第1章 自動控制原理 緒論

第1章緒論主要內容：1.1自動控制理論的形成與發(fā)展1.2自動控制系統(tǒng)的基本概念1.3自動控制系統(tǒng)的基本構成1.4自動控制系統(tǒng)的分類1.5對自動控制系統(tǒng)的基本要求1.6教學內容與要求1.1自動控制理論的形成與發(fā)展

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

主要經(jīng)歷三個階段：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自動裝置的發(fā)明與應用

2穩(wěn)定性理論的建立

做出杰出貢獻的人物主要有：

拉普拉斯(1749-1827)李亞普諾夫(1857-1918）

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

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

4脈沖控制理論的建立代表人物及杰出貢獻：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)的分析與設計，研究對象主要是線性定常系統(tǒng)。它以拉氏變換為數(shù)學工具，以傳遞函數(shù)、頻率特性、根軌跡等為主要分析設計工具，構成了經(jīng)典控制理論的基本框架。簡單地可概括為一個函數(shù)（傳遞函數(shù)）兩種方法（頻率響應法和根軌跡法）。主要特點：它是一套工程實用的方法，許多工作可用作圖法來完成；物理概念清晰，在分析和設計時便于聯(lián)系工程實際作出決定，減少盲目性；可用實驗方法建立系統(tǒng)的數(shù)學模型。

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、時變的、離散的。主要學科分支：系統(tǒng)辨識自適應控制非線性系統(tǒng)最優(yōu)控制魯棒控制模糊控制預測控制容錯控制復雜系統(tǒng)控制

1.1.3智能控制理論智能控制是一門交叉學科。智能控制是自動控制發(fā)展的高級階段，是人工智能、控制論、系統(tǒng)論和信息論等多種學科的高度綜合與集成，代表控制理論與技術領域發(fā)展的最新方向?；A：人工智能主要目標：使控制系統(tǒng)具有學習和適應能力

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)絡控制(NeuralNet-basedControl)基于進化機制的控制(EvolutionaryMechanismBasedControl)基于知識的控制(KnowledgeBasedControl)或專家控制(ExpertControl)學習控制(learningControl)復合智能控制(HybridIntelligentControl)1.2自動控制系統(tǒng)的基本概念

自動控制系統(tǒng)——能夠對被控對象的工作狀態(tài)進行自動控制的系統(tǒng)。它一般由控制裝置和被控對象組成。被控對象——那些要求實現(xiàn)自動控制的機器、設備或生產(chǎn)過程。控制裝置——對被控對象起控制作用的設備總體。

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

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

圖1-4（a）所示是一種簡單的水箱水位自動調節(jié)系統(tǒng)。圖中浮子相當于人的眼睛，用來測量水位高低；連桿機構相當于人的大腦和手，用來進行比較、計算誤差并實施控制。連桿的一端由浮子帶動，另一端連接著進水調節(jié)閥。圖1-4（b）所示是連桿自動調節(jié)水位系統(tǒng)的方框圖。圖1-4（a）水位自動調節(jié)原理圖

圖1-4（b）水位自動調節(jié)系統(tǒng)方框圖圖1-5（a）所示是一種改進的水位自動控制系統(tǒng)。圖中浮子相當于人的眼睛，對實際水位進行測量；連桿和電位器相當于人的大腦，它將實際水位與期望水位進行比較，給出偏差的大小和極性；電動機和減速器相當于人的手，調節(jié)閥門開度，對水位實施控制。圖1-5（b）所示是水位自動控制系統(tǒng)的方框圖。圖1-5（a）改進的水位自動控制原理圖圖1-5（b）水位自動控制系統(tǒng)的方框圖

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

被控對象和控制器是自動控制系統(tǒng)中的兩個重要組成部分。

1.2.2開環(huán)控制系統(tǒng)最典型的三種控制方式：開環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)復合控制系統(tǒng)

開環(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)。在開環(huán)控制系統(tǒng)中，輸入端與輸出端之間，只有信號的前向通道（即信號從輸入端到輸出端的路徑），而不存在反饋通道（即信號從輸出端到輸入端的路徑）。

圖1.6（a）所示是一個直流電動機轉速開環(huán)控制系統(tǒng)。圖1.6（a）轉速開環(huán)控制原理圖1-6（b）是直流電動機轉速開環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖。圖1-6（b）轉速開環(huán)控制方框圖在開環(huán)控制系統(tǒng)中，被控對象的輸出量對控制裝置（控制器）的輸出沒有任何影響，即控制裝置與被控對象之間只有順向控制作用，而沒有反向聯(lián)系的控制。由于缺少從系統(tǒng)輸出端到輸入端的反饋回路，因此開環(huán)控制系統(tǒng)精度低且適應性差。

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和輸入量比較，使輸出值穩(wěn)定在期望的范圍內。

圖1-7（a）所示是一個直流電動機轉速閉環(huán)控制系統(tǒng)。圖1-7（a）轉速閉環(huán)控制原理圖1-7（b）是直流電動機轉速閉環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖。圖1-7（b）轉速閉環(huán)控制方框圖

閉環(huán)控制系統(tǒng)的主要特點：被控對象的輸出（被控制量）會反送回來影響控制器的輸出，形成一個或多個閉環(huán)或回路。開環(huán)控制系統(tǒng)優(yōu)點：結構比較簡單，成本較低。缺點：不能自動修正被控量的偏離，控制精度低，抗干擾能力差，而且對系統(tǒng)參數(shù)變化比較敏感。閉環(huán)控制系統(tǒng)優(yōu)點：具有自動修正被控量出現(xiàn)偏離的能力，可以修正元件參數(shù)變化以及外界擾動引起的誤差，控制精度高。缺點：被控量可能出現(xiàn)振蕩，甚至發(fā)散。1.2.4復合控制系統(tǒng)對主要的擾動采用適當?shù)难a償裝置實現(xiàn)按擾動原則控制，同時，組成閉環(huán)反饋控制實現(xiàn)按偏差原則控制，以消除其它擾動帶來的偏差。這樣按偏差原則和按擾動原則結合起來構成的系統(tǒng)，稱為復合控制系統(tǒng)。它兼有開環(huán)和閉環(huán)兩者的優(yōu)點，可以構成精度很高的控制系統(tǒng)。一種控制直流電動機速度的復合控制系統(tǒng)的原理圖和方框圖如圖1-8所示。

圖1-8(a)轉速復合控制系統(tǒng)原理圖圖1-8(b)轉速復合控制系統(tǒng)方框圖1.3自動控制系統(tǒng)的基本構成

圖1-9反饋控制系統(tǒng)的基本構成給定環(huán)節(jié)：產(chǎn)生給定的輸入信號?？刂破鳎ㄕ{節(jié)器）：根據(jù)誤差信號，按一定規(guī)律，產(chǎn)生相應的控制信號，控制器是自動控制系統(tǒng)的核心部分。放大環(huán)節(jié)：將控制信號進行放大，使其變換成能直接作用于執(zhí)行機構的信號。執(zhí)行機構：一般由傳動裝置和調節(jié)機構組成，直接作用于被控對象，使被控量發(fā)生變化。被控對象：控制系統(tǒng)所要控制的設備或生產(chǎn)過程，它的輸出就是被控量。反饋環(huán)節(jié)（檢測裝置）：對系統(tǒng)輸出（被控量）進行測量，將它轉換成為與給定量相同的物理量（一般是電量）。擾動：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)的內外的物理量。

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

主回路：由前向通路和主反饋通路構成

內回路：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)：一個只包含主反饋通路的系統(tǒng)

多回路系統(tǒng)：包含兩個或兩個以上的反饋通路的系統(tǒng)

1.4自動控制系統(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)的輸入與輸出關系可以用線性微分方程來描述。

非線性系統(tǒng)——組成系統(tǒng)的元器件中有一個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)內各處的信號都是以連續(xù)的模擬量傳遞的系統(tǒng)。其輸入－輸出之間的關系可用微分方程來描述。

離散系統(tǒng)——系統(tǒng)一處或多處的信號以脈沖序列或數(shù)碼形式傳遞的系統(tǒng)?？捎貌罘址匠虂砻枋鲚斎耄敵鲋g的關系。

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

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，也稱為單變量系統(tǒng)，系統(tǒng)結構較為簡單。

多輸入-多輸出系統(tǒng)——輸入量和輸出量個數(shù)多于一個，也稱為多變量系統(tǒng)，系統(tǒng)結構較為復雜。一個輸入量對多個輸出量有控制作用，同時，一個輸出量往往受多個輸入量的控制。

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)的結構和參數(shù)是確定的，預先可知的，系統(tǒng)的輸入信號(包括給定輸入和擾動)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)本身的結構和參數(shù)不確定或作用于系統(tǒng)的輸入信號是不確定的。

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間的函數(shù)，系統(tǒng)的輸入量、輸出量及中間量都只是時間的函數(shù)，運動規(guī)律可以用時間變量的常微分方程來描述的系統(tǒng)。分布參數(shù)系統(tǒng)——系統(tǒng)中至少存在一個環(huán)節(jié)必須用偏微分方程來描述，這一環(huán)節(jié)的參量不只是時間的函數(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間變量的函數(shù)，也是系統(tǒng)內部狀態(tài)變量的函數(shù)。1.5對自動控制系統(tǒng)的基本要求

三個基本要求：

穩(wěn)定性——系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)下，受到擾動作用后，系統(tǒng)恢復原有平衡狀態(tài)的能力，是控制系統(tǒng)正常工作的。準確性——穩(wěn)態(tài)時系統(tǒng)期望輸出量和實際輸出量之差，是系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時的要求。快速性——通過動態(tài)過程時間的長短來表征，是對系統(tǒng)的動態(tài)響應的要求。

1.5.1穩(wěn)定性

一個實際系統(tǒng)處于一個平衡的狀態(tài)時，當擾動作用（或給定值發(fā)生變化）時，輸出量將偏離原來的穩(wěn)定值：穩(wěn)定系統(tǒng)不穩(wěn)定系統(tǒng)(a)輸入為階躍信號時的穩(wěn)定系統(tǒng)(b)輸入為階躍信號時的不穩(wěn)定系統(tǒng)

(c)輸入為干擾信號時的穩(wěn)定系統(tǒng)(d)輸入為干擾信號時的不穩(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動態(tài)特性

動態(tài)特性（暫態(tài)特性）——表征系統(tǒng)從一個穩(wěn)態(tài)過渡到另一個穩(wěn)態(tài)經(jīng)歷的過渡過程的指標。由于控制對象的慣性有很大的不同，輸出量的暫態(tài)過程也就不同，其表現(xiàn)有以下幾種情況：單調過程衰減振蕩過程持續(xù)振蕩過程發(fā)散振蕩過程

(a)給定量突變時輸出量的變化(b)負載突變時輸出量的變化圖1-12單調過程(a)給定量突變時輸出量的變化(b)負載突變時輸出量的變化圖1-13衰減振蕩過程(a)給定量突變時輸出量的變化(b)負載突變時輸出量的變化圖1-14持續(xù)振蕩過程(a)給定量突變時輸出量的變化(b)負載突變時輸出量的變化圖1-15發(fā)散振蕩過程

動態(tài)特性指標——描述系統(tǒng)在單位階躍信號作用下的動態(tài)過程隨時間的變化狀態(tài)的指標。系統(tǒng)的動態(tài)特性指標通常有：延遲時間，上升時間，峰值時間，調節(jié)時間，超調量，振蕩次數(shù)。對于單位階躍信號，系統(tǒng)的動態(tài)響應如圖1-16所示：圖1-16系統(tǒng)對突加給定信號的動態(tài)響應曲線延遲時間——響應曲線第一次到達其理論穩(wěn)定值的一半所需的時間。上升時間——響應從理論穩(wěn)定值的上升到所需的時間。峰值時間——響應超過其穩(wěn)態(tài)值到達第一個峰值所需的時間。調節(jié)時間——系統(tǒng)的輸出量進入并保持在穩(wěn)態(tài)輸出值附近的允