浙大-控制理论甲课件-第一章-颜文俊

1第一章概论自动控制理论

AutomaticControlTheory黄轶伦主讲生物医学工程与仪器科学学院cindyhyl@135157149591.1信号与系统2第一章概论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。信息通过信号表现，信号蕴含着信息的具体内容。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？3第一章概论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。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。

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。单输入单输出系统多输入多输出系统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。系统的研究内容离开了信号，系统将失去意义。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。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。信号与系统的关系在系统或网络理论研究中，进行系统分析与系统综合（网络分析与网络综合）两方面。系统分析：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应。系统综合：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10第一章概论1.2几个基本概念什么是控制？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意愿活动。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的技术要求进行工作。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成。11第一章概论几个基本概念被控对象：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。控制装置：指对被控对象起控制作用的设备总体。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理量。被控量又称输出量、输出信号。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量。给定值又称输入信号、输入指令、参考输入。反馈量：由被控量通过反馈元件所产生的信号，它是被控量的函数。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。干扰又称扰动。12第一章概论水箱水位的人工控制给定值：水位希望值控制任务：使水位等于希望值13第一章概论水箱水位的人工控制框图14第一章概论水箱水位的自动控制在此例中，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。15第一章概论水箱水位的自动控制框图控制器执行器水箱系统反馈元件Q2给定Q1反馈控制扰动＋16第一章概论1.3控制的基本方式开环控制按给定量控制按干扰量控制闭环控制复合控制按偏差控制+按干扰补偿控制按偏差控制+按给定补偿控制17第一章概论开环控制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。扰动输出量输入量控制装置受控对象按给定量控制特点：控制装置只接受给定值来控制受控对象的被控量。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何修正能力，抗干扰能力差，控制精度不高。18第一章概论按给定量控制实例温度计

加热电阻丝调压器u(a)原理图~220V输出量(手柄位置)输入量调压器加热电阻丝

电炉

恒温箱

受控对象(温度)扰动量(b)方块图控制装置19第一章概论按干扰量控制按干扰量控制：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