第一章 自動控制原理自動控制的一般概念

1、自動控制原理自動控制原理 第一章第一章 自動控制理論的一般概念自動控制理論的一般概念 第二章第二章 控制系統(tǒng)的數(shù)學模型控制系統(tǒng)的數(shù)學模型 第三章第三章 控制系統(tǒng)的時域分析法控制系統(tǒng)的時域分析法 第四章第四章 根軌跡法根軌跡法 第五章第五章 頻率法頻率法 第六章第六章 控制系統(tǒng)的校正控制系統(tǒng)的校正 第七章第七章 線性離散系統(tǒng)的分析與校正線性離散系統(tǒng)的分析與校正 第八章第八章 非線性系統(tǒng)的分析非線性系統(tǒng)的分析 第九章第九章 線性系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析與綜合線性系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析與綜合 第十章第十章 動態(tài)系統(tǒng)的最優(yōu)控制方法動態(tài)系統(tǒng)的最優(yōu)控制方法 圖1-1 人工操作的恒水位控制系統(tǒng) 進水 要求水位 實際水

2、位 進水閥 出水閥 水箱 出水 人工控制 圖11所示是人工操作保持水位恒定 的控制系統(tǒng)。 出水閥門的開度由下道生產(chǎn)工序的用 水量大小來確定，這是一個隨機過程。 若要保持水位高度不變，就得根據(jù)用水 量大小依靠人工操作不斷地調(diào)節(jié)進水閥 門的開度。 通過人工操作實現(xiàn)控制過程，我們稱 為人工控制。 人工控制原則 在圖11所示系統(tǒng)中，人工控制的過 程是通過目視測量實際水位，再與所要 求水位比較，根據(jù)要求水位和實際水位 之間的誤差去調(diào)節(jié)進水閥門的開度。其 控制目的是盡量減小這個誤差，以使水 箱中的水位盡可能地保持在要求水位上。 為實現(xiàn)上述目的，人工控制的原則是 按減小誤差的方向來調(diào)節(jié)閥門的開度。 自動控制

3、 現(xiàn)在我們用一種裝置完全代替圖11 所示系統(tǒng)中人工操作的全部職能，則這 個系統(tǒng)就可以不用人工操作而成為自動 控制系統(tǒng)。 如圖12所示是水箱水位自動控制系 統(tǒng)的簡化形式。圖中用浮子代替人的眼 睛，用于測量水位高低；用一套杠桿機 構代替人的大腦和手，作為計算誤差和 執(zhí)行閥門調(diào)節(jié)的裝置。 圖12 簡單的水位自動控制系統(tǒng) 進水 要求水位 實際水位 進水閥 出水閥 水箱 出水 連桿 浮子 系統(tǒng)的控制過程 杠桿一端和浮子鏈接，另一端則鏈接 進水閥門，當用水量增大時，水位開始 下降，浮子也隨之降低，通過杠桿的作 用，進水閥門往上提，其開度變大，水 箱進水量增加，則水位回升至要求水位。 反之，若用水量減少，水

4、位上升，則浮 子升高，進水閥門的開度變小，水箱進 水量減少，水位則回升至要求水位。 整個過程在無人工參與下自動進行。 17651765年，瓦特發(fā)明蒸汽機，用離心式調(diào)速器控制年，瓦特發(fā)明蒸汽機，用離心式調(diào)速器控制 蒸氣機蒸氣機 19481948年，維納年，維納控制論或關于在動物和機器中控制論或關于在動物和機器中 控制和通信的科學控制和通信的科學產(chǎn)生產(chǎn)生 40406060年代年代 經(jīng)典控制理論（頻域法為主）經(jīng)典控制理論（頻域法為主） 60607070年代年代 現(xiàn)代控制理論（時域法為主現(xiàn)代控制理論（時域法為主) ) 7070年代以后年代以后 大系統(tǒng)控制理論大系統(tǒng)控制理論 自動控制：自動控制： 在沒有

5、人直接參與的情況下，采用在沒有人直接參與的情況下，采用 控制裝置或機械使被控制對象達到預期控制裝置或機械使被控制對象達到預期 的目標的目標 。 發(fā)展簡史：發(fā)展簡史： 自動控制研究的內(nèi)容：自動控制研究的內(nèi)容： 研究對象研究對象數(shù)學工具數(shù)學工具 分析方法分析方法局限性局限性 經(jīng)典經(jīng)典 控制控制 理論理論 單單I/OI/O 線性定常線性定常 系統(tǒng)系統(tǒng) 微分方程，微分方程， 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 時域法時域法 頻域法頻域法 根軌跡法根軌跡法 對復雜多變對復雜多變 量系統(tǒng)、時量系統(tǒng)、時 變和非線性變和非線性 系統(tǒng)無能為系統(tǒng)無能為 力力 現(xiàn)代現(xiàn)代 控制控制 理論理論 多輸入多輸入- -多多 輸出變系輸出變系

6、數(shù)，非線數(shù)，非線 性等系統(tǒng)性等系統(tǒng) 線性代數(shù)、線性代數(shù)、 矩陣理論矩陣理論 狀態(tài)狀態(tài) 空間法空間法 比較繁瑣比較繁瑣 （但由于計（但由于計 算機技術的算機技術的 迅速發(fā)展，迅速發(fā)展， 已克服已克服) ) 控制裝置與被控對象之間只有順向作控制裝置與被控對象之間只有順向作 用而沒有反向聯(lián)系的控制。用而沒有反向聯(lián)系的控制。 溫度計溫度計 加熱電阻絲 加熱電阻絲 u 220V k 爐溫開環(huán)控制系統(tǒng)爐溫開環(huán)控制系統(tǒng) 開關閉合后，不同開關閉合后，不同 的輸入電壓的輸入電壓u u對應于對應于 不同的溫度不同的溫度t t。 給定給定 值值 輸出量輸出量 控制器控制器 擾動擾動 輸出量輸出量 受控對象 受控對象

7、 控制裝置控制裝置 (電源電源 ) 輸入量輸入量 (溫度溫度) 擾動量擾動量 開關開關 電爐恒電爐恒 溫箱溫箱 加熱電加熱電 阻絲阻絲 爐溫開環(huán)控制系統(tǒng)方框圖爐溫開環(huán)控制系統(tǒng)方框圖 被控制被控制 對象對象 控制方式控制方式： 按給定值操縱。信號由給定值至輸出量單向傳按給定值操縱。信號由給定值至輸出量單向傳 遞。一定的給定值對應一定的輸出量。系統(tǒng)的控制遞。一定的給定值對應一定的輸出量。系統(tǒng)的控制 精度取決于系統(tǒng)事先的調(diào)整精度。對于工作過程中精度取決于系統(tǒng)事先的調(diào)整精度。對于工作過程中 受到的擾動或特性參數(shù)的變化無法自動補償。結構受到的擾動或特性參數(shù)的變化無法自動補償。結構 簡單，成本低廉，多用于

8、系統(tǒng)結構參數(shù)穩(wěn)定和擾動簡單，成本低廉，多用于系統(tǒng)結構參數(shù)穩(wěn)定和擾動 信號較弱的場合信號較弱的場合. . 開環(huán)控制系統(tǒng)特點：開環(huán)控制系統(tǒng)特點： 信號從輸入到輸出無反饋信號從輸入到輸出無反饋, ,單向傳遞單向傳遞. . 結構簡單結構簡單. . 控制精度不高控制精度不高, ,無法抑制擾動無法抑制擾動. . 反饋 控制任務：控制任務：保持工作機械恒速運行保持工作機械恒速運行. . 控制過程：控制過程： fa nuuun 典型閉環(huán)系統(tǒng)方框圖典型閉環(huán)系統(tǒng)方框圖 特點特點: 輸出影響輸入，所以能削弱或抑制干輸出影響輸入，所以能削弱或抑制干 擾；低精度元件可組成高精度系統(tǒng)；因為擾；低精度元件可組成高精度系統(tǒng)；

9、因為 可能發(fā)生超調(diào)，振蕩，所以穩(wěn)定性很重要可能發(fā)生超調(diào)，振蕩，所以穩(wěn)定性很重要 主主 反反 饋饋 與輸出成正比或某種函數(shù)關系，但量綱與與輸出成正比或某種函數(shù)關系，但量綱與 給定信號相同；給定信號相同； 偏偏 差差 給定信號與主反饋信號之差的信號；給定信號與主反饋信號之差的信號； 控制單元控制單元 接受偏差信號，通過轉換與運算，產(chǎn)生期接受偏差信號，通過轉換與運算，產(chǎn)生期 望的控制量；望的控制量； 擾擾 動動 對系統(tǒng)輸出產(chǎn)生不利影響的信號；對系統(tǒng)輸出產(chǎn)生不利影響的信號； 反饋環(huán)節(jié)反饋環(huán)節(jié) 檢測輸出信號并轉換與給定輸入信號相同檢測輸出信號并轉換與給定輸入信號相同 量綱的信號量綱的信號。 輸出量輸出量

10、 環(huán)節(jié)名稱環(huán)節(jié)名稱 （或特性）（或特性） 輸入量輸入量 (a) (- -) (b) r e=r-b b (c) c 引出點引出點 cc 擾動擾動 被控量被控量 偏差偏差 信號信號 (- -) 參考參考 輸入信號輸入信號 r(t) 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器(或控制器或控制器) u(t) 受控系統(tǒng)受控系統(tǒng) e(t) c(t) 反饋信號反饋信號 控制量控制量 給定給定 控制控制 環(huán)節(jié)環(huán)節(jié) 放大放大 元件元件 執(zhí)行執(zhí)行 機構機構 受控受控 對象對象 反饋裝置反饋裝置 (測量元件測量元件) 它是把按偏差控制與按擾動控制結合起來，它是把按偏差控制與按擾動控制結合起來， 對于主要擾動采用適當?shù)难a償裝置實現(xiàn)按擾動控對于主

11、要擾動采用適當?shù)难a償裝置實現(xiàn)按擾動控 制，同時再組成反饋控制系統(tǒng)實現(xiàn)按偏差控制，制，同時再組成反饋控制系統(tǒng)實現(xiàn)按偏差控制， 以消除其余擾動產(chǎn)生的偏差。以消除其余擾動產(chǎn)生的偏差。 也稱鎮(zhèn)定系統(tǒng)。輸出量以一定的精度等于也稱鎮(zhèn)定系統(tǒng)。輸出量以一定的精度等于 給定值，而給定值一般不變化或變化很緩慢，給定值，而給定值一般不變化或變化很緩慢， 擾動可隨時變化的系統(tǒng)稱為恒值系統(tǒng)，在生產(chǎn)擾動可隨時變化的系統(tǒng)稱為恒值系統(tǒng)，在生產(chǎn) 過程中，這類系統(tǒng)非常多。例如，冶金部門的過程中，這類系統(tǒng)非常多。例如，冶金部門的 恒溫系統(tǒng)，石油部門的恒壓系統(tǒng)等。恒溫系統(tǒng)，石油部門的恒壓系統(tǒng)等。 恒值系統(tǒng)：恒值系統(tǒng)： 系統(tǒng)通過間隙傳

12、感器實時測量出密封間隙值并系統(tǒng)通過間隙傳感器實時測量出密封間隙值并 送入計算機，與設定值比較后，發(fā)出控制指令至電送入計算機，與設定值比較后，發(fā)出控制指令至電 動機提升機構，調(diào)整密封板的位置，達到維持密封動機提升機構，調(diào)整密封板的位置，達到維持密封 間隙值恒定的目的。間隙值恒定的目的。 輸出量能以一定精度跟隨給定值輸出量能以一定精度跟隨給定值 變化的系統(tǒng)稱隨動系統(tǒng)，又稱為跟蹤變化的系統(tǒng)稱隨動系統(tǒng)，又稱為跟蹤 系統(tǒng)。系統(tǒng)。這類系統(tǒng)的特點是系統(tǒng)的給定這類系統(tǒng)的特點是系統(tǒng)的給定 值變化規(guī)律完全取決于事先不能確定值變化規(guī)律完全取決于事先不能確定 的時間函數(shù)。例如，火炮系統(tǒng)，衛(wèi)星的時間函數(shù)。例如，火炮系統(tǒng)

13、，衛(wèi)星 控制系統(tǒng)等?？刂葡到y(tǒng)等。 隨動系統(tǒng)：隨動系統(tǒng)： 控制任務：控制任務：要求工作機械能夠跟隨指令機構同要求工作機械能夠跟隨指令機構同 步轉動步轉動, ,即要使工作機械的角位置跟隨給定指即要使工作機械的角位置跟隨給定指 令轉角，亦即使：令轉角，亦即使： oi 首先確定以下基本問題：首先確定以下基本問題： （1 1）受控對象）受控對象: : 工作機械；工作機械； （2 2）被）被 控控 量量: : 角位置；角位置； （3 3）給定值）給定值: : 指令轉角；指令轉角； （4 4）測量元件）測量元件: : 通過兩個相同的電位計測量轉角，并轉換通過兩個相同的電位計測量轉角，并轉換 為相應的電壓；為

14、相應的電壓； （5 5）計算比較）計算比較: : 兩個測量電位計的橋式連接，即完成了減兩個測量電位計的橋式連接，即完成了減 法運算，兩電刷之間的電壓代表了被控量對給定量的誤差；法運算，兩電刷之間的電壓代表了被控量對給定量的誤差； （6 6）執(zhí)行機械）執(zhí)行機械: : 電機減速裝置。電機減速裝置。 系統(tǒng)的工作原理：系統(tǒng)的工作原理： 如果工作機械轉角等于指令轉角，則經(jīng)如果工作機械轉角等于指令轉角，則經(jīng) 事先整定，事先整定， 即電機不動，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。當指令轉角改變，隨之即電機不動，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。當指令轉角改變，隨之 改變，而工作機械仍處于原位，則從而使電動機拖動工作改變，而工作機械仍處于原位

15、，則從而使電動機拖動工作 機械朝所要求的方向快速偏轉，直至電機停轉，此時系統(tǒng)機械朝所要求的方向快速偏轉，直至電機停轉，此時系統(tǒng) 在新的位置上處于與指令同步的平衡工作狀態(tài)，即完成了在新的位置上處于與指令同步的平衡工作狀態(tài)，即完成了 跟隨的任務。跟隨的任務。 自動控制系統(tǒng)的被控制量如果是根自動控制系統(tǒng)的被控制量如果是根 據(jù)預先編好的程序進行控制的系統(tǒng)稱程據(jù)預先編好的程序進行控制的系統(tǒng)稱程 序控制系統(tǒng)。序控制系統(tǒng)。例如，煉鋼爐中的微機控例如，煉鋼爐中的微機控 制系統(tǒng)，洲際彈道導彈的程序控制系統(tǒng)制系統(tǒng)，洲際彈道導彈的程序控制系統(tǒng) 等。等。 程序控制系統(tǒng)：程序控制系統(tǒng)： 穩(wěn)定性穩(wěn)定性 1 .對恒值系統(tǒng)，

16、要求當系統(tǒng)受到擾動后，經(jīng)過一定時間的調(diào)對恒值系統(tǒng)，要求當系統(tǒng)受到擾動后，經(jīng)過一定時間的調(diào) 整能夠回到原來的期望值。整能夠回到原來的期望值。 2 .對隨動系統(tǒng)，被控制量始終跟蹤參據(jù)量的變化。對隨動系統(tǒng)，被控制量始終跟蹤參據(jù)量的變化。 快速性快速性 對過渡過程的形式和快慢提出要求，一般稱為動態(tài)性能。對過渡過程的形式和快慢提出要求，一般稱為動態(tài)性能。 穩(wěn)定高射炮射角隨動系統(tǒng)，雖然炮身最終能跟蹤目標，但如穩(wěn)定高射炮射角隨動系統(tǒng)，雖然炮身最終能跟蹤目標，但如 果目標變動迅速，而炮身行動遲緩，仍然抓不住目標。果目標變動迅速，而炮身行動遲緩，仍然抓不住目標。 準確性準確性 用穩(wěn)態(tài)誤差來表示。用穩(wěn)態(tài)誤差來表示。 在參考輸入信號作用下，當系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)后，其穩(wěn)態(tài)輸出與在參考輸入信號作用下，當系統(tǒng)達到穩(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。顯然，這參考輸入所要求的期望輸出之差叫做給定穩(wěn)態(tài)誤差。顯然，這 種誤差越小，表示系統(tǒng)的輸出跟隨參考輸入的精度越高。種誤差越小，表示系統(tǒng)的輸出跟隨參考輸入的精度越高。 . .穩(wěn)定性：穩(wěn)定性：是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。是保證控制系統(tǒng)正常工