第一章 自動控制系統(tǒng)概念

1、 自動控制(z dn kn zh)原理 第一章 控制系統(tǒng)的一般(ybn)概念共六十七頁課程的內(nèi)容(nirng)及要求通過本課程的學(xué)習(xí)，要求掌握自動控制系統(tǒng)的組成和工作原理；掌握建立簡單控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的方法；掌握分析控制系統(tǒng)的三種(sn zhn)方法：時域法、根軌跡法和頻率法；了解線性系統(tǒng)的校正方法。共六十七頁課程(kchng)的內(nèi)容及要求掌握系統(tǒng)動態(tài)過程及性能。對于一個給定的已存在的具體(jt)系統(tǒng)， 如何從理論上對系統(tǒng)的動態(tài)性能進行定性分析和定量估算系統(tǒng)分析。根據(jù)給定的系統(tǒng)的動態(tài)性能要求，如何 根據(jù)已知的受控對象，合理地確定控制裝置的部分結(jié)構(gòu)和參數(shù)系統(tǒng)設(shè)計。共六十七頁控制(kngzh)思想

2、的起源控制的思想與技術(shù)的存在至少已有數(shù)千年的歷史(lsh)。“控制”這一概念本身即反映了人們對征服自然與外在的渴望，控制理論與技術(shù)也自然而然地在人們認識自然與改造自然的歷史中發(fā)展起來。 共六十七頁自動控制(z dn kn zh)的定義及意義 自動控制是指應(yīng)用自動化儀器、儀表或自動控制裝置代替人自動地對儀器設(shè)備或工業(yè)生產(chǎn)過程進行控制，使之達到預(yù)期的狀態(tài)或性能指標。對傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)過程采用自動控制技術(shù)，可以有效提高產(chǎn)品的質(zhì)量和企業(yè)的經(jīng)濟效益。對一些惡劣( li)環(huán)境下的控制操作，自動控制顯得尤其重要。 共六十七頁歷史(lsh)上的三本重要著作 通訊的數(shù)學(xué)理論（A Mathematical Theo

3、ry of Communication），目前被作為信息論開端的香農(nóng)(Claude Elwood Shannon,1916-)的論文 。奠定了信息論的基礎(chǔ)。控制論，或關(guān)于在動物(dngw)和機器中控制和通訊的科學(xué)，控制論創(chuàng)立者維納（Norbert Wienner,1894-1964）的經(jīng)典論著。工程控制論 錢學(xué)森(Tsien H S,1991-)的著作工程控制論（Engineering Cybernetics. 1954）。這三部著作對人類社會有著巨大的影響，產(chǎn)生了新型的綜合性基礎(chǔ)理論：控制論，信息論和工程控制論。共六十七頁共六十七頁共六十七頁共六十七頁共六十七頁共六十七頁 自動控制系統(tǒng)的常用

4、(chn yn)概念控制：某個主體使其它對象按照一定的目的動作的過程，“其它對象”可以是一個過程，也可以是器械、生產(chǎn)系統(tǒng)。自動控制：在無人直接參與的情況下，通過控制器使被控對象或過程自動按照預(yù)定要求(規(guī)律)運行的行為(xngwi)。自動控制系統(tǒng)：實現(xiàn)自動任務(wù)的系統(tǒng)共六十七頁被控對象： 以上所指的其它對象，通常稱受控對象，即機械或裝備，如燃氣輪機、鍋爐等。被控量： 表征被控對象工作狀態(tài)的物理量，如電壓、轉(zhuǎn)速、溫度等。輸入量： 作用(zuyng)與系統(tǒng)輸入端，是實現(xiàn)輸出量控制的參考物理量。輸出量： 被控對象中要求實現(xiàn)自動控制的物理量，位于系統(tǒng)輸出端。共六十七頁給定值（參考輸入）： 在整個過程中，被

5、控量所應(yīng)保持(boch)的理想數(shù)值.控制的任務(wù)： 使受控對象的被控量等于給定值.擾動： 不改變控制機構(gòu)參數(shù)而使被控量發(fā)生變化的因素.擾動量：妨礙控制量對被控制量按要求進行正?？刂频奈锢砹?共六十七頁開環(huán)控制： 被控制量只受控于控制量，而對控制量不能反施影響的一類系統(tǒng)成為開環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)： 用以完成一定任務(wù)的一些元、部件的組合為系統(tǒng)。控制過程： 消除擾動因素對系統(tǒng)的影響，從而保持被控制量按預(yù)期要求(yoqi)變化的過程，稱為控制過程。共六十七頁反饋控制(kngzh)原理為了(wi le)實現(xiàn)各種復(fù)雜的控制任務(wù)，首先要將被控對象和控制裝置按照一定的方式連接起來，組成一個有機整體，這就是自動控制系

6、統(tǒng)。在自動控制系統(tǒng)中，被控對象的輸出量，即被控量，是要求嚴格加以控制的物理量，它們可以被要求保持為某一恒定值，如溫度、壓力、液位等;也可以是按某個給定的規(guī)律運行要求（或變化）運行線，如飛行軌跡、運行軌跡、燃機的運行線等。而控制裝置則是對被控對象施加影響（即控制作用）的機構(gòu)的總體。共六十七頁共六十七頁反饋(fnku)控制原理在反饋控制系統(tǒng)中，控制裝置對被控對象施加的控制作用，是取自被控量的反饋信息，用來不斷修正被控量和輸入量之間的偏差(pinch)，從而實現(xiàn)對被控對象進行控制的任務(wù)，這就是反饋控制的原理。共六十七頁反饋(fnku)控制利用通過負反饋產(chǎn)生的偏差所取得的控制作用去消除偏差的控制原理稱

7、為反饋控制原理；反饋理論的要素包括三個部分：測量、比較(bjio)和執(zhí)行。在控制過程中，測量所關(guān)心的變量，與期望值相比較，用這個誤差糾正調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應(yīng)。不管什么原因引起被控制量偏離其期望值而產(chǎn)主偏差時，一定會產(chǎn)生一個相應(yīng)的控制作用，而該控制作用將盡可能去消除偏差，使被控制量重新恢復(fù)到期望值上去。因此，反饋控制系統(tǒng)具有抑制任何內(nèi)外部干擾對系統(tǒng)輸出影響的能力。 共六十七頁按控制(kngzh)方法分類最優(yōu)控制 （optimal control）使控制系統(tǒng)的性能指標實現(xiàn)最優(yōu)化的基本條件和綜合方法。對一個受控的動力學(xué)系統(tǒng)或運動過程，從一類(y li)允許的控制方案中找出一個最優(yōu)的控制方案，使系統(tǒng)的運

8、動在由某個初始狀態(tài)轉(zhuǎn)移到指定的目標狀態(tài)的同時，其性能指標值為最優(yōu)。 這類問題廣泛存在于技術(shù)領(lǐng)域或社會問題中。例如，確定一個最優(yōu)控制方式使空間飛行器由一個軌道轉(zhuǎn)換到另一軌道過程中燃料消耗最少(或耗時最短)。最優(yōu)控制已被應(yīng)用于綜合和設(shè)計最優(yōu)控制系統(tǒng)、最省燃料控制系統(tǒng)、最小能耗控制系統(tǒng)、線性調(diào)節(jié)器等。 共六十七頁按控制方法(fngf)分類系統(tǒng)辨識 (System Identification) 根據(jù)系統(tǒng)的輸入輸出時間函數(shù)來確定描述系統(tǒng)行為的數(shù)學(xué)模型。通過辨識建立數(shù)學(xué)模型的目的是估計表征系統(tǒng)行為的重要參數(shù)，建立一個能模仿真實系統(tǒng)行為的模型，用當(dāng)前可測量的系統(tǒng)的輸入和輸出預(yù)測(yc)系統(tǒng)輸出的未來演變，

9、以及設(shè)計控制器。 對系統(tǒng)進行分析的主要問題是根據(jù)輸入時間函數(shù)和系統(tǒng)的特性來確定輸出信號。對系統(tǒng)進行控制的主要問題是根據(jù)系統(tǒng)的特性設(shè)計控制輸入，使輸出滿足預(yù)先規(guī)定的要求。而系統(tǒng)辨識所研究的問題恰好是這些問題的逆問題。 共六十七頁自適應(yīng)控制 (Self-adaptable control) 自適應(yīng)是指生物能改變自己的習(xí)性以適應(yīng)新的環(huán)境的一種特征。自適應(yīng)控制器應(yīng)當(dāng)是這樣一種控制器，它能修正自己的特性以適應(yīng)對象和擾動的動態(tài)(dngti)特性的變化。 自適應(yīng)控制的研究對象(duxing)是具有一定程度不確定性的系統(tǒng)，這里所謂的“不確定性”是指描述被控對象(duxing)及其環(huán)境的數(shù)學(xué)模型不是完全確定的，

10、其中包含一些未知因素和隨機因素。共六十七頁魯棒控制(Robust control) 系統(tǒng)的“魯棒性”，是指控制系統(tǒng)在一定（結(jié)構(gòu)，大小）的參數(shù)攝動下，維持某些性能的特性。以閉環(huán)系統(tǒng)的魯棒性作為目標設(shè)計得到的固定控制器稱為魯棒控制器。 由于工作狀況變動、外部干擾以及建模誤差的緣故，實際工業(yè)過程的精確模型很難得到，而系統(tǒng)的各種故障也將導(dǎo)致模型的不確定性，因此可以說模型的不確定性在控制(kngzh)系統(tǒng)中廣泛存在。如何設(shè)計一個固定的控制(kngzh)器，使具有不確定性的對象滿足控制(kngzh)品質(zhì)，就是魯棒控制(kngzh)的任務(wù)。共六十七頁按控制對象及控制方式(fngsh)分類 單輸入(shr)-

11、單輸出多輸入-多輸出 共六十七頁按系統(tǒng)(xtng)數(shù)學(xué)模型分類線性連續(xù)控制系統(tǒng) 這類系統(tǒng)可以用線性微分方程式描述(mio sh)，其一般形式為被控量輸入量系數(shù)系數(shù)共六十七頁線性定常連續(xù)(linx)系統(tǒng)按其輸入量的變化規(guī)律不同，又可分為恒值控制系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。1）恒值控制系統(tǒng)的輸入量是一個常值，要求被控量也等于一個常值，故又稱為調(diào)節(jié)器。這類控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計的重點(zhngdin)是研究各種擾動對控制對象的影響以及抗干擾的措施。2）隨動系統(tǒng)的輸入量是預(yù)先未知的隨時間任意變化的函數(shù)，要求被控量以盡可能小的誤差跟隨輸入量的變化，故又稱跟蹤系統(tǒng)。在這類系統(tǒng)中，擾動的影響是次要的，系統(tǒng)分

12、析、設(shè)計的重點是研究被控量跟隨的快速性和準確性。共六十七頁3）程序控制系統(tǒng)的輸入量是按預(yù)定規(guī)律隨時間變化的函數(shù)，要求被控量迅速(xn s)、準確地加以復(fù)現(xiàn)。例如，機械加工中的數(shù)控機床。這類控制系統(tǒng)的輸入量也是時間的函數(shù)，與隨動系統(tǒng)的輸入量不同的是，其時間函數(shù)是已知的，而隨動系統(tǒng)的輸入量是未知的任意時間函數(shù)。恒值控制系統(tǒng)也可視為程序控制系統(tǒng)的特例。共六十七頁2. 線性定常離散(lsn)控制系統(tǒng) 離散系統(tǒng)是指系統(tǒng)的某處或多處的信號為脈沖序列或數(shù)碼(shm)形式，因而信號在時間上是離散的。連續(xù)信號經(jīng)過采樣開關(guān)的采樣后，就可以轉(zhuǎn)換成離散信號。一般地，在離散系統(tǒng)中，既有連續(xù)的模擬信號，也有離散的數(shù)字信號

13、。離散系統(tǒng)要用差分方程來描述，差分方程的一般形式為：常系數(shù)常系數(shù)輸出采樣序列輸入采樣序列差分方程的次數(shù)共六十七頁3.非線性控制系統(tǒng)(kn zh x tn)系統(tǒng)中只要有一個元件的輸入(shr)-輸出特性是非線性的，這類系統(tǒng)就稱為非線性控制系統(tǒng)。這類系統(tǒng)要用非線性微分方程（或非線性差分方程）來描述其特性。非線性方程的特點是系數(shù)與變量有關(guān)，或者方程中含有變量及其導(dǎo)數(shù)的高次冪或乘積項。目前，對不同類型的非線性控制系統(tǒng)的研究還沒有統(tǒng)一、有效的方法，對于一些非線性程度不太嚴重的元件，可在一定范圍內(nèi)進行線性化處理，使之近似成為線性系統(tǒng)。共六十七頁自動控制(z dn kn zh)與人工控制人工控制過程(guc

14、hng)分析對策觀察執(zhí)行工作對象觀察預(yù)期目標干擾實際結(jié)果共六十七頁自動控制(z dn kn zh)的方法測量(cling)執(zhí)行 測量比較計算受控對象被控量干擾工作對象受控對象實際對象被控量給定值共六十七頁開環(huán)控制(kngzh)：開環(huán)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)生影響計算(j sun)執(zhí)行受控對象干擾給定值被控量共六十七頁開環(huán)控制的特點：輸出量只取決于控制信號和元件特性。當(dāng)系統(tǒng)元件性能發(fā)生變化或出現(xiàn)干擾因素時，被控量將與給定值之間發(fā)生發(fā)生較大偏差而不能自動校正。輸出量的控制精度將取決于控制器及被控對象的參數(shù)穩(wěn)定性。環(huán)節(jié)簡單，容易實現(xiàn)，穩(wěn)定性

15、好。于是開環(huán)系統(tǒng)具有規(guī)定的精度，系統(tǒng)各元、部件的參數(shù)值，在工作過程中，必須嚴格保持(boch)在事先校準的量值上。 共六十七頁閉環(huán)（反饋）控制： 需控制的是被控對象的被控量，而測量的也是被控量。并與給定值進行比較計算，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)(xtng)。利用通過負反饋產(chǎn)生的偏差所取得的控制作用去消除偏差的控制原理稱為反饋控制原理。比較(bjio)計算執(zhí)行受控對象測量給定值被控量共六十七頁閉環(huán)(反饋)控制系統(tǒng)特點：無論是由干擾造成的，還是由結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化引起的，只要被控量出現(xiàn)偏差，系統(tǒng)則自動糾偏(ji pin)，使被控量重新恢復(fù)到期望值上去。結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度高，穩(wěn)定性

16、降低，實現(xiàn)較困難。只有當(dāng)系統(tǒng)的擾動量無法事先預(yù)計的情況下，閉環(huán)控制方案才具有明顯的優(yōu)勢。共六十七頁閉環(huán)控制系統(tǒng)必須(bx)滿足的要求 必須對被控制量進行測量，并將其反饋到系統(tǒng)的輸入端與控制量相減（即負反饋），得到偏差；對偏差進行適當(dāng)放大，從而產(chǎn)生對被控對象（如電動機）的控制作用；上述控制作用應(yīng)使被控制量作消除偏差保持期望值的相應(yīng)(xingyng)變化。共六十七頁開環(huán)系統(tǒng)(xtng)與閉環(huán)系統(tǒng)(xtng)的比較 開環(huán)控制(kngzh)系統(tǒng)是由輸入來控制(kngzh)輸出的單向控制(kngzh), 它是單向的控制過程； 閉環(huán)控制系統(tǒng)是輸出量反饋回輸入端參與控制的控制系統(tǒng), 輸入量與輸出量往往是不同

17、性質(zhì)的量 ；其特點為： 1、有反饋；2、會調(diào)整；3、被控量會被控制在一定的值結(jié)果穩(wěn)定；4、“結(jié)果”會影響“結(jié)果”； 5、給定量與被控量是可比較的同一種性質(zhì)的量。共六十七頁 b.開環(huán)控制系統(tǒng)容易建造，且不必對被控制量進行(jnxng)測量和反饋，因而結(jié)構(gòu)簡單。故當(dāng)系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的干擾預(yù)先確知，且可做到有效補償時，采用開環(huán)控制具有一定優(yōu)越性，特別是被控制量難以直接測量時可以考慮采用開環(huán)控制方案。只有當(dāng)系統(tǒng)的擾動量無法事先預(yù)計的情況下，閉環(huán)控制方案才具有明顯的優(yōu)越性； c. 從系統(tǒng)的穩(wěn)定性來考慮，開環(huán)控制系統(tǒng)在這個問題上容易解決(jiju)，因而不是一個十分重要的問題；但對閉環(huán)控制系統(tǒng)來說，穩(wěn)定性則

18、是要研究的主要問題之一。共六十七頁d. 對開環(huán)控制系統(tǒng)來說，由于不存在被控制量到控制量的負反饋，所以對于擾動給被控制量造成的誤差(wch)，系統(tǒng)不具有自行修正的能力。對于這類系統(tǒng)的控制精度便完全由采用高精度元件和采取有效的抗干擾措施來保證；在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，由于采用負反饋因而被控制量對于外部和內(nèi)部的干擾都不甚敏感，從而有可能采用精度不高，成本低廉的元件來構(gòu)成控制質(zhì)量較高的系統(tǒng)；共六十七頁 項 目 開環(huán)控制 閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)抑制擾動能力控制精度設(shè)計與分析簡單無一般較方便復(fù)雜能夠抑制內(nèi)、外擾動對系統(tǒng)輸出的影響較高較困難，需要考慮不換系統(tǒng)穩(wěn)定性反饋(fnku)控制系統(tǒng)與開環(huán)控制系統(tǒng)比較共六十七頁復(fù)合控制

19、 在反饋控制系統(tǒng)中，加入開環(huán)控制措施（稱為前饋），以補償(bchng)反饋控制的不足，稱為復(fù)合控制。常用于對控制性能要求較高的系統(tǒng)中。如下圖中（a）、（b）、（c）。共六十七頁共六十七頁控制系統(tǒng)常用(chn yn)符號及表示方法 r(t)代表控制量或控制信號，或系統(tǒng)的輸入信號； c(t)代表被控制量或被控制信號，或系統(tǒng)的輸出信號； (t)代表偏差或偏差信號； f (t)代表擾動量或擾動信號；符號代表信號比較，其中“”號表示對反饋信號y(t)取負值(f zh)，即負反饋。 方框圖中箭頭指示方向代表信號流通方向，箭頭進入方框的一側(cè)為方框的輸入端，箭頭離開方框的一側(cè)為其輸出端。對構(gòu)成系統(tǒng)的每一個方框

20、來說，箭頭指示方向是不變的，說明信號在控制系統(tǒng)中是單方向流通的，不可逆的； 共六十七頁控制系統(tǒng)(kn zh x tn)分類舉例隨動系統(tǒng)：隨動系統(tǒng)又稱為 servo system，是一種反饋(fnku)控制系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中，輸出量是機械位移、速度或者加速度。 由于隨動系統(tǒng)的參考輸入不是時間的解析函數(shù)，如何變化事先并不知道, 因此，控制輸入量的變化規(guī)律不能預(yù)先確定?？刂葡到y(tǒng)的任務(wù)是在各種情況下保證輸出量以一定精度迅速、準確、平穩(wěn)地跟隨著參考輸入的變化而變化。 就反饋控制系統(tǒng)來說，其控制信號r(t)為任意時間函數(shù)，其變化規(guī)律很難預(yù)測，若要求系統(tǒng)準確復(fù)現(xiàn)這樣的控制信號，則稱這類反饋控制系統(tǒng)為隨動系統(tǒng)

21、或伺服系統(tǒng)。 共六十七頁控制(kngzh)的任務(wù)：使工作機械隨指令機構(gòu)同步轉(zhuǎn)動 Qc(t)=Qr(t)舉例：共六十七頁被控對象： 工作機械被控量： Qc給定值： Qr測量元件： 轉(zhuǎn)角(zhunjio)Qc及Qr通過兩個相同的電位計測量并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓Uc和Ur；計算比較： 兩電位計橋式連接，即可完成減法運算Us=（Ur-Uc），Us即代表了被控量Qc對給定值Qr 的偏差；執(zhí)行機構(gòu)： 電機減速裝置；共六十七頁方框圖共六十七頁控制原理(yunl) Qc=Qr，則Uc=Ur，Us=0，電機不轉(zhuǎn)，系統(tǒng)平衡； Qr 增大 ，Ur增大 ，若Qc不變、Uc不變則Us=Ur-Uc大于0，電機正轉(zhuǎn)，使Qc增大

22、 ，直到Qc=Qr，達到新的平衡；Qr減小 ，Ur減小 ，若Qc不變、Uc不變則 Us=Ur-Uc小于0，電機反轉(zhuǎn)，使Qc減小 ， 直到Qc=Qr，達到新的平衡。共六十七頁恒值控制系統(tǒng)(kn zh x tn)定義 若反饋控制系統(tǒng)控制量取常值，從而要求其被控制量也保持在相應(yīng)的常值上，則稱這類反饋控制系統(tǒng)為恒值控制系統(tǒng)。特點 在恒值控制系統(tǒng)中，由于其控制量取常值，所以(suy)使被控制量偏離其期望值的主要因素為擾動量的存在。共六十七頁舉例(j l)共六十七頁分析被控對象： 烘爐 被控量： 爐溫Tc 干擾： 工件、環(huán)境溫度、煤氣壓力等依靠調(diào)節(jié)煤氣 管道上的閥門改變爐溫； 測量元件： 熱電偶，它將爐溫

23、轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電壓 給定裝置： 給定電位計輸出電壓Ur相當(dāng)于要求(yoqi)的爐溫計算： Ur、U t兩電壓反接，即完成減法運算輸出電壓（Ur-Ut）相當(dāng)于爐溫的偏差 執(zhí)行機構(gòu)：電動機及傳動裝置共六十七頁控制原理：假定爐溫恰好等于給定值，事先調(diào)整好。這 時：Ut=Ur，電壓差等于零，電機不轉(zhuǎn)；煤氣流量不變，烘爐處于恒溫狀態(tài)。如果增加工件(gngjin)，烘爐的負荷加大，而煤氣流量一時沒變，則爐溫下降，T減小導(dǎo)致Ut下降，（Ur-Ut）大于0，電機正轉(zhuǎn)帶動閥門開大，增加煤氣供給量，爐溫回升，直到Ut=Ur。若工件減少，則T上升，Ut增大，（Ur-Ut）小于零，電機反轉(zhuǎn)帶動閥門關(guān)小，減小煤氣流量，爐

24、溫下降，直到Ut=Ur為止。共六十七頁數(shù)字控制系統(tǒng) 數(shù)字控制系統(tǒng)是一類以數(shù)字計算機為控制器實現(xiàn)具有連續(xù)(linx)工作狀態(tài)被控對象閉環(huán)控制的反饋控制系統(tǒng)。由于控制量r(t)，被控制量c(t)和偏差e(t)均為模擬量，而數(shù)字計算機只能處理數(shù)字的離散信號。因此在數(shù)字控制系統(tǒng)中需采用采樣開關(guān)，模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器（A/D），數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器（D/A）和保持器。 共六十七頁自動(zdng)控制系統(tǒng)的構(gòu)成 為測量控制量及被控制量，系統(tǒng)需有測量元件；為實現(xiàn)被控制量到控制量的負反饋以產(chǎn)生偏差信號，系統(tǒng)需有比較元件；由于偏差信號一般(ybn)比較微弱，為使其具有足夠大的幅值和功率，系統(tǒng)需有放大元件； 為能使系統(tǒng)偏差經(jīng)放大形成的控制作用驅(qū)動披控制對象以產(chǎn)生按控制信號的變化規(guī)律而變化的被控制信號，系統(tǒng)還需有執(zhí)行元件；為使系統(tǒng)能正常工作，還需在系統(tǒng)中加進能消除或減弱上述振蕩從而提高其控制性能的元件，稱這類元件為校正元件；共六十