山東大學(xué)自控原理課件

1、自動控制(z dn kn zh)原理主講(zhjing)教師：楊西俠1共四十三頁教育部副部長 吳啟迪（2007年全國自動化教育年會） 自動化領(lǐng)域涉及的面非常廣泛，除了實(shí)際工程應(yīng)用之外，還包括基礎(chǔ)研究、方法論直到哲學(xué)(zhxu)研究的內(nèi)容，這對學(xué)生的培養(yǎng)過程就非常的全面；對激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力而言，這個(gè)領(lǐng)域可以發(fā)揮的作用非常巨大。自動控制是一個(gè)內(nèi)涵非常豐富和美麗的架構(gòu)。比如說反饋的概念，這個(gè)概念無處不在。另一個(gè)就是系統(tǒng)的概念，我想沒有什么人能比我們學(xué)自動化的人更懂得2共四十三頁什么是系統(tǒng)工程了。所以，當(dāng)我們把這些東西與很多背景結(jié)合起來的時(shí)候，就深刻感覺到控制真正是一種方法論。近年來出現(xiàn)的復(fù)雜性、非

2、線性、混沌等問題，都是在這個(gè)領(lǐng)域迸發(fā)出來(ch li)的。我相信，用自動控制中這些豐富而美麗的概念和方法來激發(fā)我們的學(xué)生，一定可以產(chǎn)生很多創(chuàng)新。我們自豪地說，自動控制的理論是一種會激發(fā)創(chuàng)新的理論。3共四十三頁第一章緒論(xln)主要內(nèi)容：1.自動控制、自動控制系統(tǒng)的概念 2.自動控制的兩種基本方式 3.自動控制系統(tǒng)的類型 4.自動控制系統(tǒng)的要求和分析設(shè)計(jì)(shj) 5.自動控制理論的發(fā)展概況4共四十三頁第一章緒論(xln) 1-1 引言 1-2 自動控制的基本知識 1-3 自動控制系統(tǒng)的基本控制方式(fngsh) 1-4 自動控制系統(tǒng)的分類及基本組成 1-5 對控制系統(tǒng)的要求和分析設(shè)計(jì) 1-6

3、 自動控制理論的發(fā)展概況5共四十三頁1-1 引言(ynyn)1.控制理論的基礎(chǔ)觀念 控制理論是建立在有可能發(fā)展一種一般方法來研究各式各樣(g sh g yng)系統(tǒng)中控制過程這一基礎(chǔ)上的理論。2.控制理論的研究對象 控制理論研究的對象可狹義地定義為這樣一種信息系統(tǒng)，即根據(jù)期望的輸出來改變輸入，使系統(tǒng)的輸出能有某種預(yù)期的效果。3.控制論與數(shù)學(xué)及自動化技術(shù)的關(guān)系6共四十三頁1.2.1 自動控制問題的提出 一個(gè)簡單的水箱(shuxing)液面，因生產(chǎn)和生活需要，希望液面高度h 維持恒定。當(dāng)水的流入量與流出量平衡時(shí)，水箱的液面高度維持在預(yù)定的高度上。1.2 自動控制(z dn kn zh)的基本知識水

4、箱流出流入h 當(dāng)水的流出量增大或流入量減小，平衡則被破壞，液面的高度不能自然地維持恒定。7共四十三頁 這種出水量與進(jìn)水量的不平衡現(xiàn)象必然(brn)要經(jīng)常發(fā)生的。這使得這種“水位恒定的要求”變得難以實(shí)現(xiàn)了。 所謂控制就是強(qiáng)制性地改變某些物理量（如上例中的進(jìn)水量），而使另外某些特定的物理量（如液面高度h）維持在某種特定的標(biāo)準(zhǔn)上。 人工控制的例子。水箱流出流入h 這種人為地強(qiáng)制性地改變進(jìn)水量(shu lin)，而使液面高度維持恒定的過程，即是人工控制過程。8共四十三頁1.2.2 自動控制的定義及基本職能(zhnng)元件 1.自動控制的定義 自動控制就是在沒有人直接參與的情況下，利用控制器使被控對象

5、（或過程）的某些物理量（或狀態(tài)）自動地按預(yù)先給定的規(guī)律去運(yùn)行。水箱流出流入h控制器浮子(f zi) 當(dāng)出水與進(jìn)水的平衡被破壞時(shí)，水箱水位下降(或上升)，出現(xiàn)偏差。這偏差由浮子檢測出來，自動控制器在偏差的作用下，控制閥門開大(或關(guān)小)，對偏差進(jìn)行修正，從而保持液面高度不變。9共四十三頁 2. 自動控制的基本職能元件 自動控制的實(shí)現(xiàn),實(shí)際上是由自動控制裝置來代替(dit)人的基本功能，從而實(shí)現(xiàn)自動控制的。畫出以上人工控制與自動控制的功能方框圖進(jìn)行對照。水箱流出流入h水箱流出流入h控制器浮子 眼睛 浮子 大腦 自動控制器 肌肉、手 執(zhí)行(zhxng)元件10共四十三頁肌肉和閥門希望液位實(shí)際液位大 腦

6、水 箱眼 睛 比較兩圖可以看出，自動控制實(shí)現(xiàn)人工控制的功能，存在必不可少的三種(sn zhn)代替人的職能的基本元件：氣 動閥 門希望液位實(shí)際液位浮 子控制器水 箱11共四十三頁執(zhí) 行元 件參考輸入輸出測量變送元件控制器對 象擾動輸入 測量元件與變送器（代替眼睛）； 自動控制器（代替大腦）； 執(zhí)行元件（代替肌肉、手）。 這些基本(jbn)元件與被控對象相連接，一起構(gòu)成一個(gè)自動控制系統(tǒng)。下圖是典型控制系統(tǒng)方框圖。12共四十三頁1.2.3 自動控制中的一些術(shù)語及方框圖 1.常用術(shù)語 控制對象 控制器 系統(tǒng) 系統(tǒng)輸出 操作量 參考輸入 擾動 特性 2.系統(tǒng)方框圖 將系統(tǒng)中各個(gè)部分都用一個(gè)方框來表示，

7、并注上文字或代號，根據(jù)各方框之間的信息傳遞關(guān)系，用有向線段把它們依次連接起來，并標(biāo)明相應(yīng)(xingyng)的信息。 突出了系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)輸入與輸出的關(guān)系及各環(huán)節(jié)之間的相互影響，便于定性和定量分析。13共四十三頁1.3.1 開環(huán)控制 開環(huán)控制是最簡單的一種控制方式，我們可以給出開環(huán)控制的一般(ybn)定義： 定義：控制量與被控量之間只有順向作用而沒有反向聯(lián)系。 開環(huán)控制系統(tǒng)的典型方框圖如圖所示。1.2 自動控制(kngzh)系統(tǒng)的基本控制(kngzh)方式控制器被控對象控制量被控量 交通指揮紅綠燈，自動洗衣機(jī)，自動售貨機(jī)，產(chǎn)品自動生產(chǎn)線，數(shù)控車床等等。14共四十三頁電動機(jī)轉(zhuǎn)速滑臂位置功率放大器電位

8、器1.按給定(i dn)控制 下圖是一個(gè)直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。 當(dāng)調(diào)節(jié)電位器滑臂位置時(shí)，改變功率放大器的輸入電壓，從而(cng r)改變電動機(jī)的電樞電壓，最終改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。以上的控制過程，用方框圖簡單直觀地表示出來。 M功率放大器電動機(jī)負(fù)載電位器15共四十三頁2.按擾動(rodng)控制 圖示是一個(gè)按擾動控制的直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。負(fù)載電壓放大器M功率放大器+- R i+控制過程可用方框圖表示(biosh)成如圖示的形式。16共四十三頁電動機(jī)轉(zhuǎn)速給定不變功率放大器電位器+負(fù)載變化電壓放大器檢 測電 阻 把負(fù)載變化視為外部擾動輸入(shr)，對輸出轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的影響及控制補(bǔ)償作用，分別沿箭頭

9、的方向從輸入(shr)端傳送到輸出端，作用的路徑也是單向的，不閉合的。有時(shí)我們稱按擾動控制為順饋控制。17共四十三頁 開環(huán)控制的特點(diǎn)： （1）結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便、成本低。 （2）給定一個(gè)輸入，有相應(yīng)的一個(gè)輸出。 （3）在系統(tǒng)方框圖中，作用信號是單方向傳遞的，形成開環(huán)。 （4）輸出不影響輸入。 （5）若系統(tǒng)有外界擾動時(shí)，系統(tǒng)輸出量不可能有準(zhǔn)確的數(shù)值，即開環(huán)控制精度不高，或抗干擾能力差。1.3.2 閉環(huán)控制 定義：凡是系統(tǒng)輸出信號對控制作用有直接(zhji)影響的系統(tǒng)，都叫做閉環(huán)控制系統(tǒng)。18共四十三頁 在控制系統(tǒng)中，控制裝置對被控(bi kn)對象所施加的控制作用，若能取自被控量的反饋信息，即根

10、據(jù)實(shí)際輸出來修正控制作用，實(shí)現(xiàn)對被控對象進(jìn)行控制的任務(wù)，這種控制原理稱為反饋控制原理。正是由于引入了反饋信息，使整個(gè)控制過程成為閉合的。因此，按反饋原理建立起來的控制系統(tǒng)，叫做閉環(huán)控制系統(tǒng)。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，其控制作用的基礎(chǔ)是被控量與給定值之間的偏差。 人本身就是一個(gè)具有高度復(fù)雜控制能力的閉環(huán)系統(tǒng)。比如，人可以用手拿到放在桌上的書等物，體現(xiàn)了閉環(huán)控制的原理。 直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的例子。19共四十三頁電動機(jī)轉(zhuǎn)速給定位置功率放大器電位器+-負(fù)載擾動測速發(fā)動機(jī)ufureuaF測速發(fā)動機(jī)M功率放大器電動機(jī)負(fù)載電位器20共四十三頁 閉環(huán)控制的特點(diǎn)： 控制作用不是直接來自給定輸入(shr)，而是系統(tǒng)的

11、偏差信號，由偏差產(chǎn)生對系統(tǒng)被控量的控制； 系統(tǒng)被控量的反饋信息又反過來影響系統(tǒng)的偏差信號，即影響控制作用的大小。這種自成循環(huán)的控制作用，使信息的傳遞路徑形成了一個(gè)閉合的環(huán)路，稱為閉環(huán)。 提高了控制精度。 閉環(huán)控制系統(tǒng)的典型方框圖如圖所示。 控制器被控對象反饋元件輸入輸出+-偏差21共四十三頁三.開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的比較 閉環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是采用(ciyng)了反饋，因而使系統(tǒng)的響應(yīng)對外部干擾和內(nèi)部系統(tǒng)的參數(shù)變化均相當(dāng)不敏感。這樣，對于給定的控制對象，有可能采用(ciyng)不太精密且成本較低的元件構(gòu)成精密的控制系統(tǒng)。在開環(huán)情況下，就不可能做到這一點(diǎn)。 從穩(wěn)定性的觀點(diǎn)出發(fā)，開環(huán)控制系統(tǒng)比較容易建造，

12、因?yàn)閷﹂_環(huán)系統(tǒng)來說，不存在穩(wěn)定性的問題。但是在閉環(huán)系統(tǒng)中，穩(wěn)定性則始終是一個(gè)重要問題。因?yàn)殚]環(huán)系統(tǒng)可能引起過調(diào)誤差，從而導(dǎo)致系統(tǒng)做等幅振蕩或變幅振蕩。 工程上常采用的復(fù)合控制方法，就是把兩者結(jié)合起來使用。22共四十三頁 復(fù)合控制實(shí)質(zhì)上是在閉環(huán)控制回路的基礎(chǔ)上，附加一個(gè)輸入信號（給定或擾動(rodng)）的順饋通路，對該信號實(shí)行加強(qiáng)或補(bǔ)償，以達(dá)到精確的控制效果。 常見的方式有以下兩種： 1.附加給定輸入補(bǔ)償控制器被控對象補(bǔ)償裝置輸入輸出+- 通常，附加(fji)的補(bǔ)償裝置可提供一個(gè)順饋控制信號，與原輸入信號一起對被控對象進(jìn)行控制，以提高系統(tǒng)的跟蹤能力。23共四十三頁2.附加擾動輸入補(bǔ)償 該種復(fù)合

13、控制方框圖。附加的補(bǔ)償裝置所提供(tgng)的控制作用，主要起到對擾動影響“防患未然”的效果。控制器被控對象補(bǔ)償裝置輸入輸出+-+擾動24共四十三頁1-4 自動控制系統(tǒng)的分類基本(jbn)組成1.4.1 按給定信號的特征劃分 給定信號是系統(tǒng)的指令信息。它代表了系統(tǒng)希望的輸出值，反映(fnyng)了控制系統(tǒng)要完成的基本任務(wù)和職能。 1.恒值控制系統(tǒng)：給定輸入維持不變，希望輸出維持在某一特定值上。 液位控制系統(tǒng)，直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)等等。 2.隨動控制系統(tǒng)：給定信號上預(yù)先不知道的隨時(shí)間任意變化的函數(shù)?？刂葡到y(tǒng)能夠使被控量以盡可能小的誤差跟隨給定值的變化。 跟蹤衛(wèi)星的雷達(dá)天線系統(tǒng) 3.程序控制系統(tǒng)：給

14、定值按預(yù)先給定的規(guī)律變化的控制系統(tǒng)。機(jī)械加工中的程序控制機(jī)床等等。25共四十三頁1.4.2 按系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述(mio sh)劃分 1.線性系統(tǒng) 當(dāng)系統(tǒng)各元件輸入輸出特性是線性特性，系統(tǒng)的狀態(tài)和性能可以用線性微分（或差分）方程來描述時(shí)，則稱這種系統(tǒng)為線性系統(tǒng)。 所謂線性特性是指元件的靜特性是一條過原點(diǎn)的直線，也稱其為線性元件。因此，由線性元件組成的系統(tǒng)則必是線性系統(tǒng)。線性系統(tǒng)的一個(gè)突出特點(diǎn)就是滿足疊加原理，可運(yùn)用疊加原理的兩個(gè)性質(zhì)（可疊加性和齊次性），作為鑒別系統(tǒng)是否為線性系統(tǒng)的依據(jù)。線性系統(tǒng)r(t)c(t)r1(t) c1(t) r2(t) c2(t)r1(t) + r2(t) c1(t) +

15、 c2(t)ar1(t) ac1(t)26共四十三頁線性定常系統(tǒng)(xtng)和線性時(shí)變系統(tǒng)(xtng)疊加原理(yunl) r1(t) c1(t) r2(t) c2(t) r1(t) + r2(t) c1(t) + c2(t) ar1(t) ac1(t)27共四十三頁 yx0b-b yxa-a0-bb2.非線性系統(tǒng) 系統(tǒng)中只要存在(cnzi)一個(gè)非線性特性的元件，系統(tǒng)就由非線性方程來描述，這種系統(tǒng)稱為非線性系統(tǒng)。yxka-a0M-Myxka-a028共四十三頁1.4.3 按信號傳遞的連續(xù)性劃分 1.連續(xù)(linx)系統(tǒng) 連續(xù)系統(tǒng)的特點(diǎn)是系統(tǒng)中各元件的輸入信號和輸出信號都是時(shí)間的連續(xù)函數(shù)。這類系

16、統(tǒng)的運(yùn)動狀態(tài)是用微分方程來描述的。 連續(xù)系統(tǒng)中各元件傳輸?shù)男畔⒃诠こ躺戏Q為模擬量，多數(shù)實(shí)際物理系統(tǒng)都屬于這一類，其輸入輸出一般用r(t)和c(t)表示。r(t) t 0c(t) t 029共四十三頁 2.離散系統(tǒng) 控制系統(tǒng)(kn zh x tn)中只要有一處的信號是脈沖序列或數(shù)碼時(shí)，該系統(tǒng)即為離散系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的狀態(tài)和性能一般用差分方程來描述。實(shí)際物理系統(tǒng)中，信息的表現(xiàn)形式為離散信號的并不多見，往往是控制上的需要，人為地將連續(xù)信號離散化，我們稱其為采樣。c(t) t 0c(t)c*(t)c*(t) t 030共四十三頁1.4.4 按系統(tǒng)的輸入與輸出信號的數(shù)量劃分 1.單變量系統(tǒng)（SISO） 2

17、.多變量系統(tǒng)（MIMO）1.4.5 自動控制系統(tǒng)的基本組成 在形形色色的自動控制系統(tǒng)中，反饋控制是最基本的控制方式之一。一個(gè)典型的反饋控制系統(tǒng)總是(zn sh)由控制對象和各種結(jié)構(gòu)不同的職能元件組成的。除控制對象外，其他各部分可統(tǒng)稱為控制裝置。每一部分各司其職，共同完成控制任務(wù)。下面給出這些職能元件的種類和各自的職能。31共四十三頁輸出輸入放大元件+-測量變送元件給定元件執(zhí)行元件串聯(lián)校正元件+-對象反饋校正元件 給定元件(yunjin)：其職能是給出與期望的輸出相對應(yīng)的系統(tǒng)輸入量，是一類產(chǎn)生系統(tǒng)控制指令的裝置。 32共四十三頁 測量元件：其職能是檢測被控量，如果測出的物理量屬于非電量，大多情況

18、下要把它轉(zhuǎn)換成電量，以便利用電的手段加以處理。 比較元件：其職能是把測量元件檢測到的實(shí)際輸出值與給定元件給出的輸入值進(jìn)行比較，求出它們之間的偏差。 放大(fngd)元件：其職能是將過于微弱的偏差信號加以放大，以足夠的功率來推動執(zhí)行機(jī)構(gòu)或被控對象。 執(zhí)行元件：其職能是直接推動被控對象，使其被控量發(fā)生變化。 校正元件：為改善或提高系統(tǒng)的性能，在系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上附加參數(shù)可靈活調(diào)整的元件。工程上稱為調(diào)節(jié)器。常用串聯(lián)或反饋的方式連接在系統(tǒng)中。33共四十三頁1.5 對控制系統(tǒng)的要求(yoqi)和分析設(shè)計(jì)1.5.1 對系統(tǒng)的要求 各類控制系統(tǒng)為達(dá)到理想的控制目的，必須具備以下(yxi)兩個(gè)方面的性能 (基

19、本要求) ： （a）使系統(tǒng)的輸出快速準(zhǔn)確地按輸入信號要求的期望輸出值變化。 （b）使系統(tǒng)的輸出盡量不受任何擾動的影響。 對自控系統(tǒng)性能的要求一般可歸納為三大性能指標(biāo)： （1）穩(wěn)定性：要求系統(tǒng)絕對穩(wěn)定且有一定的穩(wěn)定裕量。 （2）瞬態(tài)質(zhì)量：要求系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)過程具有一定的快速性和變化的平穩(wěn)性。34共四十三頁 在實(shí)際系統(tǒng)(xtng)中，由于總是存在著不同性質(zhì)的儲能元件。并且也由于能源功率的限制，使得系統(tǒng)(xtng)放大能力必然有限。因而使相應(yīng)的運(yùn)動加速度不會太大，速度和位移不會瞬間變化，而要經(jīng)歷一段時(shí)間，即系統(tǒng)(xtng)運(yùn)動必然有一個(gè)漸變的過程。r(t) t 0c(t) t 0 （3）穩(wěn)態(tài)誤差：要求

20、系統(tǒng)最終的響應(yīng)準(zhǔn)確度，限制在工程允許(ynx)的范圍之內(nèi)，是系統(tǒng)控制精度的恒量。35共四十三頁1.5.2 控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì) 1.系統(tǒng)分析 系統(tǒng)給定，在規(guī)定的工作(gngzu)條件下，對它進(jìn)行分析研究，其中包括穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)性能分析，看是否滿足要求，以及分析某個(gè)參數(shù)變化時(shí)對上述性能指標(biāo)的影響，決定如何合理地選取等。 2.系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的，是要尋找一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)所要求性能的自動控制系統(tǒng)。因此，在系統(tǒng)應(yīng)完成的任務(wù)和應(yīng)具備的性能已知的條件下，根據(jù)被控對象的特點(diǎn)，構(gòu)造出適合的控制器是設(shè)計(jì)的主要任務(wù)。應(yīng)進(jìn)行的步驟如下： （1）熟悉對系統(tǒng)性能的要求。 （2）根據(jù)要求的性能指標(biāo)綜合確定系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模

21、型。36共四十三頁 （3）若控制對象是已知的，根據(jù)確定的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型和已知部分的數(shù)學(xué)模型，求得控制器的數(shù)模和控制規(guī)律。 （4）按綜合確定的數(shù)模進(jìn)行系統(tǒng)分析，驗(yàn)證它在各種信號作用下是否滿足要求。若不滿足，及時(shí)修正。 （5）樣機(jī)(yn j)設(shè)計(jì)制造和試驗(yàn)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果。1-6 自動控制理論(lln)的發(fā)展概況 具有“自動”功能的裝置的歷史可追逆到公元前1411世紀(jì)在中國、埃及和巴比倫出現(xiàn)的自動計(jì)時(shí)漏壺。 公元4世紀(jì)，希臘柏拉圖(Platon)首先使用了“控制論”一詞。 運(yùn)用反饋原理設(shè)計(jì)出來并成功應(yīng)用的是英-瓦特(J.wate)于1788年發(fā)明的蒸汽機(jī)用的離心式飛錘調(diào)速器。37共四十三頁 后來，英-

22、麥克斯韋(J.C.Maxwell)于1868年發(fā)表了“論調(diào)速器”一文，對它的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，指出控制系統(tǒng)的品質(zhì)可用微分方程來描述，系統(tǒng)的穩(wěn)定性可用特征方程根的位置(wi zhi)和形式來研究。當(dāng)屬最早的理論工作。 1875年英-勞斯(E.J.Routh)和德-赫爾維茨(A.Hurwitz)先后提出了根據(jù)代數(shù)方程系數(shù)判別系統(tǒng)穩(wěn)定性的準(zhǔn)則。 1892年俄-李雅普諾夫出版了專著“論運(yùn)動穩(wěn)定性的一般問題”，提出了用李雅普諾夫函數(shù)的正定性及其導(dǎo)數(shù)的負(fù)定性判別系統(tǒng)穩(wěn)定性的準(zhǔn)則，從而建立了動力學(xué)系統(tǒng)的一般穩(wěn)定性理論。 1932年美籍瑞典-奈奎斯特(H.Nyquist)提出了根據(jù)頻率響應(yīng)判別反饋系統(tǒng)穩(wěn)定性的準(zhǔn)則。38共四十三頁 1938年前蘇聯(lián)米哈依洛夫提出了圖解分析方法判別系統(tǒng)穩(wěn)定性的準(zhǔn)則，把奈氏判據(jù)推廣到條件穩(wěn)定和條件不穩(wěn)定系統(tǒng)的一般情況。 1948年美國維納(N.wiener)出版了專著(zhunzh)控制論關(guān)于在動物和機(jī)器中控制和通信的科學(xué)，系統(tǒng)地論述了控制理論的一般原理和方法，推廣了反饋的概念，為控制理論學(xué)科的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。該書的出版標(biāo)