第1章自動控制原理的一般概念

1、1自動化教研室?guī)熡駥毲嗪４髮W(xué)化工學(xué)院第一章 自動控制的一般概念 內(nèi)容：內(nèi)容：z1-1 自動控制的基本原理與方式z1-2 自動控制系統(tǒng)示例z1-3 自動控制系統(tǒng)的分類z1-4 對自動控制系統(tǒng)的基本要求 本章重點(diǎn)和難點(diǎn)知識本章重點(diǎn)和難點(diǎn)知識z重點(diǎn)：自動控制的基本概念、基本控制方式與特點(diǎn)、系統(tǒng)性能要求。z難點(diǎn)：負(fù)反饋控制原理，系統(tǒng)工作原理圖的理解與方塊圖(結(jié)構(gòu)圖)的繪制。 1.1.概述概述 (1)技術(shù)及應(yīng)用 自動控制自動控制: :指無人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置(控制裝置),使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程的某個(gè)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(yùn)行。1-1自動控制的基本原理與方式自動

2、控制系統(tǒng)實(shí)例演示自動控制系統(tǒng)實(shí)例演示（2）控制理論的發(fā)展z 人類對控制系統(tǒng)的基本原理（反饋）早有認(rèn)識，并利用它創(chuàng)造人類對控制系統(tǒng)的基本原理（反饋）早有認(rèn)識，并利用它創(chuàng)造許多裝置。如許多裝置。如2000年前，羅馬人：水位控制系統(tǒng)（淋浴）年前，羅馬人：水位控制系統(tǒng)（淋?。?，神廟（開關(guān)門）英雄裝置。中國能工巧匠：蘇頌的水運(yùn)儀象臺，神廟（開關(guān)門）英雄裝置。中國能工巧匠：蘇頌的水運(yùn)儀象臺，張衡的地震方向測定儀。張衡的地震方向測定儀。z 1786年年，James Watt 為控制蒸汽機(jī)速度設(shè)計(jì)的離心調(diào)節(jié)器，為控制蒸汽機(jī)速度設(shè)計(jì)的離心調(diào)節(jié)器，是自動控制領(lǐng)域的第一項(xiàng)重大成果。是自動控制領(lǐng)域的第一項(xiàng)重大成果。

3、z 1868年，英國年，英國J.C 麥克斯韋首先解釋了瓦特速度控制系統(tǒng)中麥克斯韋首先解釋了瓦特速度控制系統(tǒng)中出現(xiàn)的不穩(wěn)定問題（發(fā)表了出現(xiàn)的不穩(wěn)定問題（發(fā)表了論調(diào)速器論調(diào)速器一文）。一文）。1877年年 勞勞斯斯 ，1892年李雅普諾夫證明了從系統(tǒng)的微分方程確定系統(tǒng)的年李雅普諾夫證明了從系統(tǒng)的微分方程確定系統(tǒng)的穩(wěn)定性的方法。穩(wěn)定性的方法。 z 赫茲用頻域法研究了反饋原理的頻率特性。赫茲用頻域法研究了反饋原理的頻率特性。 接著的接著的1932年，年，Nyquist提出了一種根據(jù)系統(tǒng)的開環(huán)頻率響應(yīng)提出了一種根據(jù)系統(tǒng)的開環(huán)頻率響應(yīng)(對穩(wěn)態(tài)正弦輸對穩(wěn)態(tài)正弦輸入入)，確定閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法。，確定閉環(huán)系

4、統(tǒng)穩(wěn)定性的方法。v20世紀(jì)世紀(jì)40年代，頻率響應(yīng)法為閉環(huán)控制系統(tǒng)提供了一種可行方年代，頻率響應(yīng)法為閉環(huán)控制系統(tǒng)提供了一種可行方法，法，Evans提出并完善了根軌跡法。提出并完善了根軌跡法。v1948年，美國數(shù)學(xué)家年，美國數(shù)學(xué)家N.Wiener出版出版Cybernetics是一個(gè)是一個(gè)控制科學(xué)里程碑。控制科學(xué)里程碑。控制論控制論的副標(biāo)題是關(guān)于人、動物及其通的副標(biāo)題是關(guān)于人、動物及其通訊的科學(xué)。訊的科學(xué)。v20世紀(jì)世紀(jì)50年代末，我國著名科學(xué)家錢學(xué)森將前者理論進(jìn)行了系年代末，我國著名科學(xué)家錢學(xué)森將前者理論進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)，編著了有名的工程控制論一書，建立了經(jīng)典控制統(tǒng)總結(jié)，編著了有名的工程控制論一書，

5、建立了經(jīng)典控制理論。理論。v19世紀(jì)世紀(jì)60年代，數(shù)字計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)為復(fù)雜系統(tǒng)的基于時(shí)域分析年代，數(shù)字計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)為復(fù)雜系統(tǒng)的基于時(shí)域分析的現(xiàn)代控制理論提供了可能。的現(xiàn)代控制理論提供了可能。v從從19601980，確定性系統(tǒng)、隨機(jī)系統(tǒng)的最佳控制，及復(fù)雜系，確定性系統(tǒng)、隨機(jī)系統(tǒng)的最佳控制，及復(fù)雜系統(tǒng)的自適應(yīng)和學(xué)習(xí)控制，都得到充分的研究。統(tǒng)的自適應(yīng)和學(xué)習(xí)控制，都得到充分的研究。v從從1980現(xiàn)在，智能控制理論集中于現(xiàn)在，智能控制理論集中于3C控制系統(tǒng)及其相關(guān)課控制系統(tǒng)及其相關(guān)課題題,即即通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)（通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)（Communication，Computer，Co

6、ntrol）z 古典（經(jīng)典）控制理論古典（經(jīng)典）控制理論 自動控制原理（理論）自動控制原理（理論） （17871960） 以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)研究單以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)研究單輸入單輸出定常控制系輸入單輸出定?？刂葡到y(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問題。這統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問題。這些理論由于其發(fā)展較早，些理論由于其發(fā)展較早，現(xiàn)已日臻成熟。現(xiàn)已日臻成熟。z 現(xiàn)代（近代）控制理論現(xiàn)代（近代）控制理論 （19601980） 以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究多輸入多輸出控制系統(tǒng)的多輸入多輸出控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問題。系統(tǒng)具有分析與設(shè)計(jì)問題。系統(tǒng)具有高精度和高效能的特點(diǎn)。高精度和高效能的特點(diǎn)。 最優(yōu)控制最優(yōu)控制 、自適

7、應(yīng)控制、自適應(yīng)控制 計(jì)算機(jī)控制、系統(tǒng)辨識計(jì)算機(jī)控制、系統(tǒng)辨識v智能控制理論（智能控制理論（1980） 以人工智能為基礎(chǔ)，研究復(fù)雜對象（車間、工廠、集以人工智能為基礎(chǔ)，研究復(fù)雜對象（車間、工廠、集團(tuán)）、復(fù)雜任務(wù)、復(fù)雜環(huán)境。團(tuán)）、復(fù)雜任務(wù)、復(fù)雜環(huán)境。 管理和控制一體化管理和控制一體化:計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，復(fù)雜控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，復(fù)雜控制系統(tǒng)發(fā)展階段歸納（個(gè)人理解）：發(fā)展階段歸納（個(gè)人理解）：v萌芽萌芽( (產(chǎn)生產(chǎn)生) )時(shí)期（一戰(zhàn)前夕）時(shí)期（一戰(zhàn)前夕）v經(jīng)典理論完善時(shí)期（二戰(zhàn)前夕）經(jīng)典理論完善時(shí)期（二戰(zhàn)前夕）v經(jīng)典控制理論確定時(shí)期（二戰(zhàn)期間）經(jīng)典控制理論確定時(shí)期（二戰(zhàn)期間）v控制理論發(fā)展時(shí)

8、期（二戰(zhàn)后五十年代以后）控制理論發(fā)展時(shí)期（二戰(zhàn)后五十年代以后）傳統(tǒng)控制技術(shù)lPID控制 簡而優(yōu)秀智能控制技術(shù) l90年代開始發(fā)展l專家系統(tǒng) 身邊的專家l模糊控制 其實(shí)我很清楚l預(yù)測控制 未卜先知l最優(yōu)控制 沒有更好只有最好l自適應(yīng)控制 以變制變l魯棒控制 以靜制動2.控制與系統(tǒng)控制與系統(tǒng)(1)控制:工程上的“控制”是指有目的的操作，其目的使被控量按照人們希望的規(guī)律變化。如汽車、飛機(jī)、輪船等的操作。分為人工控制和自動控制。例如：水箱液位控制問題眼手腦水位測量與變送執(zhí)行器控制器給定水位控制工作原理 人工控制：眼、腦、手、水箱+閥門人腦手水箱系統(tǒng)眼h自動控制：傳感器、控制器、執(zhí)行器、水箱+閥門控制器

9、執(zhí)行器水箱系統(tǒng)傳感器h（2）系統(tǒng)系統(tǒng)：工程上的系統(tǒng)是指由若干部件組成的具有某種特定功能且可以完成規(guī)定任務(wù)的整套裝置。 如鍋爐-汽輪機(jī)-發(fā)電機(jī)三套設(shè)備組成一個(gè)發(fā)電系統(tǒng)。自動控制系統(tǒng)：把控制對象與控制裝置按照一定方式連接起來組成的系統(tǒng)z反饋：將輸出量通過一定的方式送回到輸入端，并與輸入信號比較產(chǎn)生偏差信號的過程稱為反饋z負(fù)反饋：輸入信號反饋信號（輸出信號） 輸出偏差減小（減弱輸入信號）z正反饋：輸入信號+反饋信號（增強(qiáng)輸入信號）3.反饋控制原理反饋控制原理控制器執(zhí)行器水箱系統(tǒng)傳感器hz自動控制原理：實(shí)際就是反饋控制或閉環(huán) 控制的原理。z反饋控制原理：將輸出信號反饋回輸入端與輸入信號進(jìn)行疊加或比較的

10、結(jié)果提供給系統(tǒng)進(jìn)行控制的原理。z反饋控制的實(shí)質(zhì)：依據(jù)偏差進(jìn)行控制4.4.反饋控制系統(tǒng)的基本組成反饋控制系統(tǒng)的基本組成z反饋控制系統(tǒng)：由被控對象、控制裝置組成。z控制裝置：由具有一定職能的各種基本元件（部件） 組 成。z控制裝置的基本環(huán)節(jié)有：測量變送環(huán)節(jié)、控制環(huán)節(jié)（一般包含給定元件、比較元件、放大元件及控制元件等）和執(zhí)行環(huán)節(jié)。測量、變送器控制器執(zhí)行器被控對象其簡單系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如下：-RCG1G2G3G4H3H1H2-N一些基本概念z前向通路：從輸入端沿箭頭方向到輸出端的傳輸通路z主反饋通路：輸出經(jīng)過測量元件到達(dá)輸入端的通路z主回路：前向通路+主反饋通路z單回路系統(tǒng)、多回路系統(tǒng)z反饋控制系統(tǒng)受到的

11、外部作用z參考（有用）輸入：決定系統(tǒng)被控量的變化規(guī)律z擾動：系統(tǒng)外部擾動、系統(tǒng)內(nèi)部擾動z 被控對象：簡稱對象。即具體的機(jī)器或設(shè)備，如刀架、烘爐、電機(jī)等。z 被控量：表征被控對象工作狀態(tài)的物理量，即電壓、爐溫、液位等。z 給定值（參考輸入）：在整個(gè)過程中，被控量所應(yīng)保持的理想（希望）數(shù)值。z 操縱量：能夠使被控量產(chǎn)生變化的物理量。（注意與操縱介質(zhì)概念的區(qū)別）5.5.自動控制系統(tǒng)的基本控制方式自動控制系統(tǒng)的基本控制方式(1)反饋控制方式（閉環(huán)） ：按偏差進(jìn)行控制，需控制的是被控對象的被控量，而測量的也是被控量。并與給定值進(jìn)行比較計(jì)算，求得它們的偏差，通過偏差來自動糾正偏差按偏差調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 特點(diǎn)：較

12、高的動靜態(tài)控制性能，精度高；結(jié)構(gòu)、線路復(fù)雜，系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)較復(fù)雜?？刂破鲌?zhí)行器對象傳感器(2)開環(huán)控制（順序控制）：系統(tǒng)的輸出量與輸入量之間只有順向作用，而無反向聯(lián)系，輸出量對系統(tǒng)的控制過程不發(fā)生影響。 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)；但抗干擾能力差。z有兩種方式：z按給定量控制 如龍門刨床速度控制系統(tǒng)將測速、發(fā)電機(jī)的輸出斷開，調(diào)節(jié)測速發(fā)電機(jī)的輸入電壓來調(diào)節(jié)電機(jī)速度z按擾動量控制 利用可測量的擾動量，產(chǎn)生補(bǔ)償作用(3)復(fù)合控制方式：z按偏差控制+按擾動補(bǔ)償控制z按偏差控制+按給定補(bǔ)償控制(4)其它新控制方式：最優(yōu)控制、預(yù)測控制、自適應(yīng)控制、 模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。1-21-2自動控制系統(tǒng)示例自動

13、控制系統(tǒng)示例瓦特離心調(diào)速系統(tǒng)瓦特離心調(diào)速系統(tǒng)液位控制系統(tǒng)液位控制系統(tǒng)控制器控制器減速器減速器電動機(jī)電動機(jī)電位器電位器浮子浮子用水開關(guān)用水開關(guān)Q2Q1cifSM液位系統(tǒng)的自動反饋控制液位系統(tǒng)的自動反饋控制溫度系統(tǒng)的自動反饋控制溫度系統(tǒng)的自動反饋控制冷物料熱物料加加熱熱蒸蒸汽汽1-3自動控制系統(tǒng)分類分類方法按控制方式：開環(huán)控制、閉環(huán)控制、復(fù)合控制按元件類型：機(jī)械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、機(jī)電系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、生物系統(tǒng)等。按系統(tǒng)功能：溫度、壓力、位置、流量等按系統(tǒng)性質(zhì)：線性與非線性、連續(xù)與離散、定常與時(shí)變按參考量變化規(guī)律：恒值、隨動、程序控制1.線性連續(xù)控制系統(tǒng)由系數(shù)判定線性時(shí)變系統(tǒng)、線性定常系統(tǒng)線性

14、定常系統(tǒng)根據(jù)參考輸入量又可分為：恒值控制系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng))()()()()()()()(1111011110trbtrdtdbtrdtdbtrdtdbtcatcdtdatcdtdatcdtdammmmmmnnnnnn 系統(tǒng)主要特點(diǎn)：（1）恒值控制系統(tǒng) 參考輸入是個(gè)常值，要求被控量也等于常值。外部擾動的存在，被控量偏離參考量而出現(xiàn)偏差，控制系統(tǒng)根據(jù)偏差產(chǎn)生控制作用，以克服擾動的影響，使被控量恢復(fù)到給定的常值。（2）隨動控制系統(tǒng)參考輸入是預(yù)先未知的隨時(shí)間任意變化的函數(shù)，要求被控量以盡可能小的誤差跟隨參考輸入量變化。（3）程序控制系統(tǒng)參考輸入是按預(yù)定規(guī)律隨時(shí)間變化的函數(shù)，要求被控量迅

15、速、準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)。線性定常離散系統(tǒng)2.非線性控制系統(tǒng))()()()(2trytytyty 非線性系統(tǒng)的線性化1-4 對自動控制系統(tǒng)的基本要求z1. 對自動控制系統(tǒng)基本要求z穩(wěn)定性（穩(wěn)）、快速性（快）、準(zhǔn)確性（準(zhǔn)）z“穩(wěn)”與“快”是說明系統(tǒng)動態(tài)（過渡過程）品質(zhì)。z“準(zhǔn)”是說明系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)）品質(zhì)z系統(tǒng)的過渡過程產(chǎn)生的原因 ： 系統(tǒng)中儲能元件的能量不可能突變。z穩(wěn)定性：當(dāng)系統(tǒng)輸入量的變化趨于某 一穩(wěn)定值后，系統(tǒng)的被控變量的變化經(jīng)系統(tǒng)自動控制后也能趨于某一穩(wěn)定值，而不出現(xiàn)持續(xù)的振蕩或發(fā)散型振蕩的現(xiàn)象，即偏差等于0；C（t）tz準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性：系統(tǒng)過渡到：系統(tǒng)過渡到新的平衡工作狀態(tài)以后，新的平衡工作狀態(tài)

16、以后，或系統(tǒng)受擾重新恢復(fù)平或系統(tǒng)受擾重新恢復(fù)平衡之后，最終保持的精衡之后，最終保持的精度，反映了動態(tài)過程后度，反映了動態(tài)過程后期的性能；期的性能；z快速性快速性：當(dāng)系統(tǒng)被控：當(dāng)系統(tǒng)被控量與給定值之間的偏差量與給定值之間的偏差發(fā)生變化時(shí)，調(diào)整到新發(fā)生變化時(shí)，調(diào)整到新的穩(wěn)定狀態(tài)所需要時(shí)間的穩(wěn)定狀態(tài)所需要時(shí)間的長短來反映。的長短來反映。 z穩(wěn)定性 是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件 線性控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性由系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)與參數(shù)所決定的，與外部條件無關(guān)。z快速性 是系統(tǒng)在穩(wěn)定的條件下，衡量系統(tǒng)過渡過程的形式和快慢，通常稱為“系統(tǒng)動態(tài)性能”。z準(zhǔn)確性 是在系統(tǒng)過渡過程結(jié)束后，衡量系統(tǒng)輸出（被控量）達(dá)到的穩(wěn)態(tài)值與系統(tǒng)輸出期望值之間的接近程度。 一般用穩(wěn)態(tài)誤差來衡量。 同一個(gè)系統(tǒng)，穩(wěn)、準(zhǔn)、快是相互制約的，提同一個(gè)系統(tǒng)，穩(wěn)、準(zhǔn)、快是相互制約的，提高過程的快速性，會引起系統(tǒng)強(qiáng)烈振蕩；改善平穩(wěn)高過程的快速性，會引起系統(tǒng)強(qiáng)烈振蕩；改善平穩(wěn)性，過程又可能變的遲緩，甚至