第1章控制系統(tǒng)的基本概念

第1章控制系統(tǒng)的基本概念控制系統(tǒng)的的工作原理及其組成控制系統(tǒng)的基本類型對控制系統(tǒng)的基本要求自動控制理論發(fā)展概述1-1

自動控制系統(tǒng)的工作原理及其組成

一、自動控制問題的提出

液位控制系統(tǒng)控制器減速器電動機電位器浮子用水開關(guān)Q2Q1cifSM手臂,手人眼輸入信號大腦人眼輸出信號用自動裝置代替人工操作二、反饋控制原理

下圖是水箱水位自動控制系統(tǒng)的框圖。反饋的概念：將輸出量取出一部分或全部送到輸入端，稱為反饋。當反饋量與輸入信號極性相反時為負反饋，極性相同時為正反饋。控制系統(tǒng)通常是負反饋?？刂葡到y(tǒng)的工作原理如下：1）檢測輸出量的實際值；2）將實際值反饋到輸入端與給定值（輸入量）進行比較得出偏差值；3）用偏差值產(chǎn)生控制調(diào)節(jié)作用去消除偏差三、自動控制系統(tǒng)的基本組成

任何一個自動控制系統(tǒng)都是由被控對象和控制器有機構(gòu)成的。圖1-6是一個典型自動控制系統(tǒng)的功能框圖。四、自動控制系統(tǒng)基本控制方式

反饋控制方式是自動控制系統(tǒng)最基本的控制方式，也是應(yīng)用最廣泛的一種方式。除此之外，還有開環(huán)控制方式和復合控制方式。近幾十年來控制方式有了很大的發(fā)展，例如，最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、模糊控制、智能控制等。1）開環(huán)控制方式

系統(tǒng)的輸入不受輸出影響的控制系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。在開環(huán)控制系統(tǒng)中，輸入端與輸出端之間，只有信號的前向通道而不從再由輸出端到輸入端的反饋通路。開環(huán)控制系統(tǒng)可以按定給量控制方式組成，也可按擾動方式組成。

定義

如果系統(tǒng)的被控量直接或間接地參與控制，這種系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)或更直接地稱為反饋控制系統(tǒng)。

反饋控制系統(tǒng)的控制原理如圖1.7所示。

2)閉環(huán)控制或反饋控制方式

人們在系統(tǒng)中同時引進開環(huán)控制和閉環(huán)控制，這種系統(tǒng)稱為復合控制系統(tǒng)。復合控制系統(tǒng)的原理如圖1.8所示。

3）復合控制系統(tǒng)1-2自動控制系統(tǒng)的分類開環(huán)控制閉環(huán)控制(反饋控制)復合控制按控制方式分機械系統(tǒng)電氣系統(tǒng)機電系統(tǒng)——全自動照相機，光機電結(jié)合液壓系統(tǒng)——伺服液壓缸，汽車發(fā)動機氣動系統(tǒng)生物系統(tǒng)按元件類型分按系統(tǒng)功用分溫度控制系統(tǒng)壓力控制系統(tǒng)位置控制系統(tǒng)線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)定常系統(tǒng)時變系統(tǒng)確定性系統(tǒng)不確定性系統(tǒng)按系統(tǒng)性能分離散系統(tǒng)恒值控制系統(tǒng)隨動系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)按參據(jù)量變化規(guī)律分一般為了全面反應(yīng)自動控制系統(tǒng)的特點，常常將上述分類方法綜合應(yīng)用。一、線性連續(xù)控制系統(tǒng)這類系統(tǒng)可用線性微分方程描述，其一般形式為:1．恒值控制系統(tǒng)

這類控制系統(tǒng)的參據(jù)量（系統(tǒng)輸入量）是一個常值，要求被控制量等于一個常值，故又稱為調(diào)節(jié)器。在工業(yè)控制中，如被控量時溫度、流量、壓力、液位等生產(chǎn)過程時，這種控制系統(tǒng)則稱為過程控制系統(tǒng)，他們大多數(shù)屬于恒值控制系統(tǒng)。2、隨動系統(tǒng)

隨動系統(tǒng)在工業(yè)部門又稱伺服系統(tǒng)。這類控制系統(tǒng)的輸入量是預(yù)先未知的隨時間變化的函數(shù)。當輸入量法深變化時，則要求輸出量迅速而平穩(wěn)地跟隨變化，且能排除各種干擾因素的影響，準確的復現(xiàn)控制信號的變化規(guī)律（次即伺服的含義）?？刂浦噶羁梢杂刹僮髡吒鶕?jù)需要隨時發(fā)出，也可由目標物或相應(yīng)的測量裝置發(fā)出。3．程序控制系統(tǒng)

這類控制系統(tǒng)的參據(jù)量（輸入量）是按預(yù)定規(guī)律隨時間變化的函數(shù)，要求被控量迅速、準確地加以復現(xiàn)。例如數(shù)控機床。二、線性定常離散控制系統(tǒng)

離散系統(tǒng)是指系統(tǒng)的某處或多處的信號為脈沖序列或數(shù)碼形式，因而信號在實踐上是離散的。連續(xù)信號經(jīng)過采樣開關(guān)的采樣就可轉(zhuǎn)變成離散信號。一般離散系統(tǒng)中既有連續(xù)的模擬信號，也有離散的數(shù)字信號，因此離散系統(tǒng)要用差分方程描述，線性差分方程的一般形式為三、非線性控制系統(tǒng)

只要有一個元件的的輸入輸出特性是非線性的，這類系統(tǒng)就稱為非線性系統(tǒng)，這時要用非線性微分方程描述其特性。非線性方程的特點是系數(shù)與變量有關(guān)，或者方程中含有變量及其導數(shù)的高次冪或乘積項。例如1-3自動控制系統(tǒng)的基本要求

不同的控制對象、不同的工種方式和控制任務(wù)，對系統(tǒng)的品質(zhì)指標要求也往往不同，但是，對每一類系統(tǒng)被控量變化全過程提出的共同基本要求是一樣的。且可歸結(jié)為穩(wěn)定性、快速性和準確性。即穩(wěn)、快、準。1．穩(wěn)定性穩(wěn)定性是保證控制系統(tǒng)工作的先決條件。穩(wěn)定性是系統(tǒng)重新恢復平衡狀態(tài)的能力。2．快速性為了很好完成控制任務(wù)，控制系統(tǒng)僅僅滿足穩(wěn)定性要求是不夠的，還必須對其過渡過程的形式和快慢提出要求，一般稱為動態(tài)性能。3．準確性實際中被控量的穩(wěn)態(tài)值與期望值之間會有誤差存在，稱為穩(wěn)態(tài)誤差。穩(wěn)態(tài)誤差是衡量控制系統(tǒng)精度的重要指標。

1-4自控理論的發(fā)展概述

經(jīng)典控制理論

1.古代中國：北宋時代（公元1086－1089）蘇頌和韓公廉利用天衡裝置制造的水運儀象臺，就是按負反饋原理構(gòu)成的閉環(huán)非線性自動控制系統(tǒng)；英國：dennisPapin發(fā)明了用作安全調(diào)節(jié)裝置的鍋爐壓力調(diào)節(jié)器；俄國：I.Polzunov（普爾佐諾夫）發(fā)明了蒸汽鍋爐水位調(diào)節(jié)器2．1788年，JamesWatt在他發(fā)明的蒸汽機上使用了離心調(diào)速器，解決了蒸汽機的速度控制問題，引起了人們對控制技術(shù)的重視。以后人們試圖改善調(diào)速器的準確性，卻常常導致系統(tǒng)振蕩3．1868年，英國物理學家麥克斯韋（J.C.Maxwell）通過對調(diào)速系統(tǒng)線性常微分方程的建立與分析，解釋了瓦特速度控制系統(tǒng)中出現(xiàn)的不穩(wěn)定問題，開辟了用數(shù)學方法研究控制系統(tǒng)的途徑。此后，英國數(shù)學家勞斯（E.J.Routh）和德國數(shù)學家古爾維茨（A.Hurwitz）分別在1877年和1895年獨立地建立直接根據(jù)代數(shù)方程的系數(shù)判別系統(tǒng)穩(wěn)定性的準則。這些方法奠定了經(jīng)典控制理論中時域分析法的基礎(chǔ)。4．1932年，美國物理學家奈奎斯特（H.Nyquist）研究了長距離電話線信號傳輸中出現(xiàn)的失真問題，運用復變函數(shù)理論建立了以頻率特性為基礎(chǔ)的穩(wěn)定性判據(jù)，奠定了頻率響應(yīng)法的基礎(chǔ)。隨后，伯德（H.W.Bode）和尼柯爾斯（N.B.Nichols）在20世紀30年代末和40年代初進一步將頻率響應(yīng)法加以發(fā)展，形成了經(jīng)典控制理論的頻域分析法，為工程技術(shù)人員提供了一個設(shè)計反饋控制系統(tǒng)的有效工具。5．二戰(zhàn)期間，反饋控制方法廣泛應(yīng)用于設(shè)計研制飛機自動駕駛儀、火炮定位系統(tǒng)、雷達天線控制系統(tǒng)及其他軍用系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的復雜性和對快速跟蹤、精確控制的高性能追求，迫切要求拓寬已有的控制技術(shù)，促使了許多新的見解和方法的產(chǎn)生，同時，還促使了對非線性系統(tǒng)、采樣系統(tǒng)和隨機控制系統(tǒng)的研究。6．1948年，美國科學家伊萬思（W.R.Evans）創(chuàng)立了根軌跡分析方法，為分析系統(tǒng)隨系統(tǒng)參數(shù)變化的規(guī)律性提供了有力工具，被廣泛應(yīng)用于反饋控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計中。以傳遞函數(shù)作為描述系統(tǒng)的數(shù)學模型，以時域分析法、根軌跡法和頻域分析法為主要分析設(shè)計工具，構(gòu)成了經(jīng)典控制理論的基本框架。

經(jīng)典控制理論研究的對象基本上是以線性定常系統(tǒng)為主的單輸入單輸出系統(tǒng)，還不能解決如時變參數(shù)問題，多變量強耦合等復雜的控制問題。

現(xiàn)代控制理論7．二十世紀50年代中期，空間技術(shù)的發(fā)展迫切要求解決更復雜的多變量系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題（例如，火箭和宇航器的導航、跟蹤和著陸過程中的高精度、低消耗控制）。實踐的需求推動了控制理論的進步，同時，計算機技術(shù)的發(fā)展也從計算手段上為控制理論的發(fā)展提供了條件。俄國數(shù)學家李雅普諾夫（A.M.Lyapunov）1892年創(chuàng)立的穩(wěn)定性理論被引用到控制中。8．1956年，前蘇聯(lián)科學家龐特里亞金（Pontryyagin）提出了極大值原理；同年，美國科學家貝爾曼（R.bellman）創(chuàng)立的動態(tài)規(guī)劃。極大值原理和動態(tài)規(guī)劃為解決最優(yōu)控制問題提供了理論工具。9．1959年美國數(shù)學家卡爾曼（R.Kalman）提出了著名的卡爾曼濾波器，1960年卡爾曼又提出了系統(tǒng)的可控性和可觀測性問題。

到二十世紀60年代，一套以狀態(tài)方程作為描述系統(tǒng)的數(shù)學模型，以最優(yōu)控制和卡爾曼濾波為核心的控制分析、設(shè)計的新原理和方法基本確定，現(xiàn)代控制理論運用而生。

控制理論主要利用計算機作為系統(tǒng)建模分析、設(shè)計乃至控制的手段，適用于多變量、非線性、時變系統(tǒng)。10．近十幾年來科學家提出了新的控制方法和理論，例如，自適應(yīng)控制，模糊控制、預(yù)測控制，容錯控制，魯棒控制和智能控制。

圖1－1a)是人工控制保持水位恒定的供水系統(tǒng)。水池中的水位時是被控制的物理量，簡稱被控制量。水池這個設(shè)備是控制的對象，簡稱被控制對象。圖1-1b)所實施水池水位自動控制系統(tǒng)的一種簡單形式。此系統(tǒng)雖然可實現(xiàn)自動控制，但由于結(jié)構(gòu)簡陋而存在缺陷，主要表現(xiàn)在被控制的水位高度將隨出水量的變化而變化。出水量越多，水位越低，偏離期望值就越遠，誤差越大?？刂频慕Y(jié)果，總存在一定范圍的誤差值。由此例可知，自動控制和人工控制極為相似，自動控制系統(tǒng)只不過是把某些裝置有機的組合在一起，以代替人的職能而已。圖1－2中所示的浮子相當于人的眼睛，對實際水位進行測量；連桿和電位器類似于大腦，完成比較運算，給出偏差的大小和極性；電動機相當于人手，調(diào)節(jié)閥門的開度，對水位實施控制。

被控對象：一般指生產(chǎn)過程中要進行控制的