自動控制原理（1）學(xué)習(xí)資料

自動控制原理朱亞萍zhuyp@杭州電子科技大學(xué)自動化學(xué)院第一章自動控制的一般概念1.1

自動控制系統(tǒng)簡介1.2

自動控制系統(tǒng)的組成1.3

自動控制系統(tǒng)的分類1.4

對自動控制系統(tǒng)的基本要求1.1自動控制系統(tǒng)簡介1.自動控制一、自動控制、系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)例如：無人駕駛飛機按照預(yù)定航跡自動升降飛行；人造衛(wèi)星準(zhǔn)確地進入預(yù)定軌道運行并回收等。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），使機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（統(tǒng)稱被控對象）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量）自動地按照預(yù)定的規(guī)律運行。2.系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)是指能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制的系統(tǒng)就可稱為自動控制系統(tǒng)，一般由控制裝置和被控對象組成。系統(tǒng)是指按照某些規(guī)律結(jié)合在一起的物體（元部件）的組合，它們相互作用、相互依存，并能完成一定的任務(wù)。3.自動控制系統(tǒng)月球車機器人足球比賽4.自動控制系統(tǒng)應(yīng)用舉例裝配機器人汽車自動焊接生產(chǎn)線機械轉(zhuǎn)速、位置的控制工業(yè)過程中溫度、壓力、流量的控制遠洋巨輪航行控制深水潛艇的控制飛機自動駕駛神舟飛船的返回控制“勇氣”號、“機遇”號的火星登陸控制總之，自動控制技術(shù)的應(yīng)用幾乎無所不在。二、自動控制的應(yīng)用領(lǐng)域一是根據(jù)各種平衡關(guān)系推導(dǎo)出的機理模型，它們能夠清晰地表征過程變化的物理意義，但需要相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域的知識；1.數(shù)學(xué)建模三、自動控制原理要解決的基本問題常用的模型有兩類：二是基于試驗數(shù)據(jù)的建模方法，也稱系統(tǒng)辨識，主要表征了系統(tǒng)輸入輸出變量之間的關(guān)系。2.系統(tǒng)分析3.系統(tǒng)綜合系統(tǒng)綜合是在給出被控對象及其技術(shù)指標(biāo)要求的情況下，尋求一個能完成控制任務(wù)、滿足技術(shù)指標(biāo)要求的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)分析是指在控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)已知、系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型建立的條件下，判定系統(tǒng)的穩(wěn)定性，計算系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能指標(biāo)，研究系統(tǒng)性能與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)之間的關(guān)系。在控制系統(tǒng)的主要元件和結(jié)構(gòu)形式確定的前提下，綜合任務(wù)往往是需要改變系統(tǒng)的某些參數(shù)，有時還要改變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，選擇合適的校正裝置，計算、確定其參數(shù)，加入系統(tǒng)之中，使其滿足預(yù)定的性能指標(biāo)要求，這個過程稱為系統(tǒng)的校正。綜合問題的答案往往并不唯一，對系統(tǒng)提出的同樣一組要求，往往可以采用不同的方案來滿足；在選擇系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)時，往往會出現(xiàn)相互矛盾的情況，需要進行折中，同時必須考慮控制方案的可實現(xiàn)性和實現(xiàn)方法。在系統(tǒng)綜合的基礎(chǔ)上，還要進行系統(tǒng)設(shè)計工作，把理論上分析可行的控制系統(tǒng)，具體轉(zhuǎn)化為工程中可以實施的物理裝置，設(shè)計時還要通盤考慮經(jīng)濟性、可靠性、安裝工藝、使用環(huán)境等各個方面的問題。四、控制理論發(fā)展的歷史、現(xiàn)狀和前景1經(jīng)典控制理論以單變量控制，隨動/調(diào)節(jié)為主要內(nèi)容，以微分方程和傳遞函數(shù)為數(shù)學(xué)模型，以頻率響應(yīng)法為主要方法。數(shù)學(xué)工具：微分方程，復(fù)變函數(shù)2現(xiàn)代控制理論

現(xiàn)代控制理論以多變量控制、最優(yōu)控制為主要內(nèi)容，采用時域法，以狀態(tài)方程為數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)工具：線性代數(shù)，泛函分析3后現(xiàn)代控制理論大系統(tǒng)、智能控制；以網(wǎng)絡(luò)、通訊、人機交互為代表的信息自動化集成的理論與技術(shù)。經(jīng)典控制理論：以單變量控制，隨動/調(diào)節(jié)為主要內(nèi)容，以微分方程和傳遞函數(shù)為數(shù)學(xué)模型，所用的方法主要以頻率響應(yīng)法為主。數(shù)學(xué)工具：微分方程，復(fù)變函數(shù)?，F(xiàn)代控制理論：60年代初形成并迅速發(fā)展起來的?，F(xiàn)代控制理論是在航天、航空、導(dǎo)彈等軍事尖端技術(shù)的發(fā)展，對自動控制系統(tǒng)提出越來越高的要求的推動下發(fā)展起來的。要求設(shè)計高精度、快速響應(yīng)、低消耗、低代價的控制系統(tǒng)；被控制對象越來越大型、復(fù)雜、綜合化，從單個局部自動化發(fā)展成綜合集成自動化。后現(xiàn)代控制理論 ：80年代以后，控制理論向廣度與深度發(fā)展。大系統(tǒng)是指規(guī)模大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、變量眾多的信息與控制系統(tǒng)。在系統(tǒng)理論中，采用狀態(tài)方程和代數(shù)方程相結(jié)合的數(shù)學(xué)模型，狀態(tài)空間和運籌學(xué)等相結(jié)合的數(shù)學(xué)方法。智能控制是具有某些仿人智能的工程控制與信息處理系統(tǒng)，其中最典型的是智能機器人。21世紀(jì)，網(wǎng)絡(luò)、通訊、人機交互為代表的信息自動化集成的理論與技術(shù)。1.2控制系統(tǒng)的基本組成控制目標(biāo)：爐子的溫度恒定在期望的數(shù)值上。a.爐子溫度——人工控制圖1－1

爐子溫度人工控制元件圖圖1－2

爐子溫度人工控制系統(tǒng)框圖例1

爐子的溫度控制一、自動控制系統(tǒng)的示例b.爐子溫度——自動控制圖1－3

爐子溫度自動控制系統(tǒng)元件圖圖1－4

爐子溫度自動控制系統(tǒng)框圖圖1－5

液位控制系統(tǒng)if減速器控制器電動機電位器浮子用水開關(guān)Q2Q1cSM例2

液位控制系統(tǒng)圖1－6

液位控制系統(tǒng)框圖圖1－7

控制系統(tǒng)功能框圖二、控制系統(tǒng)的組成被控對象：在自動化領(lǐng)域，被控制的裝置、物理系統(tǒng)或過程稱為被控對象（爐子）?？刂破鳎簩刂茖ο螽a(chǎn)生控制作用的裝置稱為控制器，有時也稱為控制元件、調(diào)節(jié)器等（放大器）。執(zhí)行元件：直接改變被控變量的元件稱為執(zhí)行元件（電機、減速器、調(diào)壓器）。1.控制系統(tǒng)的組成測量元件：能夠?qū)⒁环N物理量檢測出來并轉(zhuǎn)化成另一種容易處理和使用的物理量的裝置稱為傳感器或測量元件（熱電偶）。參考輸入元件：將指令輸入信號變成參考輸入信號的元件可稱為參考輸入元件（電位器）。

2.控制系統(tǒng)中常用的信號和變量輸入信號：由外部加到系統(tǒng)中的變量，它不受系統(tǒng)中其他變量的影響和控制（給定溫度）。輸出信號：由系統(tǒng)或元件產(chǎn)生的變量，其中最受關(guān)注的輸出信號又稱為被控變量（實際溫度）。輸入信號的響應(yīng)：由某一個輸入信號產(chǎn)生的輸出信號又稱為該輸入信號的響應(yīng)?？刂谱兞浚嚎刂破鞯妮敵鲂盘柗Q為控制變量，它作用在控制對象（執(zhí)行元件、功率放大器）上，影響和改變被控變量（放大器（控制器）的輸出信號）。被控變量：在控制系統(tǒng)中被控制的物理量是被控變量。（爐子溫度）反饋信號：是被控變量經(jīng)傳感器等元件變換并返回到輸入端的信號，一般與被控變量成正比（熱電偶的輸出信號）。給定值：又稱為指令輸入信號，它與被控變量是同一物理單位，用來表示被控變量的設(shè)定值（爐子溫度的設(shè)定值）。參考輸入信號：代表指令輸入信號與反饋信號進行比較的基準(zhǔn)信號稱為參考輸入信號（電位器的輸出電壓）。偏差信號：參考輸入信號與反饋信號之差稱為偏差信號（e=r-y）。擾動信號：是加于系統(tǒng)上的不希望的外來信號，它對被控變量產(chǎn)生不利的影響（周圍環(huán)境溫度的變化及爐子散熱條件的變化等）。1.3自動控制系統(tǒng)的分類一、開環(huán)控制和閉環(huán)控制

圖1－8

開環(huán)控制系統(tǒng)圖1－9

閉環(huán)控制系統(tǒng)控制器和控制對象間只有正向控制作用，系統(tǒng)的輸出量不會對控制器產(chǎn)生任何影響；結(jié)構(gòu)簡單，成本低，容易控制，但控制精度低；一般適合于干擾不強或可預(yù)測的、控制精度要求不高的場合；如果系統(tǒng)的給定輸入與被控量之間的關(guān)系固定，且其內(nèi)部參數(shù)或外來擾動的變化都比較小，或這些擾動因素可以事先確定并能給予補償，則采用開環(huán)控制也能取得較為滿意的控制效果；對擾動沒有抑制能力。1.開環(huán)控制系統(tǒng)在控制器與被控對象之間，不僅存在著正向作用，而且存在著反向作用，即系統(tǒng)輸出量對控制作用有直接影響；將檢測出來的輸出量送回到系統(tǒng)的輸入端，并與輸入信號比較的過程稱為反饋；若反饋信號與輸入信號相減，則稱為負反饋，反之，若相加，則稱為正反饋；反饋控制就是指負反饋控制。閉環(huán)系統(tǒng)必須考慮穩(wěn)定性問題。2.閉環(huán)控制系統(tǒng)3.閉環(huán)系統(tǒng)與開環(huán)系統(tǒng)的區(qū)別由于增加了反饋通道，系統(tǒng)的控制精度得到了提高，若采用開環(huán)控制，要達到同樣的精度，則需要高精度的控制器，從而大大增加了成本；由于存在系統(tǒng)的反饋，可以較好地抑制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)中可能存在的擾動和由于器件的老化而引起的結(jié)構(gòu)和參數(shù)的不確定性；反饋環(huán)節(jié)的存在可以較好地改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。閉環(huán)控制系統(tǒng)與開環(huán)控制系統(tǒng)的比較項目開環(huán)控制閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)簡單、成本低復(fù)雜、成本高精度精度低、對元器件要求高精度高、對元器件要求低穩(wěn)定性通常不考慮必須考慮1.線性控制系統(tǒng)同時滿足疊加性與均勻性。疊加性是指當(dāng)幾個輸入信號共同作用于系統(tǒng)時，總的輸出等于每個輸入單獨作用時產(chǎn)生的輸出之和；均勻性是指當(dāng)輸入信號增大若干倍時，輸出也相應(yīng)增大同樣的倍數(shù)。如果線性系統(tǒng)中的參數(shù)不隨時間變化，則稱為線性定常系統(tǒng)；否則稱為線性時變系統(tǒng)。二、線性控制系統(tǒng)和非線性控制系統(tǒng)

2.非線性控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)中，若至少有一個元件具有非線性特性；不具有齊次性，也不適用疊加原理；輸出響應(yīng)和穩(wěn)定性與輸入信號和初始狀態(tài)有很大關(guān)系；也有時變和定常系統(tǒng)之分；嚴(yán)格地講，絕對線性的控制系統(tǒng)（或元件）是不存在的。1.定值控制系統(tǒng)（r(t)=const.）定值控制系統(tǒng)分析與設(shè)計的重點就在于系統(tǒng)的抗擾性能，研究各種擾動對輸出的影響及抗擾的措施。三、定值控制系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)

例如：室溫控制系統(tǒng)、直流電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。輸入信號是恒值，要求被控變量保持相對應(yīng)的數(shù)值不變；隨動系統(tǒng)的輸入信號是預(yù)先未知的隨時間任意變化的函數(shù)，要求輸出量以一定的精度和速度跟隨輸入量的變化而變化。隨動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計重點就在于系統(tǒng)的跟隨性能——快速準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)輸入信號。此時，擾動的影響是次要的。在隨動系統(tǒng)中，如果輸出量是機械位置或其導(dǎo)數(shù)時，這類系統(tǒng)稱之為伺服系統(tǒng)。

例如：火炮隨動系統(tǒng)、雷達天線控制系統(tǒng)。2.隨動系統(tǒng)（r(t)

不可預(yù)測）3.程序控制系統(tǒng)（r(t)

變化事先已知）要求被控變量也按相應(yīng)的規(guī)律隨輸入信號變化，誤差不超過規(guī)定值。

輸入信號是按已知的規(guī)律（事先規(guī)定的程序）變化；例如：熱處理爐的溫控系統(tǒng)、機床的數(shù)碼加工系統(tǒng)和仿形控制系統(tǒng)。四、連續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng)

將自動控制系統(tǒng)中隨時間變化的物理量統(tǒng)稱為信號。按照時間函數(shù)取值的連續(xù)性與離散性可將信號劃分為連續(xù)時間信號與離散時間信號（簡稱為連續(xù)信號與離散信號）。除了時間上的連續(xù)與離散外，信號的幅值也可以是連續(xù)或離散的（只能取某些規(guī)定的值）。若在所討論的時間間隔內(nèi)，除若干個不連續(xù)的點外，對于任意時間值都有確定的函數(shù)值，此信號就稱為連續(xù)信號。對于連續(xù)信號，若幅值也是連續(xù)的，則稱為模擬信號?？刂葡到y(tǒng)中各部分的信號都是時間的連續(xù)函數(shù)，則該系統(tǒng)為連續(xù)控制系統(tǒng)。連續(xù)控制系統(tǒng)常用微分方程來描述。1.連續(xù)控制系統(tǒng)離散信號在時間上是離散的，只在規(guī)定的瞬時給出函數(shù)值，在其他時間沒有定義。對于離散信號，若幅值是連續(xù)的，則稱為采樣信號；若幅值是離散的，則稱為數(shù)字信號。在自動控制系統(tǒng)中，采樣信號都是在連續(xù)信號的基礎(chǔ)上經(jīng)過采樣后得到的，對采樣信號進行量化處理，就可以得到適于計算機控制的數(shù)字信號。在控制系統(tǒng)各部分的信號中只要有一個是時間的離散信號，該系統(tǒng)就是離散控制系統(tǒng)。離散系統(tǒng)則采用差分方程來描述。2.離散控制系統(tǒng)五、定常系統(tǒng)和時變系統(tǒng)如果系統(tǒng)的參數(shù)不隨時間而變化，則稱此類系統(tǒng)為定常系統(tǒng)（或稱為時不變系統(tǒng)）；在同樣的起始狀態(tài)下，系統(tǒng)的輸出（響應(yīng)）與輸入信號作用于系統(tǒng)的時刻無關(guān)。若系統(tǒng)的參數(shù)隨時間改變，則稱為時變系統(tǒng)。系統(tǒng)的輸出與輸入信號作用于系統(tǒng)的時刻有關(guān)。六、單輸入單輸出系統(tǒng)與多輸入多輸出系統(tǒng)單輸入單輸出系統(tǒng)(SISO)也稱為單變量系統(tǒng)，系統(tǒng)的輸入量與輸出量各為一個。1.單輸入單輸出系統(tǒng)多輸入多輸出系統(tǒng)(MIMO)也稱為多變量系統(tǒng)，系統(tǒng)的輸入量與輸出量多于一個。2.多輸入多輸出系統(tǒng)集中參數(shù)系統(tǒng)和分布參數(shù)系統(tǒng)確定性系統(tǒng)和不確定性系統(tǒng)有靜差和無靜差系統(tǒng)等等七、其他分類方法在給定或擾動的作用下，輸出要跟蹤復(fù)現(xiàn)輸入信號有一個時間過程，稱為過渡過程（或稱暫態(tài)過程、動態(tài)過程、動態(tài)響應(yīng)）。1.4對自動控制系統(tǒng)的基本要求系統(tǒng)要能正常的工作，過渡過程應(yīng)趨于一個平衡狀態(tài)，即系統(tǒng)的輸出應(yīng)收斂于與輸入信號相對應(yīng)的期望值（或期望的曲線上）。當(dāng)過渡過程結(jié)束后，系統(tǒng)輸出量復(fù)現(xiàn)輸入信號的過程，稱為穩(wěn)態(tài)過程（或稱穩(wěn)態(tài)響應(yīng)）。對控制系統(tǒng)性能的基本要求即體現(xiàn)在這兩個過程之中，系統(tǒng)的性能指標(biāo)通常也分為動態(tài)性能指標(biāo)與穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)。在工程應(yīng)用中，常常從穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性三方面來評價控制系統(tǒng)的總體性能。穩(wěn)定性是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。一個穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，其被控量偏離期望值的初始偏差應(yīng)隨時間的增長逐漸減小并趨于零。因此，穩(wěn)定性是指控制系統(tǒng)偏離平衡狀態(tài)后，自動恢復(fù)到平衡狀態(tài)的能力。一、穩(wěn)定性①②Otr(t)c(t)圖1－10被控量變化的動態(tài)特性快即指過渡過程的快速性。若過渡過程持續(xù)的時間很長，將使系統(tǒng)長時間處于大偏差的情況，會降低系統(tǒng)的工作效率；同時也說明系統(tǒng)響應(yīng)很遲鈍，難以跟蹤復(fù)現(xiàn)快速變化的信號。二、快速性tc(t)r(t)O②①圖1－11被控量變化的動態(tài)特性三、準(zhǔn)確性對于一個穩(wěn)定的系統(tǒng)而言，當(dāng)瞬態(tài)過程結(jié)束后，