专业课自控第一章

1、自动控制原理自动控制原理胡胡 寿寿 松松科学出版社第一章第一章自动控制的一般概念本章提纲本章提纲1.11.1自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式1.2 1.2 自动控制系统示例自动控制系统示例1.31.3自动控制系统的分类自动控制系统的分类1.4 1.4 对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求 本章小结本章小结 v基本概念基本概念控制控制 使设备或生产过程的物理量保持恒定或一定规律变化使设备或生产过程的物理量保持恒定或一定规律变化的动作。的动作。自动控制自动控制 在脱离人的直接干预，利用外加的设备或装置（简称在脱离人的直接干预，利用外加的设备或装置（简称控制器）使机器，设备，生产

2、过程（统称被控制对象）控制器）使机器，设备，生产过程（统称被控制对象）的工作状态或参数（即被控量）按照预定的规律运行。的工作状态或参数（即被控量）按照预定的规律运行。自动控制系统自动控制系统 将被控对象和控制装置按照一定的方式连接起来，将被控对象和控制装置按照一定的方式连接起来， 组组成一个有机总体，这就是自动控制系统。成一个有机总体，这就是自动控制系统。1.1.1 1.1.1 自动控制技术及其应用自动控制技术及其应用1.11.1自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式v自动控制作为一种技术手段已经广泛地应用于工业、农业、国防乃至日常生活和社会科学许多领域。 锅炉设备的压力和温度自动保

3、持恒定锅炉设备的压力和温度自动保持恒定 数控机床按照预定的程序自动地切削工件数控机床按照预定的程序自动地切削工件 导弹发射与制导系统，自动地使导弹攻击敌导弹发射与制导系统，自动地使导弹攻击敌方目标方目标 无人驾驶飞机按照预定航迹自动升降和飞行无人驾驶飞机按照预定航迹自动升降和飞行 人造卫星准确地进入预定轨道运行并回收等人造卫星准确地进入预定轨道运行并回收等 日常生活中常见的：*家庭： 全自动全自动照相机、洗衣机、电饭煲 * *高档楼宇：高档楼宇： 自动自动门、门、自动自动自来水开关自来水开关 *交通： 自动控制自动控制的红绿灯、 火车上的自动自动烧开水机 *银行： 自动自动取款机ATMv随着科

4、学技术的进步，自动控制的概念也在扩大，政治、经济、社会等各个领域也越来越多地被认为与自动控制有关。现在已发展成为一门独立的学科控制论。其中包括：工程控制论、生物控制论和经济控制论。公元前我国的自动计时漏壶1.1.2 1.1.2 自动控制的应用和理论的发展自动控制的应用和理论的发展公元132年张衡研制出自动测量地震的候风地动仪公元235年马钧研制出能自动指示方向的指南车 1788年英国Watt发明的控制蒸汽机速度的离心式调速器 1913年美国建成最早的汽车装配流水线1926年美国建成第一条汽车自动生产线 现代自动化工厂生产线（国产）奇瑞、长安汽车冲压生产线奇瑞、长安汽车冲压生产线长春汽车焊接生产

5、线长春汽车焊接生产线1952年美国MIT研制出第一台数控机床 现代高速大型数控中心高速大型数控中心（沈阳第一机床厂）1954年第一台工业机器人 国产100公斤点焊机器人2005年我国成功发射载人飞船（神舟6号） 1981年美国“哥伦比亚”号航天飞机首次发射成功 自动控制应用总结：1、最早公元前：像指南车、地动仪等；2、1788年：瓦特发明了离心式高速器第一个里程碑；3、20世纪2040年代：电子管反馈放大器诞生和经典控制理 论的成熟，产生了电子式控制器第二个里程碑；4、20世纪4060年代：现代控制理论成熟，产生了第一颗人 造卫星、第一次利用宇宙飞船登上太空、第一台数控机床和 第一台工业机器人

6、；5、20世纪70年代：计算机技术的发展，数字计算机、网络的 普遍应用和系统管理理念引入了自动化第三个里程碑； 同时自动控制也工业自动化向非制造业自动化发展，也即是向农业自动化和服务自动化发展。v自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。控制论、量子论 与相对论被人们誉为20世纪上半叶的3项科学革命。控制论通常包含“经典控制理论”与“现代控制理论”两大部分。v经典控制理论以传递函数为基础，研究单输入-单输出，线形定常系统的分析和设计问题。v现代控制理论以状态空间法为基础，研究多输入-多输出，时变，非线性，高精度，高效能等控制系统的分析与设计问题，其中最优控制，系统辨识，自适应控制，智能控制

7、等理论都是这一领域研究的问题。控制理论的发展直流电动机速度自动控制系统 图中，电位器电压为输入信号。测速发电机是电动机转速的测量元件，又称为变送元件（变送器）。图1-1中，代表电动机转速变化的测速发电机电压送到输入端与电位器电压进行比较，用两者之间的差值（又称偏差信号）来控制功率放大器（控制器）的输出，从而控制电动机的转速，这就形成了电动机转速自动控制系统。1.1.3 1.1.3 自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念功率放大器U电动机测速发电机电位器 图1-1 直流电动机速度自动控制原理结构图v当电源变化、负载变化等引起转速变化，称为扰动。电动机被称为被控对象，转速称为被控量，当电动机受到

8、扰动后，转速（被控量）发生变化，经测量元件（测速发电机）将转速信号（又称为反馈信号）反馈到控制器（功率放大器），使控制器的输出（称为控制量）发生相应的变化，从而可以自动地保持转速不变或使偏差保持在允许的范围内。控制对象：需要控制的设备或生产过程控制装置：对被控制对象起控制作用的 设备总体n自动控制系统的组成控制对象控制装置n自动控制系统基本组成框图图1-2 自动控制系统基本组成框图n自动控制系统的基本控制方式 1开环控制系统 指系统的输出端与输入端不存在反馈回路，输出量对系统的控制作用不发生影响的系统。如工业上使用的数字程序控制机床，参见图1-3。 图纸位移程序指令放大器执行机构微型计算机切削

9、刀具工作机床图1-3 微型计算机控制机床（开环系统）v 系统每一个输入信号，必有一个固定的工作状态和一个系统的输出量与之相对应，但是不具有修正由于扰动而出现的被控制量希望值与实际值之间误差的能力。例如，执行机构步进电机出现失步，机床某部分未能准确地执行程序指令的要求，切削刀具偏离了希望值，控制指令并不会相应地改变。 v开环系统结构简单，成本低廉，工作稳定。但开环控制不能自动修正被控制量的误差、系统元件参数的变化以及外来未知干扰都会影响系统精度的。 2闭环控制系统 系统输出信号与输入端之间存在反馈回路的系统，叫闭环控制系统。闭环控制系统也叫反馈控制系统。“闭环”这个术语的含义，就是应用反馈作用来

10、减小系统误差如图1-4所示。反馈测量元件图纸位移手放大器执行机构微型计算机切削刀具工作机床图1-4 微型计算机控制机床（闭环系统）v在图1-4中，引入了反馈测量元件，闭环控制系统由于有“反馈”作用的存在，具有自动修正被控制量出现偏差的能力，可以修正元件参数变化及外界扰动引起的误差，所以其控制效果好，精度高。闭环控制系统不足之处，除了结构复杂，成本较高外，一个主要的问题是由于反馈的存在，控制系统可能出现“振荡”。 3复合控制系统 复合控制是闭环控制和开环控制相结合的一种方式，它兼有两者的优点，精度很高。 反馈控制的原理：控制装置对被控对象施加的控制作用，是取自控制量的反馈信息，用来不断修正被控量

11、与输入量之间的偏差，从而实现对被控对象进行控制的任务。反馈控制又称偏差控制。反馈控制系统在身边随处可见，人的一切活动都体现出反馈控制的原理。正反馈与负反馈 负反馈：反馈信号与输入信号相减，起减弱输入信号作用。 正反馈：反馈信号与输入信号相加，起增强输入信号作用。 正反馈不能进行控制，会使系统的偏差越来越大。 只有负反馈控制系统才能完成自动控制的任务。 负反馈控制系统最大的特点：检测偏差，纠正偏差，所以叫做按偏差控制。n反馈控制原理主反馈：直接取自系统输出端，经过测量和变换，又引入到系统输入端的信号叫主反馈信号，相应的反馈叫主反馈。前向通道：从系统输入端到输出量之间的通道称为前向通道。主反馈通道

12、：从输出量到主反馈信号之间的通道称为主反馈通道。单位反馈系统：主反馈信号等于输出量的系统叫单位反馈系统。非单位反馈系统：主反馈信号不等于输出量的系统叫非单位反馈系统。局部反馈：对应内回路。n 几个重要概念几个重要概念给定元件：给出与系统输出量希望值相对应的系统输入量。测量元件：测量系统输出量的实际值，并把输出量的量纲转化成与输入量相同。比较元件：比较系统的输入量和主反馈信号，并给出两者之间的偏差。放大元件：对微弱的偏差信号进行放大和变换，使之具有足够的幅值和功率，以适应执行元件动作的要求。执行元件：根据放大后的偏差信号产生控制、动作，操作系统的输出量，使之按照输入量的变化规律而变化。 反馈控制

13、系统方框图反馈控制系统方框图 一个典型的反馈控制系统基本组成可用图1-5的方框图表示。图中，用 表示比较元件，表示负反馈。信号从输入端沿箭头方向到达输出端的传输通道称前向通路，系统输出量经测量元件反馈到输入端的传输通道称主反馈通路。前向通路与主反馈通路共同组成主回路。 图1-5 反馈控制系统的组成框图补偿元件放大元件执行元件被控对象反馈补偿元件测量元件输入量输出量主反馈局部反馈实例1：函数记录仪1.2 1.2 自动控制示例自动控制示例飞机示意图飞机示意图给定电位器给定电位器反馈电位器反馈电位器实例2实例3实例实例4 液位控制系统液位控制系统控制器控制器减速器减速器电动机电动机电位器电位器浮子浮

14、子用水开关用水开关Q2Q1cifSM1.3 1.3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类下面介绍几种常用的自动控制系统分类方法。v1.3.1 按控制方式来分v1.3.2 按系统输入信号的变化规律不同来分v1.3.3 按系统传输信号的性质来分v1.3.4 按描述系统的数学模型不同来分v1.3.5 其它分类方法1.3.1 按控制方式来分1.开环控制系统2.反馈控制系统3.复合控制系统1.3.2 按系统输入信号的变化规律不同来分 1、恒值控制系统（或称自动调节系统） 这类系统的特点是输入信号是一个恒定的数值。恒值控制系统主要研究各种干扰对系统输出的影响以及如何克服这些干扰，把输入、输出量尽量保持在希

15、望数值上。 2、过程控制系统（或称程序控制系统） 这类系统的特点是输入信号是一个已知的时间函数，系统的控制过程按预定的程序进行，要求被控量能迅速准确地复现。 恒值控制系统也认为是过程控制系统的特例。 3、随动控制系统（或称伺服系统） 这类系统的特点是输入信号是一个未知函数，要求输出量跟随给定量变化。如火炮自动跟踪系统。 工业自动化仪表中的显示记录仪，跟踪卫星的雷达天线控制系统等均属于随动控制系统。1.3.3 按系统传输信号的性质来分 1、连续系统 系统各部分的信号都是模拟的连续函数。目前工业中普遍采用的常规控制仪表PID调节器控制的系统及图1-1所示的电动机速度自动控制系统就属于这一类型。 2

16、、离散系统 系统的某一处或几处，信号以脉冲序列或数码的形式传递的控制系统。其主要特点是：系统中用脉冲开关或采样开关，将连续信号转变为离散信号。可分为脉冲控制系统和数字控制系统。 图1-8和图1-9分别给出了脉冲控制系统和数字控制系统的结构图。输出输入 + e(t)e*(t)采样开关-保持器被控对象图1-8 脉冲控制系统结构图输出输入 + -A/D计算机D/A放大器执行器被控对象反馈装置图1-9采样数字控制系统结构图1.3.4 按描述系统的数学模型不同来分 1、线性系统 由线性元件构成的系统叫线性系统。其运动方程为线性微分方程。若各项系数为常数，则称为线性定常系统。其运动方程一般形式为: 式中：

17、u(t) 系统的输入量；y(t) 系统的输出量。( )( 1)( )( 1)1111nnnnnnonnyaya y a y bubub u bu 线性系统的主要特点是具有叠加性和齐次性，即当系统的输入分别为r1(t)和r2(t)时，对应的输出分别为c1(t)和c2(t)，则当输入为r(t)=a1r1(t)+a2r2(t)时，输出量为c(t)=a1c1(t)+a2c2(t), 其中为a1、a2为常系数。2、非线性系统 图1-10 非线性元件静特性举例 在构成系统的环节中有一个或一个以上的非线性环节时，则称此系统为非线性系统。典型的非线性特性有饱和特性、死区特性、间隙特性、继电特性、磁滞特性等。如

18、图1-10所示。 非线性的理论研究远不如线性系统那么完整，一般只能近似的定性描述和数值计算。 严格来说，任何物理系统的特性都是非线性的。但为了研究问题的方便，许多系统在一定的条件下，一定的范围内，可以近似地看成为线性系统来加以分析研究，其误差往往在工业生产允许的范围之内。1.3.5 其它分类方法 自动控制系统还有其他的分类方法:v(1)按系统的输入/输出信号的数量来分:有单输入/单输出系统和多输入/多输出系统。v(2)按控制系统的功能来分：有温度控制系统、速度控制系统、位置控制系统等。v(3)按系统元件组成来分：有机电系统、液压系统、生物系统。v(4)按不同的控制理论分支设计的新型控制系统来分

19、，有最优控制系统，自适应控制系统，预测控制系统，模糊控制系统，神经网络控制系统等等。 一个系统性能将用特定的品质指标来衡量其优劣,如系统的稳定特性、动态响应和稳态特性。1.4 1.4 对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求 当自动控制系统受到干扰或者人为要求给定值改变，被控量就会发生变化，偏离给定值。通过系统的自动控制作用，经过一定的过渡过程，被控量又恢复到原来的稳定值或者稳定到一个新的给定值。被控量在变化过程中的过渡过程称为动态过程(dynamic process)（即随时间而变的过程），被控量处于平衡状态称为静态或稳态(stationarity)。 自动控制系统最基本的要求是被控量的稳态

20、误差（偏差stationarity error）为零或在允许的范围内。对于一个好的自动控制系统来说，一般要求稳态误差在被控量额定值的25之内。1.4.1 基本要求的提法 图1-11 自动控制系统被控量变化的动态特性 自动控制系统还应满足动态过程的性能要求，自动控制系统被控量变化的动态特性有以下几种。 (a)单调过程 被控量y(t)单调变化（即没有“正，”，“负”的变化），缓慢地到达新的平衡状态（新的稳态值）。如图1-11(a)所示，一般这种动态过程具有较长的动态过程时间（即到达新的平衡状态所需的时间）。 (b)衰减振荡过程: 被控量y(t)的动态过程是一个振荡过程，振荡的幅度不断地衰减，到过渡

21、过程结束时，被控量会达到新的稳态值。这种过程的最大幅度称为超调量，如图1-11（b）所示。 (c)等幅振荡过程: 被控量y(t)的动态过程是一个持续等幅振荡过程，始终不能到达新的稳态值，如图1-11（c）所示。这种过程如果振荡的幅度较大，生产过程不允许，则认为是一种不稳定的系统，如果振荡的幅度较小，生产过程可以允许，则认为是一种稳定的系统。 (d)渐扩振荡过程: 被控量y(t)的动态过程不但是一个振荡过程，而且振荡的幅值越来越大，以致会大大超过被控量允许的误差范围，如图1-11（d）所示，这是一种典型的不稳定过程，设计自动控制系统要绝对避免产生这种情况。 自动控制系统其动态过程多属于图1-11

22、（b）的情况。控制系统的动态过程不仅要是稳定的，并且希望过渡过程时间（又称调整时间）越短越好，振荡幅度越小越好，衰减得越快越好。 综上所述，对于一个自动控制的性能要求可以概括为三方面：稳定性，快速性和准确性。 (1)稳定性(stability)。自动控制系统的最基本的要求是系统必须是稳定的，不稳定的控制系统是不能工作的。 (2)快速性/平稳性（rapidity/stationar -ity）。在系统稳定的前提下，希望控制过程（过渡过程）进行得越快越好，但如果要求过渡过程时间很短，可能使动态误差（偏差）过大。合理的设计应该兼顾这两方面的要求。 (3)准确性(accuracy)。即要求动态误差和稳

23、态误差都越小越好。当与快速性有矛盾时，应兼顾这两方面的要求。v选取原则选取原则（1）在现场及实验中容易产生）在现场及实验中容易产生（2）系统在工程中经常遇到，并且是最不利的外）系统在工程中经常遇到，并且是最不利的外作用。作用。（3）数学表达式简单，便于理论分析。）数学表达式简单，便于理论分析。 为了能对不同的控制系统的性能用统一的标准为了能对不同的控制系统的性能用统一的标准来恒量，通常需要选择几种典型的来恒量，通常需要选择几种典型的外作用外作用。1.4.2 1.4.2 典型外作用典型外作用 （2）图形：）图形： 表示在表示在t=0时刻出现了幅值为时刻出现了幅值为R的跳变，是最不利的外作用。的跳

24、变，是最不利的外作用。R=1时的阶跃函数叫单位阶跃函数，常用时的阶跃函数叫单位阶跃函数，常用1(t)表示。常用表示。常用阶跃函数作为评价系统动态性能的典型外作用。所以阶跃阶跃函数作为评价系统动态性能的典型外作用。所以阶跃函数在自动控制系统的分析中起着特别重要的作用。函数在自动控制系统的分析中起着特别重要的作用。 R0 tr(t)1. .阶跃函数阶跃函数（1）数学表达式）数学表达式0, 00,)(ttRtr（1）数学表达式）数学表达式 （2）图形：）图形： 如如R=1,叫单位斜坡函数，表示从叫单位斜坡函数，表示从t=0时刻，以恒速时刻，以恒速R变化。变化。 跟踪通信卫星的天线控制系统，数控机床加

25、工斜面时的给跟踪通信卫星的天线控制系统，数控机床加工斜面时的给 进指令等，都可以采用斜坡信号作为典型输入信号。进指令等，都可以采用斜坡信号作为典型输入信号。0 t r(t)0, 00,)(ttRttr2.2.斜坡函数斜坡函数v3.加速度函数加速度函数 （1）数学表达式）数学表达式 （2）图形）图形 R=1叫单位加速度函数。表示从叫单位加速度函数。表示从t=0时刻开始，以恒加速时刻开始，以恒加速度度R变化。变化。0 t r(t)0, 00,21)(2ttRttr4.4.脉冲函数脉冲函数 （1 1）矩形脉冲函数数学表达式）矩形脉冲函数数学表达式 (2)(2)图形：图形： r(t)0tAtttAtr或0, 00 ,/)(脉冲函数是对脉冲函数是对 趋于趋于0 0，求极限得到的。数学表达式为，求极限得到的。数学表达式为但脉冲函数在现实中是不存在的，只是数学上的定义，在现实系统中但脉冲函数在现实中是不存在的，只是数学上的定义，在现实系统中常把作用时间很短，幅值很大而强度有限的一些外作用近似看作脉冲常把作用时间很短，幅值很大而强度有限的一些外作用近似看作脉冲函数。当函数。当A=1A=1时，