自動(dòng)控制第一章

自動(dòng)控制原理朱穎zhuyinglz@163.com高等數(shù)學(xué)積分變換自動(dòng)控制理論現(xiàn)代控制理論其它專業(yè)課程

1、是一門專業(yè)基礎(chǔ)課

2、理論實(shí)踐相結(jié)合理論性非常強(qiáng),但又和實(shí)際應(yīng)用緊密結(jié)合

3、內(nèi)容廣泛自動(dòng)控制理論課程特點(diǎn)學(xué)習(xí)自動(dòng)控制理論的重要性3、本課程能為解決實(shí)際控制問題提供理論和方法1、本課程是自動(dòng)化專業(yè)承上啟下的課程2、自動(dòng)控制技術(shù)是應(yīng)用非常廣泛的技術(shù)

電機(jī)控制、自動(dòng)化生產(chǎn)線、火炮雷達(dá)控制、家用電器、機(jī)械、冶金、石油、化工、電力電子、航空、航海、航天、核反應(yīng)堆等。4、學(xué)分較多本門課程的性質(zhì):1.重要的技術(shù)基礎(chǔ)課，闡述有關(guān)自動(dòng)控制技術(shù)的基礎(chǔ)理論——經(jīng)典控制論，研究“控制論”在工程中的應(yīng)用?；緝?nèi)容——控制論的基本理論、方法、特點(diǎn)、綜合設(shè)計(jì)方法。研究對(duì)象——自動(dòng)控制系統(tǒng)，揭示自動(dòng)控制系統(tǒng)中存在的信息轉(zhuǎn)換、傳遞和反饋。2.學(xué)習(xí)目的：①自動(dòng)化發(fā)展的需要②與信息科學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)關(guān)系緊密③掌握控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)的基本方法本課程學(xué)習(xí)方法1、打好基礎(chǔ)高等數(shù)學(xué)、積分變換、電路原理、電子技術(shù)2、做好預(yù)習(xí)3、聽好課講課的速度較快、了解課程內(nèi)容掌握基本理論和基本方法4、做好習(xí)題應(yīng)用學(xué)到的基本理論和基本方法解決實(shí)際問題什么是自動(dòng)控制系統(tǒng)？示例——水池水位控制

1.人工控制被控對(duì)象：水池被控量：水池的水位觀測(cè)實(shí)際水位，將期望的水位值與實(shí)際水位相比較，兩者之差為誤差。根據(jù)誤差的大小和方向調(diào)節(jié)進(jìn)水閥門的開度，即當(dāng)實(shí)際水位高于要求值時(shí)，關(guān)小進(jìn)水閥門開度，否則加大閥門開度以改變進(jìn)水量，從而改變水池水位，使之與要求值保持一致。

人腦：記住水位的期望值；人眼：觀察水池的實(shí)際水位；測(cè)量（測(cè)量反饋機(jī)構(gòu)）人腦：將水池的期望值-實(shí)際值；比較（比較機(jī)構(gòu)）人手：調(diào)節(jié)進(jìn)水閥門的開度，執(zhí)行控制作用。執(zhí)行（執(zhí)行機(jī)構(gòu)）是一個(gè)反復(fù)觀察測(cè)量、比較、調(diào)整執(zhí)行的過程，力圖將水池水位的期望值與實(shí)際值之間的差值減為0。2.自動(dòng)控制當(dāng)實(shí)際水位低于要求水位時(shí)，電位器輸出電壓值為正，且其大小反映了實(shí)際水位與水位要求值的差值，放大器輸出信號(hào)將有正的變化，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)減速器使進(jìn)水閥門開度增加，直到實(shí)際水位重新與水位要求值相等時(shí)為止。電位計(jì)+連桿—人腦：記住水位的期望值；浮子—人眼：觀察水池的實(shí)際水位；電位計(jì)+連桿—人腦：反映誤差（=水位的期望值-實(shí)際值）；電動(dòng)機(jī)—人手：調(diào)節(jié)進(jìn)水閥門開度，執(zhí)行控制作用。是一個(gè)反復(fù)觀察測(cè)量、比較、調(diào)整執(zhí)行的過程，力圖將水池水位的期望值與實(shí)際值間的差值減為0，即誤差為0?？刂七^程：測(cè)量（測(cè)量反饋機(jī)構(gòu)）—浮子比較（比較機(jī)構(gòu)）—電位計(jì)+連桿執(zhí)行（執(zhí)行機(jī)構(gòu)）—電動(dòng)機(jī)在水位自動(dòng)控制系統(tǒng)中：被控對(duì)象：水池；輸出量：水位的實(shí)際值；給定輸入量：水位的期望值；擾動(dòng)輸入量：如放大器的漂移（對(duì)系統(tǒng)的輸出起反作用的輸入量）；1.1引言1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成1.3控制系統(tǒng)的主要類型及控制方式1.4對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求第1章自動(dòng)控制系統(tǒng)概論1.1引言一、控制系統(tǒng)基本概念a.控制（Control）：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)律變化的操縱過程。b.人工控制（ManualControl）：由人直接或間接操作執(zhí)行裝置的控制方式。1.自動(dòng)控制（AutomaticControl）：是指在沒有人直接參與的情況下，利用自動(dòng)控制裝置（簡(jiǎn)稱為控制器），使被控對(duì)象（生產(chǎn)裝置、機(jī)器設(shè)備或其他過程）的某些物理量（稱為被控量或輸出量）自動(dòng)地按預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行或變化。2.自動(dòng)控制理論：實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制技術(shù)的理論叫自動(dòng)控制理論，是研究有關(guān)自動(dòng)控制共同規(guī)律的一門技術(shù)科學(xué)。

3.自動(dòng)控制系統(tǒng)：能夠?qū)Ρ豢貙?duì)象的工作狀態(tài)進(jìn)行控制的系統(tǒng)。

自動(dòng)控制理論分為經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論、大系統(tǒng)理論與智能控制理論三大部分。二、自動(dòng)控制理論的發(fā)展?fàn)顟B(tài)

形成時(shí)期理論基礎(chǔ)分析方法研究對(duì)象主要問題數(shù)學(xué)工具30-50年代經(jīng)典控制理論時(shí)域、復(fù)域、頻域SISO系統(tǒng)的分析和綜合（穩(wěn)定性）微分方程、拉氏變換、復(fù)變函數(shù)60-70年代現(xiàn)代控制理論狀態(tài)空間、時(shí)域MIMO最優(yōu)化問題矩陣?yán)碚摼€性代數(shù)70年代至今大系統(tǒng)理論、智能控制時(shí)域、復(fù)域、頻域法、模糊集法多因素、多層次、復(fù)雜對(duì)象數(shù)學(xué)百科全書經(jīng)典控制理論(19世紀(jì)初)

時(shí)域法復(fù)域法(根軌跡法)

頻域法

現(xiàn)代控制理論(20世紀(jì)60年代)

線性系統(tǒng)自適應(yīng)控制最優(yōu)控制魯棒控制最佳估計(jì)容錯(cuò)控制系統(tǒng)辨識(shí)集散控制大系統(tǒng)復(fù)雜系統(tǒng)

智能控制理論(20世紀(jì)70年代)

專家系統(tǒng)模糊控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遺傳算法

1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成一、控制系統(tǒng)的組成被控對(duì)象控制系統(tǒng)測(cè)量元件比較元件

控制裝置

放大元件（自動(dòng)化裝置）執(zhí)行機(jī)構(gòu)校正裝置給定元件1.被控對(duì)象：要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程；2.被控變量:被控對(duì)象內(nèi)要求自動(dòng)控制的物理量，也稱為輸出量；3.控制量（操縱變量）：作為被控量的控制信號(hào)，作用于自動(dòng)控制系統(tǒng)的輸入量，或消除干擾的影響，實(shí)現(xiàn)控制作用的參數(shù)；4.輸入量：在控制系統(tǒng)中，影響系統(tǒng)輸出量的外界輸入；5.輸入量分為：給定輸入量（給定信號(hào)）和擾動(dòng)輸入量（擾動(dòng)信號(hào)）；6.執(zhí)行機(jī)構(gòu)：直接作用于被控對(duì)象，使得被控量達(dá)到要求的裝置；7.測(cè)量元件(檢測(cè)裝置):用來檢測(cè)被控量將其轉(zhuǎn)換成與給定值相同的物理量。8.控制裝置：即控制器，對(duì)被控對(duì)象起控制作用裝置的總稱；9.放大元件:將微弱的信號(hào)作線性放大；10.校正元件：按某種函數(shù)規(guī)律變換控制信號(hào)，并能反映兩者差值的偏差信號(hào)以利于改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)或靜態(tài)性能。校正環(huán)節(jié)可加于偏差信號(hào)與輸出信號(hào)之間的通道內(nèi)，也可加于某一局部反饋通道內(nèi)。前者稱為串聯(lián)校正，后者稱為并聯(lián)校正或反饋校正。二、控制系統(tǒng)的方塊圖信號(hào)：在方框圖中用帶箭頭的直線表示；具有方向性，單向性；正(前)向通路：信號(hào)從輸入端沿箭頭方向到達(dá)系統(tǒng)輸出端的傳輸?shù)溃环答伝芈罚盒盘?hào)從輸出端沿箭頭方向到達(dá)系統(tǒng)輸入端的傳輸通道；方框圖中各符號(hào)的意義元部件

方框（塊）圖信號(hào)（物理量）及傳遞方向中的符號(hào)比較點(diǎn)引出點(diǎn)表示負(fù)反饋三、自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本控制方式開環(huán)控制是指控制裝置與被控制對(duì)象之間只有正向作用而沒有反向聯(lián)系的控制過程。開環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：（1）系統(tǒng)輸出量對(duì)控制作用無影響（2）無反饋環(huán)節(jié)（3）出現(xiàn)干擾靠人工消除（4）無法實(shí)現(xiàn)高精度控制開環(huán)控制

舉例1：

開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)（不考慮測(cè)速反饋）工作原理：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。

+_電壓放大器功率放大器Mc負(fù)載n電動(dòng)機(jī)+_+_+電位器開環(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)控制過程中受到來自系統(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，抗干擾性能差。因此，開環(huán)系統(tǒng)對(duì)元器件的精度要求較高。圖.開環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖

閉環(huán)控制閉環(huán)控制指控制裝置與被控對(duì)象之間既有正向的作用，又有反向聯(lián)系的控制過程。若將系統(tǒng)的輸出量反饋到其輸入端，與參考輸入進(jìn)行比較，則構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)。把取出的輸出量送回輸入端，并與輸入信號(hào)相比較產(chǎn)生偏差信號(hào)的過程，稱為反饋。通過反饋使偏差增大的正反饋，用“+”表示通過反饋使偏差減小的負(fù)反饋，用“-”表示舉例2：閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)（考慮測(cè)速反饋）+_電壓放大器功率放大器Mc負(fù)載n電動(dòng)機(jī)+_+_uf電位器測(cè)速發(fā)電機(jī)+

ug偏差U=ug-uf-

直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)方塊圖設(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)生相應(yīng)的調(diào)整過程。偏差始終存在正反饋不能進(jìn)行控制，會(huì)使系統(tǒng)的偏差越來越大。Mc↑→n↓→uf↓→=（ug

-uf）↑→ua↑→n↑n電

壓放大器輸入量Mc擾動(dòng)輸出量功

率放大器直

流電動(dòng)機(jī)＋ugua測(cè)

速發(fā)電機(jī)uf－圖2.閉環(huán)控制系統(tǒng)方塊圖閉環(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)——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)必須解決的重要問題。自動(dòng)控制理論主要研究閉環(huán)控制系統(tǒng)

爐溫控制系統(tǒng)的理想溫度由電壓ur給出，熱電偶檢測(cè)箱溫輸出電壓uf，偏差電壓ue=ur-uf，經(jīng)電壓和功率放大后控制電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)向，從而改變調(diào)壓器滑動(dòng)觸頭的位置，改變爐溫控制系統(tǒng)的外施電壓達(dá)到恒定爐溫的目的。例3.爐溫控制系統(tǒng)溫度Tc下降，Tc↓→uf↓→

ue=ur-

uf↑→ua↑→電機(jī)向增大調(diào)壓器輸出電壓的方向加速旋轉(zhuǎn)→Tc↑→uf↑，直到Tc

=Tr，ue=0。原理：即當(dāng)恒溫箱內(nèi)溫度偏高時(shí)，使調(diào)壓器降壓，反之升壓，直到溫度達(dá)到給定值為止。此時(shí)偏差電壓ue=0，電機(jī)停轉(zhuǎn)。爐溫自動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖放大器電機(jī)減速器調(diào)壓器電爐熱電偶+-ufueurTcua給定裝置Tr擾動(dòng)1.3控制系統(tǒng)的主要類型及控制方式一、按描述元件的動(dòng)態(tài)方程：1．線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)（1）線性系統(tǒng)：用線性微分方程或線性差分方程描述的系統(tǒng)。重要性質(zhì)：滿足疊加性和齊次性當(dāng)系統(tǒng)輸入為、時(shí)，系統(tǒng)為、，則系統(tǒng)總的輸出為——疊加性當(dāng)輸入為，則輸出——齊次性（2）非線性系統(tǒng)：用非線性微分方程或差分方程描述的系統(tǒng)。重要性質(zhì)：不滿足疊加性和齊次性注意：任何的物理系統(tǒng)都是非線性的，但是在一定條件下可以將某些非線性特性線性化，近似地用線性微分方程去描述，這樣就可以按照線性系統(tǒng)來處理。

2．按信號(hào)的傳遞是否連續(xù)（1）連續(xù)系統(tǒng)：系統(tǒng)中各元件的輸入量和輸出量均為時(shí)間t的連續(xù)函數(shù)。連續(xù)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可用微分方程描述，系統(tǒng)中各部分信號(hào)都是模擬量。（2）離散系統(tǒng)：系統(tǒng)中某一處或幾處的信號(hào)是以脈沖系列或數(shù)碼的形式傳遞的系統(tǒng)。離散系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可以用差分方程來描述。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)就是典型的離散系統(tǒng)。3．按系統(tǒng)的參數(shù)是否隨時(shí)間變化分類（1）定常系統(tǒng)：系統(tǒng)中的參數(shù)不隨時(shí)間變化；（2）時(shí)變系統(tǒng)：系統(tǒng)中的參數(shù)是時(shí)間的函數(shù)；4.按給定值特征分類（1）定(恒)值控制系統(tǒng)：

給定值不變，要求系統(tǒng)輸出量以一定的精度接近給定希望值的系統(tǒng)。如生產(chǎn)過程中的溫度、壓力、流量、液位高度、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等自動(dòng)控制系統(tǒng)屬于恒值系統(tǒng)。（2）隨動(dòng)控制系統(tǒng)：

給定值隨時(shí)間變化的未知函數(shù)，要求輸出跟隨給定值的變化。如跟隨衛(wèi)星的雷達(dá)天線系統(tǒng)。（3）程序控制系統(tǒng)：

給定值隨時(shí)間變化的已知函數(shù)。如程控機(jī)床。

1.4對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求要提高控制質(zhì)量，就必須對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能提出一定的具體要求。盡管自動(dòng)控制系統(tǒng)有不同的類型，對(duì)每個(gè)系統(tǒng)都有不同的特殊要求。但總的說來，都是希望設(shè)計(jì)的控制過程盡量接近理想的控制過程。工程上常常從穩(wěn)、準(zhǔn)、快三個(gè)方面來評(píng)價(jià)自動(dòng)控制系統(tǒng)的總體精度。

1.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)間的增長逐漸減小至穩(wěn)態(tài)值或趨于零。

平穩(wěn)性——指過渡過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)。好的過渡過程擺動(dòng)的幅度要小，擺動(dòng)的次數(shù)要少。2.快速性——即過渡過程繼續(xù)的時(shí)間長短。過渡過程越短，說明系統(tǒng)快速性越好，過渡過程持續(xù)時(shí)間越長，說明系統(tǒng)響應(yīng)遲鈍，難以實(shí)現(xiàn)快速變化的指令信號(hào)。3.準(zhǔn)確性——是指系統(tǒng)在過渡過程結(jié)束后，偏差的最終值的大小，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，被控量（輸出量）的期望值與實(shí)際值之間的差值就越小。

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。過分提高過程的快速性，可能會(huì)引起系統(tǒng)強(qiáng)烈的振蕩，而過分追求穩(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。

對(duì)于偏差始終存在的系統(tǒng)準(zhǔn)確性：希望放大環(huán)節(jié)的放大系數(shù)大平穩(wěn)性：希望放大環(huán)節(jié)的放大系數(shù)小1.自動(dòng)控制的一般概念

基本控制方式控制系統(tǒng)的基本組成控制系統(tǒng)的分類對(duì)控制系統(tǒng)的要求課程研究的內(nèi)容

2.要求掌握的知識(shí)點(diǎn)

負(fù)反饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及原理由系統(tǒng)工作原理圖繪制方框圖