自動控制原理第1章

自動控制原理PrinciplesofAutomaticControl鄧穎娜E-mail:dengyingna@126.com《自動控制原理》參考教材《自動控制原理-簡明教程》——胡壽松，第3版，科學(xué)出版社。

課程性質(zhì)和特點(diǎn)《自動控制原理》是一門技術(shù)學(xué)科，從方法論的角度來研究系統(tǒng)的建立、分析與設(shè)計(jì)?！蹲詣涌刂圃怼肥且婚T專業(yè)基礎(chǔ)課，與其他課程關(guān)系：微積分（含微分方程）電機(jī)與拖動模擬電子技術(shù)線性代數(shù)電路理論信號與系統(tǒng)自動控制理論復(fù)變函數(shù)、拉普拉斯變換大學(xué)物理（力學(xué)、熱力學(xué)）

如何學(xué)好這門課？

打好基礎(chǔ)

高等數(shù)學(xué)（微積分）、積分變換（拉氏變換）

做好預(yù)習(xí)

提前了解課程內(nèi)容

聽好課

掌握基本理論和基本方法做好習(xí)題

應(yīng)用學(xué)到的基本理論和基本方法解決實(shí)際問題考察方式

考試成績：70％平時(shí)成績：30％（包括作業(yè)、提問、測驗(yàn)、出勤等）第1章控制系統(tǒng)導(dǎo)論自動控制系統(tǒng)的基本原理自動控制系統(tǒng)示例自動控制的分類自動控制系統(tǒng)的基本要求12341.1

自動控制的基本原理自動控制技術(shù)及應(yīng)用自動控制理論反饋原理反饋控制系統(tǒng)的基本組成自動控制系統(tǒng)的基本控制方式本節(jié)主要內(nèi)容為什么需要自動控制？什么是自動控制、自動控制系統(tǒng)？自動控制怎樣發(fā)展而來？

1.1.1自動控制技術(shù)及應(yīng)用

為什么需要自動控制什么是自動控制？

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（或生產(chǎn)過程等）的某一物理量（如溫度、壓力、PH值等）準(zhǔn)確地按照預(yù)期的規(guī)律運(yùn)行。自動化（Automation

或Automatization）什么叫自動控制？什么叫自動控制系統(tǒng)？自動控制主要研究解決什么問題（舉例說明）？

自動控制系統(tǒng)

為實(shí)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。

自動控制的應(yīng)用

飛機(jī)導(dǎo)航、姿態(tài)控制火炮、雷達(dá)、核動力、跟蹤系統(tǒng)航空航天工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程飛機(jī)導(dǎo)航、姿態(tài)控制火炮、雷達(dá)、跟蹤系統(tǒng)航空航天現(xiàn)代化工廠工業(yè)生產(chǎn)過程化工過程軋鋼過程汽車加工裝箱加工過程自動控制是現(xiàn)代才有的嗎？？古代就有自動化方面的成就

公元前14世紀(jì)至前11世紀(jì)，自動計(jì)時(shí)漏壺

公元130年，張衡地動儀

公元235年，馬鈞指南車？？

1.1.2自動控制理論及其發(fā)展1769年瓦特發(fā)明蒸汽機(jī)1788年瓦特發(fā)明飛球調(diào)節(jié)器，進(jìn)一步推動蒸汽機(jī)的應(yīng)用，促進(jìn)了工業(yè)的發(fā)展。推動了社會進(jìn)步是飛球調(diào)節(jié)器公認(rèn)為第一個(gè)自動控制系統(tǒng)的最主要原因！飛球調(diào)節(jié)器世界上公認(rèn)的第一個(gè)自動控制系統(tǒng)20飛球調(diào)節(jié)器有時(shí)使蒸汽機(jī)速度出現(xiàn)大幅度振蕩。其它自動控制系統(tǒng)也有類似現(xiàn)象。由于當(dāng)時(shí)還沒有自控理論，所以不能從理論上解釋這一現(xiàn)象。為了解決這個(gè)問題，盲目探索了大約一個(gè)世紀(jì)之久。

沒有理論指導(dǎo)使控制技術(shù)停滯了一個(gè)世紀(jì)！自動控制理論的開端1868年英國麥克斯韋爾的“論調(diào)速器”論文指出：不應(yīng)單獨(dú)研究飛球調(diào)節(jié)器，必須從整個(gè)系統(tǒng)分析控制的穩(wěn)定性。建立系統(tǒng)微分方程，分析微分方程解的穩(wěn)定性，從而分析實(shí)際系統(tǒng)是否會出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。這樣，控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的分析，變成了判別微分方程的特征根的實(shí)部的正、負(fù)號問題。麥克斯韋爾的這篇著名論文被公認(rèn)為自動控制理論的開端。經(jīng)典控制理論20世紀(jì)40年代“經(jīng)典控制理論”正式誕生，代表作是維納（Wiener）1948年發(fā)表的《控制論》（CyberneticsorControlandCommunicationintheAnimalandMachine）。維納成為控制論的創(chuàng)始人！控制論所討論的主要問題是一個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)不同部分之間的相互作用的定性性質(zhì)，以及整個(gè)系統(tǒng)的總體運(yùn)動狀態(tài)。

“經(jīng)典控制理論”以傳遞函數(shù)為數(shù)學(xué)工具，研究對象主要是單輸入單輸出的線性自動控制系統(tǒng)。現(xiàn)代控制理論二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，各國大力發(fā)展空間技術(shù)，經(jīng)典控制理論不能滿足需要，需要研究新的控制理論。20世紀(jì)60年代初，第一顆人造衛(wèi)星上天，太空飛船成功登月，催生了“現(xiàn)代控制理論”?，F(xiàn)代控制理論在空間技術(shù)取得巨大成功，促進(jìn)了空間技術(shù)的發(fā)展。“現(xiàn)代控制理論”以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，主要研究多輸入多輸出、時(shí)變、非線性控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問題。

智能控制現(xiàn)代控制理論在空間技術(shù)取得巨大成功，但由于工業(yè)過程控制中普遍存在的不確定性和干擾，難以取得預(yù)期的效果。模擬人的控制技術(shù)——智能控制，雖然不能實(shí)現(xiàn)精確的控制，但對各種復(fù)雜系統(tǒng)能夠做到比較滿意的控制。自動控制理論發(fā)展簡史經(jīng)典控制理論

(20世紀(jì)40年代)

時(shí)域法復(fù)域法(根軌跡法)

頻域法現(xiàn)代控制理論(20世紀(jì)60年代)

線性系統(tǒng)自適應(yīng)控制最優(yōu)控制魯棒控制最佳估計(jì)容錯(cuò)控制系統(tǒng)辨識集散控制大系統(tǒng)復(fù)雜系統(tǒng)智能控制理論(20世紀(jì)70年代)

專家系統(tǒng)量子計(jì)算模糊控制DNA計(jì)算神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)群體智能進(jìn)化計(jì)算自然計(jì)算。。。自動控制的定義所謂自動控制，是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱控制裝置或控制器），使工作機(jī)械、設(shè)備或整個(gè)生產(chǎn)過程（統(tǒng)稱被控對象）自動地按預(yù)定規(guī)律運(yùn)行，或使其某些物理量（稱為被控量）按預(yù)定要求變化。

自動控制是在人工控制的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。下面以水池水位系統(tǒng)的人工控制與自動控制為例來說明自動控制的基本原理。

1.1.3反饋控制原理

水池水位系統(tǒng)的人工控制控制目的：水池中的水源源不斷地經(jīng)過水管道流出，以供用戶使用。為了使水位上升或者下降都有足夠的余地，避免過滿或抽空，應(yīng)使水池水位與要求值相等?？刂剖侄危焊淖冞M(jìn)水閥門的開度。水池水位的人工控制過程測量過程用眼睛作測量工具，測量水位實(shí)際高度。決策過程通過大腦，將觀測到的實(shí)際液位與期望液位高度進(jìn)行比較，得到偏差。根據(jù)偏差情況（正、負(fù)、大、?。?，進(jìn)行分析運(yùn)算，發(fā)出一控制命令；執(zhí)行過程手執(zhí)行大腦的命令，改變手操進(jìn)水閥的開度，調(diào)節(jié)進(jìn)水量，使水位偏差減小；反復(fù)進(jìn)行上述過程，使水位實(shí)際值與要求值相等。由于有人直接參與控制，故稱為人工控制。

在本例中，水池水位是被控變量，水池是被控對象。以飛機(jī)的仰角控制為例：給定裝置放大器舵機(jī)飛機(jī)垂直陀螺儀θ0θc俯仰角控制系統(tǒng)方塊圖反饋電位器

反饋控制原理

在反饋控制系統(tǒng)中，控制裝置對被控對象施加的控制作用，是取自被控量的反饋信息，用來不斷修正被控量與輸入量之間的偏差，從而實(shí)現(xiàn)對被控量進(jìn)行控制的任務(wù)。

輸入部分控制系統(tǒng)輸出部分理解方式從物理角度上看，自動控制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)角度上看，研究的是輸入與輸出之間的映射關(guān)系

1.1.4反饋控制系統(tǒng)的組成

水池水位系統(tǒng)的自動控制若用自動控制裝置代替人完成人工操作過程，則可構(gòu)成自動控制系統(tǒng)。

控制系統(tǒng)的基本組成框圖輸入信號——系統(tǒng)控制目標(biāo)的反映，是人意志的具體體現(xiàn)?？刂葡到y(tǒng)——主要完成對有關(guān)信號的變換、處理，發(fā)出控制量，驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成控制功能。包括放大器，執(zhí)行裝置，測量元件等。輸出信號——系統(tǒng)的控制結(jié)果，反映了被控對象的運(yùn)行狀態(tài)自動控制裝置測量元件：測量被控量的實(shí)際值，并進(jìn)行物理量的變換（變送器）比較元件：測量值與給定值比較，獲得偏差調(diào)節(jié)元件：根據(jù)偏差產(chǎn)生控制信號。（控制器：包括比較元件和調(diào)節(jié)元件）執(zhí)行元件：由控制信號改變操縱變量，作用于被控對象，使水位偏差減?。▓?zhí)行器，操作閥）

以上元件共同作用，反復(fù)檢測和控制，使得水位實(shí)際值與要求值相等。36（1）飛機(jī)的仰角控制系統(tǒng)1.2自動控制系統(tǒng)示例給定裝置放大器舵機(jī)飛機(jī)垂直陀螺儀θ0θc擾動俯仰角控制系統(tǒng)方塊圖反饋電位器

（2）爐溫控制系統(tǒng)

按信號傳遞路徑分類：

開環(huán)控制閉環(huán)控制復(fù)合控制

按系統(tǒng)的控制作用分類

恒值控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng)隨動系統(tǒng)按系統(tǒng)傳輸信號的性質(zhì)來分類

連續(xù)系統(tǒng)離散系統(tǒng)按描述系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型不同來分類

線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)主要分類方法1.3自動控制系統(tǒng)的分類

按信號傳遞路徑分類閉環(huán)控制開環(huán)控制復(fù)合控制優(yōu)點(diǎn)：簡單/穩(wěn)定/成本低缺點(diǎn)：精度低

開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)的結(jié)合優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)用廣泛、精度高缺點(diǎn)：設(shè)備多、復(fù)雜對內(nèi)部誤差不敏感穩(wěn)定性不易控制

開環(huán)控制系統(tǒng)的輸出端與輸入端不存在反饋回路,輸出量對系統(tǒng)的控制作用不發(fā)生影響特點(diǎn)：簡單、穩(wěn)定、成本低，精度低應(yīng)用：控制量的變化規(guī)律可預(yù)知時(shí)；干擾易于抑制時(shí)；被控量很難測量時(shí)采樣開環(huán)控制

閉環(huán)控制（反饋控制）系統(tǒng)輸出信號與測量元件之間存在反饋回路,將輸出信號通過測量元件反饋到系統(tǒng)的輸入端，通過比較、控制來減小系統(tǒng)誤差特點(diǎn)：應(yīng)用廣泛、精度高設(shè)備多、復(fù)雜對內(nèi)部誤差不敏感、穩(wěn)定性不易控制

按控制作用分類過程控制恒值控制隨動控制或稱自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸入信號是恒定的數(shù)值代表系統(tǒng)：恒溫恒壓控制系統(tǒng)輸入信號是未知函數(shù)要求輸出量跟隨輸入信號變化代表系統(tǒng)：火炮跟蹤或稱程序控制系統(tǒng)輸入信號是已知的函數(shù)按照預(yù)定程序運(yùn)行，被控量迅速、準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)輸入代表系統(tǒng)：化工、流量控制

按系統(tǒng)傳輸信號的性質(zhì)來分類

連續(xù)系統(tǒng)特點(diǎn)：系統(tǒng)各部分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)儀表PID調(diào)節(jié)器的控制系統(tǒng)。

離散系統(tǒng)特點(diǎn)：系統(tǒng)的某一處或幾處信號以脈沖序列或數(shù)碼形式傳遞的控制系統(tǒng)。方式：采用脈沖開關(guān)或采樣開關(guān)，將連續(xù)信號轉(zhuǎn)為離散信號。其中離散信號以脈沖形式傳遞的系統(tǒng)又叫脈沖控制系統(tǒng)離散信號以數(shù)碼形式傳遞的系統(tǒng)又叫數(shù)字控制系統(tǒng)。

按描述系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型不同來分類

線性系統(tǒng)

特點(diǎn)：系統(tǒng)由線性元件構(gòu)成，描述運(yùn)動規(guī)律的數(shù)學(xué)模型為線性微分方程。運(yùn)動方程一般形式

非線性系統(tǒng)在構(gòu)成系統(tǒng)的環(huán)節(jié)中有一個(gè)或一個(gè)以上的非線性環(huán)節(jié)。理論研究不如線性系統(tǒng)完整，目前尚無通用方法。1.4自動控制系統(tǒng)的基本要求

對控制系統(tǒng)性能的要求概括為三方面：穩(wěn)定性（穩(wěn)）控制系統(tǒng)運(yùn)行的必要條件，不穩(wěn)定的系統(tǒng)是不能工作的.快速性（快）系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)的快速性，系統(tǒng)的過渡過程越短越好.準(zhǔn)確性（準(zhǔn)）過渡過程結(jié)束，到達(dá)穩(wěn)態(tài)后系統(tǒng)的控制精度的度量.1.4.1性能要求

穩(wěn)定性系統(tǒng)在受到擾動作用后自動返回原來的平衡狀態(tài)的能力。如果系統(tǒng)受到擾動作用（系統(tǒng)內(nèi)或系統(tǒng)外）后，能自動返回到原來的平衡狀態(tài)，則該系統(tǒng)是穩(wěn)定的。穩(wěn)定系統(tǒng)的數(shù)學(xué)特征是其輸出量具有非發(fā)散性；反之，系統(tǒng)是不穩(wěn)定系統(tǒng)。

快速性

在時(shí)域中，常用單位階躍信號作用下，系統(tǒng)輸出的超調(diào)量p,上升時(shí)間Tr，峰值時(shí)間Tp,過渡過程時(shí)間（或調(diào)整時(shí)間）Ts和振蕩次數(shù)N等特征量表示。單位階躍信號作用下，穩(wěn)定系統(tǒng)的典型輸出響應(yīng)曲線

在控制系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，總是希望響應(yīng)速度越快越好，而且超調(diào)量越小越好。自動控制原理50穩(wěn)態(tài)誤差

指穩(wěn)定系統(tǒng)在完成過渡過程后的穩(wěn)態(tài)輸出偏離希望值的程度。穩(wěn)態(tài)誤差越小，系統(tǒng)的精度越高，它由系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)反映出來。

自動控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)分別描述了系統(tǒng)在穩(wěn)定性、動態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)性能三個(gè)方面的要求，根