自動控制原理第1章

自動控制原理課程性質(zhì)：專業(yè)基礎課學分：4學分學時分配：理論學時：58學時，實驗學時：6學時。教材：《自動控制原理》,胡壽松主編，參考書目：《自動控制原理》,盧京潮主編，《自動控制理論》,夏德鈐主編等。第1章控制系統(tǒng)導論

1-1自動控制的基本原理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.自動控制技術及其應用2.自動控制理論

※自動控制理論是研究關于自動控制系統(tǒng)組成、分析和設計的一般性理論，是研究自動控制共同規(guī)律的技術科學。

※學習和研究自動控制理論是為了探索自動控制系統(tǒng)中變量的運動規(guī)律和改變這種運動規(guī)律的可能性和途徑，為建立高性能的自動控制系統(tǒng)提供必要的理論基礎。

3.反饋控制原理

負反饋正反饋1-1自動控制的基本原理例題：龍門刨床速度控制系統(tǒng)(p3)4.發(fā)展過程自動控制理論的發(fā)展可分為四個主要階段：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。A.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。B.現(xiàn)代控制理論

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)。C.大系統(tǒng)控制理論

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。

D.智能控制

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。

經(jīng)典控制理論基本框架：以傳遞函數(shù)作為描述系統(tǒng)的數(shù)學模型，以時域分析法、根軌跡法和頻域分析法為主要分析設計工具。經(jīng)典控制理論研究的對象：以線性定常系統(tǒng)為主的單輸入單輸出系統(tǒng)?，F(xiàn)代控制理論基本框架：以狀態(tài)方程作為描述系統(tǒng)的數(shù)學模型，以最優(yōu)控制和卡爾曼濾波為核心的控制系統(tǒng)分析、設計的方法。現(xiàn)代控制理論研究的對象：多變量非線性、時變系統(tǒng)。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5.人工控制和自動控制

例1.1熱力系統(tǒng)如圖所示為一個熱力系統(tǒng)。通過調(diào)節(jié)蒸汽閥門，使流出的熱水保持一定的溫度。如果由手工控制，就要求控制者觀測溫度計的指示值，調(diào)節(jié)閥門開關的開度。調(diào)節(jié)方法為：如果溫度計的指示值高于期望值，則關小閥門，降低熱水溫度；否則，開大閥門，升高熱水溫度，從而使流出的熱水保持設定的溫度。

圖1.1熱力系統(tǒng)溫度計熱水排水蒸汽冷水例1.2直流電動機速度控制系統(tǒng)

如圖所示直流電動機速度控制系統(tǒng)?？刂颇繕耸鞘闺妱訖C穩(wěn)定在要求的轉(zhuǎn)速上運行。從圖中可見，對應滑動電阻器的觸點的某一位置，有一給定電壓，經(jīng)過放大器放大，即為電動機電樞電壓。在沒有任何擾動的情況下，對應滑動電阻器的觸點的某一位置，則有一電機轉(zhuǎn)速與之對應。

圖1.2直流電動機速度控制系統(tǒng)

上述兩個系統(tǒng)都是由人工控制的，可以看出，人在控制過程中起三個作用：

（1）觀測：用眼睛去觀測溫度計和轉(zhuǎn)速表的指示值；（2）比較與決策：人腦把觀測得到的數(shù)據(jù)與要求的數(shù)據(jù)相比較，并進行判斷，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)閥門開度、改變觸點位置。

在自動控制中，用控制裝置代替人來完成上述功能。例如，自動控制熱力系統(tǒng)如圖所示。圖1.3

直流電動機自動調(diào)速系統(tǒng)如圖1.4所示。

圖1.4

自動控制：是在沒有人參與的情況下，系統(tǒng)的控制器自動地按照人預定的要求控制設備或過程，使之具有一定的狀態(tài)和性能。（采用控制裝置使被控對象（如機器設備的運行或生產(chǎn)過程的進行）自動地按照給定的規(guī)律運行，使被控對象的一個或數(shù)個物理量（如電壓、電流、速度、位置、溫度、流量、濃度等）能夠在一定的精度范圍內(nèi)按照給定的規(guī)律變化。）自動控制系統(tǒng)：具有自動控制功能的系統(tǒng)稱為自動控制系統(tǒng)。被控量：描述被控對象工作狀態(tài)的物理量，也就是系統(tǒng)的輸出量。自動控制系統(tǒng)

例：飛球調(diào)節(jié)器

它是一個與蒸汽機軸相聯(lián)的機械裝置，當蒸汽機的負載減輕或者蒸汽溫度升高等原因?qū)е抡羝麢C轉(zhuǎn)速升高時，飛球調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)速也升高，離心力增加，飛球升高，帶著套環(huán)上升，操縱汽閥聯(lián)結(jié)器關小蒸汽閥門，從而降低蒸汽機速度。反之，當蒸汽機的負載增加或者蒸汽溫度下降等原因?qū)е抡羝麢C轉(zhuǎn)速降低時，飛球調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)速也下降，離心力減小，飛球降低，帶著套環(huán)下降，操縱汽閥聯(lián)結(jié)器開大蒸汽閥門，從而提高蒸汽機速度。可見，盡管存在負載、蒸汽溫度變化等擾動，蒸汽機速度仍然可以穩(wěn)定在設定值上。圖1.5飛球調(diào)節(jié)器6.自動控制系統(tǒng)基本控制方式最常見的控制方式：開環(huán)控制、閉環(huán)（反饋）控制和復合控制。1）開環(huán)控制

定義：如果控制系統(tǒng)的被控量對系統(tǒng)沒有控制作用，系統(tǒng)的控制輸入不受輸出影響的控制系統(tǒng)，這種控制系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。

開環(huán)控制系統(tǒng)的控制原理如圖1.6所示。

2）閉環(huán)控制或反饋控制

定義：如果系統(tǒng)的被控量直接或間接地參與控制，這種系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)或更直接地稱為反饋控制系統(tǒng)。

反饋控制系統(tǒng)的控制原理如圖1.7所示。

開環(huán)和閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點開環(huán)系統(tǒng)：系統(tǒng)的輸出端與輸入端不存在反饋回路，輸出量對系統(tǒng)的控制作用不發(fā)生影響的系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好，容易設計和調(diào)整以及成本較低的優(yōu)點，但控制精度較低。對那些負載恒定，擾動小，控制精度要求不高的實際系統(tǒng)，是有效的控制方式。閉環(huán)系統(tǒng)：系統(tǒng)輸出信號與測量元件之間存在反饋回路由于增加了檢測裝置和反饋環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)較復雜，成本有所增加；但它提高了系統(tǒng)的控制精度和抗干擾能力；同時負反饋對系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。分析運算放大器時通常假設：a.分析運算放大器的輸入阻抗為無窮大，輸出阻抗為0，b.放大器無零漂，不計失調(diào)電壓和失調(diào)電流，c.輸入電壓在一定范圍內(nèi)時放大器工作于線性狀態(tài)。圖所示的運算放大器輸入電壓和輸出電壓的關系：若運算放大器K變化則：輸出增量為：？

3）復合控制

將前饋控制和反饋控制結(jié)合起來，這種系統(tǒng)稱為復合控制系統(tǒng)。復合控制系統(tǒng)的原理如圖1.8所示。

方框圖的概念

方框：控制裝置和被控對象分別用方框表示信號線：方框的輸入和輸出以及它們之間的聯(lián)接用帶箭頭的信號線表示輸入信號：進入方框的信號輸出信號：離開方框的信號信號線方框信號線輸入信號輸出信號7.自動控制系統(tǒng)的基本組成被控對象：一般是指生產(chǎn)過程中需要進行控制的工作機械、裝置或生產(chǎn)過程。描述被控對象工作狀態(tài)的、需要進行控制和物理量就是被控量.給定元件：主要用于產(chǎn)生給定信號或控制輸入信號。

測量元件：用于檢測被控量或輸出量，產(chǎn)生反饋信號。如果測出的物理量屬于非電量，一般要轉(zhuǎn)換成電量。比較元件：用來比較輸入信號或反饋信號的偏差。它可以是一個差動電路，也可以是一個物理元件（如電橋電路、差動放大器、自整角機等）。放大元件：用來放大偏差信號的幅值和功率，使之能夠推動執(zhí)行機構(gòu)調(diào)節(jié)被控對象。執(zhí)行機構(gòu)：用于直接對被控對象進行操作，調(diào)節(jié)被控量。校正元件：用來改善或提高系統(tǒng)的性能。常用串聯(lián)或反饋的方式連接在系統(tǒng)中。

1-2自動控制系統(tǒng)示例圖1.10電壓調(diào)節(jié)原理示意圖1.電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)

2.函數(shù)記錄儀

圖1.12函數(shù)記錄儀工作原理圖圖1.13函數(shù)記錄儀系統(tǒng)方框圖3.蒸汽機上的瓦特調(diào)速器圖1.14瓦特調(diào)速器示意圖工作原理是：根據(jù)希望的轉(zhuǎn)速，設置輸入量(控制量)。如果實際轉(zhuǎn)速降低到希望的轉(zhuǎn)速值以下，則調(diào)速器的離心力下降，從而使控制閥上升，進入蒸汽的蒸汽量增加，于是蒸汽機轉(zhuǎn)速隨之增加，直至上升到希望的轉(zhuǎn)速值時為止。反之，若蒸汽機的轉(zhuǎn)速增加到超過希望的轉(zhuǎn)速值，調(diào)速器的離心力便會增加，造成控制閥向下移動。這樣就減少了進入蒸汽機的蒸汽量，蒸汽機的轉(zhuǎn)速也就隨之下降，直到下降至希望的轉(zhuǎn)速時為止。圖1.15數(shù)控機床系統(tǒng)框圖4.數(shù)控機床系統(tǒng)數(shù)控機床系統(tǒng)方框圖如圖1.15所示，根據(jù)對工件的加工要求，事先編制出控制程序，作為系統(tǒng)的輸入量送入計算機。與工具架連接在一起的傳感器，將刀具的位置信息變換為電壓信號，再經(jīng)過模－數(shù)轉(zhuǎn)換器變?yōu)閿?shù)字信號，并作為反饋信號送入計算機。計算機將輸入信號與反饋信號比較，得到偏差信號，隨后經(jīng)數(shù)－模轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號轉(zhuǎn)變?yōu)槟M電壓信號，經(jīng)功率放大后驅(qū)動電動機，帶動刀具按期望的規(guī)律運動。系統(tǒng)中的計算機還要完成指定的數(shù)學運算等，使系統(tǒng)有更高的工作質(zhì)量。圖中的測速電機反饋支路是用來改善系統(tǒng)性能的。1-3自動控制系統(tǒng)的分類1.恒值控制系統(tǒng)和隨動控制系統(tǒng)

1）恒值控制系統(tǒng)（鎮(zhèn)定系統(tǒng)或調(diào)節(jié)系統(tǒng)或恒值系統(tǒng)或自動調(diào)整系統(tǒng)）a.特點：給定輸入一經(jīng)設定就維持不變，希望輸出量維持在某一特定值上。b.分析設計的重點：研究各種擾動對被控對象的影響以及抗擾動的措施。2.隨動控制系統(tǒng)（隨動系統(tǒng)或伺服系統(tǒng)或跟蹤系統(tǒng)）a.自動跟蹤系統(tǒng)：給定信號的變化規(guī)律是事先不能確定的隨時間變化的信號。b.程序控制系統(tǒng)：給定的輸入是預先設定的、按預定規(guī)律變化的信號。c.分析設計的重點：研究被控量跟隨的快速性和準確性。2.線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)

定義：如果一個系統(tǒng)具有下列性質(zhì)：（1）輸入x1(t)，產(chǎn)生輸出y1(t)；（2）輸入x2(t)，產(chǎn)生輸出y2(t)；（3）輸入c1x1(t)+c2x2(t)產(chǎn)生輸出

c1y1(t)+c2y2(t)；其中，x1(t)、x2(t)

是任意的輸入信號，c1、c2是任意的常數(shù)，則該系統(tǒng)是線性系統(tǒng)，否則是非線性系統(tǒng)。

從上面的敘述可以看出，“線性”性和疊加原理是等價的。疊加原理

在線性系統(tǒng)中，由n個輸入xi(t)(i=1、2……n）共同產(chǎn)生的輸出y(t)，等于各個輸入xi(t)單獨產(chǎn)生的輸出yi(t)之和，即：

因此，線性系統(tǒng)滿足疊加原理。反之，滿足疊加原理的系統(tǒng)是線性系統(tǒng)。3.連續(xù)系統(tǒng)與離散系統(tǒng)

控制系統(tǒng)中存在各種形式的信號。按照時間變量取值的連續(xù)性與離散性，可將信號分為連續(xù)時間信號與離散時間信號，簡稱為連續(xù)信號與離散信號。

離散時間信號的幅值可以是連續(xù)的，也可以是離散的。若離散信號的幅值是連續(xù)的，則又可稱為抽樣信號。如果離散信號的幅值也被限定為某些離散值，即信號取值時間和幅值都是離散的，則又稱為數(shù)字信號。

若系統(tǒng)中所有信號都是連續(xù)信號，則稱為連續(xù)時間系統(tǒng)，簡稱為連續(xù)系統(tǒng)。如果系統(tǒng)中有一處或幾處的信號是離散信號，則稱為離散時間系統(tǒng)，簡稱為離散系統(tǒng)。

具有采樣過程的離散控制系統(tǒng)通常又稱為采樣控制系統(tǒng)。若離散信號是以數(shù)碼（數(shù)字）形式傳遞的，則又特別稱為數(shù)字控制系統(tǒng)。

在離散系統(tǒng)中存在采樣、保持、數(shù)字處理等過程，具有一些獨特的性能。隨著計算機的發(fā)展，離散系統(tǒng)得到越來越廣泛的應用。

圖1.16計算機控制系統(tǒng)4.定常系統(tǒng)與時變系統(tǒng)

如果控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、參數(shù)在系統(tǒng)運行過程中不隨時間變化，則稱為定常系統(tǒng)或者時不變系統(tǒng)，否則，稱為時變系統(tǒng)。5.SISO系統(tǒng)和MIMO系統(tǒng)

按照輸入信號和輸出信號的數(shù)目，可分為單輸入單輸出（SISO）系統(tǒng)和多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)。

6.集中參數(shù)系統(tǒng)與分布參數(shù)系統(tǒng)

如果在系統(tǒng)分析與設計中，可以把一個系統(tǒng)看作有限多個理想的分立部件的總體，這類系統(tǒng)稱為集中參數(shù)系統(tǒng)。

例如：電阻、電容、電感、阻尼、彈簧、質(zhì)量等。集中參數(shù)系統(tǒng)由常微分方程描述。

如果系統(tǒng)只能看作由無窮多個無窮小的分立部件組成，則該系統(tǒng)為分布參數(shù)系統(tǒng)，它由偏微分方程描述。

例如，導線上的電壓分布是時間和地點的函數(shù)，因此只能以偏微分方程描述，是一個分布參數(shù)系統(tǒng)。

1-4自動控制系統(tǒng)的基本要求

1.對控制系統(tǒng)性能的要求概括為三方面：穩(wěn)定性(穩(wěn)）：控制系統(tǒng)運行的必要條件，不穩(wěn)定的系統(tǒng)是不能工作的。穩(wěn)態(tài)性能（準）：過渡過程結(jié)束，到達穩(wěn)態(tài)后系統(tǒng)的控制精度的度量。瞬態(tài)性能（快）：系統(tǒng)動態(tài)響應的快速性，系統(tǒng)的過渡過程越短越好。1）穩(wěn)定性A.穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)最基本的性質(zhì)。所謂穩(wěn)定性是指控制系統(tǒng)偏離平衡狀態(tài)后，自動恢復到平衡狀態(tài)的能力。

B.當系統(tǒng)受到擾動后，其狀態(tài)偏離了平衡狀態(tài)，在隨后有時間內(nèi)，如果系統(tǒng)的輸出響應能夠最終回到原先的平衡狀態(tài)，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的；反之，如果系統(tǒng)的輸出響應逐漸增加趨于無窮，或者進入振蕩狀態(tài)，則系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。

D.一個穩(wěn)定的控制系統(tǒng)其被控量偏離期望值的初始偏差應隨著時間的增長逐漸減小或趨于零。C.判別系統(tǒng)是