自控的基本认识

第1章基础知识自动控制理论授课班级：建自12101-102授课学期：2014年下学期主讲教师：敖章洪第1章基础知识自动控制理论一、本课程的性质任务特点及学习方法1、性质：核心专业基础课（考试课）2、任务：基本概念、组成、原理、分析、设计方法，培养工程观，系统观，为今后从事科研、工程技术工作打基础。3、特点：理论性、实践性、系统性、逻辑性、趣味性都很强，较抽象，涉及数学知识面广，难度较大。4、学习方法：理论联系实际，主观能动，系统钻研。第1章基础知识二、课程内容，学时安排1、自动控制理论经典控制部分56课时，现代控制理论22课时。2、实验课10课时（5次实验，另行安排）三、考核方法1、平时成绩（含实验，作业，考勤）占30%（30分）2、期考占70%（70分）第1章基础知识学时分配表•第1章基础知识4课时•第2章系统的数学模型8课时•第3章时域分析8课时•第4章频域分析10课时•第5章复频域分析10课时•第6章控制系统的校正与设计8课时•第7章非线性控制系统的分析8课时•第8章状态空间分析与综合22课时第1章基础知识主要参考文献1、胡寿松.自动控制原理(第四版).北京:出版社,20032、李友善.自动控制原理(修订版).北京:国防工业出版3、孙虎章.自动控制原理(修订版).北京:中央电大版社,1994.104、钱学森.宋健.工程控制论.北京:科学出版社,5、胡寿松.沈程智.自动控制原理习题集.北京:国防版,19906、陈小琳.自动控制原理习题集.北京:国防工业出版社7、孙德宝.自动控制原理.北京:化学工业出版社,2002.78、张晋格.自动控制原理.哈尔滨:哈工大版,2002.109、《现代控制工程》第三版，[美]KatsuhikoOgata著，卢伯英，于海勋等译，电子工业学出版社，2000.510、《现代控制理论基础》，王照林，国防工业出版社第1章基础知识基本认识数学模型经典分析现代分析连续与离散信号连续与离散系统状态空间分析系统的综合时域、频域、复域）（课程基本知识结构第1章基础知识基础知识建立“自动控制原理”的基本认识，清楚“信号”、“系统”与“控制”及三者之间的关系，熟悉有关的基本概念、专业术语，为后面的“经典分析”与“现代分析”等理论学习做好充分的准备。数学模型主要研究系统的动态数学模型，包括微分方程、差分方程、动态结构图、信号流图、传递函数（系统函数）、状态方程（在“现代分析”中研究）等。经典分析包括时域、频域与复域分析：先研究连续信号与离散信号，再研究连续系统与离散系统。对于频域分析，为了压缩篇幅、注重实用，只研究了“连续”信号与系统控制的频域分析；而对于“离散”信号与系统控制的问题，则留在“复频域分析”中详细讨论。现代分析主要研究状态空间分析和系统的综合问题，增强了基本例题与习题的力度，注入了趣味性。第1章基础知识•一、本章教学目的及基本要求•1、明确自动控制的任务，正确理解受控对象、控制量、被控量、输入量、输出量、控制装置和自动控制系统等概念。•2、正确理解两种控制方式——开环控制和闭环控制，特别是反馈控制。•3、初步掌握控制系统的分类。•4、掌握反馈控制系统的组成及基本要求。•二、本章重点与难点•1、理解控制系统中的各个物理量的含义•2、理解开环控制和闭环控制的含义•3、理解反馈的含义•4、掌握基本控制系统的组成第1章基础知识第1章基础知识三、授课内容与课时（4课时）I.I自动控制的基本原理与方式I.2自动控制系统的分类I.3控制的基本要求I.4自动控制系统的分析与设计工具第1章基础知识1.1.1控制的主要目的•自动控制作为技术改造和技术发展的重要手段,在工业、农业、国防、航天、制导、核能乃至日常生活和社会科学领域中都起着十分重要的作用。•所谓自动控制，是指在无人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置，使设备或生产过程自动地按照预定的要求运行。•为了某种目的，把控制器、被控对象等部件有机联结成一个自动控制的整体，即成为一个完整的自动控制系统，如图1.3-1所示。Part1.1自动控制的基本原理与方式第1章基础知识控制器被控对象被控量给定量扰动量图1.3-1一种自动控制系统的功能图如果用y(t)表示被控量，用f(t)表示给定量，则自动控制的主要目的便是使：y(t)≈f(t)（1.3-1）式（1.3-1）就是自动控制任务的数学表达式。第1章基础知识•1.1.2自动控制科学•自动控制科学是研究自动控制共同规律的技术科学。•最早的自动控制技术可以追溯到公元前我国古代的自动计时器和漏壶指南车。第1章基础知识英国J.Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度(1788年)英国J.C.Maxwell发表“论调速器”(OnGovernors)论文(1868年)英国E.J.Routh建立Routh判据(Routh-HurwitzStabilityCriteria)(1875年)俄国A.M.Lyapunov博士论文“论运动稳定性的一般问题”(1892年)第1章基础知识美国N.Minorsky研制出用于船舶驾驶的伺服结构，提出PID控制方法(1922)。美国E.Sperry以及C.Mason研制出火炮控制器(1925)，气压反馈控制器(1929)。经典控制（1935-1950）第1章基础知识美国H.S.Black提出放大器性能的负反馈方法(NegativeFeedbackAmplifier)(1927))1(111121212RRARRVVGAdAARRGdG21第1章基础知识美国贝尔实验室的H.Bode(1938)，以及Nyquist(1940)提出频率响应法。美国Taylor仪器公司的J.G.Ziegler和N.B.Nichols提出PID参数的最佳调整法(1942)美国的H.Hazen发表“关于伺服结构理论”(TheoryofServome-chanism)(1934)，并在MIT建立伺服机构实验室(ServomechanismLaboratory)(1939)。美国MIT的N.Wiener研究随机过程的预测(1942)，提出Wiener滤波理论(1942)，发表《控制论》(Cybernetics)一书(1948)，标志着控制论学科的诞生。在贝尔实验室Bode领导的火炮控制系统研究小组工作的C.Shannon提出继电器逻辑自动化理论(1938)，随后，发表专著《通信的数字理论》(TheMathematicalTheoryofCommunication)，奠定了信息论的基础(1948)。第1章基础知识MITRadiationLaboratory在研究SCR-584雷达控制系统的过程中，创立了NicholsChartDesignMethod，R.S.Philips的工作OnNoiseinServomechanisms，以及Hurwicz(1947)的数字控制系统(SampledDataSystem)。美国W.Evans提出根轨迹法(RootLocusMethod)(1948)，以单输入线性系统为对象的经典控制研究工作完成。多本有关经典控制的经典名著相继出版:Ed.S.Smith的AutomaticControlEngineering(1942)H.Bode的NetworkAnalysisandFeedbackAmplifier(1945)L.A.MacColl的FundamentalTheoryofServomechanisms(1945)钱学森的《工程控制论》(EngineeringCybernetics)(1954)……第1章基础知识现代控制起源于冷战时期的军备竞赛，如导弹(发射，操纵，指导及跟踪)，卫星，航天器和星球大战，以及计算机技术的出现现代控制（1950-Now）第1章基础知识※世界第一颗人造地球卫星(Sputnik)由苏联发射成功(1957)第1章基础知识苏联东方-１号飞船载着加加林进入人造地球卫星轨道，人类宇航时代开始了(1961)。第1章基础知识苏联发射“月球”9号探测器，首次在月面软着陆成功(1966)，三年后(1969)，美国“阿波罗”11号把宇航员N.A.Armstrong送上月球。第1章基础知识第一台火星探测器Sojourner在火星表面软着陆(1996)旅行者Voyager一号，二号开始走出太阳系，对茫茫太空进行探索。第1章基础知识1.1.3控制的基本方式•要完成自动控制的任务，使y(t)≈f(t)，在很大程度上取决于：使系统控制器产生控制作用的信息，系统的给定量、扰动量与被控量就是携带这种信息的三个基本信号。由这三个基本信号，可以产生三种基本的控制方式——按给定量控制、按干扰补偿与按偏差调节。•其中，被控量来源于被控对象的输出端，携带着被控对象的行为或状态信息。我们把从被控对象输出端获得的信息，通过中间（反馈）环节再送回到控制器输入端的过程，称为反馈；把传送反馈信息的载体，称为反馈信号。•是否采用反馈，对控制系统的性能影响很大。系统的基本控制方式按照有无反馈分为开环控制和闭环控制两大类。•按给定量控制和按干扰补偿因信号只能单向传递，因此属于开环控制，按偏差调节则属于闭环控制。第1章基础知识1.开环控制•如果系统的控制装置与被控对象之间只有正向控制作用而没有反向联系，则称这种控制方式为开环控制，按这种方式组成的系统称为开环控制系统。•1）按给定量控制的开环控制系统•这种控制系统的结构比较简单，控制作用直接由系统的输入量产生，对应于每一个给定值，其被控量便有一个对应的固定工作状态；•系统的控制精度完全取决于所用元件及校准的精度，当干扰存在时，系统无法自动补偿，因此控制精度难于保证。所以这种系统只适合于输入与输出关系确定，且不存在干扰（或干扰很弱）的场合。工业生产中的自动化流水作业线、装配线就是这类开环控制系统。第1章基础知识•图1.3-2是一个开环直流调速系统：a.系统原理图b.系统功能图图1.3-2开环直流调速系统•图1.3-2中的Ug为给定参考输入，它通过触发器控制晶闸管的整流，产生直流电动机的供电电压Ud，使电机产生期望的转速n。但是此系统中，只要电动机负载、电网电压或激磁电流稍有变化，电动机的转速n便会受到干扰、产生变化，不能维持Ug所对应的期望转速n，不能实现期望转速n的高精度控制。•2）按干扰补偿的开环控制系统•可以考虑一种补偿措施：将干扰信息引入控制器的输入端，通过控制器的控制来抵消扰动对被控对象的影响。UgUdM电动机晶闸管整流装置触发器ugud负载转速第1章基础知识电压放大器功率放大器电动机R功率放大SM电压放大负载UbUcUfUaiRnn负载扰动iUbUaUfa.系统原理图b.系统功能图图1.3-3按干扰补偿的开环直流调速系统按干扰补偿的方式直接从系统的主要干扰取得扰动信息，由此改变系统的被控量，提高了系统的抗扰性与控制精度。这种按干扰补偿的开环控制方式只适用于扰动能测量的场合，而且一个补偿装置只能补偿一种干扰，一般不能对其余扰动均产生补偿作用。对于多种扰动、多种因素引起的输出量变化，采用逐一补偿的办法是不可能的，得不偿失的。按干扰补偿的开环控制方式虽然能够有效提高系统的抗扰性、提高系统的控制精度，但是仍然不能实现系统被控量的高精度控制。第1章基础知识2.闭环控制•如果系统的控制装置与被控对象之间不仅有正向控制作用，而且有输出量对控制装置的反向控制过程，则称这种控制方式为闭环控制，闭环控制系统如图1.3-4所示。给定量比较计算放大执行被控对象测量被控量扰动量测量局部反馈主反馈图1.3-4闭环控制系统1）负反馈控制与正反馈控制若闭环控制系统的反馈信号与输入信号相减，则称为负反馈；反之，若反馈信号与输入信号相加，则称为正反馈。由于正反馈容易产生自激、容易破坏系统的稳定性，这使得正反馈的应用受到一定的限制，一般只能用于系统的局部（内部）反馈。一个稳定系统的主要（外部）反馈，必须是负反馈。第1章基础知识•若将图1.3-5中测得的输出反馈到输入端与参考输入相加，则成为具有正反馈的控制系统，正反馈将使电机负载增大产生的转速误差越来越