第1章--自动控制理论绪论

1、11.1 自动控制系统的基本概念与发展自动控制系统的基本概念与发展1.1.1 自动控制的定义与基本组成自动控制的定义与基本组成闭环控制闭环控制开环开环控制控制2所谓自动控制，是指在没有人直接参与的情况下，利用所谓自动控制，是指在没有人直接参与的情况下，利用操纵机器、设备或生产过程，使其自操纵机器、设备或生产过程，使其自动按预定规律运行的技术。动按预定规律运行的技术。定义：定义：图1-1人脑控制过程示意图 图1-2仿人控制系统方框图 遥测、遥感31.1.2 自动控制技术的发展历史与现状自动控制技术的发展历史与现状 外加设备或装置，通常包括测量仪器、控制装置和外加设备或装置，通常包括测量仪器、控制

2、装置和执行机构。没有检测与执行设备，单独的控制器是无执行机构。没有检测与执行设备，单独的控制器是无法发挥作用的。法发挥作用的。 发展历史4 以传递函数为基础的经典控制理论，它主要研究单以传递函数为基础的经典控制理论，它主要研究单输入输入-单输出、线性定常控制系统的分析和设计问题。单输出、线性定常控制系统的分析和设计问题。 以状态为基础的状态空间法（现代控制理论基础），以状态为基础的状态空间法（现代控制理论基础），主要研究具有高性能、高精度的多变量变参数系统的最优主要研究具有高性能、高精度的多变量变参数系统的最优控制问题，控制问题， 有线或无线有线或无线最好所有信号最好所有信号传输线都应符传输线

3、都应符合现场总线制合现场总线制l 自动控制理论是研究自动控制技术共同规律的自动控制理论是研究自动控制技术共同规律的基础科学，以反馈理论为基础的自动调节原理。基础科学，以反馈理论为基础的自动调节原理。51.2 自动控制系统的基本控制方式自动控制系统的基本控制方式1.2.1 开环控制系统开环控制系统u所谓开环控制系统就是控制器与被所谓开环控制系统就是控制器与被控对象之间只有顺向作用而无反向控对象之间只有顺向作用而无反向联系，即控制是单方向进行的；系联系，即控制是单方向进行的；系统的输出量并不影响其控制作用，统的输出量并不影响其控制作用，控制作用直接由系统输入量产生。控制作用直接由系统输入量产生。

4、直流电动机直流电动机功率放功率放大大 器器激磁回路激磁回路constIf激磁电流激磁电流au电枢电压电枢电压VrV6l 开环控制系开环控制系统是最基本统是最基本的不带反馈的不带反馈（检测装置）（检测装置）的自动控制的自动控制系统，其在系统，其在生产过程及生产过程及生活设施中生活设施中随处可见。随处可见。 返回返回7输入量输入量 输出量输出量图1-4 开环控制系统示意图控制器控制器执行器执行器 缺陷：缺陷：由于系统周围环境的变化会给系统造成干扰，由于系统周围环境的变化会给系统造成干扰，开环控制系统的输出量不可能精确地对应于输入量，开环控制系统的输出量不可能精确地对应于输入量，因此开环系统因此开环

5、系统不具备克服输出量与输入量之间的偏不具备克服输出量与输入量之间的偏差的能力，它的准确性和稳态精度都不高。差的能力，它的准确性和稳态精度都不高。如果系如果系统输入量再随时间变化，而系统的被控对象一般都统输入量再随时间变化，而系统的被控对象一般都存在惯性，所以存在惯性，所以不可能瞬时完成对输入量的响不可能瞬时完成对输入量的响应。应。抗干扰能力差抗干扰能力差 81.2.2 闭环控制系统闭环控制系统 9前向通路给控制系统给控制系统引入反馈，即把引入反馈，即把输出量馈送到系输出量馈送到系统输入端，以便统输入端，以便与输入信号进行与输入信号进行比较，取其偏差比较，取其偏差作为控制器的输作为控制器的输入，

6、如图所示。入，如图所示。这样的系统称为这样的系统称为10外扰外扰由系统的动力源或负载变化以及外部因由系统的动力源或负载变化以及外部因 素引起。素引起。 扰动量扰动量内扰内扰 由组成系统的元部件参数的变化引起。由组成系统的元部件参数的变化引起。l注意：注意：加在控制器上的信号是输入量和反馈量之间加在控制器上的信号是输入量和反馈量之间的差的差(偏差偏差)。控制器所产生的控制作用力图减小或者消。控制器所产生的控制作用力图减小或者消除这种偏差。除这种偏差。 l带有负反馈的闭环控制带有负反馈的闭环控制又称为又称为偏差控制偏差控制 11液位闭环控制系统12炉温闭环控制系统 冷水 电加热器 温控开关 水箱

7、给定温度 热水 测温元件 图1-6 电加热器系统燃气温度控制系统炉温开环控制系统13 冷水 电加热器 温控开关 水箱 给定温度 热水 测温元件 图1-6 电加热器系统控制器控制器温控开关温控开关输入量输入量期望温度期望温度输出量输出量测温元件测温元件检测到的实际水温检测到的实际水温偏差偏差由温控开关由温控开关确定确定外扰外扰注入的冷水注入的冷水和流出的热水和流出的热水执行机构执行机构电加热电加热器器14优势：优势：有效地抑制有效地抑制提高系统的抗扰动性能，增强鲁棒性，提高系统的抗扰动性能，增强鲁棒性，改善系统的稳态精度，提高响应速度改善系统的稳态精度，提高响应速度 。 问题：问题：惯性使控制作

8、用不能及时校正系统误差。如惯性使控制作用不能及时校正系统误差。如果控制系统的强激作用与被控对象的惯性匹配不当，果控制系统的强激作用与被控对象的惯性匹配不当，还可能产生振荡，甚至不稳定还可能产生振荡，甚至不稳定。1.2.3 复合控制系统复合控制系统使用条件：使用条件：当单独采用开环控制或闭环控制不能得当单独采用开环控制或闭环控制不能得到理想的控制效果时，可以采用开环和闭环控制相到理想的控制效果时，可以采用开环和闭环控制相结合的复合控制系统。结合的复合控制系统。 15图1-7 复合控制示意图作用：作用：带有负反馈的闭环控制起主调节作用，带有负反馈的闭环控制起主调节作用，而带有前馈的开环控制则起辅助

9、作用。而带有前馈的开环控制则起辅助作用。 16图1-8 电动机复合控制系统 电动机速电动机速度复合控制系度复合控制系统是按扰动作统是按扰动作用补偿的复合用补偿的复合控制系统。负控制系统。负载大小的改变载大小的改变引起转速变化，引起转速变化，反映在图反映在图1-8（b）中即为）中即为负载转矩负载转矩Mc的改变。的改变。实例：实例：171.3 自动控制系统的基本类型自动控制系统的基本类型1.3.1 调节系统和随动系统调节系统和随动系统调节系统或恒值系统调节系统或恒值系统系统的系统的输入量恒定不变输入量恒定不变的。的。输入量输入量并非被控对象的实并非被控对象的实际输入而是希望输出能够际输入而是希望输

10、出能够达到的期望值，所以又称达到的期望值，所以又称其其为参考输入为参考输入。随动系统随动系统系统的输出能够紧紧跟随其输入变化，系统的输出能够紧紧跟随其输入变化，并要求具有一定的跟随精度。并要求具有一定的跟随精度。在这种系统中，输入量在这种系统中，输入量的变化往往是任意的，非预知的。的变化往往是任意的，非预知的。 基本控制方式：开、基本控制方式：开、闭环，复合闭环，复合18 给定转速 给 实际转速 定 电 位 直流 测 速 器 电动机 发电机 生产机构图1-9 电动机转速恒值调节系统 电压和功率放大器工作原理：工作原理：测速发电机将检测到的实际转速转换成测速发电机将检测到的实际转速转换成电压反馈

11、到输入端，通过运算放大器与参考输入电压反馈到输入端，通过运算放大器与参考输入（给定转速的电压当量）进行比较，取其偏差进行（给定转速的电压当量）进行比较，取其偏差进行控制。控制。l 电、汽加热系统（图电、汽加热系统（图1-6所示）也是一个温度恒所示）也是一个温度恒值调节系统。值调节系统。日常生活中还有许多如压力、水位、流日常生活中还有许多如压力、水位、流量以及电压、电流等参量的恒值调节系统。量以及电压、电流等参量的恒值调节系统。19 输出角度 同位仪 电压和功率放大器 直流电动机 炮身 输入角度图1-10 地空导弹跟踪系统示意图 20 输出角度输出角度 同位仪同位仪 电压和功率放大器电压和功率放

12、大器 直流电动机直流电动机 炮身炮身 输入角度输入角度图图1-10 火炮跟踪系统示意图火炮跟踪系统示意图 工作原理：工作原理： 同位仪是误差检测装置，输入信号是火炮跟踪同位仪是误差检测装置，输入信号是火炮跟踪目标的监测角度，反馈装置把炮架转动的角度送入同位仪，目标的监测角度，反馈装置把炮架转动的角度送入同位仪，放大装置输出相应的偏差信号，使直流电动机带动火炮的炮放大装置输出相应的偏差信号，使直流电动机带动火炮的炮架转动，如此直至反馈的角度信号与输入的角度信号相等时，架转动，如此直至反馈的角度信号与输入的角度信号相等时，放大装置的输出功率为零，电动机停止转动。由于火炮的目放大装置的输出功率为零，

13、电动机停止转动。由于火炮的目标是飞行物体，因此系统的输入角度必须根据实际目标方位标是飞行物体，因此系统的输入角度必须根据实际目标方位随时调整，所以火炮跟踪系统是一个随动系统。随时调整，所以火炮跟踪系统是一个随动系统。211.3.2 连续系统和离散系统连续系统和离散系统连续系统连续系统系统各个组成环节的输入、输出信号都是时间系统各个组成环节的输入、输出信号都是时间连续信号。连续信号。 上面所举的上面所举的恒值调节系统恒值调节系统和和随动系统随动系统的例子都属于的例子都属于连续连续控制系统。控制系统。 一般采用微分方程作为分析连续系统的数学工具。一般采用微分方程作为分析连续系统的数学工具。 离散系

14、统离散系统系统各个环节的输入、输出信号都是离散信系统各个环节的输入、输出信号都是离散信号。号。如果控制系统中既有连续信号又有如果控制系统中既有连续信号又有离散信号，则称之为离散信号，则称之为采样（离散）采样（离散）控制系统。控制系统。 离散信号离散信号脉冲信号脉冲信号数字信号数字信号 离散系统的动态性能一般要用差分方程来描述和分析。离散系统的动态性能一般要用差分方程来描述和分析。22 图图1-11 电阻炉温度微机控制系统电阻炉温度微机控制系统热电偶热电偶 电电 阻阻电电 炉炉 丝丝A/D转转换换器器单单片片机机放大放大滤波滤波D/A转转换换器器触发触发电路电路微机微机控制的控制的集成度集成度越

15、来越越来越高高DSPDSP、嵌入式嵌入式系统、系统、SOCSOC晶闸管控制电路晶闸管控制电路全数字化全数字化 电阻炉温度微机控制系统属于采样控制系统。电阻炉温度微机控制系统属于采样控制系统。 A/D、D/A转换器和单片机之间传递的是数字信号。转换器和单片机之间传递的是数字信号。 有些控制系统转换采用有些控制系统转换采用V/F、F/V变换器，那么它们变换器，那么它们与单片机之间传递的是脉冲信号。与单片机之间传递的是脉冲信号。23图图1-12 微机控微机控制系统示意图制系统示意图1.3.3 单输入单输出系统和多输入多输出系统单输入单输出系统和多输入多输出系统（SISO-Single Input a

16、nd Single Output） 只有一个只有一个输入量和一个输出量的控制系统。输入量和一个输出量的控制系统。分析方法分析方法以传递函数为基础的时域法、频域法和根以传递函数为基础的时域法、频域法和根轨迹法。轨迹法。 主要研究系统的输入输出特性。主要研究系统的输入输出特性。 可用低阶微分方程（或差分方程）来描述简单的可用低阶微分方程（或差分方程）来描述简单的SISO系统，可靠手算分析，这就是系统，可靠手算分析，这就是最初的时域法最初的时域法。数字控制器数字控制器24 必须用高阶微分（动态）方程来描述复杂的必须用高阶微分（动态）方程来描述复杂的SISO系统，计算机辅助分析，系统，计算机辅助分析，

17、状态空间法状态空间法。 多输入多输出系统（多输入多输出系统（MIMO-Multi-input and multi-output ）多信号、多回路、多变量且相互之间还多信号、多回路、多变量且相互之间还有关联（耦合）的复杂控制系统。有关联（耦合）的复杂控制系统。分析方法分析方法以状态空间为基础的以状态空间为基础的“现代控制理论现代控制理论”。 控制控制器器被控被控对象对象测量测量阵列阵列反馈阵反馈阵列列 控制控制 扰动量扰动量 状态状态 输入量输入量 作用作用 变量变量 输出量输出量 r(t) u(t) x(t) y(t) 不局限于研究输入输出特性，而关注内部状态的不局限于研究输入输出特性，而关注

18、内部状态的运动规律以及相互之间的关系，使系统在一定的控制运动规律以及相互之间的关系，使系统在一定的控制约束和某种性能指标下实现最优控制。约束和某种性能指标下实现最优控制。 251.3.4 线性系统和非线性系统线性系统和非线性系统线性系统线性系统系统各环节的输入输出特性是线性系统各环节的输入输出特性是线性的，可以用线性微分（或差分）方程来描述。的，可以用线性微分（或差分）方程来描述。线性定常（时不变）：线性定常（时不变）：线性常微分方程。线性常微分方程。线性时变系统：线性时变系统：线性微分方程的系数是时线性微分方程的系数是时间函数。间函数。)()()()(tcrtbytyaty )()()()(

19、)()()(trtctytbtytaty 主要特点：主要特点： 可以应用叠加和齐次性原理来处理输入输出之间的可以应用叠加和齐次性原理来处理输入输出之间的关系，以传递函数为基础的经典控制理论是其主要研关系，以传递函数为基础的经典控制理论是其主要研究依据。究依据。 26 输出输出 输出输出 输出输出 输出输出 输入输入 输入输入 输入输入 输入输入 （a） （b） （c） （d） 图图1-14常见的非线性系统特性常见的非线性系统特性 非线性系统非线性系统在动态系统中，只要有一个元器在动态系统中，只要有一个元器件的输入输出特性是非线性的，就称为非线性系统，件的输入输出特性是非线性的，就称为非线性系统

20、，用非线性微分（或差分方程）来描述。用非线性微分（或差分方程）来描述。 不适用叠加和齐次性原理。不适用叠加和齐次性原理。 非本质非线性非本质非线性：可在工作点附近的小邻域：可在工作点附近的小邻域内线性化。内线性化。 本质非线性：本质非线性：工作点的定义域内存在间断点，不是连工作点的定义域内存在间断点，不是连 续可微。续可微。需要专门的处理方法，例如需要专门的处理方法，例如描述函数法描述函数法 和和相平面法相平面法等，目前较实用并有效地等，目前较实用并有效地模糊控制模糊控制。 )()()()()(2trtytytyty 271.3.5 其它类型其它类型 确定性系统和随机系统确定性系统和随机系统

21、（数理统计、现代控制理论中的模型辨识和（数理统计、现代控制理论中的模型辨识和现代控制工程中的自适应控制方法）现代控制工程中的自适应控制方法） 集中参数系统和分布参数系统集中参数系统和分布参数系统1.4 对控制系统的要求和本书内容简介对控制系统的要求和本书内容简介自动控自动控制理论制理论电机与拖动电机与拖动模拟电子模拟电子技术技术线性代数线性代数微积分（含微积分（含微分方程）微分方程）复变函数、拉复变函数、拉普拉斯变换普拉斯变换电路理论电路理论大学物理（力学、大学物理（力学、热力学）热力学）信号与信号与系统系统28稳态性能（精度）：稳态性能（精度）：输出响应的稳态误差。输出响应的稳态误差。稳定性：稳定性：系统能够正常工作的基本前提系统能够正常工作的基本前提动态性能：动态性能：系统输出响应的快速性和超调量系统输出响应的快速性和超调量29系统分析系统分析将给定物理系统抽象成将给定物理系统抽象成数学模型数学模型，然后用已经成熟的数学方法和计算机对系统进行动、然后用已经成熟的数学方法和计算机对系统进行动、静态性能的静态性能的定性或定量分析定性或定量分