1自動控制理論的一般概念

1、自動控制原理課程的性質和特點課程的性質和特點 自動控制是一門技術學科，它是從方法論的角度來研究系統(tǒng)的建立、分析與設計。 自動控制原理是本學科的專業(yè)基礎課，是自動控制理論的基礎課程，該課程與其他課程的關系如下:微積分（含微分方程）電機與拖動模擬電子技術線性代數(shù)電路理論信號與系統(tǒng)自動控制理論復變函數(shù)、拉普拉斯變換大學物理（力學、熱力學）課程的性質和特點課程的性質和特點 自動控制理論已經(jīng)發(fā)展為理論嚴密、系統(tǒng)完整、邏輯性很強的一門學科。從基本反饋控制原理發(fā)展到自適應控制、優(yōu)化控制、魯棒控制、大系統(tǒng)控制、智能控制。課程的性質和特點課程的性質和特點 討論的對象： 因果系統(tǒng)、工程系統(tǒng) 系統(tǒng)的廣義性： 經(jīng)濟、

2、社會、工程、生物、環(huán)境、醫(yī)學 課程特點： 研究系統(tǒng)的共性問題 數(shù)學數(shù)學模型模型實際實際系統(tǒng)系統(tǒng)物理物理模型模型方法（系統(tǒng)組成方法（系統(tǒng)組成分析、設計）分析、設計）教學重點 了解自動控制系統(tǒng)的基本結構和特點及其工作原理； 了解閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成和基本環(huán)節(jié)； 掌握反饋控制系統(tǒng)的基本要求穩(wěn)定性、動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能指標； 學會自動控制系統(tǒng)的類型及本質特征。 教學難點 自動控制系統(tǒng)的基本工作原理，自動控制系統(tǒng)的結構及特點、組成和基本環(huán)節(jié)，自動控制系統(tǒng)的性能指標，自動控制系統(tǒng)的類型。 概述：在人類社會走向信息化的今天，計算機、通信、信息處理技術的發(fā)展對社會經(jīng)濟以及人類生活產(chǎn)生了巨大影響。其中，自動控制作為一種

3、技術手段已經(jīng)廣泛地應用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防以及日常生活和社會科學的各個領域。 自控理論：自動控制理論就是研究自動控制共同規(guī)律的科學技術，自動控制原理僅是工程控制論中的一個分支，是研究控制系統(tǒng)分析和設計的一般理論。 本章內容：本章是自動控制技術及應用的基礎，主要介紹自動控制的基本原理和概念，自動控制系統(tǒng)的組成和分類，以及自動控制系統(tǒng)的性能指標等。1.1 自動控制理論的發(fā)展自動控制理論的發(fā)展控制理論的發(fā)展過程一般可分為三個階段： “經(jīng)典控制理論”時期 “現(xiàn)代控制理論”時期 “大系統(tǒng)理論”和“智能控制”時期 1.經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論 研究對象：單輸入單輸出系統(tǒng)（線性定常系統(tǒng)） 研究方法：以傳遞函數(shù)

4、、頻率特性、根軌跡為基礎的頻域分析方法。 代表人物：維納（控制論）、伯德（伯德圖法）和伊文思（根軌跡法） 。 2.現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論 研究對象：多輸入多輸出系統(tǒng)（線性定常或非線性時變） 研究方法：狀態(tài)空間方法代表人物：龐特里亞金（極大值原理）、貝爾曼（動態(tài)規(guī)劃原理）、卡爾曼（卡爾曼濾波）等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量對復雜多變量系統(tǒng)、時變和系統(tǒng)、時變和非線性系統(tǒng)無非線性系統(tǒng)無能為力能為力現(xiàn)代現(xiàn)代控制控制理論

5、理論多輸入多輸入- -多多輸出變系輸出變系數(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) )3.大系統(tǒng)理論和智能控制大系統(tǒng)理論和智能控制 關系：前者是控制理論在廣度上的開拓，后者是控制理論在深度上的挖掘。 研究內容：“大系統(tǒng)理論” 通過采用控制和信息的觀點，研究各種大系統(tǒng)的結構方案、總體設計中的分解方法和協(xié)調等問題。 “智能控制”通過模擬人類智能活動及其控制與信息傳遞過程的規(guī)律，研究具有某些仿人智能的工程控制與信息處理系統(tǒng)。 1.2 自動控制系統(tǒng)的基本原理自動控

6、制系統(tǒng)的基本原理 1.自動控制系統(tǒng)的基本概念自動控制系統(tǒng)的基本概念 自動控制：沒有人的直接干預，利用控制裝置使被控對象（如生產(chǎn)設備）的工作狀態(tài)或被控制量按照預定的規(guī)律運行。 自動控制系統(tǒng)：實現(xiàn)上述自動控制的目的，由相互聯(lián)系和制約的各部件組成的具有特定功能的整體稱為自動控制系統(tǒng)。 2.自動控制系統(tǒng)的組成自動控制系統(tǒng)的組成基本工作原理： 通過測量裝置隨時監(jiān)測被控量，并與給定值進行比較，產(chǎn)生偏差信號；根據(jù)控制要求對偏差進行計算和信號放大，并且產(chǎn)生控制量，驅動被控制量維持在期望值附近。 自動控制系統(tǒng)組成：由被控對象以及為完成控制任務而配置的控制裝置兩大部分構成。圖1-1 自動控制系統(tǒng)框圖 被控對象：

7、是控制系統(tǒng)所控制和操縱的對象，它接受控制量并輸出被控量?？梢允且惶籽b置或設備，也可以是一個動態(tài)過程（被控制的運行狀態(tài)）。如化工行業(yè)中從原料到產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝流程。 測量環(huán)節(jié)： 其作用是檢測被控對象的控制量（溫度、壓力、流量、位移等），并且一般需要轉換為標準的電信號（如05V直流電壓或010mA直流電流），以便于處理。為了保證控制精度，測量環(huán)節(jié)應當測量準確，并且牢固、可靠，受環(huán)境條件影響小。 比較環(huán)節(jié)： 其作用是將測量環(huán)節(jié)的實際輸出值與給定量進行比較，求出它們之間的偏差。通常采用的比較元件有差動放大器、電橋、機械的差動裝置等。 計算環(huán)節(jié)： 它是控制裝置的核心，決定著控制系統(tǒng)性能的好壞。其作用是根據(jù)

8、控制要求，對偏差信號進行各種計算并形成適當?shù)目刂谱饔谩ＰＵb置就是可以實現(xiàn)某種“控制規(guī)律”的計算環(huán)節(jié)，從而改善系統(tǒng)的動態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能。對于復雜的運算可以利用計算機完成。 放大環(huán)節(jié)： 由于經(jīng)過計算機處理的信號通常是標準化的弱信號，不能驅動被控對象，因此需要加以放大。放大環(huán)節(jié)的輸出必須有足夠的能量，一般需要幅值的放大和功率的放大，才能實現(xiàn)驅動能力。 執(zhí)行環(huán)節(jié)： 其作用是產(chǎn)生控制量，直接推動被控對象的控制量發(fā)生變化。如電動機、調節(jié)閥門等就是執(zhí)行元件。常用的名詞術語常用的名詞術語 給定量： 又稱為參考輸入，是指人為給定的并且要求系統(tǒng)輸出量參照變化的外部指令信號。給定量與期望的輸出量之間一般存在著物理量綱

9、轉換關系。給定量可以是常值，也可以是隨時間變化的已知函數(shù)或未知函數(shù)。 被控量： 又稱為輸出量，是指被控對象中某個需要被控制的物理量。它與給定量之間存在一定函數(shù)關系。 干 擾： 又稱為擾動信號，是指由某些因素（外部和內部）引起的、對系統(tǒng)被控量產(chǎn)生不利影響的信號。 反饋： 是系統(tǒng)的輸出量從被控量端（輸出）經(jīng)變換、處理到達系統(tǒng)的給定量端（輸入）。若是從系統(tǒng)輸出端到系統(tǒng)輸入端，這種反饋稱為主反饋；而其他反饋稱為局部反饋。 前向通道： 是從系統(tǒng)的給定量端（輸入）到被控量端（輸出）所經(jīng)過的通路。 偏差： 是給定量與反饋量之差。 誤差： 是系統(tǒng)輸出量的實際值與期望值之差。系統(tǒng)期望值是理想化系統(tǒng)的輸出，實際中

10、很難達到。在單位反饋情況下，期望值就是系統(tǒng)的給定量，則誤差就等于偏差。 系統(tǒng)： 是一些部件的組合，能完成一定的任務。系統(tǒng)的概念可以應用于抽象的動態(tài)現(xiàn)象。1.3 自動控制系統(tǒng)的分類自動控制系統(tǒng)的分類按系統(tǒng)結構分類按系統(tǒng)輸入信號分類 按系統(tǒng)數(shù)學模型分類 按系統(tǒng)參數(shù)特性分類按系統(tǒng)時間變量特性分類其他分類方法1.按系統(tǒng)結構分類按系統(tǒng)結構分類（1）開環(huán)控制系統(tǒng)工作原理：在控制器和被控對象之間只有正向控制而沒有反饋控制，即系統(tǒng)的輸出量對控制量沒有影響。 圖1-2 開環(huán)控制系統(tǒng)原理框圖一.開環(huán)控制(a) 原理圖原理圖溫度計溫度計 加熱電阻絲加熱電阻絲u220Vk 輸入量 控制裝置 被控對象 輸出量術語 (電

11、源電源 )輸出量輸出量輸入量輸入量 開關開關 加熱加熱 電阻絲電阻絲 電爐電爐 恒溫箱恒溫箱 受控對象受控對象( (溫度溫度) )擾動量擾動量控制裝置控制裝置(b) 方塊圖方塊圖擾動擾動輸出量輸出量輸入量輸入量控制裝置控制裝置受控對象受控對象開環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖開環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖 溫度計溫度計 加熱電 阻加熱電 阻絲絲u 2 2 0Vk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. . 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。 u

12、- tt？溫度計溫度計 加熱電 阻加熱電 阻絲絲u 2 2 0Vk控制器被控制對象給定值輸出量 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遞。一定的給按給定值操縱。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)的控制精度取決于系統(tǒng)事先的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)的變化無調整精度。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。結構簡單，成本低廉，多用于系統(tǒng)結構參數(shù)穩(wěn)法自動補償。結構簡單，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定和擾動信號較弱的場合. .給定電壓給定電位器直

13、流電動機DVR功率放大器V生產(chǎn)機構n(2)閉環(huán)控制系統(tǒng)工作原理：根據(jù)被控量的反饋信息，即實際輸出量，來修正控制裝置對被控對象的控制作用，實現(xiàn)控制任務。圖1-3 閉環(huán)控制系統(tǒng)原理框圖給定電壓給定電位器+_控制器功率放大器直流電動機測速發(fā)電機DnCRVV控制過程：控制過程：給 定 電 壓給定電位器+_控 制 器功 率 放 大 器直 流 電 動 機測 速 發(fā) 電 機DnCRVV控制任務：保持工作機械恒速運行控制任務：保持工作機械恒速運行. . n uf u ua n 反饋元件控制器控制對象擾動量反饋量控制量輸出量誤差輸入量輸入量輸入量輸出量輸出量閉環(huán)控制閉環(huán)控制典型方框圖典型方框圖擾動擾動輸出影響輸

14、入，所以能削弱或抑制干擾；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)；低精度元件可組成高精度系統(tǒng)；因為可能發(fā)生超調，振蕩，所以穩(wěn)定性很重要。因為可能發(fā)生超調，振蕩，所以穩(wěn)定性很重要。 特點特點：控制器控制器被控制被控制對象對象 三三. 開環(huán)控制與反饋控制的比較開環(huán)控制與反饋控制的比較 反饋單元控制單元控制對象 tb1G2G給定信號 tr誤差 te控制量 tu擾動 tn輸出 tyH 主反饋主反饋 與輸出成正比或某種函數(shù)關系，但量綱與給定信號相同；與輸出成正比或某種函數(shù)關系，但量綱與給定信號相同；偏偏 差差 給定信號與給定信號與主反饋主反饋信號之差的信號；信號之差的信號；控制單

15、元控制單元接受偏差信號，通過轉換與運算，產(chǎn)生期望的控制量；接受偏差信號，通過轉換與運算，產(chǎn)生期望的控制量；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量綱的信號；檢測輸出信號并轉換與給定輸入信號相同量綱的信號；輸出量輸出量 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)re=r-b b(c)c引出點引出點cc 方框圖的組成：方框圖的組成：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) 調節(jié)器調節(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

16、)反饋信號反饋信號 控制量控制量 擾動擾動 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) 盡管控制系統(tǒng)不同，復雜各異，但基本組成是類同的，即閉環(huán)系統(tǒng)的基本組成盡管控制系統(tǒng)不同，復雜各異，但基本組成是類同的，即閉環(huán)系統(tǒng)的基本組成為：為：(1)(1)比較元件；比較元件；(2)(2)放大元件；放大元件；(3)(3)執(zhí)行元件；執(zhí)行元件；(4)(4)校正元件；校正元件；(5)(5)被控對象；被控對象；(6)(6)測量元件。測量元件。放大整形串聯(lián)校正變換放大執(zhí)行元件被控對象測量元件( )R s( )C s并聯(lián)校正-(3)復

17、合控制系統(tǒng)工作原理：閉環(huán)控制與開環(huán)控制相結合的一種自動控制系統(tǒng)。在閉環(huán)控制的基礎上，附加一個正饋通道，對干擾信號進行補償，以達到精確的控制效果。 圖1-4 復合控制系統(tǒng)原理框圖2.按系統(tǒng)輸入信號分類按系統(tǒng)輸入信號分類（1）恒值控制系統(tǒng) 系統(tǒng)的輸入信號是某一恒定的常值，要求系統(tǒng)能夠克服干擾的影響，使輸出量在這一常值附近微小變化。 舉例：連續(xù)生產(chǎn)過程中的恒溫、恒壓、恒速等自動控制系統(tǒng)。 （2）程序控制系統(tǒng) 系統(tǒng)的輸入信號是某一已知的時間函數(shù)（不是常數(shù)），要求系統(tǒng)按照該時間函數(shù)進行順序操作。舉例：數(shù)控機床按給定程序加工一個工件、家用洗衣機等。 （3）隨動控制系統(tǒng)（或稱伺服控制系統(tǒng)） 系統(tǒng)的輸入信號是

18、一個未知的隨時間任意變化的函數(shù)，要求輸出量能夠精確地跟隨輸入信號變化，稱為隨動控制系統(tǒng)。 隨動控制系統(tǒng)中的被控量是機械位置或其導數(shù)時，稱為伺服控制系統(tǒng)。 舉例：導彈自動跟蹤系統(tǒng)等。 3.按系統(tǒng)數(shù)學模型分類按系統(tǒng)數(shù)學模型分類 （1）線性系統(tǒng) 系統(tǒng)的運動規(guī)律可以用一個或一組線性微分方程來描述。 線性系統(tǒng)的運動方程一般形式為式中，為輸入量； 為輸出量。( )(1)(1)()(1)(1)011011nnmmnnmma ya yaya yb rbrbrb rry線性系統(tǒng)的兩個重要特性 疊加性：當同時存在幾個輸入量時，線性系統(tǒng)的輸出量等于各輸入量單獨作用時所產(chǎn)生的輸出量之和。即若當系統(tǒng)的輸入分別為 和 時

19、，對應的輸出分別為 和 ，則當 和 同時作用時，輸出量為 。齊次性：當輸入量增大或縮小 ( 為實數(shù))倍時，線性系統(tǒng)的輸出量也增大或縮小相同倍數(shù)。即若系統(tǒng)的輸入為 時，對應的輸出為 ，則當輸入量為 時，輸出量為 。1( )r t2( )r t1( )y t2( )y t1( )r t2( )r t12( )( )y ty t( )r t( )y t( )Kr t( )Ky t（2）非線性系統(tǒng) 特點：系統(tǒng)某一環(huán)節(jié)具有非線性特性，不滿足疊加原理。 典型的非線性特性：繼電器特性、死區(qū)特性、飽和特性、間隙特性等。 圖1-5 典型的非線性特性4. 按系統(tǒng)參數(shù)特性分類按系統(tǒng)參數(shù)特性分類（1）定常系統(tǒng)系統(tǒng)參數(shù)

20、在系統(tǒng)運行過程中相對于時間是不變的。 舉例：許多物理系統(tǒng)在所觀察的時間范圍內，可以認為參數(shù)是定常的，它的微小變化可以忽略不計。 （2）時變系統(tǒng)系統(tǒng)中的參數(shù)是時間的函數(shù)。 舉例：在工程上的大部分系統(tǒng)屬于這類系統(tǒng)。 5.按系統(tǒng)時間變量特性分類按系統(tǒng)時間變量特性分類 （1）連續(xù)時間系統(tǒng) 控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的輸入量和輸出量均為時間的連續(xù)函數(shù)。舉例：工業(yè)生產(chǎn)中普遍采用的常規(guī)儀表控制系統(tǒng)。（2）離散時間系統(tǒng)控制系統(tǒng)中有一處或一處以上的信號是脈沖序列或數(shù)字編碼 ，又稱為采樣控制系統(tǒng)。 圖1-6 采樣控制系統(tǒng)方框圖隨著數(shù)字計算機技術的飛速發(fā)展，計算機作為控制器已經(jīng)廣泛引入控制系統(tǒng)中。計算機控制系統(tǒng)就是通過A/D轉

21、換器，將采樣信號轉換為數(shù)字信號進行運算、處理，得到的結果再經(jīng)過D/A轉換器轉換為模擬信號，用以驅動執(zhí)行機構。 圖1-7 計算機控制系統(tǒng)方框圖.其他分類方法其他分類方法按控制系統(tǒng)的輸入、輸出數(shù)量分類，有單輸入單輸出系統(tǒng)和多輸入多輸出系統(tǒng)；按控制系統(tǒng)的功能分類，有溫度控制系統(tǒng)、位置控制系統(tǒng)、速度控制系統(tǒng)等；按組成系統(tǒng)的部件分類，有機械系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等；按控制理論分類，有PID控制系統(tǒng)、最優(yōu)控制系統(tǒng)、預測控制系統(tǒng)、模糊控制系統(tǒng)等。 穩(wěn)定性穩(wěn)定性 被控制信號能跟蹤已變化的輸入信號，從一種狀態(tài)到另一種狀態(tài)，如果被控制信號能跟蹤已變化的輸入信號，從一種狀態(tài)到另一種狀態(tài)，如果能做到，我們就認為該系

22、統(tǒng)是穩(wěn)定的，這是對反饋控制系統(tǒng)提出的最基本要能做到，我們就認為該系統(tǒng)是穩(wěn)定的，這是對反饋控制系統(tǒng)提出的最基本要求。求。 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，但如果目標變動穩(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。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)輸出與參考輸入所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，這種誤差越小，表示系統(tǒng)的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。輸出跟隨參考輸入的精度越高。. .穩(wěn)定性：是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。穩(wěn)定性：是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。. .快速性：動態(tài)性能，有指標?？?/p>