第1章自動控制理論緒論

1、11.1 自動控制系統(tǒng)的基本概念與發(fā)展自動控制系統(tǒng)的基本概念與發(fā)展1.1.1 自動控制的定義與基本組成自動控制的定義與基本組成閉環(huán)控制閉環(huán)控制開環(huán)開環(huán)控制控制2所謂自動控制，是指在沒有人直接參與的情況下，利用所謂自動控制，是指在沒有人直接參與的情況下，利用操縱機器、設備或生產(chǎn)過程，使其自操縱機器、設備或生產(chǎn)過程，使其自動按預定規(guī)律運行的技術(shù)。動按預定規(guī)律運行的技術(shù)。定義：定義：圖1-1人腦控制過程示意圖 圖1-2仿人控制系統(tǒng)方框圖 遙測、遙感31.1.2 自動控制技術(shù)的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀自動控制技術(shù)的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀 外加設備或裝置，通常包括測量儀器、控制裝置和外加設備或裝置，通常包括測量儀器、控制

2、裝置和執(zhí)行機構(gòu)。沒有檢測與執(zhí)行設備，單獨的控制器是無執(zhí)行機構(gòu)。沒有檢測與執(zhí)行設備，單獨的控制器是無法發(fā)揮作用的。法發(fā)揮作用的。 發(fā)展歷史4 以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)的經(jīng)典控制理論，它主要研究單以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)的經(jīng)典控制理論，它主要研究單輸入輸入-單輸出、線性定?？刂葡到y(tǒng)的分析和設計問題。單輸出、線性定?？刂葡到y(tǒng)的分析和設計問題。 以狀態(tài)為基礎(chǔ)的狀態(tài)空間法（現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)），以狀態(tài)為基礎(chǔ)的狀態(tài)空間法（現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)），主要研究具有高性能、高精度的多變量變參數(shù)系統(tǒng)的最優(yōu)主要研究具有高性能、高精度的多變量變參數(shù)系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題，控制問題， 有線或無線有線或無線最好所有信號最好所有信號傳輸線都應符傳輸線

3、都應符合現(xiàn)場總線制合現(xiàn)場總線制l 自動控制理論是研究自動控制技術(shù)共同規(guī)律的自動控制理論是研究自動控制技術(shù)共同規(guī)律的基礎(chǔ)科學，以反饋理論為基礎(chǔ)的自動調(diào)節(jié)原理?；A(chǔ)科學，以反饋理論為基礎(chǔ)的自動調(diào)節(jié)原理。51.2 自動控制系統(tǒng)的基本控制方式自動控制系統(tǒng)的基本控制方式1.2.1 開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)u所謂開環(huán)控制系統(tǒng)就是控制器與被所謂開環(huán)控制系統(tǒng)就是控制器與被控對象之間只有順向作用而無反向控對象之間只有順向作用而無反向聯(lián)系，即控制是單方向進行的；系聯(lián)系，即控制是單方向進行的；系統(tǒng)的輸出量并不影響其控制作用，統(tǒng)的輸出量并不影響其控制作用，控制作用直接由系統(tǒng)輸入量產(chǎn)生?？刂谱饔弥苯佑上到y(tǒng)輸入量產(chǎn)生。

4、直流電動機直流電動機功率放功率放大大 器器激磁回路激磁回路constIf激磁電流激磁電流au電樞電壓電樞電壓VrV6l 開環(huán)控制系開環(huán)控制系統(tǒng)是最基本統(tǒng)是最基本的不帶反饋的不帶反饋（檢測裝置）（檢測裝置）的自動控制的自動控制系統(tǒng)，其在系統(tǒng)，其在生產(chǎn)過程及生產(chǎn)過程及生活設施中生活設施中隨處可見。隨處可見。 返回返回7輸入量輸入量 輸出量輸出量圖1-4 開環(huán)控制系統(tǒng)示意圖控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器 缺陷：缺陷：由于系統(tǒng)周圍環(huán)境的變化會給系統(tǒng)造成干擾，由于系統(tǒng)周圍環(huán)境的變化會給系統(tǒng)造成干擾，開環(huán)控制系統(tǒng)的輸出量不可能精確地對應于輸入量，開環(huán)控制系統(tǒng)的輸出量不可能精確地對應于輸入量，因此開環(huán)系統(tǒng)因此開環(huán)

5、系統(tǒng)不具備克服輸出量與輸入量之間的偏不具備克服輸出量與輸入量之間的偏差的能力，它的準確性和穩(wěn)態(tài)精度都不高。差的能力，它的準確性和穩(wěn)態(tài)精度都不高。如果系如果系統(tǒng)輸入量再隨時間變化，而系統(tǒng)的被控對象一般都統(tǒng)輸入量再隨時間變化，而系統(tǒng)的被控對象一般都存在慣性，所以存在慣性，所以不可能瞬時完成對輸入量的響不可能瞬時完成對輸入量的響應。應?？垢蓴_能力差抗干擾能力差 81.2.2 閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng) 9前向通路給控制系統(tǒng)給控制系統(tǒng)引入反饋，即把引入反饋，即把輸出量饋送到系輸出量饋送到系統(tǒng)輸入端，以便統(tǒng)輸入端，以便與輸入信號進行與輸入信號進行比較，取其偏差比較，取其偏差作為控制器的輸作為控制器的輸入，

6、如圖所示。入，如圖所示。這樣的系統(tǒng)稱為這樣的系統(tǒng)稱為10外擾外擾由系統(tǒng)的動力源或負載變化以及外部因由系統(tǒng)的動力源或負載變化以及外部因 素引起。素引起。 擾動量擾動量內(nèi)擾內(nèi)擾 由組成系統(tǒng)的元部件參數(shù)的變化引起。由組成系統(tǒng)的元部件參數(shù)的變化引起。l注意：注意：加在控制器上的信號是輸入量和反饋量之間加在控制器上的信號是輸入量和反饋量之間的差的差(偏差偏差)?？刂破魉a(chǎn)生的控制作用力圖減小或者消。控制器所產(chǎn)生的控制作用力圖減小或者消除這種偏差。除這種偏差。 l帶有負反饋的閉環(huán)控制帶有負反饋的閉環(huán)控制又稱為又稱為偏差控制偏差控制 11液位閉環(huán)控制系統(tǒng)12爐溫閉環(huán)控制系統(tǒng) 冷水 電加熱器 溫控開關(guān) 水箱

7、給定溫度 熱水 測溫元件 圖1-6 電加熱器系統(tǒng)燃氣溫度控制系統(tǒng)爐溫開環(huán)控制系統(tǒng)13 冷水 電加熱器 溫控開關(guān) 水箱 給定溫度 熱水 測溫元件 圖1-6 電加熱器系統(tǒng)控制器控制器溫控開關(guān)溫控開關(guān)輸入量輸入量期望溫度期望溫度輸出量輸出量測溫元件測溫元件檢測到的實際水溫檢測到的實際水溫偏差偏差由溫控開關(guān)由溫控開關(guān)確定確定外擾外擾注入的冷水注入的冷水和流出的熱水和流出的熱水執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)電加熱電加熱器器14優(yōu)勢：優(yōu)勢：有效地抑制有效地抑制提高系統(tǒng)的抗擾動性能，增強魯棒性，提高系統(tǒng)的抗擾動性能，增強魯棒性，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，提高響應速度改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，提高響應速度 。 問題：問題：慣性使控制作

8、用不能及時校正系統(tǒng)誤差。如慣性使控制作用不能及時校正系統(tǒng)誤差。如果控制系統(tǒng)的強激作用與被控對象的慣性匹配不當，果控制系統(tǒng)的強激作用與被控對象的慣性匹配不當，還可能產(chǎn)生振蕩，甚至不穩(wěn)定還可能產(chǎn)生振蕩，甚至不穩(wěn)定。1.2.3 復合控制系統(tǒng)復合控制系統(tǒng)使用條件：使用條件：當單獨采用開環(huán)控制或閉環(huán)控制不能得當單獨采用開環(huán)控制或閉環(huán)控制不能得到理想的控制效果時，可以采用開環(huán)和閉環(huán)控制相到理想的控制效果時，可以采用開環(huán)和閉環(huán)控制相結(jié)合的復合控制系統(tǒng)。結(jié)合的復合控制系統(tǒng)。 15圖1-7 復合控制示意圖作用：作用：帶有負反饋的閉環(huán)控制起主調(diào)節(jié)作用，帶有負反饋的閉環(huán)控制起主調(diào)節(jié)作用，而帶有前饋的開環(huán)控制則起輔助

9、作用。而帶有前饋的開環(huán)控制則起輔助作用。 16圖1-8 電動機復合控制系統(tǒng) 電動機速電動機速度復合控制系度復合控制系統(tǒng)是按擾動作統(tǒng)是按擾動作用補償?shù)膹秃嫌醚a償?shù)膹秃峡刂葡到y(tǒng)。負控制系統(tǒng)。負載大小的改變載大小的改變引起轉(zhuǎn)速變化，引起轉(zhuǎn)速變化，反映在圖反映在圖1-8（b）中即為）中即為負載轉(zhuǎn)矩負載轉(zhuǎn)矩Mc的改變。的改變。實例：實例：171.3 自動控制系統(tǒng)的基本類型自動控制系統(tǒng)的基本類型1.3.1 調(diào)節(jié)系統(tǒng)和隨動系統(tǒng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)和隨動系統(tǒng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)或恒值系統(tǒng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)或恒值系統(tǒng)系統(tǒng)的系統(tǒng)的輸入量恒定不變輸入量恒定不變的。的。輸入量輸入量并非被控對象的實并非被控對象的實際輸入而是希望輸出能夠際輸入而是希望輸

10、出能夠達到的期望值，所以又稱達到的期望值，所以又稱其其為參考輸入為參考輸入。隨動系統(tǒng)隨動系統(tǒng)系統(tǒng)的輸出能夠緊緊跟隨其輸入變化，系統(tǒng)的輸出能夠緊緊跟隨其輸入變化，并要求具有一定的跟隨精度。并要求具有一定的跟隨精度。在這種系統(tǒng)中，輸入量在這種系統(tǒng)中，輸入量的變化往往是任意的，非預知的。的變化往往是任意的，非預知的。 基本控制方式：開、基本控制方式：開、閉環(huán)，復合閉環(huán)，復合18 給定轉(zhuǎn)速 給 實際轉(zhuǎn)速 定 電 位 直流 測 速 器 電動機 發(fā)電機 生產(chǎn)機構(gòu)圖1-9 電動機轉(zhuǎn)速恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng) 電壓和功率放大器工作原理：工作原理：測速發(fā)電機將檢測到的實際轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成測速發(fā)電機將檢測到的實際轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電壓反饋

11、到輸入端，通過運算放大器與參考輸入電壓反饋到輸入端，通過運算放大器與參考輸入（給定轉(zhuǎn)速的電壓當量）進行比較，取其偏差進行（給定轉(zhuǎn)速的電壓當量）進行比較，取其偏差進行控制?？刂?。l 電、汽加熱系統(tǒng)（圖電、汽加熱系統(tǒng)（圖1-6所示）也是一個溫度恒所示）也是一個溫度恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)。值調(diào)節(jié)系統(tǒng)。日常生活中還有許多如壓力、水位、流日常生活中還有許多如壓力、水位、流量以及電壓、電流等參量的恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)。量以及電壓、電流等參量的恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)。19 輸出角度 同位儀 電壓和功率放大器 直流電動機 炮身 輸入角度圖1-10 地空導彈跟蹤系統(tǒng)示意圖 20 輸出角度輸出角度 同位儀同位儀 電壓和功率放大器電壓和功率放

12、大器 直流電動機直流電動機 炮身炮身 輸入角度輸入角度圖圖1-10 火炮跟蹤系統(tǒng)示意圖火炮跟蹤系統(tǒng)示意圖 工作原理：工作原理： 同位儀是誤差檢測裝置，輸入信號是火炮跟蹤同位儀是誤差檢測裝置，輸入信號是火炮跟蹤目標的監(jiān)測角度，反饋裝置把炮架轉(zhuǎn)動的角度送入同位儀，目標的監(jiān)測角度，反饋裝置把炮架轉(zhuǎn)動的角度送入同位儀，放大裝置輸出相應的偏差信號，使直流電動機帶動火炮的炮放大裝置輸出相應的偏差信號，使直流電動機帶動火炮的炮架轉(zhuǎn)動，如此直至反饋的角度信號與輸入的角度信號相等時，架轉(zhuǎn)動，如此直至反饋的角度信號與輸入的角度信號相等時，放大裝置的輸出功率為零，電動機停止轉(zhuǎn)動。由于火炮的目放大裝置的輸出功率為零，

13、電動機停止轉(zhuǎn)動。由于火炮的目標是飛行物體，因此系統(tǒng)的輸入角度必須根據(jù)實際目標方位標是飛行物體，因此系統(tǒng)的輸入角度必須根據(jù)實際目標方位隨時調(diào)整，所以火炮跟蹤系統(tǒng)是一個隨動系統(tǒng)。隨時調(diào)整，所以火炮跟蹤系統(tǒng)是一個隨動系統(tǒng)。211.3.2 連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)系統(tǒng)各個組成環(huán)節(jié)的輸入、輸出信號都是時間系統(tǒng)各個組成環(huán)節(jié)的輸入、輸出信號都是時間連續(xù)信號。連續(xù)信號。 上面所舉的上面所舉的恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)和和隨動系統(tǒng)隨動系統(tǒng)的例子都屬于的例子都屬于連續(xù)連續(xù)控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)。 一般采用微分方程作為分析連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)學工具。一般采用微分方程作為分析連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)學工具。 離散系

14、統(tǒng)離散系統(tǒng)系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的輸入、輸出信號都是離散信系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的輸入、輸出信號都是離散信號。號。如果控制系統(tǒng)中既有連續(xù)信號又有如果控制系統(tǒng)中既有連續(xù)信號又有離散信號，則稱之為離散信號，則稱之為采樣（離散）采樣（離散）控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)。 離散信號離散信號脈沖信號脈沖信號數(shù)字信號數(shù)字信號 離散系統(tǒng)的動態(tài)性能一般要用差分方程來描述和分析。離散系統(tǒng)的動態(tài)性能一般要用差分方程來描述和分析。22 圖圖1-11 電阻爐溫度微機控制系統(tǒng)電阻爐溫度微機控制系統(tǒng)熱電偶熱電偶 電電 阻阻電電 爐爐 絲絲A/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換器器單單片片機機放大放大濾波濾波D/A轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換器器觸發(fā)觸發(fā)電路電路微機微機控制的控制的集成度集成度越

15、來越越來越高高DSPDSP、嵌入式嵌入式系統(tǒng)、系統(tǒng)、SOCSOC晶閘管控制電路晶閘管控制電路全數(shù)字化全數(shù)字化 電阻爐溫度微機控制系統(tǒng)屬于采樣控制系統(tǒng)。電阻爐溫度微機控制系統(tǒng)屬于采樣控制系統(tǒng)。 A/D、D/A轉(zhuǎn)換器和單片機之間傳遞的是數(shù)字信號。轉(zhuǎn)換器和單片機之間傳遞的是數(shù)字信號。 有些控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)換采用有些控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)換采用V/F、F/V變換器，那么它們變換器，那么它們與單片機之間傳遞的是脈沖信號。與單片機之間傳遞的是脈沖信號。23圖圖1-12 微機控微機控制系統(tǒng)示意圖制系統(tǒng)示意圖1.3.3 單輸入單輸出系統(tǒng)和多輸入多輸出系統(tǒng)單輸入單輸出系統(tǒng)和多輸入多輸出系統(tǒng)（SISO-Single Input a

16、nd Single Output） 只有一個只有一個輸入量和一個輸出量的控制系統(tǒng)。輸入量和一個輸出量的控制系統(tǒng)。分析方法分析方法以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)的時域法、頻域法和根以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)的時域法、頻域法和根軌跡法。軌跡法。 主要研究系統(tǒng)的輸入輸出特性。主要研究系統(tǒng)的輸入輸出特性。 可用低階微分方程（或差分方程）來描述簡單的可用低階微分方程（或差分方程）來描述簡單的SISO系統(tǒng)，可靠手算分析，這就是系統(tǒng)，可靠手算分析，這就是最初的時域法最初的時域法。數(shù)字控制器數(shù)字控制器24 必須用高階微分（動態(tài)）方程來描述復雜的必須用高階微分（動態(tài)）方程來描述復雜的SISO系統(tǒng)，計算機輔助分析，系統(tǒng)，計算機輔助分析，

17、狀態(tài)空間法狀態(tài)空間法。 多輸入多輸出系統(tǒng)（多輸入多輸出系統(tǒng)（MIMO-Multi-input and multi-output ）多信號、多回路、多變量且相互之間還多信號、多回路、多變量且相互之間還有關(guān)聯(lián)（耦合）的復雜控制系統(tǒng)。有關(guān)聯(lián)（耦合）的復雜控制系統(tǒng)。分析方法分析方法以狀態(tài)空間為基礎(chǔ)的以狀態(tài)空間為基礎(chǔ)的“現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論”。 控制控制器器被控被控對象對象測量測量陣列陣列反饋陣反饋陣列列 控制控制 擾動量擾動量 狀態(tài)狀態(tài) 輸入量輸入量 作用作用 變量變量 輸出量輸出量 r(t) u(t) x(t) y(t) 不局限于研究輸入輸出特性，而關(guān)注內(nèi)部狀態(tài)的不局限于研究輸入輸出特性，而關(guān)注

18、內(nèi)部狀態(tài)的運動規(guī)律以及相互之間的關(guān)系，使系統(tǒng)在一定的控制運動規(guī)律以及相互之間的關(guān)系，使系統(tǒng)在一定的控制約束和某種性能指標下實現(xiàn)最優(yōu)控制。約束和某種性能指標下實現(xiàn)最優(yōu)控制。 251.3.4 線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的輸入輸出特性是線性系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的輸入輸出特性是線性的，可以用線性微分（或差分）方程來描述。的，可以用線性微分（或差分）方程來描述。線性定常（時不變）：線性定常（時不變）：線性常微分方程。線性常微分方程。線性時變系統(tǒng)：線性時變系統(tǒng)：線性微分方程的系數(shù)是時線性微分方程的系數(shù)是時間函數(shù)。間函數(shù)。)()()()(tcrtbytyaty )()()()(

19、)()()(trtctytbtytaty 主要特點：主要特點： 可以應用疊加和齊次性原理來處理輸入輸出之間的可以應用疊加和齊次性原理來處理輸入輸出之間的關(guān)系，以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)的經(jīng)典控制理論是其主要研關(guān)系，以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)的經(jīng)典控制理論是其主要研究依據(jù)。究依據(jù)。 26 輸出輸出 輸出輸出 輸出輸出 輸出輸出 輸入輸入 輸入輸入 輸入輸入 輸入輸入 （a） （b） （c） （d） 圖圖1-14常見的非線性系統(tǒng)特性常見的非線性系統(tǒng)特性 非線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)在動態(tài)系統(tǒng)中，只要有一個元器在動態(tài)系統(tǒng)中，只要有一個元器件的輸入輸出特性是非線性的，就稱為非線性系統(tǒng)，件的輸入輸出特性是非線性的，就稱為非線性系統(tǒng)

20、，用非線性微分（或差分方程）來描述。用非線性微分（或差分方程）來描述。 不適用疊加和齊次性原理。不適用疊加和齊次性原理。 非本質(zhì)非線性非本質(zhì)非線性：可在工作點附近的小鄰域：可在工作點附近的小鄰域內(nèi)線性化。內(nèi)線性化。 本質(zhì)非線性：本質(zhì)非線性：工作點的定義域內(nèi)存在間斷點，不是連工作點的定義域內(nèi)存在間斷點，不是連 續(xù)可微。續(xù)可微。需要專門的處理方法，例如需要專門的處理方法，例如描述函數(shù)法描述函數(shù)法 和和相平面法相平面法等，目前較實用并有效地等，目前較實用并有效地模糊控制模糊控制。 )()()()()(2trtytytyty 271.3.5 其它類型其它類型 確定性系統(tǒng)和隨機系統(tǒng)確定性系統(tǒng)和隨機系統(tǒng)

21、（數(shù)理統(tǒng)計、現(xiàn)代控制理論中的模型辨識和（數(shù)理統(tǒng)計、現(xiàn)代控制理論中的模型辨識和現(xiàn)代控制工程中的自適應控制方法）現(xiàn)代控制工程中的自適應控制方法） 集中參數(shù)系統(tǒng)和分布參數(shù)系統(tǒng)集中參數(shù)系統(tǒng)和分布參數(shù)系統(tǒng)4 對控制系統(tǒng)的要求和本書內(nèi)容簡介對控制系統(tǒng)的要求和本書內(nèi)容簡介自動控自動控制理論制理論電機與拖動電機與拖動模擬電子模擬電子技術(shù)技術(shù)線性代數(shù)線性代數(shù)微積分（含微積分（含微分方程）微分方程）復變函數(shù)、拉復變函數(shù)、拉普拉斯變換普拉斯變換電路理論電路理論大學物理（力學、大學物理（力學、熱力學）熱力學）信號與信號與系統(tǒng)系統(tǒng)28穩(wěn)態(tài)性能（精度）：穩(wěn)態(tài)性能（精度）：輸出響應的穩(wěn)態(tài)誤差。輸出響應的穩(wěn)態(tài)誤差。穩(wěn)定性：穩(wěn)定性：系統(tǒng)能夠正常工作的基本前提系統(tǒng)能夠正常工作的基本前提動態(tài)性能：動態(tài)性能：系統(tǒng)輸出響應的快速性和超調(diào)量系統(tǒng)輸出響應的快速性和超調(diào)量29系統(tǒng)分析系統(tǒng)分析將給定物理系統(tǒng)抽象成將給定物理系統(tǒng)抽象成數(shù)學模型數(shù)學模型，然后用已經(jīng)成熟的數(shù)學方法和計算機對系統(tǒng)進行動、然后用已經(jīng)成熟的數(shù)學方法和計算機對系統(tǒng)進行動、靜態(tài)性能的靜態(tài)性能的定性或定量分析定性或定量分