第1章自動控制原理的一般概念

1、1自動化教研室?guī)熡駥毲嗪４髮W(xué)化工學(xué)院第一章 自動控制的一般概念 內(nèi)容：內(nèi)容：z1-1 自動控制的基本原理與方式z1-2 自動控制系統(tǒng)示例z1-3 自動控制系統(tǒng)的分類z1-4 對自動控制系統(tǒng)的基本要求 本章重點和難點知識本章重點和難點知識z重點：自動控制的基本概念、基本控制方式與特點、系統(tǒng)性能要求。z難點：負反饋控制原理，系統(tǒng)工作原理圖的理解與方塊圖(結(jié)構(gòu)圖)的繪制。 1.1.概述概述 (1)技術(shù)及應(yīng)用 自動控制自動控制: :指無人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置(控制裝置),使機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量）自動地按照預(yù)定的規(guī)律運行。1-1自動控制的基本原理與方式自動

2、控制系統(tǒng)實例演示自動控制系統(tǒng)實例演示（2）控制理論的發(fā)展z 人類對控制系統(tǒng)的基本原理（反饋）早有認識，并利用它創(chuàng)造人類對控制系統(tǒng)的基本原理（反饋）早有認識，并利用它創(chuàng)造許多裝置。如許多裝置。如2000年前，羅馬人：水位控制系統(tǒng)（淋?。┠昵?，羅馬人：水位控制系統(tǒng)（淋浴） ，神廟（開關(guān)門）英雄裝置。中國能工巧匠：蘇頌的水運儀象臺，神廟（開關(guān)門）英雄裝置。中國能工巧匠：蘇頌的水運儀象臺，張衡的地震方向測定儀。張衡的地震方向測定儀。z 1786年年，James Watt 為控制蒸汽機速度設(shè)計的離心調(diào)節(jié)器，為控制蒸汽機速度設(shè)計的離心調(diào)節(jié)器，是自動控制領(lǐng)域的第一項重大成果。是自動控制領(lǐng)域的第一項重大成果。

3、z 1868年，英國年，英國J.C 麥克斯韋首先解釋了瓦特速度控制系統(tǒng)中麥克斯韋首先解釋了瓦特速度控制系統(tǒng)中出現(xiàn)的不穩(wěn)定問題（發(fā)表了出現(xiàn)的不穩(wěn)定問題（發(fā)表了論調(diào)速器論調(diào)速器一文）。一文）。1877年年 勞勞斯斯 ，1892年李雅普諾夫證明了從系統(tǒng)的微分方程確定系統(tǒng)的年李雅普諾夫證明了從系統(tǒng)的微分方程確定系統(tǒng)的穩(wěn)定性的方法。穩(wěn)定性的方法。 z 赫茲用頻域法研究了反饋原理的頻率特性。赫茲用頻域法研究了反饋原理的頻率特性。 接著的接著的1932年，年，Nyquist提出了一種根據(jù)系統(tǒng)的開環(huán)頻率響應(yīng)提出了一種根據(jù)系統(tǒng)的開環(huán)頻率響應(yīng)(對穩(wěn)態(tài)正弦輸對穩(wěn)態(tài)正弦輸入入)，確定閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法。，確定閉環(huán)系

4、統(tǒng)穩(wěn)定性的方法。v20世紀世紀40年代，頻率響應(yīng)法為閉環(huán)控制系統(tǒng)提供了一種可行方年代，頻率響應(yīng)法為閉環(huán)控制系統(tǒng)提供了一種可行方法，法，Evans提出并完善了根軌跡法。提出并完善了根軌跡法。v1948年，美國數(shù)學(xué)家年，美國數(shù)學(xué)家N.Wiener出版出版Cybernetics是一個是一個控制科學(xué)里程碑?？刂瓶茖W(xué)里程碑?？刂普摽刂普摰母睒祟}是關(guān)于人、動物及其通的副標題是關(guān)于人、動物及其通訊的科學(xué)。訊的科學(xué)。v20世紀世紀50年代末，我國著名科學(xué)家錢學(xué)森將前者理論進行了系年代末，我國著名科學(xué)家錢學(xué)森將前者理論進行了系統(tǒng)總結(jié)，編著了有名的工程控制論一書，建立了經(jīng)典控制統(tǒng)總結(jié)，編著了有名的工程控制論一書，

5、建立了經(jīng)典控制理論。理論。v19世紀世紀60年代，數(shù)字計算機的出現(xiàn)為復(fù)雜系統(tǒng)的基于時域分析年代，數(shù)字計算機的出現(xiàn)為復(fù)雜系統(tǒng)的基于時域分析的現(xiàn)代控制理論提供了可能。的現(xiàn)代控制理論提供了可能。v從從19601980，確定性系統(tǒng)、隨機系統(tǒng)的最佳控制，及復(fù)雜系，確定性系統(tǒng)、隨機系統(tǒng)的最佳控制，及復(fù)雜系統(tǒng)的自適應(yīng)和學(xué)習(xí)控制，都得到充分的研究。統(tǒng)的自適應(yīng)和學(xué)習(xí)控制，都得到充分的研究。v從從1980現(xiàn)在，智能控制理論集中于現(xiàn)在，智能控制理論集中于3C控制系統(tǒng)及其相關(guān)課控制系統(tǒng)及其相關(guān)課題題,即即通信技術(shù)、計算機技術(shù)和控制技術(shù)（通信技術(shù)、計算機技術(shù)和控制技術(shù)（Communication，Computer，Co

6、ntrol）z 古典（經(jīng)典）控制理論古典（經(jīng)典）控制理論 自動控制原理（理論）自動控制原理（理論） （17871960） 以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)研究單以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)研究單輸入單輸出定?？刂葡递斎雴屋敵龆ǔ？刂葡到y(tǒng)的分析與設(shè)計問題。這統(tǒng)的分析與設(shè)計問題。這些理論由于其發(fā)展較早，些理論由于其發(fā)展較早，現(xiàn)已日臻成熟?，F(xiàn)已日臻成熟。z 現(xiàn)代（近代）控制理論現(xiàn)代（近代）控制理論 （19601980） 以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究多輸入多輸出控制系統(tǒng)的多輸入多輸出控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計問題。系統(tǒng)具有分析與設(shè)計問題。系統(tǒng)具有高精度和高效能的特點。高精度和高效能的特點。 最優(yōu)控制最優(yōu)控制 、自適

7、應(yīng)控制、自適應(yīng)控制 計算機控制、系統(tǒng)辨識計算機控制、系統(tǒng)辨識v智能控制理論（智能控制理論（1980） 以人工智能為基礎(chǔ)，研究復(fù)雜對象（車間、工廠、集以人工智能為基礎(chǔ)，研究復(fù)雜對象（車間、工廠、集團）、復(fù)雜任務(wù)、復(fù)雜環(huán)境。團）、復(fù)雜任務(wù)、復(fù)雜環(huán)境。 管理和控制一體化管理和控制一體化:計算機集成制造系統(tǒng)，復(fù)雜控制系統(tǒng)計算機集成制造系統(tǒng)，復(fù)雜控制系統(tǒng)發(fā)展階段歸納（個人理解）：發(fā)展階段歸納（個人理解）：v萌芽萌芽( (產(chǎn)生產(chǎn)生) )時期（一戰(zhàn)前夕）時期（一戰(zhàn)前夕）v經(jīng)典理論完善時期（二戰(zhàn)前夕）經(jīng)典理論完善時期（二戰(zhàn)前夕）v經(jīng)典控制理論確定時期（二戰(zhàn)期間）經(jīng)典控制理論確定時期（二戰(zhàn)期間）v控制理論發(fā)展時

8、期（二戰(zhàn)后五十年代以后）控制理論發(fā)展時期（二戰(zhàn)后五十年代以后）傳統(tǒng)控制技術(shù)lPID控制 簡而優(yōu)秀智能控制技術(shù) l90年代開始發(fā)展l專家系統(tǒng) 身邊的專家l模糊控制 其實我很清楚l預(yù)測控制 未卜先知l最優(yōu)控制 沒有更好只有最好l自適應(yīng)控制 以變制變l魯棒控制 以靜制動2.控制與系統(tǒng)控制與系統(tǒng)(1)控制:工程上的“控制”是指有目的的操作，其目的使被控量按照人們希望的規(guī)律變化。如汽車、飛機、輪船等的操作。分為人工控制和自動控制。例如：水箱液位控制問題眼手腦水位測量與變送執(zhí)行器控制器給定水位控制工作原理 人工控制：眼、腦、手、水箱+閥門人腦手水箱系統(tǒng)眼h自動控制：傳感器、控制器、執(zhí)行器、水箱+閥門控制器

9、執(zhí)行器水箱系統(tǒng)傳感器h（2）系統(tǒng)系統(tǒng)：工程上的系統(tǒng)是指由若干部件組成的具有某種特定功能且可以完成規(guī)定任務(wù)的整套裝置。 如鍋爐-汽輪機-發(fā)電機三套設(shè)備組成一個發(fā)電系統(tǒng)。自動控制系統(tǒng)：把控制對象與控制裝置按照一定方式連接起來組成的系統(tǒng)z反饋：將輸出量通過一定的方式送回到輸入端，并與輸入信號比較產(chǎn)生偏差信號的過程稱為反饋z負反饋：輸入信號反饋信號（輸出信號） 輸出偏差減?。p弱輸入信號）z正反饋：輸入信號+反饋信號（增強輸入信號）3.反饋控制原理反饋控制原理控制器執(zhí)行器水箱系統(tǒng)傳感器hz自動控制原理：實際就是反饋控制或閉環(huán) 控制的原理。z反饋控制原理：將輸出信號反饋回輸入端與輸入信號進行疊加或比較的

10、結(jié)果提供給系統(tǒng)進行控制的原理。z反饋控制的實質(zhì)：依據(jù)偏差進行控制4.4.反饋控制系統(tǒng)的基本組成反饋控制系統(tǒng)的基本組成z反饋控制系統(tǒng)：由被控對象、控制裝置組成。z控制裝置：由具有一定職能的各種基本元件（部件） 組 成。z控制裝置的基本環(huán)節(jié)有：測量變送環(huán)節(jié)、控制環(huán)節(jié)（一般包含給定元件、比較元件、放大元件及控制元件等）和執(zhí)行環(huán)節(jié)。測量、變送器控制器執(zhí)行器被控對象其簡單系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如下：-RCG1G2G3G4H3H1H2-N一些基本概念z前向通路：從輸入端沿箭頭方向到輸出端的傳輸通路z主反饋通路：輸出經(jīng)過測量元件到達輸入端的通路z主回路：前向通路+主反饋通路z單回路系統(tǒng)、多回路系統(tǒng)z反饋控制系統(tǒng)受到的

11、外部作用z參考（有用）輸入：決定系統(tǒng)被控量的變化規(guī)律z擾動：系統(tǒng)外部擾動、系統(tǒng)內(nèi)部擾動z 被控對象：簡稱對象。即具體的機器或設(shè)備，如刀架、烘爐、電機等。z 被控量：表征被控對象工作狀態(tài)的物理量，即電壓、爐溫、液位等。z 給定值（參考輸入）：在整個過程中，被控量所應(yīng)保持的理想（希望）數(shù)值。z 操縱量：能夠使被控量產(chǎn)生變化的物理量。（注意與操縱介質(zhì)概念的區(qū)別）5.5.自動控制系統(tǒng)的基本控制方式自動控制系統(tǒng)的基本控制方式(1)反饋控制方式（閉環(huán)） ：按偏差進行控制，需控制的是被控對象的被控量，而測量的也是被控量。并與給定值進行比較計算，求得它們的偏差，通過偏差來自動糾正偏差按偏差調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 特點：較

12、高的動靜態(tài)控制性能，精度高；結(jié)構(gòu)、線路復(fù)雜，系統(tǒng)分析與設(shè)計較復(fù)雜?？刂破鲌?zhí)行器對象傳感器(2)開環(huán)控制（順序控制）：系統(tǒng)的輸出量與輸入量之間只有順向作用，而無反向聯(lián)系，輸出量對系統(tǒng)的控制過程不發(fā)生影響。 特點：結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)；但抗干擾能力差。z有兩種方式：z按給定量控制 如龍門刨床速度控制系統(tǒng)將測速、發(fā)電機的輸出斷開，調(diào)節(jié)測速發(fā)電機的輸入電壓來調(diào)節(jié)電機速度z按擾動量控制 利用可測量的擾動量，產(chǎn)生補償作用(3)復(fù)合控制方式：z按偏差控制+按擾動補償控制z按偏差控制+按給定補償控制(4)其它新控制方式：最優(yōu)控制、預(yù)測控制、自適應(yīng)控制、 模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。1-21-2自動控制系統(tǒng)示例自動

13、控制系統(tǒng)示例瓦特離心調(diào)速系統(tǒng)瓦特離心調(diào)速系統(tǒng)液位控制系統(tǒng)液位控制系統(tǒng)控制器控制器減速器減速器電動機電動機電位器電位器浮子浮子用水開關(guān)用水開關(guān)Q2Q1cifSM液位系統(tǒng)的自動反饋控制液位系統(tǒng)的自動反饋控制溫度系統(tǒng)的自動反饋控制溫度系統(tǒng)的自動反饋控制冷物料熱物料加加熱熱蒸蒸汽汽1-3自動控制系統(tǒng)分類分類方法按控制方式：開環(huán)控制、閉環(huán)控制、復(fù)合控制按元件類型：機械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、機電系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、生物系統(tǒng)等。按系統(tǒng)功能：溫度、壓力、位置、流量等按系統(tǒng)性質(zhì)：線性與非線性、連續(xù)與離散、定常與時變按參考量變化規(guī)律：恒值、隨動、程序控制1.線性連續(xù)控制系統(tǒng)由系數(shù)判定線性時變系統(tǒng)、線性定常系統(tǒng)線性

14、定常系統(tǒng)根據(jù)參考輸入量又可分為：恒值控制系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng))()()()()()()()(1111011110trbtrdtdbtrdtdbtrdtdbtcatcdtdatcdtdatcdtdammmmmmnnnnnn 系統(tǒng)主要特點：（1）恒值控制系統(tǒng) 參考輸入是個常值，要求被控量也等于常值。外部擾動的存在，被控量偏離參考量而出現(xiàn)偏差，控制系統(tǒng)根據(jù)偏差產(chǎn)生控制作用，以克服擾動的影響，使被控量恢復(fù)到給定的常值。（2）隨動控制系統(tǒng)參考輸入是預(yù)先未知的隨時間任意變化的函數(shù)，要求被控量以盡可能小的誤差跟隨參考輸入量變化。（3）程序控制系統(tǒng)參考輸入是按預(yù)定規(guī)律隨時間變化的函數(shù)，要求被控量迅

15、速、準確地復(fù)現(xiàn)。線性定常離散系統(tǒng)2.非線性控制系統(tǒng))()()()(2trytytyty 非線性系統(tǒng)的線性化1-4 對自動控制系統(tǒng)的基本要求z1. 對自動控制系統(tǒng)基本要求z穩(wěn)定性（穩(wěn)）、快速性（快）、準確性（準）z“穩(wěn)”與“快”是說明系統(tǒng)動態(tài)（過渡過程）品質(zhì)。z“準”是說明系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)）品質(zhì)z系統(tǒng)的過渡過程產(chǎn)生的原因 ： 系統(tǒng)中儲能元件的能量不可能突變。z穩(wěn)定性：當(dāng)系統(tǒng)輸入量的變化趨于某 一穩(wěn)定值后，系統(tǒng)的被控變量的變化經(jīng)系統(tǒng)自動控制后也能趨于某一穩(wěn)定值，而不出現(xiàn)持續(xù)的振蕩或發(fā)散型振蕩的現(xiàn)象，即偏差等于0；C（t）tz準確性準確性：系統(tǒng)過渡到：系統(tǒng)過渡到新的平衡工作狀態(tài)以后，新的平衡工作狀態(tài)

16、以后，或系統(tǒng)受擾重新恢復(fù)平或系統(tǒng)受擾重新恢復(fù)平衡之后，最終保持的精衡之后，最終保持的精度，反映了動態(tài)過程后度，反映了動態(tài)過程后期的性能；期的性能；z快速性快速性：當(dāng)系統(tǒng)被控：當(dāng)系統(tǒng)被控量與給定值之間的偏差量與給定值之間的偏差發(fā)生變化時，調(diào)整到新發(fā)生變化時，調(diào)整到新的穩(wěn)定狀態(tài)所需要時間的穩(wěn)定狀態(tài)所需要時間的長短來反映。的長短來反映。 z穩(wěn)定性 是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件 線性控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性由系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)與參數(shù)所決定的，與外部條件無關(guān)。z快速性 是系統(tǒng)在穩(wěn)定的條件下，衡量系統(tǒng)過渡過程的形式和快慢，通常稱為“系統(tǒng)動態(tài)性能”。z準確性 是在系統(tǒng)過渡過程結(jié)束后，衡量系統(tǒng)輸出（被控量）達到的穩(wěn)態(tài)值與系統(tǒng)輸出期望值之間的接近程度。 一般用穩(wěn)態(tài)誤差來衡量。 同一個系統(tǒng)，穩(wěn)、準、快是相互制約的，提同一個系統(tǒng)，穩(wěn)、準、快是相互制約的，提高過程的快速性，會引起系統(tǒng)強烈振蕩；改善平穩(wěn)高過程的快速性，會引起系統(tǒng)強烈振蕩；改善平穩(wěn)性，過程又可能變的遲緩，甚至