自动控制原理 第2版 课件 第一章绪论2

自动控制原理

第一章绪论(第2次课)

1闭环与开环控制系统的比较开环控制：顺向作用，没有反向的联系，没有修正偏差的能力，抗扰动性较差。结构简单、调整方便、成本低。在精度要求不高或扰动影响较小的场合，这种控制方式还有一定的实用价值（步进电机，水泵，风扇）。

闭环控制：为基于偏差的控制，可以抑制内（系统参数变化）、外扰动（负载变化）对被控变量产生的影响，因此，控制精度高。但是结构复杂，成本高（价格成倍增加，车床、洗衣机、小轿车）；系统设计、分析麻烦。

2闭环控制有一定的时间延迟，有时候控制不及时导致性能变差。另外一种抑制干扰的开环控制系统3另外一种开环控制方式：按干扰补偿的开环控制该系统对干扰进行测量，利用测量得到的干扰值修正控制作用，补偿干扰对被控量的影响。这种控制方式称为前馈控制，FeedforwardControl。

从干扰作用端至输出端，也仅有顺向作用而无反向联系，因此也是开环控制。这种控制方式使用的前提条件是干扰能够被测量到。

复合控制系统(CompoundControlSystem)定义：开环控制和闭环控制相结合的一种控制方式。是构成高精度控制系统的一种有效控制方式，使控制系统具有良好的控制性能。复合控制的两种基本形式

按输入前馈补偿的复合控制按干扰前馈补偿的复合控制4三、复合控制系统三、复合控制系统5第三节控制系统举例6自动驾驶的6个级别L0无自动化L1驾驶支援(车道保持系统、定速巡航系统)L2部分自动化(适应巡航系统)。L3有条件自动化L4高度自动化L5完全自动化汽车自动驾驶系统Apollo汽车机器人8图1-14纵向控制基本结构图9图1-15横向控制基本结构图电热炉温度计算机控制系统10第四节自动控制系统的分类按工作原理分类开环控制、闭环控制、复合控制按数学模型分类线性系统和非线性系统定常系统和时变系统按系统内部的信号特征分类连续系统和离散系统按输入量变化规律的功能分类（重要）恒值控制系统：如温度控制系统、调速系统等随动控制系统：如机器人、高射炮等程序控制系统：如数控机床、交通灯系统等11第四节自动控制系统的分类12恒值控制系统，也称为调节(regulator)系统，用于抑制各种干扰信号、保持输出稳定的系统。随动控制系统，也称为伺服(servo)系统，用于跟踪某个参考信号的系统。伺服（Servo）来源于拉丁语Servus，是“奴隶（slave）”或“奴仆（servant）”的意思。也就是说“伺服”应该充当得心应手的驯服工具，完全按照控制信号的要求而动作。“伺服电机”含有使电机像奴隶一样忠实地按照命令动作的意义。第五节自动控制系统的基本要求一、自动控制系统性能的基本要求（三个方面）稳定性（先决条件）

系统受到短暂的扰动后其运动性能从偏差平衡点恢复到原来平衡状态的能力。由系统的结构参数决定,与外界因素无关。13

第五节自动控制系统的基本要求14火箭运行的稳定性骑自行车的稳定性

第五节自动控制系统的基本要求15控制系统的不稳定现象绿色虚线代表目标轨迹红色、蓝色、紫色代表三种不同的不稳定运行轨迹动态性能（过渡过程性能要求）：

描述动态性能可以用平稳性和快速性加以衡量，如：上升时间、峰值时间、调整时间、超调量。

第五节自动控制系统的基本要求16我们总是要求控制系统具有很好的快速性和平稳性。稳态误差（控制精度要求）：

系统过渡过程结束后，期望的稳态输出量与实际的稳态输出量之差叫稳态误差。显然，这种误差越小，表示系统的输出跟随参考输入的精度越高。

第五节自动控制系统的基本要求17简单地说：稳、快、准

第五节自动控制系统的基本要求180二、典型的外作用1、阶跃函数（位置函数）

例如：电源电压的突然跳动；负载突然增大或减小；恒值控制系统的设定值等等。阶跃函数的幅值R=1时，称为单位阶跃函数，常记作

第五节自动控制系统的基本要求1902、斜坡函数（速度函数）

例如：雷达跟踪的目标以恒定速度飞行

第五节自动控制系统的基本要求203、抛物线函数（加速度函数）

例如：飞行器的加速运动当R=1/2时，称为单位加速度函数。

第五节自动控制系统的基本要求2104、单位脉冲函数任意形式的外作用都分解成不同时刻的一系列脉冲函数之和可代表一些瞬间即逝的扰动信号第六节自动控制理论的发展简史人类对控制系统的基本原理（反馈）早有认识，并利用它创造了许多装置。如2000年前，罗马人：水位控制系统。中国能工巧匠：张衡的地震方向测定仪，苏颂的水运仪象台。221932年，Nyquist提出了一种根据系统的开环频率响应(对稳态正弦输入)，确定闭环系统稳定性的方法。1868年，英国J.C麦克斯韦首先解释了瓦特速度控制系统中出现的不稳定问题。1892年李雅普诺夫阐述了稳定性的概念，1877年劳斯(Routh)、1895年赫尔维茨分别提出了判断系统是否稳定的判据。1788年，JamesWatt为控制蒸汽机速度设计的离心调节器，是自动控制领域的第一项重大成果。离心调节器第六节自动控制理论的发展简史2420世纪40年代，频率响应法为闭环控制系统提供了一种可行方法，Evans提出并完善了根轨迹法。控制论之父—维纳1947年控制论的奠基人美国数学家维纳（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。Cybernetics:控制论第六节自动控制理论的发展简史25从1980－现在，鲁棒控制、智能控制等理论正在快速地深入发展。20世纪60年代，数字计算机的出现为复杂系统的基于时域分析的现代控制理论提供了可能。（卡尔曼）从1960－1980，确定性系统、随机系统的最佳控制，及复杂系统的自适应和学习控制，都得到充分的研究。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《工程控制论》是继维纳的《控制论》之后对控制与制导方面进行创造性论述的又一经典专著。控制论开始成为一门研究信息和控制一般规律的新兴学科。古典（经典）控制理论

（1787——1960）

以传递函数为基础研究单输入－单输出定常控制系统的分析与设计问题。这些理论由于其发展较早，现已臻成熟。第六节自动控制理论的发展简史26后现代控制理论（1980——）

以鲁棒控制、智能控制为代表，研究研究针对当数学模型存在不确定时，所设计的控制器仍能使系统保持理想的性能要求，在一定程度上弥补了现代控制理论对数学模型依赖过高的缺陷。

现代（近代）控制理论

（1960——1980）

以状态空间法为基础，研究多输入－多输出控制系统的分析与设计问题。系统具有高精度和高效能的特点。