.3.4 按信號傳遞的連續(xù)性劃分 1.連續(xù)系統(tǒng) 系統(tǒng)各部分的信號都是時(shí)間變量的連續(xù)函數(shù)時(shí)，稱為連續(xù)系統(tǒng)，其運(yùn)動狀態(tài)或特性一般能用微分方程來描述。 連續(xù)系統(tǒng)中各元件傳輸?shù)男畔⒃诠こ躺戏Q為模擬量，其輸入輸出一般用r(t)和c(t)表示。 采用常規(guī)控制儀表的系統(tǒng)就屬于這一類型。,45,2.離散

15、系統(tǒng) 當(dāng)系統(tǒng)中應(yīng)用了數(shù)字計(jì)算機(jī)或數(shù)字控制器時(shí)，系統(tǒng)的某處或幾處的信號以脈沖序列或數(shù)碼的形式傳遞，這類系統(tǒng)稱為離散系統(tǒng)。 離散系統(tǒng)的運(yùn)動狀態(tài)一般用差分方程描述。 實(shí)際物理系統(tǒng)中，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。,46,輸出,輸入 +,A/D,計(jì)算機(jī),D/A,放大器,執(zhí)行器,被控 對象,反饋 裝置,圖1-19 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,數(shù)字控制器,47,1.3.5 其它分類方法,自動控制系統(tǒng)還有其他的分類方法: (1)按系統(tǒng)的輸入/輸出信號的數(shù)量來分:有單輸入/單輸出系統(tǒng)和多輸入/多輸出系統(tǒng)。 (2)按控制系統(tǒng)的功能來分：有溫度控制系統(tǒng)、速度控制系統(tǒng)、位置控制系統(tǒng)等。 (3

16、)按系統(tǒng)元件組成來分：有機(jī)電系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、生物系統(tǒng)。 (4)按不同的控制理論分支設(shè)計(jì)的新型控制系統(tǒng)來分，有最優(yōu)控制系統(tǒng)，自適應(yīng)控制系統(tǒng)，預(yù)測控制系統(tǒng)，模糊控制系統(tǒng)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)等等。,48,1.4 自動控制系統(tǒng)的基本組成 一個(gè)典型的反饋控制系統(tǒng)總是由控制對象和各種結(jié)構(gòu)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。,49,給定元件：其職能是給出與期望的輸出相對應(yīng)的系統(tǒng)輸入量，是一類產(chǎn)生系統(tǒng)控制指令的裝置。 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(zhuǎn)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(shí)際輸出值與給定元

17、件給出的輸入值進(jìn)行比較，求出它們之間的偏差。,50,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(jī)構(gòu)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。 校正元件：為改善或提高系統(tǒng)的性能，在系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上附加參數(shù)可靈活調(diào)整的元件。工程上稱為調(diào)節(jié)器。常用串聯(lián)或反饋的方式連接在系統(tǒng)中。,51,1.5 對控制系統(tǒng)的基本要求,當(dāng)自動控制系統(tǒng)受到干擾或者給定值變化時(shí)，被控量就會發(fā)生變化，偏離給定值。通過系統(tǒng)的自動控制作用，經(jīng)過一定的過渡過程，被控量又恢復(fù)到原來的穩(wěn)定值或者穩(wěn)定到一個(gè)新的給定值。 被控量在變化過程中的過渡過程稱為動態(tài)過程（即隨時(shí)間而變的過程）

18、，被控量處于平衡狀態(tài)稱為靜態(tài)或穩(wěn)態(tài)。,52,常見的被控量變化的動態(tài)過程有以下幾種。,(a)單調(diào)過程,(b)衰減振蕩過程,(c)等幅振蕩過程,(d)漸擴(kuò)振蕩過程,過程控制系統(tǒng)中的動態(tài)過程多屬于圖(b)的情況。,53,理想情況：控制系統(tǒng)的動態(tài)過程不僅要穩(wěn)定，并且過渡過程時(shí)間（又稱調(diào)整時(shí)間）越短越好，振蕩幅度越小越好，衰減得越快越好。 綜上所述，對于一個(gè)自動控制的性能要求可以概括為三方面：穩(wěn)定性，快速性和準(zhǔn)確性。 (1)穩(wěn)定性。自動控制系統(tǒng)的最基本的要求是系統(tǒng)必須是穩(wěn)定的，不穩(wěn)定的控制系統(tǒng)是不能工作的。 通常要求系統(tǒng)絕對穩(wěn)定且有一定的穩(wěn)定裕量。,1.5.1 對系統(tǒng)的要求,54,(2)快速性。在系統(tǒng)穩(wěn)

19、定的前提下，希望控制過程（過渡過程）進(jìn)行得越快越好，但如果要求過渡過程時(shí)間很短，可能使動態(tài)誤差（偏差）過大。合理的設(shè)計(jì)應(yīng)該兼顧這兩方面的要求。 (3)準(zhǔn)確性。即要求動態(tài)誤差和穩(wěn)態(tài)誤差都越小越好。當(dāng)與快速性有矛盾時(shí)，應(yīng)兼顧這兩方面的要求。 不同類型的系統(tǒng)，對這三方面的指標(biāo)要求有所不同，如恒值系統(tǒng)對穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性要求嚴(yán)格，隨動系統(tǒng)對快速性要求較高。,55,1.5.2 控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì) 系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)是自動控制理論中兩大類型問題，是兩個(gè)互逆的研究過程。 1.系統(tǒng)分析 建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型； 分析系統(tǒng)的性能，包括穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)性能； 分析某個(gè)參數(shù)變化時(shí)對上述性能指標(biāo)的影響，決定如何合理地選取等。 2

20、.系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的，是要給出一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)所要求性能的校正裝置或控制器。,56,1.6 自動控制理論的發(fā)展概況,自動控制技術(shù)的進(jìn)步 自動控制理論的發(fā)展 自動控制技術(shù)的萌芽： 公元前300年 浮子控制器 希臘人 1788年 離心調(diào)速器 瓦特,57,58,(一) 經(jīng)典控制理論階段 19世紀(jì)60年代期間是控制理論高速發(fā)展的時(shí)期： 1868年 麥克斯韋爾（J.C.Maxwell） 1877年 勞斯（E.J.Routh）代數(shù)穩(wěn)定性判據(jù) 1895年 霍爾維茨（A.Hurwitz）代數(shù)穩(wěn)定性判據(jù) 1892年，李雅普諾夫（A.M.Lyapunov） 穩(wěn)定性定義和分析,59,20世紀(jì)40年代末趨于成熟

21、1927年 布萊克 負(fù)反饋 1942年 齊格勒（J.G.Zigler） 尼科爾斯（N.B.Nichols） PID整定法 1932年 柰奎斯特（Nyquist）頻域穩(wěn)定性判據(jù) 1940年 波德(H.Bode) Bode圖分析法 1948年 伊文斯（W.Evans）根軌跡法,60,總結(jié):經(jīng)典控制理論以傳遞函數(shù)作為系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，采用復(fù)數(shù)域的分析方法,并結(jié)合圖表進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，比求解微分方程簡便。 優(yōu)點(diǎn):可通過試驗(yàn)方法建立數(shù)學(xué)模型，物理概念清晰，得到廣泛的工程應(yīng)用。 缺點(diǎn):只適應(yīng)單變量線性定常系統(tǒng)，對系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)缺少了解，且復(fù)數(shù)域方法研究時(shí)域特性，得不到精確的結(jié)果。,61,(二) 現(xiàn)代控制理論階段 1

22、957年 貝爾曼(R.Bellman) 動態(tài)規(guī)劃 1960年 龐特里雅金(L.S.Pontryagin) 極大值原理 1960年 卡爾曼（R.E.Kalman）卡爾曼濾波器 狀態(tài)空間方法屬于時(shí)域方法，其核心是最優(yōu)化技術(shù)。它以狀態(tài)空間表達(dá)式（實(shí)質(zhì)上是一階微分或差分方程組）作為數(shù)學(xué)模型，利用計(jì)算機(jī)作為系統(tǒng)建模分析、設(shè)計(jì)乃至控制的手段，適應(yīng)于多變量、非線性、時(shí)變系統(tǒng)。,62,20世紀(jì)70年代開始，出現(xiàn)了一些新的控制方 法和理論，例如 （1）現(xiàn)代頻域方法，該方法以傳遞函數(shù)矩陣為數(shù)學(xué)模型，研究線性、定常、多變量系統(tǒng)； （2）自適應(yīng)控制理論和方法，該方法以系統(tǒng)辨識和參數(shù)估計(jì)為基礎(chǔ)，處理被控對象不確定和緩時(shí)變，在實(shí)時(shí)辨識基礎(chǔ)上在線確定最優(yōu)控制規(guī)律； （3）魯棒控制方法，該方法在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和其它性能基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)不變的魯棒控制器，以處理數(shù)學(xué)模型的不確定性；,(三) 大系統(tǒng)控制理論階段,