自动控制技术第1章绪论解析

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1、自动控制技术 任课教师：谭彧 毛恩荣 u本课程安排 u参考教材 u机械工程控制基础 杨叔子等编著 u自动控制理论 胡寿松等编著 嫦娥三号近月轨道示意图 1.0 控制理论应用(Application of Control Theofy) 1.0.1 应用实例 1、嫦娥三号 嫦娥三号软着陆过程示意图 6个阶段的最优控制策略？ （1）着陆准备轨道：着陆准备轨道的近月点是 15KM，远月点是100KM。近月点在月心坐标系的位 置和软着陆轨道形态共同决定了着陆点的位置。 （2）主减速段：主减速段的区间是距离月面 15km到3km。该阶段的主要是减速，实现到距离月 面3公里处嫦娥三号的速度降到57m/s。

2、 （3）快速调整段：快速调整段的主要是调整探 测器姿态，需要从距离月面3km到 2.4km处将水平 速度减为0m/s，即使主减速发动机的推力竖直向下 ，之后进入粗避障阶段。 （4）粗避障段：粗避障段的范围是距离月面 2.4km到100m区间，其主要是要求避开大的陨石坑 ，实现在设计着陆点上方100m处悬停，并初步确 定落月地点。 （5）精避障段：精细避障段的区间是距离月面 100m到30m。 （6）缓速下降阶段：缓速下降阶段的区间是距 离月面30m到4m。该阶段的主要任务控制着陆器在 距离月面4m处的速度为0m/s，即实现在距离月面 4m处相对月面静止，之后关闭发动机，使嫦娥三号 自由落体到精

3、确有落月点。 距离月面100m处的数字高程图 距月面2400m处的数字高程图 2、航空喷药 Automatic spraying aircraft 飞行路径如何控制？喷药量如何控制？ 3、汽车巡航定速 车速如何保持不变？ 4、拖拉机导航控制 拖拉机如何按照直 线行驶，实现耕作 ？ 1.0.2 1.0.2 自动控制系统自动控制系统无处不在无处不在 1、军事、航天领域 火炮跟踪系统 我国神舟载人宇宙飞船 人造卫星 雷达跟踪系统 2、工业领域 产品加工和物流调配的自动控制；石油化工生产过 程、造纸、工业窑炉、轧钢过程的自动控制等。 宝钢冷轧带钢监测系统 机械手 3、农业生产领域 自动灌溉系统 植物温

4、室温度和湿度自动控制系统 4、商业领域 商业设备、仓储自动化设备与系统、物流监控管 理。 自动送货车 5、日常生活 机器狗 电冰箱 空调 手动控制与自动控制的比较手动控制与自动控制的比较 u人工控制方式 测量实际液面的高度-用眼 实际液面高度与希望液面高度相比较-用脑 按比较的结果，即液面高度偏差的正负去决定控制动作-用手 1、液位控制系统 手动控制靠人的观测与操作 1.0.3 应用实例分析 uu自动控制自动控制 人工控制中有三种职能作用：测量、比较和执行，而在自动 控制系统中也必须有这三种。 自动控制系统自动检测水位与控制阀门 2. 工作机构位置自动控制系统 3.汽车控制系统 驾车人驾驶机构

5、汽车 实际速度预期速度 （电压） 视觉 触觉 _ + 预期行驶方向 实际行驶方向 4.转台控制系统 放大器直流电机转台 实际速度预期速度 （电压） 放大器直流电机转台 实际速度预期速度 （电压） 转速计 _ + 蒸汽机 离心机构 比较机构 转换机构 阀门 蒸汽量 5.蒸汽机转速控制系统 自动控制理论研究的是工程技术中的广义系统 在一定的外界条件（即输入或激励，包括外加控制 与外加干扰）作用下，从系统的一定初始的状态出 发，所经历的由其内部的固有特性（即由系统的结 构与参数所决定的特性）所决定的整个动态历程。 系统、输入、输出三者之间的关系。 1.1课程研究对象与任务 例 小车运动系统 以f(t

6、)作为输入 以x(t)作为输入 ump2+cp+k 为方程左边的算子，它由系统本 身的结构与参数所决定，反映了与外界无关的系统 本身的固有特性。 u1和cp+k 分别为两个方程的右边的算子，反映 了系统与外界的关系。 令p=d/dt 则 一般线性系统，可用高阶微分方程表示： 左边算子反映了系统本身的固有特性； 右边算子反映了系统与外界之间的关系； y(t)为系统的输出；x(t)为系统的输入。 特别指出 u系统的初始状态也可视为一种特殊的输入，即“初始输入 ”或“初始激励”。 u输入的结果就是改变系统的状态，并使系统的状态不断 改变，这是力学中所讲的强迫运动； u当系统的初始状态不为零时，即使无

7、输入，系统的状态 也会不断改变，这是力学中所讲的自由运动。 u所谓系统的状态为零，就是指系统处于平衡位置。 系统及其输入、输出三者之间的动态关系，归纳 有五个方面： 1 已知系统,输入,求系统的输出,即系统分析问题。 2 已知系统,确定输入,即最优控制问题。 3 已知输入,确定系统,即最优设计问题。 4 已知输出,确定系统,即滤波与预测问题。 5 已知输入和输出,求出系统的结构与参数，即系统 识别或系统辨识问题。 1.2 系统及其模型 1、系统 将有关的部分联系起来，作为一个有机的整体加以考察、 分析与处理，这个有机的整体称为“系统”。 组成系统的各个部分，可以是元件，也可以是下一级的系 统，

8、后者称为“子系统”；而整个系统又可以是上一层系统的 子系统。 必须注意，一个系统的特性并不能看成是组成它的元件或子 系统的特性的简单的总和。 2、机械系统 u以实现一定的机械运动、输出一定的机械能，以及承受一 定的机械载荷为目的的系统，称为机械系统。 u机械系统输入与输出，又分别称为“激励”与“响应”。 u模型使人们研究系统、认识系统与描述系统的一种工具。 u这里所说的“模型”是指一种用数学方法描述的抽象的理论模 型，用来表达一个系统内部各部分之间，或系统与其外部环境 之间的关系，故又称为“数学模型”。 3、 静态模型和动态模型 以地基振动位移y(t)为激励，以机器振动位移x(t)为响应，得

9、n上述都是动态模型，当系统运动很慢时，有 于是 n静态模型反映系统在恒定载荷或缓变载荷作用下或在系统 平衡状态下的特性； n动态模型则是用于研究系统在迅速变载荷作用下或在系统 不平衡状态下的特性。 1.3 反馈(Feedback) u将系统的输出，部分或全部地返回到输入，称为系统反 馈。 u系统之所以有动态历程，系统及其输入、输出之间之所以 有动态关系，就是由于系统本身有着信息的反馈。 反馈:将检测出来的输出量送回到系统的输入端，并与输入 信号比较的过程，称为反馈。 内反馈:在系统中存在的各种自然形成的反馈，称为内反馈。 外反馈:在自动控制系统中，为达到某种控制目的而人为加 入的反馈，称为外反

10、馈。 正反馈:反馈信号与输入信号相加，使偏差信号增大的反馈。 负反馈:反馈信号与输入信号相减，使偏差信号减小的反馈。 工作台 步进电机 驱动电路 控制命令 移动量 （输入） （输出 ） 丝杠 工作台 步进电机 驱动电路 控制命令 移动量 （输入） （输出 ） 丝杠 放大器 工作台无反馈控制原理图 工作台有反馈控制原理图 1、机械工程中的反馈控制 2、机械系统的内在反馈 u系统就是元素按一定规律的集合。即要有元素，而且元 素之间按一定规律的联系。 u联系的实质就是信息的传输和交换。 u系统之所以表现出处于运动状态之中，就是因为元素之 间有着联系，有着信息传输与交换；就是因为反映系统 情况的状态变

11、量之间有着联系，有着信息传输与交换。 u系统本身信息的反馈就是系统处于运动状态的内因。 + + + 若改为状态方程若改为状态方程 令 l矩阵A：表达了系统的结构 与参数，代表了系统的固有 特性。 l矩阵A的主对角元素：反映 了状态变量本身的交互作用 情况。 l非主对角元素：反映了状 态变量之间的交互作用情 况。 l控制论的中心思想就是反 馈控制。 + 系统状态方程框图 1.4.1、系统的几种分类 1、对广义系统可按反馈情况分 开环系统(Open-loop system)：一个系统以所需要 的方框图表示而没有反馈回路。 1.4 系统分类及基本要求(Classification and basic

12、 requirements of Control Theory) 电机开环控制系统 闭环系统(Closed-loop system )：一个系统 以所需要的方框图表示而存在反馈回路。 闭环系统的输出可作为反馈信息来改变有关环节的 输入，进而改变输出的本身，以获得高精度的输出 ，所以大量的自动控制系统都采用闭环系统。 电机闭环控制系统 3、闭环控制系统组成 u输入环节：它是给出输入信号 的环节，用于确定被控对象的“目 标值”。 u反馈环节：将被控量转换为反馈信号的装置，一般为检测元件。 u比较环节：输入信号与反馈信号进行比较，得到偏差信号， u控制环节：将偏差信号作必要的处理，按照一定的规律放大

13、后， 给出控制信号。 u执行环节：接受控制信号，驱动被控对象按照预期的规律运行。 u闭环控制系统的特点: u利用输入信号与反馈信号的偏差对系统的输出进行控制 ，使被控对象按一定的规律运行。 u抗干扰能力强，稳态精度高、动态性能好等。 u由此带来的问题： u设计不合理时，将出现不稳定。在开环控制系统中不存 在同样的问题。 u闭环控制系统的工作过程： u测量被控制量的实际值； u将实际值与给定值进行比较，求出偏差的大小与 方向； u根据偏差的大小与方向进行控制以纠正偏差。 3 对自动控制系统还可按输出变化规律分 自动调节系统：在外界干扰作用下，系统的输出仍能基本 保持为常量的系统。 随动（伺服）系

14、统：在外界条件作用下，系统的输出能相 应于输入在广阔范围内按任意规律变化的系统。 程序控制系统：在外界条件作用下，系统的输出按预定的 程序变化的系统。（数控机床） 1.4.2 对控制系统的基本要求 u1、系统的稳定性：是控制系统正常工作的首要条 件，且是重要条件。稳定性是指动态过程的振荡倾 向和系统能够恢复平衡状态的能力。 系统在输入作用下，期望输出与输入一致。曲线逐渐接近输 入，系统是稳定的；反之如曲线，系统是不稳定的。 u2、响应的快速性：当系统的输出量与给定的输入 量之间产生偏差时，消除这种偏差的快慢程度。 快速性即动态过程进行的时间长短。过程时间越短，说明系统 快速性越好，如曲线 ；反

15、之说明系统响应迟钝，如曲线。 u3、响应的准确性：在过渡过程结束后输出量与给 定的输入量的偏差，称为静态偏差或稳定精度 。 以上分析的稳、快、准三方面的性能指标往往由于被控对 象的具体情况不同，各系统要求也有所侧重，而且同一个 系统的稳、快、准的要求是相互制约的。 稳和快反映了系统动态过程性能的好坏。既快又稳，表明 系统的动态精度高。 1.5 机械制造的发展与控制理论的应用 1.6 自动控制理论的发展历程 1 、 经典控制理论（ 4050年代形成） 主要研究对象：单输入单输出线性定常系统 主要分析方法: 传递函数，频率法，PID调节器 (频域) 主要数学工具：常微分方程和复变函数。 自动控制是

16、一门年轻的学科自动控制是一门年轻的学科, ,它在它在2020世纪世纪4040年代末才形成。年代末才形成。 经典控制理论现代控制理论智能控制理论 2 、现代控制理论（ 6070年代形成） 主要研究对象：多输入多输出系统、时变系统 主要分析方法:状态空间分析法，最优控制状态空间分析法，最优控制 所所用数学工具：微分方程、线性代数及数值计算。用数学工具：微分方程、线性代数及数值计算。 3 、智能控制技术（ 90年代开始发展） 智能控制方法在较深层次上模拟人类大脑的思维判断过程， 通过模拟人类思维判断的各种算法实现控制。 主要有模糊控制、人工神经网络控制、专家控制等。 三种理论应用情况 经典理论：接近经典理论：接近9090 现代理论：现代理论：1010 智能理论：智能理论：0.010.01以内以内 由此可见，经典控制理论是基础，它非常有成效地解决单 输入单输出线性定常系统的分析与设计，是解决一般工 程问题的基本方法。 1