自動控制原理 第一章 緒論2015-s學(xué)習(xí)資料

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自動控制原理

AutomaticControlTheory

羅慧（自動化學(xué)院）

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歡迎任何形式的意見和建議！信息學(xué)院的平臺課之一，自動化專業(yè)的必修專業(yè)基礎(chǔ)課。課程特點：應(yīng)用數(shù)學(xué)工具分析解決工程問題學(xué)時:48＋8教材：《自動控制原理（非自動化專業(yè)）》王敏參考書：《自動控制原理》胡壽松

《現(xiàn)代控制工程》KatsuhikoOgata《ModernControlSystems》RichardC.DorfMatlab工具書作業(yè)：每章交一次考試：第13周（閉卷筆試）評分：平時成績占20%，考試成績占80%《自動控制原理》課程介紹2該課程與其它課程的關(guān)系自動控制原理電機與拖動模擬電子技術(shù)線性代數(shù)微積分復(fù)變函數(shù)電路理論大學(xué)物理（力學(xué)、熱力學(xué)）電力電子技術(shù)各類控制專業(yè)課程34第一章緒論§1.1控制論的發(fā)展史§1.2控制系統(tǒng)基本概念與舉例§1.3控制系統(tǒng)的分類§1.4控制系統(tǒng)的性能指標§1.5本課程的中心問題5§1.1控制論的發(fā)展史前期控制(1400BC-1900)經(jīng)典控制(1930-1950)現(xiàn)代控制(1950-Now)一、控制論簡史中國、埃及和巴比倫出現(xiàn)自動計時漏壺(1400BC-1100BC)。中國東漢的張衡發(fā)明水運渾象，研制出自動測量地震的候風(fēng)地動儀(132年)。希臘Philon發(fā)明了采用浮球調(diào)節(jié)器來保持燃油液面高度的油燈。(BC250年)。前期控制中國三國時期的馬鈞研制出用齒輪傳動的自動指示方向的指南車(235年)中國明代宋應(yīng)星所著《天工開物》記載有程序控制思想(CNC)的提花織機結(jié)構(gòu)圖(1637年)1765年，英國工程師瓦特（J.Watt）發(fā)明了蒸汽機，引發(fā)了第一次工業(yè)革命。1788年又發(fā)明離心式飛錘調(diào)速器控制蒸汽機的轉(zhuǎn)速。后來，蒸汽機調(diào)速系統(tǒng)中出現(xiàn)了劇烈振蕩的不穩(wěn)定問題，于是工程界開始廣泛討論調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。經(jīng)典控制（起步階段）91868年，法-麥克斯韋爾(J.C.Maxwell)發(fā)表了“論調(diào)速器”一文，對其穩(wěn)定性進行了分析，指出控制系統(tǒng)的品質(zhì)可用微分方程來描述，系統(tǒng)的穩(wěn)定性可用特征方程根的位置和形式來研究，當屬最早的理論研究工作。

1895年，英-勞斯(E.J.Routh)和德-赫爾維茨(A.Hurwitz)先后提出了根據(jù)代數(shù)方程系數(shù)判別系統(tǒng)穩(wěn)定性的準則。

1892年俄-李雅普諾夫出版了專著“論運動穩(wěn)定性的一般問題”，提出了用李雅普諾夫函數(shù)的正定性及其導(dǎo)數(shù)的負定性判別系統(tǒng)穩(wěn)定性的準則，從而建立了動力學(xué)系統(tǒng)的一般穩(wěn)定性理論。經(jīng)典控制（發(fā)展階段）美國N.Minorsky研制出用于船舶駕駛的伺服結(jié)構(gòu)，提出PID控制方法(1922)。美國E.Sperry以及C.Mason研制出火炮控制器(1925)，氣壓反饋控制器(1929)。經(jīng)典控制（1930-1950）美國貝爾實驗室的H.Bode(1938)，以及Nyquist(1940)提出頻率響應(yīng)法。提出了根據(jù)頻率響應(yīng)判斷反饋控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的準則。美國Taylor儀器公司的J.G.Ziegler和N.B.Nichols提出PID參數(shù)的最佳調(diào)整法(1942)在貝爾實驗室Bode領(lǐng)導(dǎo)的火炮控制系統(tǒng)研究小組工作的C.Shannon提出繼電器邏輯自動化理論(1938)，隨后，發(fā)表專著《通信的數(shù)字理論》(TheMathematicalTheoryofCommunication)，奠定了信息論的基礎(chǔ)(1948)。美國H.S.Black提出放大器性能的負反饋方法(NegativeFeedbackAmplifier)(1927)美國W.Evans提出根軌跡法(RootLocusMethod)(1948)，以單輸入線性系統(tǒng)為對象的經(jīng)典控制研究工作完成。121948年美國維納(N.wiener)出版了專著《控制論—關(guān)于在動物和機器中控制和通信的科學(xué)》，系統(tǒng)地論述了控制理論的一般原理和方法，推廣了反饋的概念，為控制理論學(xué)科的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，該書的出版標志著控制論的誕生。

1954年我國錢學(xué)森在美出版了《工程控制論》一書，書中所闡述的基本理論和觀點，奠定了工程控制論的基礎(chǔ)?，F(xiàn)代控制起源于冷戰(zhàn)時期的軍備競賽，如導(dǎo)彈(發(fā)射，操縱，指導(dǎo)及跟蹤)，衛(wèi)星，航天器，以及計算機技術(shù)的出現(xiàn).現(xiàn)代控制（1950-Now）美國MIT的ServomechanismLaboratory研制出第一臺數(shù)控機床(1952)美國GeorgeDevol研制出第一臺工業(yè)機器人樣機(1954)，兩年后，被稱為機器人之父的JosephEngelberger創(chuàng)立了第一家機器人公司，Unimation。美國的M.E.Merchant提出計算機集成制造的概念(1969)日本Fanuc公司研制出由加工中心和工業(yè)機器人組成的柔性制造單元(1976)日本SONY公司二足步行機械人SDR-4X(2002)日本安川公司娛樂機械狗(2001)世界第一顆人造地球衛(wèi)星(Sputnik)由蘇聯(lián)發(fā)射成功(1957)蘇聯(lián)東方1號飛船載著加加林進入人造地球衛(wèi)星軌道，人類宇航時代開始了(1961)。蘇聯(lián)發(fā)射“月球”9號探測器，首次在月面軟著陸成功(1966)，三年后(1969)，美國“阿波羅”11號把宇航員N.A.Armstrong送上月球。第一臺火星探測器Sojourner在火星表面軟著陸(1996)旅行者Voyager一號、二號開始走出太陽系，對茫茫太空進行探索。神州五號宇宙飛船成功發(fā)射，中國首次載人航天圓滿成功。標志著中國已經(jīng)成為世界上獨立自主地完整掌握載人航天技術(shù)的國家之一（2003）二、控制理論的發(fā)展階段40-50年代形成SISO系統(tǒng)經(jīng)典控制理論

基于：二戰(zhàn)軍工技術(shù)研究對象：單輸入單輸出線性定常系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型：傳遞函數(shù)目標：反饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定和性能

60年代為適應(yīng)宇航技術(shù)（宇宙飛船、導(dǎo)彈自動制導(dǎo)）而發(fā)展現(xiàn)代控制理論基于：冷戰(zhàn)時期空間技術(shù)，計算機技術(shù)研究對象：多輸入多輸出變參數(shù)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型：狀態(tài)空間表達式目標：最優(yōu)控制90年代開始發(fā)展智能控制理論專家系統(tǒng)模糊控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遺傳算法

70年代大系統(tǒng)理論系統(tǒng)日趨復(fù)雜，應(yīng)用領(lǐng)域擴展（經(jīng)濟、生物、社會科學(xué)等）過程控制與信息處理相結(jié)合2324三、控制論（Cybernetics）錢學(xué)森稱之為二十世紀三大偉績之一：

量子力學(xué)、相對論、控制論控制論的分支：工程控制論 生物控制論 經(jīng)濟控制論 社會控制論

——自動控制理論

自動控制理論研究自動控制共同規(guī)律的技術(shù)學(xué)科25§1.2自動控制系統(tǒng)基本概念與舉例什么是自動控制呢？26例1：瓦特式發(fā)動機調(diào)速系統(tǒng)變向齒輪組飛錘機械式調(diào)節(jié)器控制對象：發(fā)動機被控量：發(fā)動機的轉(zhuǎn)速驅(qū)動信號：燃油數(shù)量擾動量：負載變化返回27例2：他勵直流發(fā)電機端電壓自動控制系統(tǒng)1、問題的提出電機的勵磁繞組額定轉(zhuǎn)速（負載電流）電機的電樞繞組內(nèi)阻為R1直流發(fā)電機的工作原理法拉弟電磁感應(yīng)定律：（發(fā)電機原理）

用戶用電量的多少隨時間變化，負載電流I是經(jīng)常波動的，依發(fā)電機外特性：

問題提出：不論負載電流I如何變化，如何保證發(fā)

電機的輸出電壓UF恒為額定值？

：發(fā)電機的空載電勢：發(fā)電機的電樞電阻：額定負載電流：額定端電壓當時，當時，302、解決方案一：人工控制工人測量發(fā)電機端電壓，將測出的電壓與希望的電壓比較，得偏差，改變勵磁電流，使端電壓等于希望值。3、解決方案二：建立自動控制系統(tǒng)

比較器控制器執(zhí)行機構(gòu)被控對象測量器平衡工作點：如果偏離平衡工作點：功率放大31324、建立自動控制系統(tǒng)的原則

是閉環(huán)系統(tǒng)引入負反饋按偏差控制

被控對象

自動控制系統(tǒng)基本概念33控制裝置被控量給定值什么是自動控制？不需要人的介入，達到人想要達到的目的；在沒有人介入的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置使機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程的工作狀態(tài)或參數(shù)自動地按預(yù)定的要求運行或變化。自動控制在沒有人介入的情況下，利用控制裝置使被控對象的被控量自動按給定值變化。自動控制系統(tǒng)能夠?qū)Ρ豢貙ο蟮谋豢亓窟M行自動控制的系統(tǒng)，一般由控制裝置和被控對象組成。典型自動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖前向通道

信號從輸入端沿箭頭方向到達輸出端的傳輸通道；反饋通道

輸出量經(jīng)測量元件反饋到輸入端的傳輸通道；

負反饋：輸出量經(jīng)檢測后反送到輸入端，與輸入量形成偏差的過程；反饋量：與輸出量成正比或某種函數(shù)關(guān)系，且與參考輸入量綱相同的反饋信號；偏差：

參考輸入與反饋量之差;

控制量：從控制器輸出并作用于被控制對象的信號；擾動：是一種外部或內(nèi)部的作用，力圖使被控量偏離設(shè)定值；3435例3：空調(diào)－－恒溫自動控制系統(tǒng)為什么將柜式空調(diào)出風(fēng)口的導(dǎo)風(fēng)板往下翻，空調(diào)的制冷效果就不太好呢？36例3：空調(diào)－－恒溫自動控制系統(tǒng)37例4：人去拿物品檢測元件控制器執(zhí)行機構(gòu)38例5：機器手39§1.3自動控制系統(tǒng)的分類40

一、按控制方式劃分開環(huán)控制系統(tǒng)：無反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)：有反饋復(fù)合控制系統(tǒng)：反饋＋前饋開環(huán)控制：是指系統(tǒng)的輸出量（被控量）只受控于控制作用，而對控制作用不能反施任何影響的控制方式；開環(huán)控制系統(tǒng)優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，易于實現(xiàn)，不存在穩(wěn)定性問題；缺點：對擾動沒有抑制能力，控制精度低；適用范圍：輸入量已知，且不存在擾動的場合；41閉環(huán)控制

指被控量（輸出量）與輸入量之間存在負反饋回路的控制方式。優(yōu)點：對擾動有抑制能力，控制精度高；缺點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，存在穩(wěn)定性問題；適用范圍：精度要求高，且存在擾動；閉環(huán)控制系統(tǒng)4243開環(huán)控制和閉環(huán)控制的比較控制方式開環(huán)控制閉環(huán)控制有無反饋無有控制精度低高穩(wěn)定性不改變穩(wěn)定性可能改變穩(wěn)定性經(jīng)濟性成本低成本高實例全自動洗衣機交通紅綠燈恒溫空調(diào)恒壓水泵44二、按系統(tǒng)元件的類型劃分線性控制系統(tǒng)

系統(tǒng)可用線性微分方程描述，滿足疊加原理。

線性定常系統(tǒng)線性時變系統(tǒng)非線性控制系統(tǒng)

構(gòu)成系統(tǒng)的元件中含有非線性元件的系統(tǒng)。只能用非線性微分方程描述，不滿足疊加原理。

本質(zhì)非線性非本質(zhì)非線性

45典型的非線性特性飽和特性死區(qū)特性磁滯特性繼電特性死區(qū)繼電特性滯環(huán)繼電特性46三、按輸入信號類型劃分恒值控制系統(tǒng)：輸入量是常值的系統(tǒng)。其任務(wù)是消除或減少擾動信號對系統(tǒng)輸出的影響，使被控制量保持在給定的數(shù)值上。（空調(diào)、恒溫?zé)崴鳎┏绦蚩刂葡到y(tǒng)：輸入量是已知的時間函數(shù)的系統(tǒng)。（仿型銑、洗衣機、交通燈控制）隨動控制系統(tǒng)：輸入量是未知的時間函數(shù)的系統(tǒng)。其任務(wù)是要求輸出量以一定的精度和速度跟蹤輸入量，跟蹤的速度和精度是隨動系統(tǒng)的兩項主要性能指標。（火炮跟蹤系統(tǒng)）

47四、按傳輸信號的性質(zhì)劃分連續(xù)控制系統(tǒng)

指系統(tǒng)內(nèi)各處的信號都是以時間連續(xù)的模擬量傳遞的系統(tǒng)；（模擬電路系統(tǒng)）離散控制系統(tǒng)

系統(tǒng)內(nèi)某處信號是以脈沖序列或數(shù)碼形式傳遞的系統(tǒng)；（計算機控制系統(tǒng)）

48§1.4自動控制系統(tǒng)的性能指標

快、準、穩(wěn)目標：1、首先保證閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性；

2、然后追求系統(tǒng)的快速性和準確性；49一、穩(wěn)定性系統(tǒng)在給定變化或受到擾動作用時，自動返回平衡狀態(tài)的能力稱為系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如果系統(tǒng)能自動返回平衡狀態(tài)，則該系統(tǒng)是穩(wěn)定的。穩(wěn)定系統(tǒng)的數(shù)學(xué)特征是其輸出量收斂；反之，系統(tǒng)是不穩(wěn)定系統(tǒng)。穩(wěn)定性是由系統(tǒng)自身結(jié)構(gòu)、參數(shù)決定，與外界因素?zé)o關(guān)！穩(wěn)定與不穩(wěn)定系統(tǒng)的示例圖1單擺運動50在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，希望控制過程（過渡過程）進行得越快越好。例如：高射炮射角隨動系統(tǒng)，導(dǎo)彈發(fā)射系統(tǒng)；二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線二、快速性0123456789101112

ntc(t)0.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0

=00.20.71.02.051三、準確性在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，希望穩(wěn)態(tài)精度越高越好。例如：高射炮射角隨動系統(tǒng)，快速性和準確性一般是相互矛盾的穩(wěn)態(tài)誤差52系統(tǒng)建?！\用數(shù)學(xué)語言描述系統(tǒng)輸入、輸出及內(nèi)部物理量之間的關(guān)系。系統(tǒng)分析——已知系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性，求取系統(tǒng)的動態(tài)、靜態(tài)性能指標，看是否滿足要求，以及分析某個參數(shù)變化時對上述性能指標的影響，決定如何合理