第一章反饋控制原理

自動(dòng)控制原理

天津理工大學(xué)

電子信息與通信工程學(xué)院課程特點(diǎn)

本課程主要介紹自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念，線性系統(tǒng)數(shù)學(xué)的模型，控制系統(tǒng)的時(shí)域分析法，控制系統(tǒng)的根軌跡分析法，控制系統(tǒng)的頻率特性分析法等。

通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生較好的掌握分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的基本思想和基本方法，提高學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，為以后的課程的學(xué)習(xí)奠定一定的理論基礎(chǔ)。

課程特點(diǎn)先修課程：《高等數(shù)學(xué)》《工程數(shù)學(xué)》《電路分析基礎(chǔ)》《數(shù)字電子技術(shù)》《模擬電子技術(shù)》《信號(hào)與線性系統(tǒng)》學(xué)時(shí)：48考核方式：考試適用專業(yè)：電子信息工程、電子信息科學(xué)與技術(shù)主要參考書參考書：1、《自動(dòng)控制原理》

張旺等

北京理工大學(xué)出版社2、《自動(dòng)控制原理》

胡壽松

科學(xué)出版社

(第四版)教材：《自動(dòng)控制原理》

張旺等

北京理工大學(xué)出版社

第一章

反饋控制原理一、自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展1.萌芽18世紀(jì)第一次技術(shù)革命（機(jī)械化）①俄國(guó)人波爾佐諾夫發(fā)明鍋爐水位調(diào)節(jié)器②英國(guó)人瓦特發(fā)明蒸汽機(jī)離心飛錘式調(diào)速器，萌生了自動(dòng)控制的基本原理③1877年，勞斯，1895年，赫維茨分別提出了系統(tǒng)穩(wěn)定的代數(shù)判據(jù)（19世紀(jì)末）2.奠定基礎(chǔ)（20世紀(jì)）——經(jīng)典控制論①30~40年代，奈奎斯特提出系統(tǒng)穩(wěn)定性的頻率判據(jù)奈氏圖、奈氏判據(jù)、從時(shí)域分析轉(zhuǎn)到頻域分析②1940年，伯德在頻率法中引入對(duì)數(shù)坐標(biāo)系，伯德圖③1942年，哈里斯引入傳遞函數(shù)概念④1948年，伊萬(wàn)恩提出根軌跡分析方法⑤1949年，英國(guó)人維納在火炮控制中發(fā)現(xiàn)了反饋的概念，出版了《控制——關(guān)于在動(dòng)物和機(jī)器中控制和通訊的科學(xué)》，發(fā)現(xiàn)了控制論是信息、反饋與控制三個(gè)基本要素，奠定了控制論的基礎(chǔ)50年代中期，添加了非線性系統(tǒng)理論和離散控制理論，形成了完整的理論體系。

第一章

反饋控制原理3.發(fā)展迅速滲透到許多學(xué)科，應(yīng)用于火炮、導(dǎo)彈控制系統(tǒng)，數(shù)控、電力、冶金，自動(dòng)化技術(shù)錢學(xué)森，1954年首創(chuàng)“工程控制論”，推廣到其它領(lǐng)域生物控制論：生命系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)控制論：經(jīng)濟(jì)運(yùn)行與發(fā)展問(wèn)題社會(huì)控制論：社會(huì)管理與社會(huì)服務(wù)問(wèn)題隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，控制論無(wú)論在三要素內(nèi)涵上，還是在深度上和廣度上都發(fā)展變化著，對(duì)促進(jìn)生產(chǎn)的發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

第一章

反饋控制原理二、自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類

第一章

反饋控制原理1.經(jīng)典控制理論40~50年代，高階常微分方程以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，研究單輸入、單輸出系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)，針對(duì)線性定常系統(tǒng)，主要研究方法有時(shí)域分析法、根軌跡法和頻率特性法。2.現(xiàn)代控制理論60~70年代以矩陣?yán)碚摰冉鷶?shù)學(xué)方法作為工具，主要研究方法是狀態(tài)空間法，把高階常微分方程轉(zhuǎn)化為一階常微分方程組來(lái)描述系統(tǒng)，解決多輸入多輸出的問(wèn)題，可處理多變量、非線性、時(shí)變系統(tǒng)。3.70年代至今巨大發(fā)展最優(yōu)控制、系統(tǒng)辨識(shí)、多變量控制、自適應(yīng)控制、專家系統(tǒng)、人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制、大系統(tǒng)理論等

第一章

反饋控制原理第二節(jié)自動(dòng)控制的基本概念一、自動(dòng)控制的基本術(shù)語(yǔ)1、控制：根據(jù)某種原理或方法，使特定對(duì)象（被控對(duì)象）的某些物理量（被控量）按照預(yù)期規(guī)律變化的操縱過(guò)程2、人工控制：由人直接或間接操作執(zhí)行裝置的控制方式自動(dòng)控制：是指在沒(méi)有人直接或間接參與的情況下，利用外加的設(shè)備和裝置使被控對(duì)象自動(dòng)按照預(yù)定規(guī)律運(yùn)行

第一章

反饋控制原理4、自動(dòng)控制系統(tǒng)：由控制器和被控對(duì)象組成的，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制任務(wù)的系統(tǒng)3、系統(tǒng)：為達(dá)到某一目的，由相互制約的各個(gè)部分，按照一定規(guī)律組成的具有一定功能的整體5、被控制量：在控制系統(tǒng)中，按規(guī)定的任務(wù)需要加以控制的物理量6、反饋：通過(guò)測(cè)量變換裝置，將系統(tǒng)或元件的輸出量返回到輸入端，與輸入信號(hào)相比較產(chǎn)生偏差的過(guò)程7、負(fù)反饋原理：把被控制量反饋到系統(tǒng)的輸入端與參考輸入進(jìn)行比較，利用偏差產(chǎn)生控制作用，通過(guò)控制輸出控制量以減少或消除誤差

第一章

反饋控制原理二、控制系統(tǒng)的基本形式

控制系統(tǒng)的類型很多，它們的結(jié)構(gòu)類型和所完成的任務(wù)也各不相同。控制系統(tǒng)從信息傳送的特點(diǎn)或系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來(lái)看可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)，以及同時(shí)具有開環(huán)結(jié)構(gòu)和閉環(huán)結(jié)構(gòu)的復(fù)合控制系統(tǒng)。

1、開環(huán)控制系統(tǒng)只有輸入量的前向控制作用，輸出量并不反饋回來(lái)影響輸入量的控制作用，因而，我們將它稱為開環(huán)控制系統(tǒng)（Open-LoopControlSystem）。開環(huán)控制系統(tǒng)可用下圖表示。

控制器被控制對(duì)象擾動(dòng)因素參考輸入被控制量

第一章

反饋控制原理

開環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)——結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，調(diào)試方便，成本低。因此，在輸入量和輸出量之間的關(guān)系固定，且內(nèi)部參數(shù)或外部負(fù)載等擾動(dòng)因素不大，或這些擾動(dòng)因素可以預(yù)測(cè)并進(jìn)行補(bǔ)償?shù)那疤嵯?，?yīng)盡量采用開環(huán)控制系統(tǒng)。

開環(huán)控制的缺點(diǎn)——當(dāng)控制過(guò)程中受到來(lái)自系統(tǒng)外部的各種擾動(dòng)因素，如負(fù)載變化、電源電壓波動(dòng)等，以及來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)部的擾動(dòng)因素，如元件參數(shù)變化等，都將會(huì)直接影響到輸出量，而控制系統(tǒng)不能自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。因此，開環(huán)系統(tǒng)對(duì)元器件的精度要求較高。

第一章

反饋控制原理示例——直流電動(dòng)機(jī)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

給定電壓ug經(jīng)放大后得到電樞電壓ua，改變ug可得不同的轉(zhuǎn)速n，該系統(tǒng)只有輸入量ug對(duì)輸出量n的單向控制作用。輸出端和輸入端之間不存在反饋回路。因而，輸出量n對(duì)輸入量ug沒(méi)有任何影響和聯(lián)系，輸出量的改變不會(huì)產(chǎn)生控制作用。電壓放大器功率放大器Mc負(fù)載n電動(dòng)機(jī)+_+_+_+E電位器

第一章

反饋控制原理2、閉環(huán)控制系統(tǒng)

閉環(huán)控制系統(tǒng)（Close-LoopControlSystem）又稱反饋控制系統(tǒng)（FeedbackControlSystem），是在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，把輸出量檢測(cè)出來(lái)，經(jīng)過(guò)物理量的轉(zhuǎn)換，再反饋到輸入端去與給定值（參考輸入）進(jìn)行比較（相減），并利用比較后的偏差信號(hào)，以一定的控制規(guī)律產(chǎn)生控制作用，抑制內(nèi)部或外部擾動(dòng)對(duì)輸出量的影響，逐步減小以至消除這一偏差，從而實(shí)現(xiàn)要求的控制性能。

第一章

反饋控制原理電壓放大器功率放大器Mc負(fù)載n電動(dòng)機(jī)+_+_+_+E電位器測(cè)速發(fā)電機(jī)+_

設(shè)上述系統(tǒng)原已在某個(gè)給定電壓ug相對(duì)于的轉(zhuǎn)速n狀態(tài)下運(yùn)行，若一旦受到某些干擾（如負(fù)載轉(zhuǎn)矩突然增大）而引起轉(zhuǎn)速下降時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)地產(chǎn)生調(diào)整過(guò)程

第一章

反饋控制原理

閉環(huán)控制的優(yōu)點(diǎn)——抑制擾動(dòng)能力強(qiáng)，與開環(huán)控制相比，對(duì)參數(shù)變化不敏感，并能獲得滿意的動(dòng)態(tài)特性和控制精度。閉環(huán)控制的缺點(diǎn)——但是引入反饋增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，如果閉環(huán)系統(tǒng)參數(shù)的選取不適當(dāng)，系統(tǒng)可能會(huì)產(chǎn)生振蕩，甚至系統(tǒng)失穩(wěn)而無(wú)法正常工作，這是自動(dòng)控制理論和系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須解決的重要問(wèn)題。自動(dòng)控制理論主要研究閉環(huán)控制系統(tǒng)

第一章

反饋控制原理三、自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成串聯(lián)校正元件放大元件執(zhí)行元件被控對(duì)象擾動(dòng)并聯(lián)校正元件反饋元件參考輸入輸出量比較環(huán)節(jié)偏差信號(hào)e主反饋信號(hào)測(cè)量反饋元件主反饋局部反饋＋＋－－給定元件1、組成給定元件——是給出與期望的輸出相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)輸入量，是產(chǎn)生控制指令的裝置。反饋元件——如傳感器和測(cè)量?jī)x表，測(cè)量被控變量的值并把它變換為與輸入量同一物理量后，再反饋到輸入端以作比較。比較元件——比較輸入信號(hào)與反饋信號(hào)，以產(chǎn)生反映兩者差值的偏差信號(hào)。放大元件——將微弱的信號(hào)作線性放大。校正元件——按某種函數(shù)規(guī)律變換控制信號(hào)，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)或靜態(tài)性能。執(zhí)行元件——由偏差信號(hào)的性質(zhì)執(zhí)行相應(yīng)的控制作用，使被控制量按期望值變化

第一章

反饋控制原理2、常見(jiàn)名詞輸入信號(hào)：系統(tǒng)的輸入信號(hào)是指參考輸入，又稱給定量或給定值，它是控制著輸出量變化規(guī)律的指令信號(hào)。輸出信號(hào)：系統(tǒng)的輸出信號(hào)是指被控對(duì)象中要求按一定規(guī)律變化的物理量，又稱被控量，它與輸入量之間保持一定的函數(shù)關(guān)系。反饋信號(hào)：由系統(tǒng)（或元件）輸出端取出并反向送回系統(tǒng)（或元件）輸入端的信號(hào)稱為反饋信號(hào)。反饋分為主反饋和局部反饋。偏差信號(hào)：它是指參考輸入與主反饋信號(hào)之差。偏差信號(hào)簡(jiǎn)稱偏差。誤差信號(hào)：它是指系統(tǒng)輸出量的實(shí)際值與期望值之差，簡(jiǎn)稱誤差。擾動(dòng)信號(hào)：簡(jiǎn)稱擾動(dòng)或干擾，它與控制作用相反，是一種不希望的、影響系統(tǒng)輸出的不利因素。擾動(dòng)信號(hào)既可來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)部，又可來(lái)自系統(tǒng)外部，分別為內(nèi)部擾動(dòng)和外部擾動(dòng)。

第一章

反饋控制原理四、自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類1.按輸入信號(hào)的特征分類1）恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)：該類系統(tǒng)的輸入信號(hào)為一常數(shù)，擾動(dòng)使被控量偏離理想值而出現(xiàn)偏差，利用偏差該系統(tǒng)可使被控量回復(fù)到理想值或接近理想值。轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)、恒溫控制系統(tǒng)均屬于此類系統(tǒng)。2）程序控制系統(tǒng)：該類系統(tǒng)的輸入信號(hào)是已知時(shí)間函數(shù)。如：熱處理的溫度升溫、保溫、降溫過(guò)程。3）隨動(dòng)系統(tǒng)：這類系統(tǒng)的給定量是時(shí)間的未知函數(shù)，系統(tǒng)能使被控量準(zhǔn)確、快速地跟隨給定量變化。隨動(dòng)系統(tǒng)又稱伺服系統(tǒng)?；鹋谧詣?dòng)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)、船舶自動(dòng)舵均屬此類系統(tǒng)。

第一章

反饋控制原理2.按描述系統(tǒng)使用的數(shù)學(xué)方法分類1）線性系統(tǒng)：該類系統(tǒng)的特點(diǎn)在于組成系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)的輸入輸出特性都是線性的，系統(tǒng)的性能可用線性微分方程（或差分方程）來(lái)描述。2）非線性系統(tǒng)：該類系統(tǒng)的特點(diǎn)在于系統(tǒng)中含有一個(gè)或多個(gè)非線性元件。系統(tǒng)的性能需用非線性微分方程（或差分方程）來(lái)描述。3.按信號(hào)的傳遞是否連續(xù)分類1）連續(xù)系統(tǒng)：該類系統(tǒng)各環(huán)節(jié)間的信號(hào)均為時(shí)間t的連續(xù)函數(shù)，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律可用微分方程描述。2）離散系統(tǒng)：該類系統(tǒng)在信號(hào)傳遞過(guò)程中有一處或多處的信號(hào)是脈沖序列或數(shù)字編碼，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律可用差分方程描述。數(shù)字控制系統(tǒng)、采樣系統(tǒng)為離散系統(tǒng)。4.按其參數(shù)是否隨時(shí)間變化而分定常系統(tǒng)—系統(tǒng)中的參數(shù)不隨時(shí)間變化而變化時(shí)變系統(tǒng)—系統(tǒng)中的參數(shù)是時(shí)間t的函數(shù)

第一章

反饋控制原理五、自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)1.典型外作用信號(hào)現(xiàn)場(chǎng)或?qū)嶒?yàn)室易得到系統(tǒng)在此信號(hào)作用下能反映實(shí)際工作性能數(shù)學(xué)表達(dá)是簡(jiǎn)單，易于理論計(jì)算1）階躍函數(shù)如：階躍信號(hào)下系統(tǒng)的響應(yīng)常用來(lái)評(píng)價(jià)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性

第一章

反饋控制原理2）斜坡函數(shù)如：常用來(lái)評(píng)價(jià)系統(tǒng)跟蹤特性3）沖激函數(shù)現(xiàn)實(shí)中不存在其響應(yīng)具有特殊性

第一章

反饋控制原理4）正弦函數(shù)如：傅里葉級(jí)數(shù)

第一章

反饋控制原理2.自動(dòng)控制系統(tǒng)指標(biāo)1）穩(wěn)定性穩(wěn)定是系統(tǒng)正常工作的起碼條件

穩(wěn)——指控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和平穩(wěn)性。穩(wěn)定性——指系統(tǒng)重新恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力，它是自動(dòng)控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。一個(gè)穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，其被控量偏離期望值的初始偏差應(yīng)隨時(shí)間的增長(zhǎng)逐漸減小或趨于零平穩(wěn)性——指過(guò)渡過(guò)程振蕩的振幅與頻率。即被控量圍繞給定值擺動(dòng)的幅度和擺動(dòng)的次數(shù)。好的過(guò)渡過(guò)程擺動(dòng)的幅度要小，擺動(dòng)的次數(shù)要少。

第一章

反饋控制原理2）過(guò)渡過(guò)程一般以階躍信號(hào)的響應(yīng)作為系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的指標(biāo)快——是指控制系統(tǒng)的快速性，即過(guò)渡過(guò)程持續(xù)的時(shí)間長(zhǎng)短。過(guò)渡過(guò)程越短，說(shuō)明系統(tǒng)快速性越好，過(guò)渡過(guò)程持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，說(shuō)明系統(tǒng)響應(yīng)遲鈍，難以實(shí)現(xiàn)快速變化的指令信號(hào)。

第一章

反饋控制原理3）穩(wěn)態(tài)誤差系統(tǒng)希望輸出量與實(shí)際輸出量的差準(zhǔn)——是指系統(tǒng)在過(guò)渡過(guò)程結(jié)束后，其被控量（或反饋量）對(duì)給定值的偏差而言，這一偏差稱為穩(wěn)態(tài)誤差，它是衡量系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度的重要指標(biāo)。穩(wěn)態(tài)誤差越小，表示系統(tǒng)的準(zhǔn)確性越好。

由于被控對(duì)象的具體情況不同，各系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)、快、準(zhǔn)的要求各有側(cè)重。而且對(duì)同一系統(tǒng)，穩(wěn)、快、準(zhǔn)的要求常常是相互制約的。過(guò)分提高過(guò)程的快速性，可能會(huì)引起系統(tǒng)強(qiáng)烈的振蕩，而過(guò)分追求穩(wěn)定性，又可能使系統(tǒng)反應(yīng)遲緩，最終導(dǎo)致準(zhǔn)確性變壞。如何分析和解決這些矛盾，將是本學(xué)科研究的主要內(nèi)容。

第一章

反饋控制原理例1—直流電動(dòng)機(jī)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

給定電壓ug經(jīng)放大后得到電樞電壓ua，改變ug可得不同的轉(zhuǎn)速n，該系統(tǒng)只有輸入量ug對(duì)輸出量n的單向控制作用。輸出端和輸入端之間不存在反饋回路。因而，輸出量n對(duì)輸入量ug沒(méi)有任何影響和聯(lián)系，輸出量的改變不會(huì)產(chǎn)生控制作用。電壓放大器功