自動控制的一般概念.docx

自動控制的一般概念1.1 自動控制的基本原理1.2 自動控制系統(tǒng)的分類1.3 對控制系統(tǒng)的基本要求 1.4 自動控制的發(fā)展簡史 自動控制的一般概念 1.1自動控制的基本原理 自動控制作為一種技術(shù)手段已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防乃至日常生活和社會科學(xué)許多領(lǐng)域。 所謂自動控制就是指在脫離人的直接干預(yù)，利用控制裝置（簡稱控制器）使被控對象（如設(shè)備生產(chǎn)過程等）的工作狀態(tài)或簡稱被控量（如溫度、壓力、流量、速度、pH值等）按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。實現(xiàn)上述控制目的，由相互制約的各部分按一定規(guī)律組成的具有特定功能的整體稱為自動控制系統(tǒng)。從物理角度上來看，自動控制理論研究的是特定激勵作用下的系統(tǒng)響應(yīng)變化情況；從數(shù)學(xué)角度上來看，研究的是輸入與輸出之間的映射關(guān)系；從信息處理的角度來看，研究的是信息的獲取、處理、變換、輸出等問題。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，自動控制的概念也在擴(kuò)大，政治、經(jīng)濟(jì)、社會等各個領(lǐng)域也越來越多地被認(rèn)為與自動控制有關(guān)?，F(xiàn)在已發(fā)展成為一門獨(dú)立的學(xué)科控制論。其中包括：工程控制論、生物控制論和經(jīng)濟(jì)控制論。直流電動機(jī)速度自動控制的原理結(jié)構(gòu)圖如圖1-1所示。圖中，電位器電壓為輸入信號。測速發(fā)電機(jī)是電動機(jī)轉(zhuǎn)速的測量元件。圖1-1中，代表電動機(jī)轉(zhuǎn)速變化的測速發(fā)電機(jī)電壓送到輸入端與電位器電壓進(jìn)行比較，兩者的差值（又稱偏差信號）控制功率放大器（控制器），控制器的輸出控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，這就形成了電動機(jī)轉(zhuǎn)速自動控制系統(tǒng)。電源變化、負(fù)載變化等引起轉(zhuǎn)速變化，稱為擾動。電動機(jī)被稱為被控對象，轉(zhuǎn)速稱為被控量，當(dāng)電動機(jī)受到擾動后，轉(zhuǎn)速（被控量）發(fā)生變化，經(jīng)測量元件（測速發(fā)電機(jī)）將轉(zhuǎn)速信號（又稱為反饋信號）反饋到控制器（功率放大器），使控制器的輸出（稱為控制量）發(fā)生相應(yīng)的變化，從而可以自動地保持轉(zhuǎn)速不變或使偏差保持在允許的范圍內(nèi)。自動控制系統(tǒng)至少包括測量、變送元件、控制器等組成的自動控制裝置和被控對象，它的組成方框圖如圖1-2所示。1.2 自動控制系統(tǒng)的分類 122 按系統(tǒng)輸入信號的變化規(guī)律不同來分 1、恒值控制系統(tǒng)（或稱自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)）這類系統(tǒng)的特點(diǎn)是輸入信號是一個恒定的數(shù)值。恒值控制系統(tǒng)主要研究各種干擾對系統(tǒng)輸出的影響以及如何克服這些干擾，把輸入、輸出量盡量保持在希望數(shù)值上。2、過程控制系統(tǒng)（或稱程序控制系統(tǒng)）這類系統(tǒng)的特點(diǎn)是輸入信號是一個已知的時間函數(shù)，系統(tǒng)的控制過程按預(yù)定的程序進(jìn)行，要求被控量能迅速準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)。恒值控制系統(tǒng)也認(rèn)為是過程控制系統(tǒng)的特例。3、隨動控制系統(tǒng)（或稱伺服系統(tǒng)）這類系統(tǒng)的特點(diǎn)是輸入信號是一個未知函數(shù)，要求輸出量跟隨給定量變化。如火炮自動跟蹤系統(tǒng)。工業(yè)自動化儀表中的顯示記錄儀，跟蹤衛(wèi)星的雷達(dá)天線控制系統(tǒng)等均屬于隨動控制系統(tǒng)。123 按系統(tǒng)傳輸信號的性質(zhì)來分 1、連續(xù)系統(tǒng)系統(tǒng)各部分的信號都是模擬的連續(xù)函數(shù)。目前工業(yè)中普遍采用的常規(guī)控制儀表PID調(diào)節(jié)器控制的系統(tǒng)及圖1-1所示的電動機(jī)速度自動控制系統(tǒng)就屬于這一類型。2、離散系統(tǒng)系統(tǒng)的某一處或幾處，信號以脈沖序列或數(shù)碼的形式傳遞的控制系統(tǒng)。其主要特點(diǎn)是：系統(tǒng)中用脈沖開關(guān)或采樣開關(guān)，將連續(xù)信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散信號?？煞譃槊}沖控制系統(tǒng)和數(shù)字控制系統(tǒng)。圖1-6和圖1-7分別給出了脈沖控制系統(tǒng)和數(shù)字控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。124 按描述系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型不同來分1、線性系統(tǒng)由線性元件構(gòu)成的系統(tǒng)叫線性系統(tǒng)。其運(yùn)動方程為線性微分方程。若各項系數(shù)為常數(shù)，則稱為線性定常系統(tǒng)。其運(yùn)動方程一般形式為:式中：u(t) 系統(tǒng)的輸入量；y(t) 系統(tǒng)的輸出量。線性系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是具有疊加性和齊次性，即當(dāng)系統(tǒng)的輸入分別為r1(t)和r2(t)時，對應(yīng)的輸出分別為c1(t)和c2(t)，則當(dāng)輸入為r(t)=a1r1(t)+a2r2(t)時，輸出量為c(t)=a1c1(t)+a2c2(t), 其中為a1、a2為常系數(shù)。2、非線性系統(tǒng)在構(gòu)成系統(tǒng)的環(huán)節(jié)中有一個或一個以上的非線性環(huán)節(jié)時，則稱此系統(tǒng)為非線性系統(tǒng)。典型的非線性特性有飽和特性、死區(qū)特性、間隙特性、繼電特性、磁滯特性等。如圖1-8所示。非線性的理論研究遠(yuǎn)不如線性系統(tǒng)那么完整，一般只能近似的定性描述和數(shù)值計算。嚴(yán)格來說，任何物理系統(tǒng)的特性都是非線性的。但為了研究問題的方便，許多系統(tǒng)在一定的條件下，一定的范圍內(nèi)，可以近似地看成為線性系統(tǒng)來加以分析研究，其誤差往往在工業(yè)生產(chǎn)允許的范圍之內(nèi)。1.2.5 其它分類方法 自動控制系統(tǒng)還有其他的分類方法:(1)按系統(tǒng)的輸入/輸出信號的數(shù)量來分:有單輸入/單輸出系統(tǒng)和多輸入/多輸出系統(tǒng)。(2)按控制系統(tǒng)的功能來分：有溫度控制系統(tǒng)、速度控制系統(tǒng)、位置控制系統(tǒng)等。(3)按系統(tǒng)元件組成來分：有機(jī)電系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、生物系統(tǒng)。(4)按不同的控制理論分支設(shè)計的新型控制系統(tǒng)來分，有最優(yōu)控制系統(tǒng)，自適應(yīng)控制系統(tǒng)，預(yù)測控制系統(tǒng)，模糊控制系統(tǒng)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)等等。一個系統(tǒng)性能將用特定的品質(zhì)指標(biāo)來衡量其優(yōu)劣,如系統(tǒng)的穩(wěn)定特性、動態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)特性。1.3 對控制系統(tǒng)的基本要求當(dāng)自動控制系統(tǒng)受到干擾或者人為要求給定值改變，被控量就會發(fā)生變化，偏離給定值。通過系統(tǒng)的自動控制作用，經(jīng)過一定的過渡過程，被控量又恢復(fù)到原來的穩(wěn)定值或者穩(wěn)定到一個新的給定值。被控量在變化過程中的過渡過程稱為動態(tài)過程（即隨時間而變的過程），被控量處于平衡狀態(tài)稱為靜態(tài)或穩(wěn)態(tài)。自動控制系統(tǒng)最基本的要求是被控量的穩(wěn)態(tài)誤差（偏差）為零或在允許的范圍內(nèi)。對于一個好的自動控制系統(tǒng)來說，一般要求穩(wěn)態(tài)誤差在被控量額定值的25之內(nèi)。自動控制系統(tǒng)還應(yīng)滿足動態(tài)過程的性能要求，自動控制系統(tǒng)被控量變化的動態(tài)特性有以下幾種。(a)單調(diào)過程 被控量y(t)單調(diào)變化（即沒有“正，”，“負(fù)”的變化），緩慢地到達(dá)新的平衡狀態(tài)（新的穩(wěn)態(tài)值）。如圖1-9(a)所示，一般這種動態(tài)過程具有較長的動態(tài)過程時間（即到達(dá)新的平衡狀態(tài)所需的時間）。(b)衰減振蕩過程: 被控量y(t)的動態(tài)過程是一個振蕩過程，振蕩的幅度不斷地衰減，到過渡過程結(jié)束時，被控量會達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值。這種過程的最大幅度稱為超調(diào)量，如圖1-9（b）所示。(c)等幅振蕩過程: 被控量y(t)的動態(tài)過程是一個持續(xù)等幅振蕩過程，始終不能到達(dá)新的穩(wěn)態(tài)值，如圖1-9（c）所示。這種過程如果振蕩的幅度較大，生產(chǎn)過程不允許，則認(rèn)為是一種不穩(wěn)定的系統(tǒng)，如果振蕩的幅度較小，生產(chǎn)過程可以允許，則認(rèn)為是一種穩(wěn)定的系統(tǒng)。(d)漸擴(kuò)振蕩過程: 被控量y(t)的動態(tài)過程不但是一個振蕩過程，而且振蕩的幅值越來越大，以致會大大超過被控量允許的誤差范圍，如圖1-9（d）所示，這是一種典型的不穩(wěn)定過程，設(shè)計自動控制系統(tǒng)要絕對避免產(chǎn)生這種情況。自動控制系統(tǒng)其動態(tài)過程多屬于圖1-9（b）的情況?？刂葡到y(tǒng)的動態(tài)過程不僅要是穩(wěn)定的，并且希望過渡過程時間（又稱調(diào)整時間）越短越好，振蕩幅度越小越好，衰減得越快越好。綜上所述，對于一個自動控制的性能要求可以概括為三方面：穩(wěn)定性，快速性和準(zhǔn)確性。(1)穩(wěn)定性。自動控制系統(tǒng)的最基本的要求是系統(tǒng)必須是穩(wěn)定的，不穩(wěn)定的控制系統(tǒng)是不能工作的。(2)快速性。在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，希望控制過程（過渡過程）進(jìn)行得越快越好，但如果要求過渡過程時間很短，可能使動態(tài)誤差（偏差）過大。合理的設(shè)計應(yīng)該兼顧這兩方面的要求。(3)準(zhǔn)確性。即要求動態(tài)誤差和穩(wěn)態(tài)誤差都越小越好。當(dāng)與快速性有矛盾時，應(yīng)兼顧這兩方面的要求。1.4 自動控制的發(fā)展簡史 控制理論是關(guān)于控制系統(tǒng)建模、分析和綜合的一般理論，也可以看作是控制系統(tǒng)的應(yīng)用數(shù)學(xué)分支。根據(jù)自動控制理論的發(fā)展歷史，大致可分為以下四個階段：(一)、經(jīng)典控制理論階段閉環(huán)的自動控制裝置的應(yīng)用，可以追溯到1788年瓦特（J.Watt）發(fā)明的飛錘調(diào)速器的研究。然而最終形成完整的自動控制理論體系，是在20世紀(jì)40年代末。最先使用反饋控制裝置的是希臘人在公元前300年到1年中使用的浮子調(diào)節(jié)器。凱特斯比斯（Kitesibbios）在油燈中使用了浮子調(diào)節(jié)器以保持油面高度穩(wěn)定。19世紀(jì)60年代期間是控制系統(tǒng)高速發(fā)展的時期，1868年麥克斯韋爾（J.C.Maxwell）基于微分方程描述從理論上給出了它的穩(wěn)定性條件。1877年勞斯（E.J.Routh）,1895年霍爾維茨（A.Hurwitz）分別獨(dú)立給出了高階線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)；另一方面，1892年，李雅普諾夫（A.M.Lyapunov）給出了非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)。在同一時期，維什哥熱斯基（I.A.Vyshnegreskii）也用一種正規(guī)的數(shù)學(xué)理論描述了這種理論。1922年米羅斯基(N.Minorsky)給出了位置控制系統(tǒng)的分析，并對PID三作用控制給出了控制規(guī)律公式。 1942年，齊格勒（J.G.Zigler）和尼科爾斯(N.B.Nichols)又給出了PID控制器的最優(yōu)參數(shù)整定法。上述方法基本上是時域方法。 1932年柰奎斯特(Nyquist)提出了負(fù)反饋系統(tǒng)的頻率域穩(wěn)定性判據(jù)，這種方法只需利用頻率響應(yīng)的實驗數(shù)據(jù)。1940年，波德(H.Bode)進(jìn)一步研究通信系統(tǒng)頻域方法，提出了頻域響應(yīng)的對數(shù)坐標(biāo)圖描述方法。1943年，霍爾(A.C.Hall)利用傳遞函（復(fù)數(shù)域模型）和方框圖，把通信工程的頻域響應(yīng)方法和機(jī)械工程的時域方法統(tǒng)一起來，人們稱此方法為復(fù)域方法。 頻域分析法主要用于描述反饋放大器的帶寬和其他頻域指標(biāo)。第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束時，經(jīng)典控制技術(shù)和理論基本建立。1948年伊文斯（W.Evans）又進(jìn)一步提出了屬于經(jīng)典方法的根軌跡設(shè)計法，它給出了系統(tǒng)參數(shù)變換與時域性能變化之間的關(guān)系。至此,復(fù)數(shù)域與頻率域的方法進(jìn)一步完善?？偨Y(jié):經(jīng)典控制理論的分析方法為復(fù)數(shù)域方法,以傳遞函數(shù)作為系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，常利用圖表進(jìn)行分析設(shè)計，比求解微分方程簡便。優(yōu)點(diǎn):可通過試驗方法建立數(shù)學(xué)模型，物理概念清晰，得到廣泛的工程應(yīng)用。缺點(diǎn):只適應(yīng)單變量線性定常系統(tǒng)，對系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)缺少了解，且復(fù)數(shù)域方法研究時域特性，得不到精確的結(jié)果。(二)、現(xiàn)代控制理論階段20世紀(jì)60年代初，在原有“經(jīng)典控制理論”的基礎(chǔ)上，形成了所謂的“現(xiàn)代控制理論” 。為現(xiàn)代控制理論的狀態(tài)空間法的建立作出貢獻(xiàn)的有，1954年貝爾曼(R.Bellman)的動態(tài)規(guī)劃理論，1956年龐特里雅金(L.S.Pontryagin)的極大值原理，和1960年卡爾曼（R.E.Kalman）的多變量最優(yōu)控制和最優(yōu)濾波理論。頻域分析法在二戰(zhàn)后持續(xù)占著主導(dǎo)地位，特別是拉普拉斯變換和傅里葉變換的發(fā)展。在20世紀(jì)50年代，控制工程的發(fā)展的重點(diǎn)是復(fù)平面和根軌跡的發(fā)展。進(jìn)而在20世紀(jì)80年代，數(shù)字計算機(jī)在控制系統(tǒng)中的使用變得普遍起來，這些新控制部件的使用使得控制精確、快速。狀態(tài)空間方法屬于時域方法，其核心是最優(yōu)化技術(shù)。它以狀態(tài)空間描述（實質(zhì)上是一階微分或差分方程組）作為數(shù)學(xué)模型，利用計算機(jī)作為系統(tǒng)建模分析、設(shè)計乃至控制的手段，適應(yīng)于多變量、非線性、時變系統(tǒng)。(三)、大系統(tǒng)控制理論階段20世紀(jì)70年代開始，出現(xiàn)了一些新的控制方法和理論。如（1）現(xiàn)代頻域方法，該方法以傳遞函數(shù)矩陣為數(shù)學(xué)模型，研究線性定常多變量系統(tǒng)；（2）自適應(yīng)控制理論和方法，該方法以系統(tǒng)辨識和參數(shù)估計為基礎(chǔ)，處理被控對象不確定和緩時變，在實時辨識基礎(chǔ)上在線確定最優(yōu)控制規(guī)律；（3）魯棒控制方法，該方法在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和其它性能基礎(chǔ)上，設(shè)計不變的魯棒控制器，以處理數(shù)學(xué)模型的不確定性；（4）預(yù)測控制方法，該方法為一種計算機(jī)控制算法，在預(yù)測模型的基礎(chǔ)上采用滾動優(yōu)化和反饋校正，可以處理多變量系統(tǒng)。隨著控制理論應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，人們開始了對大系統(tǒng)理論的研究。大系統(tǒng)理論是過程控制與信息處理相結(jié)合的綜合自動化理論基礎(chǔ)，是動態(tài)的系統(tǒng)工程理論，具有規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能綜合、目標(biāo)多樣、因素眾多等特點(diǎn)。它是一個多輸入、多輸出、多干擾、多變量的系統(tǒng)。大系統(tǒng)理論目前仍處于發(fā)展和開創(chuàng)性階段。(四)、智能控制階段智能控制的指導(dǎo)思想是依據(jù)人的思維方式和處理問題的技巧，解決那些目前需要人的智能才能解決的復(fù)雜的控制問題。被控對象的復(fù)雜性體現(xiàn)為:模型的不確定性，高度非線性，分布式的傳感器和執(zhí)行器，動態(tài)突變，多時間標(biāo)度，復(fù)雜的信息模式，龐大的數(shù)據(jù)量，以及嚴(yán)格的特性指標(biāo)等。而環(huán)境的復(fù)雜性則表現(xiàn)為變化的不確定性和難以辨識。試圖用傳統(tǒng)的控制理論和方法去解決復(fù)雜的對象，復(fù)雜的環(huán)境和復(fù)雜的任務(wù)是不可能的。 智能控制的方法包括模糊控制，神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制，專家控制等方法。本章小結(jié) 本章首先介紹了什么是自動控制，介紹了自動控制理論中常用的術(shù)語：被控對象，參考輸入信號（給定值信號