第一章 自動(dòng)控制的基本概念 緒論

第一章緒論1第一章緒論作者：浙江大學(xué)鄒伯敏教授自動(dòng)控制理論普通高等教育“九五”部級(jí)重點(diǎn)教材第一章緒論2第一節(jié)

自動(dòng)控制理論發(fā)展簡(jiǎn)介第二節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的一般概念第三節(jié)開環(huán)控制和閉環(huán)控制第四節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類第五節(jié)對(duì)控制系統(tǒng)性能的要求和本課程的任務(wù)本章主要內(nèi)容第一章緒論3自動(dòng)控制理論第一節(jié)自動(dòng)控制理論發(fā)展簡(jiǎn)介

自動(dòng)控制理論是自動(dòng)控制技術(shù)的基礎(chǔ)理論，是一門理論性較強(qiáng)的工程科學(xué)。根據(jù)自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程，自動(dòng)控制理論可分為經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論兩大部分。經(jīng)典控制理論的形成和基本內(nèi)容（1）工業(yè)化促使自動(dòng)控制裝置產(chǎn)生最早工業(yè)應(yīng)用的自動(dòng)裝置：1769年Watt發(fā)明的飛球式蒸汽機(jī)調(diào)速器。一種憑借直覺的實(shí)證性發(fā)明。第一章緒論4（2）最早的穩(wěn)定性研究

J.C.Maxwell（麥克斯韋爾），1868年發(fā)表《論調(diào)節(jié)器》，研究調(diào)節(jié)器的微分方程，線性化處理，系統(tǒng)穩(wěn)定性取決于微分方程的特征根是否都具有一對(duì)負(fù)的實(shí)部，針對(duì)二階和三階系統(tǒng)討論了使特征根具有負(fù)實(shí)部時(shí)，特征多項(xiàng)式系列應(yīng)滿足的條件。

文獻(xiàn)：J.C.Maxwell.OnGovernors.Proc.oftheRoyalSocietyofLondon.16,1868.（3）系統(tǒng)穩(wěn)定判據(jù)由Hurwitz（霍爾維茨，1895年）和E.J.Routh（勞斯，1884年）提出的勞斯-霍爾維茨穩(wěn)定判據(jù)

A.M.Lyapunov（李雅普諾夫，1892年）提出了李雅普諾夫第一法與第二法第一章緒論5H.Nyquist（奈魁斯特，1932年）提出奈氏判據(jù)，Bode(波德，1927年）提出了對(duì)數(shù)頻率特性的方法。W.R.Evans（伊萬斯，1948年)提出根軌跡法。此方法和規(guī)則指的是當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)變化時(shí)特征方程式根變化的幾何軌跡。目前仍然是系統(tǒng)設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性分析的一種重要方法。（4）40-50年代形成SISO（SingleInputSingleOutput）系統(tǒng)

二戰(zhàn)期間，軍事科學(xué)的需要大大促進(jìn)了反饋控制理論的發(fā)展。美國麻省理工學(xué)院雷達(dá)實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們將反饋放大器理論、PID（比例-積分-微分）控制以及N.Wiener（維納）的隨機(jī)過程理論等結(jié)合在一起，形成了一整套被稱為隨動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。1948年N.Wiener發(fā)表著名的《控制論》第一章緒論6（5）50年代末期所討論的內(nèi)容主要有：系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立、時(shí)域分析法、頻率特性法、根軌跡法、系統(tǒng)綜合與校正、非線性系統(tǒng)和采樣控制系統(tǒng)分析法等，也被稱為經(jīng)典控制理論?，F(xiàn)代控制理論空間技術(shù)競(jìng)賽催生了現(xiàn)代控制理論

50年代末，美國的Bellman（貝爾曼）、Kalman（卡爾曼）和俄羅斯的龐德里亞金等考慮用常微分方程作為控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。由于數(shù)字計(jì)算機(jī)的發(fā)展使得十年前尚無法進(jìn)行的計(jì)算問題成為可能，這時(shí)李雅普諾夫的工作被引入到控制理論中來，而由Wiener（維納）等人在第二次世界大戰(zhàn)期間關(guān)于最優(yōu)控制的研究也被用來研究系統(tǒng)狀態(tài)軌跡的優(yōu)化問題。第一章緒論7

這種方法在標(biāo)準(zhǔn)形式或狀態(tài)形式的常微分方程的基礎(chǔ)上直接引進(jìn)并大量使用了計(jì)算機(jī)。這種方法通常稱為“現(xiàn)代控制理論”，以區(qū)別于60年代以前的“經(jīng)典控制理論”軟著陸---------極大值原理（1956）最小燃料控制-----動(dòng)態(tài)規(guī)劃（1957）姿態(tài)控制--------狀態(tài)空間理論(1960）第一章緒論8現(xiàn)代控制理論的重要標(biāo)志狀態(tài)空間法被引入到控制理論中來。

Kalman提出了能控性與能觀測(cè)性。表征系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征的重要概念?！皟?nèi)部研究”代替了傳統(tǒng)的“外部研究”。并使分析與綜合過程建立在嚴(yán)格的理論基礎(chǔ)之上。

主要分支學(xué)科：線性系統(tǒng)理論、最優(yōu)控制理論、系統(tǒng)辨識(shí)與自適應(yīng)控制、大系統(tǒng)理論和特大系統(tǒng)理論等。一些分支學(xué)科還滲透到相鄰學(xué)科中去，如濾波技術(shù)、自學(xué)習(xí)理論與人工智能、建模理論與系統(tǒng)工程等。第一章緒論9

在科學(xué)和工程技術(shù)的發(fā)展過程中，自動(dòng)控制技術(shù)起著重要的作用。除了在宇宙飛船、導(dǎo)彈發(fā)射和飛機(jī)駕駛等系統(tǒng)中，自動(dòng)控制技術(shù)具有特別重要的作用之外，它在現(xiàn)代機(jī)器制造和工業(yè)生產(chǎn)過程中也是不可缺少的重要組成部分。隨著自動(dòng)控制理論和技術(shù)的不斷發(fā)展，自動(dòng)控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用使生產(chǎn)設(shè)備或過程實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，極大地提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量、降低了生產(chǎn)成本、改善了勞動(dòng)條件，而且在人類向大自然挑戰(zhàn)、探索新能源、改善人民生活等方面都起著極其重要的作用?？刂评碚撛趪窠?jīng)濟(jì)中的作用第一章緒論101）自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用于軍事、航天領(lǐng)域火炮、雷達(dá)、跟蹤系統(tǒng)；人造衛(wèi)星；宇宙飛船。2）自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程軋鋼過程；工業(yè)窯爐；石油化工；水泥建材；玻璃、造紙等。3）自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)灌溉；農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)；病情檢測(cè)等。第一章緒論114）自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用于其它領(lǐng)域由于計(jì)算機(jī)等技術(shù)的誕生和飛速發(fā)展，使得控制技術(shù)水平不斷提高，已擴(kuò)大到經(jīng)濟(jì)與社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域，如通信、交通、醫(yī)學(xué)、環(huán)境保護(hù)、經(jīng)濟(jì)管理等領(lǐng)域，控制技術(shù)已成為現(xiàn)代社會(huì)不可缺少的重要組成部分。近年來，我國在自動(dòng)化儀表、工業(yè)調(diào)節(jié)器、數(shù)字控制技術(shù)、航天工程、核動(dòng)力工程等方面的研究和應(yīng)用取得了長足進(jìn)展。生物：人口控制，藥物動(dòng)力學(xué)金融：貨幣控制家庭：電飯煲，洗衣機(jī)第一章緒論12第二節(jié)自動(dòng)控制的一般概念

自動(dòng)控制就是要人不直接參與的條件下，利用控制器使被控制的對(duì)象（如機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程）的某些物理量（或工作狀態(tài)）能自動(dòng)地按規(guī)定的規(guī)律變化（或運(yùn)行）。如：

電網(wǎng)的電壓與頻率自動(dòng)地保持不變。人造衛(wèi)星按制定的軌道運(yùn)行，并始終保持正確的姿態(tài)金屬切割機(jī)床的速度在電壓變化或負(fù)載變化時(shí)能自動(dòng)保持不變第一章緒論13控制系統(tǒng)：把實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制所需要各個(gè)部件按一定的規(guī)律組合起來，取控制被控對(duì)象，這個(gè)組合體叫“控制系統(tǒng)”被控制的物理量通常有：

溫度、壓力、流量、電壓、轉(zhuǎn)速、位移等第一章緒論14一、液位控制系統(tǒng)

人工控制測(cè)量實(shí)際液面的高度h0-------用眼實(shí)際液面高度ｈ0與希望液面高度h1相比較

-------用腦按比較的結(jié)果，即液面高度偏差的正負(fù)去決定控制動(dòng)作

-------用手圖1-1水池液面控制系統(tǒng)水池液面控制如圖1-1所示。自動(dòng)控制理論第一章緒論15

自動(dòng)控制

人工控制中有三種職能作用：測(cè)量、比較和執(zhí)行，而在自動(dòng)控制系統(tǒng)中也必須有這三種，如圖1-3所示。液位控制系統(tǒng)由以下五部分組成。圖1-2液面人工控制系統(tǒng)的方框圖液面人工控制系統(tǒng)的方框圖如圖1-2所示。自動(dòng)控制理論第一章緒論16圖1-3液面自動(dòng)控制系統(tǒng)

被控對(duì)象-----水池測(cè)量元件-----浮子比較機(jī)構(gòu)-----浮子的希望位置與實(shí)際位置之差放大機(jī)構(gòu)-----提高系統(tǒng)的控制精度執(zhí)行元件-----驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象，以改變被控制的量自動(dòng)控制理論第一章緒論17圖1-5液面自動(dòng)控制系統(tǒng)的方框圖

為了控制系統(tǒng)的表示簡(jiǎn)單明了，控制工程中一般用方框圖表示系統(tǒng)的各個(gè)組件，組件的基本組成單元如圖1-4所示，其中圖a）為引出點(diǎn)，圖b）為比較點(diǎn)，圖c）部件的框圖。圖1-4控制系統(tǒng)框圖的基本組成單元故液位自動(dòng)控制系統(tǒng)也可用圖1-5來表示。自動(dòng)控制理論第一章緒論18

直流隨動(dòng)如圖1-6所示。二、隨動(dòng)控制系統(tǒng)圖1-6直流隨動(dòng)系統(tǒng)的原理圖自動(dòng)控制理論第一章緒論19圖1-7直流隨動(dòng)系統(tǒng)的方框圖

圖1-6直流隨動(dòng)系統(tǒng)是用一對(duì)電位器作為位置的檢測(cè)元件，它們分別把系統(tǒng)的輸入與輸出的位置信號(hào)轉(zhuǎn)換成與之成比例的電信號(hào)，并進(jìn)行比較。其控制系統(tǒng)的方框圖如圖1-7所示。自動(dòng)控制理論第一章緒論20自動(dòng)控制理論第三節(jié)開環(huán)控制與閉環(huán)控制圖1-8自動(dòng)控制框圖的一般形式圖1-9自動(dòng)控制系統(tǒng)的框圖第一章緒論21圖中

r(t)-----系統(tǒng)的參考輸入(簡(jiǎn)稱輸入量或給定量)

c(t)-----系統(tǒng)的被控制量(又簡(jiǎn)稱輸出量)

b(t)-----系統(tǒng)的主反饋量

e(t)-----系統(tǒng)的誤差e(t)＝r(t)－b(t)

d(t)-----系統(tǒng)的干擾,它是一種對(duì)系統(tǒng)輸出產(chǎn)生不利的信號(hào)給定環(huán)節(jié)-----產(chǎn)生參與輸入信號(hào)的元件如:電位器、旋轉(zhuǎn)變壓器等

控的控制信號(hào)支控制被控的對(duì)象制器-----其輸入是系統(tǒng)的誤差信號(hào),

經(jīng)變換或相關(guān)的運(yùn)算后,產(chǎn)生期望被控對(duì)象-----系統(tǒng)控制的對(duì)象,其輸入量是控制器的輸出,輸出量就是被控量反饋環(huán)節(jié)-----將被控制量轉(zhuǎn)換為主反饋信號(hào)的裝置,這個(gè)裝置一般為檢測(cè)元件

自動(dòng)控制理論第一章緒論22開環(huán)控制自動(dòng)控制理論如果系統(tǒng)的輸出量沒有與參考輸入相比較,即系統(tǒng)的輸出與輸入間不存在反饋的通道,這種控制方式叫開環(huán)控制開環(huán)控制的優(yōu)缺點(diǎn)

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所用元器件少系統(tǒng)沒有抗擾動(dòng)功能，因而大限制了系統(tǒng)的應(yīng)用范圍控制器被控對(duì)象控制量給定值r(t)u(t)y(t)圖1-10開環(huán)控制系統(tǒng)第一章緒論23

k

udn~ug例：直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（機(jī)械力矩ML恒定)圖1-11直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（開環(huán)）第一章緒論24若把系統(tǒng)的被控制量反饋到它的輸入端，并與參考輸入相比較，這種控制方式叫閉環(huán)控制。相應(yīng)的系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制閉環(huán)控制的優(yōu)點(diǎn)

自動(dòng)地消弱或清除來自系統(tǒng)內(nèi)部或外部擾動(dòng)對(duì)被控制量的影響

穩(wěn)態(tài)精度高、動(dòng)態(tài)性能好、穩(wěn)定裕度大等?？刂破鞅豢貙?duì)象控制量輸出量給定值r(t)u(t)y(t)測(cè)量元件偏差e(t)＋－圖1-12閉環(huán)控制系統(tǒng)第一章緒論25自動(dòng)控制理論圖1-13閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)第一章緒論26該系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)的過程自動(dòng)控制理論第一章緒論27三、自動(dòng)控制系統(tǒng)舉例1、恒溫箱控制系統(tǒng)圖1-14恒溫箱控制系統(tǒng)原理圖第一章緒論28圖1-15恒溫箱控制系統(tǒng)方框圖第一章緒論29圖1-16火力發(fā)電廠綜合控制系統(tǒng)第一章緒論30三種常用的分類方法自動(dòng)控制理論第四節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類

線性控制系統(tǒng)和非線性控制系統(tǒng)若組成控制的元件都具有線性特性，則稱這種系統(tǒng)為線性控制系統(tǒng)若在控制系統(tǒng)中有一個(gè)以上的元件具有非線性則稱這種系統(tǒng)為非線性控制系統(tǒng)特點(diǎn)：不具有比例性，也不適用疊加原理系統(tǒng)的輸出響應(yīng)穩(wěn)定性與其初始狀態(tài)有關(guān)特點(diǎn)：系統(tǒng)用微分方程、傳遞函數(shù)或狀態(tài)方程來描述具有比例性并適用疊加原理

恒值控制系統(tǒng)和隨動(dòng)控制系統(tǒng)按系統(tǒng)內(nèi)部傳輸信號(hào)的性質(zhì)分恒值控制和隨動(dòng)控制系統(tǒng)第一章緒論31自動(dòng)控制理論連續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng)

恒值控制系統(tǒng)的參考輸入量為常量，要求它的被控制量在任何擾動(dòng)的作用下能盡快地恢復(fù)（或接近）原有的穩(wěn)態(tài)值隨動(dòng)控制系統(tǒng)的輸入是一個(gè)變化量，要求系統(tǒng)的被控制量能快速準(zhǔn)確地跟隨參考輸入信號(hào)的變化而變化按系統(tǒng)內(nèi)部傳輸信號(hào)的性質(zhì)分為連續(xù)控制和離散控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)中各部分的傳輸信號(hào)都是時(shí)間Ｔ的連續(xù)函數(shù)，則稱這類系統(tǒng)為連續(xù)控制系統(tǒng)若在控制系統(tǒng)內(nèi)部有一個(gè)或一個(gè)以上的信號(hào)是時(shí)間Ｔ的離散信號(hào)，則稱這類系統(tǒng)為離散控制系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是一種常見離散控制系統(tǒng)圖1-17計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的方框圖第一章緒論32自動(dòng)控制理論第五節(jié)對(duì)控制系統(tǒng)性能的要求和本課程的任務(wù)控制系統(tǒng)的性