第1章 自動控制的一般概念

第一章自動控制的一般概念1-1自動控制的基本原理與方式1-2自動控制系統(tǒng)示例1-3自動控制系統(tǒng)的分類1-4對自動控制系統(tǒng)的基本要求1-5自動控制系統(tǒng)的分析與設計工具1-1自動控制的基本原理與方式無人直接參與機器設備或生產(chǎn)過程的工作狀態(tài)和參數(shù)自動實現(xiàn)某種規(guī)律的運行自動控制的應用領域軍事工業(yè)航空航天…家用電器電子、鋼鐵、石化等工業(yè)交通系統(tǒng)，樓宇系統(tǒng)，經(jīng)濟系統(tǒng)，社會系統(tǒng)…

制造業(yè)機器人控制無處不在控制論的奠基人：N·維納，NorbertWiener(1894～1964)1894年11月26日生于美國密蘇里州﹐1964年3月18日病逝于斯德哥爾摩。他于1913年在哈佛大學獲哲學博士學位；隨后赴歐洲，在英國劍橋大學和德國哥丁根大學研究數(shù)理邏輯；1915年返回美國，在緬因大學執(zhí)教；1919年到馬薩諸塞州理工學院任教。他曾于1934～1935年到中國任清華大學客座教授。維納的主要著作有：《控制論》(1948)﹑《人有人的用途，控制論和社會》(1950）

在第二次世界大戰(zhàn)時期，他承擔火炮自動控制裝置的設計工作，把飛行軌跡的信息作為隨機過程加以處理進行預測，揭示了神經(jīng)系統(tǒng)與自控裝置的共同工作機制，發(fā)現(xiàn)了極重要的負饋概念，即穩(wěn)定活動的方法之一是把活動結(jié)果決定的一個量，作為信息的調(diào)節(jié)部分反饋回控制器，這就是負反饋。戰(zhàn)后，他綜合了控制和通訊系統(tǒng)共有的特點，把這類系統(tǒng)與動物機體、神經(jīng)系統(tǒng)、社會經(jīng)濟等等加以模擬，并從統(tǒng)計觀點出發(fā)研究了這些自控系統(tǒng)的一般規(guī)律，創(chuàng)立了控制論，從而對戰(zhàn)后自然科學的發(fā)展和自動化技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了巨大影響。控制理論可分為古典(經(jīng)典)控制理論和現(xiàn)代控制理論兩大部分。古典控制理論是以傳遞函數(shù)為基礎，主要研究單輸入、單輸出控制系統(tǒng)的分析設計?，F(xiàn)代控制理論是六十年代后發(fā)展起來的，以狀態(tài)空間法為基礎，研究多輸入、多輸出、變參數(shù)、非線性、高精度、高效能等控制系統(tǒng)的分析設計問題的研究領域。包括最優(yōu)控制、最佳濾波、系統(tǒng)辨識、自適應控制等理論課題。本課程只涉及古典控制理論。經(jīng)典控制(ClassicalControl)(40~50年代)美國貝爾實驗室的H.Bode(1938)，以及美國物理學家H.Nyquist(1940)提出頻率響應法二次世界大戰(zhàn)中火炮，雷達，飛機以及通訊系統(tǒng)的控制研究直接推動了經(jīng)典控制的發(fā)展?，F(xiàn)代控制(ModernControl)(1950-1960)五十年代后興起的現(xiàn)代控制起源于冷戰(zhàn)時期的軍備競賽，如導彈(發(fā)射，操縱，指導及跟蹤)，衛(wèi)星，航天器和星球大戰(zhàn)，以及計算機技術(shù)的出現(xiàn)。研究的主要對象是多輸入、多輸出——多變量系統(tǒng)。如，汽車看成是一個具有兩個輸入（駕駛盤和加速踏板）和兩個輸出（方向和速度）的控制系統(tǒng)。1、經(jīng)典控制理論

研究的主要對象是單輸入、單輸出—單變量系統(tǒng)。如：調(diào)節(jié)電壓改變電機的速度；調(diào)整方向盤改變汽車的運動軌跡等。

2、現(xiàn)代控制理論經(jīng)典控制理論與現(xiàn)代控制理論比較

項目經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論研究對象線性定常系統(tǒng)（單輸入、單輸出）線性、非線性、定常、時變系統(tǒng)（多輸入、多輸出）描述方法傳遞函數(shù)（輸入、輸出描述）向量空間（狀態(tài)空間描述）研究辦法時域法、根軌跡法和頻率法狀態(tài)空間法研究目標系統(tǒng)分析及給定輸入、輸出情況下的系統(tǒng)綜合揭示系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律，實現(xiàn)在一定意義下的最優(yōu)控制與設計3、大系統(tǒng)控制理論大系統(tǒng)控制理論是一種過程控制與信息處理相結(jié)合的動態(tài)系統(tǒng)工程理論，研究的對象具有規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復雜、功能綜合、目標多樣、因素眾多等特點。它是一個多輸入、多輸出、多干擾、多變量的系統(tǒng)。如：人體，我們就可以看作為一個大系統(tǒng)，其中有體溫的控制、情感的控制、人體血液中各種成分的控制等等。大系統(tǒng)控制理論目前仍處于發(fā)展階段。4、智能控制這是近年來新發(fā)展起來的一種控制技術(shù)，是人工智能在控制上的應用。它的指導思想是依據(jù)人的思維方式和處理問題的技巧，解決那些目前需要人的智能才能解決的復雜的控制問題。反饋控制系統(tǒng)的基本組成控制系統(tǒng)的組成：輸入部分、控制系統(tǒng)部分和輸出部分。從物理角度上看，自動控制研究的是特定激勵作用下的系統(tǒng)響應變化情況；從數(shù)學角度上看，研究的是輸入與輸出之間的映射關(guān)系。反饋控制系統(tǒng)的基本組成人手取書1.溫控系統(tǒng)——人工控制反饋控制系統(tǒng)的基本組成反饋控制系統(tǒng)的基本組成

控制目標：要求爐子的溫度恒定在期望的數(shù)值上?？刂七^程：2.溫控系統(tǒng)——自動控制反饋控制系統(tǒng)的基本組成反饋控制系統(tǒng)的基本組成

控制目標：要求爐子的溫度恒定在期望的數(shù)值上?？刂七^程：反饋控制系統(tǒng)的基本組成龍門刨床——速度控制抽水馬桶①被控對象：要求實現(xiàn)自動控制的機器設備或生產(chǎn)過程(水箱)。②被控制量：指被控制系統(tǒng)所要控制的物理量，一般指系統(tǒng)的輸出量。（水位高度）③給定值：根據(jù)生產(chǎn)要求，被控制量需要達到的數(shù)值。（設定水位高度）④擾動：破壞給定值與被控制量之間正常函數(shù)關(guān)系的因素，稱為系統(tǒng)的擾動。（流出量Q2）給定值和擾動統(tǒng)稱為輸入量。⑤控制裝置：能夠?qū)Ρ豢貙ο笃鹂刂谱饔玫脑O備總稱。（浮球、杠桿）組成系統(tǒng)的元部件：6.反饋：通過測量變送裝置將系統(tǒng)輸出量送回輸入端，并與輸入信號相比較產(chǎn)生偏差信號的過程稱為反饋。若反饋信號與輸入信號相減，使產(chǎn)生的偏差越來越小，則稱為負反饋，若

產(chǎn)生的偏差越來越大，則稱為正反饋反饋控制系統(tǒng)的基本組成測量元件給定元件比較元件放大元件執(zhí)行元件校正元件控制器執(zhí)行機構(gòu)受控對象測量、變送器測量信號給定值被控量干擾偏差－rrenc控制量自動控制系統(tǒng)典型方框圖基本控制方式反饋控制系統(tǒng)（閉環(huán)控制系統(tǒng)）開環(huán)控制系統(tǒng)（按給定控制、按擾動控制）復合控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)示例：鍋爐液位控制系統(tǒng)方框圖1.3自動控制系統(tǒng)的分類1.根據(jù)結(jié)構(gòu)劃分開環(huán)系統(tǒng)/閉環(huán)系統(tǒng)2.按給定信號的形式恒值系統(tǒng)/隨動系統(tǒng)/程序控制系統(tǒng)3.按系統(tǒng)是否滿足疊加原理線性系統(tǒng)/非線性系統(tǒng)4.按系統(tǒng)參數(shù)是否隨時間變化定常系統(tǒng)/時變系統(tǒng)5.按信號傳遞的形式連續(xù)系統(tǒng)/離散系統(tǒng)一.開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)控制裝置與被控對象之間只有順向作用而沒有反向聯(lián)系的控制。輸出量(爐溫)

控制裝置被控對象輸入信號(爐子)（調(diào)壓器)恒溫箱開環(huán)控制系統(tǒng)目前比較常見的開環(huán)控制系統(tǒng)有自動售貨機，自動洗衣機，自動流水線，包裝機等。系統(tǒng)的控制裝置和被控對象不僅有順向作用，而且輸出端和輸入端之間存在反饋關(guān)系，所以稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)，又稱反饋控制系統(tǒng)。恒溫箱閉環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制與反饋控制的比較開環(huán)優(yōu)點:結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，工作穩(wěn)定，當輸入信號和擾動能預先知道時，控制效果較好。缺點：不能自動修正被控制量的偏離，系統(tǒng)的元件參數(shù)變化以及外來的未知擾動對控制精度影響較大。閉環(huán)優(yōu)點：具有自動修正被控制量出現(xiàn)偏離的能力，可以修正元件參數(shù)變化以及外界擾動引起的誤差，控制精度高。缺點：被控量可能出現(xiàn)振蕩，甚至發(fā)散。二.恒值控制系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)及程序控制系統(tǒng)恒值控制系統(tǒng)：輸入量是恒定的常值,任務:在各種擾動作用下都能使輸出量保持在恒定希望值附近,如溫度、水位、轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。恒值控制系統(tǒng)實例—恒溫控制隨動控制系統(tǒng)：隨動系統(tǒng)（也叫伺服系統(tǒng)，跟蹤系統(tǒng)）這種控制系統(tǒng)的輸入量是事先不知道的任意時間函數(shù)。任務：使輸出量迅速而準確地跟隨輸入量的變化而變化。比如：飛機和艦船的操舵系統(tǒng)，雷達自動跟蹤系統(tǒng)。隨動系統(tǒng)實例—火炮打飛機程序控制系統(tǒng)：輸入量按照給定的程序變化。任務：使輸出量按預先給定的程序指令而動作。最典型的就是電梯升降控制、數(shù)控車床和機器人控制系統(tǒng)。機器人三.線性控制系統(tǒng)、非線性控制系統(tǒng)系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的特性在一定范圍內(nèi)都可用線性方程式描述，該系統(tǒng)稱為線性系統(tǒng)。線性控制系統(tǒng)線性系統(tǒng)的主要特征是具有齊次性和疊加性。系統(tǒng)r2c2系統(tǒng)r1c1系統(tǒng)ar1

±br2ac1

±bc2非線性控制系統(tǒng)系統(tǒng)中任意一個環(huán)節(jié)具有非線性特性，該系統(tǒng)即為非線性系統(tǒng)。非線性系統(tǒng)不滿足疊加原理在系統(tǒng)中只要有一個元器件的特性不能用線性微分方程描述其輸入和輸出關(guān)系,則稱為非線性系統(tǒng)。非線性系統(tǒng)還沒有一種完整、成熟、統(tǒng)一的分析法。通常對于非線性程度不很嚴重,或做近似分析時,均可用線性系統(tǒng)理論和方法來處理。

非線性系統(tǒng)分析將在第7章專門討論。

四.線性定常系統(tǒng)和線性時變系統(tǒng)線性系統(tǒng)線性時變系統(tǒng)線性定常系統(tǒng)方程中，輸入輸出函數(shù)及各階導數(shù)皆為一次方程中的系數(shù)是時間的函數(shù)，隨時間變化。方程中的系數(shù)是常數(shù)，不隨時間變化描述系統(tǒng)（環(huán)節(jié)）輸入與輸出關(guān)系的微分方程如下非線性時變系統(tǒng)線性定常系統(tǒng)線性時變系統(tǒng)五.連續(xù)控制系統(tǒng)、離散控制系統(tǒng)1-4對控制系統(tǒng)的基本要求對控制系統(tǒng)的基本要求可歸納成：穩(wěn)、快、準。1.穩(wěn)：——基本要求要求系統(tǒng)要穩(wěn)定2.準:——穩(wěn)態(tài)要求系統(tǒng)響應達到穩(wěn)態(tài)后，輸出跟蹤精度要高3.快:——動態(tài)要求系統(tǒng)階躍響應的過渡過程要平穩(wěn)，快速典型外作用（信號）（1）階躍信號（2）斜坡信號（3）脈沖信號（4）正弦信號1-5自動控制系統(tǒng)的分析與設計工具Matlab草稿紙式編程語言良好的人機界面結(jié)論可做一定等級的理論論據(jù)Simulink工具箱第一章習題1-1下圖是液位自動控制系統(tǒng)原理示意圖。在任意情況下，希望液面C維持不變，試說明系統(tǒng)工作原理并畫出系統(tǒng)方塊圖。當電位器電刷位于中點位置時，電動機不動，控制閥門有一定的開度，使水箱中流入水量與流出水量相等，從而液面保持在希望高度c上。一旦流入水量或流出水量發(fā)生變化，水箱液面高度便相應變化。例如，當液面升高時，浮子位置亦相應升高，通過杠桿作用使電位器電刷從中點位置下降，從而給電動機提供一定的控制電壓，驅(qū)動電動機通過減速器減小閥門開度，使進入水箱的流量減少。此時，水箱液面下降，浮子位置相應下降，直到電位器電刷回到中點位置，系統(tǒng)重新處于平衡狀態(tài)，液面恢復給定高度。反之，若水箱液位下降，則系統(tǒng)會自動增大閥門開度，加大流入水量，使液位升到給定高度c。

第1-1題實際液位給定液位題1圖液位自動控制系統(tǒng)原理方框圖電位器電動機閥門水箱閥門杠桿浮子1-4．下圖為水溫控制系統(tǒng)示意圖。冷水在熱交換器中由通入的蒸汽加熱，從而得到一定溫度的熱水，冷水流量變化用流量計測量。試繪制系統(tǒng)方塊圖，并說明為了保持熱水溫度為期望值，系統(tǒng)工作過程如何？系統(tǒng)的被控對象和控制裝置各是什么？溫度的冷水流量前饋控制實際熱水溫度給定熱水溫度題1-4圖水溫自動控制系統(tǒng)原理方框圖溫度控制器蒸汽調(diào)節(jié)閥熱交換器溫度檢測流量檢測溫度反饋控制冷水第1-4題(2)系統(tǒng)含有冷水流量-溫度的前