第1章自動(dòng)控制的一般概念

自動(dòng)控制原理石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院電氣工程系(A)教材及參考書(shū)《自動(dòng)控制原理》（第五版）胡壽松科學(xué)出版社《自動(dòng)控制原理及應(yīng)用》黃堅(jiān)高教出版社《自動(dòng)控制原理》吳麒主編，清華大學(xué)出版社《自動(dòng)控制原理》李友善國(guó)防工業(yè)出版社《自動(dòng)控制理論》夏德黔機(jī)械工業(yè)出版社與其它課程的關(guān)系自動(dòng)控制理論電路理論電機(jī)學(xué)大學(xué)物理信號(hào)與系統(tǒng)復(fù)變函數(shù)拉氏變換模擬電子技術(shù)線性代數(shù)微積分各類(lèi)專(zhuān)業(yè)課電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)現(xiàn)代控制理論課程的特點(diǎn)

課程特點(diǎn)：研究系統(tǒng)的共性問(wèn)題（專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課）數(shù)學(xué)模型實(shí)際系統(tǒng)物理模型系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)（時(shí)域法、頻域法、根軌跡法）系統(tǒng)性能指標(biāo)課程的內(nèi)容、任務(wù)和要求1-8章三大系統(tǒng)（線性連續(xù)、線性離散、非線性）三大方法（時(shí)域、根軌跡、變換域-頻域和Z域）主要對(duì)系統(tǒng)的控制要求（穩(wěn)、準(zhǔn)、快）進(jìn)行研究。主要內(nèi)容（1）對(duì)于具體的控制系統(tǒng)，如何從理論上對(duì)它的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度進(jìn)行定性的分析和定量計(jì)算。（2）根據(jù)對(duì)系統(tǒng)性能的要求，如何合理的設(shè)計(jì)校正裝置，使系統(tǒng)的性能能全面的滿足技術(shù)上的要求。課程的內(nèi)容、任務(wù)和要求任務(wù)理解自動(dòng)控制原理的基本概念；掌握對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求掌握建立和簡(jiǎn)化自控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型重點(diǎn)掌握時(shí)域分析法、根軌跡法和頻域分析法理解自動(dòng)控制系統(tǒng)的校正的一般方法；掌握采樣控制系統(tǒng)的分析；了解非線性系統(tǒng)分析；課程的內(nèi)容、任務(wù)和要求課程要求學(xué)習(xí)方法和要求熟悉并理解基本概念，掌握系統(tǒng)分析的方法和規(guī)律。靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題。建立新的思維方式，聽(tīng)課、記筆記（問(wèn)題、重點(diǎn)、難點(diǎn)）、課下多看課件、多做練習(xí)。學(xué)習(xí)方法學(xué)習(xí)要求控制理論的發(fā)展史經(jīng)典控制理論以反饋控制為基礎(chǔ)的自動(dòng)調(diào)節(jié)原理，主要用于工業(yè)，二戰(zhàn)用于軍事促進(jìn)和完善了理論的發(fā)展基本特征：線性定常系統(tǒng)單入單出系統(tǒng)只討論輸入輸出關(guān)系忽略內(nèi)部狀態(tài)（外部描述）。提高了抗干擾能力和控制精度，帶來(lái)了穩(wěn)定性問(wèn)題發(fā)展史現(xiàn)代控制理論多變量變參數(shù)的最優(yōu)控制狀態(tài)空間法計(jì)算機(jī)控制理論自適應(yīng)控制、混雜控制、模糊控制智能控制針對(duì)被控對(duì)象、環(huán)境、任務(wù)、目標(biāo)的復(fù)雜性被控量具有不確定性，且目標(biāo)難以辨識(shí)采用人的思維方式和處理問(wèn)題的技巧。１.４對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求１.１自動(dòng)控制的基本原理與方式１.２自動(dòng)控制系統(tǒng)示例１.３自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(lèi)

本章主要內(nèi)容：第1章自動(dòng)控制的一般概念本章要求1.了解自動(dòng)控制的基本概念、原理；2.掌握反饋控制系統(tǒng)的組成及各部分作用；3.掌握由系統(tǒng)原理圖畫(huà)方框圖的方法（重點(diǎn)）4.掌握自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(lèi)、性能指標(biāo)；5.了解自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本控制方式。1.1自動(dòng)控制的基本原理與方式

所謂自動(dòng)控制，是指沒(méi)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），使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程（統(tǒng)稱被控對(duì)象）的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量）自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。

1、自動(dòng)控制技術(shù)及其應(yīng)用對(duì)被控對(duì)象起控制作用的設(shè)備總體輸出量、輸出信號(hào)雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用：國(guó)防科技導(dǎo)彈發(fā)射和制導(dǎo)系統(tǒng)

工業(yè)自動(dòng)生產(chǎn)線工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化的工廠交通運(yùn)輸自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用于其他領(lǐng)域

由于計(jì)算機(jī)等技術(shù)的誕生和飛速發(fā)展，使得控制技術(shù)水平不斷提高，已擴(kuò)大到經(jīng)濟(jì)與社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域，如通信、交通、醫(yī)學(xué)、環(huán)境保護(hù)、經(jīng)濟(jì)管理等領(lǐng)域，控制技術(shù)已成為現(xiàn)代社會(huì)不可缺少的重要組成部分。近年來(lái)，我國(guó)在自動(dòng)化儀表、工業(yè)調(diào)節(jié)器、數(shù)字控制技術(shù)、航天工程、核動(dòng)力工程等方面的研究和應(yīng)用取得了長(zhǎng)足進(jìn)展。

2、反饋控制原理

反饋控制原理：在反饋控制系統(tǒng)中，控制裝置對(duì)被控對(duì)象施加的控制作用，是取自被控量的反饋信息，用于不斷修正被控量和輸入量之間的偏差，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制的任務(wù)。

反饋控制力圖減小系統(tǒng)的輸出量與參考輸入量（也稱參據(jù)量）之間的偏差，也稱為按偏差控制。如人取桌上書(shū)的過(guò)程（見(jiàn)下圖）：龍門(mén)刨床速度控制系統(tǒng)原理圖在工業(yè)控制中，龍門(mén)刨床速度控制系統(tǒng)就是按照反饋控制原理進(jìn)行工作的。當(dāng)負(fù)載波動(dòng)時(shí)，必然會(huì)引起速度變化，由于龍門(mén)刨床不允許速度變化過(guò)大，因此必須對(duì)速度進(jìn)行控制。有差系統(tǒng)。3、反饋控制系統(tǒng)的基本組成

反饋控制系統(tǒng)包括被控對(duì)象和控制裝置，是由各種不同的元部件組成的。一般包括：a)測(cè)量元件：檢測(cè)被控制的物理量。b)給定元件：給出與期望的被控制量相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)輸入量（即參據(jù)量）。c)比較元件：把測(cè)量元件檢測(cè)的被控量的實(shí)際值與給定元件給出的參據(jù)量進(jìn)行比較，求出它們之間的偏差。d)放大元件：偏差信號(hào)的放大，用以推動(dòng)執(zhí)行元件。e)執(zhí)行元件：直接推動(dòng)被控對(duì)象，使被控量發(fā)生變化f)校正元件：也叫補(bǔ)償元件以改善系統(tǒng)性能。反饋信號(hào)被控量偏差信號(hào)-輸入信號(hào)r(t)控制器u(t)受控系統(tǒng)e(t)c(t)

控制量

擾動(dòng)

放大

元件

執(zhí)行

機(jī)構(gòu)

受控

對(duì)象

反饋裝置

(測(cè)量元件)反饋控制系統(tǒng)的方框圖表示比較元件或比較點(diǎn)，它的輸出量等于各輸入量的代數(shù)和，各輸入量若為“＋”號(hào)可以不標(biāo)，若為“－”號(hào)必須在箭頭旁標(biāo)注負(fù)號(hào)。引出點(diǎn)，表示信號(hào)在此分兩路，兩路信號(hào)相同，不存在分流問(wèn)題。方框表示它所代表部分的名稱和功能，而不畫(huà)出具體結(jié)構(gòu)，用方框之間帶箭頭的直線說(shuō)明各部分之間的信號(hào)傳遞系統(tǒng)方框圖符號(hào)組成：“”典型的反饋控制系統(tǒng)基本組成框圖：

信號(hào)從輸入端到達(dá)輸出端的傳輸通路稱為前向通路；系統(tǒng)輸出量經(jīng)測(cè)量元件反饋到輸入端的傳輸通路稱為主反饋通路。前向通路與主反饋通路共同構(gòu)成主回路。此外，還有局部反饋通路。只包含一個(gè)主反饋通路的系統(tǒng)稱為單回路系統(tǒng)，有兩個(gè)或兩個(gè)以上反饋通路的系統(tǒng)稱為多回路系統(tǒng)。常用名詞術(shù)語(yǔ)自動(dòng)控制系統(tǒng)：由被控對(duì)象和自動(dòng)控制裝置按一定方式聯(lián)接起來(lái)的，以完成某種自動(dòng)控制任務(wù)的有機(jī)整體。輸入信號(hào)：參考值、給定值、期望值輸出信號(hào)：被控量反饋信號(hào)：由系統(tǒng)的輸出端送回到系統(tǒng)的輸入端的信號(hào)。偏差信號(hào)：輸入信號(hào)和反饋信號(hào)之差。擾動(dòng)信號(hào)：一種對(duì)系統(tǒng)的輸出產(chǎn)生不利影響的信號(hào)。4、自動(dòng)控制系統(tǒng)基本控制方式(1)、反饋控制方式(閉環(huán)控制、按偏差控制)

按偏差進(jìn)行控制，具有抑制擾動(dòng)對(duì)被控量產(chǎn)生影響的能力和較高的控制精度。教學(xué)系統(tǒng)實(shí)際水平作業(yè)、答疑環(huán)節(jié)偏差反饋量大綱要求學(xué)生教師_(2)、開(kāi)環(huán)控制方式指控制裝置與被控對(duì)象之間只有順向作用而沒(méi)有反向聯(lián)系的控制過(guò)程。前饋補(bǔ)償控制

有一開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)如圖所示。電位計(jì)的輸出電壓Ur經(jīng)兩級(jí)放大，使伺服電機(jī)上的端電壓也隨之改變。從而使負(fù)載具有所要求的轉(zhuǎn)速。試說(shuō)明該系統(tǒng)的給定值和被控量，并畫(huà)出該系統(tǒng)的方塊圖。下圖為發(fā)電機(jī)－電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的方框圖(3)、復(fù)合控制方式

按偏差控制和按擾動(dòng)控制相結(jié)合的控制方式稱為復(fù)合控制方式。水溫控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)的比較開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)：

1.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉；

2.調(diào)試方便；

3.抗干擾能力差，控制精度不高。閉環(huán)控制系統(tǒng)：

1.系統(tǒng)具有糾正偏差的能力；

2.抗擾性好，控制精度高；

3.包含元件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格高；

4.參數(shù)應(yīng)選擇適當(dāng)。復(fù)合控制系統(tǒng)＝前饋＋閉環(huán)(兼有兩者的優(yōu)點(diǎn)，精度很高)1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)示例1、家用電冰箱溫控系統(tǒng)控制器設(shè)定溫度與冰箱比較，產(chǎn)生偏差值，當(dāng)偏差電壓達(dá)到使繼電器接通時(shí)，壓縮機(jī)工作，將蒸發(fā)器中高溫低壓氣態(tài)制冷液送制冷卻器散熱，降溫后的低溫低壓制冷液壓縮成高壓液態(tài)進(jìn)入蒸發(fā)器，急速降壓擴(kuò)散成氣體，吸收箱體內(nèi)熱量，使冰箱溫度下降，如此循環(huán)操作，使箱體溫度達(dá)到希望溫度，此時(shí)繼電器斷開(kāi)，壓縮機(jī)停止工作。下圖為家用冰箱恒溫系統(tǒng)的方框圖

2、鍋爐液位控制系統(tǒng)當(dāng)蒸汽的耗汽量與鍋爐進(jìn)水量相等時(shí)，液位保持在正常標(biāo)準(zhǔn)值。當(dāng)過(guò)鍋爐給水量不變，而蒸汽負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，液位也相應(yīng)發(fā)生變化；或者當(dāng)蒸汽負(fù)荷不變，而給水管道水壓發(fā)生變化時(shí)，引起鍋爐液位發(fā)生變化。但只要實(shí)際液位高度與正常給定液位之間出現(xiàn)偏差時(shí)，調(diào)節(jié)器均應(yīng)立即進(jìn)行控制，去開(kāi)大或者關(guān)小給水閥門(mén)，使液位恢復(fù)到給定值。下圖為鍋爐液位控制系統(tǒng)的方框圖3、龍門(mén)刨床速度控制系統(tǒng)下圖示為龍門(mén)刨床速度控制系統(tǒng)。當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，如何控制速度。例如：下圖為龍門(mén)刨床速度控制系統(tǒng)的方框圖40

液位控制系統(tǒng)原理圖。在這里，自動(dòng)控制器通過(guò)比較實(shí)際液位與希望液位，并通過(guò)調(diào)整氣動(dòng)閥門(mén)的開(kāi)度，對(duì)誤差進(jìn)行修正，從而保持液位不變。41控制器：比較、放大的作用浮子：液面高度的測(cè)量反饋元件氣動(dòng)閥門(mén)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象：水箱1.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(lèi)

自動(dòng)控制系統(tǒng)有多種分類(lèi)方法，一般，為了全面反映自動(dòng)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，常常將各種分類(lèi)方法組合應(yīng)用。開(kāi)環(huán)控制閉環(huán)控制(反饋控制)復(fù)合控制按控制方式分線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)定常系統(tǒng)時(shí)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(dòng)系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)按參據(jù)量變化規(guī)律分1、線性連續(xù)控制系統(tǒng)

這類(lèi)系統(tǒng)可以用線形微分方程式描述，其一般形式為：系數(shù)a0，‥，an，b0,‥bn是常數(shù)時(shí)，稱為定常系統(tǒng)；系數(shù)a0，‥，an，b0,‥bn隨時(shí)間變化時(shí)，稱為時(shí)變系統(tǒng)。線性定常連續(xù)系統(tǒng)按其輸入量的變化規(guī)律又可分為恒值控制系統(tǒng)、隨動(dòng)系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。本課程研究的控制系統(tǒng)(1)、恒值控制系統(tǒng)

這類(lèi)控制系統(tǒng)的參據(jù)量是一個(gè)常值，要求被控量亦等于一個(gè)常值，故又稱為調(diào)節(jié)器。在工業(yè)控制中，如果被控量是生產(chǎn)過(guò)程參量時(shí)，這種控制系統(tǒng)則稱為過(guò)程控制系統(tǒng)，它們大多數(shù)屬于恒值控制系統(tǒng)。研究重點(diǎn)是各種擾動(dòng)對(duì)被控對(duì)象的影響，以及抗干擾的措施。水溫控制系統(tǒng)(2)、隨動(dòng)系統(tǒng)

系統(tǒng)的參據(jù)量是預(yù)先未知的隨時(shí)間任意變化的函數(shù)，要求被控量以盡可能小的誤差跟隨參據(jù)量的變化，故又稱為跟隨系統(tǒng)。在隨動(dòng)系統(tǒng)中。擾動(dòng)的影響是次要的，系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是研究被控量跟隨的快速性和準(zhǔn)確性。在隨動(dòng)系統(tǒng)中，如果被控量是機(jī)械位置或其導(dǎo)數(shù)時(shí)，類(lèi)系統(tǒng)稱之為伺服系統(tǒng)。導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)(3)、程序控制系統(tǒng)

系統(tǒng)的參據(jù)量是按預(yù)定規(guī)律隨時(shí)間變化的函數(shù)，要求被控量迅速、準(zhǔn)確地加以復(fù)現(xiàn)。程序控制系統(tǒng)和隨動(dòng)系統(tǒng)的參據(jù)量都是時(shí)間函數(shù)，不過(guò)前者是已知的時(shí)間函數(shù)，后者是未知的任意時(shí)間函數(shù)，而恒值控制系統(tǒng)也可視為程序控制系統(tǒng)的特例。2、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(hào)為脈沖序列或數(shù)碼形式，因而信號(hào)在時(shí)間上是離散的。離散系統(tǒng)一般用差分方程描述，其一般形式可用下式表示：3、非線性控制系統(tǒng)

系統(tǒng)中只要有一個(gè)元部件的輸入－輸出特性是非線性的，這類(lèi)系統(tǒng)就稱為非線性控制系統(tǒng)，

實(shí)際物理系統(tǒng)中都含有不同程度的非線性元部件，如放大器和電磁元件的飽和特性，運(yùn)動(dòng)部件的死區(qū)、間隙和摩擦特性等。對(duì)于非線性程度不大的情況，可在一定范圍內(nèi)進(jìn)行線性化。特點(diǎn)：系數(shù)與變量有關(guān)，或者方程中含有變量及其導(dǎo)數(shù)的高次冪或者乘積項(xiàng)，或者方程中含有常數(shù)項(xiàng)，不滿足線性性質(zhì)。1.4對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求1、基本要求的提法可以歸結(jié)為穩(wěn)定性（長(zhǎng)期穩(wěn)定性）、準(zhǔn)確性（精度）和快速性（相對(duì)穩(wěn)定性）。51

穩(wěn)

準(zhǔn)

快

穩(wěn)定性-基本要求(先決條件)

：穩(wěn)定性是對(duì)系統(tǒng)的基本要求，不穩(wěn)定的系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)預(yù)定任務(wù)。穩(wěn)定性，通常由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)決定與外界因素?zé)o關(guān)。

c()c(t)t01321--衰減振蕩（穩(wěn)定）2--等幅振蕩（不穩(wěn)定）3--發(fā)散（不穩(wěn)定）準(zhǔn)確性(accuracy)--穩(wěn)態(tài)要求控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度ess是衡量控制系統(tǒng)精度的重要指標(biāo)r(t)t0c(t)r(t)c1(t)ess用穩(wěn)態(tài)誤差ess來(lái)表示。在參考輸入信號(hào)作用下，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，其穩(wěn)態(tài)輸出與參考輸入所要求的期望輸出之差叫做給定穩(wěn)態(tài)誤差。是通過(guò)動(dòng)態(tài)過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)短來(lái)表征的。時(shí)間越短，表明快速性越好，反之亦然?？焖傩员砻髁讼到y(tǒng)輸出對(duì)輸入響應(yīng)的快慢程度快速性(rapidness)--動(dòng)態(tài)要求r(t)t0c(t)r(t)c1(t)c2(t)一般稱為動(dòng)態(tài)性能。

穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性往往是互相制約的。在設(shè)計(jì)與調(diào)試的過(guò)程中,若過(guò)分強(qiáng)調(diào)某方面的性能,則可能會(huì)使其他方面的性能受到影響.

怎樣根據(jù)工作任務(wù)的不同,分析和設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)，使其對(duì)三方面的性能有所側(cè)重，并兼顧其它正是自控原理課程要解決的問(wèn)題。2、典型的外作用

為了便于用統(tǒng)一的方法研究和比較控制系統(tǒng)的性能，通常選用幾種確定性函數(shù)作為典型外作用?？蛇x作典型外作用的函數(shù)應(yīng)具備以下條件：

1)這種函數(shù)在現(xiàn)場(chǎng)或?qū)嶒?yàn)室中容易得到；

2)控制系統(tǒng)在這種函數(shù)作用下的性能應(yīng)代表在實(shí)際工作條件下的性能（具有實(shí)際意義）。

3)這種函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式簡(jiǎn)單，便于理論計(jì)算。

(1)、階躍函數(shù)

函數(shù)表達(dá)式為：

在任意時(shí)刻t0出現(xiàn)的階躍函數(shù)可表示為

(2)、斜坡函數(shù)斜坡函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：如雷達(dá)－高射炮防空系統(tǒng)，當(dāng)雷達(dá)跟蹤的目標(biāo)以恒定速率飛行時(shí)，可視為該系統(tǒng)工作于斜坡函數(shù)作用之下。(3)、脈沖函數(shù)

脈沖函數(shù)定義為：強(qiáng)度為A的脈沖函數(shù)可表示為。在t0時(shí)刻出現(xiàn)的單位脈沖函數(shù)為。注意：脈沖函數(shù)僅用于分析研究，現(xiàn)實(shí)中并不存在。(4)、正弦函數(shù)

正弦函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：正弦函數(shù)是控制系統(tǒng)中常用的一種典型外作用，很多實(shí)際的隨動(dòng)系統(tǒng)就是常