第1章自动控制(new)

1、自动控制原理主要参考书:胡寿松编 绪方胜彥 教材:自动控制原理是自动化学科的重要理论基础。第一章:自动控制的基本概念 什么是控制?所谓控制就是:对被控对象运动过程施加一定的影响或措施使其过程按照指定路径向预定目标发展。 社会运动生物过程经济过程温度压力的保持轧钢造纸厚度的控制工程施工过程卫星的控制导弹控制无人驾驶飞机1.1基本概念工程控制论范畴生物/经济等控制论范畴测量,比较,控制,控制对象例3:遥控无人驾驶飞机“爱国者”地空导弹系统 导弹拦击视频例4控制领域一个经典的例子：倒立摆热力系统控制水温直接控制热力系统控制水温直接控制热力系统控制水温比较两系统：直接控制什么是自动控制?自动控制:在无

2、人直接参与的情况下，通过控制器使被控对象运动过程自动地按照预定要求进行。 人工控制的缺点:速度低精度低效率低不适应恶劣环境不能进行复杂控制1.2自动控制理论中的一些术语被控对象 是一个设备，它是由一些零件有机地组合在一起，完成一个特定的目标设备。任何被控物体（如加热炉、化学反应器或宇宙飞船）为对象。(这里限于工程控制论范畴)过程任何被控制的运行状态称为过程，其具体例子如化学过程、经济学过程、生物学过程。 系统 完成一定任务的一些元、部件的组合。扰动扰动是一种对系统的输出产生不利影响的信号。如果扰动产生在系统内部称为内扰；扰动产生在系统外部，则称为外扰。外扰是系统的输入量之一。反馈本质测量偏差，

3、利用 偏差，减少（乃至消除）偏差反馈控制 反馈控制是一种将输出量引入到输入端进行比较,利用偏差来控制系统的过程.反馈控制系统反馈控制系统是一种能对输出量与参考输入量进行比较，并力图保持两者之间的既定关系的系统，它利用输出量与输入量的偏差来进行控制。 随动系统随动系统是一种反馈控制系统，在这种系统中，输出量是机械位移、速度或者加速度。因此，随动系统这个术语，与位置（或速度或加速度）控制系统是同义语。在现代工业中，广泛采用着随动系统。 过程控制在工业生产过程中，诸如对压力、温度、湿度、流量、频率以及原料、燃料成分比例等方面的控制，称为过程控制。1.3自动控制发展的历史现 代 控 制 理 论经典控制

4、理论状态空间分析法最优化方法Kalman滤波动态规划时间:上世纪5060年代频域分析法低阶系统时域分析法本质是:时域分析法18世纪-发展概况现代欧洲最先发明反馈控制的是荷兰的德勒贝尔（C. Drebbel），它使用了温度反馈控制最先使用反馈控制装置 凯特斯比斯(Kitesibbios)，希腊人, 公元前300年到1年中使用的浮子调节器。以保持油面高度稳定。 赫容（Heron）（亚历山大时代）浮力学介绍浮阀控制液位的方法。现代欧洲最先发明反馈控制 德勒贝尔（C. Drebbel），荷兰人，它使用了温度反馈控制。(二)、现代控制理论阶段实际应用方面:最早的在工业中使用的压力反馈控制器瓦特（ J.W

5、att），离心调节器，1788年用于限制蒸汽机引擎速度。离心调节器是自动控制领域的第一项重大成果。理论上： 1868年麦克斯韦尔(J.C.Maxwell)基于微分方程描述从理论上给出了它的稳定性条件。 1877年劳斯(E.J.Routh)以及1895年霍尔维茨(A.Hurwitz) 高阶线性系统的稳定性判据； 1892年李雅普诺夫(A.M.Lyapunov) 给出了非线性系统的稳定性判据。同一时期，维什哥热斯基(I.A.Vyshnegreskii) 也用一种正规的数学理论描述了这种理论。1922年米罗斯基(N.Minorsky)给出了位置控制系统的分析，并对PID三作用控制给出了控制规律公式。

6、 1931年，美国开始出售带有线性放大器和I(积分)作用的气动控制器。 1932年奈奎斯特(Nyquist )提出了负反馈系统的频率域稳定性判据(针对美国长距离电话线路负反馈放大器应用中出现的失真等问题) Regeneration Theory , Bell system technical Journal,vol 13,1932 1934年，哈仁(H.L.Hazen)给出了伺服机构的理论研究成果。 1940年，波德(H.Bode) 进一步研究通信系统频域方法，提出了频域响应的对数坐标图描述方法。 1943年，哈尔(A.C.Hall)利用传递函数(复数域模型)和方框图，把通信工程的频域响应方法

7、和机械工程的时域方法统一起来，人们称此方法为复域方法。 二战时期对控制系统的贡献：自动导航系统，自动瞄准系统，自动雷达探测系统在自动控制基础上发展的军事系统。对高性能武器的要求还促进了对非线性系统，采样数据系统以及随机控制系统的研究。 1948年伊文斯(W.Evans)又进一步提出了属于经典方法的根轨迹设计法，它给出了系统参数变换与时域性能变化之间的关系。至此，复数域与频率域的方法进一步完善。 Graphical analysis of control system,Trans.amer.inst.Electrical Engineers 194820世纪60年代初=现代控制理论。1954年贝

8、尔曼(R.Bellman)的动态规划理论， 1956年庞特里雅金(L.S.Pontryagin)的极大值原理 1960年卡尔曼（R.E.Kalman）的多变量最优滤波理论。 20世纪60年代，数字计算机的应用为复杂系统的基于时域分析的现代控制理论提供了可能。 从1960年到现代，确定性系统、随机系统的最佳控制，鲁棒控制及复杂系统的自适应和学习控制，都得到充分的研究。Tamer Baser ,Twenty-Five Seminal papers(1932-1981)25篇方法:以传递函数为基础的频域法对象:单输入-单输出一类定常控制系统的分析与设计问题。手段:图解特点:定性分析,这些理论由于其发

9、展较早，现已日臻成熟。 目标：稳定和达到一定的性能 方法:状态空间法为基础 ,最优化方法,卡尔曼滤波,动态规划,本质是时域法对象:研究多输入-多输出、时变、非线性一类控制系统的分析与设计问题。手段:计算机,现代数学特点:定量分析,系统具有高精度和高效能的特点目标：性能最优1.4自动控制系统的分类开环控制闭环控制(反馈控制)复合控制 按系统功用分温度控制系统压力控制系统位置控制系统 控制方式分线性系统非线性系统齐次性、叠加性连续系统离散系统采样时间间隔定常系统时变系统系统随时间变化确定性系统随机系统系统的统计特性按参据量变化规律分恒值控制系统抗扰动随动系统跟踪输入程序控制系统跟踪预定规律这里介绍

10、按方式分:开环控制和闭环控制1.5 开环控制和闭环控制 开环控制 指系统输出量对输入量没有任何影响的系统。结构如图所示。开环控制系统的特点： 顺向作用，没有反向的联系，没有修正偏差能力，抗扰动性较差。结构简单、调整方便、成本低。闭环控制(反馈控制) 闭环控制系统: 将输出量引入到输入端进行比较,利用偏差来控制的系统正反馈 负反馈 闭环控制系统的特点： 偏差控制，可以抑制内、外扰动对被控制量产生的影响。精度高、结构复杂，设计、分析麻烦。易产生不稳定输入量串联补偿元件测量元件输出量放大元件执行元件被控对象反馈补偿元件主反馈一般一个完整反馈控制系统的基本组成图 用“”号代表比较元件，“”号代表两者符

11、号相反，“+”号代表两者符号相同。 信号沿箭头方向从输入端到达输出端的传输通路称前向通路； 输出量经测量元件反馈到输入端的传输通路称主反馈通路； 前向通路与主反馈通路共同构成主回路。 此外，还有局部反馈通路以及由它构成的内回路。反馈控制系统的基本组成 被控对象（或过程） 控制装置 由具有一定职能的各种基本元件组成： 测量元件：其职能是测量被控制的物理量；给定元件：其职能是给出与期望的被控量相 对应的系统输入量（即参考量）；比较元件比较元件：把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的参考量进行比较，求出它们之间的偏差；放大元件：将比较元件给出的偏差进行放大 用来推动执行元件去控制被控对象执行元

12、件：直接推动被控对象，使其被控量发生变化；校正元件：亦称补偿元件，它是结构或参数便于调整的元件，用串联或反馈的方式 连接在系统 中，以改善系统性能。H注注入入控控制制器器（比比较较、放放大大）Q1浮浮子子流流出出Q2 气气动动阀阀门门液位系统原理图自动控制系统举例给定希望液位 希希望望液液位位实实际际液液位位放放大大元元件件气气动动阀阀门门水水 箱箱浮浮 子子控控制制器器 注注入入液位系统方框图1.6对自动控制系统的基本要求1.6.1对自动控制系统性能的基本要求可以归结为：稳定性（长期稳定性） 准确性（精度） 快速性（相对稳定性）简言之：稳 准 快1.7本课程的任务课程所要研究的三大课题：1）如何保证系统稳定2) 如何从理论上对它的动态性能和稳态精度进行定性的分析和定量的计算。3）根据对系统性能的要求，如何合理地设计校正装置.一种重要方法：给定输入分析输出1.8常采用的典型输入信号有： 1.8.1 阶跃函数 它的数学表达式为： 000)(tAttr1.8.2 斜坡函数（等速度函数） 它的数学表达式为 000)(tAtttr它的数学表达式为 02100)(2tAtttr1.8.3 抛物线函数（等加速度函数）1.8.4 脉冲函数 ttAttr0000)(1.8.5 正弦函数 它的数学表达式为 0sin00)(ttAttr 式中A为振幅，