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1《自动控制原理》刘伟机械与电气工程学院2017.92自动控制理论第一章自动控制概述第二章系统的数学模型第三章控制系统的时域分析法第四章根轨迹法第五章频率特性法第六章控制系统的校正第七章非线性系统的分析第八章采样控制系统的分析与设计3第一章自动控制理论的一般概念1自动控制发展简史2自动控制的基本方式3典型控制系统4自动控制系统的要求4控制器气动阀门流入Q1浮子水箱流出Q2H水位自动控制系统下面通过具体例子来说明自动控制和自动控制系统的概念第一章绪论5控制器气动阀门流入Q1浮子水箱流出Q2H水位自动控制系统•控制任务：维持水箱内水位恒定；•控制装置：气动阀门、控制器；•受控对象：水箱、供水系统；•被控量：水箱内水位的高度；6控制器气动阀门流入Q1浮子水箱流出Q2H水位自动控制系统•给定值：控制器刻度盘指针标定的预定水位高度；•测量装置：浮子；•比较装置：控制器刻度盘；•干扰：水的流出量和流入量的变化都将破坏水位保持恒定；7自动控制即没有人直接参与的控制，其基本任务是：在无人直接参与的情况下，只利用控制装置操纵被控对象，使被控制量等于给定值。另一种定义：是指机器设备在没有人直接参与的情况下，经过自动检测、信息处理、分析判断、操纵控制实现预期的目标。自动控制系统：是指实现上述控制目的，由相互制约的各部分按一定规律组成的具有特定功能的整体。例：交通控制、水位控制、经济控制、人体控制一般由控制装置和被控对象组成。由此可见：8自动化的核心是“控制”自动化技术的两个方面：①人手（脚）的延伸——动力方面的自动化技术：工业化②人脑的延伸——信息处理方面的自动化技术:信息化9第一阶段:经典(自动)控制理论经典控制理论即古典控制理论,也称为自动控制理论。主要研究对象:对单输入单输出线性定常系统的分析和设计问题。它的发展大致经历了以下几个过程：一萌芽阶段如果要追朔自动控制技术的发展历史,早在两千年前中国就有了自动控制技术的萌芽。自动控制的发展历史101.两千年前我国发明的指南车，就是一种开环自动调节系统。指南车2.公元1086－1089年（北宋哲宗元祐初年），我国发明的水运仪象台，就是一种闭环自动调节系统。水运仪象台11公元235年马钧研制出能自动指示方向的指南车12公元前我国的自动计时漏壶公元132年张衡研制的候风地动仪13二起步阶段随着科学技术与工业生产的发展，到十八世纪，自动控制技术逐渐应用到现代工业中。其中最卓越的代表是瓦特（J.Watt）发明的蒸汽机离心调速器，加速了第一次工业革命的步伐。瓦特141788年英国Watt发明的控制蒸汽机速度的离心式调速器15三发展阶段1.1868年马克斯韦尔（J.C.Maxwell）解决了蒸汽机调速系统中出现的剧烈振荡的不稳定问题，提出了简单的稳定性代数判据。马克斯韦尔（J.C.Maxwell）162.1895年劳斯（Routh）与赫尔维茨（Hurwitz）把马克斯韦尔的思想扩展到高阶微分方程描述的更复杂的系统中,各自提出了两个著名的稳定性判据—劳斯判据和赫尔维茨判据。基本上满足了二十世纪初期控制工程师的需要。赫尔维茨（Hurwitz）173.由于第二次世界大战需要控制系统具有准确跟踪与补偿能力，1932年奈奎斯特（H.Nyquist）提出了频域内研究系统的频率响应法，为具有高质量的动态品质和静态准确度的军用控制系统提供了所需的分析工具。奈奎斯特184.1948年伊万斯（W.R.Ewans）提出了复数域内研究系统的根轨迹法。建立在奈奎斯特的频率响应法和伊万斯的根轨迹法基础上的理论，称为经典（古典）控制理论（或自动控制理论）。19四标志阶段1.1947年控制论的奠基人美国数学家韦纳（N.Weiner）把控制论引起的自动化同第二次产业革命联系起来，并与1948年出版了《控制论—关于在动物和机器中控制与通讯的科学》，书中论述了控制理论的一般方法，推广了反馈的概念，为控制理论这门学科奠定了基础。控制论之父——韦纳202.我国著名科学家钱学森将控制理论应用于工程实践，并与1954年出版了《工程控制论》。钱学森21从四十年代到五十年代末，经典控制理论的发展与应用使整个世界的科学水平出现了巨大的飞跃，几乎在工业、农业、交通运输及国防建设的各个领域都广泛采用了自动化控制技术。（可以说工业革命和战争促使了经典控制理论的发展）。22第二阶段现代控制理论科学技术的发展不仅需要迅速地发展控制理论，而且也给现代控制理论的发展准备了两个重要的条件—现代数学和数字计算机。现代数学，例如泛函分析、现代代数等，为现代控制理论提供了多种多样的分析工具；而数字计算机为现代控制理论发展提供了应用的平台。在二十世纪五十年代末开始，随着计算机的飞速发展，推动了核能技术、空间技术的发展，从而对出现的多输入多输出系统、非线性系统和时变系统。主要研究对象:多输入、多输出、时变参数、高精度复杂系统的分析和设计问题。231.五十年代后期，贝尔曼（Bellman）等人提出了状态分析法；在1957年提出了动态规划。1.1959年卡尔曼（Kalman）和布西创建了卡尔曼滤波理论；1960年在控制系统的研究中成功地应用了状态空间法，并提出了可控性和可观测性的新概念。卡尔曼243.罗森布洛克（H.H.Rosenbrock）、欧文斯（D.H.Owens）和麦克法轮（G.J.MacFarlane）研究了使用于计算机辅助控制系统设计的现代频域法理论，将经典控制理论传递函数的概念推广到多变量系统，并探讨了传递函数矩阵与状态方程之间的等价转换关系，为进一步建立统一的线性系统理论奠定了基础2.1961年庞特里亚金（俄国人）提出了极小（大）值原理。庞特里亚金L.S.Pontryagin254.20世纪70年代奥斯特隆姆（瑞典）和朗道（法国，L.D.Landau）在自适应控制理论和应用方面作出了贡献。与此同时，关于系统辨识、最优控制、离散时间系统和自适应控制的发展大大丰富了现代控制理论的内容。朗道L.D.Landau26第三阶段鲁棒控制理论阶段1.由于现代数学的发展，结合着H2和H等范数而出现了H2和H控制，还有逆系统控制等方法。2.20世纪70年代末，控制理论向着“大系统理论”、“智能控制理论”和“复杂系统理论”的方向发展：27大系统理论：用控制和信息的观点，研究各种大系统的结构方案、总体设计中的分解方法和协调等问题的技术基础理论。复杂大系统控制28智能控制理论：研究与模拟人类智能活动及其控制与信息传递过程的规律，研制具有某些拟人智能的工程控制与信息处理系统的理论。洗衣机智能模糊控制机器人神经网络控制29复杂系统理论：把系统的研究拓广到开放复杂巨系统的范筹，以解决复杂系统的控制为目标。回顾控制理论的发展历程可以看出，它的发展过程反映了人类由机械化时代进入电气化时代，并走向自动化、信息化、智能化时代。复杂航天器控制30研究对象数学工具分析方法局限性经典控制理论单I/O线性定常系统微分方程，传递函数时域法频域法根轨迹法对复杂多变量系统、时变和非线性系统无能为力现代控制理论多输入-多输出变系数，非线性等系统线性代数、矩阵理论状态空间法比较繁琐（但由于计算机技术的迅速发展，已克服)31自动立体仓库4.自动控制系统（应用举例）32注塑机自动搬运车4.自动控制系统（应用举例）33哈勃望远镜－特殊地卫星中巴资源卫星人造地球卫星控制其准确地进入预定轨道运行并回收4.自动控制系统（应用举例）34无人驾驶飞机按预定轨迹飞行4.自动控制系统（应用举例）35制导导弹现代的高新技术让导弹长上了“眼睛”和“大脑”，利用负反馈控制原理去紧紧盯住目标我国研制的地空导弹4.自动控制系统（应用举例）36雷达技术雷达操作时，天线就要不停地转动。天线的作用是把雷达中产生的无线电波按照一定的方向向外发射出去，并把被反射回来的无线电波接收下来。正因为天线所起的作用好似人的眼睛一样，因此雷达要注视和侦察整个天空的状况，天线就要不停地转动，用一个驱动马达使天线作360度的旋转，这样它就能在360度范围内进行“搜索”。4.自动控制系统（应用举例）37机器人足球比赛4.自动控制系统（应用举例）月球车38机器人干活机器人跳舞4.自动控制系统（应用举例）39第二节控制系统的基本组成控制系统的组成：输入部分、控制系统部分和输出部分。从物理角度上看，自动控制研究的是特定激励作用下的系统响应变化情况；从数学角度上看，研究的是输入与输出之间的映射关系。输入输出控制系统40一、人工控制与自动控制4142二、开环控制系统例：烤面包机输入—定时器设定的时间输出—面包的颜色控制对象—烤箱的加热系统控制器被控对象输入量控制量输出量•控制器与被控对象之间只有正向的控制作用。•输出量对控制量没有影响。•输入输出间没有反馈回路。43温度计加热电阻丝u~220Vk炉温开环控制系统开关闭合后，不同的输入电压u对应于不同的温度t。44给定值输出量典型开环控制的方框图控制器被控制对象扰动输出量受控对象控制装置(电源)输入量(温度)扰动量开关电炉恒温箱加热电阻丝炉温开环控制系统方框图4546按干扰补偿的开环控制定义：利用干扰信号产生控制作用，以及时补偿干扰对被控量的直接影响。计算测量受控对象执行干扰被控量特点：只能对可测干扰进行补偿，对不可测干扰以及受控对象、各功能部件内部参数变化对被控量的影响，系统自身无法控制。适用于：存在强干扰且变化比较剧烈的场合。47水位高度控制系统原理图水位高度控制系统原理方框图48开环控制系统的特点：1.结构简单、造价低。2.系统的控制精度取决于给定信号的标定精度及控制器及被控对象参数的稳定性。3.开环系统没有抗干扰的能力。因此精度较低。应用场合：1.控制量的变化规律可以预知。2.可能出现的干扰可以抑制。3.被控量很难测量。应用较为广泛，如家电、加热炉、车床等等。49三、闭环控制系统开环系统精度不高、适应性不强。将输出量引入到输入端，使输出量对控制作用产生直接的影响。形成闭环控制系统。Mc↑→n↓→uf↓→ue(=ur-uf)↑→ua↑→n↑50前向通道：系统输入量到输出量之间的通道。反馈通道：从输出量到反馈信号之间的通道。比较环节：输出量为各输入量的代数和。输入量：ur输出量：n反馈量：uf控制量：ua偏差量(ue)＝给定量(ur)－反馈量(uf)51如人取桌上书的过程（见下图）：眼睛大脑手臂、手眼睛输出量（手位置）输入信号（书位置）被控对象被控量测量元件52输出量环节名称（或特性）输入量(a)(-)(b)re=r-bb(c)c引出点cc闭环控制系统的方框图•方框图的组成：扰动被控量偏差信号(-)参考输入信号r(t)调节器(或控制器)u(t)受控系统e(t)c(t)反馈信号控制量给定控制环节放大元件执行机构受控对象反馈装置(测量元件)53扰动(b)方框图(-)utug给定装置放大器电动机转速反馈装置触发器晶阐管可控整流器控制装置受控对象nueudo54闭环控制系统的特点：1.系统对外部或内部干扰(如内部件参数变动)的影响不甚敏感。2.出于采用反馈装置，导致设备增多，线路复杂。3.闭环系统存在稳定性问题。由于反馈通道的存在，对于那些惯性较大的系统，若参数配合不当，控制性能可能变得很差．甚至出现发散或等幅振荡等不稳定的情况。注意：对于主反馈必须采用负反馈。若采用正反馈将使偏差越来越大。闭环控制系统：通过反馈回路使系统构成闭环并按偏差的性质产生控制作用，以求减小或消除偏差(从而减小或消除误差)的控制系统。55开环优点：结构简单，成本低廉，工作稳定，当输入信号和扰动能预先知道时，控制效果较好。缺点：不能自动修正被控制量的偏离，系统的元件参数变化以及外来的未知扰动对控制精度影响较大。缺点：被控量可能出现振荡，甚至发散。四、开环控制与反馈控制的比较闭环优点：具有自动修正被控制量出现偏离的能力，可以修正元件参数变化及外界扰动引起的误差，控制精度高。56五、复合控制复合控制就是开环控制和闭环控制相结合的一种控制。实质上，它是在闭环控制回路的基础上，附加了一个输入信号或扰动作用的顺馈通路，来提高系统的控制精度。控制装