自動控制原理一般概念

1、自動控制原理本課程是工科專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，其學(xué)習(xí)的目的是使同學(xué)們掌握自動控制系統(tǒng)的基本概念和自動控制系統(tǒng)分析、設(shè)計(校正)的基本方法，初步掌握系統(tǒng)實驗技能，學(xué)會運用相關(guān)工具進(jìn)行控制系統(tǒng)輔助分析設(shè)計的方法，為專業(yè)課的學(xué)習(xí)和進(jìn)一步深造打下必要的理論基礎(chǔ)，掌握必要的基本技能。課程目的本課程與數(shù)學(xué)、物理、電工原理、電子技術(shù)基礎(chǔ)、計算機(jī)原理及應(yīng)用等先修課程關(guān)系密切。要求同學(xué)們具備微分方程、復(fù)變函數(shù)、積分變換(特別是拉氏變換，z變換)等數(shù)學(xué)方面的有關(guān)知識。本課程的后續(xù)課為現(xiàn)代控制理論，計算機(jī)控制系統(tǒng)，過程控制等，本課程為其提供所必須的系統(tǒng)分析、設(shè)計的基本理論和基本方法。課程要求 第一章 自動控制的一般

2、概念 第二章 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 第三章 線性系統(tǒng)的時域分析法 第四章 線性系統(tǒng)的根軌跡法 第五章 線性系統(tǒng)的頻域分析法 第六章 線性系統(tǒng)的校正方法 第七章 線性離散系統(tǒng)的分析與校正 第八章非線性控制系統(tǒng)分析自動化技術(shù)學(xué)科萌芽于18世紀(jì)，由于工業(yè)革命的發(fā)展,如何進(jìn)一步降低人的勞動強(qiáng)度和提高設(shè)備的可靠性被提到了議程。1.1 控制理論的發(fā)展代表性成果1765年俄國人波爾佐諾夫發(fā)明了蒸汽鍋爐水位調(diào)節(jié)器;1784年英國人瓦特發(fā)明蒸汽機(jī)離心飛錘式調(diào)速器。 自動控制的萌芽特點：簡單的單一對象控制。2. 現(xiàn)代控制理論3. 大系統(tǒng)理論4. 智能控制理論1. 經(jīng)典控制理論線性控制理論非線性控制理論采樣控制理論1

3、.1 控制理論的發(fā)展1.1 控制理論的發(fā)展代表性成果 1945年美國人Bode出版了網(wǎng)絡(luò)分析與放大器的設(shè)計，奠定了控制理論的基礎(chǔ);1942年哈里斯引入傳遞函數(shù)； 1948年伊萬恩提出了根軌跡法； 1949年維納關(guān)于經(jīng)典控制的專著。1. 經(jīng)典控制理論時期（1940-1960）特點：以傳遞函數(shù)為數(shù)學(xué)工具，采用頻率域法，研究“單輸入單輸出”線性定?？刂葡到y(tǒng)的分析和設(shè)計，而對復(fù)雜多變量系統(tǒng)、時變和非線性系統(tǒng)無能為力。研究單變量的系統(tǒng)，如：調(diào)節(jié)電壓改變電機(jī)的速度；調(diào)整方向盤改變汽車的運動軌跡等。1.1 控制理論的發(fā)展代表性成果 Kalman的能控性觀測性和最優(yōu)濾波理論;龐特里亞金的極大值原理； 貝爾曼的

4、動態(tài)規(guī)劃。2. 現(xiàn)代控制理論時期（20世紀(jì)50年代末-60年代初）特點：采用狀態(tài)空間法（時域法），研究“對輸入-多輸出”、時變、非線性系統(tǒng)等高精度和高復(fù)雜度的控制問題。研究多變量的系統(tǒng)，如，汽車看成是一個具有兩個輸入（駕駛盤和加速踏板）和兩個輸出（方向和速度）的控制系統(tǒng)?？臻g技術(shù)的發(fā)展提出了許多復(fù)雜的控制問題，用于導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星和宇宙飛船上，對自動控制的精密性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)提出了極嚴(yán)格的要求。并推動了控制理論的發(fā)展。經(jīng)典控制理論與現(xiàn)代控制理論比較項目經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論研究對象線性定常系統(tǒng)（單輸入、單輸出）線性、非線性、定常、時變系統(tǒng)（多輸入、多輸出）描述方法傳遞函數(shù)（輸入、輸出描述）向量空

5、間（狀態(tài)空間描述）研究辦法根軌跡法和頻率法狀態(tài)空間法研究目標(biāo)系統(tǒng)分析及給定輸入、輸出情況下的系統(tǒng)綜合揭示系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律，實現(xiàn)在一定意義下的最優(yōu)控制與設(shè)計1.1 控制理論的發(fā)展1.1 控制理論的發(fā)展3. 大系統(tǒng)控制時期（1970s-）各學(xué)科相互滲透，要分析的系統(tǒng)越來越大，越來越復(fù)雜。大系統(tǒng)控制理論是一種過程控制與信息處理相結(jié)合的動態(tài)系統(tǒng)工程理論，研究的對象具有規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能綜合、目標(biāo)多樣、因素眾多等特點。它是一個多輸入、多輸出、多干擾、多變量的系統(tǒng)。 如：人體，我們就可以看作為一個大系統(tǒng)，其中有體溫的控制、情感的控制、人體血液中各種成分的控制等等。1.1 控制理論的發(fā)展4. 智能控制時

6、期特點：人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等的普遍研究和應(yīng)用到自動控制之中。這是近年來新發(fā)展起來的一種控制技術(shù)，是人工智能在控制上的應(yīng)用。它的指導(dǎo)思想是依據(jù)人的思維方式和處理問題的技巧，解決那些目前需要人的智能才能解決的復(fù)雜的控制問題。學(xué)派：結(jié)構(gòu)派和功能派它是一門新興的控制學(xué)科，有些問題尚存有爭議，然而由于它實用性強(qiáng)，能運用人們的經(jīng)驗與技巧解決許多以往控制中難以解決的棘手問題（如建模等），因此得到了人們極大的重視。1.2 自動控制及自動控制系統(tǒng)控制：使對象達(dá)到預(yù)期的狀態(tài)或性能的動作。 手動控制或稱人工控制； 自動控制。 概述自動化（Automation 或 Automatization）1. 自動控制就是指在

7、脫離人的直接干預(yù)，利用控制裝置（簡稱控制器）使被控對象（或生產(chǎn)過程等）的某一物理量（如溫度、壓力、PH值等）準(zhǔn)確地按照預(yù)期的規(guī)律運行。2. 自動控制系統(tǒng)能自動對被控對象的被控量（或工作狀態(tài)）進(jìn)行控制的系統(tǒng)。3. 被控對象（又稱受控對象）指工作狀態(tài)需要加以控制的機(jī)械、裝置或過程。4. 被控量表征被控對象工作狀態(tài)且需要加以控制的物理量，也是自動控制系統(tǒng)的輸出量。1.2 自動控制及自動控制系統(tǒng) 基本概念5. 給定值（又稱為參考輸入）希望被控量趨近的數(shù)值。又稱為規(guī)定值。6. 擾動量（又分為內(nèi)擾和外擾）引起被控量發(fā)生不期望的變化的各種內(nèi)部或外部的變量。7. 控制器（又稱調(diào)節(jié)器）組成控制系統(tǒng)的兩大要素之一

8、（另一大要素即為被控對象），是起控制作用的設(shè)備或裝置。8. 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)接受調(diào)節(jié)作用而去改變調(diào)節(jié)量的具體設(shè)備。9. 負(fù)反饋控制原理將系統(tǒng)的輸出信號反饋至輸入端，與給定的輸入信號相減，所產(chǎn)生的偏差信號通過控制器變成控制變量去調(diào)節(jié)被控對象，達(dá)到減小偏差或消除偏差的目的。1.2 自動控制及自動控制系統(tǒng) 基本概念1.2 自動控制及自動控制系統(tǒng) 控制裝置自動控制系統(tǒng)由被控對象和控制裝置兩部分組成?？刂蒲b置包含的主要單元： 測量單元用來測量被調(diào)量，并將被調(diào)量轉(zhuǎn)換為與之成比例（或其它函數(shù)關(guān)系）的某種便于傳送和綜合的信號。由檢測元件和變送器組成。 給定單元用來設(shè)定被調(diào)量的給定值，發(fā)生與測量信號同一類型的給定值信號

9、。 調(diào)節(jié)單元接受被調(diào)量和給定值信號，比較后的偏差信號發(fā)出一定規(guī)律的調(diào)節(jié)執(zhí)行給執(zhí)行器。由控制器或計算機(jī)裝置組成。 執(zhí)行器根據(jù)調(diào)節(jié)單元送來的調(diào)節(jié)指令去推動調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，改變調(diào)節(jié)量?？刂凭褪歉鶕?jù)被調(diào)量偏離給定值的情況，適當(dāng)?shù)貏幼髡{(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，改變調(diào)節(jié)量，最后抵消擾動的影響，使被調(diào)量回復(fù)到給定值。1.2 自動控制及自動控制系統(tǒng)1.3 自動控制系統(tǒng)的方框圖在研究自動控制系統(tǒng)時，為了便于分析并直觀地表示系統(tǒng)中各個組成部分（環(huán)節(jié)）間的相互影響和信號的傳遞關(guān)系，一般習(xí)慣采用方框圖（也稱方塊圖）來表示?？刂破鲌?zhí)行機(jī)構(gòu)受控對象測量、變送器給定值 r測量信號 偏差e干擾 nc1.3 自動控制系統(tǒng)的方框圖 環(huán)節(jié)方框圖中，系統(tǒng)

10、的每一個具有一定功能的組成部分稱為環(huán)節(jié)。圖形為方框，環(huán)節(jié)間信號的傳遞用帶箭頭的作用線來表示，箭頭方向為作用方向。 輸入信號箭頭進(jìn)入方框的信號。輸入信號就是使系統(tǒng)這個元件發(fā)生變化的原因。 輸出信號箭頭離開方框的信號。在輸入信號作用下，引起元件變化的結(jié)果。對于整個系統(tǒng)而言，系統(tǒng)的輸出量即為被控量，而系統(tǒng)的輸入量則有兩個：一個是給定值的變化，另一個是干擾的輸入。不同的干擾起作用也不同。一. 幾個基本概念控制器執(zhí)行機(jī)構(gòu)受控對象測量、變送器給定值 r測量信號 偏差e干擾 nc1.3 自動控制系統(tǒng)的方框圖一. 幾個基本概念注意：作用線的箭頭方向只表示信號的傳遞方向，而不表示實際工質(zhì)的運動方向。例如：對于汽

11、包而言，輸出量為水位，而引起液位變化的因素有兩個，即給水流量的變化和蒸汽負(fù)荷的變化。而實際系統(tǒng)中，蒸汽是從汽包中流出。1.3 自動控制系統(tǒng)的方框圖二. 廣義對象方框圖的應(yīng)用可繁可簡，其基本原則就是能清楚地表達(dá)所需研究的信號的傳遞關(guān)系和所研究環(huán)節(jié)的性能。在工程實際中，所測量的對象的特性，往往還包含檢測元件、變送器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的特性，這時，對象的特性則稱為“廣義對象特性”。控制器廣義對象給定值 r 偏差e干擾 n被控量13 自動控制系統(tǒng)的方框圖三. 相加點與分支點 相加點r+e=rbb相加的兩個信號（r和b）的量綱必須相同。 分支點一個信號送到兩個地方（或多個兩個地方）。ccc注意：分支是指信號的傳

12、遞，而不是能量或物質(zhì)的分流，因此分支點以后的信號都等于分支點以前的信號。一、按信號的傳遞路徑來分類 1、開環(huán)控制系統(tǒng) 系統(tǒng)的輸出端與輸入端不存在反饋回路，輸出量對系統(tǒng)的控制作用不發(fā)生影響的系統(tǒng)。1.4 自動控制系統(tǒng)的分類特點：系統(tǒng)的被控量對系統(tǒng)的控制作用沒有影響； 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，控制精度取決于系統(tǒng)各組成環(huán)節(jié)元部件的精度； 對于干擾無法自動補(bǔ)償，控制精度難以保證； 僅適用于輸入/輸出關(guān)系已知，且系統(tǒng)幾乎不存在干擾的場合。例如：自動報警器、自動售貨機(jī)、自動流水線等。控制器執(zhí)行機(jī)構(gòu)受控對象給定值 r干擾 n被控量1.4 自動控制系統(tǒng)的分類一. 按信號的傳遞路徑來分類 1. 開環(huán)控制系統(tǒng)1.4 自動控

13、制系統(tǒng)的分類一. 按信號的傳遞路徑來分類 1. 開環(huán)控制系統(tǒng)前饋控制：對于開環(huán)控制，如果存在可測的干擾信號，則可利用干擾信號產(chǎn)生控制作用，以補(bǔ)償干擾對被控量的影響。補(bǔ)償調(diào)節(jié)器執(zhí)行機(jī)構(gòu)受控對象給定值 r干擾 n被控量測量裝置這種按照開環(huán)補(bǔ)償原理建立起來的系統(tǒng)稱為開環(huán)補(bǔ)償系統(tǒng)，該控制稱為前饋控制。特點： 是一種主動控制方式； 單純的前饋控制一般難以滿足控制要求； 控制精度受到原理的限制。 2. 閉環(huán)控制系統(tǒng)（反饋控制系統(tǒng)） 特點：系統(tǒng)輸出信號與測量元件之間存在反饋回路。 “閉環(huán)”這個術(shù)語的含義，就是將輸出信號通過測量元件反饋到系統(tǒng)的輸入端，通過比較、控制來減小系統(tǒng)誤差。1.4 自動控制系統(tǒng)的分類

14、2. 閉環(huán)控制系統(tǒng)（反饋控制系統(tǒng)） 1.4 自動控制系統(tǒng)的分類特點：統(tǒng)的輸出量（被控量）對控制作用有直接影響；都是負(fù)反饋控制系統(tǒng)，按照偏差進(jìn)行控制；不管由于干擾或由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化所引起的被控量偏離給定值，都會產(chǎn)生控制作用去消除該偏差。該系統(tǒng)從原理上提供了實現(xiàn)高質(zhì)量控制的可能性。 常見的控制系統(tǒng)絕大多數(shù)均屬于閉環(huán)控制系統(tǒng)?？刂破鲌?zhí)行機(jī)構(gòu)受控對象測量、變送器給定值 r測量信號 偏差e干擾 n被控量 3. 復(fù)合控制系統(tǒng) 1.4 自動控制系統(tǒng)的分類由于反饋控制只是在偏差出現(xiàn)以后才產(chǎn)生控制作用，因此，系統(tǒng)在強(qiáng)干擾作用下，被控量有可能產(chǎn)生較大波動的控制過程。對于這種工作環(huán)境適宜采用按偏差調(diào)節(jié)和按干擾

15、補(bǔ)償相結(jié)合的復(fù)合控制系統(tǒng)?？刂破鲌?zhí)行機(jī)構(gòu)受控對象測量、變送器給定值 r測量信號 偏差e干擾 n被控量補(bǔ)償器二、按系統(tǒng)的控制作用來分類 控制的任務(wù)：使被控對象的被控量等于給定值。即： 1、恒值控制系統(tǒng)（或稱自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)、自動鎮(zhèn)定系統(tǒng)、定植控制系統(tǒng)） 特點：輸入信號是一個恒定的數(shù)值，r(t)=const。 工業(yè)生產(chǎn)中的恒溫、恒壓等自動控制系統(tǒng)都屬于這一類型，如汽包水位控制、過熱汽溫控制等。 2、過程控制系統(tǒng)（或稱程序控制系統(tǒng)） 特點：輸入信號是一個已知的函數(shù)，r(t)=f(t)。 系統(tǒng)的控制過程 按預(yù)定的程序進(jìn)行，要求被控量能迅速準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)輸入，如化工中的壓力、溫度、流量控制，電站汽輪機(jī)啟動過程中

16、希望轉(zhuǎn)速隨時間成一定函數(shù)關(guān)系。 恒值控制系統(tǒng)可看成輸入等于常值的過程控制系統(tǒng)。 271.4 自動控制系統(tǒng)的分類3、隨動系統(tǒng)（或稱伺服系統(tǒng)） 特點：輸入信號是一個未知函數(shù)。要求控制系統(tǒng)的輸出量跟隨輸入信號變化。 如：負(fù)荷控制、鍋爐燃燒過程中的風(fēng)量的控制等。1.4 自動控制系統(tǒng)的分類三、按系統(tǒng)傳輸信號的性質(zhì)來分類 1、連續(xù)系統(tǒng) 特點：系統(tǒng)各部分的信號都是時間的連續(xù)函數(shù)。目前工業(yè)中普遍采用的常規(guī)儀表PID調(diào)節(jié)器控制的系統(tǒng)。 2、離散系統(tǒng) 特點：系統(tǒng)中存在一個或幾個時間上離散的信號。系統(tǒng)中用脈沖開關(guān)或采樣開關(guān)，將連續(xù)信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散信號。其中離散信號以脈沖形式傳遞的系統(tǒng)又叫脈沖控制系統(tǒng)，離散信號以數(shù)碼形

17、式傳遞的系統(tǒng)又叫數(shù)字控制系統(tǒng)。1.4 自動控制系統(tǒng)的分類 1.4 自動控制系統(tǒng)的分類四、按描述系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型不同來分類 1、線性系統(tǒng) 特點：系統(tǒng)由線性元件構(gòu)成，描述運動規(guī)律的數(shù)學(xué)模型為線性微分方程。運動方程一般形式： 式中：r(t)系統(tǒng)輸入量； c(t)系統(tǒng)輸出量 主要特點是具有疊加性和齊次性。1.4 自動控制系統(tǒng)的分類四、按描述系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型不同來分類 1、線性系統(tǒng) 主要特點是具有疊加性和齊次性。1.4 自動控制系統(tǒng)的分類系統(tǒng)r1(t)c1(t)系統(tǒng)r2(t)c2(t)系統(tǒng)ar1(t)br2(t)ac1(t)bc2(t)四、按描述系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型不同來分類 1、線性系統(tǒng) 線性定常系統(tǒng)描述系統(tǒng)運

18、動狀態(tài)的微分方程（差分方程）的系數(shù)是不隨時間變化的常數(shù)。 線性時變系統(tǒng)描述系統(tǒng)運動狀態(tài)的微分方程（差分方程）的系數(shù)是時間的函數(shù)。 例如：331.4 自動控制系統(tǒng)的分類線性定常系統(tǒng)線性時變系統(tǒng)2、非線性系統(tǒng)特點：在構(gòu)成系統(tǒng)的環(huán)節(jié)中有一個或一個以上的非線性環(huán)節(jié)。非線性的理論研究遠(yuǎn)不如線性系統(tǒng)那么完整，目前尚無通用的方法可以解決各類非線性系統(tǒng)。非線性系統(tǒng)不具備疊加性和均勻性。例如：1.4 自動控制系統(tǒng)的分類非線性定常系統(tǒng)非線性時變系統(tǒng)非線性定常靜態(tài)系統(tǒng)線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)的比較：r(t)和c(t)分別表示系統(tǒng)的輸入和輸出，判斷各方程所描述的系統(tǒng)的類型（線性/非線性、定常/時變、動態(tài)/靜態(tài)）。351.

19、4 自動控制系統(tǒng)的分類線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)的比較：r(t)和c(t)分別表示系統(tǒng)的輸入和輸出，判斷各方程所描述的系統(tǒng)的類型（線性/非線性、定常/時變、動態(tài)/靜態(tài)）。361.4 自動控制系統(tǒng)的分類線性時變動態(tài)，時變因素t、e-t非線性時變動態(tài)，非線性因素：r2(t)，時變因素t1/2非線性定常動態(tài)，非線性因素：10非線性定常靜態(tài)，非線性因素：e-r(t)非線性定常動態(tài)，非線性因素：第2、3、4項非線性定常靜態(tài)，非線性因素：分段線性系統(tǒng)的要領(lǐng)：（1）線性系統(tǒng)的一般形式：1.4 自動控制系統(tǒng)的分類（2）方程中的每一項均與c(t)，r(t)或其各階導(dǎo)數(shù)有關(guān)。（3）系統(tǒng)不能為他們的導(dǎo)數(shù)或c(t)，r(t

20、)。（4）ai和bi均為常數(shù)時為定常系統(tǒng)，否則為時變系統(tǒng)。（5）當(dāng)方程中只含有c(t)，r(t)而不含其導(dǎo)數(shù)項時，為靜態(tài)系統(tǒng)。（6）分段特性系統(tǒng)是非線性系統(tǒng)，因為動態(tài)是指全范圍滿足疊加性。其他的分類方法：按功能來分：溫度控制系統(tǒng)、速度控制系統(tǒng)、位置控系統(tǒng)等。按元件組成分：機(jī)電系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、生物系統(tǒng)等。1.4 自動控制系統(tǒng)的分類分類小結(jié)391.4 自動控制系統(tǒng)的分類控制系統(tǒng)的組成：輸入部分、控制系統(tǒng)部分和輸出部分。從物理角度上看，自動控制研究的是特定激勵作用下的系統(tǒng)響應(yīng)變化情況；從數(shù)學(xué)角度上看，研究的是輸入與輸出之間的映射關(guān)系。1.4 反饋控制系統(tǒng)的基本組成1. 溫控系統(tǒng)人工控制1.4 反饋控制系統(tǒng)的基本組成控制目標(biāo)：要求爐子的溫度恒定在期望的數(shù)值上?？刂七^程：1.4 反饋控制系統(tǒng)的基本組成432.溫控系統(tǒng)自動控制1.4 反饋控制系統(tǒng)的基本組成 控制目標(biāo)：要求爐子的溫度恒定在期望的數(shù)值上。 控制過程：1.4 反饋控制系統(tǒng)的基本組成一般的形式 輸入信號系統(tǒng)控制目標(biāo)的反映，是人的意志的具體體?？刂葡到y(tǒng)主要完成對有關(guān)信號的變換、處理，發(fā)出控制量，驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成控制功能