自動控制原理-胡壽松-第五版-第一章-緒論簡 1

1、自動控制原理 電氣工程學院 羅瑜清,第一章 緒論,課程的性質(zhì)、目的和任務 本課程是自動化類學生的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，是一門理論性和工程應用性都很強的技術(shù)基礎(chǔ)課，也是后續(xù)專業(yè)課的橋梁，因此具有非常重要的地位。 本課程的目的: 培養(yǎng)學生的辯證思維能力 樹立理論聯(lián)系實際的科學觀點 提高綜合分析問題的能力。 本課程的基本任務: 獲得自動控制系統(tǒng)的基本理論 掌握系統(tǒng)的基本分析方法 為設(shè)計自動控制系統(tǒng)打下一定的基礎(chǔ) 為進一步的學習和研究控制理論創(chuàng)造條件,什么是控制？什么是控制理論？,“控制(control)”含有“對某種對象按照某種要求進行操縱”的含義。因此，人類從遠古時代就開始了“控制”。幾乎所有的能“動”

2、的人造物，都是被控制的。例如：人們的關(guān)系。你讓某人完成某項工作，你動用了某些手段，使某人很好的完成了工作，就可以說你“控制”了對方。 因此，“控制”是非常廣義的，“控制理論”就是研究那些滲透于“控制”中的，具有普遍意義的控制原理。,1.1 引言,大家網(wǎng)上查詢“自動控制與人類進步”的材料 Automatic Control & Human Civilization,前言,自動控制是人類在認識世界和發(fā)明創(chuàng)新的過程中發(fā)展起來的一門重要的科學技術(shù)。依靠它，人類可以從笨重，重復性的勞動中解放出來，從事更富創(chuàng)造性的工作。 控制論是一門多科性的技術(shù)科學。在理論研究中，廣泛的使用了各種數(shù)學工具：微積分，概率論

3、，復變函數(shù)，泛函，變分法，拓撲學等，實際上是數(shù)學的一個分支。 我們討論的自控原理，僅僅是控制論的一個小部分，只討論了控制系統(tǒng)分析和設(shè)計的最一般的理論。屬于經(jīng)典控制部分。,Chapter 1: 主要介紹自動控制的基本概念，控制系統(tǒng)的常用術(shù)語及方框圖表示；,Chapter 2: 如何建立系統(tǒng)的數(shù)學模型（定量分析的基礎(chǔ)），著重討論對傳遞函數(shù)的分析和基于方框圖、梅遜公式的數(shù)學模型的簡化方法；,主要內(nèi)容： 1.自動控制、自動控制系統(tǒng)的概念 2.自動控制系統(tǒng)的基本方式 3.自動控制系統(tǒng)的類型 4.自動控制系統(tǒng)的要求和分析設(shè)計,Chapter 3: 介紹線性系統(tǒng)的時域分析，并重點對系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準確

4、性的分析進行了討論。,Chapter 6: 介紹了線性系統(tǒng)的校正方法，頻率法校正、反饋校正、復合校正的設(shè)計方法和性能指標的驗算方法；,Chapter 7: 介紹了分析非線性系統(tǒng)的描述函數(shù)法和相平面法；討論了工程實際中常用的非線性特性及解決的一般方法；,Chapter 8: 介紹了離散控制系統(tǒng)理論（計算機控制基礎(chǔ)），z變換理論，數(shù)字控制器的設(shè)計方法。,Chapter 4: 介紹了線性系統(tǒng)的根軌跡分析方法，重點介紹了根軌跡作圖方法；,Chapter 5: 頻域法：極坐標圖，伯德圖，奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)，性能指標計算等；,現(xiàn)實當中，由于存在希望和要求，比如：要求某些物理量維持在一個特定的標準上，但往往由

5、于種種原因，實現(xiàn)起來并不是很容易，于是需要“控制”。,當水的流出量增大或流入量減小，平衡則被破壞，液面的高度不能自然地維持恒定。,例如：下面的水箱液面，因生產(chǎn)和生活需要，希望液面高度h 維持恒定。當水的流入量與流出量平衡時，水箱的液面高度維持在預定的高度上。,1.2.1 自動控制問題的提出,1.2 自控控制和自動控制系統(tǒng),這種出水量與進水量的不平衡現(xiàn)象必然要經(jīng)常發(fā)生的。這便使得這種“水位恒定的要求”變得難以實現(xiàn)。 所謂控制就是強制性地改變某些物理量（如上例中的進水量），而使另外某些特定的物理量（如液面高度h）維持在某種特定的標準上。 下面是人工控制的例子。,這種人為地強制性地改變進水量，而使液

6、面高度維持恒定的過程，即是人工控制過程。,不能滿足復雜、快速和精確的要求，不利于減輕勞動強度。,1.2.2 自動控制的定義及基本職能元件 1.自動控制的定義 自動控制就是在沒有人直接參與的情況下，利用控制器使被控對象（或過程）的某些物理量（或狀態(tài)）自動地按預先給定的規(guī)律去運行。,當出水與進水的平衡被破壞時，水箱水位下降(或上升)，出現(xiàn)偏差。這偏差由浮子檢測出來，自動控制器在偏差的作用下，控制閥門開大(或關(guān)小)，對偏差進行修正，從而保持液面高度不變。,眼睛 浮子 大腦 自動控制器 肌肉、手 執(zhí)行元件,2. 自動控制的基本職能元件 自動控制,實際上就是由自動控制裝置來代替人的基本功能來實現(xiàn)的。,比

7、較兩圖可以看出，用自動控制實現(xiàn)人工控制的功能，存在必不可少的三種代替人的職能基本元件：,圖14 控制功能框圖 （a）人工控制 (b) 自動控制,畫出以上人工控制與自動控制的功能方框圖進行對照。,測量元件與變送器（代替眼睛）； 自動控制器（代替大腦）； 執(zhí)行元件（代替肌肉、手）。 這些基本元件與被控對象相連接，一起構(gòu)成一個自動控制系統(tǒng)。圖1.5是典型控制系統(tǒng)方框圖。,1.2.3 自動控制中的一些術(shù)語及方框圖 1.常用術(shù)語 控制對象：被控設(shè)備或物體，也可是被控過程（爐溫）。 控制器：使被控對象具有所要求的性能或狀態(tài)的控制設(shè)備。接收輸入或偏差信號按控制規(guī)律給出操作量，送到控制對象。 系統(tǒng)：一個整體，

8、是一些部件的組合，完成一定任務。 系統(tǒng)輸出：被控制的量，稱對輸入的響應。 操作量：由控制器改變的量值或狀態(tài)，也稱控制量。 參考輸入：給定，使系統(tǒng)具有預定輸出或性能的激發(fā)信號。代表輸出的希望值；又稱給定輸入，指令輸入，期望輸出等。 擾動：干擾和破壞系統(tǒng)具有預定性能和輸出的干擾信號，分內(nèi)部和外部擾動（輸入量）。 特性：輸入與輸出之間的關(guān)系，分動態(tài)和靜態(tài)，可用特性曲線直觀描述。 靜態(tài)特性：系統(tǒng)穩(wěn)定后，IN 靜態(tài)放大倍數(shù)。 動態(tài)特性：IN和OUT處在變化過程中所表現(xiàn)的特性；過渡過程平衡另一個平衡；,2. 系統(tǒng)方框圖 將系統(tǒng)中各個部分都用一個方框來表示，并注上文字或代號，根據(jù)各方框之間的信息傳遞關(guān)系，用

9、有向線段把它們依次連接起來，并標明相應的信息。 突出了系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)輸入與輸出的關(guān)系及各環(huán)節(jié)之間的相互影響，便于定性和定量分析。,1.3.1 開環(huán)控制 開環(huán)控制是最簡單的一種控制方式，開環(huán)控制的一般定義：若系統(tǒng)的輸出量對系統(tǒng)的控制作用沒有影響，則稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。特點是：控制量與被控制量之間只有前向通道而沒有反向通道,信息的傳遞路徑不是閉合的，故稱開環(huán)。 開環(huán)控制系統(tǒng)的典型方框圖如圖所示。,1.3 開環(huán)控制和閉環(huán)控制,例子：交通指揮紅綠燈，自動洗衣機，自動售貨機，產(chǎn)品自動生產(chǎn)線，數(shù)控車床等等。 按輸入信號的不同，可分為按給定控制和按擾動控制兩種常見形式。,自動控制的形式多種多樣，采取何種控制手段

10、，視具體用途和目的而定，本節(jié)介紹兩種常見形式：開環(huán)和閉環(huán)控制。,1.按給定控制 圖16是一個直流電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。,當調(diào)節(jié)電位器滑臂位置時，改變功率放大器的輸入電壓，從而改變電動機的電樞電壓，最終改變電動機的轉(zhuǎn)速。以上的控制過程，用方框圖簡單直觀地表示出來。,控制精度取決于所用元件性能的優(yōu)劣及校準的精度！系統(tǒng)本身無法保證。任何的干擾都會使輸出改變。,優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整方便 缺點：精度差，抗干擾性差,2.按擾動控制 圖18 是一個按擾動控制的直流電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。,如果擾動可量測，可把它作為一種輸入，施加相應的控制，對系統(tǒng)的輸出產(chǎn)生影響?！胺阑嘉慈弧保鸬娇垢蓴_的作用。,把負載變化視為外部

11、擾動輸入，對輸出轉(zhuǎn)速產(chǎn)生影響及控制補償作用，分別沿箭頭的方向從輸入端傳送到輸出端，作用的路徑也是單向的，不閉合的。有時我們稱按擾動控制為順饋控制。,控制過程可用方框圖表示成如圖1.9所示的形式。,信號匯合點，+代表加，-代表減,開環(huán)控制的特點： （1）結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便、成本低。 （2）給定一個輸入，有相應的一個輸出。 （3）在系統(tǒng)方框圖中，作用信號是單方向傳遞的，形成開環(huán)。 （4）輸出不影響輸入。 （5）若系統(tǒng)有外界擾動時，系統(tǒng)輸出量不可能有準確的數(shù)值，即開環(huán)控制精度不高，或抗干擾能力差?！爸旅比秉c！,1.3.2 閉環(huán)控制 定義：凡是系統(tǒng)輸出信號對控制作用有直接影響的系統(tǒng)，都叫做閉環(huán)控制系

12、統(tǒng)。 在控制系統(tǒng)中，控制裝置對被控對象所施加的控制作用(控制器輸出)，若部分或全部取自被控量的反饋信息，即根據(jù)實際輸出來修正控制作用，實現(xiàn)對被控對象進行控制的任務，這種控制原理稱為反饋控制原理。正是由于引入了反饋信息，使整個控制過程成為閉合的。因此，按反饋原理建立起來的控制系統(tǒng)，叫做閉環(huán)控制系統(tǒng)。 在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，其控制量是被控量與給定值之間的偏差。,人本身就是一個具有高度復雜控制能力的閉環(huán)系統(tǒng)。比如，人可以用手拿到放在桌上的書等物，體現(xiàn)了閉環(huán)控制的原理。圖1.11是直流電動機轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的例子。,閉環(huán)控制的特點： 控制作用不是直接來自給定輸入，而是系統(tǒng)的偏差信號，由偏差產(chǎn)生對系統(tǒng)被控量的控

13、制； 信息的傳遞路徑為一個閉合的環(huán)路，稱為閉環(huán)。 控制精度高，抗干擾能力強。 閉環(huán)控制系統(tǒng)的典型方框圖如圖所示。,1.3.3 開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的比較 閉環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)點是采用了反饋，因而使系統(tǒng)的響應對外部干擾和內(nèi)部系統(tǒng)的參數(shù)變化均相當不敏感。這樣，對于給定的控制對象，有可能采用不太精密且成本較低的元件構(gòu)成精密的控制系統(tǒng)。在開環(huán)情況下，就不可能做到這一點。 從穩(wěn)定性的觀點出發(fā)，開環(huán)控制系統(tǒng)比較容易建造，因為對開環(huán)系統(tǒng)來說，不存在穩(wěn)定性的問題。但是在閉環(huán)系統(tǒng)中，穩(wěn)定性則始終是一個重要問題。因為閉環(huán)系統(tǒng)可能引起過調(diào)誤差，從而導致系統(tǒng)做等幅振蕩或變幅振蕩。 工程上常采用的復合控制方法，就是把兩者結(jié)合起來

14、使用。復合控制實質(zhì)上是在閉環(huán)控制回路的基礎(chǔ)上，附加一個輸入信號（給定或擾動）的順饋通路，對該信號實行加強或補償，以達到精確的控制效果。常見的方式有以下兩種：,1.附加給定輸入補償,通常，附加的補償裝置可提供一個順饋控制信號，與原輸入信號一起對被控對象進行控制，以提高系統(tǒng)的跟蹤能力。,微分環(huán)節(jié)，超前控制，快速控制,2.附加擾動輸入補償 該種復合控制方框圖。附加的補償裝置所提供的控制作用，主要起到對擾動影響“防患未然”的效果。,附加的順饋回路相當于開環(huán)控制，對補償裝置穩(wěn)定性的要求較高，否則會減弱補償效果。但對閉環(huán)性能影響不大，特別對穩(wěn)定性無影響，卻能大大提供控制精度，獲得廣泛應用。,1-4 自動控

15、制系統(tǒng)的分類及基本組成,自動控制系統(tǒng)有多種分類方法。按信號傳遞路徑，可分為開環(huán)，閉環(huán)等控制系統(tǒng)；按系統(tǒng)元件的屬性可分為機械，電氣，液壓和氣動控制系統(tǒng)。從研究自控系統(tǒng)的動態(tài)性能，運動規(guī)律和設(shè)計方法的理論角度，除按系統(tǒng)信號傳遞路徑分外，還可以按如下四種情況來劃分。,1.4.1 按給定信號的特征劃分 給定信號是系統(tǒng)的指令信息。它代表了系統(tǒng)希望的輸出值，反映了控制系統(tǒng)要完成的基本任務和職能。 1.恒值控制系統(tǒng)：給定輸入維持不變，希望輸出維持在某一特定值上。液位控制系統(tǒng)，直流電動機調(diào)速系統(tǒng)等等。 2.隨動控制系統(tǒng)：給定信號是預先不知道的隨機信號。要求系統(tǒng)的輸出快速、準確地跟隨給定值的變化。NO.1跟隨性

16、，NO.2抗干擾性。跟蹤衛(wèi)星的雷達天線系統(tǒng)，自動導航系統(tǒng)，自動測量儀器等。 3.程序控制系統(tǒng)：給定值按預先給定的規(guī)律變化的控制系統(tǒng)。比隨動系統(tǒng)的設(shè)計有針對性，數(shù)控機床，加熱爐溫度自動控制等。,1.4.2 按系統(tǒng)的數(shù)學描述劃分 1.線性系統(tǒng) 當系統(tǒng)各元件輸入輸出特性都是線性特性，系統(tǒng)的狀態(tài)和性能可以用線性微分（或差分）方程來描述時，則稱這種系統(tǒng)為線性系統(tǒng)。 所謂線性特性是指元件的靜特性是一條過原點的直線，也稱其為線性元件。因此，由線性元件組成的系統(tǒng)則必是線性系統(tǒng)。線性系統(tǒng)的一個突出特點就是滿足疊加原理，可運用疊加原理的兩個性質(zhì)（疊加性和齊次性），作為鑒別系統(tǒng)是否為線性系統(tǒng)的依據(jù)。 可細分為線性定

17、常系統(tǒng)和線性時變系統(tǒng)。 2.非線性系統(tǒng) 系統(tǒng)中只要存在一個非線性特性的元件，系統(tǒng)就由非線性方程來描述，這種系統(tǒng)稱為非線性系統(tǒng)。,1.4.3 按信號傳遞的連續(xù)性劃分 1.連續(xù)系統(tǒng) 連續(xù)系統(tǒng)的特點是系統(tǒng)中各元件的輸入信號和輸出信號都是時間的連續(xù)函數(shù)。這類系統(tǒng)的運動狀態(tài)是用微分方程來描述的。 連續(xù)系統(tǒng)中各元件傳輸?shù)男畔⒃诠こ躺戏Q為模擬量，多數(shù)實際物理系統(tǒng)都屬于這一類，其輸入輸出一般用r(t)和c(t)表示。,2.離散系統(tǒng) 控制系統(tǒng)中只要有一處的信號是脈沖序列或數(shù)碼時，該系統(tǒng)即為離散系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的狀態(tài)和性能一般用差分方程來描述。實際物理系統(tǒng)中，信息的表現(xiàn)形式為離散信號的并不多見，往往是控制上的需要，

18、人為地將連續(xù)信號離散化，我們稱其為采樣。,1.4.4 按系統(tǒng)的輸入與輸出信號的數(shù)量劃分 1.單變量系統(tǒng)（SISO） 外部特性是只有一個輸入，一個輸出，但內(nèi)部可以是多回路，多變量。 經(jīng)典控制理論的主要研究對象，工具：傳遞函數(shù)；本課程講授的內(nèi)容。 2.多變量系統(tǒng)（MIMO） 現(xiàn)代控制理論的主要研究對象，工具：狀態(tài)空間法；討論多參數(shù)、多變量、非線性、高精度、高效能等控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計。 隨著科技的發(fā)展，系統(tǒng)越來越復雜，計算機的使用，使復雜系統(tǒng)的精確控制成為可能。并使得現(xiàn)控向縱深發(fā)展，最佳控制，自適應，自學習，得到充分的研究。并擴充到非工程領(lǐng)域，如經(jīng)濟，生物，社會經(jīng)濟系統(tǒng)等。,1.4.5 自動控制系

19、統(tǒng)的基本組成 在形形色色的自動控制系統(tǒng)中，反饋控制是最基本的控制方式之一。一個典型的反饋控制系統(tǒng)總是由控制對象和各種結(jié)構(gòu)不同的職能元件組成的。除控制對象外，其他各部分可統(tǒng)稱為控制裝置。每一部分各司其職，共同完成控制任務。下面給出這些職能元件的種類和各自的職能。,給定元件：其職能是給出與期望的輸出相對應的系統(tǒng)輸入量，是一類產(chǎn)生系統(tǒng)控制指令的裝置。 測量元件：其職能是檢測被控量，如果測出的物理量屬于非電量，大多情況下要把它轉(zhuǎn)換成電量，以便利用電的手段加以處理。,比較元件：其職能是把測量元件檢測到的實際輸出值與給定元件給出的輸入值進行比較，求出它們之間的偏差。 放大元件：其職能是將過于微弱的偏差信號

20、加以放大，以足夠的功率來推動執(zhí)行機構(gòu)或被控對象。 執(zhí)行元件：其職能是直接推動被控對象，使其被控量發(fā)生變化。 校正元件：為改善或提高系統(tǒng)的性能，在系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上附加參數(shù)可靈活調(diào)整的元件。工程上稱為調(diào)節(jié)器。常用串聯(lián)或反饋的方式連接在系統(tǒng)中。,1.5 對控制系統(tǒng)的要求和分析設(shè)計,1.5.1 對系統(tǒng)的要求 各類控制系統(tǒng)為達到理想的控制目的，必須具備以下兩個方面的性能： （1）使系統(tǒng)的輸出快速準確地按輸入信號要求的期望輸出值變化。快速性 （2）使系統(tǒng)的輸出盡量不受任何擾動的影響?？垢蓴_ 這是對所有控制系統(tǒng)提出的基本要求。如果要精確的保持被控量等于期望值，任何時候都相等，毫無延遲，實現(xiàn)起來很難，只能近

21、似實現(xiàn)。 在實際系統(tǒng)中，由于總是存在著不同性質(zhì)的儲能元件。并且也由于能源功率的限制，使得系統(tǒng)放大能力必然有限。因而使相應的運動加速度不會太大，速度和位移不會瞬間變化，而要經(jīng)歷一段時間，即系統(tǒng)運動必然有一個漸變的過程（過渡過程）。,過渡過程：系統(tǒng)受到外加信號作用后，被控量隨時間t變化的過程。系統(tǒng)控制性能的優(yōu)劣 可以從c(t)中充分體現(xiàn)(在時域分析中，就是要首先求出c(t)。,穩(wěn)態(tài)響應，強迫分量，定態(tài)完全取決于輸入的形式,暫態(tài)，自由分量,穩(wěn)定系統(tǒng)：不論初始條件如何，最終總能實現(xiàn)定態(tài)的系統(tǒng)；反之，不穩(wěn)定系統(tǒng)。 只有穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)，才有必要進一步衡量其控制的其它品質(zhì)。 臨界穩(wěn)定狀態(tài)：在有限范圍內(nèi)，既不發(fā)散也不收斂的情況。,對自