第1章：自動控制的一般概念

控制理論電氣工程及其自動化控制理論：自動化學科的重要理論基礎引言研究自動控制共同規(guī)律的技術(shù)科學自動控制原理自動控制技術(shù)應用自動控制系統(tǒng)（1）自動控制（2）控制理論（3）自動控制理論（4）機械工程控制基礎（5）自動控制工程基礎（6）過程控制原理自動控制原理專業(yè)控制理論課程學習要面臨數(shù)學基礎寬而深控制原理抽象計算復雜且繁瑣繪圖困難計算機數(shù)學語言MATLAB數(shù)值解/解析解（數(shù)學運算）控制理論的內(nèi)容

二十世紀三項科學革命：控制論、量子論、相對論

控制論：

經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論（智能控制理論）經(jīng)典控制理論(古典控制理論)以傳遞函數(shù)為基礎，研究單輸入---單輸出定?？刂葡到y(tǒng)的分析與設計問題：線性控制系統(tǒng)分析：時域分析、穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)誤差分析、根軌跡分析、頻域分析。非線性控制系統(tǒng)分析：相平面分析、描述函數(shù)分析。（連續(xù)控制系統(tǒng)、離散控制系統(tǒng)）現(xiàn)代控制理論以狀態(tài)空間法為基礎，研究多輸入--多輸出時變、非線性、高精度、高效能控制系統(tǒng)的分析與設計問題：（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（專家系統(tǒng)、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡、遺傳算法）參考資料自動控制原理（第五版）胡壽松自動控制原理實驗指導李秋紅自動控制原理的MATLAB實現(xiàn)黃忠霖控制數(shù)學問題的MATLAB求解薜定宇交流伺服系統(tǒng)郭慶鼎自動控制原理習題集胡壽松現(xiàn)代控制工程（第三版）盧伯英課題一：自動控制的概念實例（示意圖）人工（手動）控制：（1）對象：儲液系統(tǒng)（2）目標：物位（3）眼睛：觀察物位變化（4）大腦：分析、比較、判斷（5）手/腳：動作執(zhí)行課題一：自動控制的概念實例（示意圖）自動控制：（1）對象：儲液系統(tǒng)（2）目標：物位（3）傳感器：檢測物位變化（4）控制器：控制功能（5）執(zhí)行器：完成控制動作傳感器信號信號驅(qū)動設備控制原理框圖（控制理念）對象手腳（執(zhí)行器）大腦（控制器）眼睛（傳感器）控制對象執(zhí)行裝置控制器測量裝置自動控制概念的解析自動控制：利用控制裝置自動地操縱機器設備或生產(chǎn)過程，使其具有希望的狀態(tài)或性能。自動控制系統(tǒng)：能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制任務的系統(tǒng)，由控制器與控制對象組成?？刂茖ο罂刂破鬏斎肓枯敵隽繑_動量?控制對象：要求實現(xiàn)自動控制的機器、設備或生產(chǎn)過程?？刂破鳎簩刂茖ο笃鹂刂谱饔玫目刂蒲b置總體。輸入量：作用于控制系統(tǒng)輸入端，并可使系統(tǒng)具有預定功能或預定輸出的物理量。輸出量：位于控制系統(tǒng)輸出端，并要求實現(xiàn)自動控制的物理量。擾動量：破壞系統(tǒng)輸入量和輸出量之間預定規(guī)律的信號。自動控制系統(tǒng)控制原理方框圖控制對象執(zhí)行裝置控制器測量裝置控制器比較環(huán)節(jié)輸入量偏差測量值輸出量控制量擾動量控制動作廣義對象自動控制裝置元素：（1）：元件（2）：信號（物理量）及傳遞方向（3）：比較點（信號疊加）（4）：引出點（分支、信號強度）（5）+/-：符號的意義（正、負反饋）爐溫控制系統(tǒng)方框圖關(guān)鍵點：工作原理輸入輸出被控對象中間環(huán)節(jié)信號傳遞(自動控制系統(tǒng)方塊圖的繪制)控制系統(tǒng)一、控制原理與方式1.開環(huán)控制

開環(huán)控制系統(tǒng)是指無被控量反饋的控制系統(tǒng),即需要控制的是被控對象的某一量(被控量),而測量的只是給定信號,被控量對于控制作用沒有任何影響的系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)如圖所示?？刂破骺刂茖ο髷_動給定值輸出量控制器控制對象擾動輸出量測量裝置按給定值操縱的開環(huán)控制原理方框圖按擾動補償?shù)拈_環(huán)控制原理方框圖信號由給定值至被控量單向傳遞。這種控制較簡單,但有較大的缺陷,即對象或控制裝置受到干擾,或工作中特性參數(shù)發(fā)生變化,會直接影響被控量,而無法自動補償。因此,系統(tǒng)的控制精度難以保證。從另一種意義理解,意味著對受控對象和其它控制元件的技術(shù)要求較高。如數(shù)控線切割機進給系統(tǒng)、包裝機等多為開環(huán)控制。2.反饋控制——閉環(huán)控制（核心）閉環(huán)控制的定義是有被控制量反饋的控制,其原理框如圖所示。從系統(tǒng)中信號流向看,系統(tǒng)的輸出信號沿反饋通道又回到系統(tǒng)的輸入端,構(gòu)成閉合通道,故稱閉環(huán)控制系統(tǒng),或反饋控制系統(tǒng)。前/正向通道反/負向通道這種控制方式,無論是由于干擾造成,還是由于結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化引起被控量出現(xiàn)偏差,系統(tǒng)就利用偏差去糾正偏差,故這種控制方式為按偏差調(diào)節(jié)。閉環(huán)控制系統(tǒng)的突出優(yōu)點是利用偏差來糾正偏差,使系統(tǒng)達到較高的控制精度。但與開環(huán)控制系統(tǒng)比較,閉環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較復雜,構(gòu)造比較困難。需要指出的是,由于閉環(huán)控制存在反饋信號,利用偏差進行控制,如果設計得不好,將會使系統(tǒng)無法正常和穩(wěn)定地工作。另外,控制系統(tǒng)的精度與系統(tǒng)的穩(wěn)定性之間也常常存在矛盾。開環(huán)控制和閉環(huán)控制方式各有優(yōu)缺點,在實際工程中應根據(jù)工程要求及具體情況來決定。如果事先預知輸入量的變化規(guī)律,又不存在外部和內(nèi)部參數(shù)的變化,則采用開環(huán)控制較好。如果對系統(tǒng)外部干擾無法預測,系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)又經(jīng)常變化,為保證控制精度,采用閉環(huán)控制則更為合適。如果對系統(tǒng)的性能要求比較高,為了解決閉環(huán)控制精度與穩(wěn)定性之間的矛盾,可以采用開環(huán)控制與閉環(huán)控制相結(jié)合的復合控制系統(tǒng)。3.復合控制控制器控制對象擾動輸出量輸入量補償器控制器控制對象擾動輸出量輸入量補償器二、自動控制系統(tǒng)的組成及術(shù)語典型反饋控制系統(tǒng)的原理如圖所示(1)被控對象:它是控制系統(tǒng)所控制和操縱的對象,它接受控制量并輸出被控制量。(2)控制器:接收變換和放大后的偏差信號,轉(zhuǎn)換為對被控對象進行操作的控制信號。(3)放大變換環(huán)節(jié):將偏差信號變換為適合控制器執(zhí)行的信號。它根據(jù)控制的形式、幅值及功率來放大變換。(4)校正裝置:為改善系統(tǒng)動態(tài)和靜態(tài)特性而附加的裝置。如果校正裝置串聯(lián)在系統(tǒng)的前向通道中,稱為串聯(lián)校正裝置;如果校正裝置接成反饋形式,稱為并聯(lián)校正裝置,又稱局部反饋校正。(5)反饋環(huán)節(jié):它用來測量被控量的實際值,并經(jīng)過信號處理,轉(zhuǎn)換為與被控制量有一定函數(shù)關(guān)系,且與輸入信號同一物理量的信號。反饋環(huán)節(jié)一般也稱為測量變送環(huán)節(jié)。(6)給定環(huán)節(jié):產(chǎn)生輸入控制信號的裝置。(1)輸入信號:泛指對系統(tǒng)的輸出量有直接影響的外界輸入信號,既包括控制信號又包括擾動信號。其中控制信號又稱控制量、參考輸入、或給定值。(2)輸出信號:是指反饋控制系統(tǒng)中被控制的物理量,它與輸入信號之間有一定的函數(shù)關(guān)系。(3)反饋信號:將系統(tǒng)(或環(huán)節(jié))的輸出信號經(jīng)變換、處理送到系統(tǒng)(或環(huán)節(jié))的輸入端的信號,稱為反饋信號。若此信號是從系統(tǒng)輸出端取出送入系統(tǒng)輸入端,這種反饋信號稱主反饋信號。而其它稱為局部反饋信號。控制系統(tǒng)中常用的名詞術(shù)語(4)偏差信號:控制輸入信號與主反饋信號之差。(5)誤差信號:它指系統(tǒng)輸出量的實際值與希望值之差。系統(tǒng)希望值是理想化系統(tǒng)的輸出，實際上并不存在,它只能用與控制輸入信號具有一定比例關(guān)系的信號來表示。在單位反饋情況下,希望值就是系統(tǒng)的輸入信號,誤差信號等于偏差信號。(6)擾動信號:除控制信號以外,對系統(tǒng)的輸出有影響的信號。三、自動控制系統(tǒng)的類型1.按信號流向劃分（1）開環(huán)控制系統(tǒng)信號流動由輸入端到輸出端單向流動。（2）閉環(huán)控制系統(tǒng)若控制系統(tǒng)中信號除從輸入端到輸出端外,還有輸出到輸入的反饋信號,則構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng),也稱反饋控制系統(tǒng),如圖所示。2.按系統(tǒng)輸入信號劃分（1）恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)(自動調(diào)節(jié)系統(tǒng))這種系統(tǒng)的特征是輸入量為一恒值,通常稱為系統(tǒng)的給定值。控制系統(tǒng)的任務是盡量排除各種干擾因素的影響,使輸出量維持在給定值(期望值)。如工業(yè)過程中恒溫、恒壓、恒速等控制系統(tǒng)。（2）隨動系統(tǒng)(跟蹤系統(tǒng))該系統(tǒng)的控制輸入量是一個事先無法確定的任意變化的量,要求系統(tǒng)的輸出量能迅速平穩(wěn)地復現(xiàn)或跟蹤輸入信號的變化。如雷達天線的自動跟蹤系統(tǒng)和高炮自動描準系統(tǒng)就是典型的隨動系統(tǒng)。（3）程序控制系統(tǒng)系統(tǒng)的控制輸入信號不是常值,而是事先確定的運動規(guī)律,編成程序裝在輸入裝置中,即控制輸入信號是事先確定的程序信號,控制的目的是使被控對象的被控量按照要求的程序動作。如數(shù)控車床就屬此類系統(tǒng)。3.線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)組成系統(tǒng)元器件的特性均為線性的,可用一個或一組線性微分方程來描述系統(tǒng)輸入和輸出之間關(guān)系。線性系統(tǒng)的主要特征是具有齊次性和疊加性。(1)線性系統(tǒng)(2)非線性系統(tǒng)在系統(tǒng)中只要有一個元器件的特性不能用線性微分方程描述其輸入和輸出關(guān)系,則稱為非線性系統(tǒng)。非線性系統(tǒng)還沒有一種完整、成熟、統(tǒng)一的分析法。通常對于非線性程度不很嚴重,或做近似分析時,均可用線性系統(tǒng)理論和方法來處理。4.定常系統(tǒng)和時變系統(tǒng)

(1)定常系統(tǒng)如果描述系統(tǒng)特性的微分方程中各項系數(shù)都是與時間無關(guān)的常數(shù),則稱為定常系統(tǒng)。該類系統(tǒng)只要輸入信號的形式不變,在不同時間輸入下的輸出響應形式是相同的。(2)時變系統(tǒng)如果描述系統(tǒng)特性的微分方程中只要有一項系數(shù)是時間的函數(shù),此系統(tǒng)稱為時變系統(tǒng)。5.連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)(1)連續(xù)系統(tǒng)系統(tǒng)中所有元件的信號都是隨時間連續(xù)變化的,信號的大小均是可任意取值的模擬量,稱為連續(xù)系統(tǒng)。(2)離散系統(tǒng)離散系統(tǒng)是指系統(tǒng)中有一處或數(shù)處的信號是脈沖序列或數(shù)碼。若系統(tǒng)中采用了采樣開關(guān),將連續(xù)信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散的脈沖形式的信號,此類系統(tǒng)稱為采樣控制系統(tǒng)或脈沖控制系統(tǒng)。若采用數(shù)字計算機或數(shù)字控制器,其離散信號是以數(shù)碼形式傳遞的,此類系統(tǒng)稱為數(shù)字控制系統(tǒng)。6.單輸入單輸出系統(tǒng)與多輸入多輸出系統(tǒng)(1)單輸入單輸出系統(tǒng)(單變量系統(tǒng))系統(tǒng)的輸入量和輸出量各為一個,稱為單輸入單輸出系統(tǒng)。(2)多輸入多輸出系統(tǒng)(多變量系統(tǒng))若系統(tǒng)的輸入量和輸出量多于一個,稱為多輸入多輸出系統(tǒng)。對于線性多輸入多輸出系統(tǒng),系統(tǒng)的任何一個輸出等于數(shù)個輸入單獨作用下輸出的疊加。四、自動控制系統(tǒng)性能的基本要求自動控制系統(tǒng)是否能很好地工作,是否能精確地保持被控量按照預定的要求規(guī)律變化這取決于被控對象和控制器及各功能元器件的特性參數(shù)是否設計得當。在理想情況下,控制系統(tǒng)的輸出量和輸入量,在任何時候均相等,系統(tǒng)完全無誤差,且不受干擾的影響。實際系統(tǒng)中,由于各種各樣原因,系統(tǒng)在受到輸入信號(也包括擾動信號)的激勵時,被控量將偏離輸入信號作用前的初始值,經(jīng)歷一段動態(tài)過程(過渡過程)，則系統(tǒng)控制性能的優(yōu)劣,可以從動態(tài)過程中較充分地表現(xiàn)出來。單位階躍響應仿真MATLAB模型仿真輸出1+△1-△

ts

tp

tr

1.穩(wěn)定性(穩(wěn))

控制精度是衡量系統(tǒng)技術(shù)性能的重要尺度。一個高品質(zhì)的系統(tǒng),在整個運行過程中,被控量對給定值的偏差應該是最小的?？紤]動態(tài)過程在不同階段中的特點,工程上通常從穩(wěn)、準、快三個方面來衡量自動控制系統(tǒng)。穩(wěn)定工作是所有自動控制系統(tǒng)的最基本要求,是系統(tǒng)能否工作的前題。不穩(wěn)定的系統(tǒng)根本無法完成控制任務?？紤]到實際系統(tǒng)工作環(huán)境或參數(shù)的變動,可能導致系統(tǒng)不穩(wěn)定,因此,我們除要求系統(tǒng)穩(wěn)定外,還要求其具有一定的穩(wěn)定裕量。2.穩(wěn)態(tài)精度(準)

3.動態(tài)過程(快)穩(wěn)態(tài)精度是指系統(tǒng)過渡到新的平衡工作狀態(tài)以后,或系統(tǒng)對抗干擾重新恢復平衡后,最終保持的精度。穩(wěn)態(tài)精度與控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及參數(shù),輸入信號形式有關(guān)。動態(tài)過程是指控制系統(tǒng)的被控量在輸入信號作用下隨時間變化的全過程,衡量動態(tài)過程的品質(zhì)好壞常采用單位階躍信號作用下過渡過程中的超調(diào)量,過渡過程時間等性能指標。五、自動控制課程的主要任務本課程的主要內(nèi)容是闡述構(gòu)成、分析和設計自動控制系統(tǒng)的基本理論。對實際系統(tǒng),建立研究問題的數(shù)學模型,進而利用所建立的數(shù)學模型來討論構(gòu)成、分析、綜合自動控制系統(tǒng)的基本理論和方法。作為研究自動控制系統(tǒng)的分析與綜合的方法來說,對單輸入單輸出系統(tǒng)常采用的是時域法,頻域法,根軌跡法以及目前廣泛應用的計算機輔助設計。對于一個實際系統(tǒng)其輸入信號往往是比較復雜的,而系統(tǒng)的輸出響應又與輸入信號類型有關(guān)。因此,在研究自動控制系統(tǒng)的響應時,往往選擇一些典型輸入信號,并且以最不利的信號作為系統(tǒng)的輸入信號,分析系統(tǒng)在此輸入信號下所得到的輸出響應是否滿足要求，估計系統(tǒng)在比較復雜信號作用下的性能指標。常采用的典型輸入信號有：1.階躍函數(shù)它的數(shù)學表達式為：它表示一個在t=0時刻出現(xiàn)的，幅值為A的階躍變化函數(shù)，如圖所示。在實際系統(tǒng)中，如負荷突然增大或減小，流量閥突然開大或關(guān)小均可以近似看成階躍函數(shù)的形式。A=1的函數(shù)稱為單位階躍函數(shù)，記