第1章-自动控制系统基本概念(王恒迪)

控制理论及应用教材：自动控制原理教师：王恒迪电话-mail:sywhd@答疑：西苑5-220，周三下午2：30-4：00先修课程：高等数学、大学物理、积分变换、电工学、模拟电子技术后续课程：过程控制、数字信号处理、传感器学时分配：共48学时，其中理论教学38学时，实验8学时，考试2学时课程特点：理论性较强第一章自动控制系统的基本概念自动控制：在无人直接参与的情况下，利用控制装置，使工作机械、或生产过程（被控对象）的某一个物理量（被控量）按预定的规律（给定量）变化。发展简史经典控制理论(19世纪初)时域法、根轨迹法、频域法。研究方法：以传递函数为基础，研究单输入、单输出的线性定常系统。现代控制理论(20世纪60年代)自适应控制、最优控制、鲁棒控制、最佳估计、容错控制、系统辨识、集散控制。研究方法：以状态方程为基础，研究多输入、多输出的时变非线性系统。智能控制理论(20世纪70年代)专家系统、模糊控制、神经网络、遗传算法。

1788年JamesWatt发明飞球调节器，用来控制蒸汽机的转速：调节进入蒸汽机的蒸气量q，使蒸汽机在不同的工作负载T时，输出转速n保持不变。如果负载T发生变化使转速n增加→离心机构以o点为支点进一步张开，比较机构的滑套上移→带动转换机构的杠杆，将调节阀的阀门关小→直到进入的蒸气量q随之下降，使n回到原给定值。这就是转速n本身的反馈控制。蒸汽机OTn负载干扰阀门q(蒸汽量)离心机构转换机构比较机构

世界上公认的第一个自动控制系统调速原理框图问题：有时使蒸汽机速度出现大幅度振荡。1868年英国麦克斯韦的“论调速器”论文指出：不应单独研究飞球调节器，必须从整个系统分析控制的不稳定：建立系统微分方程，分析微分方程的解，从而分析实际系统是否会出现不稳定现象。这样，控制系统稳定性的分析，变成了判别微分方程特征根实部的正、负号问题。麦克斯韦的这篇著名论文被公认为自动控制理论的开端。1875年，英国劳斯提出代数稳定判据。1895年，德国古尔维兹提出代数稳定判据。1892年，俄国李雅普诺夫提出稳定性定义和两个稳定判据。1932年，美国奈奎斯特提出奈氏稳定判据。1922年，米纳斯基首先研制出了船舶操纵自动控制器。二战中自动火炮、雷达、飞机以及通讯系统的控制研究直接推动了经典控制的发展。1948年，维纳出版《控制论》，形成完整的经典控制理论，标志控制学科的诞生。维纳成为控制论的创始人！二次世界大战结束后，各国大力发展空间技术，经典控制理论不能满足需要，需要研究新的控制理论。现代控制理论在空间技术取得巨大成功，促进了空间技术的发展。现代控制理论在空间技术取得巨大成功，但由于工业过程控制中普遍存在的不确定性和干扰，难以取得预期的效果。模拟人的控制技术——智能控制理论得以诞生和发展，虽然不能实现精确的控制，但对各种复杂系统能够做到比较满意的控制。1.1自动控制的基本方式

开环控制、闭环控制、复合控制。1、开环控制改变电位器滑动端的位置，相应地改变了电压Ug值的大小，其值经功率放大器放大后施加在直流电动机的电枢两端，由于直流电动机具有恒定的励磁电流。因此，随着电枢电压值的不同，电动机便以不同的转速带动生产机械运转。于是，改变Ug的大小，便控制了电动机转速的高低。系统中：Ug是给定输入量；电动机的转速n是系统的输出量即被控量，功率放大器的电源电压波动、放大系数漂移、拖动负载的变化等是扰动输入量。可见，系统的输出量，即电动机的转速并没有参与系统的控制。开环控制控制系统的输出量对系统没有控制作用，这种系统是开环控制系统。开环控制系统的特点：

（1）系统输出量对控制作用无影响，控制精度易受扰动影响；（2）结构简单，无反馈环节，一般不存在稳定问题；（3）系统的精度取决于元件的精度和调整的准确度，无法实现高精度控制。2、闭环控制把输出量直接或间接地反馈到系统的输入端，形成闭环，参与控制，这种系统叫闭环控制系统。实际的闭环控制系统，基本上都是以负反馈的形式出现。比较线路放大器电动机放大器（给定输入）干扰（被控量）ur（计算）烘炉（对象）热电偶为什么要采用闭环控制系统？闭环控制系统有哪些优点？闭环控制系统的特点：

（1）系统输出量直接或间接地参与了对系统的控制作用（负反馈）；（2）利用偏差信号减小或消除干扰的影响；（3）系统结构复杂，可能工作不稳定。反馈（信息反馈）：自动控制中一个最基本、最重要的概念就是反馈。将系统的输出全部或部分地返回系统的输入端，并与输入信号共同作用于系统的过程。

负反馈：如果反馈回去的信号与系统的输入信号方向相反（Negativefeedback）。

正反馈：如果反馈回去的信号与系统的输入信号方向相同（Positivefeedback）。3、复合控制为了解决闭环系统本身精度和稳定性之间存在的矛盾，可引入复合控制，等价于开环控制（顺馈通路、前馈通路）+闭环控制。

按输入信号补偿，目的是提高系统跟踪输入信号的能力按扰动信号补偿，目的是减小干扰的影响，增强抗干扰能力闭环控制系统的缺点（1）系统结构复杂；（2）一条前馈通路只能针对特定信号起作用，如果设计不当，还可能对其他信号造成不利的影响。1.2闭环系统的基本组成测量装置输出输入+-给定环节串联校正环节放大环节执行机构控制对象扰动并联校正环节偏差主反馈局部反馈++比较环节

给定环节：设定被控量的给定值。

比较环节：将所测的被控量与给定量比较，确定两者偏差量。

校正环节：用于改善系统性能。校正环节可加于偏差信号与输出信号之间的通道内（串联校正），也可加于某一局部反馈通道内（并联校正或反馈校正）。

正反馈、负反馈。前向通路。主反馈、副反馈（局部反馈）。单回路系统、多回路系统。1.3自动控制系统的分类一、按数学描述形式分类：1．线性系统和非线性系统（1）线性系统：用线性微分方程或线性差分方程描述的系统。重要性质：满足齐次性和叠加性。叠加性齐次性线性定常系统（线性时不变系统）：方程的系数与时间无关，为定常数。线性时变系统：方程的系数与时间有关，例如发射火箭，火箭的质量随时间而变化。（2）非线性系统：用非线性微分方程或差分方程描述的系统。重要性质：不满足齐次性和叠加性。注意：1）即使系统中只有一个非线性元件，也属于非线性系统。2）非线性系统的研究理论远没有线性系统成熟。3）任何的物理系统都是非线性的，但可在一定条件下线性化，近似地按照线性系统来处理。

2．连续系统和离散系统（1）连续系统：系统中各元件的输入量和输出量均为时间t的连续函数。连续系统的运动规律可用微分方程描述，系统中各部分信号都是模拟量。（2）离散系统：系统中某一处或几处的信号是以脉冲系列或数码的形式传递的系统。离散系统的运动规律可以用差分方程来描述。计算机控制系统就是典型的离散系统。tout二、按给定信号分类（1）恒值控制系统：

给定值不变，要求系统输出量以一定的精度接近给定希望值的系统。如生产过程中的温度、压力、流量、液位高度、电动机转速等自动控制系统属于恒值系统。主要矛盾是消除或减少扰动信号对系统输出的影响，使被控制量（即系统的输出量）保持在给定或希望的数值上。（2）随动控制系统：

给定值按未知时间函数变化，要求输出跟随给定值的变化。如跟随卫星的雷达天线系统。主要矛盾是要求输出量以一定的精度和速度跟踪输入量，跟踪的速度和精度是随动系统的两项主要性能指标。（3）程序控制系统：

给定值按一定时间函数变化。如数控机床、热处理炉的升温、保温、降温过程。

1.4对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求归纳为稳定性、快速性（动态特性）和准确性（稳态特性）三个方面（稳、快、准）。一、稳定性（系统正常工作的首要条件）一个处于静止或平衡工作状态的系统，当受到任何输入（给定信号或干扰）作用后，就可能偏离原有的平衡状态。当作用消失后，系统中的状态和输出都能恢复到原来的平衡状态的系统称为稳定的系统。若作用消失后，系统中的状态和输出发生增幅振荡或单调增长现象的系统称为不稳定系统。y(t)t0y(t)t0ty(t)0y(t)t0二、快速性（动态特性）当系统给定量或扰动量突然增加，输出量也会变化，如果系统没有惯性，则可瞬间达到稳态（如电位器）。但由于系统存在惯性和储能元件，如电磁惯性、机械惯性等，输出量不可能突变，则系统需一个暂态过程后才能达到稳态。快速性就是反映系统在动态过程中，系统跟踪控制信号或抑制扰动的能力。动态特性好的系统，既要求过渡过程时间短，又要求过程平稳、振荡幅度小。

三个不同的系统对单位阶跃输入的响应，如何理解单位阶跃输入？三、准确性（稳态特性）准确性是指控制系统的控制精度，一般用稳态误差来衡量，稳态误差越小的系统，说明系统的控制精度越高，稳态特性越好。准确性是衡量控制系统性能的重要指标。两个不同的系统对单位阶跃输入的响应，一个系统存