自動(dòng)控制的一般概念

自動(dòng)控制的一般概念第一頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一第1章

緒論2第二頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一第一節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的一般概念自動(dòng)控制就是在沒有人直接參與的條件下，利用控制器使被控對(duì)象(如機(jī)器、設(shè)備和生產(chǎn)過程)的某些物理量(或工作狀態(tài))能自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律變化(或運(yùn)行)。3第三頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一歷史的回顧J.C.Maxwell：控制理論的源頭以反饋控制為其主要研究?jī)?nèi)容的自動(dòng)控制理論的歷史，若從目前公認(rèn)的第一篇理論論文,J.C.Maxwell在1868年發(fā)表的“論調(diào)節(jié)器”算起，至今不過一百多年。然而控制思想與技術(shù)的存在至少已有數(shù)千年的歷史了。4第四頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一維納：控制學(xué)科的鼻祖1933年任美國國家科學(xué)院院士，1948年他發(fā)表了劃時(shí)代的著作《控制論》?？刂普摰幕竞x是：現(xiàn)代的自動(dòng)機(jī)器和人都是由感覺裝置(器官)、動(dòng)作裝置(器官)、傳遞信息的系統(tǒng)(神經(jīng)系統(tǒng))所組成的一種系統(tǒng)。自動(dòng)機(jī)器和人都是在接收、處理、傳遞和存貯信息，并利用信息去完成動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)與外界的聯(lián)系。在系統(tǒng)工作中，反饋控制給定控制信號(hào)使動(dòng)作裝置(器官)動(dòng)作。動(dòng)作結(jié)果由感覺裝置(器官)檢測(cè)出來，并反饋回去與給定信號(hào)相比較。如果比較有偏差，偏差信號(hào)會(huì)繼續(xù)控制動(dòng)作裝置(器官)動(dòng)作，直到偏差信號(hào)消失為止。5第五頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一從水鐘（刻漏)談起具有反饋控制原理的控制裝置在古代就有了。這方面最有代表性的例子當(dāng)屬古代的計(jì)時(shí)器“水鐘”(在中國叫作“刻漏”，也叫“漏壺”)。據(jù)古代鍥形文字記載和從埃及古墓出土的實(shí)物可以看到，巴比倫和埃及在公元前1500年以前便已有很長(zhǎng)的水鐘使用歷史了?？搪饕蓭讉€(gè)銅水壺組成，又叫“漏壺”。除了最底下的那個(gè)，每個(gè)壺的底部都有一個(gè)小眼。水從最高的壺里，經(jīng)過下面的各個(gè)壺滴到最低的壺里，滴得又細(xì)又均勻。最低的壺里有一個(gè)銅人，手里捧著一支能夠浮動(dòng)的木箭，壺里水多了，木箭浮起來，根據(jù)它上面的刻度，就可以知道時(shí)間。6第六頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一7第七頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一負(fù)反饋的思想的起源約在公元前三世紀(jì)中葉，亞歷山大里亞城的斯提西比烏斯(Ctesibius)首先在受水壺中使用了浮子(phellossivetympanum)。按迪爾斯(Diels)本世紀(jì)初復(fù)原的樣品，注入的水是由圓錐形的浮子節(jié)制的。而這種節(jié)制方式即已含有負(fù)反饋的思想(盡管當(dāng)時(shí)并不明確)。8第八頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一張衡約在公元前500年，中國的軍隊(duì)中即已用漏壺作為計(jì)時(shí)的裝置。約在公元120年，著名的科學(xué)家張衡(78-139,東漢)又提出了用補(bǔ)償壺解決隨水頭降低計(jì)時(shí)不準(zhǔn)確問題的巧妙方法。在他的“漏水轉(zhuǎn)渾天儀”中，不僅有浮子，漏箭，還有虹吸管和至少一個(gè)補(bǔ)償壺。最有名的中國水鐘“銅壺滴漏”由銅匠杜子盛和洗運(yùn)行建造于公元1316年(元代延祐三年)，并一直連續(xù)使用到1900年?，F(xiàn)保存在廣州市博物館中，且仍能使用。9第九頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一10第十頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一蘇頌北宋時(shí)期，蘇頌等于1086年-1090年在開封建成“水運(yùn)儀象臺(tái)”。儀象臺(tái)上的渾儀附有窺管，能夠相當(dāng)準(zhǔn)確地跟蹤天體的運(yùn)行，“使它自動(dòng)地保持在窺管的視場(chǎng)中”。這種儀象臺(tái)的動(dòng)力裝置中就利用了“從定水位漏壺中流出的水，并由擒縱器(天關(guān)、天鎖)加以控制”。蘇頌把時(shí)鐘機(jī)械和觀測(cè)用渾儀結(jié)合起來，這比西方羅伯特.胡克早六個(gè)世紀(jì)。11第十一頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一開環(huán)控制公元235(三國時(shí)期)的馬均及公元477年祖沖之等還曾制造過具有開環(huán)控制特點(diǎn)的指南車。并發(fā)明了齒輪及差動(dòng)齒輪機(jī)12第十二頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一瓦特1765年俄國的波爾祖諾夫發(fā)明了蒸汽機(jī)鍋爐的水位自動(dòng)調(diào)節(jié)器（這在俄國被認(rèn)為是世界上的第一個(gè)自動(dòng)調(diào)節(jié)器）。1760年－1800年，詹姆斯.瓦特對(duì)蒸氣機(jī)進(jìn)行了徹底得改造，終于使其得到廣泛的應(yīng)用。在瓦特的改良工作中，1788年，他給蒸氣機(jī)添加了一個(gè)“節(jié)流”控制器即節(jié)流閥，它由一個(gè)離心“調(diào)節(jié)器”操縱，類似于磨房機(jī)工早已用來控制風(fēng)力面分機(jī)磨石松緊的裝置。“調(diào)節(jié)器”或“飛球調(diào)節(jié)器”用于調(diào)節(jié)蒸氣流，以便確保引擎工作時(shí)速度大致均勻。這是當(dāng)時(shí)反饋調(diào)節(jié)器最成功的應(yīng)用。13第十三頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一14第十四頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一J.C.Maxwell瓦特沒有對(duì)調(diào)節(jié)器進(jìn)行理論分析，后來J.C.Maxwell從微分方程角度討論了調(diào)節(jié)器系統(tǒng)可能產(chǎn)生的不穩(wěn)定現(xiàn)象，從而開始了對(duì)反饋控制動(dòng)力學(xué)問題的理論研究。15第十五頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一自動(dòng)控制基本理論的發(fā)展簡(jiǎn)史穩(wěn)定性理論的早期發(fā)展

人們很早就開始關(guān)注穩(wěn)定性的問題。牛頓可能是第一個(gè)關(guān)注動(dòng)態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的人。1687年，牛頓在他的《數(shù)學(xué)原理》中對(duì)圍繞引力中心做圓周運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行了研究。他假設(shè)引力與質(zhì)點(diǎn)到中心距離的q次方成正比。牛頓發(fā)現(xiàn)，假設(shè)q>-3,則在小的擾動(dòng)后，質(zhì)點(diǎn)仍將保留在原來的圓周軌道附近運(yùn)動(dòng)。而當(dāng)q≤-3時(shí)，質(zhì)點(diǎn)將會(huì)偏離初始的軌道，或者按螺旋狀的軌道離開中心趨向無窮遠(yuǎn)，或者將落在引力中心上。16第十六頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一拉格朗日和拉普拉斯在牛頓引力理論建立之后，天文學(xué)家曾不斷努力以圖證明太陽系的穩(wěn)定性。特別地，拉格朗日和拉普拉斯在這一問題上做了相當(dāng)?shù)呐Α?773年，24歲的拉普拉斯“證明了行星到太陽的距離在一些微小的周期變化之內(nèi)是不變的”。并因此成為法國科學(xué)院副院士。雖然他們的論證今天看來并不嚴(yán)格，但他們的工作對(duì)后來李亞普諾夫的穩(wěn)定性理論有很大的影響。

17第十七頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一JamesClerkMaxwell直到十九世紀(jì)中期，穩(wěn)定性理論仍集中在對(duì)保守系統(tǒng)研究上。主要是天文學(xué)的問題。在出現(xiàn)控制系統(tǒng)的鎮(zhèn)定問題后，科學(xué)家們開始考慮非保守系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。ClerkMaxwell是第一位利用特征方程的系數(shù)來判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性的人。18第十八頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一JamesClerkMaxwellJamesClerkMaxwell是第一個(gè)對(duì)反饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行系統(tǒng)分析并發(fā)表論文的人。在他1868年的論文“論調(diào)節(jié)器”中，導(dǎo)出了調(diào)節(jié)器的微分方程，并在平衡點(diǎn)附近進(jìn)行線性化處理，指出穩(wěn)定性取決于特征方程的根是否具有負(fù)的實(shí)部。麥?zhǔn)显谡撐闹袑?duì)三階微分方程描述的Thomsonsgovernor,Jenkinsgovernor以及具有五階微分方程的Maxwellsgovernor進(jìn)行了研究，并給出了系統(tǒng)的穩(wěn)定性條件。Maxwell的工作開創(chuàng)了控制理論研究的先河。

19第十九頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一現(xiàn)代化的工廠20第二十頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一古典控制理論以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)研究單輸入-單輸出一類定?？刂葡到y(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問題。這些理論由于其發(fā)展較早，現(xiàn)已臻成熟。

現(xiàn)代控制以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究多輸入-多輸出、時(shí)變、非線性一類控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問題。系統(tǒng)具有高精度和高效能的特點(diǎn)。21第二十一頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一術(shù)語自動(dòng)控制對(duì)象過程系統(tǒng)擾動(dòng)反饋控制反饋控制系統(tǒng)隨動(dòng)系統(tǒng)過程控制系統(tǒng)22第二十二頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一1自動(dòng)控制在無人直接參與的情況下，通過控制器使被控對(duì)象或過程自動(dòng)地按照預(yù)定要求進(jìn)行。2對(duì)象

是一個(gè)設(shè)備，它是由一些機(jī)器零件有機(jī)地組合在一起的，其作用是完成一個(gè)特定的動(dòng)作。在下面的討論中，稱任何被控物體（如加熱爐、化學(xué)反應(yīng)器或宇宙飛船）為對(duì)象。3過程稱任何被控制的運(yùn)行狀態(tài)為過程，其具體例子如化學(xué)過程、經(jīng)濟(jì)學(xué)過程、生物學(xué)過程。4系統(tǒng)完成一定任務(wù)的一些元、部件的組合。23第二十三頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一5擾動(dòng)6反饋控制擾動(dòng)是一種對(duì)系統(tǒng)的輸出產(chǎn)生不利影響的信號(hào)。如果擾動(dòng)產(chǎn)生在系統(tǒng)內(nèi)部稱為內(nèi)擾；擾動(dòng)產(chǎn)生在系統(tǒng)外部，則稱為外擾。外擾是系統(tǒng)的輸入量。反饋控制是這樣一種控制過程，它能夠在存在擾動(dòng)的情況下，力圖減小系統(tǒng)的輸出量與參考輸入量（也稱參據(jù)量）（或者任意變化的希望的狀態(tài)）之間的偏差，而且其工作正是基于這一偏差基礎(chǔ)之上的。24第二十四頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一反饋控制系統(tǒng)是一種能對(duì)輸出量與參考輸入量進(jìn)行比較，并力圖保持兩者之間的既定關(guān)系的系統(tǒng)，它利用輸出量與輸入量的偏差來進(jìn)行控制。應(yīng)當(dāng)指出，反饋控制系統(tǒng)不限于工程范疇，在各種非工程范疇內(nèi)，諸如經(jīng)濟(jì)學(xué)和生物學(xué)中，也存在著反饋控制系統(tǒng)。7反饋控制系統(tǒng)25第二十五頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一隨動(dòng)系統(tǒng)是一種反饋控制系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)中，輸出量是機(jī)械位移、速度或者加速度。因此，隨動(dòng)系統(tǒng)這個(gè)術(shù)語，與位置（或速度或加速度）控制系統(tǒng)是同義語。在現(xiàn)代工業(yè)中，廣泛采用著隨動(dòng)系統(tǒng)。8隨動(dòng)系統(tǒng)9過程控制在工業(yè)生產(chǎn)過程中，諸如對(duì)壓力、溫度、濕度、流量、頻率以及原料、燃料成分比例等方面的控制，稱為過程控制。26第二十六頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一熱力系統(tǒng)的例子

熱力系統(tǒng)的人工反饋控制

27第二十七頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一熱力系統(tǒng)的自動(dòng)反饋控制

28第二十八頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一開環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)（反饋）控制系統(tǒng)閉環(huán)與開環(huán)控制系統(tǒng)的比較第二節(jié)閉環(huán)控制與開環(huán)控制29第二十九頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一

1.2.1

開環(huán)控制系統(tǒng)定義如果系統(tǒng)的輸出量與輸入量間不存在反饋的通道，這種控制方式稱為開環(huán)控制系統(tǒng)?？刂破骺刂谱饔每刂茖?duì)象參考輸入輸出r(t)u(t)c(t)n(t)干擾30第三十頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一1.2.2反饋控制系統(tǒng)1反饋把取出的輸出量送回輸入端，并與輸入信號(hào)相比較產(chǎn)生偏差信號(hào)的過程，稱為反饋。若反饋的信號(hào)與輸入信號(hào)相減，使產(chǎn)生的偏差越來越小，則稱為負(fù)反饋；反之，則稱為正反饋。

能對(duì)輸入量與輸出量進(jìn)行比較，并且將它們的偏差作為控制手段，以保持兩者之間預(yù)定關(guān)系的系統(tǒng)，稱為反饋控制系統(tǒng)。由于引入了被反饋量的反饋信息，整個(gè)控制過程成為閉合的，因此反饋控制也稱為閉環(huán)控制。2反饋控制系統(tǒng)31第三十一頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一3閉環(huán)控制

凡是系統(tǒng)輸出信號(hào)對(duì)控制作用有直接影響的系統(tǒng)，都稱為閉環(huán)系統(tǒng)。輸入信號(hào)和反饋信號(hào)（反饋信號(hào)可以是輸出信號(hào)本身，也可以是輸出信號(hào)的函數(shù)或?qū)?shù)）之差，稱為誤差信號(hào)，誤差信號(hào)加到控制器上，以減小系統(tǒng)的誤差，并使系統(tǒng)的輸出量趨于所希望的值，換句話說，“閉環(huán)”這個(gè)術(shù)語的涵義，就是應(yīng)用反饋?zhàn)饔脕頊p小系統(tǒng)的誤差。

32第三十二頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一

圖1-3閉環(huán)控制系統(tǒng)33第三十三頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一1.2.3反饋控制系統(tǒng)的基本組成

被控對(duì)象控制裝置(由具有一定職能的各種基本元件組成)測(cè)量元件：其職能是測(cè)量被控制的物理量;給定元件：其職能是給出與期望的被控量相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)輸入量（即參據(jù)量）。比較元件：把測(cè)量元件檢測(cè)的被控量實(shí)際值與給定元件給出的參據(jù)量進(jìn)行比較，求出它們之間的偏差。放大元件：將比較元件給出的偏差進(jìn)行放大，用來推動(dòng)執(zhí)行元件去控制被控對(duì)象。執(zhí)行元件：直接推動(dòng)被控對(duì)象，使其被控量發(fā)生變化。校正元件：亦稱補(bǔ)償元件，它是結(jié)構(gòu)或參數(shù)便于調(diào)整的元件，用串聯(lián)或反饋的方式連接在系統(tǒng)中，以改善系統(tǒng)性能。34第三十四頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一用“○”號(hào)代表比較元件，“—”號(hào)代表兩者符號(hào)相反，“+”號(hào)代表兩者符號(hào)相同。信號(hào)沿箭頭方向從輸入端到達(dá)輸出端的傳輸通路稱前向通路；系統(tǒng)輸出量經(jīng)測(cè)量元件反饋到輸入端的傳輸通路稱主反饋通路。前向通路與主反饋通路共同構(gòu)成主回路。此外，還有局部反饋通路以及由它構(gòu)成的內(nèi)回路。35第三十五頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一1.2.4

閉環(huán)與開環(huán)控制系統(tǒng)的比較閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)偏差控制，可以抑制內(nèi)、外擾動(dòng)對(duì)被控制量產(chǎn)生的影響。精度高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)、分析麻煩。開環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)順向作用，沒有反向的聯(lián)系，沒有修正偏差能力，抗擾動(dòng)性較差。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)整方便、成本低。36第三十六頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一開環(huán)控制閉環(huán)控制(反饋控制)復(fù)合控制按控制方式分第三節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類37第三十七頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一機(jī)械系統(tǒng)——恒張力系統(tǒng)電氣系統(tǒng)機(jī)電系統(tǒng)——全自動(dòng)照相機(jī)，光機(jī)電結(jié)合液壓系統(tǒng)——伺服液壓缸，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)，大型的仿真模擬臺(tái)氣動(dòng)系統(tǒng)生物系統(tǒng)按元件類型分38第三十八頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一按系統(tǒng)功用分溫度控制系統(tǒng)壓力控制系統(tǒng)位置控制系統(tǒng)39第三十九頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)定常系統(tǒng)時(shí)變系統(tǒng)確定性系統(tǒng)不確定性系統(tǒng)按系統(tǒng)性能分離散系統(tǒng)40第四十頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一恒值控制系統(tǒng)隨動(dòng)系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)按參據(jù)量變化規(guī)律分41第四十一頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一穩(wěn)定性：1對(duì)恒值系統(tǒng)，要求當(dāng)系統(tǒng)受到擾動(dòng)后，經(jīng)過一定時(shí)間的調(diào)整能夠回到原來的期望值。2對(duì)隨動(dòng)系統(tǒng)，被控制量始終跟蹤參據(jù)量的變化。穩(wěn)定性是對(duì)系統(tǒng)的基本要求，不穩(wěn)定的系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)預(yù)定任務(wù)。穩(wěn)定性，通常由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)決定與外界因素?zé)o關(guān)。1.4.1對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)性能的基本要求可以歸結(jié)為穩(wěn)定性（長(zhǎng)期穩(wěn)定性）、準(zhǔn)確性（精度）和快速性（相對(duì)穩(wěn)定性）。穩(wěn)準(zhǔn)快第四節(jié)對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求42第四十二頁，共五十頁，編輯于2023年，星期一準(zhǔn)確性：用穩(wěn)態(tài)誤差來表示。在參考輸入信號(hào)作用下，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，其穩(wěn)態(tài)輸出與參考輸入所要求