第1章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的一般概念

機(jī)械工業(yè)出版社第1章自動(dòng)控制系統(tǒng)的一般概念1、自動(dòng)控制原理（非自動(dòng)化類），孟慶明主編，高等教育出版社，2003年2、自動(dòng)控制原理（第二版），涂植英、陳今潤(rùn)主編，重慶大學(xué)出版社，2005年3、自動(dòng)控制理論自學(xué)同步訓(xùn)練習(xí)題與精解，楊京燕主編，中國(guó)電力出版社，2003年4、自動(dòng)控制原理典型題解析及自測(cè)試題，盧京潮著，西北工業(yè)大學(xué)出版社，2001年

1.1引言第1章自動(dòng)控制系統(tǒng)的一般概念1

1.2自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)2

1.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本類型3

1.4對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求4

1.5本課程的任務(wù)

521.1引言3自動(dòng)控制是人類在認(rèn)識(shí)世界和發(fā)明創(chuàng)新的過(guò)程中發(fā)展起來(lái)的一門重要的科學(xué)技術(shù)。依靠它，人類可以從笨重，重復(fù)性的勞動(dòng)中解放出來(lái)，從事更富創(chuàng)造性的工作。自動(dòng)化技術(shù)是當(dāng)代發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛，最引人矚目的高技術(shù)之一，是推動(dòng)新的技術(shù)革命和新的產(chǎn)業(yè)革命的關(guān)鍵技術(shù)。無(wú)論是在宇宙飛船、導(dǎo)彈制導(dǎo)、雷達(dá)定位等尖端技術(shù)領(lǐng)域中，還是在機(jī)械制造、石油、化工、醫(yī)藥等的工業(yè)過(guò)程控制中，都有自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用，并且它所取得的成功都是巨大的。因此，自動(dòng)控制技術(shù)已成為現(xiàn)代社會(huì)生活中不可缺少的重要組成部分。1.1引言4自動(dòng)控制原理是自動(dòng)化學(xué)科的重要基礎(chǔ)理論，專門研究有關(guān)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念、基本原理和基本方法。本章通過(guò)介紹自動(dòng)控制和自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念，使讀者對(duì)反饋控制系統(tǒng)的組成、特點(diǎn)、類型、常用術(shù)語(yǔ)、性能指標(biāo)及經(jīng)典控制理論的主要研究?jī)?nèi)容有個(gè)初步了解，為以后章節(jié)的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。1.1引言5液面控制1.1引言6人類利用自動(dòng)控制技術(shù)解決生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)際問(wèn)題的歷史非常悠久。早在公元前300年，古希臘就運(yùn)用反饋控制原理設(shè)計(jì)了浮子調(diào)節(jié)器，并應(yīng)用于水鐘和油燈中。我國(guó)也在久遠(yuǎn)的古代先后發(fā)明了銅壺滴漏計(jì)時(shí)器、指南車等控制裝置。直到1769年瓦特（J.Watt）發(fā)明了控制蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速的飛球控制器才標(biāo)志著工業(yè)革命的開始。1.1引言7自動(dòng)控制理論是研究自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成，進(jìn)行系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的一般性理論。它是研究自動(dòng)控制過(guò)程共同規(guī)律的技術(shù)學(xué)科。經(jīng)典控制理論(

20世紀(jì)40年代)

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)最優(yōu)控制最佳估計(jì)系統(tǒng)辨識(shí)自適應(yīng)控制魯棒控制容錯(cuò)控制集散控制大系統(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)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)8一.人工控制與自動(dòng)控制二.控制系統(tǒng)的方框圖表示法三.開環(huán)控制與閉環(huán)控制四.自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成一.人工控制與自動(dòng)控制9人開關(guān)燈的過(guò)程紅綠燈控制車流的過(guò)程

人工控制紅綠燈自動(dòng)控制汽車人工控制一.人工控制與自動(dòng)控制10水溫人工控制

水溫自動(dòng)控制一.人工控制與自動(dòng)控制11眼腦手蒸汽流量過(guò)熱器氣鼓省煤器給水流量手動(dòng)閥(a)人工控制測(cè)量變送器控制器執(zhí)行機(jī)構(gòu)蒸汽流量過(guò)熱器氣鼓省煤器控制閥(b)自動(dòng)控制給水流量給定值圖鍋爐氣鼓液位控制原理圖一.人工控制與自動(dòng)控制12

被控量給定值控制量(操作量)

擾動(dòng)

自動(dòng)控制被控對(duì)象控制器自動(dòng)控制系統(tǒng)控制器執(zhí)行機(jī)構(gòu)受控對(duì)象測(cè)量、變送器測(cè)量信號(hào)給定值被控量干擾偏差－rrenc圖

自動(dòng)控制系統(tǒng)的典型方框圖控制量一.人工控制與自動(dòng)控制131、自動(dòng)控制在無(wú)人直接參與的情況下，通過(guò)控制裝置使被控對(duì)象或過(guò)程自動(dòng)地按照預(yù)定要求進(jìn)行。2、被控對(duì)象(受控對(duì)象、對(duì)象)

指需要給以控制的機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程。任何被控物體（如加熱爐、化學(xué)反應(yīng)器、宇宙飛船鍋爐、機(jī)器人、電冰箱等）被稱為對(duì)象。3、控制器對(duì)被控對(duì)象起控制作用的設(shè)備。它與測(cè)量變換部件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等構(gòu)成控制裝置。4、自動(dòng)控制系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制所需要的各組成部分有機(jī)地組合在一起所構(gòu)成的系統(tǒng)。它由被控對(duì)象與控制裝置兩部分組成。一.人工控制與自動(dòng)控制146、給定值（參考輸入量、系統(tǒng)的輸入量、設(shè)定值）希望被控參數(shù)所具備的值。它是加到控制系統(tǒng)上的指令信號(hào)。5、被控量（被控參數(shù)、系統(tǒng)的輸出量）表征設(shè)備或過(guò)程的運(yùn)行情況或狀態(tài)且需要加以控制的參數(shù)（物理量）。8、擾動(dòng)（擾動(dòng)輸入量、干擾輸入量）除給定值之外，凡能引起被控量變化的因素，都是擾動(dòng)。擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的輸出產(chǎn)生不利的影響。產(chǎn)生于系統(tǒng)內(nèi)部的擾動(dòng)稱為內(nèi)擾；產(chǎn)生于系統(tǒng)外部的擾動(dòng)稱為外擾。7、控制量（操作量）是一種由控制器改變的量值或狀態(tài),它將作用于被控對(duì)象，并影響被控量的值。二.控制系統(tǒng)的方框圖表示法15圖1-6方框圖的基本組成單元把系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)（功能部件）用方框來(lái)表示，環(huán)節(jié)的名稱寫在方框內(nèi)，進(jìn)入方框的信號(hào)為輸入，離開方框的為輸出?？刂葡到y(tǒng)的方框圖就是由方框、比較點(diǎn)、引出點(diǎn)以及有箭頭的信號(hào)線按信號(hào)的傳遞方向連接起來(lái)的圖形。二.控制系統(tǒng)的方框圖表示法16圖1-8例1-2和例1-3系統(tǒng)方框圖三.開環(huán)控制與閉環(huán)控制17兩種基本的控制方式：開環(huán)控制和閉環(huán)控制。只存在控制器對(duì)被控對(duì)象的單方向控制作用，而沒有被控對(duì)象到控制器的反向聯(lián)系的過(guò)程稱為開環(huán)控制。按開環(huán)控制方式所組成的系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制又分為無(wú)擾動(dòng)補(bǔ)償和有擾動(dòng)補(bǔ)償兩種。補(bǔ)償器執(zhí)行機(jī)構(gòu)受控對(duì)象被控量干擾圖

開環(huán)控制系統(tǒng)（有擾動(dòng)補(bǔ)償）測(cè)量r給定值c控制器三.開環(huán)控制與閉環(huán)控制18控制器與被控對(duì)象之間不僅有正向控制作用，而且還存在被控對(duì)象到控制器的反向聯(lián)系的過(guò)程稱為閉環(huán)控制。按閉環(huán)控制方式所組成的系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。圖1-9例1-4和例1-5系統(tǒng)的方框圖三.開環(huán)控制與閉環(huán)控制19與開環(huán)控制系統(tǒng)不同，閉環(huán)控制系統(tǒng)增加了對(duì)被控量的檢測(cè)。將檢測(cè)信號(hào)送回到輸入端，并與給定輸入比較的過(guò)程稱為反饋。對(duì)被控量的檢測(cè)值稱為主反饋信號(hào)，給定輸入與主反饋信號(hào)之差稱為偏差。若主反饋信號(hào)符號(hào)為“-”，稱為負(fù)反饋；若為“+”，則稱為正反饋。閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作原理（負(fù)反饋控制原理）：利用負(fù)反饋產(chǎn)生偏差信號(hào)，以一定的控制規(guī)律產(chǎn)生控制作用，抑制系統(tǒng)內(nèi)部或外部干擾對(duì)被控量的影響，逐步減小以致消除這一偏差，達(dá)到自動(dòng)控制的目的。因此閉環(huán)控制也稱反饋控制，這種由偏差產(chǎn)生的控制作用又稱為偏差控制。三.開環(huán)控制與閉環(huán)控制20在閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上，加入給定輸入信號(hào)或擾動(dòng)輸入信號(hào)的補(bǔ)償通道(這種控制方式，稱為前饋控制、補(bǔ)償控制或順饋控制。)，用來(lái)提高系統(tǒng)的控制精度，這樣的系統(tǒng)稱為復(fù)合控制系統(tǒng)。圖復(fù)合控制系統(tǒng)控制器補(bǔ)償器受控對(duì)象給定值被控量干擾－(a)按擾動(dòng)補(bǔ)償控制器補(bǔ)償器受控對(duì)象給定值被控量－(a)按輸入補(bǔ)償

開環(huán)補(bǔ)償原理：使系統(tǒng)的輸出完全復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)的輸入或使系統(tǒng)的輸出不受擾動(dòng)的影響。三.開環(huán)控制與閉環(huán)控制21

閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)偏差控制，可以抑制內(nèi)擾動(dòng)（系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)變化）、外擾動(dòng)對(duì)被控量產(chǎn)生的影響。精度高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)、分析麻煩。

開環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)順向作用，沒有反向的聯(lián)系和修正偏差的能力，抗擾動(dòng)性較差。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)整方便、成本低。

復(fù)合控制系統(tǒng)的特點(diǎn)開、閉環(huán)控制結(jié)合，可以抑制可測(cè)量擾動(dòng)，具有很高的控制精度，但要求補(bǔ)償器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)具有較高的穩(wěn)定性。四.自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成22將組成自動(dòng)控制系統(tǒng)的物理部件按照在完成自動(dòng)控制任務(wù)中的工作職能歸類，不同的物理系統(tǒng)就有了相同職能的方框圖形式。圖1-10自動(dòng)控制系統(tǒng)的職能方框圖四.自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成23控制器受控對(duì)象（廣義對(duì)象）給定值被控量干擾偏差－reny自動(dòng)控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)化方框圖控制器執(zhí)行機(jī)構(gòu)受控對(duì)象測(cè)量、變送器測(cè)量信號(hào)給定值被控量干擾偏差－reny自動(dòng)控制系統(tǒng)的典型方框圖控制量四.自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成24例

烘烤爐溫度控制系統(tǒng)放大器混合器放大器煤氣空氣電動(dòng)機(jī)熱電偶工件＋－θ

uruaΔuuTT控制閥受控對(duì)象？測(cè)量元件？執(zhí)行機(jī)構(gòu)？控制器？給定裝置？參考信號(hào)？被控量？干擾？四.自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成25受控對(duì)象—烘烤爐；被控量—爐溫；給定裝置—電位器；干擾—工件、煤氣壓力波動(dòng)、環(huán)境溫度、電源電壓等；測(cè)量元件—熱電偶；執(zhí)行機(jī)構(gòu)—可逆電動(dòng)機(jī)放大器電動(dòng)機(jī)烘爐熱電偶給定值被控量工件環(huán)境溫度???－urΔuT圖

烘爐溫度控制系統(tǒng)方框圖放大器uauTθ

工件增多（負(fù)載增大）工件減少（負(fù)載減?。?.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本類型26一.恒值、隨動(dòng)和程序控制系統(tǒng)二.線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)三.連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)一.恒值、隨動(dòng)和程序控制系統(tǒng)27恒值控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：系統(tǒng)的給定值為某個(gè)恒定不變的常數(shù)，控制目的強(qiáng)調(diào)的是抑制各種干擾影響，使系統(tǒng)的被控量盡可能保持在期望值的附近?！纠?-6】水箱水位控制系統(tǒng)圖1-11水箱水位控制系統(tǒng)及方框圖一.恒值、隨動(dòng)和程序控制系統(tǒng)28隨動(dòng)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：系統(tǒng)的給定輸入為一個(gè)未知的時(shí)間函數(shù)，控制目的強(qiáng)調(diào)的是系統(tǒng)的被控量快速跟隨給定輸入信號(hào)的變化?！纠?-7】典型隨動(dòng)控制系統(tǒng)的控制過(guò)程圖1-12典型隨動(dòng)控制系統(tǒng)及方框圖一.恒值、隨動(dòng)和程序控制系統(tǒng)29程序控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：系統(tǒng)的給定輸入為一個(gè)預(yù)先知道的時(shí)間函數(shù)，控制目的是使系統(tǒng)的被控量按給定輸入的信號(hào)變化，既要有一定的響應(yīng)速度，又要有一定的精度。如電梯升降控制、數(shù)控車床和機(jī)器人控制系統(tǒng)。二.線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)

30當(dāng)組成系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)輸入和輸出關(guān)系可以用線性微分方程（或線性差分方程）來(lái)描述時(shí)，稱這種系統(tǒng)為線性控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱線性系統(tǒng)）。其特點(diǎn)是滿足疊加原理，即同時(shí)具有疊加性和齊次性（或均勻性）。圖1-13線性控制系統(tǒng)的疊加性和齊次性二.線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)

31如果組成系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)或元件的輸入和輸出關(guān)系至少存在一個(gè)非線性特性，則這類系統(tǒng)稱為非線性控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱非線性系統(tǒng)）。非線性系統(tǒng)不滿足疊加性和齊次性，因此也可以說(shuō)，凡是不同時(shí)滿足疊加性和齊次性的系統(tǒng)均為非線性系統(tǒng)。二.線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)

3232若描述系統(tǒng)（環(huán)節(jié)）輸入與輸出關(guān)系的微分方程：線性系統(tǒng)線性時(shí)變系統(tǒng)線性定常系統(tǒng)方程中，輸入輸出函數(shù)及各階導(dǎo)數(shù)皆為一次。非線性時(shí)變系統(tǒng)線性定常系統(tǒng)線性時(shí)變系統(tǒng)三.連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)

33若控制系統(tǒng)中各部分的信號(hào)均是時(shí)間變量t的連續(xù)函數(shù)，則稱為連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱連續(xù)系統(tǒng)），隨時(shí)間連續(xù)變化的信號(hào)量也稱為模擬量。連續(xù)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程或特性一般用微分方程來(lái)描述。若系統(tǒng)中一處或多處的信號(hào)是在時(shí)間上離散的脈沖序列或數(shù)碼形式，則稱為離散控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱離散系統(tǒng)）。如果離散時(shí)間信號(hào)以脈沖序列的形式出現(xiàn)，稱為采樣控制系統(tǒng)；如果離散時(shí)間信號(hào)是以數(shù)字量的形式在系統(tǒng)中傳遞，稱為數(shù)字控制系統(tǒng)（或計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)）。圖1-14計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的方框圖1.4自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求34一.穩(wěn)定性二.平穩(wěn)性與快速性三.準(zhǔn)確性一.穩(wěn)定性35穩(wěn)定性是保證控制系統(tǒng)能夠正常工作的先決條件。當(dāng)系統(tǒng)受到干擾的作用，正處于某一工作狀態(tài)的被控量（保持在給定值）都會(huì)發(fā)生變化而偏離給定值，當(dāng)干擾消失后，如果被控量最終會(huì)回到給定值或在其期望的范圍內(nèi)，稱這種現(xiàn)象為系統(tǒng)穩(wěn)定，這樣的系統(tǒng)為穩(wěn)定系統(tǒng)。圖1-15穩(wěn)定系統(tǒng)的輸出曲線二.平穩(wěn)性與快速性（動(dòng)態(tài)性能）36圖1-16典型系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線在控制系統(tǒng)中，當(dāng)擾動(dòng)或給定量發(fā)生變化時(shí)，被控量隨時(shí)間變化的不平衡狀態(tài)稱為動(dòng)態(tài)。被控量隨