第1章2016自动控制的基本概念GG

1、2022-6-26第1章 自动控制的一般概念12022-6-26第1章 自动控制的一般概念2 1.1 自动控制与自动控制系统自动控制与自动控制系统1.2 自动控制的方式自动控制的方式1.3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类1.4 对自动控制系统的基本要求对自动控制系统的基本要求1.5 自动控制系统的分析与设计工具自动控制系统的分析与设计工具 第第1章章 自动控制的一般概念自动控制的一般概念2022-6-26第1章 自动控制的一般概念3自动控制理论发展简介自动控制理论发展简介 自动控制理论自动控制理论 经典控制理论经典控制理论 现代控制理论现代控制理论 自动控制原理自动控制原理系统数学模型的

2、建立系统数学模型的建立 时域分析时域分析 频域分析法频域分析法 根轨迹法根轨迹法 非线性系统非线性系统 采样控制系统采样控制系统 2022-6-26第1章 自动控制的一般概念4外部输入外部输入输出输出描述的传递函数描述的传递函数数学工具数学工具数学模型数学模型积分变换、积分变换、Z变变换，传递函数换，传递函数研究领域研究领域时域时域频域频域2022-6-26第1章 自动控制的一般概念51.1 自动控制与自动控制系统自动控制与自动控制系统自动控制：自动控制：是指在是指在没有人直接参与没有人直接参与的情况下，利用外加的设的情况下，利用外加的设备和装置，使机器设备或生产过程的某个工作状态或参数自备和

3、装置，使机器设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地动地按照预定的规律运行按照预定的规律运行。 自动控制系统：自动控制系统：完成自动控制所需的物理部件构成的有机整体。完成自动控制所需的物理部件构成的有机整体。 在自动控制系统中，在自动控制系统中，外加的设备外加的设备或或装置装置称为称为控制器控制器或或控制控制装置装置，机器设备机器设备或或生产过程生产过程统称为统称为控制对象控制对象，被控制的工作状被控制的工作状态或参数态或参数称为称为被控量或输出量被控量或输出量。 输出的期望值输出的期望值为为给定量给定量，即，即输入量输入量。妨碍控制量对被控量。妨碍控制量对被控量进行正常控制的所有因素称为进行

4、正常控制的所有因素称为扰动量扰动量。给定量和扰动量给定量和扰动量都是控都是控制系统的输入量。制系统的输入量。 2022-6-26第1章 自动控制的一般概念6一、水池液位控制系统一、水池液位控制系统 F1为出水阀、为出水阀、F2为进水阀，为进水阀，控制要求希望液位的等于控制要求希望液位的等于h0。当人参与控制时，就要不。当人参与控制时，就要不断地将实际液位与希望液位断地将实际液位与希望液位作比较，根据比较的结果，作比较，根据比较的结果，决定进水阀决定进水阀F1 开度是增大开度是增大还是减小，以达到维持液位还是减小，以达到维持液位不变的目的。不变的目的。由此可见，人若参与控制中起以下由此可见，人若

5、参与控制中起以下3方面的作用：方面的作用：测量、比较、执行与控制测量、比较、执行与控制手动控制手动控制2022-6-26第1章 自动控制的一般概念7用自动控制去代替上述的人工控制，那么在自动控制系统中必用自动控制去代替上述的人工控制，那么在自动控制系统中必须具有上述须具有上述3种职能机构，即种职能机构，即测量机构、比较机构和执行机构测量机构、比较机构和执行机构。 2022-6-26第1章 自动控制的一般概念8人工控制的恒值水位系统人工控制的恒值水位系统简单的水位自动控制系统简单的水位自动控制系统2022-6-26第1章 自动控制的一般概念9人工控制的恒值水位系统人工控制的恒值水位系统简单的水位

6、自动控制系统简单的水位自动控制系统+ -放大器放大器电动机电动机减速器减速器2022-6-26第1章 自动控制的一般概念10 自动控制自动控制 水位自动控制系统原理图水位自动控制系统原理图自动控制系统，就可自动控制系统，就可以实现不论经出水阀以实现不论经出水阀F1流出的流量如何变流出的流量如何变化，系统总能自动地化，系统总能自动地维持其液位高度在允维持其液位高度在允许的偏差范围之内。许的偏差范围之内。 调节过程：调节过程：假设水池液位因假设水池液位因F1阀开度的增大而降低，则系统阀开度的增大而降低，则系统立即产生一个与降落液位成比例的误差电压立即产生一个与降落液位成比例的误差电压u，该电压经放

7、大器，该电压经放大器放大后供电给进水阀的拖动电动机，使阀放大后供电给进水阀的拖动电动机，使阀F2的开度也相应地增的开度也相应地增大，从而使水池的液位恢复到所希望的高度。大，从而使水池的液位恢复到所希望的高度。 2022-6-26第1章 自动控制的一般概念11 自动控制系统：自动控制系统：完成自动控制所需的物理部件构成的完成自动控制所需的物理部件构成的有机整体。有机整体。 在自动控制系统中，在自动控制系统中，外加的设备外加的设备或或装置装置称为称为控制器控制器或或控控制装置制装置，机器设备机器设备或或生产过程生产过程统称为统称为控制对象控制对象，被控制的工被控制的工作状态或参数作状态或参数称为称

8、为被控量或输出量被控量或输出量。 输出的期望值输出的期望值为为给定量给定量，即，即输入量输入量。妨碍控制量对被控。妨碍控制量对被控量进行正常控制的所有因素称为量进行正常控制的所有因素称为扰动量扰动量。给定量和扰动量给定量和扰动量都都是控制系统的输入量。是控制系统的输入量。 2022-6-26第1章 自动控制的一般概念12系统组成：系统组成： 被控对象被控对象-水池水池 测量元件测量元件-浮子浮子 比较机构比较机构-浮子的希望位置与实际位置之差浮子的希望位置与实际位置之差 放大机构放大机构-提高系统的控制精度提高系统的控制精度 执行元件执行元件-驱动被控对象，以改变被控制的量驱动被控对象，以改变

9、被控制的量水位水位自动控制系统方框图自动控制系统方框图 自动控制自动控制 2022-6-26第1章 自动控制的一般概念13 1.2 自动控制的方式自动控制的方式1.2.1 开环控制与闭环控制开环控制与闭环控制 开环直流调速系统开环直流调速系统 dU参考输入：参考输入：gU晶闸管整流装置输出晶闸管整流装置输出直流电压：直流电压：转速：转速：n 当电动机的负载、交流电网的电压以及电动机的励磁稍当电动机的负载、交流电网的电压以及电动机的励磁稍有变化时，电动机的转速就会随之变化，不能再维持有变化时，电动机的转速就会随之变化，不能再维持所期望所期望的转速。的转速。 2022-6-26第1章 自动控制的一

10、般概念141.2.1 开环控制与闭环控制开环控制与闭环控制 1.开环控制开环控制开环控制：开环控制：系统中的信号系统中的信号只从控制装置向被控对象传递只从控制装置向被控对象传递，而无，而无反向传递，即信号传递路径反向传递，即信号传递路径不构成不构成闭合回路，相应的控制系统闭合回路，相应的控制系统称为开环控制系统。称为开环控制系统。 特点：特点：结构简单，所用的元件少，成本低，系统容结构简单，所用的元件少，成本低，系统容易稳定；抗干扰易稳定；抗干扰 能力差。能力差。控制装置与受控对象之间只有控制装置与受控对象之间只有顺向作用顺向作用而无反向联系。而无反向联系。2022-6-26第1章 自动控制的

11、一般概念15调节过程：调节过程： nUUUUUUnuTdkfngfnl)(闭环直流调速系统闭环直流调速系统 2. 闭环控制闭环控制2022-6-26第1章 自动控制的一般概念16闭环控制：闭环控制：在控制系统中，通过在控制系统中，通过测量装置测量装置检测输出量，并与输入检测输出量，并与输入信号进行信号进行比较比较，进而使控制装置按照，进而使控制装置按照二者的偏差二者的偏差来调节输出量，来调节输出量，此类控制方式称为闭环控制。此时系统中存在信号的反向传递，此类控制方式称为闭环控制。此时系统中存在信号的反向传递，通过测量装置使信号流构成闭合回路。通过测量装置使信号流构成闭合回路。闭环控制闭环控制又

12、称为又称为反馈控制或偏差控制反馈控制或偏差控制，相应的控制系统称为相应的控制系统称为闭环闭环控制系统控制系统 。闭环控制系统的方框图闭环控制系统的方框图 2022-6-26第1章 自动控制的一般概念17闭环控制系统特点：闭环控制系统特点：(1)闭环控制称为闭环控制称为偏差控制或反馈控制。偏差控制或反馈控制。(2)闭环控制系统具有两种传输信号的通道：前向通道和反馈闭环控制系统具有两种传输信号的通道：前向通道和反馈通道。通道。(3)闭环控制能有效克服作用在反馈环内前向通道上扰动，使闭环控制能有效克服作用在反馈环内前向通道上扰动，使得系统的被控量基本不受该扰动的影响。得系统的被控量基本不受该扰动的影

13、响。 由信号反馈构成闭环由信号反馈构成闭环 控制作用由偏差产生控制作用由偏差产生2022-6-26第1章 自动控制的一般概念18电电 压压放大器放大器M+ If-Ud晶闸管功晶闸管功率放大器率放大器TG扰动扰动控控 制制 装装 置置n电电位位器器电电 压压放大器放大器晶闸管功晶闸管功率放大器率放大器直直 流流电动机电动机电位器电位器测速发电机测速发电机输出量输出量n2022-6-26第1章 自动控制的一般概念19u开环控制开环控制2022-6-26第1章 自动控制的一般概念20+-+ugudoMiuin(a) 原理图原理图R 放大放大 器器 负载负载 给定信号给定信号ug被控量被控量 扰动扰动

14、inui(b) 方块图方块图 电压电压 放大放大 电阻电阻 R 触发触发 器器 晶阐管可晶阐管可 控整流器控整流器 电动电动 机机控制装置与受控对象之间只有控制装置与受控对象之间只有顺向作用顺向作用而而无反向联系无反向联系。前馈控制前馈控制(开环开环)2022-6-26第1章 自动控制的一般概念21开环控制系统开环控制系统： 1. 结构简单经济结构简单经济 2.调试方便调试方便 3.抗干扰能力差，控制精度不高。抗干扰能力差，控制精度不高。闭环控制系统闭环控制系统： 1.系统具有纠正偏差的能力。系统具有纠正偏差的能力。 2.抗扰性好，控制精度高。抗扰性好，控制精度高。 3.包含元件多，结构复杂，

15、价格高。包含元件多，结构复杂，价格高。 4.参数应选择适当参数应选择适当。开环闭环复合控制系统（兼有两者的优点，精度很高）开环闭环复合控制系统（兼有两者的优点，精度很高） 2022-6-26第1章 自动控制的一般概念22n扰动扰动(ML)uiugut(- -)(b) 方块图方块图 扰动检扰动检 测装置测装置 晶阐管可晶阐管可 控整流器控整流器 转速反转速反 馈装置馈装置 电动电动 机机 放大器放大器 放大器放大器 触发器触发器udoMR iugutTG(a) 原理图原理图 负载负载放大器放大器 放大器放大器+2022-6-26第1章 自动控制的一般概念23复合控制复合控制两种基本形式：两种基本

16、形式：输入顺馈补偿输入顺馈补偿的复合控制和的复合控制和扰动前馈补扰动前馈补偿偿的复合控制。前馈补偿控制与反馈控制相结合，就构成了复合的复合控制。前馈补偿控制与反馈控制相结合，就构成了复合控制。控制。 输入补偿的顺馈复合控制输入补偿的顺馈复合控制 扰动补偿的前馈复合控制扰动补偿的前馈复合控制 特点：特点：将给定量或扰动量直接折算到系统输入端，对控制将给定量或扰动量直接折算到系统输入端，对控制量的大小进行修正，即在偏差产生之前就进行了防止偏差产生量的大小进行修正，即在偏差产生之前就进行了防止偏差产生的控制。的控制。 2022-6-26第1章 自动控制的一般概念241.2.2 闭环控制系统的基本组成

17、闭环控制系统的基本组成被控对象、控制装置被控对象、控制装置v 被控对象：被控对象：被控制的设备或过程。被控制的设备或过程。v (被控量被控量：被控设备或过程中需要加以控制的物理量被控设备或过程中需要加以控制的物理量v自动控制装置：自动控制装置：由具有一定职能的各种基本元件（部件）组成。由具有一定职能的各种基本元件（部件）组成。测量元件、给定元件测量元件、给定元件比较元件、放大元件比较元件、放大元件执行元件、校正元件执行元件、校正元件2022-6-26第1章 自动控制的一般概念25比较环节：比较环节：将给定环节输出的给定值与检测装置测量的输出值将给定环节输出的给定值与检测装置测量的输出值（反馈值

18、）进行比较，从而产生期望值与实际值的偏差（反馈值）进行比较，从而产生期望值与实际值的偏差 校正环节：校正环节：按某种规律对偏差信号进行运算，用运算的结果控制按某种规律对偏差信号进行运算，用运算的结果控制执行机构以改善被控制系统的性能执行机构以改善被控制系统的性能 功放环节：功放环节：提升控制信号的功率，以驱动执行机构。提升控制信号的功率，以驱动执行机构。执行环节：执行环节：控制被控对象的行为以改变其输出值。控制被控对象的行为以改变其输出值。 检测装置：检测装置：检测装置用来检测被控量，如热电偶、测速发电机检测装置用来检测被控量，如热电偶、测速发电机 2022-6-26第1章 自动控制的一般概念

19、262022-6-26第1章 自动控制的一般概念27主反馈：主反馈：直接取自系统输出端直接取自系统输出端n，经过测量和变换，又引入到，经过测量和变换，又引入到系统输入端的信号系统输入端的信号ub叫主反馈信号，相应的反馈叫主反馈。叫主反馈信号，相应的反馈叫主反馈。前向通道：前向通道：从系统从系统输入端到输出量输入端到输出量之间的通道称为前向通道。之间的通道称为前向通道。主反馈通道主反馈通道：从：从输出量到主反馈信号输出量到主反馈信号之间的通道称为主反馈通之间的通道称为主反馈通道。道。单位反馈系统：单位反馈系统：主反馈信号等于输出量主反馈信号等于输出量的系统叫单位反馈系统。的系统叫单位反馈系统。非

20、单位反馈系统：非单位反馈系统：主反馈信号不等于输出量的系统叫非单位反主反馈信号不等于输出量的系统叫非单位反馈系统。馈系统。局部反馈：局部反馈：对应内回路。对应内回路。2022-6-26第1章 自动控制的一般概念281.3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类 1按元件特性分类：按元件特性分类：线性控制系统、非线性控制系统线性控制系统、非线性控制系统 2022-6-26第1章 自动控制的一般概念291110111101( )( )( )(1)( )( )( )( )( )nnnnnnmmmmmmd c tdc tdc taaaa c tdtdtdtd r tdr tdr tbbbb r tdtd

21、tdt2(2) ( )( ) ( )( )( )c tc t c tc tr t2022-6-26第一章 绪论302022-6-26第1章 自动控制的一般概念31定值定值(恒值恒值)控制系统、随动控制系统、随动(伺伺服服)系统、程序控制系统系统、程序控制系统 如恒温、水位、恒压控制系统如恒温、水位、恒压控制系统 比如：飞机比如：飞机和舰船的操舵系统，雷达自动跟踪系统。和舰船的操舵系统，雷达自动跟踪系统。c.c.程序控制系统程序控制系统（输入量按照给定的程序变化输入量按照给定的程序变化。）。） 任务：使输出量按预先给定的程序指令而动作最典任务：使输出量按预先给定的程序指令而动作最典型的就是数控车

22、床和机器人控制系统。型的就是数控车床和机器人控制系统。2022-6-26第1章 自动控制的一般概念32随动控制系统随动控制系统2022-6-26第1章 自动控制的一般概念334按系统输入和输出信号的数目分类：按系统输入和输出信号的数目分类：单输入单输出单输入单输出(SISO)系系统、多输入多输出统、多输入多输出(MIMO)系统系统5按控制系统的参数是否随时间变化，可分为按控制系统的参数是否随时间变化，可分为定常系统、时变定常系统、时变系统系统. 系统中的参数是时间系统中的参数是时间t的函数，则这类系统称为时变系统。的函数，则这类系统称为时变系统。3232( )( )( )( )(1)3610

23、( )2 ( )d c td c tdc tdr tc tr tdtdtdtdt( )( )(2)( )( )5dc tdr ttc tr tdtdt222( )(3) ( )5( )d r tc trttdt(4) ( )( )cos6c tr tt2(5) ( )( )c trt2022-6-26第1章 自动控制的一般概念341.4 对自动控制系统的基本要求对自动控制系统的基本要求 tnn1(a)0(b)nt0n0n1t0n(c)n0t(e)n1n0t(d)n0n1n0t( f )（1 1）稳定性）稳定性 对恒值系统要求当系统受到扰动后，经过一定对恒值系统要求当系统受到扰动后，经过一定时间

24、的调整能够回到原来的期望值。对随动系统，被控制量始时间的调整能够回到原来的期望值。对随动系统，被控制量始终跟踪参考量的变化。稳定性是对系统的基本要求终跟踪参考量的变化。稳定性是对系统的基本要求. . 2022-6-26第1章 自动控制的一般概念351.4 对自动控制系统的基本要求对自动控制系统的基本要求 （2）快速性）快速性 对过渡过程的形式和快慢提出对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称为动态性能。要求，一般称为动态性能。 （3）准确性）准确性(用用稳态误差稳态误差来表示。如果在参考输入信号作用下，当系统达到来表示。如果在参考输入信号作用下，当系统达到稳态后，其稳态输出与参考输入所要求的期望

25、输出之差叫做给稳态后，其稳态输出与参考输入所要求的期望输出之差叫做给定稳态误差。定稳态误差。t01输入输入c(t)122022-6-26第1章 自动控制的一般概念362022-6-26第1章 自动控制的一般概念371.5 自动控制系统的分析与设计工具自动控制系统的分析与设计工具 （1）系统辨识工具箱）系统辨识工具箱(system identification toolbox) （2）控制系统工具箱）控制系统工具箱(control system toolbox) （3）鲁棒控制工具箱）鲁棒控制工具箱(robust control toolbox)（4）模型预测控制工具箱）模型预测控制工具箱(mo

26、del predictive control toolbox) （5）模糊逻辑工具箱）模糊逻辑工具箱(fuzzy logic toolbox) （6）非线性控制设计模块）非线性控制设计模块(nonlinear control design blocket) 2022-6-26第1章 自动控制的一般概念38（1）系统辨识工具箱）系统辨识工具箱(system identification toolbox)该工具箱提供了进行系统模型辨识的工具，其主要功能包括：该工具箱提供了进行系统模型辨识的工具，其主要功能包括： 参数化模型辨识。有参数化模型辨识。有AR、ARX、状态空间和输出误差等模、状态空间和输

27、出误差等模型类辨识工具。型类辨识工具。 非参数化模型辨识。非参数化模型辨识。 模型验证。对辨识模型进行仿真并将真实输出数据与模型预模型验证。对辨识模型进行仿真并将真实输出数据与模型预测数据进行比较，计算响应的残差。测数据进行比较，计算响应的残差。 递推参数估计。针对各种参数模型，利用递推估计方法获得递推参数估计。针对各种参数模型，利用递推估计方法获得模型参数。模型参数。 各类模型的建立和转换。各类模型的建立和转换。 集成多种功能的图形用户。以图形交互方式实现各类模型的集成多种功能的图形用户。以图形交互方式实现各类模型的选择和建立，输入输出数据的加载和预处理，以及模型估计。选择和建立，输入输出数

28、据的加载和预处理，以及模型估计。 返回返回2022-6-26第1章 自动控制的一般概念39（2）控制系统工具箱）控制系统工具箱(control system toolbox)为为LTI线性定常系统的建模、分析和设计提供了一个完整的解决方线性定常系统的建模、分析和设计提供了一个完整的解决方案。其主要功能如下：案。其主要功能如下： 系统建模：状态空间、传递函数、零极点增益模型，并实系统建模：状态空间、传递函数、零极点增益模型，并实现任意两者之间的转换现任意两者之间的转换 系统分析：既支持连续和离散系统，也适用于系统分析：既支持连续和离散系统，也适用于SISO和和MIMO系统；时域分析系统；时域分析

29、 、频域分析、频域分析 系统设计：计算系统的各种特性，如可控和可观测系统设计：计算系统的各种特性，如可控和可观测Gramain矩阵、系统零极点、李雅普诺夫方程、稳定裕度、阻尼系数，矩阵、系统零极点、李雅普诺夫方程、稳定裕度、阻尼系数，以及根轨迹的增益选择等以及根轨迹的增益选择等 返回返回2022-6-26第1章 自动控制的一般概念40（3）鲁棒控制工具箱）鲁棒控制工具箱(robust control toolbox)该工具箱提供鲁棒分析和设计的工具有：该工具箱提供鲁棒分析和设计的工具有： 模型建立和转换工具。建立增广状态方程和传递函数模型，模型建立和转换工具。建立增广状态方程和传递函数模型，进

30、行多变量系统双线性变换等。进行多变量系统双线性变换等。 鲁棒分析工具。进行特征根轨迹、奇异值、结构奇异值分鲁棒分析工具。进行特征根轨迹、奇异值、结构奇异值分析等。析等。 鲁棒综合工具。进行频率加权鲁棒综合工具。进行频率加权LQG综合，综合，LQG/LTR，H综合等。综合等。 鲁棒模型降价工具。实现均衡降价，最优鲁棒模型降价工具。实现均衡降价，最优Hankel范数近似范数近似降价降价(具有加性误差界具有加性误差界)，Schur均衡截断降价均衡截断降价(具有加性误差界具有加性误差界)，Schur均衡随机截断降价均衡随机截断降价(具有加性误差界具有加性误差界)等。等。返回2022-6-26第1章 自

31、动控制的一般概念41（4）模型预测控制工具箱）模型预测控制工具箱(model predictive control toolbox)该工具箱提供了一系列函数，用于模型预测控制的分析、设该工具箱提供了一系列函数，用于模型预测控制的分析、设计和仿真。这些函数的主要类型如下：计和仿真。这些函数的主要类型如下： 系统模型辨识。通过多变量线性回归方法计算系统模型辨识。通过多变量线性回归方法计算MISO脉冲脉冲响应模型，由响应模型，由MISO脉冲响应模型生成脉冲响应模型生成MIMO阶跃响应模型，对阶跃响应模型，对测量数据尺度化等。测量数据尺度化等。 模型建立和转换。建立模型预测工具箱使用的模型建立和转换。

32、建立模型预测工具箱使用的mod模型，模型，以及状态空间模型与以及状态空间模型与mod模型、阶跃响应模型、脉冲响应模型模型、阶跃响应模型、脉冲响应模型之间的转换。之间的转换。 模型预测控制器设计和仿真。有面向阶跃响应模型的预测模型预测控制器设计和仿真。有面向阶跃响应模型的预测控制器设计和仿真，以及面向控制器设计和仿真，以及面向MPC-mod模型的设计和仿真。模型的设计和仿真。 系统分析。有计算模型预测控制系统频率响应、极点和奇系统分析。有计算模型预测控制系统频率响应、极点和奇异值功能。异值功能。返回2022-6-26第1章 自动控制的一般概念42（5）模糊逻辑工具箱）模糊逻辑工具箱(fuzzy logic toolbox) 易于使用的图形化设计。模糊逻辑工具箱提供了建立和测试易于使用的图形化设计。模糊逻辑工具箱提供了建立和测试模糊逻辑系统的一整套功能函数，包括可视化定义语言变量及其模糊逻辑系统的一整套功能函数，包括可视化定义语言变量及其隶属度函数、模糊推理方式选择函数、模糊推理规则编辑函数、隶属度函数、模糊推理方式选