1自动控制原理课件概要

华中科技大学把握系：樊慧津自动把握原理

(AutomaticControlTheory)学时：48+8/3.5考试：闭卷考试参考书目：王敏，秦肖臻编自动把握原理。北京：化学工业出版社，2023孙德宝主编。自动把握原理。北京：化学工业出版社，2023胡寿松主编。自动把握原理。第三版。北京：国防工业出版社，1994王划一主编。自动把握原理。北京：国防工业出版社，2023试验安排4周〔332/322〕，8，11周〔620〕南一楼0401-0402班周一〔11-12〕0403-0404班周四〔11-12〕4周〔332/322〕，7，11周〔620〕南一楼0405-0406班周二〔9-10〕0407-0408班周二〔11-12〕14周计算中心四楼401机房0401-0408班周五〔1-2〕3主要内容绪论把握系统的数学模型线性系统的时域分析线性系统的频域分析线性系统的校正方法线性离散把握系统〔采样系统分析〕状态空间分析设计4第一章绪论1.1自动把握的根本概念：明确什么叫自动把握，正确理解被控对象、把握装置和自控系统等概念。1.2自动把握理论的进展：了解自动把握理论进展的四个主要阶段。1.3把握系统的分类：明确系统常用的分类方式，把握各类别的含义和信息特征1.4对把握系统的根本要求：明确对自控系统的根本要求，正确理解三大性能指标的含义。5手动控制人在把握过程中起三个作用：〔1〕观测：用眼睛去观测温度计和转速表的指示值；〔2〕比较与决策：人脑把观测得到的数据与要求的数据相比较，并进展推断，依据给定的把握规律给出把握量；〔3〕执行：依据把握量用手具体调整，如调整阀门开度、转变触点位置。把握：操纵，抑制使不超出范围或任凭活动。61.1自动把握的根本概念在现代科学技术的众多领域中，自动把握技术起着越来越重要的作用。如数控车床按预定程序自动切削，人造卫星准确进入预定轨道并回收等。除了在工业上广泛应用外，近几十年来，随着计算机技术的进展和应用，在宇航、机器人把握、制导及核动力等高新技术领域中，自动把握技术更具特殊重要的作用。不仅如此，自动把握技术的应用范围现在已扩展到生物、医学、环境、经济治理和其它很多社会生活领域中，特殊在化学工业中的应用有传热设备把握，反响器把握，流体输送设备把握，精馏塔把握等。自动把握已成为现代社会生活中不行缺少的一局部。7自动把握：自动把握，就是在没有人直接参与的状况下，利用外加的设备或装置〔把握装置〕，使机器、设备或生产过程〔把握对象〕的某个工作状态或参数〔被控量〕自动地依据预定的规律运行。自动把握系统：是指能够对被控对象的工作状态进展自动把握的系统。它是把握对象以及参与实现其被把握量自动把握的装置或元部件的组合，一般由把握装置和被控对象组成。一般包括三种机构：测量机构、比较机构、执行机构。自动把握系统的功能和组成是多种多样的，其构造有简洁也有简洁。它可以只把握一个物理量，也可以把握多个物理量甚至一个企业机构的全部生产和治理过程；它可以是一个具体的工程系统，也可以是比较抽象的社会系统、生态系统或经济系统。8把握系统分析：系统的构造参数，分析系统的稳定性，求取系统的动态、静态性能指标，并据此评价系统的过程称为把握系统分析。把握系统设计〔或综合〕：依据把握对象和给定系统的性能指标，合理确实定把握装置的构造参数，称为把握系统设计。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：系统输出量应到达的数值〔例如与要求的炉温对应的电压〕。扰动：是一种对自动把握系统输出量起反作用的信号，如电源电压的波动、环境温度的变化。9开环把握是指系统的被把握量〔输出量〕只受控于把握作用，而对把握作用不能反施任何影响的把握方式。承受开环把握的系统称为开环把握系统。优点：构造简洁，本钱低廉，易于实现缺点：对扰动没有抑制力气，把握精度低把握方式

开环控制10闭环把握闭环把握是指系统的被把握量〔输出量〕与把握作用之间存在着负反响的把握方式。承受闭环把握的系统称为闭环把握系统或反响把握系统。闭环把握是一切生物把握自身运动的根本规律。人本身就是一个具有高度简洁把握力气的闭环系统。优点：具有自动补偿由于系统内部和外部干扰所引起的系统误差〔偏差〕的力气，因而有效地提高了系统的精度。缺点：系统参数应适中选择，否则可能不能正常工作。11反响的概念反响：把输出量送回到系统的输入端并与输入信号比较的过程。假设反响信号是与输入信号相减而使偏差值越来越小，则称为负反响；反之，则称为正反响。明显，负反响把握是一个利用偏差进展把握并最终消退偏差的过程，又称偏差把握。同时，由于有反响的存在，整个把握过程是闭合的，故也称为闭环把握。12比较以上两种把握方式由于开环把握的特点是把握装置只依据给定的输入信号对被把握量进展单向把握，而不对把握量进展测量并反向影响把握作用。这样，当炉温偏离希望值时，开关K的接通或断开时间不会相应转变。因此，开环把握不具有修正由于扰动〔使被把握量偏离希望值的因素〕而消逝的被把握量与希望值之间偏差的力气，即抗干扰力气差。在闭环把握中，被控量一般是由测量装置检测并反响到输入端，然后由比较装置将它与输入信号综合得到偏差〔误差〕，有时，测量与综合作用是由一个装置完成的，如水银温度计。由于承受了接触式水银温度计，可以不断对炉温进展测量和比较，依据炉温的实际偏差进展把握，提高了把握精度和抗干扰力气。13是开环和闭环把握相结合的一种把握方式。它是在闭环把握回路的根底上，附加一个输入信号或扰动信号的顺馈通路，用来提高系统的把握精度。顺馈通路通常由对输入信号的补偿器或对扰动信号的补偿器组成。优点：具有很高的把握精度，可以抑制几乎全部的可量测扰动缺点:补偿器的参数要有较高的稳定性复合把握14方框图的概念

方框把握装置和被控对象分别用方框表示信号线方框的输入和输出以及它们之间的联接用带箭头的信号线表示输入信号进入方框的信号输出信号离开方框的信号信号线方框信号线输入信号输出信号15开环把握系统方框图控制装置被控对象输入量输出量〔被把握量〕输入量：加在电阻丝两端的电压被把握对象：炉子被把握量〔输出量〕：炉温把握装置：开关K和电热丝，对被把握量起把握作用。16温度计继电器电阻丝炉温

输入量（炉温希望值）

输出量（炉温实际值）扰动闭环把握的电加热炉方框图17人取书的把握过程眼睛脑手

输入量（书的位置）

输出量（手的位置）18闭环把握系统方框图19反馈控制系统方框图反响把握系统的组成、名词术语和定义201.2自动把握理论的进展自动把握理论是争论自动把握共同规律的技术科学。既是一门古老的、已臻成熟的学科，又是一门正在进展的、具有强大生命力的新兴学科。从1868年马克斯威尔〔〕提出低阶系统稳定性判据至今一百多年里，自动把握理论的进展可分为四个主要阶段：第一阶段：经典把握理论〔或古典把握理论〕的产生、进展和成熟；其次阶段：现代把握理论的兴起和进展；第三阶段：大系统把握兴起和进展阶段；第四阶段：智能把握进展阶段。21经典把握理论把握理论的进展初期，是以反响理论为根底的自动调整原理，主要用于工业把握。其次次世界大战期间，为了设计和制造飞机及船用自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达跟踪系统等基于反响原理的军用装备，进一步促进和完善了自动把握理论的进展。1868年，马克斯威尔〔〕提出了低阶系统的稳定性代数判据。1875年和1896年，数学家劳斯〔Routh〕和赫尔威茨〔Hurwitz〕分别独立地提出了高阶系统的稳定性判据，即Routh和Hurwitz判据。二战期间〔1938-1945年〕奈奎斯特〔H.Nyquist〕提出了频率响应理论1948年，伊万斯〔〕提出了根轨迹法。至此，把握理论进展的第一阶段根本完成，形成了以频率法和根轨迹法为主要方法的经典把握理论。22经典把握理论的根本特征〔1〕主要用于线性定常系统的争论，即用于常系数线性微分方程描述的系统的分析与综合；〔2〕只用于单输入，单输出的反响把握系统；〔3〕只争论系统输入与输出之间的关系，而无视系统的内部状态，是一种对系统的外部描述方法。根本方法：根轨迹法，频率法，PID调整器〔频域〕反响把握是一种最根本最重要的把握方式，引入反响信号后，系统对来自内部和外部干扰的响应变得特殊迟钝，从而提高了系统的抗干扰力气和把握精度。与此同时，反响作用又带来了系统稳定性问题，正是这个曾一度困扰人们的系统稳定性问题激发了人们对反响把握系统进展深入争论的热忱，推动了自动把握理论的进展与完善。因此从某种意义上讲，古典把握理论是伴随着反响把握技术的产生和进展而渐渐完善和成熟起来的。23现代把握理论经典把握理论只适用于单输入、单输出的线性定常系统，只留意系统的外部描述而无视系统的内部状态。在实际应用中有很大局限性。随着航天事业和计算机的进展，20世纪60年月初，在经典把握理论的根底上，以线性代数理论和状态空间分析法为根底的现代把握理论快速进展起来。1954年贝尔曼〔R.Belman)提出动态规划理论1956年庞特里雅金〔〕提出极大值原理1960年卡尔曼〔R.K.Kalman)提出多变量最优把握和最优滤波理论在数学工具、理论根底和争论方法上不仅能供给系统的外部信息〔输出量和输入量〕，而且还能供给系统内部状态变量的信息。它无论对线性系统或非线性系统，定常系统或时变系统，单变量系统或多变量系统，都是一种有效的分析方法。根本方法：状态方程〔时域〕大系统理论20世纪70年月开头，现代把握理论连续向深度和广度进展，消逝了一些新的把握方法和理论。如〔1〕现代频域方法以传递函数矩阵为数学模型，争论线性定常多变量系统；〔2〕自适应把握理论和方法以系统辨识和参数估量为根底，在实时辨识根底上在线确定最优把握规律；〔3〕鲁棒把握方法在保证系统稳定性和其它性能根底上，设计不变的鲁棒把握器，以处理数学模型的不确定性。

25随着把握理论应用范围的扩大，从个别小系统的把握，进展到假设干个相互关联的子系统组成的大系统进展整体把握，从传统的工程把握领域推广到包括经济治理、生物工程、能源、运输、环境等大型系统以及社会科学领域。大系统理论是过程把握与信息处理相结合的系统工程理论，具有规模浩大、构造简洁、功能综合、目标多样、因素众多等特点。它是一个多输入、多输出、多干扰、多变量的系统。大系统理论目前仍处于进展和开创性阶段。智能把握是近年来新进展起来的一种把握技术，是人工智能在把握上的应用。智能把握的概念和原理主要是针对被控对象、环境、把握目标或任务的简洁性提出来的，它的指导思想是依据人的思维方式和处理问题的技巧，解决那些目前需要人的智能才能解决的简洁的把握问题。被控对象的简洁性表达为:模型的不确定性，高度非线性，分布式的传感器和执行器，动态突变，多时间标度，简洁的信息模式，浩大的数据量，以及严格的特性指标等。智能把握是驱动智能机器自主地实现其目标的过程27智能把握是从“仿人”的概念动身的。其方法包括学习把握、模糊把握、神经元网络把握和专家把握等方法。281.3把握系统的分类恒值系统和随动系统〔按参考输入形式分类〕恒值系统是指参考输入量保持常值的系统。其任务是消退或削减扰动信号对系统输出的影响，使被把握量〔即系统的输出量〕保持在给定或希望的数值上。随动系统是指参考输入量随时间任意变化的系统。其任务是要求输出量以确定的精度和速度跟踪参考输入量，跟踪的速度和精度是随动系统的两项主要性能指标。29线性系统和非线性系统〔依据组成系统的元件特性分类〕线性系统是指构成系统的全部元件都是线性元件的系统。其动态性能可用线性微分方程描述，系统满足叠加原理。非线性系统是指构成系统的元件中含有非线性元件的系统。其只能用非线性微分方程描述，不满足叠加原理。同时把可以进展线性化处理的系统或元件特性称为非本质非线性特性。反之，称之为本质非线性，它只能用非线性理论分析争论。30连续系统和离散系统〔依据系统内信号的传递形式分类〕连续系统是指系统内各处的信号都是以连续的模拟量传递的系统。假设系统内某处或数处信号是以脉冲序列或数码形式传递的系统则称为离散系统。其脉冲序列可由脉冲信号发生器或振荡器产生，也可用采样开关将连续信号变成脉冲序列，这类把握系统又称为采样把握系统或脉冲把握系统。而用数字计算机或数字把握器把握的系统又称为数字把握系统或计算机把握系统。311.4把握系统的性能指标对控制系统性能的要求概括为三方面：稳，准，快稳定性控制系统运行的必要条件，不稳定的系统是不能工作的动态性能系统动态响应的快速性，系统的过渡过程越短越好稳态性能过渡过程结束，到达稳态后系统的控制精度的度量y(t)t0y(t)t0y(t)t0y(t)t0(a)(b)(c)(d)32稳定性系统在受到扰动作用后自动返