第1章-自動控制系統(tǒng)基本概念(王恒迪)

控制理論及應(yīng)用教材：自動控制原理教師：王恒迪電話-mail:sywhd@答疑：西苑5-220，周三下午2：30-4：00先修課程：高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、積分變換、電工學(xué)、模擬電子技術(shù)后續(xù)課程：過程控制、數(shù)字信號處理、傳感器學(xué)時分配：共48學(xué)時，其中理論教學(xué)38學(xué)時，實驗8學(xué)時，考試2學(xué)時課程特點：理論性較強第一章自動控制系統(tǒng)的基本概念自動控制：在無人直接參與的情況下，利用控制裝置，使工作機械、或生產(chǎn)過程（被控對象）的某一個物理量（被控量）按預(yù)定的規(guī)律（給定量）變化。發(fā)展簡史經(jīng)典控制理論(19世紀初)時域法、根軌跡法、頻域法。研究方法：以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，研究單輸入、單輸出的線性定常系統(tǒng)?，F(xiàn)代控制理論(20世紀60年代)自適應(yīng)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。研究方法：以狀態(tài)方程為基礎(chǔ)，研究多輸入、多輸出的時變非線性系統(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(luò)、遺傳算法。

1788年JamesWatt發(fā)明飛球調(diào)節(jié)器，用來控制蒸汽機的轉(zhuǎn)速：調(diào)節(jié)進入蒸汽機的蒸氣量q，使蒸汽機在不同的工作負載T時，輸出轉(zhuǎn)速n保持不變。如果負載T發(fā)生變化使轉(zhuǎn)速n增加→離心機構(gòu)以o點為支點進一步張開，比較機構(gòu)的滑套上移→帶動轉(zhuǎn)換機構(gòu)的杠桿，將調(diào)節(jié)閥的閥門關(guān)小→直到進入的蒸氣量q隨之下降，使n回到原給定值。這就是轉(zhuǎn)速n本身的反饋控制。蒸汽機OTn負載干擾閥門q(蒸汽量)離心機構(gòu)轉(zhuǎn)換機構(gòu)比較機構(gòu)

世界上公認的第一個自動控制系統(tǒng)調(diào)速原理框圖問題：有時使蒸汽機速度出現(xiàn)大幅度振蕩。1868年英國麥克斯韋的“論調(diào)速器”論文指出：不應(yīng)單獨研究飛球調(diào)節(jié)器，必須從整個系統(tǒng)分析控制的不穩(wěn)定：建立系統(tǒng)微分方程，分析微分方程的解，從而分析實際系統(tǒng)是否會出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。這樣，控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的分析，變成了判別微分方程特征根實部的正、負號問題。麥克斯韋的這篇著名論文被公認為自動控制理論的開端。1875年，英國勞斯提出代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)。1895年，德國古爾維茲提出代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)。1892年，俄國李雅普諾夫提出穩(wěn)定性定義和兩個穩(wěn)定判據(jù)。1932年，美國奈奎斯特提出奈氏穩(wěn)定判據(jù)。1922年，米納斯基首先研制出了船舶操縱自動控制器。二戰(zhàn)中自動火炮、雷達、飛機以及通訊系統(tǒng)的控制研究直接推動了經(jīng)典控制的發(fā)展。1948年，維納出版《控制論》，形成完整的經(jīng)典控制理論，標志控制學(xué)科的誕生。維納成為控制論的創(chuàng)始人！二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，各國大力發(fā)展空間技術(shù)，經(jīng)典控制理論不能滿足需要，需要研究新的控制理論?，F(xiàn)代控制理論在空間技術(shù)取得巨大成功，促進了空間技術(shù)的發(fā)展?，F(xiàn)代控制理論在空間技術(shù)取得巨大成功，但由于工業(yè)過程控制中普遍存在的不確定性和干擾，難以取得預(yù)期的效果。模擬人的控制技術(shù)——智能控制理論得以誕生和發(fā)展，雖然不能實現(xiàn)精確的控制，但對各種復(fù)雜系統(tǒng)能夠做到比較滿意的控制。1.1自動控制的基本方式

開環(huán)控制、閉環(huán)控制、復(fù)合控制。1、開環(huán)控制改變電位器滑動端的位置，相應(yīng)地改變了電壓Ug值的大小，其值經(jīng)功率放大器放大后施加在直流電動機的電樞兩端，由于直流電動機具有恒定的勵磁電流。因此，隨著電樞電壓值的不同，電動機便以不同的轉(zhuǎn)速帶動生產(chǎn)機械運轉(zhuǎn)。于是，改變Ug的大小，便控制了電動機轉(zhuǎn)速的高低。系統(tǒng)中：Ug是給定輸入量；電動機的轉(zhuǎn)速n是系統(tǒng)的輸出量即被控量，功率放大器的電源電壓波動、放大系數(shù)漂移、拖動負載的變化等是擾動輸入量?？梢?，系統(tǒng)的輸出量，即電動機的轉(zhuǎn)速并沒有參與系統(tǒng)的控制。開環(huán)控制控制系統(tǒng)的輸出量對系統(tǒng)沒有控制作用，這種系統(tǒng)是開環(huán)控制系統(tǒng)。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，控制精度易受擾動影響；（2）結(jié)構(gòu)簡單，無反饋環(huán)節(jié)，一般不存在穩(wěn)定問題；（3）系統(tǒng)的精度取決于元件的精度和調(diào)整的準確度，無法實現(xiàn)高精度控制。2、閉環(huán)控制把輸出量直接或間接地反饋到系統(tǒng)的輸入端，形成閉環(huán)，參與控制，這種系統(tǒng)叫閉環(huán)控制系統(tǒng)。實際的閉環(huán)控制系統(tǒng)，基本上都是以負反饋的形式出現(xiàn)。比較線路放大器電動機放大器（給定輸入）干擾（被控量）ur（計算）烘爐（對象）熱電偶為什么要采用閉環(huán)控制系統(tǒng)？閉環(huán)控制系統(tǒng)有哪些優(yōu)點？閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點：

（1）系統(tǒng)輸出量直接或間接地參與了對系統(tǒng)的控制作用（負反饋）；（2）利用偏差信號減小或消除干擾的影響；（3）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可能工作不穩(wěn)定。反饋（信息反饋）：自動控制中一個最基本、最重要的概念就是反饋。將系統(tǒng)的輸出全部或部分地返回系統(tǒng)的輸入端，并與輸入信號共同作用于系統(tǒng)的過程。

負反饋：如果反饋回去的信號與系統(tǒng)的輸入信號方向相反（Negativefeedback）。

正反饋：如果反饋回去的信號與系統(tǒng)的輸入信號方向相同（Positivefeedback）。3、復(fù)合控制為了解決閉環(huán)系統(tǒng)本身精度和穩(wěn)定性之間存在的矛盾，可引入復(fù)合控制，等價于開環(huán)控制（順饋通路、前饋通路）+閉環(huán)控制。

按輸入信號補償，目的是提高系統(tǒng)跟蹤輸入信號的能力按擾動信號補償，目的是減小干擾的影響，增強抗干擾能力閉環(huán)控制系統(tǒng)的缺點（1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜；（2）一條前饋通路只能針對特定信號起作用，如果設(shè)計不當，還可能對其他信號造成不利的影響。1.2閉環(huán)系統(tǒng)的基本組成測量裝置輸出輸入+-給定環(huán)節(jié)串聯(lián)校正環(huán)節(jié)放大環(huán)節(jié)執(zhí)行機構(gòu)控制對象擾動并聯(lián)校正環(huán)節(jié)偏差主反饋局部反饋++比較環(huán)節(jié)

給定環(huán)節(jié)：設(shè)定被控量的給定值。

比較環(huán)節(jié)：將所測的被控量與給定量比較，確定兩者偏差量。

校正環(huán)節(jié)：用于改善系統(tǒng)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)（串聯(lián)校正），也可加于某一局部反饋通道內(nèi)（并聯(lián)校正或反饋校正）。

正反饋、負反饋。前向通路。主反饋、副反饋（局部反饋）。單回路系統(tǒng)、多回路系統(tǒng)。1.3自動控制系統(tǒng)的分類一、按數(shù)學(xué)描述形式分類：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)：滿足齊次性和疊加性。疊加性齊次性線性定常系統(tǒng)（線性時不變系統(tǒng)）：方程的系數(shù)與時間無關(guān)，為定常數(shù)。線性時變系統(tǒng)：方程的系數(shù)與時間有關(guān)，例如發(fā)射火箭，火箭的質(zhì)量隨時間而變化。（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)：不滿足齊次性和疊加性。注意：1）即使系統(tǒng)中只有一個非線性元件，也屬于非線性系統(tǒng)。2）非線性系統(tǒng)的研究理論遠沒有線性系統(tǒng)成熟。3）任何的物理系統(tǒng)都是非線性的，但可在一定條件下線性化，近似地按照線性系統(tǒng)來處理。

2．連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)（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)。tout二、按給定信號分類（1）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)。主要矛盾是消除或減少擾動信號對系統(tǒng)輸出的影響，使被控制量（即系統(tǒng)的輸出量）保持在給定或希望的數(shù)值上。（2）隨動控制系統(tǒng)：

給定值按未知時間函數(shù)變化，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)。主要矛盾是要求輸出量以一定的精度和速度跟蹤輸入量，跟蹤的速度和精度是隨動系統(tǒng)的兩項主要性能指標。（3）程序控制系統(tǒng)：

給定值按一定時間函數(shù)變化。如數(shù)控機床、熱處理爐的升溫、保溫、降溫過程。

1.4對控制系統(tǒng)的基本要求對控制系統(tǒng)的基本要求歸納為穩(wěn)定性、快速性（動態(tài)特性）和準確性（穩(wěn)態(tài)特性）三個方面（穩(wěn)、快、準）。一、穩(wěn)定性（系統(tǒng)正常工作的首要條件）一個處于靜止或平衡工作狀態(tài)的系統(tǒng)，當受到任何輸入（給定信號或干擾）作用后，就可能偏離原有的平衡狀態(tài)。當作用消失后，系統(tǒng)中的狀態(tài)和輸出都能恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)的系統(tǒng)稱為穩(wěn)定的系統(tǒng)。若作用消失后，系統(tǒng)中的狀態(tài)和輸出發(fā)生增幅振蕩或單調(diào)增長現(xiàn)象的系統(tǒng)稱為不穩(wěn)定系統(tǒng)。y(t)t0y(t)t0ty(t)0y(t)t0二、快速性（動態(tài)特性）當系統(tǒng)給定量或擾動量突然增加，輸出量也會變化，如果系統(tǒng)沒有慣性，則可瞬間達到穩(wěn)態(tài)（如電位器）。但由于系統(tǒng)存在慣性和儲能元件，如電磁慣性、機械慣性等，輸出量不可能突變，則系統(tǒng)需一個暫態(tài)過程后才能達到穩(wěn)態(tài)?？焖傩跃褪欠从诚到y(tǒng)在動態(tài)過程中，系統(tǒng)跟蹤控制信號或抑制擾動的能力。動態(tài)特性好的系統(tǒng)，既要求過渡過程時間短，又要求過程平穩(wěn)、振蕩幅度小。

三個不同的系統(tǒng)對單位階躍輸入的響應(yīng)，如何理解單位階躍輸入？三、準確性（穩(wěn)態(tài)特性）準確性是指控制系統(tǒng)的控制精度，一般用穩(wěn)態(tài)誤差來衡量，穩(wěn)態(tài)誤差越小的系統(tǒng)，說明系統(tǒng)的控制精度越高，穩(wěn)態(tài)特性越好。準確性是衡量控制系統(tǒng)性能的重要指標。兩個不同的系統(tǒng)對單位階躍輸入的響應(yīng)，一個系統(tǒng)存