自動控制理論緒論

1第1章緒論1.1自動控制系統(tǒng)的根本概念與開展1.1.1自動控制的定義與根本組成閉環(huán)控制開環(huán)控制2所謂自動控制，是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置操縱機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程，使其自動按預(yù)定規(guī)律運行的技術(shù)。定義：圖1-1人腦控制過程示意圖圖1-2仿人控制系統(tǒng)方框圖遙測、遙感31.1.2自動控制技術(shù)的開展歷史與現(xiàn)狀

外加設(shè)備或裝置，通常包括測量儀器、控制裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。沒有檢測與執(zhí)行設(shè)備，單獨的控制器是無法發(fā)揮作用的。開展歷史測控與軍事自動控制與民用工業(yè)現(xiàn)代測控系統(tǒng)的開展現(xiàn)狀測控與科學(xué)4以傳遞函數(shù)為根底的經(jīng)典控制理論，它主要研究單輸入-單輸出、線性定?？刂葡到y(tǒng)的分析和設(shè)計問題。以狀態(tài)為根底的狀態(tài)空間法〔現(xiàn)代控制理論根底〕，主要研究具有高性能、高精度的多變量變參數(shù)系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題，有線或無線最好所有信號傳輸線都應(yīng)符合現(xiàn)場總線制自動控制理論是研究自動控制技術(shù)共同規(guī)律的根底科學(xué)，以反響理論為根底的自動調(diào)節(jié)原理。51.2自動控制系統(tǒng)的根本控制方式

1.2.1開環(huán)控制系統(tǒng)所謂開環(huán)控制系統(tǒng)就是控制器與被控對象之間只有順向作用而無反向聯(lián)系，即控制是單方向進(jìn)行的；系統(tǒng)的輸出量并不影響其控制作用，控制作用直接由系統(tǒng)輸入量產(chǎn)生。

直流電動機(jī)功率放大器激磁回路激磁電流電樞電壓6開環(huán)控制系統(tǒng)是最根本的不帶反響〔檢測裝置〕的自動控制系統(tǒng)，其在生產(chǎn)過程及生活設(shè)施中隨處可見。返回7輸入量輸出量圖1-4開環(huán)控制系統(tǒng)示意圖控制器執(zhí)行器

缺陷：由于系統(tǒng)周圍環(huán)境的變化會給系統(tǒng)造成干擾，開環(huán)控制系統(tǒng)的輸出量不可能精確地對應(yīng)于輸入量，因此開環(huán)系統(tǒng)不具備克服輸出量與輸入量之間的偏差的能力，它的準(zhǔn)確性和穩(wěn)態(tài)精度都不高。如果系統(tǒng)輸入量再隨時間變化，而系統(tǒng)的被控對象一般都存在慣性，所以不可能瞬時完成對輸入量的響應(yīng)?！垢蓴_能力差

81.2.2閉環(huán)控制系統(tǒng)9前向通路給控制系統(tǒng)引入反響，即把輸出量饋送到系統(tǒng)輸入端，以便與輸入信號進(jìn)行比較，取其偏差作為控制器的輸入，如下圖。這樣的系統(tǒng)稱為帶負(fù)反響的閉環(huán)控制系統(tǒng)?！垢蓴_性能優(yōu)于開環(huán)10外擾——由系統(tǒng)的動力源或負(fù)載變化以及外部因素引起。

擾動量內(nèi)擾——由組成系統(tǒng)的元部件參數(shù)的變化引起。注意：加在控制器上的信號是輸入量和反響量之間的差(偏差)?？刂破魉a(chǎn)生的控制作用力圖減小或者消除這種偏差。帶有負(fù)反響的閉環(huán)控制又稱為偏差控制11液位閉環(huán)控制系統(tǒng)12爐溫閉環(huán)控制系統(tǒng)

冷水電加熱器溫控開關(guān)水箱給定溫度熱水測溫元件圖1-6電加熱器系統(tǒng)燃?xì)鉁囟瓤刂葡到y(tǒng)爐溫開環(huán)控制系統(tǒng)13

冷水電加熱器溫控開關(guān)水箱給定溫度熱水測溫元件圖1-6電加熱器系統(tǒng)控制器—溫控開關(guān)輸入量—期望溫度輸出量—測溫元件檢測到的實際水溫偏差—由溫控開關(guān)確定外擾—注入的冷水和流出的熱水執(zhí)行機(jī)構(gòu)—電加熱器14優(yōu)勢：有效地抑制前向通道中各種擾動對系統(tǒng)輸出量的影響，提高系統(tǒng)的抗擾動性能，增強(qiáng)魯棒性，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，提高響應(yīng)速度。問題：慣性使控制作用不能及時校正系統(tǒng)誤差。如果控制系統(tǒng)的強(qiáng)激作用與被控對象的慣性匹配不當(dāng)，還可能產(chǎn)生振蕩，甚至不穩(wěn)定。1.2.3復(fù)合控制系統(tǒng)使用條件：當(dāng)單獨采用開環(huán)控制或閉環(huán)控制不能得到理想的控制效果時，可以采用開環(huán)和閉環(huán)控制相結(jié)合的復(fù)合控制系統(tǒng)。

15圖1-7復(fù)合控制示意圖作用：帶有負(fù)反響的閉環(huán)控制起主調(diào)節(jié)作用，而帶有前饋的開環(huán)控制那么起輔助作用。16圖1-8電動機(jī)復(fù)合控制系統(tǒng)電動機(jī)速度復(fù)合控制系統(tǒng)是按擾動作用補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制系統(tǒng)。負(fù)載大小的改變引起轉(zhuǎn)速變化，反映在圖1-8〔b〕中即為負(fù)載轉(zhuǎn)矩Mc的改變。實例：171.3自動控制系統(tǒng)的根本類型1.3.1調(diào)節(jié)系統(tǒng)和隨動系統(tǒng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)或恒值系統(tǒng)——系統(tǒng)的輸入量恒定不變的。輸入量并非被控對象的實際輸入而是希望輸出能夠到達(dá)的期望值，所以又稱其為參考輸入。隨動系統(tǒng)——系統(tǒng)的輸出能夠緊緊跟隨其輸入變化，并要求具有一定的跟隨精度。在這種系統(tǒng)中，輸入量的變化往往是任意的，非預(yù)知的。

根本控制方式：開、閉環(huán)，復(fù)合18

＋給定轉(zhuǎn)速給＋實際轉(zhuǎn)速定電位直流測速器－－電動機(jī)發(fā)電機(jī)生產(chǎn)機(jī)構(gòu)圖1-9電動機(jī)轉(zhuǎn)速恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)

電壓和功率放大器工作原理：測速發(fā)電機(jī)將檢測到的實際轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電壓反響到輸入端，通過運算放大器與參考輸入〔給定轉(zhuǎn)速的電壓當(dāng)量〕進(jìn)行比較，取其偏差進(jìn)行控制。電、汽加熱系統(tǒng)〔圖1-6所示〕也是一個溫度恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)。日常生活中還有許多如壓力、水位、流量以及電壓、電流等參量的恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)。19＋＋

輸出角度－

同位儀電壓和功率放大器直流電動機(jī)炮身輸入角度圖1-10地空導(dǎo)彈跟蹤系統(tǒng)示意圖

20＋＋

輸出角度－

同位儀電壓和功率放大器直流電動機(jī)炮身輸入角度圖1-10火炮跟蹤系統(tǒng)示意圖

工作原理：同位儀是誤差檢測裝置，輸入信號是火炮跟蹤目標(biāo)的監(jiān)測角度，反響裝置把炮架轉(zhuǎn)動的角度送入同位儀，放大裝置輸出相應(yīng)的偏差信號，使直流電動機(jī)帶動火炮的炮架轉(zhuǎn)動，如此直至反響的角度信號與輸入的角度信號相等時，放大裝置的輸出功率為零，電動機(jī)停止轉(zhuǎn)動。由于火炮的目標(biāo)是飛行物體，因此系統(tǒng)的輸入角度必須根據(jù)實際目標(biāo)方位隨時調(diào)整，所以火炮跟蹤系統(tǒng)是一個隨動系統(tǒng)。211.3.2連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)——系統(tǒng)各個組成環(huán)節(jié)的輸入、輸出信號都是時間連續(xù)信號。

上面所舉的恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)和隨動系統(tǒng)的例子都屬于連續(xù)控制系統(tǒng)。

一般采用微分方程作為分析連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)工具。

離散系統(tǒng)——系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的輸入、輸出信號都是離散信號。如果控制系統(tǒng)中既有連續(xù)信號又有離散信號，那么稱之為采樣〔離散〕控制系統(tǒng)。離散信號脈沖信號數(shù)字信號

離散系統(tǒng)的動態(tài)性能一般要用差分方程來描述和分析。22

圖1-11電阻爐溫度微機(jī)控制系統(tǒng)熱電偶

電阻電爐絲A/D轉(zhuǎn)換器單片機(jī)放大濾波D/A轉(zhuǎn)換器觸發(fā)電路微機(jī)控制的集成度越來越高→DSP、嵌入式系統(tǒng)、SOC晶閘管控制電路全數(shù)字化

電阻爐溫度微機(jī)控制系統(tǒng)屬于采樣控制系統(tǒng)。

A/D、D/A轉(zhuǎn)換器和單片機(jī)之間傳遞的是數(shù)字信號。有些控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)換采用V/F、F/V變換器，那么它們與單片機(jī)之間傳遞的是脈沖信號。23圖1-12微機(jī)控制系統(tǒng)示意圖1.3.3單輸入單輸出系統(tǒng)和多輸入多輸出系統(tǒng)〔SISO-SingleInputandSingleOutput〕——只有一個輸入量和一個輸出量的控制系統(tǒng)。分析方法——以傳遞函數(shù)為根底的時域法、頻域法和根軌跡法。主要研究系統(tǒng)的輸入輸出特性?？捎玫碗A微分方程〔或差分方程〕來描述簡單的SISO系統(tǒng)，可靠手算分析，這就是最初的時域法。數(shù)字控制器24必須用高階微分〔動態(tài)〕方程來描述復(fù)雜的SISO系統(tǒng)，計算機(jī)輔助分析，狀態(tài)空間法。多輸入多輸出系統(tǒng)〔MIMO-Multi-inputandmulti-output〕——多信號、多回路、多變量且相互之間還有關(guān)聯(lián)〔耦合〕的復(fù)雜控制系統(tǒng)。分析方法——以狀態(tài)空間為根底的“現(xiàn)代控制理論〞。……………控制器被控對象測量陣列反饋陣列……

控制擾動量狀態(tài)輸入量作用變量輸出量

r(t)u(t)x(t)y(t)

不局限于研究輸入輸出特性，而關(guān)注內(nèi)部狀態(tài)的運動規(guī)律以及相互之間的關(guān)系，使系統(tǒng)在一定的控制約束和某種性能指標(biāo)下實現(xiàn)最優(yōu)控制。251.3.4線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)——系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的輸入輸出特性是線性的，可以用線性微分〔或差分〕方程來描述。線性定常〔時不變〕：線性常微分方程。線性時變系統(tǒng)：線性微分方程的系數(shù)是時間函數(shù)。主要特點：可以應(yīng)用疊加和齊次性原理來處理輸入輸出之間的關(guān)系，以傳遞函數(shù)為根底的經(jīng)典控制理論是其主要研究依據(jù)。26

輸出輸出輸出輸出

輸入輸入輸入輸入（a）（b）（c）（d）圖1-14常見的非線性系統(tǒng)特性非線性系統(tǒng)——在動態(tài)系統(tǒng)中，只要有一個元器件的輸入輸出特性是非線性的，就稱為非線性系統(tǒng)，用非線性微分〔或差分方程〕來描述。不適用疊加和齊次性原理。非本質(zhì)非線性：可在工作點附近的小鄰域內(nèi)線性化。本質(zhì)非線性：工作點的定義域內(nèi)存在間斷點，不是連續(xù)可微。需要專門的處理方法，例如描述函數(shù)法和相平面法等，目前較實用并有效地模糊控制。

271.3.5其它類型確定性系統(tǒng)和隨機(jī)系統(tǒng)〔數(shù)理統(tǒng)計、現(xiàn)代控制理論中的模型辨識和現(xiàn)代控制工程中的自適應(yīng)控制方法〕集中參數(shù)系統(tǒng)和分布參數(shù)系統(tǒng)4對控制系統(tǒng)的要求和本書內(nèi)容簡介自動控制理論電機(jī)與拖動模擬電子技術(shù)線性代數(shù)微積分〔含微分方程〕復(fù)變函數(shù)、拉普拉斯變換電路理論大學(xué)物理〔力學(xué)、熱力學(xué)〕信號與系統(tǒng)28

控制系統(tǒng)設(shè)計：穩(wěn)態(tài)精度很高的系統(tǒng)容易導(dǎo)致動態(tài)品質(zhì)惡化，甚至不穩(wěn)定。動態(tài)性能好的系統(tǒng)有可能達(dá)不到高穩(wěn)態(tài)精度的要求。

對控制系統(tǒng)的要求：穩(wěn)態(tài)性能（精度）：輸出響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)誤差。穩(wěn)定性：系統(tǒng)能夠正常工作的基本前提動態(tài)性能：系統(tǒng)輸出響應(yīng)的快速性和超調(diào)量29

自動控制理論課程的內(nèi)容：系統(tǒng)分析