自動控制第一章

自動控制原理朱穎zhuyinglz@163.com高等數(shù)學積分變換自動控制理論現(xiàn)代控制理論其它專業(yè)課程

1、是一門專業(yè)基礎課

2、理論實踐相結(jié)合理論性非常強,但又和實際應用緊密結(jié)合

3、內(nèi)容廣泛自動控制理論課程特點學習自動控制理論的重要性3、本課程能為解決實際控制問題提供理論和方法1、本課程是自動化專業(yè)承上啟下的課程2、自動控制技術是應用非常廣泛的技術

電機控制、自動化生產(chǎn)線、火炮雷達控制、家用電器、機械、冶金、石油、化工、電力電子、航空、航海、航天、核反應堆等。4、學分較多本門課程的性質(zhì):1.重要的技術基礎課，闡述有關自動控制技術的基礎理論——經(jīng)典控制論，研究“控制論”在工程中的應用?；緝?nèi)容——控制論的基本理論、方法、特點、綜合設計方法。研究對象——自動控制系統(tǒng)，揭示自動控制系統(tǒng)中存在的信息轉(zhuǎn)換、傳遞和反饋。2.學習目的：①自動化發(fā)展的需要②與信息科學、系統(tǒng)科學關系緊密③掌握控制系統(tǒng)分析與設計的基本方法本課程學習方法1、打好基礎高等數(shù)學、積分變換、電路原理、電子技術2、做好預習3、聽好課講課的速度較快、了解課程內(nèi)容掌握基本理論和基本方法4、做好習題應用學到的基本理論和基本方法解決實際問題什么是自動控制系統(tǒng)？示例——水池水位控制

1.人工控制被控對象：水池被控量：水池的水位觀測實際水位，將期望的水位值與實際水位相比較，兩者之差為誤差。根據(jù)誤差的大小和方向調(diào)節(jié)進水閥門的開度，即當實際水位高于要求值時，關小進水閥門開度，否則加大閥門開度以改變進水量，從而改變水池水位，使之與要求值保持一致。

人腦：記住水位的期望值；人眼：觀察水池的實際水位；測量（測量反饋機構(gòu)）人腦：將水池的期望值-實際值；比較（比較機構(gòu)）人手：調(diào)節(jié)進水閥門的開度，執(zhí)行控制作用。執(zhí)行（執(zhí)行機構(gòu)）是一個反復觀察測量、比較、調(diào)整執(zhí)行的過程，力圖將水池水位的期望值與實際值之間的差值減為0。2.自動控制當實際水位低于要求水位時，電位器輸出電壓值為正，且其大小反映了實際水位與水位要求值的差值，放大器輸出信號將有正的變化，電動機帶動減速器使進水閥門開度增加，直到實際水位重新與水位要求值相等時為止。電位計+連桿—人腦：記住水位的期望值；浮子—人眼：觀察水池的實際水位；電位計+連桿—人腦：反映誤差（=水位的期望值-實際值）；電動機—人手：調(diào)節(jié)進水閥門開度，執(zhí)行控制作用。是一個反復觀察測量、比較、調(diào)整執(zhí)行的過程，力圖將水池水位的期望值與實際值間的差值減為0，即誤差為0?？刂七^程：測量（測量反饋機構(gòu)）—浮子比較（比較機構(gòu)）—電位計+連桿執(zhí)行（執(zhí)行機構(gòu)）—電動機在水位自動控制系統(tǒng)中：被控對象：水池；輸出量：水位的實際值；給定輸入量：水位的期望值；擾動輸入量：如放大器的漂移（對系統(tǒng)的輸出起反作用的輸入量）；1.1引言1.2自動控制系統(tǒng)的組成1.3控制系統(tǒng)的主要類型及控制方式1.4對控制系統(tǒng)的基本要求第1章自動控制系統(tǒng)概論1.1引言一、控制系統(tǒng)基本概念a.控制（Control）：根據(jù)某種原理或方法，使特定對象（被控對象）的某些物理量（被控量）按照預期規(guī)律變化的操縱過程。b.人工控制（ManualControl）：由人直接或間接操作執(zhí)行裝置的控制方式。1.自動控制（AutomaticControl）：是指在沒有人直接參與的情況下，利用自動控制裝置（簡稱為控制器），使被控對象（生產(chǎn)裝置、機器設備或其他過程）的某些物理量（稱為被控量或輸出量）自動地按預定的規(guī)律運行或變化。2.自動控制理論：實現(xiàn)自動控制技術的理論叫自動控制理論，是研究有關自動控制共同規(guī)律的一門技術科學。

3.自動控制系統(tǒng)：能夠?qū)Ρ豢貙ο蟮墓ぷ鳡顟B(tài)進行控制的系統(tǒng)。

自動控制理論分為經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論、大系統(tǒng)理論與智能控制理論三大部分。二、自動控制理論的發(fā)展狀態(tài)

形成時期理論基礎分析方法研究對象主要問題數(shù)學工具30-50年代經(jīng)典控制理論時域、復域、頻域SISO系統(tǒng)的分析和綜合（穩(wěn)定性）微分方程、拉氏變換、復變函數(shù)60-70年代現(xiàn)代控制理論狀態(tài)空間、時域MIMO最優(yōu)化問題矩陣理論線性代數(shù)70年代至今大系統(tǒng)理論、智能控制時域、復域、頻域法、模糊集法多因素、多層次、復雜對象數(shù)學百科全書經(jīng)典控制理論(19世紀初)

時域法復域法(根軌跡法)

頻域法

現(xiàn)代控制理論(20世紀60年代)

線性系統(tǒng)自適應控制最優(yōu)控制魯棒控制最佳估計容錯控制系統(tǒng)辨識集散控制大系統(tǒng)復雜系統(tǒng)

智能控制理論(20世紀70年代)

專家系統(tǒng)模糊控制神經(jīng)網(wǎng)絡遺傳算法

1.2自動控制系統(tǒng)的組成一、控制系統(tǒng)的組成被控對象控制系統(tǒng)測量元件比較元件

控制裝置

放大元件（自動化裝置）執(zhí)行機構(gòu)校正裝置給定元件1.被控對象：要求實現(xiàn)自動控制的機器、設備或生產(chǎn)過程；2.被控變量:被控對象內(nèi)要求自動控制的物理量，也稱為輸出量；3.控制量（操縱變量）：作為被控量的控制信號，作用于自動控制系統(tǒng)的輸入量，或消除干擾的影響，實現(xiàn)控制作用的參數(shù)；4.輸入量：在控制系統(tǒng)中，影響系統(tǒng)輸出量的外界輸入；5.輸入量分為：給定輸入量（給定信號）和擾動輸入量（擾動信號）；6.執(zhí)行機構(gòu)：直接作用于被控對象，使得被控量達到要求的裝置；7.測量元件(檢測裝置):用來檢測被控量將其轉(zhuǎn)換成與給定值相同的物理量。8.控制裝置：即控制器，對被控對象起控制作用裝置的總稱；9.放大元件:將微弱的信號作線性放大；10.校正元件：按某種函數(shù)規(guī)律變換控制信號，并能反映兩者差值的偏差信號以利于改善系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)或靜態(tài)性能。校正環(huán)節(jié)可加于偏差信號與輸出信號之間的通道內(nèi)，也可加于某一局部反饋通道內(nèi)。前者稱為串聯(lián)校正，后者稱為并聯(lián)校正或反饋校正。二、控制系統(tǒng)的方塊圖信號：在方框圖中用帶箭頭的直線表示；具有方向性，單向性；正(前)向通路：信號從輸入端沿箭頭方向到達系統(tǒng)輸出端的傳輸?shù)?；反饋回路：信號從輸出端沿箭頭方向到達系統(tǒng)輸入端的傳輸通道；方框圖中各符號的意義元部件

方框（塊）圖信號（物理量）及傳遞方向中的符號比較點引出點表示負反饋三、自動控制系統(tǒng)的基本控制方式開環(huán)控制是指控制裝置與被控制對象之間只有正向作用而沒有反向聯(lián)系的控制過程。開環(huán)控制系統(tǒng)的特點：（1）系統(tǒng)輸出量對控制作用無影響（2）無反饋環(huán)節(jié)（3）出現(xiàn)干擾靠人工消除（4）無法實現(xiàn)高精度控制開環(huán)控制

舉例1：

開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)（不考慮測速反饋）工作原理：給定電壓ug經(jīng)放大后得到電樞電壓ua，改變ug可得不同的轉(zhuǎn)速n，該系統(tǒng)只有輸入量ug對輸出量n的單向控制作用。輸出端和輸入端之間不存在反饋回路。

+_電壓放大器功率放大器Mc負載n電動機+_+_+電位器開環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)點——結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，調(diào)試方便，成本低。因此，在輸入量和輸出量之間的關系固定，且內(nèi)部參數(shù)或外部負載等擾動因素不大，或這些擾動因素可以預測并進行補償?shù)那疤嵯?，應盡量采用開環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制的缺點——當控制過程中受到來自系統(tǒng)外部的各種擾動因素，如負載變化、電源電壓波動等，以及來自系統(tǒng)內(nèi)部的擾動因素，如元件參數(shù)變化等，都將會直接影響到輸出量，而控制系統(tǒng)不能自動進行補償，抗干擾性能差。因此，開環(huán)系統(tǒng)對元器件的精度要求較高。圖.開環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖

閉環(huán)控制閉環(huán)控制指控制裝置與被控對象之間既有正向的作用，又有反向聯(lián)系的控制過程。若將系統(tǒng)的輸出量反饋到其輸入端，與參考輸入進行比較，則構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)。把取出的輸出量送回輸入端，并與輸入信號相比較產(chǎn)生偏差信號的過程，稱為反饋。通過反饋使偏差增大的正反饋，用“+”表示通過反饋使偏差減小的負反饋，用“-”表示舉例2：閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)（考慮測速反饋）+_電壓放大器功率放大器Mc負載n電動機+_+_uf電位器測速發(fā)電機+

ug偏差U=ug-uf-

直流電動機轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)方塊圖設上述系統(tǒng)原已在某個給定電壓ug相對于的轉(zhuǎn)速n狀態(tài)下運行，若一旦受到某些干擾（如負載轉(zhuǎn)矩突然增大）而引起轉(zhuǎn)速下降時，系統(tǒng)就會自動地產(chǎn)生相應的調(diào)整過程。偏差始終存在正反饋不能進行控制，會使系統(tǒng)的偏差越來越大。Mc↑→n↓→uf↓→=（ug

-uf）↑→ua↑→n↑n電

壓放大器輸入量Mc擾動輸出量功

率放大器直

流電動機＋ugua測

速發(fā)電機uf－圖2.閉環(huán)控制系統(tǒng)方塊圖閉環(huán)控制的優(yōu)點——抑制擾動能力強，與開環(huán)控制相比，對參數(shù)變化不敏感，并能獲得滿意的動態(tài)特性和控制精度。閉環(huán)控制的缺點——引入反饋增加了系統(tǒng)的復雜性，如果閉環(huán)系統(tǒng)參數(shù)的選取不適當，系統(tǒng)可能會產(chǎn)生振蕩，甚至系統(tǒng)失穩(wěn)而無法正常工作，這是自動控制理論和系統(tǒng)設計必須解決的重要問題。自動控制理論主要研究閉環(huán)控制系統(tǒng)

爐溫控制系統(tǒng)的理想溫度由電壓ur給出，熱電偶檢測箱溫輸出電壓uf，偏差電壓ue=ur-uf，經(jīng)電壓和功率放大后控制電機的速度和轉(zhuǎn)向，從而改變調(diào)壓器滑動觸頭的位置，改變爐溫控制系統(tǒng)的外施電壓達到恒定爐溫的目的。例3.爐溫控制系統(tǒng)溫度Tc下降，Tc↓→uf↓→

ue=ur-

uf↑→ua↑→電機向增大調(diào)壓器輸出電壓的方向加速旋轉(zhuǎn)→Tc↑→uf↑，直到Tc

=Tr，ue=0。原理：即當恒溫箱內(nèi)溫度偏高時，使調(diào)壓器降壓，反之升壓，直到溫度達到給定值為止。此時偏差電壓ue=0，電機停轉(zhuǎn)。爐溫自動控制系統(tǒng)方框圖放大器電機減速器調(diào)壓器電爐熱電偶+-ufueurTcua給定裝置Tr擾動1.3控制系統(tǒng)的主要類型及控制方式一、按描述元件的動態(tài)方程：1．線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)（1）線性系統(tǒng)：用線性微分方程或線性差分方程描述的系統(tǒng)。重要性質(zhì)：滿足疊加性和齊次性當系統(tǒng)輸入為、時，系統(tǒng)為、，則系統(tǒng)總的輸出為——疊加性當輸入為，則輸出——齊次性（2）非線性系統(tǒng)：用非線性微分方程或差分方程描述的系統(tǒng)。重要性質(zhì)：不滿足疊加性和齊次性注意：任何的物理系統(tǒng)都是非線性的，但是在一定條件下可以將某些非線性特性線性化，近似地用線性微分方程去描述，這樣就可以按照線性系統(tǒng)來處理。

2．按信號的傳遞是否連續(xù)（1）連續(xù)系統(tǒng)：系統(tǒng)中各元件的輸入量和輸出量均為時間t的連續(xù)函數(shù)。連續(xù)系統(tǒng)的運動規(guī)律可用微分方程描述，系統(tǒng)中各部分信號都是模擬量。（2）離散系統(tǒng)：系統(tǒng)中某一處或幾處的信號是以脈沖系列或數(shù)碼的形式傳遞的系統(tǒng)。離散系統(tǒng)的運動規(guī)律可以用差分方程來描述。計算機控制系統(tǒng)就是典型的離散系統(tǒng)。3．按系統(tǒng)的參數(shù)是否隨時間變化分類（1）定常系統(tǒng)：系統(tǒng)中的參數(shù)不隨時間變化；（2）時變系統(tǒng)：系統(tǒng)中的參數(shù)是時間的函數(shù)；4.按給定值特征分類（1）定(恒)值控制系統(tǒng)：

給定值不變，要求系統(tǒng)輸出量以一定的精度接近給定希望值的系統(tǒng)。如生產(chǎn)過程中的溫度、壓力、流量、液位高度、電動機轉(zhuǎn)速等自動控制系統(tǒng)屬于恒值系統(tǒng)。（2）隨動控制系統(tǒng)：

給定值隨時間變化的未知函數(shù)，要求輸出跟隨給定值的變化。如跟隨衛(wèi)星的雷達天線系統(tǒng)。（3）程序控制系統(tǒng)：

給定值隨時間變化的已知函數(shù)。如程控機床。

1.4對控制系統(tǒng)的基本要求要提高控制質(zhì)量，就必須對自動控制系統(tǒng)的性能提出一定的具體要求。盡管自動控制系統(tǒng)有不同的類型，對每個系統(tǒng)都有不同的特殊要求。但總的說來，都是希望設計的控制過程盡量接近理想的控制過程。工程上常常從穩(wěn)、準、快三個方面來評價自動控制系統(tǒng)的總體精度。

1.穩(wěn)——指控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和平穩(wěn)性。穩(wěn)定性——指系統(tǒng)重新恢復平衡狀態(tài)的能力，它是自動控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。一個穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，其被控量偏離期望值的初始偏差應隨時間的增長逐漸減小至穩(wěn)態(tài)值或趨于零。

平穩(wěn)性——指過渡過程振蕩的振幅與頻率。即被控量圍繞給定值擺動的幅度和擺動的次數(shù)。好的過渡過程擺動的幅度要小，擺動的次數(shù)要少。2.快速性——即過渡過程繼續(xù)的時間長短。過渡過程越短，說明系統(tǒng)快速性越好，過渡過程持續(xù)時間越長，說明系統(tǒng)響應遲鈍，難以實現(xiàn)快速變化的指令信號。3.準確性——是指系統(tǒng)在過渡過程結(jié)束后，偏差的最終值的大小，稱為穩(wěn)態(tài)誤差，它是衡量系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度的重要指標。穩(wěn)態(tài)誤差越小，表示系統(tǒng)的準確性越好，被控量（輸出量）的期望值與實際值之間的差值就越小。

由于被控對象的具體情況不同，各系統(tǒng)對穩(wěn)、快、準的要求各有側(cè)重。而且對同一系統(tǒng)，穩(wěn)、快、準的要求常常是相互制約的。過分提高過程的快速性，可能會引起系統(tǒng)強烈的振蕩，而過分追求穩(wěn)定性，又可能使系統(tǒng)反應遲緩，最終導致準確性變壞。如何分析和解決這些矛盾，將是本學科研究的主要內(nèi)容。

對于偏差始終存在的系統(tǒng)準確性：希望放大環(huán)節(jié)的放大系數(shù)大平穩(wěn)性：希望放大環(huán)節(jié)的放大系數(shù)小1.自動控制的一般概念

基本控制方式控制系統(tǒng)的基本組成控制系統(tǒng)的分類對控制系統(tǒng)的要求課程研究的內(nèi)容

2.要求掌握的知識點

負反饋控制系統(tǒng)的特點及原理由系統(tǒng)工作原理圖繪制方框圖