浙大_控制理论甲课件_第一章_颜文俊

1、College of BEISZhejiang University1第一章 概论Automatic Control Theory黄轶伦 主讲生物医学工程与仪器科学学ollege of BEISZhejiang University2第一章 概论q 信号是消息的表现形式，通常体现为随若干变量而变化的某种物理量。在数学上，可以描述为一个或多个独立变量的函数。q 信息通过信号表现，信号蕴含着信息的具体内容。q 信号广泛地出现在各个领域中，以各种各样的表现形式携带着特定的消息。什么是信号？什么是信号？College of BEISZhejiang University3第一

2、章 概论q 系统是由若干相互作用和相互依赖的事物组合而成的具有特定功能的整体。q 通常，利用通信系统、控制系统和计算机系统进行信号的传输、交换与处理。实际上，往往需要将多种系统共同组成一个综合性的复杂整体。如宇宙航行系统。什么是系统？什么是系统？College of BEISZhejiang University什么是系统模型？什么是系统模型？ 所谓系统模型是指对实际系统基本特性的一种抽象描述。 根据不同需要，系统模型往往具有不同形式。以电系统为例，它可以是由理想元器件互联组成的电路图，由基本运算单元(如加法器、乘法器、积分器等)构成的模拟框图，或者由节点、传输支路组成的信号流图；也可以是在上

3、述电路图、模拟框图或信号流图的基础上，按照一定规则建立的用于描述系统特性的数学方程。 这种数学方程也称为系统的数学模型。 College of BEISZhejiang University 如果系统只有单个输入和单个输出信号，则称为单输入单输出系统，如图所示。如果含有多个输入、输出信号， 就称为多输入多输出系统 。单输入单输出系统 单 输 入 单 输 出系 统y( )f ( )College of BEISZhejiang University多输入多输出系统 多 输 入 多 输 出系 统y1( )f1( )f2( )fp( )y2( )yq( )College of BEISZhejian

4、g Universityq 研究系统所关心的问题是：对于给定信号形式与传输、处理的要求，系统能否与其相匹配，它应具有怎样的功能和特性。系统的研究内容系统的研究内容College of BEISZhejiang Universityq 离开了信号，系统将失去意义。q 信号作为待传输消息的表现形式，可以看作运载消息的工具。q 系统则是为传送信号或对信号进行加工处理而构成的某种组合。信号与系统的关系信号与系统的关系College of BEISZhejiang University在系统或网络理论研究中，进行与（网络分析与网络综合）两方面。：研究在给定系统的条件下，系统对于输入激励信号所产生的输出响

5、应。：按某种需要先提出对于给定激励的响应，而后根据此要求设计（综合）系统。分析与综合二者关系密切，但又有各自的体系和研究方法，一般讲，学习分析是学习综合的基础。系统的研究问题方法系统的研究问题方法College of BEISZhejiang University10第一章 概论q 什么是控制？什么是控制？ 掌握住对象，不使其任意活动或超出范围，或使其按照控制者的掌握住对象，不使其任意活动或超出范围，或使其按照控制者的意愿活动。意愿活动。q 什么是自动控制？什么是自动控制？ 在没有人直接参与的条件下，利用控制装置使被控对象按照预定在没有人直接参与的条件下，利用控制装置使被控对象按照预定的技术要

6、求进行工作。的技术要求进行工作。 q 什么是自动控制系统？什么是自动控制系统？ 指能够完成自动控制任务的设备，一般由控制装置和被控对象组指能够完成自动控制任务的设备，一般由控制装置和被控对象组成。成。College of BEISZhejiang University11第一章 概论q 被控对象被控对象 ：指需要给以控制的机器、设备或生产过程。被控对象：指需要给以控制的机器、设备或生产过程。被控对象是控制系统的主体，例如火箭、锅炉、机器人、电冰箱等。是控制系统的主体，例如火箭、锅炉、机器人、电冰箱等。q 控制装置控制装置 ：指对被控对象起控制作用的设备总体。：指对被控对象起控制作用的设备总体。

7、 q 被控量被控量 ：指被控对象中要求保持给定值、要按给定规律变化的物：指被控对象中要求保持给定值、要按给定规律变化的物理量。被控量又称输出量、输出信号理量。被控量又称输出量、输出信号 。q 给定值给定值 ：是作用于自动控制系统的输入端并作为控制依据的物理：是作用于自动控制系统的输入端并作为控制依据的物理量。给定值又称输入信号、输入指令、参考输入。量。给定值又称输入信号、输入指令、参考输入。q 反馈量反馈量 ：由被控量通过反馈元件所产生的信号，它是被控量的函：由被控量通过反馈元件所产生的信号，它是被控量的函数。数。q 干扰量干扰量 ：除给定值之外，凡能引起被控量变化的信号，都是干扰。：除给定值

8、之外，凡能引起被控量变化的信号，都是干扰。干扰又称扰动。干扰又称扰动。College of BEISZhejiang University12第一章 概论给定值：给定值：水位希望值水位希望值控制任务：控制任务：使水位等于希望值使水位等于希望值被控量：水位反馈元件：手指反馈量：水位执行元件：右手被控对象：水箱系统比较器、控制元件：大脑College of BEISZhejiang University13第一章 概论大 脑右 手阀 门水 箱水 箱 系 统左 手 手 指水 位干 扰College of BEISZhejiang University14第一章 概论q 在此例中，控制任务、被控对象、

9、给定量、被控量都与前一个例在此例中，控制任务、被控对象、给定量、被控量都与前一个例子相同，浮子代替了手指成为反馈元件（测量元件），气动阀门子相同，浮子代替了手指成为反馈元件（测量元件），气动阀门代替手臂成为执行元件，控制器则完成了人大脑的工作，这样就代替手臂成为执行元件，控制器则完成了人大脑的工作，这样就组成了一个自动控制系统。组成了一个自动控制系统。控控制制器器气气动动阀阀门门流流入入Q Q1 1浮浮子子水水箱箱流流出出 Q Q2 2H H控控制制器器气气动动阀阀门门流流入入Q Q1 1浮浮子子水水箱箱流流出出 Q Q2 2H HCollege of BEISZhejiang Univers

10、ity15第一章 概论控制器控制器执行器执行器水箱系统水箱系统反馈元件反馈元件Q2给定给定Q1反馈反馈控制控制扰动扰动控 制 器控 制 器气 动 阀 门气 动 阀 门流 入流 入Q1Q1浮 子浮 子水 箱水 箱流 出流 出Q2Q2H H控 制 器控 制 器气 动 阀 门气 动 阀 门流 入流 入Q1Q1浮 子浮 子水 箱水 箱流 出流 出Q2Q2H HCollege of BEISZhejiang University16第一章 概论q 开环控制开环控制 按给定量控制按给定量控制 按干扰量控制按干扰量控制q 闭环控制闭环控制q 复合控制复合控制 按偏差控制按偏差控制+按干扰补偿控制按干扰补偿控

11、制 按偏差控制按偏差控制+按给定补偿控制按给定补偿控制College of BEISZhejiang University17第一章 概论q 系统的输出端与输入端之间不存在反馈回路，输出量对系统的控系统的输出端与输入端之间不存在反馈回路，输出量对系统的控制作用没有影响。制作用没有影响。扰动扰动输出量输出量输入量输入量控制装置控制装置受控对象受控对象按给定量控制按给定量控制特点：控制装置只接受给定值来控制受控对象的被控量。特点：控制装置只接受给定值来控制受控对象的被控量。优点：控制系统结构简单，相对来说成本低。优点：控制系统结构简单，相对来说成本低。缺点：对可能出现的被控量偏离给定值的偏差没有任

12、何修正能力，抗干扰能缺点：对可能出现的被控量偏离给定值的偏差没有任何修正能力，抗干扰能力差，控制精度不高。力差，控制精度不高。College of BEISZhejiang University18第一章 概论温度计温度计 加热电阻丝加热电阻丝调压器调压器u(a) 原理图原理图220V输出量输出量 (手柄位置手柄位置)输入量输入量 调压器调压器 加热加热 电阻丝电阻丝 电炉电炉 恒温箱恒温箱 受控对象受控对象( (温度温度) )扰动量扰动量(b) 方块图方块图控制装置控制装置College of BEISZhejiang University19第一章 概论q 按干扰量控制：利用干扰信号产生控

13、制作用，以及时补偿干扰对按干扰量控制：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。也称被控量的直接影响。也称前馈控制前馈控制。特点：只能对可测干扰进行补偿，不可测干扰以及受控对象、各功能部特点：只能对可测干扰进行补偿，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。扰且变化比较剧烈的场合。控制装置控制对象给定量干扰量输出量College of BEISZhejiang University20第一章 概论(a) 原理图原理图杠杆阀门l1水箱水位高度

14、H干扰(Q2或l2)(b) 框图框图College of BEISZhejiang University21第一章 概论q 闭环控制：通过计算被控量和给定值的差值来控制被控对象。闭环控制：通过计算被控量和给定值的差值来控制被控对象。优点：可以自动调节由于干扰和内部参数的变化而引起的变动。优点：可以自动调节由于干扰和内部参数的变化而引起的变动。 参考输入元件控制元件执行元件被控对象反馈元件主反馈b(t)e(t)偏差+被控量扰动n(t)c(t)College of BEISZhejiang University22第一章 概论q 反馈反馈(feedback)：将输出量通过一定的方式送回到输入端，并

15、与将输出量通过一定的方式送回到输入端，并与输入信号比较产生偏差信号过程称为反馈输入信号比较产生偏差信号过程称为反馈q 负反馈负反馈(negative feedback)：输入信号输入信号-反馈信号（或输出信号）反馈信号（或输出信号）使得系统的输出偏差减小使得系统的输出偏差减小q 正反馈（正反馈（positive feedback)：输入信号输入信号+反馈信号（或输出信号）反馈信号（或输出信号）使得系统的输出偏差增大使得系统的输出偏差增大闭环控制方式控制精度较高，因为无论是干扰的作用，还是系统结构参闭环控制方式控制精度较高，因为无论是干扰的作用，还是系统结构参数的变化，只要被控量偏离给定值，系统

16、就会自行纠偏。但是，如果引数的变化，只要被控量偏离给定值，系统就会自行纠偏。但是，如果引入不适当的反馈，如正反馈，或者参数匹配得不好，会造成被控量的较入不适当的反馈，如正反馈，或者参数匹配得不好，会造成被控量的较大摆动，甚至系统无法正常工作。大摆动，甚至系统无法正常工作。College of BEISZhejiang University23第一章 概论给定电位器给定电位器电动机电动机UrUaUtT工件工件燃油燃油炉炉混合器混合器阀门阀门空气空气燃油燃油Q热电偶热电偶炉温控制系统炉温控制系统电位器电位器电动机电动机燃油炉燃油炉与与T对应的对应的给定阻值给定阻值工件温度等工件温度等t热电偶热电偶

17、阀门阀门UUa混合器混合器nQ放大器放大器放大器放大器UUt被控对象被控对象T:给定温度给定温度 t:被控量被控量控制器控制器测测量量变变送送装装置置College of BEISZhejiang University24第一章 概论舵轮随动系统舵轮随动系统 电位器电位器舵轮舵轮UrUc Ua U舵舵减速器减速器cABr电位器电位器A比较放大比较放大干扰力矩干扰力矩n电位器电位器B电动机电动机减速装置减速装置UcUr舵舵Urc被控对象被控对象输输入入设设定定装装置置控制器控制器比较放大装置比较放大装置College of BEISZhejiang University25第一章 概论q 复合控

18、制就是开环控制和闭环控制相结合的一种控制。实质上，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前馈通路，来提高系统的控制精度。的前馈通路，来提高系统的控制精度。按偏差控制按偏差控制+按干扰补偿控制按干扰补偿控制控制装置受控装置C(t)R(t)补偿装置n(t)按偏差控制按偏差控制+按给定补偿控制按给定补偿控制控制装置受控装置C(t)R(t)补偿装置College of BEISZhejiang University26第一章 概论水温控制系统水温控制系统工作原理：工作原理

19、：温度传感器不断测量交换器出口处的实际水温，并在温度控制器中温度传感器不断测量交换器出口处的实际水温，并在温度控制器中与给定温度相比较，若低于给定温度，其偏差值使蒸汽阀门开大，进入热交换与给定温度相比较，若低于给定温度，其偏差值使蒸汽阀门开大，进入热交换器的蒸汽量加大，热水温度升高，直至偏差为零。如果由于某种原因，冷水流器的蒸汽量加大，热水温度升高，直至偏差为零。如果由于某种原因，冷水流量加大，则流量值由流量计测得，通过温度控制器，开大阀门，使蒸汽量增加量加大，则流量值由流量计测得，通过温度控制器，开大阀门，使蒸汽量增加，提前进行控制，实现按冷水流量进行顺馈补偿，保证热交换器出口的水温不，提前

20、进行控制，实现按冷水流量进行顺馈补偿，保证热交换器出口的水温不发生大的波动。发生大的波动。College of BEISZhejiang University27第一章 概论温度控制器阀门热交换器流量计温度传感器冷水流量热水流量给定温度College of BEISZhejiang University28第一章 概论按控制方式分按控制方式分按被控对象分按被控对象分按系统性能分按系统性能分按给定值变化规律分按给定值变化规律分按系统功用分按系统功用分按给定值操纵的开环控制按给定值操纵的开环控制按干扰补偿的开环控制按干扰补偿的开环控制按偏差调节的闭环控制按偏差调节的闭环控制复合控制：闭环反馈为主，

21、开环补偿为辅复合控制：闭环反馈为主，开环补偿为辅恒值系统恒值系统 随动系统随动系统程序控制系统程序控制系统运动控制系统运动控制系统过程控制系统过程控制系统温度控制系统温度控制系统压力控制系统压力控制系统位置控制系统位置控制系统线性线性/ /非线性系统非线性系统连续连续/ /离散性系统离散性系统定常定常/ /时变性系统时变性系统确定确定/ /不确定系统不确定系统College of BEISZhejiang University29第一章 概论q 稳定性稳定性q 快速性快速性q 准确性准确性稳定性就是指动态过程的振荡倾向和系统能够恢复平衡状态的能力。稳定性就是指动态过程的振荡倾向和系统能够恢复平

22、衡状态的能力。输出量偏离平衡状态后应该随着时间收敛并且最后回到初始的平衡状输出量偏离平衡状态后应该随着时间收敛并且最后回到初始的平衡状态。稳定性的要求是系统工作的首要条件。态。稳定性的要求是系统工作的首要条件。快速性是指当系统输出量与给定的输入量之间产生偏差时，消除这种快速性是指当系统输出量与给定的输入量之间产生偏差时，消除这种偏差的快速程度。它是在系统稳定的前提下提出的。它是反映暂态响偏差的快速程度。它是在系统稳定的前提下提出的。它是反映暂态响应的一个指标。应的一个指标。准确性是指在调整过程结束后输出量与线路定的输入量之间的偏差，准确性是指在调整过程结束后输出量与线路定的输入量之间的偏差，或称为静态精度。它是反映系统稳态响应的一个性