第1章 自動(dòng)控制一般概念

河南理工大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院馮高明手機(jī)-mail:fgm@自動(dòng)控制原理AutomationControlTheory

性質(zhì)：本課程為理工科院校電類(lèi)專(zhuān)業(yè)重要的必修專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，是自動(dòng)控制系統(tǒng)、微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、過(guò)程控制、現(xiàn)代控制理論等專(zhuān)業(yè)課程的先修課程。

任務(wù)：通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)分析、設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的能力；掌握Matlab軟件在控制系統(tǒng)的應(yīng)用；通過(guò)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，培養(yǎng)工程實(shí)踐能力。課程性質(zhì)和課程任務(wù)[1]魏澤國(guó)編,《自動(dòng)控制原理》煤炭工業(yè)出版社

[2]胡壽松編，《自動(dòng)控制原理》科學(xué)出版社教材：主要參考書(shū)：[3]師宇杰編著,《自動(dòng)控制原理—基于MATLAB仿真的多媒體授課教材》國(guó)防工業(yè)出版社教材及主要參考書(shū)杜慶楠主編，《自動(dòng)控制原理》中國(guó)電力出版社下課堅(jiān)持復(fù)習(xí)上課注意聽(tīng)講獨(dú)立完成作業(yè)注重章節(jié)聯(lián)系擅于知識(shí)總結(jié)如何學(xué)好這門(mén)課？第一章自動(dòng)控制的一般概念項(xiàng)目?jī)?nèi)容學(xué)習(xí)目的

了解自動(dòng)控制的發(fā)展歷史、基本原理，自動(dòng)控制的研究?jī)?nèi)容和方法，掌握職能方框圖的繪制。重點(diǎn)

自動(dòng)控制的研究?jī)?nèi)容、方法和目的，職能方框圖的繪制。難點(diǎn)

職能方框圖。主要內(nèi)容

1-2自動(dòng)控制理論的發(fā)展歷史和分類(lèi)1-3自動(dòng)控制系統(tǒng)和職能方框圖1-4對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求

1-1自動(dòng)控制的基本概念和課程內(nèi)容

(a)手動(dòng)控制(b)自動(dòng)控制1從實(shí)例看自動(dòng)控制水溫的手動(dòng)控制和自動(dòng)控制1-1自動(dòng)控制的基本概念和課程內(nèi)容防空導(dǎo)彈制導(dǎo)自動(dòng)控制倒立擺系統(tǒng)(控制理論中最典型的例子)人工控制倒立擺系統(tǒng)Designacontrolsystemthatkeepsthependulumbalancedandtracksthecarttoacommandedposition!!!自動(dòng)控制倒立擺系統(tǒng)如果是慣性非常小的倒立擺呢？如果是二級(jí)倒立擺呢？如果是三級(jí)、四級(jí)、……多級(jí)倒立擺呢？如果是運(yùn)動(dòng)中的倒立擺呢？如果是多自由度、萬(wàn)向節(jié)式的倒立擺呢？如果是傾斜控制式的倒立擺呢？如果是多級(jí)倒立擺中的每一級(jí)都要按任意設(shè)定的規(guī)律運(yùn)動(dòng)該如何控制呢？如果……三級(jí)倒立擺四級(jí)倒立擺自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)（2）自動(dòng)控制：在沒(méi)有人直接干預(yù)的情況下，通過(guò)控制裝置使被控對(duì)象自動(dòng)按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行，使之具有一定的狀態(tài)和性能。定義2自動(dòng)控制原理的基本概念及課程內(nèi)容（1）控制：掌握住對(duì)象不使任意活動(dòng)或超出范圍；或使其按控制者的意愿活動(dòng)。（3）系統(tǒng)：由一些元部件按一定要求連接并具有某一特定功能的整體（側(cè)重物理性質(zhì)的）。（5）自動(dòng)控制數(shù)學(xué)系統(tǒng)：反映自動(dòng)控制物理系統(tǒng)數(shù)學(xué)或數(shù)值規(guī)律的各種數(shù)學(xué)表達(dá)形式。（4）自動(dòng)控制物理系統(tǒng)：是指由控制裝置和被控對(duì)象結(jié)合起來(lái)的，能夠?qū)Ρ豢貙?duì)象的一些物理量（被控制量）進(jìn)行自動(dòng)控制的一個(gè)有機(jī)整體。（6）自動(dòng)控制原理：研究單輸入、單輸出、集中參數(shù)、線(xiàn)性、時(shí)不變自動(dòng)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的分析和設(shè)計(jì)的一般理論。課程內(nèi)容和結(jié)構(gòu)：（1）建立數(shù)學(xué)模型。（2）系統(tǒng)性能分析：已知系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，分析和評(píng)價(jià)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能以及抗干擾能力（穩(wěn)態(tài)性能）的優(yōu)劣。（3）控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)：按照給定的控制任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)滿(mǎn)足穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能要求及抗干擾性能要求的控制系統(tǒng)，并確定其結(jié)構(gòu)和參數(shù)。3個(gè)三：三項(xiàng)內(nèi)容：建模、系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)三種分析方法：時(shí)域法、根軌跡法、頻域分析法每一種方法從三個(gè)方面進(jìn)行分析：穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)性能、動(dòng)態(tài)性能產(chǎn)業(yè)革命時(shí)期的自動(dòng)控制技術(shù)以1748年瓦特發(fā)明的蒸汽機(jī)中的離心調(diào)節(jié)器為代表。但瓦特對(duì)離心調(diào)節(jié)器出現(xiàn)的振蕩現(xiàn)象無(wú)法解釋。1-2自動(dòng)控制的發(fā)展歷史及分類(lèi)1發(fā)展歷史1877年和1895年英國(guó)學(xué)者勞斯和瑞士數(shù)學(xué)家胡爾維茨提出了可以判別高階線(xiàn)性系統(tǒng)穩(wěn)定性的判據(jù)。1868年(120年后)麥克斯韋利用描述系統(tǒng)的微分方程解釋了這種現(xiàn)象，并提出了判別低階系統(tǒng)穩(wěn)定性的判據(jù)；經(jīng)典控制理論(ClassicalControl)(1935-1950)

美國(guó)MIT的N.Wiener發(fā)表《控制論》(Cybernetics)一書(shū)(1948)，標(biāo)志著控制論學(xué)科的誕生。N.Wiener二戰(zhàn)期間的自動(dòng)控制理論

在貝爾實(shí)驗(yàn)室Bode領(lǐng)導(dǎo)的火炮控制系統(tǒng)研究小組工作的Shannon提出繼電器邏輯自動(dòng)化理論(1938)，隨后，發(fā)表專(zhuān)著《通信的數(shù)字理論》(TheMathematicalTheoryofCommunication)，奠定了信息論的基礎(chǔ)(1948)。Shannon

MITRadiationLaboratory在研究SCR-584雷達(dá)控制系統(tǒng)的過(guò)程中，創(chuàng)立了NicholsChartDesignMethod，Hurwitz(1947)的數(shù)字控制系統(tǒng)(SampledDataSystem)一書(shū)的出版，美國(guó)W.Evans提出根軌跡法(RootLocusMethod)(1948)，標(biāo)志以單輸入線(xiàn)性系統(tǒng)為研究對(duì)象的經(jīng)典控制研究工作完成?，F(xiàn)代控制理論(ModernControl)

(1950-)五十年代后興起的現(xiàn)代控制起源于冷戰(zhàn)時(shí)期的軍備競(jìng)賽，如導(dǎo)彈(發(fā)射、操縱、指導(dǎo)及跟蹤)、衛(wèi)星、航天器和星球大戰(zhàn)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)。主要標(biāo)志是航空航天技術(shù)的發(fā)展。二戰(zhàn)后的自動(dòng)控制理論(2)美國(guó)R.Bellman發(fā)表著名的DynamicProgramming，建立最優(yōu)控制的基礎(chǔ)(1957)。(3)國(guó)際自動(dòng)控制聯(lián)合會(huì)(IFAC)成立(1957)，中國(guó)為發(fā)起國(guó)之一，第一屆學(xué)術(shù)會(huì)議于莫斯科召開(kāi)(1960)。(1)蘇聯(lián)L.S.Pontryagin發(fā)表“最優(yōu)過(guò)程數(shù)學(xué)理論”，提出極大值原理(MaximumPrinciple)(1956)L.S.Pontryagin(4)世界第一顆人造地球衛(wèi)星(Sputnik)由蘇聯(lián)發(fā)射成功(1957)1957.Laika.Sputnik2(5)

蘇聯(lián)東方-１號(hào)飛船載著加加林進(jìn)入人造地球衛(wèi)星軌道，人類(lèi)宇航時(shí)代開(kāi)始了(1961)。宇宙哥倫布-加加林AstampissuedbyRussiatomemorizeY.GagarinCapsuleusedinfirstmannedorbitofearthIn1961,thefirsthumantopilotaspacecraft,YuriGagarin,waslaunchedbytheSovietUnionaboardVostokI.(6)蘇聯(lián)發(fā)射“月球9號(hào)”探測(cè)器，首次在月面軟著陸成功(1966)，三年后(1969)，美國(guó)“阿波羅”11號(hào)把宇航員N.A.Armstrong送上月球。N.A.Armstrong阿姆斯壯(美國(guó)宇航員,1969年7月登陸月球,成為第一個(gè)登上月球的地球人)(7)美國(guó)“哥倫比亞”號(hào)航天飛機(jī)首次發(fā)射成功(1981年)。(8)中國(guó)批準(zhǔn)863高技術(shù)計(jì)劃，包括自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)和智能機(jī)器人兩個(gè)主題(1986)。(10)日本SONY公司二足步行機(jī)械人SDR-4X(2002)。(9)日本安川公司娛樂(lè)機(jī)械狗(2001)。(12)第一臺(tái)火星探測(cè)器Sojourner在火星表面軟著陸(1996)。(11)美國(guó)旅行者Voyager一號(hào)、二號(hào)開(kāi)始走出太陽(yáng)系，對(duì)茫茫太空進(jìn)行探索(1977)。(13)2007年10月24日，“嫦娥一號(hào)”順利升空，古老的中華民族首次將自己的腳步邁入宇宙深空探測(cè)領(lǐng)域，向世人表明了中國(guó)人已具備月球探索的能力與雄心。

系統(tǒng)社會(huì)系統(tǒng)地球系統(tǒng)宇宙系統(tǒng)工程系統(tǒng)生物系統(tǒng)醫(yī)學(xué)系統(tǒng)環(huán)境系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)工程控制論人工控制自動(dòng)控制半自動(dòng)控制自動(dòng)控制理論經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論先進(jìn)控制理論(智能)開(kāi)環(huán)控制理論閉環(huán)控制理論復(fù)合控制理論非線(xiàn)性控制理論離散時(shí)間控制理論自動(dòng)控制原理學(xué)習(xí)的重點(diǎn)2自動(dòng)控制理論的分類(lèi)研究對(duì)象數(shù)學(xué)工具常用分析方法局限性經(jīng)典控制理論單輸入-單輸出線(xiàn)性定常系統(tǒng)微分方程，傳遞函數(shù)時(shí)域分析法，根軌跡分析法，頻域分析法對(duì)復(fù)雜多變量系統(tǒng)、時(shí)變和非線(xiàn)性系統(tǒng)無(wú)能為力現(xiàn)代控制理論多輸入-多輸出變系數(shù)，非線(xiàn)性等系統(tǒng)線(xiàn)性代數(shù)、矩陣?yán)碚摖顟B(tài)空間法比較繁瑣（但由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，這一局限性已克服）經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論的對(duì)比1-3自動(dòng)控制系統(tǒng)和職能方塊圖被控制量：系統(tǒng)中所要控制的物理量，一般指系統(tǒng)的輸出量。自動(dòng)控制系統(tǒng)的元素被控對(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(guò)程。給定值：根據(jù)生產(chǎn)要求，被控制量需要達(dá)到的數(shù)值?？刂蒲b置：能夠?qū)Ρ豢貙?duì)象起控制作用的設(shè)備總稱(chēng)。擾動(dòng)：破壞控制量與被控制量之間正常函數(shù)關(guān)系的因素，稱(chēng)為系統(tǒng)的擾動(dòng)。內(nèi)擾外擾擾動(dòng)給定值和擾動(dòng)統(tǒng)稱(chēng)為系統(tǒng)的輸入量。開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)：輸出量與輸入量之間沒(méi)有反向聯(lián)系，只靠輸入量對(duì)輸出量單向控制的系統(tǒng)叫開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。控制裝置被控對(duì)象控制量擾動(dòng)被控制量開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)例1開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)職能方塊圖電位器電壓放大器可控硅功放直流電動(dòng)機(jī)Purukn擾動(dòng)ua直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)－電壓放大器可控硅功放M負(fù)載n電網(wǎng)電壓+Vccurukua閉環(huán)控制系統(tǒng)（本課程學(xué)習(xí)的重點(diǎn)）:輸出量與輸入量之間有反向聯(lián)系，靠輸入量與主反饋信號(hào)之間的偏差對(duì)輸出量進(jìn)行控制的系統(tǒng)?？刂蒲b置被控對(duì)象控制量擾動(dòng)被控制量檢測(cè)裝置反饋：是把系統(tǒng)輸出量全部或一部分回送到輸入端，以增強(qiáng)或減弱輸入信號(hào)的效應(yīng)。例2引入閉環(huán)控制后的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)電位器電壓放大器可控硅放大器直流電動(dòng)機(jī)測(cè)速機(jī)Purubuk-n擾動(dòng)ua原理示意圖職能方塊圖Guf－測(cè)速發(fā)電機(jī)電壓放大器可控硅功放M負(fù)載n電網(wǎng)電壓+Vccurukua閉環(huán)控制的實(shí)質(zhì)：……按偏差控制檢測(cè)偏差糾正偏差主反饋：直接取自系統(tǒng)輸出端，經(jīng)過(guò)測(cè)量和變換，又引入到系統(tǒng)輸入端的信號(hào)ub叫主反饋信號(hào)，相應(yīng)的反饋叫主反饋。前向通道：從系統(tǒng)輸入端到輸出量之間的通道稱(chēng)為前向通道。主反饋通道：從輸出量到主反饋信號(hào)之間的通道稱(chēng)為主反饋通道。重要概念主回路：主反饋閉合了除系統(tǒng)輸入信號(hào)和干擾信號(hào)以外的其它所有信號(hào)，所形成的閉合回路稱(chēng)為主回路。給定元件：給出與系統(tǒng)輸出量希望值相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)輸入量的元件。局部反饋：對(duì)應(yīng)內(nèi)回路。測(cè)量元件：測(cè)量系統(tǒng)輸出量的實(shí)際值，并把輸出量的量綱轉(zhuǎn)化成與輸入量相同。比較元件：比較系統(tǒng)的輸入量和主反饋信號(hào)，并給出兩者之間的偏差。放大元件：對(duì)微弱的偏差信號(hào)進(jìn)行放大和變換，使之具有足夠的幅值和功率，以適應(yīng)執(zhí)行元件動(dòng)作的要求。執(zhí)行元件：根據(jù)放大后的偏差信號(hào)產(chǎn)生控制、動(dòng)作，操作系統(tǒng)的輸出量，使之按照輸入量的變化規(guī)律而變化。前向通道主反饋通道比較元件偏差量主反饋量控制變量操作變量被控量給定元件繪制職能方塊圖，只需要在系統(tǒng)中找到圖中所示的各種元件，再將它們“對(duì)號(hào)入座”就可以了。人熱水閥水箱測(cè)量—手指-r理想溫度e偏差環(huán)境水溫c測(cè)量信號(hào)

人工完成水溫手動(dòng)控制系統(tǒng)職能方塊圖n調(diào)節(jié)器熱水閥水箱測(cè)溫計(jì)-r給定溫度e偏差環(huán)境水溫nc測(cè)量信號(hào)

調(diào)節(jié)記錄儀水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)職能方塊圖1）按給定值的形式劃分a.恒值控制系統(tǒng)恒溫、水位、恒壓控制系統(tǒng)b.隨動(dòng)系統(tǒng)（也叫伺服系統(tǒng)，跟蹤系統(tǒng)）飛機(jī)和艦船的操舵系統(tǒng)，雷達(dá)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(lèi)a.連續(xù)控制系統(tǒng)（本課程研究對(duì)象的一般形式）b.離散控制系統(tǒng)2）按信號(hào)的形式分類(lèi)

a.靜態(tài)系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)系統(tǒng)（方程中有無(wú)微積分項(xiàng)）b.定常系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng)（通過(guò)系數(shù)判定）c.線(xiàn)性系統(tǒng)和非線(xiàn)性系統(tǒng)線(xiàn)性系統(tǒng)滿(mǎn)足疊加原理，具有疊加性和均勻性，可以用線(xiàn)性微分方程來(lái)描述；非線(xiàn)性系統(tǒng)，不適用疊加原理，用非線(xiàn)性微分方程來(lái)描述。3）按系統(tǒng)的特性分類(lèi)從物理觀(guān)點(diǎn)看線(xiàn)性系統(tǒng)的疊加原理：物理系統(tǒng)r(t)c(t)激勵(lì)響應(yīng)如果有：r(t)r1(t)+r2(t)r2(t)c1(t)c(t)c2(t)則有：r1(t)c1(t)+c2(t)疊加性kr(t)kc(t)均勻性(齊次性)疊加性+均勻性＝疊加原理從數(shù)學(xué)觀(guān)點(diǎn)看線(xiàn)性系統(tǒng)的疊加原理：若表示系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述為c=f(r)，必成立關(guān)系式：1-4對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求

給定信號(hào)和擾動(dòng)是一個(gè)系統(tǒng)典型的外作用，我們希望系統(tǒng)只受給定信號(hào)的控制，而絲毫不受擾動(dòng)的影響，我們只研究在給定信號(hào)作用下對(duì)系統(tǒng)性能的要求。注意：c(t)≡r(t)當(dāng)輸入信號(hào)突然發(fā)生跳變時(shí)，這時(shí)輸出量還處在原有的平衡狀態(tài)，這樣就出現(xiàn)了偏差，這個(gè)偏差控制輸出量達(dá)到新的平衡，這就是一個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程。t01c(t)理想調(diào)節(jié)過(guò)程注意：c(t)≡r(t)實(shí)際調(diào)節(jié)過(guò)程t01c(t)整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程分為兩個(gè)階段:注意：c(t)≡r(t)t01c(t)aba.過(guò)渡過(guò)程反映系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。b.穩(wěn)態(tài)過(guò)程反映系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性。陰影部分表示的是實(shí)際調(diào)節(jié)過(guò)程與理想調(diào)節(jié)過(guò)程的差異，面積越小，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量越高。對(duì)系統(tǒng)性能的基本要求工程上歸結(jié)為三個(gè)方面：穩(wěn)定性：最終態(tài)要穩(wěn)定

準(zhǔn)確性：跟蹤值要準(zhǔn)確

快速性：響應(yīng)速度要快1-振蕩發(fā)散，2-單調(diào)發(fā)散，3、4、5最終趨于平衡狀態(tài)，這類(lèi)系統(tǒng)是穩(wěn)定的。穩(wěn)定性是對(duì)控制系統(tǒng)的最基本要求