自動控制原理 第一章

自動控制原理天津工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院

第一章自動控制的一般概念1自動控制的基本原理與方式2自動控制系統(tǒng)示例

3自動控制系統(tǒng)分類4自動控制系統(tǒng)的基本要求本章主要內(nèi)容1-1自動控制的基本原理與方式§1.1自動控制的基本原理與方式

是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱控制裝置或控制器）使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（統(tǒng)稱被控對象）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(yùn)行。

自動控制技術(shù)1自動控制技術(shù)及應(yīng)用自動控制理論是研究自動控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)。經(jīng)典控制理論——以傳函為基礎(chǔ)的經(jīng)典理論，主要研究

SISO、線性定常系統(tǒng)的分析和設(shè)計問題；

（1948年Wiener《控制論》）現(xiàn)代控制理論——以狀態(tài)為基礎(chǔ)的狀態(tài)空間法，主要研究高性能、高精度的多變量、變參數(shù)系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題；大系統(tǒng)理論——用于復(fù)雜系統(tǒng)的控制。§1.1自動控制的基本原理與方式2自動控制理論的發(fā)展過程經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論即古典控制理論。它的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下幾個過程：萌芽階段起步階段發(fā)展階段標(biāo)志階段§1.1自動控制的基本原理與方式經(jīng)典控制理論--萌芽階段早在古代,勞動人民就憑借生產(chǎn)實(shí)踐中積累的豐富經(jīng)驗(yàn)和對反饋概念的直觀認(rèn)識,發(fā)明了許多閃爍自動控制智慧火花的杰作。如果要追朔自動控制技術(shù)的發(fā)展歷史,早在兩千年前中國就有了自動控制技術(shù)的萌芽。指南車?yán)?兩千年前我國發(fā)明的指南車,就是一種開環(huán)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)?！?.1自動控制的基本原理與方式經(jīng)典控制理論—起步階段(1/4)隨著科學(xué)技術(shù)與工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展,到十七、十八世紀(jì),自動控制技術(shù)逐漸應(yīng)用到現(xiàn)代工業(yè)中。1681年法國物理學(xué)家、發(fā)明家巴本巴本(D.Papin)發(fā)明了用做安全調(diào)節(jié)裝置的鍋爐壓力調(diào)節(jié)器;1765年俄國人普爾佐諾夫(I.Polzunov)發(fā)明了蒸汽鍋爐水位調(diào)節(jié)器等；§1.1自動控制的基本原理與方式經(jīng)典控制理論—起步階段(2/4)1788年,英國人瓦特(J.Watt)在他發(fā)明的蒸汽機(jī)上使用了離心調(diào)速器,解決了蒸汽機(jī)的速度控制問題,引起了人們對控制技術(shù)的重視。自動控制技術(shù)的逐步應(yīng)用,加速了第一次工業(yè)革命的步伐。瓦特§1.1自動控制的基本原理與方式經(jīng)典控制理論—起步階段(3/4)Watt’sflyballgovernor§1.1自動控制的基本原理與方式ThisphotographshowsaflyballgovernorusedonasteamengineinacottonfactorynearanchesterintheUnitedKingdom.Ofcourse,Manchesterwasatthecentreoftheindustrialrevolution.Actually,thiscottonfactoryisstillrunningtoday.經(jīng)典控制理論—起步階段(4/4)§1.1自動控制的基本原理與方式經(jīng)典控制理論—發(fā)展階段(1/4)3.發(fā)展階段實(shí)踐中出現(xiàn)的問題,促使科學(xué)家們從理論上進(jìn)行探索研究。1868年,英國物理學(xué)家麥克斯韋(J.C.Maxwell)通過對調(diào)速系統(tǒng)線性常微分方程的建立和分析,解釋了瓦特蒸汽機(jī)速度控制系統(tǒng)中出現(xiàn)的劇烈振蕩的不穩(wěn)定問題,麥克斯韋提出了簡單的穩(wěn)定性代數(shù)判據(jù)。開辟了用數(shù)學(xué)方法研究控制系統(tǒng)的途徑。§1.1自動控制的基本原理與方式經(jīng)典控制理論—發(fā)展階段(2/4)此后,英國數(shù)學(xué)家勞斯(E.J.Routh)和德國數(shù)學(xué)家胡爾維茨(A.Hurwitz)把麥克斯韋的思想擴(kuò)展到高階微分方程描述的更復(fù)雜的系統(tǒng)中,分別在1877年和1895年各自提出了直接根據(jù)代數(shù)方程的系數(shù)判別系統(tǒng)穩(wěn)定性的準(zhǔn)則兩個著名的穩(wěn)定性判據(jù)—勞斯判據(jù)和胡爾維茨判據(jù)。胡爾維茨勞斯§1.1自動控制的基本原理與方式經(jīng)典控制理論—發(fā)展階段(3/4)這些方法基本上滿足了20世紀(jì)初期控制工程師的需要,奠定了經(jīng)典控制理論中時域分析法的基礎(chǔ)。由于第二次世界大戰(zhàn)需要控制系統(tǒng)具有準(zhǔn)確跟蹤與補(bǔ)償能力,1932年美國物理學(xué)家奈奎斯特(H.Nyquist)提出了頻域內(nèi)研究系統(tǒng)的頻率響應(yīng)法,建立了以頻率特性為基礎(chǔ)的穩(wěn)定性判據(jù),為具有高質(zhì)量的動態(tài)品質(zhì)和靜態(tài)準(zhǔn)確度的軍用控制系統(tǒng)提供了所需的分析工具。奈奎斯特§1.1自動控制的基本原理與方式經(jīng)典控制理論—發(fā)展階段(4/4)隨后,伯德(H.W.Bode)和尼科爾斯(N.B.Nichols)在1930年代末和1940年代初進(jìn)一步將頻率響應(yīng)法加以發(fā)展,形成了經(jīng)典控制理論的頻域分析法。建立在奈奎斯特的頻率響應(yīng)法和伊萬斯的根軌跡法基礎(chǔ)上的理論,稱為經(jīng)典控制理論(或稱古典控制理論、自動控制理論),為工程技術(shù)人員提供了一個設(shè)計反饋控制系統(tǒng)的有效工具?！?.1自動控制的基本原理與方式經(jīng)典控制理論—標(biāo)志階段(1/3)1947年控制論的奠基人美國數(shù)學(xué)家維納(N.Weiner)把控制論引起的自動化同第二次產(chǎn)業(yè)革命聯(lián)系起來,并與1948年出版了《控制論—關(guān)于在動物和機(jī)器中控制與通訊的科學(xué)》。書中論述了控制理論的一般方法,推廣了反饋的概念,為控制理論這門學(xué)科奠定了基礎(chǔ)?？刂普撝浮S納§1.1自動控制的基本原理與方式經(jīng)典控制理論—標(biāo)志階段(2/3)1948年,美國科學(xué)家伊萬斯(W.R.Evans)創(chuàng)立了根軌跡分析方法,為分析系統(tǒng)性能隨系統(tǒng)參數(shù)變化的規(guī)律性提供了有力工具,被廣泛應(yīng)用于反饋控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計中。我國著名科學(xué)家錢學(xué)森將控制理論應(yīng)用于工程實(shí)踐,并與1954年出版了《工程控制論》。錢學(xué)森§1.1自動控制的基本原理與方式經(jīng)典控制理論—標(biāo)志階段(3/3)從20世紀(jì)40年代到50年代末,經(jīng)典控制理論的發(fā)展與應(yīng)用使整個世界的科學(xué)水平出現(xiàn)了巨大的飛躍,幾乎在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸及國防建設(shè)的各個領(lǐng)域都廣泛采用了自動化控制技術(shù)。第二次世界大戰(zhàn)期間,反饋控制方法被廣泛用于設(shè)計研制飛機(jī)自動駕駛儀、火炮定位系統(tǒng)、雷達(dá)天線控制系統(tǒng)以及其他軍用系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的復(fù)雜性和對快速跟蹤、精確控制的高性能追求,迫切要求拓展已有的控制技術(shù),促使了許多新的見解和方法的產(chǎn)生。同時,還促進(jìn)了對非線性系統(tǒng)、采樣系統(tǒng)以及隨機(jī)控制系統(tǒng)的研究。可以說工業(yè)革命和戰(zhàn)爭促使了經(jīng)典控制理論的發(fā)展。§1.1自動控制的基本原理與方式反饋控制原理：在反饋控制系統(tǒng)中，控制裝置對被控對象施加的控制作用，是取自被控量的反饋信息，用來不斷修正被控量與輸入量之間的偏差（按偏差的控制），從而實(shí)現(xiàn)對被控對象進(jìn)行控制的任務(wù)。（按偏差控制的原理）§1.1自動控制的基本原理與方式3反饋控制原理手拿書反饋控制系統(tǒng)方框圖眼睛大腦手臂眼睛大腦書的位置手的位置§1.1自動控制的基本原理與方式反饋：取出輸出量送回到輸入端，并與輸入信號相比產(chǎn)生偏差信號的過程負(fù)反饋：反饋信號—輸入信號正反饋：反饋信號+輸入信號反饋控制（閉環(huán)控制）:采用負(fù)反饋并利用偏差進(jìn)行控制的過程§1.1自動控制的基本原理與方式反饋控制系統(tǒng)基本組成§1.1自動控制的基本原理與方式4反饋控制系統(tǒng)基本組成眼睛大腦手臂眼睛大腦書的位置手的位置輸入量（給定量）輸出量（被控量）被控對象測量元件測量元件控制器比較元件輸出量串聯(lián)補(bǔ)償元件放大元件執(zhí)行元件被控對象反饋補(bǔ)償元件測量元件輸入量主反饋反饋控制系統(tǒng)基本組成局部反饋§1.1自動控制的基本原理與方式

是按偏差進(jìn)行控制的，特點(diǎn)：不論什么原因使被控量偏離期望值而出現(xiàn)偏差時，必定產(chǎn)生一個相應(yīng)的控制作用去減小或消除這個偏差，使被控量與期望值趨于一致。5自動控制系統(tǒng)基本控制方法1）反饋控制方式—基本控制方式§1.1自動控制的基本原理與方式2）開環(huán)控制方式是指控制裝置與被控對象之間只有順向作用而沒有反向聯(lián)系的控制過程，按這種方式組成的系統(tǒng)成為開環(huán)控制系統(tǒng)。3）復(fù)合控制方式=按偏差控制+按擾動控制§1.1自動控制的基本原理與方式1-2自動控制系統(tǒng)示例§1.2自動控制系統(tǒng)示例1.函數(shù)記錄儀函數(shù)記錄儀原理示意圖伺服電動機(jī)測速發(fā)電機(jī)變換器放大器繩輪ur△uup函數(shù)記錄儀方塊圖放大器變換器伺服電動機(jī)齒輪系繩輪記錄筆測速發(fā)電機(jī)測量電路

Ur

Δuup位移—§1.2自動控制系統(tǒng)示例2.飛機(jī)-自動駕駛儀系統(tǒng)§1.2自動控制系統(tǒng)示例俯仰角控制系統(tǒng)方塊圖§1.2自動控制系統(tǒng)示例給定裝置放大器舵機(jī)飛機(jī)

反饋電位器

垂直陀螺儀θ擾動

θo3.電阻爐微型計算機(jī)溫度控制系統(tǒng)放大濾波A/D變換器觸發(fā)器D/A變換器TP301-B單板計算機(jī)熱電偶電爐電阻絲度電阻爐溫微機(jī)控制系統(tǒng)§1.2自動控制系統(tǒng)示例4.液位控制系統(tǒng)減速器控制器電動機(jī)電位器浮子用水開關(guān)Q2Q1cifSM§1.2自動控制系統(tǒng)示例1-3自動控制系統(tǒng)的分類§1.3自動控制系統(tǒng)的分類開環(huán)控制反饋控制復(fù)合控制控制方式機(jī)械系統(tǒng)電氣系統(tǒng)機(jī)電系統(tǒng)液壓系統(tǒng)氣動系統(tǒng)生物系統(tǒng)元件類型溫度控制系統(tǒng)壓力控制系統(tǒng)位置控制系統(tǒng)系統(tǒng)功用系統(tǒng)性能線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)定常系統(tǒng)和時變系統(tǒng)確定性系統(tǒng)和不確定性系統(tǒng)參據(jù)量變化規(guī)律恒值控制系統(tǒng)隨動系統(tǒng)程序系統(tǒng)§1.3自動控制系統(tǒng)的分類1線性連續(xù)控制系統(tǒng)C(t)—被控量；r(t)—輸入量；系數(shù)是常數(shù)時，定常；隨時間變化，時變；§1.3自動控制系統(tǒng)的分類線性定常系統(tǒng)按輸入量的變化規(guī)律：（1）恒值控制系統(tǒng)（2）隨動系統(tǒng)（3）程序控制系統(tǒng)§1.3自動控制系統(tǒng)的分類2.線性定常離散控制系統(tǒng)3.非線性控制系統(tǒng)§1.3自動控制系統(tǒng)的分類4線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)的判斷線性系統(tǒng)的重要特性是可應(yīng)用疊加性原理。疊加性原理的含義：疊加性和均勻性（齊次性）。設(shè)有線性微分方程為：當(dāng)時，上述方程的解為；當(dāng)時，其解為。如果，容易驗(yàn)證，方程的解必為，這就是可疊加性。而當(dāng)時，式中A為常數(shù)，則方程的解必為，