第1章 自動(dòng)控制原理 緒論

第1章緒論主要內(nèi)容：1.1自動(dòng)控制理論的形成與發(fā)展1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念1.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成1.4自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類1.5對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求1.6教學(xué)內(nèi)容與要求1.1自動(dòng)控制理論的形成與發(fā)展

自動(dòng)控制——是指在沒(méi)有人直接參與的情況下，利用外加設(shè)備或控制裝置使生產(chǎn)過(guò)程或被控對(duì)象中的某一物理量或多個(gè)物理量自動(dòng)地按照期望的規(guī)律去運(yùn)行或變化。這種外加的設(shè)備或裝置就稱為自動(dòng)控制裝置。

主要經(jīng)歷三個(gè)階段：經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論智能控制理論1.1.1經(jīng)典控制理論

1自動(dòng)裝置的發(fā)明與應(yīng)用

2穩(wěn)定性理論的建立

做出杰出貢獻(xiàn)的人物主要有：

拉普拉斯(1749-1827)李亞普諾夫(1857-1918）

這一時(shí)期，研究工作的重點(diǎn)是系統(tǒng)的穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)偏差，采用的數(shù)學(xué)工具是微分方程解析法，它們是在時(shí)間域上進(jìn)行討論的，通常稱這些方法為控制理論的時(shí)間域方法，簡(jiǎn)稱時(shí)域法。3頻域法與根軌跡法的建立做出杰出貢獻(xiàn)的人物主要有：Bell實(shí)驗(yàn)室工程師布萊克（H.S.Black）美國(guó)物理學(xué)家奈奎斯特（HarryNyquist，1889-1976）前蘇聯(lián)學(xué)者米哈依洛夫Bell實(shí)驗(yàn)室的數(shù)學(xué)家伯德（HendrikBode,1905-1982）美國(guó)數(shù)學(xué)家維納（NorbertWiener,1894-1964）中國(guó)科學(xué)家錢學(xué)森

主要著作和論文：伯德的著作《NetworkAnalysisandFeedbackAmplifierDesign》維納的著作《CyberneticsorControlandCommunicationintheAnimalsandtheMachine》美國(guó)電信工程師埃文斯（W.R.Evans）的論文“Graphicalanalysisofcontrolsystem”和“Controlsystemsynthesisbyrootlocusmethod”錢學(xué)森的專著《EngineeringCybernetics》

4脈沖控制理論的建立代表人物及杰出貢獻(xiàn)：維納(1894-1964)

香農(nóng)(1916-2001)奈奎斯特(1889-1976)卡爾曼(1930-)

經(jīng)典控制理論主要是解決單輸入單輸出控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)，研究對(duì)象主要是線性定常系統(tǒng)。它以拉氏變換為數(shù)學(xué)工具，以傳遞函數(shù)、頻率特性、根軌跡等為主要分析設(shè)計(jì)工具，構(gòu)成了經(jīng)典控制理論的基本框架。簡(jiǎn)單地可概括為一個(gè)函數(shù)（傳遞函數(shù)）兩種方法（頻率響應(yīng)法和根軌跡法）。主要特點(diǎn)：它是一套工程實(shí)用的方法，許多工作可用作圖法來(lái)完成；物理概念清晰，在分析和設(shè)計(jì)時(shí)便于聯(lián)系工程實(shí)際作出決定，減少盲目性；可用實(shí)驗(yàn)方法建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。

1.1.2現(xiàn)代控制理論主要的模型形式：狀態(tài)空間法（StateSpaceMethod）與經(jīng)典控制理論相比較：既可以是單變量的、線性的、定常的、連續(xù)的；也可以是多變量的、非線性的、時(shí)變的、離散的。主要學(xué)科分支：系統(tǒng)辨識(shí)自適應(yīng)控制非線性系統(tǒng)最優(yōu)控制魯棒控制模糊控制預(yù)測(cè)控制容錯(cuò)控制復(fù)雜系統(tǒng)控制

1.1.3智能控制理論智能控制是一門交叉學(xué)科。智能控制是自動(dòng)控制發(fā)展的高級(jí)階段，是人工智能、控制論、系統(tǒng)論和信息論等多種學(xué)科的高度綜合與集成，代表控制理論與技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的最新方向?；A(chǔ)：人工智能主要目標(biāo)：使控制系統(tǒng)具有學(xué)習(xí)和適應(yīng)能力

代表人物：圖靈(1912-1954)明斯基(1927-)主要分支：模糊控制(FuzzyControl)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制(NeuralNet-basedControl)基于進(jìn)化機(jī)制的控制(EvolutionaryMechanismBasedControl)基于知識(shí)的控制(KnowledgeBasedControl)或?qū)＜铱刂?ExpertControl)學(xué)習(xí)控制(learningControl)復(fù)合智能控制(HybridIntelligentControl)1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念

自動(dòng)控制系統(tǒng)——能夠?qū)Ρ豢貙?duì)象的工作狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)控制的系統(tǒng)。它一般由控制裝置和被控對(duì)象組成。被控對(duì)象——那些要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程。控制裝置——對(duì)被控對(duì)象起控制作用的設(shè)備總體。

1.2.1人工控制與自動(dòng)控制的比較圖1-3（a）所示是一種人工操縱的水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)，控制要求是保持水箱水位始終處在期望水位（簡(jiǎn)稱給定值）。圖中水箱是被控制的設(shè)備，簡(jiǎn)稱被控對(duì)象；水箱水位是被控制的物理量，簡(jiǎn)稱被控量。圖1-3（b）所示是人工控制水位的模擬過(guò)程，簡(jiǎn)稱控制系統(tǒng)的方框圖。圖中用方框代表系統(tǒng)中具有相應(yīng)的功能單元或部件，用箭頭表示功能單元之間的信號(hào)及其傳遞方向。

圖1-3（a）水位人工調(diào)節(jié)原理圖圖1-3（b）水位人工調(diào)節(jié)系統(tǒng)的方框圖

圖1-4（a）所示是一種簡(jiǎn)單的水箱水位自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。圖中浮子相當(dāng)于人的眼睛，用來(lái)測(cè)量水位高低；連桿機(jī)構(gòu)相當(dāng)于人的大腦和手，用來(lái)進(jìn)行比較、計(jì)算誤差并實(shí)施控制。連桿的一端由浮子帶動(dòng)，另一端連接著進(jìn)水調(diào)節(jié)閥。圖1-4（b）所示是連桿自動(dòng)調(diào)節(jié)水位系統(tǒng)的方框圖。圖1-4（a）水位自動(dòng)調(diào)節(jié)原理圖

圖1-4（b）水位自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)方框圖圖1-5（a）所示是一種改進(jìn)的水位自動(dòng)控制系統(tǒng)。圖中浮子相當(dāng)于人的眼睛，對(duì)實(shí)際水位進(jìn)行測(cè)量；連桿和電位器相當(dāng)于人的大腦，它將實(shí)際水位與期望水位進(jìn)行比較，給出偏差的大小和極性；電動(dòng)機(jī)和減速器相當(dāng)于人的手，調(diào)節(jié)閥門開(kāi)度，對(duì)水位實(shí)施控制。圖1-5（b）所示是水位自動(dòng)控制系統(tǒng)的方框圖。圖1-5（a）改進(jìn)的水位自動(dòng)控制原理圖圖1-5（b）水位自動(dòng)控制系統(tǒng)的方框圖

自動(dòng)控制和人工控制極為相似，自動(dòng)控制系統(tǒng)只不過(guò)是把某些裝置有機(jī)地組合在一起，以代替人的職能而已。這些裝置相互配合，承擔(dān)著控制的職能，通常稱之為控制器（或控制裝置）。

被控對(duì)象和控制器是自動(dòng)控制系統(tǒng)中的兩個(gè)重要組成部分。

1.2.2開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)最典型的三種控制方式：開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)復(fù)合控制系統(tǒng)

開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)——不帶反饋裝置的控制系統(tǒng)，即不存在由輸出端到輸入端的反饋通路。也就是指系統(tǒng)的控制輸入不受輸出影響的控制系統(tǒng)。在開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)中，輸入端與輸出端之間，只有信號(hào)的前向通道（即信號(hào)從輸入端到輸出端的路徑），而不存在反饋通道（即信號(hào)從輸出端到輸入端的路徑）。

圖1.6（a）所示是一個(gè)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。圖1.6（a）轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)控制原理圖1-6（b）是直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖。圖1-6（b）轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)控制方框圖在開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)中，被控對(duì)象的輸出量對(duì)控制裝置（控制器）的輸出沒(méi)有任何影響，即控制裝置與被控對(duì)象之間只有順向控制作用，而沒(méi)有反向聯(lián)系的控制。由于缺少?gòu)南到y(tǒng)輸出端到輸入端的反饋回路，因此開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)精度低且適應(yīng)性差。

1.2.3閉環(huán)控制系統(tǒng)

閉環(huán)控制系統(tǒng)——輸出量直接或間接地反饋到輸入端，形成閉環(huán)參與控制的系統(tǒng)。也就是將輸出量反饋回來(lái)和輸入量比較，使輸出值穩(wěn)定在期望的范圍內(nèi)。

圖1-7（a）所示是一個(gè)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)。圖1-7（a）轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制原理圖1-7（b）是直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖。圖1-7（b）轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制方框圖

閉環(huán)控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)：被控對(duì)象的輸出（被控制量）會(huì)反送回來(lái)影響控制器的輸出，形成一個(gè)或多個(gè)閉環(huán)或回路。開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，成本較低。缺點(diǎn)：不能自動(dòng)修正被控量的偏離，控制精度低，抗干擾能力差，而且對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化比較敏感。閉環(huán)控制系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：具有自動(dòng)修正被控量出現(xiàn)偏離的能力，可以修正元件參數(shù)變化以及外界擾動(dòng)引起的誤差，控制精度高。缺點(diǎn)：被控量可能出現(xiàn)振蕩，甚至發(fā)散。1.2.4復(fù)合控制系統(tǒng)對(duì)主要的擾動(dòng)采用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償裝置實(shí)現(xiàn)按擾動(dòng)原則控制，同時(shí)，組成閉環(huán)反饋控制實(shí)現(xiàn)按偏差原則控制，以消除其它擾動(dòng)帶來(lái)的偏差。這樣按偏差原則和按擾動(dòng)原則結(jié)合起來(lái)構(gòu)成的系統(tǒng)，稱為復(fù)合控制系統(tǒng)。它兼有開(kāi)環(huán)和閉環(huán)兩者的優(yōu)點(diǎn)，可以構(gòu)成精度很高的控制系統(tǒng)。一種控制直流電動(dòng)機(jī)速度的復(fù)合控制系統(tǒng)的原理圖和方框圖如圖1-8所示。

圖1-8(a)轉(zhuǎn)速?gòu)?fù)合控制系統(tǒng)原理圖圖1-8(b)轉(zhuǎn)速?gòu)?fù)合控制系統(tǒng)方框圖1.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成

圖1-9反饋控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成給定環(huán)節(jié)：產(chǎn)生給定的輸入信號(hào)?？刂破鳎ㄕ{(diào)節(jié)器）：根據(jù)誤差信號(hào)，按一定規(guī)律，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，控制器是自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心部分。放大環(huán)節(jié)：將控制信號(hào)進(jìn)行放大，使其變換成能直接作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信號(hào)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)：一般由傳動(dòng)裝置和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成，直接作用于被控對(duì)象，使被控量發(fā)生變化。被控對(duì)象：控制系統(tǒng)所要控制的設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程，它的輸出就是被控量。反饋環(huán)節(jié)（檢測(cè)裝置）：對(duì)系統(tǒng)輸出（被控量）進(jìn)行測(cè)量，將它轉(zhuǎn)換成為與給定量相同的物理量（一般是電量）。擾動(dòng)：除輸入量外能使被控量偏離輸入量所要求的值或規(guī)律的控制系統(tǒng)的內(nèi)外的物理量。

前向通路：信號(hào)從輸入端沿箭頭方向到達(dá)輸出端的通路主反饋通路：系統(tǒng)的輸出量經(jīng)檢測(cè)裝置到輸入端的通路

主回路：由前向通路和主反饋通路構(gòu)成

內(nèi)回路：由局部前向通路和局部反饋通路夠成的回路

單回路系統(tǒng)：一個(gè)只包含主反饋通路的系統(tǒng)

多回路系統(tǒng)：包含兩個(gè)或兩個(gè)以上的反饋通路的系統(tǒng)

1.4自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類

1.4.1線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)

線性系統(tǒng)——組成系統(tǒng)的元器件的靜態(tài)特性為直線，該系統(tǒng)的輸入與輸出關(guān)系可以用線性微分方程來(lái)描述。

非線性系統(tǒng)——組成系統(tǒng)的元器件中有一個(gè)以上具有非直線的靜態(tài)特性的系統(tǒng)，只能用非線性微分方程描述，不滿足疊加原理。

(a)繼電器特性(b)飽和特性(c)不靈敏區(qū)特性圖1-10典型的非線性環(huán)節(jié)1.4.2連續(xù)系統(tǒng)與離散系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)——系統(tǒng)內(nèi)各處的信號(hào)都是以連續(xù)的模擬量傳遞的系統(tǒng)。其輸入－輸出之間的關(guān)系可用微分方程來(lái)描述。

離散系統(tǒng)——系統(tǒng)一處或多處的信號(hào)以脈沖序列或數(shù)碼形式傳遞的系統(tǒng)。可用差分方程來(lái)描述輸入－輸出之間的關(guān)系。

1.4.3恒值系統(tǒng)與隨動(dòng)系統(tǒng)恒值系統(tǒng)的特點(diǎn)：系統(tǒng)輸入量(即給定值)是恒定不變的。隨動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)：給定值是預(yù)先未知的或隨時(shí)間任意變化。

1.4.4單輸入輸出系統(tǒng)與多輸入輸出系統(tǒng)

單輸入-單輸出系統(tǒng)——輸入量和輸出量各只有一個(gè)，也稱為單變量系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單。

多輸入-多輸出系統(tǒng)——輸入量和輸出量個(gè)數(shù)多于一個(gè)，也稱為多變量系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。一個(gè)輸入量對(duì)多個(gè)輸出量有控制作用，同時(shí)，一個(gè)輸出量往往受多個(gè)輸入量的控制。

1.4.5確定性系統(tǒng)與不確定性系統(tǒng)

確定系統(tǒng)——系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)是確定的，預(yù)先可知的，系統(tǒng)的輸入信號(hào)(包括給定輸入和擾動(dòng))也是確定的，可用解析式或圖表確切地表示。不確定系統(tǒng)——系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不確定或作用于系統(tǒng)的輸入信號(hào)是不確定的。

1.4.6集中參數(shù)系統(tǒng)與分布參數(shù)系統(tǒng)集中參數(shù)系統(tǒng)——系統(tǒng)中的參量是定常的或是時(shí)間的函數(shù)，系統(tǒng)的輸入量、輸出量及中間量都只是時(shí)間的函數(shù)，運(yùn)動(dòng)規(guī)律可以用時(shí)間變量的常微分方程來(lái)描述的系統(tǒng)。分布參數(shù)系統(tǒng)——系統(tǒng)中至少存在一個(gè)環(huán)節(jié)必須用偏微分方程來(lái)描述，這一環(huán)節(jié)的參量不只是時(shí)間的函數(shù)還明顯依賴于該環(huán)節(jié)的狀態(tài)。系統(tǒng)的輸出不再單純是時(shí)間變量的函數(shù)，也是系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)變量的函數(shù)。1.5對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求

三個(gè)基本要求：

穩(wěn)定性——系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)下，受到擾動(dòng)作用后，系統(tǒng)恢復(fù)原有平衡狀態(tài)的能力，是控制系統(tǒng)正常工作的。準(zhǔn)確性——穩(wěn)態(tài)時(shí)系統(tǒng)期望輸出量和實(shí)際輸出量之差，是系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時(shí)的要求?？焖傩浴ㄟ^(guò)動(dòng)態(tài)過(guò)程時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)表征，是對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的要求。

1.5.1穩(wěn)定性

一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)處于一個(gè)平衡的狀態(tài)時(shí)，當(dāng)擾動(dòng)作用（或給定值發(fā)生變化）時(shí)，輸出量將偏離原來(lái)的穩(wěn)定值：穩(wěn)定系統(tǒng)不穩(wěn)定系統(tǒng)(a)輸入為階躍信號(hào)時(shí)的穩(wěn)定系統(tǒng)(b)輸入為階躍信號(hào)時(shí)的不穩(wěn)定系統(tǒng)

(c)輸入為干擾信號(hào)時(shí)的穩(wěn)定系統(tǒng)(d)輸入為干擾信號(hào)時(shí)的不穩(wěn)定系統(tǒng)圖1-11穩(wěn)定系統(tǒng)和不穩(wěn)定系統(tǒng)1.5.2動(dòng)態(tài)特性

動(dòng)態(tài)特性（暫態(tài)特性）——表征系統(tǒng)從一個(gè)穩(wěn)態(tài)過(guò)渡到另一個(gè)穩(wěn)態(tài)經(jīng)歷的過(guò)渡過(guò)程的指標(biāo)。由于控制對(duì)象的慣性有很大的不同，輸出量的暫態(tài)過(guò)程也就不同，其表現(xiàn)有以下幾種情況：?jiǎn)握{(diào)過(guò)程衰減振蕩過(guò)程持續(xù)振蕩過(guò)程發(fā)散振蕩過(guò)程

(a)給定量突變時(shí)輸出量的變化(b)負(fù)載突變時(shí)輸出量的變化圖1-12單調(diào)過(guò)程(a)給定量突變時(shí)輸出量的變化(b)負(fù)載突變時(shí)輸出量的變化圖1-13衰減振蕩過(guò)程(a)給定量突變時(shí)輸出量的變化(b)負(fù)載突變時(shí)輸出量的變化圖1-14持續(xù)振蕩過(guò)程(a)給定量突變時(shí)輸出量的變化(b)負(fù)載突變時(shí)輸出量的變化圖1-15發(fā)散振蕩過(guò)程

動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)——描述系統(tǒng)在單位階躍信號(hào)作用下的動(dòng)態(tài)過(guò)程隨時(shí)間的變化狀態(tài)的指標(biāo)。系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)通常有：延遲時(shí)間，上升時(shí)間，峰值時(shí)間，調(diào)節(jié)時(shí)間，超調(diào)量，振蕩次數(shù)。對(duì)于單位階躍信號(hào)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)如圖1-16所示：圖1-16系統(tǒng)對(duì)突加給定信號(hào)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線延遲時(shí)間——響應(yīng)曲線第一次到達(dá)其理論穩(wěn)定值的一半所需的時(shí)間。上升時(shí)間——響應(yīng)從理論穩(wěn)定值的上升到所需的時(shí)間。峰值時(shí)間——響應(yīng)超過(guò)其穩(wěn)態(tài)值到達(dá)第一個(gè)峰值所需的時(shí)間。調(diào)節(jié)時(shí)間——系統(tǒng)的輸出量進(jìn)入并保持在穩(wěn)態(tài)輸出值附近的允