《自動控制原理與應(yīng)用》課件第1章

第1章緒論1.1自動控制系統(tǒng)的一般概念1.2自動控制系統(tǒng)的基本控制方式1.3自動控制系統(tǒng)的分類1.4對自動控制系統(tǒng)性能的基本要求1.5基于MATLAB的控制系統(tǒng)分析與設(shè)計小結(jié)習(xí)題

1.1自動控制系統(tǒng)的一般概念

所謂自動控制是指在沒有人直接參與的情況下，利用控制裝置(或控制器)操作被控對象的某個狀態(tài)或參數(shù)，使其按預(yù)設(shè)定的規(guī)律自動運行。

自動控制技術(shù)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、軍事及航空航天領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。例如，在工業(yè)上，機器設(shè)備的速度控制，鍋爐的溫度和壓力控制，數(shù)控機床按照預(yù)定的程序自動地切削工件等；在軍事上，雷達和火炮自動跟蹤目標的隨動控制，導(dǎo)彈自動制導(dǎo)控制等；在航空航天方面，人造衛(wèi)星及宇宙飛船能準確地進入預(yù)定軌道并返回地面控制等，都是自動控制技術(shù)的具體應(yīng)用。在這些自動控制系統(tǒng)實例中，盡管功能、結(jié)構(gòu)不同，但它們都由控制裝置和被控對象組成，我們稱之為系統(tǒng)。

自動控制原理是研究自動控制技術(shù)的基礎(chǔ)理論，主要研究自動控制系統(tǒng)的組成、分析與設(shè)計。其發(fā)展過程一般可分為以下三個階段：

(1)20世紀40～60年代，稱為“經(jīng)典控制理論”時期。經(jīng)典控制理論主要解決單輸入單輸出問題，主要采用傳遞函數(shù)、頻率特性、根軌跡為基礎(chǔ)的頻域分析方法。此階段所研究的系統(tǒng)大多是線性定常系統(tǒng)；對非線性系統(tǒng)，分析時采用的相平面法一般不超過兩個變量。

(2)20世紀60～70年代，稱為“現(xiàn)代控制理論”時期。在這個時期，計算機技術(shù)的飛速發(fā)展推動了自動控制技術(shù)的發(fā)展。此階段所采用的狀態(tài)空間法，可以解決多輸入多輸出問題；系統(tǒng)既可以是線性的、定常的，也可以是非線性的、時變的。

(3)20世紀70年代末至今，控制理論主要在“大系統(tǒng)理論”和“智能控制”方面發(fā)展。前者是用控制和信息的觀念，研究各種大系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案、總體設(shè)計中的分解方法和協(xié)調(diào)等問題的技術(shù)理論；后者研究與模擬人類智能活動及其信息傳遞過程的規(guī)律，研究人工智能的工程控制與信息處理系統(tǒng)。近年來，隨著計算機和信息技術(shù)的迅速發(fā)展，自動控制理論的發(fā)展已經(jīng)超越了學(xué)科界限，朝著以控制論、信息論和仿生學(xué)為基礎(chǔ)的智能控制方向發(fā)展。

1.2自動控制系統(tǒng)的基本控制方式

自動控制系統(tǒng)的形式是多種多樣的，對于某一個具體的系統(tǒng)，采用什么樣的控制手段，要視具體的用途和目的而定。

1.2.1開環(huán)控制方式

開環(huán)控制是一種最簡單的控制方式，其特點是，在控制器與被控對象之間只有正向控制作用而沒有反饋控制作用，即系統(tǒng)的輸出量對控制量沒有影響。開環(huán)控制系統(tǒng)的框圖如圖1-1所示。圖1-1開環(huán)控制系統(tǒng)由圖可見，這種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，對于每一個參考輸入量，都有一個相應(yīng)的輸出量與之對應(yīng)。系統(tǒng)的精度主要取決于元器件的精度、系統(tǒng)的調(diào)整精度及被控對象的狀態(tài)。

當系統(tǒng)的內(nèi)部干擾和外部干擾影響不大、精度要求不高時，可采用開環(huán)控制方式。這種控制系統(tǒng)由于沒有輸出反饋，對控制量沒有任何影響，因此系統(tǒng)沒有消除或減少偏差的功能，這是開環(huán)系統(tǒng)最大的缺點。例如，圖1-2(a)是一個直流電動機開環(huán)控制系統(tǒng)。圖中,電動機是電樞控制的直流電動機，要求帶動負載以一定的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動。其電樞電壓由功率放大器提供，當調(diào)節(jié)電位器滑臂位置時，可以改變功率放大器的輸入電壓，從而改變電動機的電樞電壓，最終改變電動機的轉(zhuǎn)速。圖1-2(b)是它的框圖，該系統(tǒng)的控制精度完全取決于所用元件性能的優(yōu)劣及校準的精度。

這種開環(huán)控制方式的作用路徑不閉合，結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便、成本低，應(yīng)用在很多場合，如自動售貨機、自動洗衣機、數(shù)控機床等。圖1-2開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)1.2.2閉環(huán)控制方式

若將輸出量反饋到系統(tǒng)的輸入端，并與參考輸入量進行比較，則構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，框圖如圖1-3所示。其特點是，控制作用不是直接來自給定輸入，而是系統(tǒng)的偏差信號，由偏差信號對控制對象進行控制；系統(tǒng)被控量的反饋信息又反過來影響系統(tǒng)的偏差信號，即影響控制作用的大小。這種自成循環(huán)的控制作用使信息的傳遞路徑形成一個閉環(huán)。閉環(huán)控制的實質(zhì)是利用負反饋作用來減小系統(tǒng)的輸出誤差，故又稱閉環(huán)控制為反饋控制。圖1-3閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制實例如圖1-4(a)所示，為直流電動機閉環(huán)控制系統(tǒng)，圖1-4(b)為其控制方框圖。

該系統(tǒng)在原有開環(huán)控制的基礎(chǔ)上，增加了一個由測速發(fā)電機構(gòu)成的反饋回路，用來檢測輸出的轉(zhuǎn)速，并給出與電動機轉(zhuǎn)速成正比的反饋電壓。將這個代表實際輸出轉(zhuǎn)速的反饋電壓與代表希望輸出轉(zhuǎn)速的給定電壓進行比較，所得出的偏差信號將作為產(chǎn)生控制作用的基礎(chǔ)，通過功率放大器來控制電動機的轉(zhuǎn)速。在控制過程中，只要偏差存在，控制作用就總是存在，控制的最終目的是減少偏差，提高控制精度。圖1-4直流電動機閉環(huán)控制系統(tǒng)

控制過程如下：當系統(tǒng)受到擾動影響時，例如負載增大，則電動機的轉(zhuǎn)速降低，測速發(fā)電機的端電壓減??；在給定電壓不變時，則偏差也會增大，使功率放大器的輸入電壓增加，電動機的電樞電壓升高，使轉(zhuǎn)速增加。反之亦然，這樣就抑制了負載擾動對電動機轉(zhuǎn)速的影響。同樣，對其它擾動因素，只要影響到輸出轉(zhuǎn)速的變化，上述調(diào)節(jié)過程就會自動進行，從而保證系統(tǒng)的控制精度，提高抗干擾能力。1.2.3其它控制方式

1.最優(yōu)控制

最優(yōu)控制是要求控制系統(tǒng)實現(xiàn)對某種性能標準的最佳控制。它通常要求優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗、高效率，一般與時間、燃料消耗、能源供給等有關(guān)。例如，鋼鐵冶煉過程中往往希望時間最短或燃料最??；遠程飛機希望實現(xiàn)每單位體積燃料的最大飛行距離，以提高飛機的遠航能力等。其中，最簡單的一種最優(yōu)控制是時間最優(yōu)控制，它在自動化儀表、電機電壓控制及軋鋼機控制中得到了廣泛應(yīng)用。

2.自適應(yīng)控制

自適應(yīng)控制有自動適應(yīng)的能力，即當系統(tǒng)特性或元件參數(shù)變化或擾動作用很劇烈時，它能自動測量這些變化并自動改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與參數(shù)，使系統(tǒng)適應(yīng)環(huán)境的變化并始終保持最優(yōu)的性能指標。例如，飛機的位置能隨飛行高度、速度而變化；導(dǎo)彈質(zhì)量重心能隨燃料消耗而變化等，這時，必須采用自適應(yīng)控制才能保持最優(yōu)控制性能。

3.智能控制

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(xué)科的高度綜合與集成，是一門新的交叉前沿學(xué)科。從廣義上講，智能控制是研究對復(fù)雜的不確定性被控對象(過程)采用人工智能的方法有效地克服系統(tǒng)的不確定性，使系統(tǒng)從無序到期望的有序狀態(tài)轉(zhuǎn)移的方法及其規(guī)律。

1.3自動控制系統(tǒng)的分類

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)滲透到各個領(lǐng)域，且形式多種多樣，性能與結(jié)構(gòu)各異，因此可以從不同角度對其進行劃分。下面列出幾種分類方法。1.3.1按給定量的變化規(guī)律分類

1.恒值控制系統(tǒng)

當系統(tǒng)的輸入為恒定量時，能克服擾動量對系統(tǒng)的影響，使輸出量為對應(yīng)于輸入量的恒定值，這類系統(tǒng)稱為恒值控制系統(tǒng)。

例如，工業(yè)中采用的液位控制系統(tǒng)、直流電動機調(diào)速系統(tǒng)，及其它恒定壓力、恒定流量、恒定溫度等系統(tǒng)都屬于這類系統(tǒng)。

2.隨動系統(tǒng)(又稱伺服系統(tǒng))

如果輸入信號為預(yù)先未知的隨時間任意變化的函數(shù)，要求輸出量精確地、快速地跟隨輸入信號，則這類系統(tǒng)稱為隨動系統(tǒng)。

隨動系統(tǒng)在工業(yè)、國防中有著極為廣泛的應(yīng)用，例如火炮自動控制系統(tǒng)、雷達跟蹤系統(tǒng)、自動駕駛系統(tǒng)、函數(shù)記錄儀、自動導(dǎo)航系統(tǒng)等都屬于這類系統(tǒng)。

3.程序控制系統(tǒng)

如果系統(tǒng)的輸入量按既定規(guī)律變化，系統(tǒng)的控制過程按預(yù)定的程序進行，則這類系統(tǒng)稱為程序控制系統(tǒng)。例如數(shù)控機床控制系統(tǒng)，其輸入命令是根據(jù)加工要求，事先編制好的程序。1.3.2按系統(tǒng)的特性分類

1.線性系統(tǒng)

當系統(tǒng)中各元件的輸入、輸出特性是線性特性，系統(tǒng)的狀態(tài)和性能以線性微分方程或差分方程來描述時，這種系統(tǒng)稱為線性系統(tǒng)。線性系統(tǒng)的主要特性是具有齊次性和疊加性；系統(tǒng)的時間響應(yīng)特性與初始狀態(tài)無關(guān)。

根據(jù)表示線性系統(tǒng)的方程的系數(shù)是否是時間的函數(shù)，也可將線性系統(tǒng)分為線性定常系統(tǒng)和線性時變系統(tǒng)。若線性微分方程的各項系數(shù)均為與時間無關(guān)的常數(shù)，則為線性定常系統(tǒng)；若線性微分方程的系數(shù)中有時間函數(shù)項，則稱為線性時變系統(tǒng)。

2.非線性系統(tǒng)

當系統(tǒng)中有一個非線性特性元件時，則系統(tǒng)的微分方程只能由非線性方程來描述，這樣的系統(tǒng)稱為非線性系統(tǒng)。非線性系統(tǒng)也有定常系統(tǒng)和時變系統(tǒng)之分，非線性常系數(shù)微分方程沒有完整統(tǒng)一的解法，在數(shù)學(xué)上較難處理，不能應(yīng)用疊加原理，研究起來也不方便，所以只能在一定條件下用近似分析的方法來處理。1.3.3按系統(tǒng)的信號形式分類

1.連續(xù)控制系統(tǒng)

若系統(tǒng)中各元件的輸入量和輸出量均為時間的連續(xù)函數(shù)，則這類系統(tǒng)稱為連續(xù)系統(tǒng)。這類系統(tǒng)的運動規(guī)律可用微分方程來描述。

2.離散控制系統(tǒng)

在控制系統(tǒng)中，只要有一處的信號是脈沖序列或數(shù)碼時，該系統(tǒng)即為離散系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的狀態(tài)和性能一般采用差分方程來描述。

對連續(xù)信號采樣，可以得到離散的脈沖序列，再對脈沖序列進行量化，可以得到序列的數(shù)字信號。通常把數(shù)字序列形成的離散系統(tǒng)稱為數(shù)字控制系統(tǒng)。計算機控制系統(tǒng)是典型的數(shù)字控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1-5所示。圖1-5典型的計算機控制系統(tǒng)框圖1.3.4按系統(tǒng)的輸入與輸出信號的數(shù)量分類

1.單變量系統(tǒng)(SISO,SimpleInputSimpleOutput)

所謂單變量系統(tǒng)，是指不考慮系統(tǒng)內(nèi)部的通路與結(jié)構(gòu)，只有一個輸入量和一個輸出量的控制系統(tǒng)，其構(gòu)成框圖如圖1-6所示。單變量系統(tǒng)是經(jīng)典控制理論的主要研究對象，也是本課程主要研究的內(nèi)容。圖1-6單變量系統(tǒng)構(gòu)成框圖

2.多變量系統(tǒng)(MIMO,MultipleInputMultipleOutput)

多變量系統(tǒng)有多個輸入量和多個輸出量，其特點是變量多、回路也多，且相互之間出現(xiàn)多路耦合。多變量系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖1-7所示。

多變量系統(tǒng)是現(xiàn)代控制理論研究的主要對象，以狀態(tài)空間法分析為基礎(chǔ)。

除此之外，還可以從其它角度將控制系統(tǒng)分為確定性系統(tǒng)和非確定性系統(tǒng)、集中參數(shù)系統(tǒng)和分布參數(shù)系統(tǒng)等。圖1-7多變量系統(tǒng)構(gòu)成框圖

1.4對自動控制系統(tǒng)性能的基本要求

實際的控制系統(tǒng)多種多樣，對每一個控制系統(tǒng)都有不同的特殊要求，但對所有的控制系統(tǒng)來說，都有最基本的要求，那就是穩(wěn)定性、快速性和準確性。

1.穩(wěn)定性

如果系統(tǒng)受到干擾后偏離了原來的工作狀態(tài)，當擾動消失后，能自動回到原工作狀態(tài)，則稱這樣的系統(tǒng)是穩(wěn)定的；反之，當擾動消除后，系統(tǒng)的輸出趨于無窮或進入振蕩狀態(tài)，則稱這樣的系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。

穩(wěn)定性是對系統(tǒng)的基本要求，是保證系統(tǒng)正常工作的前提，不穩(wěn)定的系統(tǒng)不能實現(xiàn)預(yù)定任務(wù)。穩(wěn)定性通常由系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)決定，與外界因素?zé)o關(guān)。

2.快速性

對過渡過程的形式和快慢提出的要求，一般稱為動態(tài)性能。動態(tài)性能是指系統(tǒng)過渡過程的快速性和振蕩性。

由于系統(tǒng)總是包含一些慣性元件，因此系統(tǒng)的輸出跟隨輸入的變化總是有一定的延遲，這個時間越短，快速性就越好。又由于有些系統(tǒng)的阻尼比較小，因此系統(tǒng)從一個穩(wěn)態(tài)進入另一個穩(wěn)態(tài)時，要經(jīng)過若干次衰減振蕩，如圖1-8所示，且在振蕩過程中會出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象。圖1-8控制系統(tǒng)穩(wěn)定性示意圖(階躍輸入)

3.準確性

系統(tǒng)的準確性用穩(wěn)態(tài)誤差來衡量，也就是指系統(tǒng)的控制精度。

對一個穩(wěn)定的系統(tǒng)而言，過渡過程結(jié)束后，系統(tǒng)輸出量的實際值與期望值之差稱為穩(wěn)態(tài)誤差，它是衡量系統(tǒng)控制精度的重要指標。穩(wěn)態(tài)誤差越小，表示系統(tǒng)的準確性越好，控制精度越高。

1.5基于MATLAB的控制系統(tǒng)分析與設(shè)計

MATLAB是由美國Mathworks公司推出的一種科學(xué)計算和工程仿真軟件，它的名稱源自MatrixLaboratory，專門以矩陣的形式處理數(shù)據(jù)。MATLAB將高性能的數(shù)值計算和可視化編程集成在一起，并提供了大量的內(nèi)置函數(shù)，具有強大的矩陣計算和繪圖功能，從而被廣泛地應(yīng)用于科學(xué)計算、控制系統(tǒng)、信息處理等領(lǐng)域的分析、仿真和設(shè)計工作中。目前，MATLAB產(chǎn)品族的功能包括：

·數(shù)值分析；

·數(shù)值和符號計算；

·工程與科學(xué)繪圖；

·控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真；

·數(shù)字圖像處理；

·數(shù)字信號處理；

·通信系統(tǒng)設(shè)計與仿真；

·財務(wù)與金融工程。本書在介紹傳統(tǒng)自動控制理論的同時，也將這一功能強大的計算機輔助工具列入本課程的教學(xué)內(nèi)容中，穿插學(xué)習(xí)MATLAB在控制系統(tǒng)分析設(shè)計中的應(yīng)用，初步了解如何利用MATLAB軟件來解決控制系統(tǒng)設(shè)計的部分實際問題。1.5.1

MATLAB7.0的界面環(huán)境

雙擊Windows桌面上的快捷圖標，會出現(xiàn)如圖1-9所

示的MATLAB7.0啟動畫面，首次啟動后的界面窗口如圖1-10所示。

MATLAB7.0的工作環(huán)境主要由MATLAB主窗口、CommandWindow(命令窗口)、Workspace(工作空間窗口)、CurrentDirectory(當前目錄窗口)、CommandHistory(命令歷史窗口)等部分組成。對這些窗口的認識是掌握MATLAB7.0的基礎(chǔ)。下面將對主要窗口作簡單介紹。圖1-9

MATLAB7.0啟動畫面圖1-10

MATLAB7.0首次啟動后的畫面1.5.2

MATLAB7.0主窗口

MATLAB主窗口是MATLAB的主要工作界面，主窗口除了嵌入一些子窗口外，還包括菜單欄和工具欄。

1.菜單欄

在MATLAB7.0主窗口的菜單欄中，共包含F(xiàn)ile、Edit、Debug、Desktop、Window和Help6個菜單項。

①File菜單項：實現(xiàn)有關(guān)文件的操作。

②Edit菜單項：主要用于命令窗口的編輯操作。③Debug菜單項：主要用于設(shè)置MATLAB集成環(huán)境的調(diào)試方式。

④Desktop菜單項：主要用于設(shè)置MATLAB的窗口和工具欄的操作。

⑤Window菜單項：只包含一個子菜單CloseallDocuments，用于關(guān)閉所有打開的編輯器窗口，包括CommandWindow、Workspace、CurrentDirectory和CommandHistory

窗口。

⑥Help菜單項：用于提供幫助信息。

2.工具欄

MATLAB7.0主窗口的工具欄中提供了10個命令按鈕，這些命令按鈕均有對應(yīng)的菜單命令，但比菜單命令使用起來更快捷、方便。1.5.3

CommandWindow(命令窗口)

CommandWindow是MATLAB的主要交互窗口，用于輸入命令并顯示除圖形以外的所有執(zhí)行結(jié)果。

MATLAB命令窗口中的“>>”為命令提示符，表示MATLAB正處于準備狀態(tài)。在命令提示符后鍵入命令并按下回車鍵后，MATLAB就會解釋執(zhí)行所輸入的命令，并在命令后面給出計算結(jié)果。執(zhí)行完后，提示符“>>”依然存在，表示MATLAB又處于新的準備狀態(tài)，如圖1-11所示。圖1-11

CommandWindow

MATLAB的常用窗口命令如下：

clc：清除CommandWindow里的內(nèi)容。

home：光標回到窗口的左上角。

clf：清除當前Figure窗口的所有非隱藏對象。

close：關(guān)閉當前Figure窗口。

closeall：關(guān)閉所有Figure窗口。1.5.4

Workspace(工作空間窗口)

Workspace是MATLAB用于存儲各種變量和結(jié)果的內(nèi)存空間。該窗口用來顯示工作空間中所有變量的名稱、大小、字節(jié)數(shù)和變量類型說明，可對變量進行觀察、編輯、保存和刪除。在MATLAB中，不同的數(shù)據(jù)類型對應(yīng)不同的變量名圖標，如圖1-12所示。圖1-12

Workspace1.5.5

CurrentDirectory(當前目錄窗口)

1.當前目錄窗口

當前目錄是指MATLAB運行文件時的工作目錄，只有在當前目錄或搜索路徑下的文件、函數(shù)才可以被運行或調(diào)用。

在當前目錄窗口中可以顯示或改變當前目錄，還可以顯示當前目錄下的文件并提供搜索功能。

2.MATLAB的搜索路徑

當用戶在MATLAB命令窗口輸入一條命令后，MATLAB會按照一定次序?qū)ふ蚁嚓P(guān)的文件?；镜乃阉鬟^程是：

(1)檢查該命令是不是一個變量。

(2)檢查該命令是不是一個內(nèi)部函數(shù)。

(3)檢查該命令是否是當前目錄下的M文件。

(4)檢查該命令是否是MATLAB搜索路徑中其它目錄下的M文件。

MATLAB當前目錄窗口及搜索路徑如圖1-13所示。圖1-13

CurrentDirectory1.5.6

CommandHistory(命令歷史窗口)

命令歷史窗口如圖1-14所示。在默認設(shè)置下，命令歷史窗口中會自動保留自安裝起所有用過的命令的歷史記錄，并且還標明了使用時間，從而方便用戶查詢。而且，通過雙擊命令可進行歷史命令的再運行。如果要清除這些歷史記錄，則可以選擇Edit菜單中的ClearCommandHistory命令。若要從窗口中刪除命令，則只需選中想要刪除的命令，單擊右鍵選擇DeleteSelection命令即可。圖1-14

CommandHistory1.5.7啟動平臺窗口和Start按鈕

MATLAB7.0的啟動平臺窗口可以幫助用戶方便地打開和調(diào)用MATLAB的各種程序、函數(shù)和幫助文件。

MATLAB7.0主窗口左下角還有一個Start按鈕，單擊該按鈕會彈出一個菜單，選擇其中的命令可以執(zhí)行MATLAB產(chǎn)品的各種工具，并且可以查閱MATLAB包含的各種資源。1.5.8

MATLAB幫助系統(tǒng)

1.幫助系統(tǒng)

單擊主窗口中的Help菜單，再單擊“MATLABhelp”子菜單，可進入MATLAB的聯(lián)機幫助系統(tǒng)。