自動(dòng)控制原理第1章

自動(dòng)控制原理課程性質(zhì)：專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課學(xué)分：4學(xué)分學(xué)時(shí)分配：理論學(xué)時(shí)：58學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：6學(xué)時(shí)。教材：《自動(dòng)控制原理》,胡壽松主編，參考書(shū)目：《自動(dòng)控制原理》,盧京潮主編，《自動(dòng)控制理論》,夏德鈐主編等。第1章控制系統(tǒng)導(dǎo)論

1-1自動(dòng)控制的基本原理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)1-4自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求1-5自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)工具1.自動(dòng)控制技術(shù)及其應(yīng)用2.自動(dòng)控制理論

※自動(dòng)控制理論是研究關(guān)于自動(dòng)控制系統(tǒng)組成、分析和設(shè)計(jì)的一般性理論，是研究自動(dòng)控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)。

※學(xué)習(xí)和研究自動(dòng)控制理論是為了探索自動(dòng)控制系統(tǒng)中變量的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和改變這種運(yùn)動(dòng)規(guī)律的可能性和途徑，為建立高性能的自動(dòng)控制系統(tǒng)提供必要的理論基礎(chǔ)。

3.反饋控制原理

負(fù)反饋正反饋1-1自動(dòng)控制的基本原理例題：龍門(mén)刨床速度控制系統(tǒng)(p3)4.發(fā)展過(guò)程自動(dòng)控制理論的發(fā)展可分為四個(gè)主要階段：第一階段：經(jīng)典控制理論（或古典控制理論）的產(chǎn)生、發(fā)展和成熟；第二階段：現(xiàn)代控制理論的興起和發(fā)展；第三階段：大系統(tǒng)控制興起和發(fā)展階段；第四階段：智能控制發(fā)展階段。A.經(jīng)典控制理論

研究的主要對(duì)象是單輸入、單輸出——單變量系統(tǒng)。如：調(diào)節(jié)電壓改變電機(jī)的速度；調(diào)整方向盤(pán)改變汽車(chē)的運(yùn)動(dòng)軌跡等。B.現(xiàn)代控制理論

研究的主要對(duì)象是多輸入、多輸出——多變量系統(tǒng)。如:汽車(chē)看成是一個(gè)具有兩個(gè)輸入（駕駛盤(pán)和加速踏板）和兩個(gè)輸出（方向和速度）的控制系統(tǒng)。C.大系統(tǒng)控制理論

多輸入、多輸出、多干擾、多變量的系統(tǒng)。如：人體，我們就可以看作為一個(gè)大系統(tǒng)，其中有體溫的控制、情感的控制、人體血液中各種成分的控制等等。

D.智能控制

指導(dǎo)思想是依據(jù)人的思維方式和處理問(wèn)題的技巧，解決那些目前需要人的智能才能解決的復(fù)雜的控制問(wèn)題。

經(jīng)典控制理論基本框架：以傳遞函數(shù)作為描述系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，以時(shí)域分析法、根軌跡法和頻域分析法為主要分析設(shè)計(jì)工具。經(jīng)典控制理論研究的對(duì)象：以線(xiàn)性定常系統(tǒng)為主的單輸入單輸出系統(tǒng)。現(xiàn)代控制理論基本框架：以狀態(tài)方程作為描述系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，以最優(yōu)控制和卡爾曼濾波為核心的控制系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)的方法?，F(xiàn)代控制理論研究的對(duì)象：多變量非線(xiàn)性、時(shí)變系統(tǒng)。經(jīng)典控制理論與現(xiàn)代控制理論比較

項(xiàng)目經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論研究對(duì)象線(xiàn)性定常系統(tǒng)（單輸入、單輸出）線(xiàn)性、非線(xiàn)性、定常、時(shí)變系統(tǒng)（多輸入、多輸出）描述方法傳遞函數(shù)(輸入、輸出描述)向量空間（狀態(tài)空間描述）研究辦法根軌跡法和頻率法狀態(tài)空間法研究目標(biāo)系統(tǒng)分析及給定輸入、輸出情況下的系統(tǒng)綜合揭示系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律，實(shí)現(xiàn)在一定意義下的最優(yōu)控制與設(shè)計(jì)5.人工控制和自動(dòng)控制

例1.1熱力系統(tǒng)如圖所示為一個(gè)熱力系統(tǒng)。通過(guò)調(diào)節(jié)蒸汽閥門(mén)，使流出的熱水保持一定的溫度。如果由手工控制，就要求控制者觀測(cè)溫度計(jì)的指示值，調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)關(guān)的開(kāi)度。調(diào)節(jié)方法為：如果溫度計(jì)的指示值高于期望值，則關(guān)小閥門(mén)，降低熱水溫度；否則，開(kāi)大閥門(mén)，升高熱水溫度，從而使流出的熱水保持設(shè)定的溫度。

圖1.1熱力系統(tǒng)溫度計(jì)熱水排水蒸汽冷水例1.2直流電動(dòng)機(jī)速度控制系統(tǒng)

如圖所示直流電動(dòng)機(jī)速度控制系統(tǒng)。控制目標(biāo)是使電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定在要求的轉(zhuǎn)速上運(yùn)行。從圖中可見(jiàn)，對(duì)應(yīng)滑動(dòng)電阻器的觸點(diǎn)的某一位置，有一給定電壓，經(jīng)過(guò)放大器放大，即為電動(dòng)機(jī)電樞電壓。在沒(méi)有任何擾動(dòng)的情況下，對(duì)應(yīng)滑動(dòng)電阻器的觸點(diǎn)的某一位置，則有一電機(jī)轉(zhuǎn)速與之對(duì)應(yīng)。

圖1.2直流電動(dòng)機(jī)速度控制系統(tǒng)

上述兩個(gè)系統(tǒng)都是由人工控制的，可以看出，人在控制過(guò)程中起三個(gè)作用：

（1）觀測(cè)：用眼睛去觀測(cè)溫度計(jì)和轉(zhuǎn)速表的指示值；（2）比較與決策：人腦把觀測(cè)得到的數(shù)據(jù)與要求的數(shù)據(jù)相比較，并進(jìn)行判斷，根據(jù)給定的控制規(guī)律給出控制量；（3）執(zhí)行：根據(jù)控制量用手具體調(diào)節(jié)，如調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度、改變觸點(diǎn)位置。

在自動(dòng)控制中，用控制裝置代替人來(lái)完成上述功能。例如，自動(dòng)控制熱力系統(tǒng)如圖所示。圖1.3

直流電動(dòng)機(jī)自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)如圖1.4所示。

圖1.4

自動(dòng)控制：是在沒(méi)有人參與的情況下，系統(tǒng)的控制器自動(dòng)地按照人預(yù)定的要求控制設(shè)備或過(guò)程，使之具有一定的狀態(tài)和性能。（采用控制裝置使被控對(duì)象（如機(jī)器設(shè)備的運(yùn)行或生產(chǎn)過(guò)程的進(jìn)行）自動(dòng)地按照給定的規(guī)律運(yùn)行，使被控對(duì)象的一個(gè)或數(shù)個(gè)物理量（如電壓、電流、速度、位置、溫度、流量、濃度等）能夠在一定的精度范圍內(nèi)按照給定的規(guī)律變化。）自動(dòng)控制系統(tǒng)：具有自動(dòng)控制功能的系統(tǒng)稱(chēng)為自動(dòng)控制系統(tǒng)。被控量：描述被控對(duì)象工作狀態(tài)的物理量，也就是系統(tǒng)的輸出量。自動(dòng)控制系統(tǒng)

例：飛球調(diào)節(jié)器

它是一個(gè)與蒸汽機(jī)軸相聯(lián)的機(jī)械裝置，當(dāng)蒸汽機(jī)的負(fù)載減輕或者蒸汽溫度升高等原因?qū)е抡羝麢C(jī)轉(zhuǎn)速升高時(shí)，飛球調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)速也升高，離心力增加，飛球升高，帶著套環(huán)上升，操縱汽閥聯(lián)結(jié)器關(guān)小蒸汽閥門(mén)，從而降低蒸汽機(jī)速度。反之，當(dāng)蒸汽機(jī)的負(fù)載增加或者蒸汽溫度下降等原因?qū)е抡羝麢C(jī)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，飛球調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)速也下降，離心力減小，飛球降低，帶著套環(huán)下降，操縱汽閥聯(lián)結(jié)器開(kāi)大蒸汽閥門(mén)，從而提高蒸汽機(jī)速度?？梢?jiàn)，盡管存在負(fù)載、蒸汽溫度變化等擾動(dòng)，蒸汽機(jī)速度仍然可以穩(wěn)定在設(shè)定值上。圖1.5飛球調(diào)節(jié)器6.自動(dòng)控制系統(tǒng)基本控制方式最常見(jiàn)的控制方式：開(kāi)環(huán)控制、閉環(huán)（反饋）控制和復(fù)合控制。1）開(kāi)環(huán)控制

定義：如果控制系統(tǒng)的被控量對(duì)系統(tǒng)沒(méi)有控制作用，系統(tǒng)的控制輸入不受輸出影響的控制系統(tǒng)，這種控制系統(tǒng)稱(chēng)為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。

開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的控制原理如圖1.6所示。

2）閉環(huán)控制或反饋控制

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(chēng)為閉環(huán)控制系統(tǒng)或更直接地稱(chēng)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。

開(kāi)環(huán)和閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)：系統(tǒng)的輸出端與輸入端不存在反饋回路，輸出量對(duì)系統(tǒng)的控制作用不發(fā)生影響的系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，容易設(shè)計(jì)和調(diào)整以及成本較低的優(yōu)點(diǎn)，但控制精度較低。對(duì)那些負(fù)載恒定，擾動(dòng)小，控制精度要求不高的實(shí)際系統(tǒng)，是有效的控制方式。閉環(huán)系統(tǒng)：系統(tǒng)輸出信號(hào)與測(cè)量元件之間存在反饋回路由于增加了檢測(cè)裝置和反饋環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成本有所增加；但它提高了系統(tǒng)的控制精度和抗干擾能力；同時(shí)負(fù)反饋對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。分析運(yùn)算放大器時(shí)通常假設(shè)：a.分析運(yùn)算放大器的輸入阻抗為無(wú)窮大，輸出阻抗為0，b.放大器無(wú)零漂，不計(jì)失調(diào)電壓和失調(diào)電流，c.輸入電壓在一定范圍內(nèi)時(shí)放大器工作于線(xiàn)性狀態(tài)。圖所示的運(yùn)算放大器輸入電壓和輸出電壓的關(guān)系：若運(yùn)算放大器K變化則：輸出增量為：？

3）復(fù)合控制

將前饋控制和反饋控制結(jié)合起來(lái)，這種系統(tǒng)稱(chēng)為復(fù)合控制系統(tǒng)。復(fù)合控制系統(tǒng)的原理如圖1.8所示。

方框圖的概念

方框：控制裝置和被控對(duì)象分別用方框表示信號(hào)線(xiàn)：方框的輸入和輸出以及它們之間的聯(lián)接用帶箭頭的信號(hào)線(xiàn)表示輸入信號(hào)：進(jìn)入方框的信號(hào)輸出信號(hào)：離開(kāi)方框的信號(hào)信號(hào)線(xiàn)方框信號(hào)線(xiàn)輸入信號(hào)輸出信號(hào)7.自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成被控對(duì)象：一般是指生產(chǎn)過(guò)程中需要進(jìn)行控制的工作機(jī)械、裝置或生產(chǎn)過(guò)程。描述被控對(duì)象工作狀態(tài)的、需要進(jìn)行控制和物理量就是被控量.給定元件：主要用于產(chǎn)生給定信號(hào)或控制輸入信號(hào)。

測(cè)量元件：用于檢測(cè)被控量或輸出量，產(chǎn)生反饋信號(hào)。如果測(cè)出的物理量屬于非電量，一般要轉(zhuǎn)換成電量。比較元件：用來(lái)比較輸入信號(hào)或反饋信號(hào)的偏差。它可以是一個(gè)差動(dòng)電路，也可以是一個(gè)物理元件（如電橋電路、差動(dòng)放大器、自整角機(jī)等）。放大元件：用來(lái)放大偏差信號(hào)的幅值和功率，使之能夠推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)被控對(duì)象。執(zhí)行機(jī)構(gòu)：用于直接對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行操作，調(diào)節(jié)被控量。校正元件：用來(lái)改善或提高系統(tǒng)的性能。常用串聯(lián)或反饋的方式連接在系統(tǒng)中。

1-2自動(dòng)控制系統(tǒng)示例圖1.10電壓調(diào)節(jié)原理示意圖1.電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)

2.函數(shù)記錄儀

圖1.12函數(shù)記錄儀工作原理圖圖1.13函數(shù)記錄儀系統(tǒng)方框圖3.蒸汽機(jī)上的瓦特調(diào)速器圖1.14瓦特調(diào)速器示意圖工作原理是：根據(jù)希望的轉(zhuǎn)速，設(shè)置輸入量(控制量)。如果實(shí)際轉(zhuǎn)速降低到希望的轉(zhuǎn)速值以下，則調(diào)速器的離心力下降，從而使控制閥上升，進(jìn)入蒸汽的蒸汽量增加，于是蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速隨之增加，直至上升到希望的轉(zhuǎn)速值時(shí)為止。反之，若蒸汽機(jī)的轉(zhuǎn)速增加到超過(guò)希望的轉(zhuǎn)速值，調(diào)速器的離心力便會(huì)增加，造成控制閥向下移動(dòng)。這樣就減少了進(jìn)入蒸汽機(jī)的蒸汽量，蒸汽機(jī)的轉(zhuǎn)速也就隨之下降，直到下降至希望的轉(zhuǎn)速時(shí)為止。圖1.15數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)框圖4.數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)方框圖如圖1.15所示，根據(jù)對(duì)工件的加工要求，事先編制出控制程序，作為系統(tǒng)的輸入量送入計(jì)算機(jī)。與工具架連接在一起的傳感器，將刀具的位置信息變換為電壓信號(hào)，再經(jīng)過(guò)模－數(shù)轉(zhuǎn)換器變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，并作為反饋信號(hào)送入計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)將輸入信號(hào)與反饋信號(hào)比較，得到偏差信號(hào)，隨后經(jīng)數(shù)－模轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槟M電壓信號(hào)，經(jīng)功率放大后驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，帶動(dòng)刀具按期望的規(guī)律運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)還要完成指定的數(shù)學(xué)運(yùn)算等，使系統(tǒng)有更高的工作質(zhì)量。圖中的測(cè)速電機(jī)反饋支路是用來(lái)改善系統(tǒng)性能的。1-3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(lèi)1.恒值控制系統(tǒng)和隨動(dòng)控制系統(tǒng)

1）恒值控制系統(tǒng)（鎮(zhèn)定系統(tǒng)或調(diào)節(jié)系統(tǒng)或恒值系統(tǒng)或自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)）a.特點(diǎn)：給定輸入一經(jīng)設(shè)定就維持不變，希望輸出量維持在某一特定值上。b.分析設(shè)計(jì)的重點(diǎn)：研究各種擾動(dòng)對(duì)被控對(duì)象的影響以及抗擾動(dòng)的措施。2.隨動(dòng)控制系統(tǒng)（隨動(dòng)系統(tǒng)或伺服系統(tǒng)或跟蹤系統(tǒng)）a.自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)：給定信號(hào)的變化規(guī)律是事先不能確定的隨時(shí)間變化的信號(hào)。b.程序控制系統(tǒng)：給定的輸入是預(yù)先設(shè)定的、按預(yù)定規(guī)律變化的信號(hào)。c.分析設(shè)計(jì)的重點(diǎn)：研究被控量跟隨的快速性和準(zhǔn)確性。2.線(xiàn)性系統(tǒng)與非線(xiàn)性系統(tǒng)

定義：如果一個(gè)系統(tǒng)具有下列性質(zhì)：（1）輸入x1(t)，產(chǎn)生輸出y1(t)；（2）輸入x2(t)，產(chǎn)生輸出y2(t)；（3）輸入c1x1(t)+c2x2(t)產(chǎn)生輸出

c1y1(t)+c2y2(t)；其中，x1(t)、x2(t)

是任意的輸入信號(hào)，c1、c2是任意的常數(shù)，則該系統(tǒng)是線(xiàn)性系統(tǒng)，否則是非線(xiàn)性系統(tǒng)。

從上面的敘述可以看出，“線(xiàn)性”性和疊加原理是等價(jià)的。疊加原理

在線(xiàn)性系統(tǒng)中，由n個(gè)輸入xi(t)(i=1、2……n）共同產(chǎn)生的輸出y(t)，等于各個(gè)輸入xi(t)單獨(dú)產(chǎn)生的輸出yi(t)之和，即：

因此，線(xiàn)性系統(tǒng)滿(mǎn)足疊加原理。反之，滿(mǎn)足疊加原理的系統(tǒng)是線(xiàn)性系統(tǒng)。3.連續(xù)系統(tǒng)與離散系統(tǒng)

控制系統(tǒng)中存在各種形式的信號(hào)。按照時(shí)間變量取值的連續(xù)性與離散性，可將信號(hào)分為連續(xù)時(shí)間信號(hào)與離散時(shí)間信號(hào)，簡(jiǎn)稱(chēng)為連續(xù)信號(hào)與離散信號(hào)。

離散時(shí)間信號(hào)的幅值可以是連續(xù)的，也可以是離散的。若離散信號(hào)的幅值是連續(xù)的，則又可稱(chēng)為抽樣信號(hào)。如果離散信號(hào)的幅值也被限定為某些離散值，即信號(hào)取值時(shí)間和幅值都是離散的，則又稱(chēng)為數(shù)字信號(hào)。

若系統(tǒng)中所有信號(hào)都是連續(xù)信號(hào)，則稱(chēng)為連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)為連續(xù)系統(tǒng)。如果系統(tǒng)中有一處或幾處的信號(hào)是離散信號(hào)，則稱(chēng)為離散時(shí)間系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)為離散系統(tǒng)。

具有采樣過(guò)程的離散控制系統(tǒng)通常又稱(chēng)為采樣控制系統(tǒng)。若離散信號(hào)是以數(shù)碼（數(shù)字）形式傳遞的，則又特別稱(chēng)為數(shù)字控制系統(tǒng)。

在離散系統(tǒng)中存在采樣、保持、數(shù)字處理等過(guò)程，具有一些獨(dú)特的性能。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，離散系統(tǒng)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

圖1.16計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)4.定常系統(tǒng)與時(shí)變系統(tǒng)

如果控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、參數(shù)在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中不隨時(shí)間變化，則稱(chēng)為定常系統(tǒng)或者時(shí)不變系統(tǒng)，否則，稱(chēng)為時(shí)變系統(tǒng)。5.SISO系統(tǒng)和MIMO系統(tǒng)

按照輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的數(shù)目，可分為單輸入單輸出（SISO）系統(tǒng)和多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)。

6.集中參數(shù)系統(tǒng)與分布參數(shù)系統(tǒng)

如果在系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)中，可以把一個(gè)系統(tǒng)看作有限多個(gè)理想的分立部件的總體，這類(lèi)系統(tǒng)稱(chēng)為集中參數(shù)系統(tǒng)。

例如：電阻、電容、電感、阻尼、彈簧、質(zhì)量等。集中參數(shù)系統(tǒng)由常微分方程描述。

如果系統(tǒng)只能看作由無(wú)窮多個(gè)無(wú)窮小的分立部件組成，則該系統(tǒng)為分布參數(shù)系統(tǒng)，它由偏微分方程描述。

例如，導(dǎo)線(xiàn)上的電壓分布是時(shí)間和地點(diǎn)的函數(shù)，因此只能以偏微分方程描述，是一個(gè)分布參數(shù)系統(tǒng)。

1-4自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求

1.對(duì)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。穩(wěn)態(tài)性能（準(zhǔn)）：過(guò)渡過(guò)程結(jié)束，到達(dá)穩(wěn)態(tài)后系統(tǒng)的控制精度的度量。瞬態(tài)性能（快）：系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性，系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程越短越好。1）穩(wěn)定性A.穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)最基本的性質(zhì)。所謂穩(wěn)定性是指控制系統(tǒng)偏離平衡狀態(tài)后，自動(dòng)恢復(fù)到平衡狀態(tài)的能力。

B.當(dāng)系統(tǒng)受到擾動(dòng)后，其狀態(tài)偏離了平衡狀態(tài)，在隨后有時(shí)間內(nèi)，如果系統(tǒng)的輸出響應(yīng)能夠最終回到原先的平衡狀態(tài)，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的；反之，如果系統(tǒng)的輸出響應(yīng)逐漸增加趨于無(wú)窮，或者進(jìn)入振蕩狀態(tài)，則系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。

D.一個(gè)穩(wěn)定的控制系統(tǒng)其被控量偏離期望值的初始偏差應(yīng)隨著時(shí)間的增長(zhǎng)逐漸減小或趨于零。C.判別系統(tǒng)是