第一章 自動控制原理概述

1、高等教育出版社高等教育出版社 自動控制原理自動控制原理 吳仲陽吳仲陽 主編主編 高等學(xué)校教材高等學(xué)校教材 授課教師授課教師： 查曉春查曉春 第一章 自動控制原理概述 本章重點 n控制系統(tǒng)的組成、分類、特點 n自動控制及自動控制系統(tǒng)的含義 n反饋與反饋控制的概念 本章難點 n確定控制系統(tǒng)的被控對象、被控量、給 定量等等，繪制方框圖，分析實際控制 系統(tǒng)的基本原理。 d自動控制的實質(zhì) n 深刻理解反饋的概念和思想 1.0 概述 l 自動控制技術(shù)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防、航 空航天等各個領(lǐng)域中起著重要的作用！ l廣泛應(yīng)用于各種工程學(xué)科領(lǐng)域，并擴展到生 物、醫(yī)學(xué)、環(huán)境、經(jīng)濟管理和其它許多社會生 活領(lǐng)域 l獨立

2、的學(xué)科并與其它學(xué)科相互滲透、相互促進。 l自動控制原理是自動控制技術(shù)的基礎(chǔ) 理論，是一門理論性較強的工程科學(xué)。 根據(jù)自動控制技術(shù)發(fā)展的不同階段，自 動控制理論分為兩大部分： 在工程實踐中，經(jīng)典控制理論已得到許許 多多成功地運用，而且今后還將發(fā)揮其理論 指導(dǎo)作用 u經(jīng)典控制理論：19世紀(jì)末-上世紀(jì)60年 代，這一百多年所形成的理論，稱為經(jīng)典 控制理論，它是以傳遞函數(shù)為數(shù)學(xué)基礎(chǔ)， 主要研究單輸入、單輸出線性定常系統(tǒng)的 控制和綜合問題。 u現(xiàn)代控制理論：現(xiàn)代控制理論是上世紀(jì)60 年代以后發(fā)展起來的新理論稱為現(xiàn)代控制理 論，它是以狀態(tài)空間為數(shù)學(xué)基礎(chǔ). 主要研究主要研究具有高性能的多輸入、多輸出變具有高

3、性能的多輸入、多輸出變 參數(shù)系統(tǒng)的控制和綜合問題。參數(shù)系統(tǒng)的控制和綜合問題。 現(xiàn)代控制理論能解決一些經(jīng)典控制理論難 以解決的問題，而且隨著計算機技術(shù)和現(xiàn)代 應(yīng)用數(shù)學(xué)研究的發(fā)展，目前現(xiàn)代控制理論正 向著大系統(tǒng)和人工智能化方向發(fā)展。 現(xiàn)代的工程技術(shù)人員和科學(xué)工作者，必須 具備一定的自動控制理論基礎(chǔ)知識 1.1 自動控制理論和自動控制系統(tǒng)的基本概念自動控制理論和自動控制系統(tǒng)的基本概念 人工溫控系統(tǒng) （1）人工控制 一、人工控制與一、人工控制與自動控制 人工控制水位系統(tǒng) 水位人工控制系統(tǒng) 整個控制過程人在做的工作 l首先人用肉眼觀察水面（溫度）的實際高度h（T）; l 將實際水面高度h與期望的水面高度

4、H，進行比較， 得出偏差值 dH=H-h l 根據(jù)只得大小和方向來調(diào)節(jié)水閥的開口大小 l 人工的整個過程在做什么？人工的整個過程在做什么？ 在檢測偏差，糾正偏差在檢測偏差，糾正偏差 這也是控制的實質(zhì)這也是控制的實質(zhì) 所謂人工控制就是其檢測偏差和糾 正偏差，都是人工完成的所以稱為人工 控制。 n人工控制存在的問題： 1）由于用肉眼檢測偏差，所以誤差大，控制精 度低。 2）若系統(tǒng)變化快，則人的勞動強度大。 所以我們說：人工控制系統(tǒng)，勞動強度大，人工控制系統(tǒng)，勞動強度大， 控制精度低，不能適應(yīng)高速運動系統(tǒng)?？刂凭鹊?，不能適應(yīng)高速運動系統(tǒng)。 （2）自動控制 n我們能否將一個人工控制系統(tǒng)，改造為 一個

5、自動控制系統(tǒng)呢？ 我們說是完全可以的，只要我們能 選擇一個合適的控制器，來替代人的工 作，就可將此人工控制系統(tǒng)改造為自動 控制系統(tǒng)。 例1 簡單的水位控制系統(tǒng) 此系統(tǒng)利用了一個連桿機構(gòu)替代了 人的工作，實現(xiàn)了自動控制。 例2 較為完善的水位控制系統(tǒng) 例采用離心調(diào)速器的蒸汽機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng) 例3. 溫度自動控制系統(tǒng) 220V 電壓 放大器 功率 放大器 可逆 電機 給定電壓信號 熱電偶 加熱器 ua + - - + uf ue Ue=ua-uf，請大家看看此系統(tǒng)與人工控制系統(tǒng)作了那些改造 比較人工控制和自動控制可見 所謂自動控制是： 在沒有人直接參與的情況下，利用控制裝 置（或控制器）使某種設(shè)備、

6、工作機械或生 產(chǎn)過程自動按預(yù)定的運動規(guī)律運行 自動控制的類型很多 l國防業(yè)中使用的火炮，火炮根據(jù)雷達指揮儀傳來的 信息自動的調(diào)整方位角、俯仰角，隨時跟蹤目標(biāo)，瞄 準(zhǔn)著彈點。 l機加工中，數(shù)控機床能夠按預(yù)先安排的工藝程序進 行自動切削，最終加工出我們所需要的工件。 自動控制系統(tǒng)在生產(chǎn)實際和我們?nèi)粘Ｉ钪校?們見到的很多，盡管它們的結(jié)構(gòu)和功能各不相同，但 是它們有共同的規(guī)律：即 系統(tǒng)中被控制量按照控制量的變化規(guī)律來變化 例如：前面我們介紹溫控系統(tǒng) p 被控量(爐內(nèi)溫度)-隨控制量（給定電壓ua)的 變化而變化 火炮控制系統(tǒng) p被控量（火炮方位角和俯仰角）-隨控制量（雷達信 息）變化而變化 通過以

7、上分析，可見自動控制的實質(zhì)為： 檢測偏差，由偏差產(chǎn)生控制作用，檢測偏差，由偏差產(chǎn)生控制作用， 消除（或減少）偏差消除（或減少）偏差 自動控制的 基本原理 二、自動控制系統(tǒng)的組成 n從上述幾個控制系統(tǒng)可見，系統(tǒng)雖然簡單， 但從系統(tǒng)組成的角度來看，還是很典型的。 n 根據(jù)各部分性質(zhì)和功能，一般情況下，控制系統(tǒng)可 劃分為五個組成部分五個組成部分 u 檢測部分：把被控制量的大小檢測出來 u 比較部分：檢測值與給定值相比較，產(chǎn)生偏差信號 偏差-為系統(tǒng)的控制信號 u信號放大與轉(zhuǎn)換部分 u執(zhí)行機構(gòu)部分：按信號的大小和方向，對控制 對象施于控制作用 溫度自動控制系統(tǒng) 通過可逆電機通過可逆電機電位器觸頭電位器觸

8、頭改變加熱電壓改變加熱電壓 u 控制對象：被控設(shè)備（爐溫） u校正裝置：用于改善系統(tǒng)性能 在控制系統(tǒng)中，為了明確系統(tǒng)各部分的 聯(lián)系，習(xí)慣用原理方框圖描述系統(tǒng)，圖中每 一方塊代表系統(tǒng)相應(yīng)組成部分。 信號用箭頭表示，進入方塊的箭頭表示該裝 置的輸入量，離開方塊的箭頭表示該方塊的 輸出量。 代表比較元件，表示信號在這里進行代數(shù) 疊加 信號的分支點，表示信號的取出。 以溫度自控系統(tǒng)用原理方塊圖描述如下 放大裝置 執(zhí)行裝置 （散熱量Q） 控制對象 電壓、功率放大 可逆電機 調(diào)壓器 電熱爐 熱電偶 測量元件 控制裝置控制對象 Ua ue uf 即：控制系統(tǒng)=控制裝置+控制對象 n 專業(yè)術(shù)語： 1. 系統(tǒng)輸

9、入系統(tǒng)輸入：凡是能使被控制量發(fā)生變化作 用的量，稱為系統(tǒng)的輸入 由以上定義，在溫控系統(tǒng)中Ua、Q它們的變化都 會使被控量T發(fā)生變化，所以應(yīng)該稱為系統(tǒng)的輸入。 但二則之間又有區(qū)別 l爐溫值的大小是用Ua變化來達到的-Ua稱為 系統(tǒng)的給定輸入 l Q的變化為干擾量，它使?fàn)t溫偏離要值-Q 稱為干擾輸入 2. 系統(tǒng)輸出系統(tǒng)輸出：需要加以控制的某些物理量 這樣，整個自動控制系統(tǒng)（溫控）可進 一步概括成一個大的方塊圖表示。 溫控系統(tǒng)的方塊圖描述 輸入量（干擾輸入） 溫度自動 控制系統(tǒng) 輸入量 （給定輸入） 輸出量 （被控量） 1.2 1.2 n 將控制系統(tǒng)分類的目的：了解各類系統(tǒng)的特點 系統(tǒng)分類的方法很多

10、 1）根據(jù)系統(tǒng)元件特性是否線性可分為： 線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)和和非線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng) 2）根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)是否隨時間變化可分為： 時變系統(tǒng)時變系統(tǒng)和和定常系統(tǒng)定常系統(tǒng) 3）根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)信號形式的不同分為： 連續(xù)系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)和和離散系統(tǒng)離散系統(tǒng) 4 4）根據(jù)系統(tǒng)的物理性質(zhì)分為：根據(jù)系統(tǒng)的物理性質(zhì)分為： 機電控制系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)和生物控制系統(tǒng)機電控制系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)和生物控制系統(tǒng) 等等 6）根據(jù)信號傳遞的路線是否閉合分為 開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng) 下面我們重點介紹幾種比較重要的分類 5）根據(jù)被控量所遵循的規(guī)律分為： 恒值控制系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)等恒值控制系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)

11、和程序控制系統(tǒng)等 一、開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng) l開環(huán)控制系統(tǒng)-系統(tǒng)的輸出對系統(tǒng)的 控制作用沒有影響的則稱為開環(huán)控制系統(tǒng) 方塊圖描述 控制器控制對象 輸入量 輸出量 開環(huán)控制系統(tǒng)在我們的日常生活中是很常見的 如：家中使用的洗衣機等一些家電產(chǎn)品 又如：直流電動機轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng)又如：直流電動機轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng) 放大 電機 UaUb i=const n 直流電動機開環(huán)控制系統(tǒng) 我們知道，當(dāng)電機的激磁電流固定時 （i=const)， 改變加在電樞上的電壓(Ub),可 以改變電機的轉(zhuǎn)速。 n 此系統(tǒng)我們用方塊圖描述 功放電機 Ua Ub M(負載干擾）負載干擾） n 從圖中可見：當(dāng)負載不變時: ua

12、 ubn 輸出轉(zhuǎn)速于輸入電壓成正比 ：1 1）前提是在負載不變的情況下 Ua與n是以正比關(guān)系 2）而當(dāng)負載是一變化量時，這種正比關(guān)系就未必 存在。也就是說，當(dāng)增大電壓輸入(Ua)時，負載(M) 也同時增加，此時轉(zhuǎn)速(n)未必加大。 從上系統(tǒng)可見，當(dāng)負載在變化時，轉(zhuǎn)速的變化不因 其控制作用的改變，也就是說被控量(n)不參與控制作 用，從信號傳遞路線上可見，信號的傳遞是單向的， 是不閉合的。我們稱這種控制為開環(huán)控制系統(tǒng)。 注意： 開環(huán)控制系統(tǒng)在出現(xiàn)干擾現(xiàn)象 時，系統(tǒng)的輸出將不按照輸入所對 應(yīng)的期望值和狀態(tài)運行，一句話： 開環(huán)控制系統(tǒng)沒有抗干擾的能力 2. 閉環(huán)控制系統(tǒng)- 系統(tǒng)的輸出量直接或間接的

13、參與系統(tǒng)的控制作用。也就是說閉環(huán)控制系統(tǒng)需 要對系統(tǒng)的輸出量進行測量（或者說檢測）。 結(jié)論 此系統(tǒng)與開環(huán)控制系統(tǒng)相比，主要的差別： 1）系統(tǒng)增加了測速發(fā)電機，測速發(fā)電機是一種傳感 器，它將電動機的轉(zhuǎn)速正比地轉(zhuǎn)換成電壓信號： Uf=kt*n 2)將電壓信號Uf反饋到輸入端與給定輸入Ua進行代數(shù) 疊加，產(chǎn)生偏差信號產(chǎn)生偏差信號Ue=Ua-UUe=Ua-Uf f，對系統(tǒng)施于控制作 用。 系統(tǒng)用方塊圖描述 放大 電動機 測速發(fā)電機 Ua Ue M(負載力矩） n 直流電機閉環(huán)控制系統(tǒng) uf ub 系統(tǒng)的工作過程： 當(dāng)系統(tǒng)的給定輸入Ua=const電機對應(yīng)某 一轉(zhuǎn)速n，某瞬間負載力矩增大（系統(tǒng)受 到干擾

14、作用），電機的轉(zhuǎn)速下降。 我們從另一個角度來看我們從另一個角度來看：方塊圖中信號 的傳遞路線是閉合的，也就是說系統(tǒng)的輸出n 影響了系統(tǒng)控制作用。 閉環(huán)系統(tǒng)的特點： 1）輸出影響輸入，因而能削弱和抑制干擾。 2）低精度元件可組成高精度系統(tǒng)。 3）因為可能發(fā)生超調(diào)、振蕩，所以穩(wěn)定性問題很重 要。 4）閉環(huán)控制必須對輸出量進行檢測。 注意注意 在閉環(huán)控制系統(tǒng)中出現(xiàn)新的概念-反饋，反饋，它在自 動控制重是一很重的概念。 反饋反饋是指把輸出信號返送回輸入端，并與輸入信 號進行比較（或進行代數(shù)疊加），產(chǎn)生偏差。這樣的 信號通道的閉合路線稱為反饋。 反饋有分正、負反饋兩種反饋有分正、負反饋兩種 1 1）正反

15、饋-當(dāng)反饋信號加強了輸入信號的稱為正反饋 2）負反饋-當(dāng)反饋信號削弱了輸入信號稱為負反饋 除此之外還有主反饋、局部反饋 主反饋-系統(tǒng)輸出信號返送到輸入端并進行代 數(shù)疊加的稱為主反饋信號。 局部反饋局部反饋-系統(tǒng)的某個環(huán)節(jié)的輸出返送到該環(huán) 節(jié)的輸入端并進行代數(shù)疊加的稱為局部反饋 二、恒值系統(tǒng) 系統(tǒng)的輸入是一個恒值，系統(tǒng)地的輸出保 持與輸入相對應(yīng)的一個恒值。 例如上面給大家介紹的爐溫控制系統(tǒng)就是一個 極為典型的-恒值系統(tǒng) CT 0 1000 當(dāng)給定輸入為 ua=5mv 爐溫 當(dāng)給定輸入為ua=3mv爐溫 CT 0 800 系統(tǒng)的輸出保持與輸入相對應(yīng)的某一個恒值 三、隨動系統(tǒng) 系統(tǒng)的輸入量是未知的時

16、間函數(shù)，也就是說 給定輸入的變化規(guī)律事先不知道，而要求系統(tǒng) 的輸出要能夠準(zhǔn)確、迅速的跟蹤系統(tǒng)輸入的變 化 例如：國防業(yè)種火炮自動瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，就是典 型的隨動系統(tǒng) 四、程序控制系統(tǒng) 系統(tǒng)的給定輸入是按已知的時間的時間函數(shù) 變化的，系統(tǒng)輸出按給定的程序變化 常見的數(shù)控機床等就屬于程序控制系統(tǒng) 五、連續(xù)系統(tǒng)和斷續(xù)系統(tǒng) 系統(tǒng)中傳遞的信號都是時間的連續(xù)函數(shù)，則 該系統(tǒng)稱為連續(xù)系統(tǒng)。反之系統(tǒng)中只要有一個傳 遞信號是時間上的斷續(xù)信號，則稱為斷續(xù)系統(tǒng)或 稱采樣 系統(tǒng)、離散系統(tǒng)。 我們說計算機控制系統(tǒng)就是斷續(xù)系統(tǒng)（離 散系統(tǒng)）。 六、有差系統(tǒng)和無差系統(tǒng) 看系統(tǒng)在給定輸入和擾動輸入的作用下是否 存在穩(wěn)態(tài)誤差而分為有差系統(tǒng)和無差系統(tǒng) 1.3 1.3 在設(shè)計和分析自動控制系統(tǒng)時，需要有 一個評價系統(tǒng)性能的優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)，其標(biāo)準(zhǔn)通 常用性能指標(biāo)來衡量，不同的被控對象，不 同的工作方式和控制方法，對系統(tǒng)的要求往 往有所不同，但是，總而言之對系統(tǒng)的要求 可以用三個字來描述。即“穩(wěn)”、“快”、 “準(zhǔn)” 一、穩(wěn)定性 對于控制系統(tǒng)要想使系統(tǒng)能夠正常工作， 系統(tǒng)必須是穩(wěn)定的，而且還必須具有一定的 穩(wěn)定裕量，所以穩(wěn)定是對系統(tǒng)最起碼的要求， 也是系統(tǒng)能夠正常工作的前提條件。 二、動