自動控制原理 課件 第1章 緒論

第1章緒論1.1引言

1.2自動控制的一般概念

1.3自動控制系統(tǒng)的組成1.4自動控制系統(tǒng)的控制方式1.5自動控制系統(tǒng)實例1.6自動控制系統(tǒng)的分類1.7對自動控制系統(tǒng)性能的基本要求本章要點：⑴自動控制的一般概念。⑵自動控制系統(tǒng)的組成。⑶自動控制系統(tǒng)的基本控制方式。⑷自動控制應用實例。⑸自動控制系統(tǒng)的分類。⑹對自動控制系統(tǒng)性能的要求。⑴掌握自動控制的一般概念及相關名詞術語。⑵理解自動控制系統(tǒng)的組成及各組成部分的作用。⑶掌握開環(huán)控制、閉環(huán)控制和復合控制系統(tǒng)的工作原理、特點及適用場合，深入理解負反饋原理。⑷了解自動控制系統(tǒng)的實際應用，學會利用所學控制原理分析控制系統(tǒng)。⑸理解自動控制系統(tǒng)的基本分類方法。⑹理解自動控制系統(tǒng)的性能要求。⑺了解自動控制理論的發(fā)展，認識自動控制技術在國民經濟建設中的重要作用，增強學科自信，明確學習本課程的目的。學習目標：本章重點：⑴自動控制系統(tǒng)的基本概念。⑵自動控制系統(tǒng)的基本控制方式，反饋控制原理及特點。⑶由系統(tǒng)工作原理圖繪制方框圖。⑷自動控制系統(tǒng)的基本分類方法。⑸自動控制系統(tǒng)性能要求。1.1引言

隨著科學技術的飛速發(fā)展，自動控制技術和理論已經廣泛地應用于工農業(yè)生產、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境監(jiān)測、交通管理、軍事裝備、空間技術、核技術和人工智能等領域，成為現(xiàn)代化社會不可缺少的重要組成部分。采用自動控制技術不僅可以提高勞動生產率，降低生產成本，改善勞動條件，將人們從繁重的體力勞動和大量重復性的操作中解放出來，還為人類探索自然、利用自然提供了有力的保障。近年來，控制科學已經滲透到多個科學，不僅在自然和工程科學領域，而且在政治、經濟等社會科學領域也有廣泛的應用，成為多個科學和領域的發(fā)展動力。

自動控制理論是研究有關自動控制共同規(guī)律的一門技術科學，它是在解決實際技術問題的過程中逐步形成和發(fā)展起來的。根據(jù)發(fā)展的不同階段，大致分為經典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論。

經典控制理論始于19世紀初，到了20世紀50年代，經典控制理論已經發(fā)展到相當成熟的地步，形成了相對完整的理論體系。以傳遞函數(shù)作為描述系統(tǒng)的數(shù)學模型，以時域法、根軌跡法和頻域法為主要方法，構成了經典控制理論的基本框架。經典控制理論主要研究單輸入、單輸出線性定常系統(tǒng)的分析和設計問題。

20世紀50年代中期，空間技術的發(fā)展迫切要求解決更復雜的多變量、非線性、時變等控制問題。同時，計算機技術的發(fā)展也為控制理論的發(fā)展提供了條件，到20世紀60年代初，以狀態(tài)方程作為描述系統(tǒng)的數(shù)學模型，以貝爾曼的動態(tài)規(guī)劃法、龐特里亞金的極小值原理以及卡爾曼濾波為核心的新的控制理論和方法的確定，使得現(xiàn)代控制理論應運而生?，F(xiàn)代控制理論主要研究具有高性能、高精度和多耦合回路的多變量系統(tǒng)的分析和設計問題。

20世紀70年代以后，隨著計算機科學的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了自適應控制、專家系統(tǒng)、模糊控制、神經網絡控制、大系統(tǒng)理論等自動控制科學分支，控制理論正向著以控制論、信息論、仿生學為基礎的智能控制理論深入?？刂评碚摰陌l(fā)展，必將有力地推動社會生產力的進步，提高人民的生活水平，促進人類社會的共同發(fā)展。

本書主要介紹經典控制理論的相關內容，以求為進一步深入學習自動控制有關課程及其相關科學奠定良好的基礎。1.2自動控制的一般概念

什么是控制？什么是自動控制？為了說明這個問題，首先看一個人工控制實例。

圖1-2-1是人工控制的水箱水位控制系統(tǒng)示意圖，該系統(tǒng)中水箱是被控對象，水位的高度是被控量，控制的任務是保持水位的高度在期望值上。當出水流量和入水流量平衡時，水位高度維持在期望值上。當出水流量或入水流量發(fā)生變化時，水位必定偏離期望值，這時就需要操作者對水箱進行必要的控制。圖1-2-1水箱水位人工控制示意圖

具體操作步驟如下，首先，操作者用眼睛連續(xù)地觀察實際水位，大腦將實際水位與期望水位進行比較，得到偏差，然后大腦根據(jù)偏差的大小，指揮手臂調節(jié)進水閥門的開度，最終使實際水位達到期望的水位高度，從而實現(xiàn)控制任務。

可以看出，整個控制過程，是一個利用偏差產生控制作用，并不斷使偏差減小直至消除的過程，同時，為了取得偏差信號，必須要有實際水位的反饋信息，兩者結合起來，就構成了反饋控制。顯然，反饋控制實質上是一個按偏差進行控制的過程。水箱水位人工控制工作原理可用圖1-2-2所示的方框圖表示。圖1-2-2水箱水位人工控制方框圖

通過上述人工控制的水箱水位控制過程可以看出，產生控制作用的機構是人的眼睛、大腦和手臂。如果將控制裝置有機地組合在一起，代替人的職能，就構成了自動控制系統(tǒng)。

圖1-2-3是水箱水位自動控制系統(tǒng)示意圖，該系統(tǒng)中浮子代替了人的眼睛，對實際水位進行測量；連桿和電位器類似于人的大腦，它將期望水位與實際水位兩者進行比較，得出偏差的大小和極性；電動機和減速器相當于人的手臂，調節(jié)進水閥門開度，對水位實施控制。圖1-2-3水箱水位自動控制示意圖控制過程可用圖1-2-4所示的方框圖表示。由此可見，為了完成控制任務，控制裝置必須具備測量、比較、執(zhí)行三個基本的職能部件。圖1-2-4水箱水位自動控制方框圖

綜上所述，所謂自動控制就是指在沒有人直接參與的情況下，利用控制裝置操縱被控對象，使被控量自動地按照預定的規(guī)律運行。自動控制系統(tǒng)是指能夠完成自控控制任務的設備，一般由被控對象和控制裝置構成。1.3自動控制系統(tǒng)的組成

自動控制系統(tǒng)根據(jù)被控對象和具體用途不同，可以有各種不同的結構形式。

一個典型的自動控制系統(tǒng)組成可用圖1-3-1所示方框圖表示，主要包括被控對象、給定元件、測量元件、比較元件、放大元件、執(zhí)行元件以及校正元件等。每一個功能元件都有自己的職能，各組成部分既要完成各自任務，又要共同協(xié)作才能使控制系統(tǒng)具有良好的控制性能。圖1-3-1典型自動控制系統(tǒng)組成方框圖被控對象：一般指控制系統(tǒng)中接受控制的設備或生產過程。給定元件：用于給出與期望的輸出相對應的系統(tǒng)輸入量，是產生輸入指令的元件。測量元件：用于對系統(tǒng)的被控量進行檢測，并把它轉換成與參考輸入相同的物理量后，送入比較環(huán)節(jié)。比較元件：用于將測量元件檢測的被控量實際值與給定元件給出的輸入量進行比較，求出它們之間的偏差。放大元件：用于將比較元件給出的偏差信號進行放大，以推動執(zhí)行元件動作。執(zhí)行元件：直接對被控對象進行操作，使被控量發(fā)生變化。常用來作為執(zhí)行元件的有閥門、電動機、液壓馬達等。校正元件：也稱控制器，它是結構或參數(shù)便于調整的元部件，用串聯(lián)或反饋的方式連接在系統(tǒng)中，以改善系統(tǒng)的性能。最簡單的校正元件是由電阻、電容組成的無源或有源網絡，復雜的則用計算機。輸入信號：是指參考輸入，又稱給定量、給定值或輸入量，它是控制輸出量的指令信號。輸出信號：是指被控對象中要求按一定規(guī)律變化的物理量，又稱被控量或輸出量，它與輸入信號之間滿足一定的函數(shù)關系。反饋信號：由系統(tǒng)輸出端取出并反向送回系統(tǒng)輸入端的信號稱為反饋信號。若反饋信號與輸入信號相減，使產生的偏差越來越小，則稱為負反饋；反之，則稱為正反饋。偏差信號：是指輸入信號與反饋信號之差，簡稱偏差。擾動信號：簡稱擾動或干擾，它與控制作用相反，是一種不希望的、影響系統(tǒng)輸出的不利因素。擾動信號既可來自系統(tǒng)內部，又可來自系統(tǒng)外部，前者稱為內部擾動，后者稱為外部擾動。1.4自動控制系統(tǒng)的控制方式

自動控制系統(tǒng)的控制方式包括開環(huán)控制、閉環(huán)控制和復合控制，它們都有其各自的特點和不同的適用場合。1.4.1開環(huán)控制系統(tǒng)

開環(huán)控制系統(tǒng)是指被控量對控制作用不產生影響的系統(tǒng)。在開環(huán)控制系統(tǒng)中，不對被控量進行任何檢測，在輸出端和輸入端之間不存在反饋聯(lián)系，信號從輸入端到輸出端之間的傳遞是單向進行的。

許多現(xiàn)代化設備如CD播放機、計算機磁盤驅動器和錄音機等都需要電動機以恒定的轉速帶動轉臺旋轉。圖1-4-1所示的轉臺轉速控制系統(tǒng)屬于開環(huán)控制系統(tǒng)，通過調節(jié)電位器的滑臂，使其輸出參考電壓

ur，經放大器放大后成為

ua，加到直流電動機的電樞兩端，從而控制電動機以恒定的轉速帶動轉臺旋轉。圖1-4-1轉臺轉速開環(huán)控制系統(tǒng)示意圖

在本系統(tǒng)中，轉臺是被控對象，轉臺的轉速是被控量即輸出量，參考電壓為系統(tǒng)的輸入量，整個控制過程可用圖1-4-2所示的方框圖表示，從圖中可以看出，只有輸入量對輸出量的單向控制作用，而輸出量對輸入量卻沒有任何影響和聯(lián)系，這種系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。圖1-4-2轉臺轉速開環(huán)控制系統(tǒng)方框圖

該系統(tǒng)在理想條件下，轉臺轉速

ω

與電樞電壓

ua成正比，只要改變給定電壓

ur，便可得到期望的轉速

ω

。然而由于電動機磨損或磁盤發(fā)熱、振動、噪聲以及元器件老化等因素會使轉臺的轉速偏離期望值，這些使被控量偏離期望值的因素稱為干擾或擾動，系統(tǒng)在受到干擾的影響后，輸出量無法反映到系統(tǒng)輸入端從而對

ua產生影響，也就無法消除干擾對轉臺轉速的影響，因此該系統(tǒng)控制精度較差。

一般來說，開環(huán)控制系統(tǒng)結構比較簡單，成本較低，但對可能出現(xiàn)的被控量偏離給定值的偏差沒有任何修正能力，抗干擾能力差，控制精度不高。一般適用于在控制精度要求不高或擾動影響較小的場合，如自動洗衣機、步進電機控制及水位調節(jié)等系統(tǒng)。1.4.2閉環(huán)控制系統(tǒng)

閉環(huán)控制系統(tǒng)是指被控量對控制作用產生影響的系統(tǒng)。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，輸入端和輸出端之間，除了有一條從給定值到被控量方向傳遞信息的前向通道外，還有一條從被控量到比較環(huán)節(jié)傳遞信號的反饋通道。圖1-4-2轉臺轉速開環(huán)控制系統(tǒng)方框圖

圖1-4-3所示的轉臺轉速為閉環(huán)控制系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中轉臺轉速

ω

由轉速計測量并轉換成與之成比例的電壓信號

uc，再反饋到系統(tǒng)的輸入端，與給定電壓

ur進行比較，得到偏差電壓

。

經直流放大器放大后驅動直流電動機旋轉，從而使轉臺速度ω

始終保持在給定的精度范圍內。若采用精密元件，則轉臺速度與期望速度間的誤差可降低到開環(huán)系統(tǒng)誤差的百分之一。

整個控制過程可用圖1-4-4所示的方框圖表示，從圖中清晰地表明，由于采用了反饋回路，信號的傳輸路徑形成閉合回路，輸出量反過來直接影響控制作用，這種系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。圖1-4-4轉臺轉速閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖

綜上所述，閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制實質是將系統(tǒng)的被控量經測量后反饋到系統(tǒng)輸入端，與給定值相比較，利用偏差信號對系統(tǒng)進行調節(jié)，從而達到減小偏差或消除偏差的目的。由于閉環(huán)控制系統(tǒng)是根據(jù)負反饋原理按偏差進行控制的，因此也叫作反饋控制系統(tǒng)或偏差控制系統(tǒng)。

閉環(huán)控制是自動控制系統(tǒng)最基本的控制方式，也是應用最廣泛的一種控制方式。這種控制方式控制精度較高，因為無論是干擾的作用，還是系統(tǒng)結構參數(shù)的變化，只要被控量偏離給定值，系統(tǒng)就會自行糾正偏差。因此，閉環(huán)控制系統(tǒng)在控制工程中得到了廣泛的應用。但由于閉環(huán)控制系統(tǒng)結構復雜，建造困難，參數(shù)如果匹配得不好，會造成被控量有較大擺動，甚至系統(tǒng)無法正常工作。1.4.3復合控制系統(tǒng)

復合控制就是開環(huán)控制和閉環(huán)控制相結合的一種控制方式。實質上，它是在閉環(huán)控制回路的基礎上，附加了輸入信號或擾動作用的順饋通路，來提高系統(tǒng)的控制精度。順饋通路通常由對輸入信號的補償裝置或對擾動作用的補償裝置組成，分別稱為按輸入信號補償和按擾動作用補償?shù)膹秃峡刂葡到y(tǒng)，如圖1-4-5所示。(a)按輸入作用補償(b)按擾動作用補償圖1-4-5復合控制方框圖1.5自動控制系統(tǒng)實例

溫度是工業(yè)控制中比較常見的被控量，在冶金、化工、電力工程、造紙、機械制造和食品加工等諸多生產過程中，需要對各類加熱爐的溫度進行檢測和控制。圖1-5-1為某工廠加熱爐溫度控制系統(tǒng)示意圖。該加熱爐采用電加熱方式運行，電阻絲所產生的熱量與調壓器電壓的平方成正比，調壓器電壓的高低由調壓器滑動觸點的位置決定，該觸點由直流伺服電動機驅動。1.5.1加熱爐溫度控制系統(tǒng)加熱爐的實際溫度經過熱電偶測量后與給定電壓進行比較，由于擾動（如電源電壓波動或加熱物件增減等）影響，爐溫偏離了給定值，其偏差電壓經電壓放大器、功率放大器放大后驅動直流伺服電動機，電動機經減速器帶動調壓器滑動觸點的移動，改變電阻絲的供電電壓，從而達到控溫的目的。圖1-5-1加熱爐溫度控制系統(tǒng)示意圖

系統(tǒng)中加熱爐是被控對象，爐溫是被控量，期望的爐溫由給定電位器設定的電壓表征。整個控制過程可用圖1-5-2所示的方框圖表示。圖1-5-2加熱爐溫度控制原理方框圖1.5.2導彈發(fā)射架方位控制系統(tǒng)

導彈發(fā)射架方位控制系統(tǒng)如圖1-5-3所示，圖中電位器P1、P2并聯(lián)后接到同一電源E0的兩端，其滑臂分別與輸入軸和輸出軸相連接，組成方位角的給定元件和測量反饋元件。輸入軸由手輪操縱，輸出軸則由直流電動機經減速后帶動，電動機采用電樞控制的方式工作。圖1-5-3導彈發(fā)射架方位控制系統(tǒng)示意圖

當導彈發(fā)射架的方位角與輸入軸方位角一致時，系統(tǒng)處于相對靜止狀態(tài)。當搖動手輪使電位器P1的滑臂轉過一個輸入角θi

的瞬間，由于輸出軸

的轉角，于是出現(xiàn)一個誤差角

，該誤差角通過電位器P1、P2轉換成偏差電壓

，

經放大后驅動電動機轉動，在驅動導彈發(fā)射架轉動的同時，通過輸出軸帶動電位器P2的滑臂轉過一定的角度，直至

時，偏差電壓

，電動機停止轉動。只要

，偏差就會產生調節(jié)作用，使得發(fā)射架的方位角始終跟隨輸入角的變化而變化。

整個控制過程可用圖1-5-4所示的方框圖表示。圖1-5-4導彈發(fā)射架方位控制原理方框圖1.5.3神舟飛船與天宮一號交會對接控制系統(tǒng)

2011年11月3日1時36分6秒，神舟八號和天宮一號實現(xiàn)了精準空間交會對接，這標志著中國成為繼美國、俄羅斯之后，世界上第三個掌握空間交會對接技術的國家。該技術是實現(xiàn)空間站、航天飛機、太空平臺和空間運輸系統(tǒng)的空間裝配、回收、補給、維修、航天員交換及營救等在軌服務的先決條件。圖1-5-5神舟飛船與天宮一號交會對接

在神舟飛船與天宮一號的交會對接任務中，神舟飛船作為追蹤器，天宮一號作為目標器，追蹤器和目標器的位置和姿態(tài)信息通過敏感器測量后送到控制器（星載計算機）中，控制器根據(jù)敏感器輸入的測量值計算控制量并輸出至執(zhí)行機構，執(zhí)行機構輸出力和力矩作用于追蹤器和目標器，不斷修正兩者之間的偏差，從而實現(xiàn)精準對接。對接過程可用圖1-5-6所示的方框圖表示。圖1-5-6神舟飛船與天宮一號交會對接原理方框圖空間交會對接是世界航天領域內公認的最復雜、最難公關的技術。自2011年首次成功對接至今，我國航天精準可靠對接經歷了從無人到有人、從自動到手控、從幾天到幾小時、從軸向對接到徑向對接的一次次創(chuàng)新突破。1.6自動控制系統(tǒng)的分類

自動控制系統(tǒng)除了按控制方式分為開環(huán)控制、閉環(huán)控制和復合控制外，還有多種分類方法，下面介紹幾種常見的分類方法。1.6.1按輸入信號形式分類

恒值控制系統(tǒng)的特點是輸入信號為某一常值，要求系統(tǒng)的被控量亦等于一個常值。系統(tǒng)面臨的主要問題是存在使被控量偏離給定值的擾動，因此，恒值控制系統(tǒng)的任務是克服各種擾動的影響，使被控量維持在給定值附近。一般工業(yè)生產過程中廣泛應用的溫度、壓力、流量、液位等參數(shù)的控制，大都是采用恒值控制系統(tǒng)來實現(xiàn)。1.恒值控制系統(tǒng)

隨動控制系統(tǒng)又稱伺服系統(tǒng)或跟蹤系統(tǒng)，其輸入信號是預先未知的隨時間任意變化的函數(shù)，要求被控量能夠快速準確地跟蹤輸入信號的變化。在隨動系統(tǒng)中，擾動的影響是次要的，系統(tǒng)分析、設計的重點是研究被控量跟蹤輸入量的快速性和準確性。雷達天線的自動跟蹤系統(tǒng)和高炮自動瞄準系統(tǒng)就是典型的隨動系統(tǒng)。2.隨動控制系統(tǒng)

程序控制系統(tǒng)的輸入信號是預先規(guī)定的時間函數(shù)。用于機械加工的數(shù)控機床是典型的程序控制系統(tǒng)。3.程序控制系統(tǒng)1.6.2按傳遞信號類型分類

連續(xù)系統(tǒng)是指系統(tǒng)中各處的信號都是隨時間連續(xù)變化的信號。這類系統(tǒng)的數(shù)學模型一般用微分方程來描述。1.連續(xù)系統(tǒng)2.離散系統(tǒng)

系統(tǒng)中只要有一處的信號是以脈沖序列或數(shù)碼形式出現(xiàn)，該系統(tǒng)即為離散系統(tǒng)。這類系統(tǒng)的數(shù)學模型一般用差分方程來描述，工業(yè)計算機控制系統(tǒng)就是典型的離散系統(tǒng)。關于離散系統(tǒng)的分析與設計將在第七章中講解。1.6.3按描述元件特性分類

系統(tǒng)各元件輸入輸出特性具有線性特性，系統(tǒng)的數(shù)學模型可以用線性微分（或差分）方程描述，稱這類系統(tǒng)為線性系統(tǒng)。線性系統(tǒng)滿足疊加原理，系統(tǒng)的穩(wěn)定性只決定于系統(tǒng)本身的結構和參數(shù)，而和系統(tǒng)的初始條件無關。1.線性系統(tǒng)

系統(tǒng)中只要有一個元件的輸入輸出特性是非線性的，這類系統(tǒng)就稱為非線性系統(tǒng)。非線性系統(tǒng)不滿足疊加原理，系統(tǒng)的數(shù)學模型由非線性微分（或差分）方程來描述。嚴格地說，構成系統(tǒng)的元部件都具有不同程度的非線性特性，由于非線性方程在數(shù)學處理上較為困難，為了簡化問題，往往對非線性程度不太嚴重的元部件，可采用在一定范圍內線性化，從而將非線性控制系統(tǒng)近似為線性控制系統(tǒng)。對于某些非線性程度嚴重的元部件，不能作線性化處理，一般采用第八章中介紹的分析非線性系統(tǒng)的方法來研究。2.非線性系統(tǒng)1.6.4按系統(tǒng)參數(shù)特性分類

如果描述系統(tǒng)運動的微分方程或差分方程的系數(shù)均為常數(shù)，則稱這類系統(tǒng)為定常系統(tǒng)，又稱時不變系統(tǒng)。這類系統(tǒng)的特點是系統(tǒng)的響應特性只取決于輸入信號和系統(tǒng)的特性，而與輸入信號施加的時刻無關。1.定常系統(tǒng)2.時變系統(tǒng)

如果系統(tǒng)的參數(shù)或結構隨時間變化，則稱這類系統(tǒng)為時變系統(tǒng)。這類系統(tǒng)的特點是系統(tǒng)的響應特性不僅取決于輸入信號和系統(tǒng)的特性，而且還與輸入信號施加的時刻有關。對于同一個時變系統(tǒng)，當相同的輸入信號在不同時刻作用于系統(tǒng)時，系統(tǒng)的響應是不同的。1.7對自動控制系統(tǒng)性能的基本要求

自動控制系統(tǒng)的基本任務是克服各種擾動的影響，使系統(tǒng)的被控量能夠按照預定的規(guī)律變化。由于實際系統(tǒng)中一般含有慣性或儲能元件，這些元件的能量不可能突變，因此控制系統(tǒng)在受到擾動或輸入量變化時，其被控量不可能立即達到給定值，而有一個變化過程。通常把系統(tǒng)受到外作用后，被控量隨時間變化的全過程，稱為動態(tài)過程或稱過渡過程。過渡過程結束后的輸出響應稱為穩(wěn)態(tài)過程。

控制系統(tǒng)的性能，可以用系統(tǒng)輸出響應的特性來衡量，考慮到輸出響應在不同階段的特點，工程上常以穩(wěn)定性、快速性、準確性三個方面來評價自動控制系統(tǒng)的總體性能。1.7.1穩(wěn)定性

穩(wěn)定性是保證一個控制系統(tǒng)能夠正常工作的首要條件，也是對控制系統(tǒng)最基本的要求。一個穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，其被控量偏離給定值的偏差應隨時間的增長逐漸減小并趨于零。反之，不