自控控制原理：第一章 自動(dòng)控制的一般概念

1、1自控控制原理2建議選用教材：程鵬編，自動(dòng)控制原理（第二版），高等教育出版社（“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材），2010年4月主要參考資料： 自動(dòng)控制原理（第四版），胡壽松主編，科學(xué)出版社，2008年自動(dòng)控制原理習(xí)題集（第二版），胡壽松，科學(xué)出版社，2008年MATLAB與控制系統(tǒng)仿真實(shí)踐集,趙廣元主編, 北京航空航天大學(xué)出版社,2009年自動(dòng)控制原理(第2版):學(xué)習(xí)輔導(dǎo)與習(xí)題解答 程鵬、王艷東、邱紅專等主編，高等教育出版社 ，2011年。3目 錄第1章 自動(dòng)控制原理的一般概念(3)第2章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型(8)第3章 時(shí)域分析法(7)第7章 非線性系統(tǒng)分析第4章 根軌跡法(5)第5章 頻域分

2、析法(6)第6章 控制系統(tǒng)的校正 (7)第8章 采樣系統(tǒng)理論第9章 狀態(tài)空間分析方法4手動(dòng)控制人在控制過(guò)程中起三個(gè)作用： （1）觀測(cè)：用眼睛去觀測(cè)溫度計(jì)和轉(zhuǎn)速表的指示值； （2）比較與決策：人腦把觀測(cè)得到的數(shù)據(jù)與要求的數(shù)據(jù)相比較，并進(jìn)行判斷，根據(jù)給定的控制規(guī)律給出控制量； （3）執(zhí)行：根據(jù)控制量用手具體調(diào)節(jié)，如調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度、改變觸點(diǎn)位置。控制：操縱，節(jié)制使不超出范圍或隨意活動(dòng)。5第一章 自動(dòng)控制的一般概念1-1 自動(dòng)控制的任務(wù)1-自動(dòng)控制的基本方式1-對(duì)控制系統(tǒng)的性能要求返回主目錄通常，在自動(dòng)控制技術(shù)中，把工作的機(jī)器設(shè)備稱為被控對(duì)象，把表征這些機(jī)器設(shè)備工作狀態(tài)的物理參量稱為被控量，而對(duì)這些物理

3、參量的要求值稱為給定值或希望值（或參考輸入）。則控制的任務(wù)可概括為：使被控對(duì)象的被控量等于給定值。即61-1 自動(dòng)控制的任務(wù)返回子目錄7下面通過(guò)具體例子來(lái)說(shuō)明自動(dòng)控制和自動(dòng)控制系統(tǒng)的概念控制器氣動(dòng)閥門(mén)流入Q1浮子水箱流出 Q2H水位自動(dòng)控制系統(tǒng)8控制任務(wù)：維持水箱內(nèi)水位恒定控制裝置：氣動(dòng)閥門(mén)、控制器受控對(duì)象：水箱、供水系統(tǒng)被控量：水箱內(nèi)水位的高度9給定值：控制器刻度盤(pán)指針標(biāo)定的預(yù)定水位高度測(cè)量裝置：浮子比較裝置：控制器刻度盤(pán)干擾：水的流出量和流入量的變化都將破壞水位保持恒定10自動(dòng)控制，即沒(méi)有人直接參與的控制。其基本任務(wù)是：在無(wú)人直接參與的情況下，利用控制裝置操縱被控對(duì)象，使被控制量等于給定值

4、。自動(dòng)控制系統(tǒng)：指能夠完成自動(dòng)控制任務(wù)的設(shè)備，一般由控制裝置和被控對(duì)象組成。由此可見(jiàn)：11自動(dòng)控制理論的發(fā)展 自動(dòng)控制理論是研究自動(dòng)控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)。既是一門(mén)古老的、已臻成熟的學(xué)科，又是一門(mén)正在發(fā)展的、具有強(qiáng)大生命力的新興學(xué)科。從1868年馬克斯威爾（J.C.Maxwell）提出低階系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù)至今一百多年里，自動(dòng)控制理論的發(fā)展可分為四個(gè)主要階段：第一階段：經(jīng)典控制理論（或古典控制理論）的產(chǎn)生、發(fā)展和成熟；第二階段：現(xiàn)代控制理論的興起和發(fā)展；第三階段：大系統(tǒng)控制興起和發(fā)展階段；第四階段：智能控制發(fā)展階段。12經(jīng)典控制理論 控制理論的發(fā)展初期，是以反饋理論為基礎(chǔ)的自動(dòng)調(diào)節(jié)原理，主要用于工

5、業(yè)控制。第二次世界大戰(zhàn)期間，為了設(shè)計(jì)和制造飛機(jī)及船用自動(dòng)駕駛儀、火炮定位系統(tǒng)、雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)等基于反饋原理的軍用裝備，進(jìn)一步促進(jìn)和完善了自動(dòng)控制理論的發(fā)展。1868年，馬克斯威爾（J.C.Maxwell）提出了低階系統(tǒng)的穩(wěn)定性代數(shù)判據(jù) 。1875年和1896年，數(shù)學(xué)家勞斯（Routh）和赫爾威茨（Hurwitz）分別獨(dú)立地提出了高階系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)，即Routh和Hurwitz判據(jù)。二戰(zhàn)期間（1938-1945年）奈奎斯特（H.Nyquist）提出了頻率響應(yīng)理論 1948年，伊萬(wàn)斯（W.R.Evans）提出了根軌跡法。至此，控制理論發(fā)展的第一階段基本完成，形成了以頻率法和根軌跡法為主要方法的經(jīng)典

6、控制理論。13經(jīng)典控制理論的基本特征（1）主要用于線性定常系統(tǒng)的研究，即用于常系數(shù)線性微分方程描述的系統(tǒng)的分析與綜合；（2）只用于單輸入，單輸出的反饋控制系統(tǒng)；（3）只討論系統(tǒng)輸入與輸出之間的關(guān)系，而忽視系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)，是一種對(duì)系統(tǒng)的外部描述方法。 基本方法：根軌跡法，頻率法，PID調(diào)節(jié)器 （頻域）反饋控制是一種最基本最重要的控制方式，引入反饋信號(hào)后，系統(tǒng)對(duì)來(lái)自內(nèi)部和外部干擾的響應(yīng)變得十分遲鈍，從而提高了系統(tǒng)的抗干擾能力和控制精度。與此同時(shí)，反饋?zhàn)饔糜謳?lái)了系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題，正是這個(gè)曾一度困擾人們的系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題激發(fā)了人們對(duì)反饋控制系統(tǒng)進(jìn)行深入研究的熱情，推動(dòng)了自動(dòng)控制理論的發(fā)展與完善。因此從某

7、種意義上講，古典控制理論是伴隨著反饋控制技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展而逐漸完善和成熟起來(lái)的。14現(xiàn)代控制理論 經(jīng)典控制理論只適用于單輸入、單輸出的線性定常系統(tǒng)，只注重系統(tǒng)的外部描述而忽視系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)。在實(shí)際應(yīng)用中有很大局限性。 隨著航天事業(yè)和計(jì)算機(jī)的發(fā)展，20世紀(jì)60年代初，在經(jīng)典控制理論的基礎(chǔ)上，以線性代數(shù)理論和狀態(tài)空間分析法為基礎(chǔ)的現(xiàn)代控制理論迅速發(fā)展起來(lái)。1954年貝爾曼（R.Belman)提出動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論1956年龐特里雅金（L.S.Pontryagin）提出極大值原理1960年卡爾曼（R.K.Kalman)提出多變量最優(yōu)控制和最優(yōu)濾波理論 在數(shù)學(xué)工具、理論基礎(chǔ)和研究方法上不僅能提供系統(tǒng)的外部信

8、息（輸出量和輸入量），而且還能提供系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)變量的信息。它無(wú)論對(duì)線性系統(tǒng)或非線性系統(tǒng)，定常系統(tǒng)或時(shí)變系統(tǒng)，單變量系統(tǒng)或多變量系統(tǒng)，都是一種有效的分析方法?；痉椒ǎ籂顟B(tài)方程 （時(shí)域）大系統(tǒng)理論 20世紀(jì)70年代開(kāi)始，現(xiàn)代控制理論繼續(xù)向深度和廣度發(fā)展，出現(xiàn)了一些新的控制方法和理論。如（1）現(xiàn)代頻域方法 以傳遞函數(shù)矩陣為數(shù)學(xué)模型，研究線性定常多變量系統(tǒng)；（2）自適應(yīng)控制理論和方法 以系統(tǒng)辨識(shí)和參數(shù)估計(jì)為基礎(chǔ)，在實(shí)時(shí)辨識(shí)基礎(chǔ)上在線確定最優(yōu)控制規(guī)律；（3）魯棒控制方法 在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和其它性能基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)不變的魯棒控制器，以處理數(shù)學(xué)模型的不確定性。 16隨著控制理論應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，從個(gè)別小系統(tǒng)的控

9、制，發(fā)展到若干個(gè)相互關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)組成的大系統(tǒng)進(jìn)行整體控制，從傳統(tǒng)的工程控制領(lǐng)域推廣到包括經(jīng)濟(jì)管理、生物工程、能源、運(yùn)輸、環(huán)境等大型系統(tǒng)以及社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域。 大系統(tǒng)理論是過(guò)程控制與信息處理相結(jié)合的系統(tǒng)工程理論，具有規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能綜合、目標(biāo)多樣、因素眾多等特點(diǎn)。它是一個(gè)多輸入、多輸出、多干擾、多變量的系統(tǒng)。大系統(tǒng)理論目前仍處于發(fā)展和開(kāi)創(chuàng)性階段。 智能控制 是近年來(lái)新發(fā)展起來(lái)的一種控制技術(shù)，是人工智能在控制上的應(yīng)用。智能控制的概念和原理主要是針對(duì)被控對(duì)象、環(huán)境、控制目標(biāo)或任務(wù)的復(fù)雜性提出來(lái)的，它的指導(dǎo)思想是依據(jù)人的思維方式和處理問(wèn)題的技巧，解決那些目前需要人的智能才能解決的復(fù)雜的控制問(wèn)題。被

10、控對(duì)象的復(fù)雜性體現(xiàn)為:模型的不確定性，高度非線性，分布式的傳感器和執(zhí)行器，動(dòng)態(tài)突變，多時(shí)間標(biāo)度，復(fù)雜的信息模式，龐大的數(shù)據(jù)量，以及嚴(yán)格的特性指標(biāo)等。智能控制是驅(qū)動(dòng)智能機(jī)器自主地實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)的過(guò)程18 智能控制是從“仿人”的概念出發(fā)的。其方法包括學(xué)習(xí)控制、模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制和專家控制等方法。 191-自動(dòng)控制的基本方式被控量比較執(zhí)行測(cè)量被控對(duì)象實(shí)測(cè)值干擾測(cè)量給定值H自動(dòng)控制方框圖返回子目錄20在上圖中，除被控對(duì)象外的其余部分統(tǒng)稱為控制裝置，它必須包含以下三種職能部件。測(cè)量元件：用以測(cè)量被控量或干擾量。比較元件：將被控量與給定值進(jìn)行比較。執(zhí)行元件：根據(jù)比較后的偏差，產(chǎn)生執(zhí)行作用，去操縱被控對(duì)象

11、參與控制的信號(hào)來(lái)自給定值、干擾量、被控量。開(kāi)環(huán)控制按給定值操縱的開(kāi)環(huán)控制按干擾補(bǔ)償?shù)拈_(kāi)環(huán)控制按偏差調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制復(fù)合控制21下面根據(jù)不同的信號(hào)源來(lái)分析自動(dòng)控制的幾種基本控制方式22一、按給定值操縱的開(kāi)環(huán)控制計(jì)算執(zhí)行受控對(duì)象給定值干擾被控量按給定值操縱的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)原理方框圖開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的輸出端與輸入端之間不存在反饋回路，輸出量對(duì)系統(tǒng)的控制作用沒(méi)有影響。23爐溫控制系統(tǒng)爐溫控制系統(tǒng)原理方框圖定時(shí)開(kāi)關(guān)爐子電阻絲24 按給定值操縱的開(kāi)環(huán)控制特點(diǎn)：控制裝置只按給定值來(lái)控制受控對(duì)象。優(yōu)點(diǎn)：控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，相對(duì)來(lái)說(shuō)成本低。缺點(diǎn)：對(duì)可能出現(xiàn)的被控量偏離給定值的偏差沒(méi)有任何修正能力，抗干擾能力差，控制精度不

12、高。定義：利用干擾信號(hào)產(chǎn)生控制作用，以及時(shí)補(bǔ)償干擾對(duì)被控量的直接影響。25二、按干擾補(bǔ)償?shù)拈_(kāi)環(huán)控制計(jì)算測(cè)量受控對(duì)象執(zhí)行干擾被控量特點(diǎn)：只能對(duì)可測(cè)干擾進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)不可測(cè)干擾以及受控對(duì)象、各功能部件內(nèi)部參數(shù)變化對(duì)被控量的影響，系統(tǒng)自身無(wú)法控制。適用于：存在強(qiáng)干擾且變化比較劇烈的場(chǎng)合。26水位高度控制系統(tǒng)原理圖水位高度控制系統(tǒng)原理方框圖27三、按偏差調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制特點(diǎn)：通過(guò)計(jì)算被控量和給定值的差值來(lái)控制被控對(duì)象。優(yōu)點(diǎn)：可以自動(dòng)調(diào)節(jié)由于干擾和內(nèi)部參數(shù)的變化 而引起的變動(dòng)。計(jì)算比較給定值E執(zhí)行被控對(duì)象干擾被控量測(cè)量按偏差調(diào)節(jié)的系統(tǒng)原理方框圖28如上圖所示，反饋回來(lái)的信號(hào)與給定值相減，即根據(jù)偏差進(jìn)行控制，

13、稱為負(fù)反饋，反之稱為正反饋。這種控制方式控制精度較高，因?yàn)闊o(wú)論是干擾的作用，還是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化，只要被控量偏離給定值，系統(tǒng)就會(huì)自行糾偏。但是閉環(huán)控制系統(tǒng)的參數(shù)如果匹配得不好，會(huì)造成被控量的較大擺動(dòng)，甚至系統(tǒng)無(wú)法正常工作。29控制任務(wù)：保持轉(zhuǎn)臺(tái)的實(shí)際轉(zhuǎn)速等于期望轉(zhuǎn)速。被控對(duì)象：轉(zhuǎn)臺(tái)。被控量：轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速。 例 轉(zhuǎn)臺(tái)速度控制系統(tǒng) 轉(zhuǎn)臺(tái)速度閉環(huán)控制系統(tǒng)原理方框圖 30飛機(jī)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)原理圖例 飛機(jī)-自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)31控制任務(wù)：系統(tǒng)在任何擾動(dòng)作用下，保持飛機(jī)俯仰角不變。被控對(duì)象：飛機(jī)。被控量：飛機(jī)的俯仰角 。 俯仰角控制系統(tǒng)原理方框圖32四、復(fù)合控制復(fù)合控制就是開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制相結(jié)合的一種控制。實(shí)質(zhì)

14、上，它是在閉環(huán)控制回路的基礎(chǔ)上，附加了一個(gè)輸入信號(hào)或擾動(dòng)作用的順饋通路，來(lái)提高系統(tǒng)的控制精度?？刂蒲b置被控對(duì)象 CR補(bǔ)償裝置a.按輸入作用補(bǔ)償b.按擾動(dòng)作用補(bǔ)償n控制裝置被控對(duì)象 CR補(bǔ)償裝置定義：通常把系統(tǒng)受到外作用后，被控量隨時(shí)間變化的全過(guò)程，稱為動(dòng)態(tài)過(guò)程或過(guò)渡過(guò)程。331-對(duì)控制系統(tǒng)的性能要求工程上常從穩(wěn)、快、準(zhǔn)三個(gè)方面來(lái)評(píng)價(jià)控制系統(tǒng)。 穩(wěn)： 指控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與平穩(wěn)性。 快： 指控制系統(tǒng)的快速性。 準(zhǔn)： 指控制系統(tǒng)的最終精度（穩(wěn)態(tài)精度）。返回子目錄34穩(wěn)： 指控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與平穩(wěn)性控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程曲線如上圖所示，系統(tǒng)在外力作用下，輸出逐漸與期望值一致，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的，如曲線所示；反之，輸出如曲線所示，則系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。35快： 指控制系統(tǒng)的快速性快