自動控制原理1-1緒論課件

《自動控制原理》《自動控制原理》王劃一楊西俠編著1第一章緒論主要內(nèi)容：

1.自動控制、自動控制系統(tǒng)的概念2.自動控制的兩種基本方式3.自動控制系統(tǒng)的類型4.自動控制系統(tǒng)的要求和分析設(shè)計5.自動控制理論的發(fā)展概況2第一章緒論

§1-1引言§1-2自動控制的基本知識§1-3自動控制系統(tǒng)的基本控制方式§1-4自動控制系統(tǒng)的分類及基本組成§1-5對控制系統(tǒng)的要求和分析設(shè)計§1-6自動控制理論的發(fā)展概況31.2.1自動控制問題的提出

一個簡單的水箱液面，因生產(chǎn)和生活需要，希望液面高度h維持恒定。當(dāng)水的流入量與流出量平衡時，水箱的液面高度維持在預(yù)定的高度上。1.2自動控制的基本知識水箱流出流入h當(dāng)水的流出量增大或流入量減小，平衡則被破壞，液面的高度不能自然地維持恒定。5這種出水量與進(jìn)水量的不平衡現(xiàn)象必然要經(jīng)常發(fā)生的。這使得這種“水位恒定的要求”變得難以實現(xiàn)了。所謂控制就是強(qiáng)制性地改變某些物理量（如上例中的進(jìn)水量），而使另外某些特定的物理量（如液面高度h）維持在某種特定的標(biāo)準(zhǔn)上。人工控制的例子。水箱流出流入h

這種人為地強(qiáng)制性地改變進(jìn)水量，而使液面高度維持恒定的過程，即是人工控制過程。61.2.2自動控制的定義及基本職能元件

1.自動控制的定義自動控制就是在沒有人直接參與的情況下，利用控制器使被控對象（或過程）的某些物理量（或狀態(tài)）自動地按預(yù)先給定的規(guī)律去運行。水箱流出流入h控制器浮子當(dāng)出水與進(jìn)水的平衡被破壞時，水箱水位下降(或上升)，出現(xiàn)偏差。這偏差由浮子檢測出來，自動控制器在偏差的作用下，控制閥門開大(或關(guān)小)，對偏差進(jìn)行修正，從而保持液面高度不變。7比較兩圖可以看出，自動控制實現(xiàn)人工控制的功能，存在必不可少的三種代替人的職能的基本元件：氣動閥門希望液位實際液位浮子控制器水箱肌肉和閥門希望液位實際液位大腦水箱眼睛9執(zhí)行元件參考輸入輸出測量變送元件控制器對象擾動輸入測量元件與變送器（代替眼睛）；自動控制器（代替大腦）；執(zhí)行元件（代替肌肉、手）。這些基本元件與被控對象相連接，一起構(gòu)成一個自動控制系統(tǒng)。下圖是典型控制系統(tǒng)方框圖。101.2.3自動控制中的一些術(shù)語及方框圖

1.常用術(shù)語控制對象控制器系統(tǒng)系統(tǒng)輸出操作量參考輸入擾動特性

2.系統(tǒng)方框圖將系統(tǒng)中各個部分都用一個方框來表示，并注上文字或代號，根據(jù)各方框之間的信息傳遞關(guān)系，用有向線段把它們依次連接起來，并標(biāo)明相應(yīng)的信息。突出了系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)輸入與輸出的關(guān)系及各環(huán)節(jié)之間的相互影響，便于定性和定量分析。11M功率放大器電動機(jī)負(fù)載電位器電動機(jī)轉(zhuǎn)速滑臂位置功率放大器電位器1.按給定控制下圖是一個直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。

當(dāng)調(diào)節(jié)電位器滑臂位置時，改變功率放大器的輸入電壓，從而改變電動機(jī)的電樞電壓，最終改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。以上的控制過程，用方框圖簡單直觀地表示出來。

132.按擾動控制

圖示是一個按擾動控制的直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。電壓放大器M功率放大器負(fù)載++-Ri+控制過程可用方框圖表示成如圖示的形式。14電動機(jī)轉(zhuǎn)速給定不變功率放大器電位器++負(fù)載變化電壓放大器檢測電阻把負(fù)載變化視為外部擾動輸入，對輸出轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的影響及控制補(bǔ)償作用，分別沿箭頭的方向從輸入端傳送到輸出端，作用的路徑也是單向的，不閉合的。有時我們稱按擾動控制為順饋控制。15在控制系統(tǒng)中，控制裝置對被控對象所施加的控制作用，若能取自被控量的反饋信息，即根據(jù)實際輸出來修正控制作用，實現(xiàn)對被控對象進(jìn)行控制的任務(wù)，這種控制原理稱為反饋控制原理。正是由于引入了反饋信息，使整個控制過程成為閉合的。因此，按反饋原理建立起來的控制系統(tǒng)，叫做閉環(huán)控制系統(tǒng)。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，其控制作用的基礎(chǔ)是被控量與給定值之間的偏差。

人本身就是一個具有高度復(fù)雜控制能力的閉環(huán)系統(tǒng)。比如，人可以用手拿到放在桌上的書等物，體現(xiàn)了閉環(huán)控制的原理。直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的例子。17電動機(jī)轉(zhuǎn)速給定位置功率放大器電位器+-負(fù)載擾動測速發(fā)動機(jī)ufureuaM功率放大器電動機(jī)負(fù)載電位器F測速發(fā)動機(jī)18閉環(huán)控制的特點：①控制作用不是直接來自給定輸入，而是系統(tǒng)的偏差信號，由偏差產(chǎn)生對系統(tǒng)被控量的控制；②系統(tǒng)被控量的反饋信息又反過來影響系統(tǒng)的偏差信號，即影響控制作用的大小。這種自成循環(huán)的控制作用，使信息的傳遞路徑形成了一個閉合的環(huán)路，稱為閉環(huán)。③提高了控制精度。閉環(huán)控制系統(tǒng)的典型方框圖如圖所示?？刂破鞅豢貙ο蠓答佋斎胼敵?-偏差19上，附加一個輸入信號（給定或擾動）的順饋通路，對該信號實行加強(qiáng)或補(bǔ)償，以達(dá)到精確的控制效果。常見的方式有以下兩種：1.附加給定輸入補(bǔ)償控制器被控對象補(bǔ)償裝置輸入輸出+-通常，附加的補(bǔ)償裝置可提供一個順饋控制信號，與原輸入信號一起對被控對象進(jìn)行控制，以提高系統(tǒng)的跟蹤能力。212.附加擾動輸入補(bǔ)償

該種復(fù)合控制方框圖。附加的補(bǔ)償裝置所提供的控制作用，主要起到對擾動影響“防患未然”的效果?？刂破鞅豢貙ο笱a(bǔ)償裝置輸入輸出+-+擾動221-4自動控制系統(tǒng)的分類基本組成1.4.1按給定信號的特征劃分

給定信號是系統(tǒng)的指令信息。它代表了系統(tǒng)希望的輸出值，反映了控制系統(tǒng)要完成的基本任務(wù)和職能。

1.恒值控制系統(tǒng)：給定輸入維持不變，希望輸出維持在某一特定值上。

液位控制系統(tǒng)，直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)等等。

2.隨動控制系統(tǒng)：給定信號上預(yù)先不知道的隨時間任意變化的函數(shù)?？刂葡到y(tǒng)能夠使被控量以盡可能小的誤差跟隨給定值的變化。

跟蹤衛(wèi)星的雷達(dá)天線系統(tǒng)

3.程序控制系統(tǒng)：給定值按預(yù)先給定的規(guī)律變化的控制系統(tǒng)。機(jī)械加工中的程序控制機(jī)床等等。231.4.3按信號傳遞的連續(xù)性劃分

1.連續(xù)系統(tǒng)

連續(xù)系統(tǒng)的特點是系統(tǒng)中各元件的輸入信號和輸出信號都是時間的連續(xù)函數(shù)。這類系統(tǒng)的運動狀態(tài)是用微分方程來描述的。連續(xù)系統(tǒng)中各元件傳輸?shù)男畔⒃诠こ躺戏Q為模擬量，多數(shù)實際物理系統(tǒng)都屬于這一類，其輸入輸出一般用r(t)和c(t)表示。r(t)

t

0c(t)

t

025

2.離散系統(tǒng)

控制系統(tǒng)中只要有一處的信號是脈沖序列或數(shù)碼時，該系統(tǒng)即為離散系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的狀態(tài)和性能一般用差分方程來描述。實際物理系統(tǒng)中，信息的表現(xiàn)形式為離散信號的并不多見，往往是控制上的需要，人為地將連續(xù)信號離散化，我們稱其為采樣。c(t)

t

0c(t)c*(t)c*(t)

t

0261.4.4按系統(tǒng)的輸入與輸出信號的數(shù)量劃分

1.單變量系統(tǒng)（SISO）

2.多變量系統(tǒng)（MIMO）1.4.5自動控制系統(tǒng)的基本組成在形形色色的自動控制系統(tǒng)中，反饋控制是最基本的控制方式之一。一個典型的反饋控制系統(tǒng)總是由控制對象和各種結(jié)構(gòu)不同的職能元件組成的。除控制對象外，其他各部分可統(tǒng)稱為控制裝置。每一部分各司其職，共同完成控制任務(wù)。下面給出這些職能元件的種類和各自的職能。27

測量元件：其職能是檢測被控量，如果測出的物理量屬于非電量，大多情況下要把它轉(zhuǎn)換成電量，以便利用電的手段加以處理。

比較元件：其職能是把測量元件檢測到的實際輸出值與給定元件給出的輸入值進(jìn)行比較，求出它們之間的偏差。

放大元件：其職能是將過于微弱的偏差信號加以放大，以足夠的功率來推動執(zhí)行機(jī)構(gòu)或被控對象。

執(zhí)行元件：其職能是直接推動被控對象，使其被控量發(fā)生變化。

校正元件：為改善或提高系統(tǒng)的性能，在系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上附加參數(shù)可靈活調(diào)整的元件。工程上稱為調(diào)節(jié)器。常用串聯(lián)或反饋的方式連接在系統(tǒng)中。291.5對控制系統(tǒng)的要求和分析設(shè)計1.5.1對系統(tǒng)的要求各類控制系統(tǒng)為達(dá)到理想的控制目的，必須具備以下兩個方面的性能(基本要求)：（a）使系統(tǒng)的輸出快速準(zhǔn)確地按輸入信號要求的期望輸出值變化。（b）使系統(tǒng)的輸出盡量不受任何擾動的影響。對自控系統(tǒng)性能的要求一般可歸納為三大性能指標(biāo)：

（1）穩(wěn)定性：要求系統(tǒng)絕對穩(wěn)定且有一定的穩(wěn)定裕量。

（2）瞬態(tài)質(zhì)量：要求系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)過程具有一定的快速性和變化的平穩(wěn)性。30在實際系統(tǒng)中，由于總是存在著不同性質(zhì)的儲能元件。并且也由于能源功率的限制，使得系統(tǒng)放大能力必然有限。因而使相應(yīng)的運動加速度不會太大，速度和位移不會瞬間變化，而要經(jīng)歷一段時間，即系統(tǒng)運動必然有一個漸變的過程。r(t)t0c(t)

t

0（3）穩(wěn)態(tài)誤差：要求系統(tǒng)最終的響應(yīng)準(zhǔn)確度，限制在工程允許的范圍之內(nèi)，是系統(tǒng)控制精度的恒量。311.5.2控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計

1.系統(tǒng)分析

系統(tǒng)給定，在規(guī)定的工作條件下，對它進(jìn)行分析研究，其中包括穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)性能分析，看是否滿足要求，以及分析某個參數(shù)變化時對上述性能指標(biāo)的影響，決定如何合理地選取等。

2.系統(tǒng)的設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計的目的，是要尋找一個能夠?qū)崿F(xiàn)所要求性能的自動控制系統(tǒng)。因此，在系統(tǒng)應(yīng)完成的任務(wù)和應(yīng)具備的性能已知的條件下，根據(jù)被控對象的特點，構(gòu)造出適合的控制器是設(shè)計的主要任務(wù)。應(yīng)進(jìn)行的步驟如下：（1）熟悉對系統(tǒng)性能的要求。（2）根據(jù)要求的性能指標(biāo)綜合確定系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。32（3）若控制對象是已知的，根據(jù)確定的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型和已知部分的數(shù)學(xué)模型，求得控制器的數(shù)模和控制規(guī)律。（4）按綜合確定的數(shù)模進(jìn)行系統(tǒng)分析，驗證它在各種信號作用下是否滿足要求。若不滿足，及時修正。（5）樣機(jī)設(shè)計制造和試驗，驗證設(shè)計結(jié)果。1-6自動控制理論的發(fā)展概況具有“自動”功能的裝置的歷史可追逆到公元前14~11世紀(jì)在中國、埃及和巴比倫出現(xiàn)的自動計時漏壺。公元4世紀(jì)，希臘柏拉圖(Platon)首先使用了“控制論”一詞。運用反饋原理設(shè)計出來并成功應(yīng)用的是英-瓦特(J.wate)于1788年發(fā)明的蒸汽機(jī)用的離心式飛錘調(diào)速器。33

后來，英-麥克斯韋(J.C.Maxwell)于1868年發(fā)表了“論調(diào)速器”一文，對它的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，指出控制系統(tǒng)的品質(zhì)可用微分方程來描述，系統(tǒng)的穩(wěn)定性可用特征方程根的位置和形式來研究。當(dāng)屬最早的理論工作。1875年英-勞斯(E.J.Routh)和德-赫爾維茨(A.Hurwitz)先后提出了根據(jù)代數(shù)方程系數(shù)判別系統(tǒng)穩(wěn)定性的準(zhǔn)則。1892年俄-李雅普諾夫出版了專著“論運動穩(wěn)定性的一般問題”，提出了用李雅普諾夫函數(shù)的正定性及其導(dǎo)數(shù)的負(fù)定性判別系統(tǒng)穩(wěn)定性的準(zhǔn)則，從而建立了動力學(xué)系統(tǒng)的一般穩(wěn)定性理論。1932年美籍瑞典-奈奎斯特(H.Nyquist)提出了根據(jù)頻率響應(yīng)判別反饋系統(tǒng)穩(wěn)定性的準(zhǔn)則。341938年前蘇聯(lián)米哈依洛夫提出了圖解分析方法判別系統(tǒng)穩(wěn)定性的準(zhǔn)則，把奈氏判據(jù)推廣到條件穩(wěn)定和條件不穩(wěn)定系統(tǒng)的一般情況。1948年美國維納(N.wiener)出版了專著《控制論—關(guān)于在動物和機(jī)器中控制和通信的科學(xué)》，系統(tǒng)地論述了控制理論的一般原理和方法，推廣了反饋的概念，為控制理論學(xué)科的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。該書的出版標(biāo)志控制學(xué)科的誕生。1954年我國-錢學(xué)森在美出版了《工程控制論》一書，書中所闡述的基本理論和觀點，奠定了工程控制論的基礎(chǔ)。35三個時期（1）經(jīng)典控制理論（本世紀(jì)30~50年代）對象：SISO線性定常系統(tǒng)數(shù)學(xué)工具：拉氏變換數(shù)模：傳遞函數(shù)方法：頻域法根軌跡法（2）現(xiàn)代控制理論（本世紀(jì)50~70年代）