自動控制原理課件第1章

1、第一章緒 論 第一章第一章 緒緒 論論 1.1 自動控制系統(tǒng)簡介自動控制系統(tǒng)簡介 1.2 自動控制系統(tǒng)分類自動控制系統(tǒng)分類 1.3 自動控制理論的發(fā)展歷史自動控制理論的發(fā)展歷史 1.4 工程控制問題的基本要求工程控制問題的基本要求 小結(jié)小結(jié) 第一章緒 論 1.1 自動控制系統(tǒng)簡介自動控制系統(tǒng)簡介 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。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)。能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制

2、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?？梢酝ㄟ^一個實例來說明有關(guān)自動控制與自動控制系統(tǒng)的基本概念。 第一章緒 論 圖1-1表示采用空調(diào)器的室內(nèi)溫度控制系統(tǒng)的元件框圖。 圖中方塊表示元部件, 方框之間的有向線段代表信號(或變量)及其傳遞方向。 室內(nèi)溫度是要被控制的物理量, 它由空調(diào)器直接控制。電位器的輸入電壓r代表設(shè)定的室內(nèi)溫度。實際溫度c由熱敏電阻組成的溫度傳感器檢測并轉(zhuǎn)換成電壓y。電子放大器的輸出電壓e代表設(shè)定溫度與實際溫度之差。當(dāng)這個溫度差大于某個規(guī)定值時, 空調(diào)器開始運行, 縮小室內(nèi)溫度與設(shè)定溫度之間的差值。一旦室內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定值后, 放大器輸出電壓e使空調(diào)斷電而停

3、止運行。于是室內(nèi)溫度就被控制在設(shè)定值的附近。 第一章緒 論 圖 1 - 1 室溫控制系統(tǒng)元件框圖 空調(diào)器室內(nèi)空氣等e熱敏電阻y熱傳導(dǎo)rc第一章緒 論 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。這個“過程”的含義是廣泛的, 它包括化學(xué)反應(yīng)過程、核反應(yīng)過程、 熱傳導(dǎo)過程、工業(yè)生產(chǎn)調(diào)度過程等等。另外, 控制對象還可以屬于生物領(lǐng)域、社會經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域等其他領(lǐng)域。對控制對象產(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。 在控制系統(tǒng)中被控制的物理量是被控變量。直接改變被控變量的元件稱為執(zhí)行元件。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

4、。在圖1 - 1中, 室內(nèi)的空氣就是被控對象, 室內(nèi)溫度是被控變量, 空調(diào)器是執(zhí)行元件, 放大器是控制器, 熱敏電阻屬于傳感器或測量元件。按照各元件的不同功能可以將圖1 - 1抽象為如圖1 - 2所示的功能框圖。 第一章緒 論 圖 1 - 2 室溫控制系統(tǒng)功能框圖 參考輸入元件控制器執(zhí)行元件控制對象擾動信號c被控變量輸出信號測量元件r指令輸入ey第一章緒 論 由外部加到系統(tǒng)中的變量稱為輸入信號, 它不受系統(tǒng)中其他變量的影響和控制。由系統(tǒng)或元件產(chǎn)生的變量稱為輸出信號, 其中最受關(guān)注的輸出信號又稱為被控變量。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)?？刂破鞯妮敵鲂盘柗Q為控制變量, 它作

5、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。 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。 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。代表指令輸入信號與反饋信號進(jìn)行比較的基準(zhǔn)信號稱為參考輸入信號。 參考輸入信號與反饋信號之差稱為偏差信號。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。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。 第一章緒 論 在圖1 - 1和圖1 - 2表示的室溫控制系統(tǒng)中, 室內(nèi)溫度的設(shè)定值就是給定值, 或稱為指令輸入。室內(nèi)的實際溫度c就是被控

6、變量, 也是系統(tǒng)的輸出信號。電位器的輸出電壓r是參考輸入信號,熱敏電阻即溫度傳感器的輸出信號y是反饋信號, e=r-y稱為偏差信號。 放大器(控制器)的輸出信號e也就是加到空調(diào)器上的信號, 它就是控制變量。電位器是參考輸入元件, 它將設(shè)定的溫度轉(zhuǎn)換為電壓。周圍環(huán)境溫度的變化及房間散熱條件的變化等都屬于擾動信號。 第一章緒 論 1.2 自動控制系統(tǒng)分類自動控制系統(tǒng)分類 1.2.1 開環(huán)控制和閉環(huán)控制開環(huán)控制和閉環(huán)控制 按照控制方式和策略, 系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)兩大類。 開環(huán)控制系統(tǒng)是一種最簡單的控制系統(tǒng), 在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

7、響, 如圖1 - 3所示。在該類控制系統(tǒng)中, 對于每一個輸入量, 就有一個與之對應(yīng)的工作狀態(tài)和輸出量, 系統(tǒng)的精度僅取決于元器件的精度和執(zhí)行機構(gòu)的調(diào)整精度。這類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單, 成本低, 容易控制, 但控制精度低。因為如果在控制器或控制對象上存在干擾, 或者由于控制元器件老化, 控制對象結(jié)構(gòu)或參數(shù)因工作環(huán)境而發(fā)生變化, 均會導(dǎo)致系統(tǒng)輸出的不穩(wěn)定, 使輸出值偏離預(yù)期值。 因此, 開環(huán)控制系統(tǒng)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。 第一章緒 論 圖 1 - 3 開環(huán)控制系統(tǒng) 控 制 器控 制 對 象控 制 量輸 出 量輸 入 量第一章緒 論 另外, 如果系統(tǒng)的給定輸入與被控量之間的

8、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。 閉環(huán)控制系統(tǒng)指的是系統(tǒng)輸出量對控制作用有直接影響的一類控制系統(tǒng)。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中, 需要對系統(tǒng)輸出不斷地進(jìn)行測量、變換并反饋到系統(tǒng)的控制端與參考輸入信號進(jìn)行比較,產(chǎn)生偏差信號, 實現(xiàn)按偏差控制。 因此閉環(huán)控制又稱為反饋控制, 其控制結(jié)構(gòu)如圖1 - 4所示。 在這樣的結(jié)構(gòu)下, 系統(tǒng)的控制器和控制對象共同構(gòu)成了前向通道, 而反饋裝置構(gòu)成了系統(tǒng)的反饋通道。 第一章緒 論 圖 1 - 4 閉環(huán)控制系統(tǒng) 控 制 器反 饋 裝 置偏 差 量控 制 量控 制 對 象輸 出

9、 量輸 入 量第一章緒 論 在控制系統(tǒng)中, 反饋的概念非常重要。在圖1-4中, 如果將反饋環(huán)節(jié)取得的實際輸出信號加以處理, 并在輸入信號中減去這個反饋量, 再將結(jié)果輸入到控制器中去控制被控對象, 這樣的反饋稱為負(fù)反饋; 反之, 若由輸入量與反饋量相加作為控制器的輸入, 則稱為正反饋。在一個實際的控制系統(tǒng)中, 具有正反饋形式的系統(tǒng)一般是不能改進(jìn)系統(tǒng)性能的, 而且容易使系統(tǒng)性能變壞, 因此不被采用; 而具有負(fù)反饋形式的系統(tǒng), 它通過自動修正偏離量, 使系統(tǒng)輸出趨于給定值, 并能抑制系統(tǒng)回路中存在的內(nèi)擾和外擾的影響, 最終達(dá)到自動控制的目的。通常而言, 反饋控制就是指負(fù)反饋控制。 第一章緒 論 與開

10、環(huán)控制系統(tǒng)相比, 閉環(huán)控制系統(tǒng)的最大特點是檢測偏差、 糾正偏差。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上看, 閉環(huán)系統(tǒng)具有反向通道, 即反饋; 從功能上看, 閉環(huán)系統(tǒng)具有如下特點: (1) 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(dá)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。 (2) 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。 (3) 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。 雖然在實際系統(tǒng)中, 反饋控制系統(tǒng)的形式是多樣的, 但一般均可化為圖1 - 4的形式。 第一章緒 論 1.2.2 線性控制系統(tǒng)和非線性

11、控制系統(tǒng)線性控制系統(tǒng)和非線性控制系統(tǒng) 按照系統(tǒng)是否滿足疊加原理, 系統(tǒng)可分為線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)兩類。 在線性控制系統(tǒng)中, 組成控制系統(tǒng)的元件都具有線性特性。 這種系統(tǒng)的輸入/輸出關(guān)系一般可以用微分方程、差分方程或傳遞函數(shù)等來描述, 也可以用狀態(tài)空間表達(dá)式來表示。線性系統(tǒng)的主要特點是具有齊次性和適用疊加原理。 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)。 本書主要討論線性定常系統(tǒng)。 第一章緒 論 在控制系統(tǒng)中, 若至少有一個元件具有非線性特性, 則稱該系統(tǒng)為非線性控制系統(tǒng)。非線性系統(tǒng)一般不具有齊次性, 也不適用疊加原理, 而且它的輸出響應(yīng)和穩(wěn)定性與輸入信號和

12、初始狀態(tài)有很大關(guān)系。非線性系統(tǒng)也有時變系統(tǒng)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, 因為所用的物理系統(tǒng)和元件在不同程度上都具有非線性特性。但為了簡化對系統(tǒng)的分析和設(shè)計, 在一定的條件下, 可以用分析線性系統(tǒng)的理論和方法對它進(jìn)行研究。 第一章緒 論 1.2.3 定值控制系統(tǒng)、定值控制系統(tǒng)、 伺服系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)伺服系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng) 按照輸入信號分類, 控制系統(tǒng)可分為定值控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。 定值控制系統(tǒng)的輸入信號是恒值, 要求被控變量保持相對應(yīng)的數(shù)值不變。室溫控制系統(tǒng)、直流電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)、發(fā)電廠的電壓頻率控制系統(tǒng)、高精度穩(wěn)壓電源裝置中的電壓控制系

13、統(tǒng)等都是典型的定值控制系統(tǒng)。 第一章緒 論 伺服系統(tǒng)的輸入信號是變化規(guī)律未知的任意時間函數(shù), 系統(tǒng)的任務(wù)是使被控變量按照同樣規(guī)律變化并與輸入信號的誤差保持在規(guī)定的范圍內(nèi)。導(dǎo)彈發(fā)射架控制系統(tǒng)、 雷達(dá)天線控制系統(tǒng)等都是典型的伺服控制系統(tǒng)。當(dāng)被控量為位置或角度時, 伺服系統(tǒng)又稱為隨動系統(tǒng)。 程序控制系統(tǒng)中的輸入信號是按已知的規(guī)律(事先規(guī)定的程序)變化的, 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。 熱處理爐的溫控系統(tǒng)、機床的數(shù)控加工系統(tǒng)和仿形控制系統(tǒng)等都是典型的程序控制系統(tǒng)。 第一章緒 論 1.2.4 連續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng)連續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)中各部分的信號若

14、都是時間t的連續(xù)函數(shù), 則稱這類系統(tǒng)為連續(xù)控制系統(tǒng)。在控制系統(tǒng)各部分的信號中只要有一個是時間t的離散信號, 則稱這類系統(tǒng)為離散控制系統(tǒng)。離散模型是計算機控制的最主要模型。 應(yīng)當(dāng)指出的是, 上述的分類方法只是常見的分類方法, 此外還有其他的分類方法。比如集總參數(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)、單輸入/輸出系統(tǒng)和多輸入/輸出系統(tǒng)、 時變和非時變系統(tǒng)、有靜差和無靜差系統(tǒng)等等。 第一章緒 論 1.3 自動控制理論的發(fā)展歷史自動控制理論的發(fā)展歷史 自動控制是一門年輕學(xué)科, 從1945年開始形成。這以前, 是自動控制理論的胚胎與萌芽時期。 在這一時期, 我國具有杰出的成就。中國是世界文明最早

15、的發(fā)達(dá)國家之一。 天文學(xué)等有關(guān)領(lǐng)域的需要產(chǎn)生了自動裝置。 三千年前發(fā)明了自動計時的“銅壺滴洞”裝置; 公元前2世紀(jì)發(fā)明了用來模擬天體運動和研究天體運動規(guī)律的“渾天儀”; 兩千一百年前研制出指南車; 公元132年產(chǎn)生了世界上第一架自動測量地震的“地動儀”; 公元3世紀(jì)發(fā)明了自動記錄里數(shù)的“記里鼓車”。 第一章緒 論 工業(yè)生產(chǎn)和軍事技術(shù)的需要, 促進(jìn)了經(jīng)典自動控制理論和技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展。18世紀(jì)歐洲產(chǎn)業(yè)革命后, 由于生產(chǎn)力的發(fā)展, 蒸汽機被廣泛用作原動力。為使工作更完善(解決不易控制問題), 1765年俄國機械師波爾組諾夫發(fā)明了蒸汽機鍋爐水位調(diào)節(jié)器, 1784年英國人瓦特發(fā)明了蒸汽機離心式調(diào)速器。

16、在蒸汽機控制中, 人們總希望轉(zhuǎn)速恒定, 因此判定穩(wěn)定、設(shè)計穩(wěn)定可靠的調(diào)節(jié)器成為重要課題。1877年勞斯(Routh)和赫爾維茨(Hurwitz)提出判定系統(tǒng)穩(wěn)定的判據(jù)。19世紀(jì)前半期, 生產(chǎn)中開始利用發(fā)電機和電動機, 這促進(jìn)了水利發(fā)展, 出現(xiàn)了水電站遙控、 簡單程序控制、電壓和電流的自動調(diào)整等技術(shù)。19世紀(jì)末到20世紀(jì)前半期, 由于內(nèi)燃機的應(yīng)用, 促進(jìn)了船舶、汽車、飛機制造業(yè)及石油工業(yè)的發(fā)展, 同時對自動化又提出了新的要求, 由此相應(yīng)產(chǎn)生了伺服控制、過程控制等技術(shù)。 二次世界大戰(zhàn)中, 為了生產(chǎn)和設(shè)計飛機、雷達(dá)和火炮上的各種伺服機構(gòu), 需要把過去的自動調(diào)節(jié)技術(shù)和反饋放大器技術(shù)進(jìn)行總結(jié), 于是搭起

17、了經(jīng)典控制理論的框架, 戰(zhàn)后這些理論被公開, 并用于一般工業(yè)生產(chǎn)控制中。 第一章緒 論 經(jīng)典控制理論期(20世紀(jì)4060年代1945年美國人波德(Bode)寫了“網(wǎng)絡(luò)分析和反饋放大器設(shè)計”一文, 奠定了經(jīng)典控制理論基礎(chǔ), 在西方國家開始形成了自動控制學(xué)科; 1947年美國出版了第一本自動控制教材“伺服機件原理”; 1948年美國麻省理工學(xué)院出版了另一本“伺服機件原理”教材, 建立了現(xiàn)在廣泛使用的頻率法。20世紀(jì)50年代是經(jīng)典控制理論發(fā)展和成熟的時期。主要內(nèi)容為頻率法(拉氏變換及Z變換)、根軌跡法、相平面法、描述函數(shù)法、穩(wěn)定性的代數(shù)判據(jù)和幾何判據(jù)、校正網(wǎng)絡(luò)等, 這些理論基本解決了單輸入單輸出自動

18、控制系統(tǒng)的有關(guān)問題。 第一章緒 論 現(xiàn)代控制理論期(20世紀(jì)60年代中期成熟) 空間技術(shù)的需要和電子計算機的應(yīng)用, 推動了現(xiàn)代控制理論和技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展。 20世紀(jì)50年代末60年代初, 空間技術(shù)的發(fā)展迫切要求對多輸入/多輸出、高精度、參數(shù)時變系統(tǒng)進(jìn)行分析與設(shè)計, 這是經(jīng)典控制理論無法有效解決的問題, 于是出現(xiàn)了新的自動控制理論, 稱為“現(xiàn)代控制理論”。1960年卡爾曼(Kalman)發(fā)表了“控制系統(tǒng)的一般理論”, 1961年又與Bush發(fā)表了“線性過濾和預(yù)測問題的新結(jié)果”。西方國家公認(rèn)卡爾曼奠定了現(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)。他的工作是控制論創(chuàng)始人維納(Wiener)工作的發(fā)展, 主要引進(jìn)了數(shù)學(xué)計算方

19、法中的“校正”概念?，F(xiàn)代控制理論的主要內(nèi)容為: 狀態(tài)空間法、系統(tǒng)辨識、最佳估計、最優(yōu)控制和自適應(yīng)控制。 第一章緒 論 大系統(tǒng)理論和智能控制理論大系統(tǒng)理論和智能控制理論 這一理論是20世紀(jì)70年代后, 控制理論向廣度和深度發(fā)展的結(jié)果。大系統(tǒng)是指規(guī)模龐大、 結(jié)構(gòu)復(fù)雜、變量眾多的信息與控制系統(tǒng), 它涉及生產(chǎn)過程、 交通運輸、計劃管理、環(huán)境保護(hù)、空間技術(shù)等多方面的控制和信息處理問題。 而智能控制系統(tǒng)是具有某些仿人智能的工程控制與信息處理系統(tǒng), 其中最典型的例子就是智能機器人。 第一章緒 論 1.4 工程控制問題的基本要求工程控制問題的基本要求 1. 穩(wěn)定性穩(wěn)定性 穩(wěn)定性是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件, 是控制系統(tǒng)的重要特性。 所謂穩(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。在擾動信號的干擾、系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)發(fā)生變化和環(huán)境