第1章 自动控制原理 绪论

第1章绪论主要内容：1.1自动控制理论的形成与发展1.2自动控制系统的基本概念1.3自动控制系统的基本构成1.4自动控制系统的分类1.5对自动控制系统的基本要求1.6教学内容与要求1.1自动控制理论的形成与发展

自动控制——是指在没有人直接参与的情况下，利用外加设备或控制装置使生产过程或被控对象中的某一物理量或多个物理量自动地按照期望的规律去运行或变化。这种外加的设备或装置就称为自动控制装置。

主要经历三个阶段：经典控制理论现代控制理论智能控制理论1.1.1经典控制理论

1自动装置的发明与应用

2稳定性理论的建立

做出杰出贡献的人物主要有：

拉普拉斯(1749-1827)李亚普诺夫(1857-1918）

这一时期，研究工作的重点是系统的稳定性和稳态偏差，采用的数学工具是微分方程解析法，它们是在时间域上进行讨论的，通常称这些方法为控制理论的时间域方法，简称时域法。3频域法与根轨迹法的建立做出杰出贡献的人物主要有：Bell实验室工程师布莱克（H.S.Black）美国物理学家奈奎斯特（HarryNyquist，1889-1976）前苏联学者米哈依洛夫Bell实验室的数学家伯德（HendrikBode,1905-1982）美国数学家维纳（NorbertWiener,1894-1964）中国科学家钱学森

主要著作和论文：伯德的著作《NetworkAnalysisandFeedbackAmplifierDesign》维纳的著作《CyberneticsorControlandCommunicationintheAnimalsandtheMachine》美国电信工程师埃文斯（W.R.Evans）的论文“Graphicalanalysisofcontrolsystem”和“Controlsystemsynthesisbyrootlocusmethod”钱学森的专著《EngineeringCybernetics》

4脉冲控制理论的建立代表人物及杰出贡献：维纳(1894-1964)

香农(1916-2001)奈奎斯特(1889-1976)卡尔曼(1930-)

经典控制理论主要是解决单输入单输出控制系统的分析与设计，研究对象主要是线性定常系统。它以拉氏变换为数学工具，以传递函数、频率特性、根轨迹等为主要分析设计工具，构成了经典控制理论的基本框架。简单地可概括为一个函数（传递函数）两种方法（频率响应法和根轨迹法）。主要特点：它是一套工程实用的方法，许多工作可用作图法来完成；物理概念清晰，在分析和设计时便于联系工程实际作出决定，减少盲目性；可用实验方法建立系统的数学模型。

1.1.2现代控制理论主要的模型形式：状态空间法（StateSpaceMethod）与经典控制理论相比较：既可以是单变量的、线性的、定常的、连续的；也可以是多变量的、非线性的、时变的、离散的。主要学科分支：系统辨识自适应控制非线性系统最优控制鲁棒控制模糊控制预测控制容错控制复杂系统控制

1.1.3智能控制理论智能控制是一门交叉学科。智能控制是自动控制发展的高级阶段，是人工智能、控制论、系统论和信息论等多种学科的高度综合与集成，代表控制理论与技术领域发展的最新方向。基础：人工智能主要目标：使控制系统具有学习和适应能力

代表人物：图灵(1912-1954)明斯基(1927-)主要分支：模糊控制(FuzzyControl)神经网络控制(NeuralNet-basedControl)基于进化机制的控制(EvolutionaryMechanismBasedControl)基于知识的控制(KnowledgeBasedControl)或专家控制(ExpertControl)学习控制(learningControl)复合智能控制(HybridIntelligentControl)1.2自动控制系统的基本概念

自动控制系统——能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统。它一般由控制装置和被控对象组成。被控对象——那些要求实现自动控制的机器、设备或生产过程。控制装置——对被控对象起控制作用的设备总体。

1.2.1人工控制与自动控制的比较图1-3（a）所示是一种人工操纵的水位调节系统，控制要求是保持水箱水位始终处在期望水位（简称给定值）。图中水箱是被控制的设备，简称被控对象；水箱水位是被控制的物理量，简称被控量。图1-3（b）所示是人工控制水位的模拟过程，简称控制系统的方框图。图中用方框代表系统中具有相应的功能单元或部件，用箭头表示功能单元之间的信号及其传递方向。

图1-3（a）水位人工调节原理图图1-3（b）水位人工调节系统的方框图

图1-4（a）所示是一种简单的水箱水位自动调节系统。图中浮子相当于人的眼睛，用来测量水位高低；连杆机构相当于人的大脑和手，用来进行比较、计算误差并实施控制。连杆的一端由浮子带动，另一端连接着进水调节阀。图1-4（b）所示是连杆自动调节水位系统的方框图。图1-4（a）水位自动调节原理图

图1-4（b）水位自动调节系统方框图图1-5（a）所示是一种改进的水位自动控制系统。图中浮子相当于人的眼睛，对实际水位进行测量；连杆和电位器相当于人的大脑，它将实际水位与期望水位进行比较，给出偏差的大小和极性；电动机和减速器相当于人的手，调节阀门开度，对水位实施控制。图1-5（b）所示是水位自动控制系统的方框图。图1-5（a）改进的水位自动控制原理图图1-5（b）水位自动控制系统的方框图

自动控制和人工控制极为相似，自动控制系统只不过是把某些装置有机地组合在一起，以代替人的职能而已。这些装置相互配合，承担着控制的职能，通常称之为控制器（或控制装置）。

被控对象和控制器是自动控制系统中的两个重要组成部分。

1.2.2开环控制系统最典型的三种控制方式：开环控制系统闭环控制系统复合控制系统

开环控制系统——不带反馈装置的控制系统，即不存在由输出端到输入端的反馈通路。也就是指系统的控制输入不受输出影响的控制系统。在开环控制系统中，输入端与输出端之间，只有信号的前向通道（即信号从输入端到输出端的路径），而不存在反馈通道（即信号从输出端到输入端的路径）。

图1.6（a）所示是一个直流电动机转速开环控制系统。图1.6（a）转速开环控制原理图1-6（b）是直流电动机转速开环控制系统的方框图。图1-6（b）转速开环控制方框图在开环控制系统中，被控对象的输出量对控制装置（控制器）的输出没有任何影响，即控制装置与被控对象之间只有顺向控制作用，而没有反向联系的控制。由于缺少从系统输出端到输入端的反馈回路，因此开环控制系统精度低且适应性差。

1.2.3闭环控制系统

闭环控制系统——输出量直接或间接地反馈到输入端，形成闭环参与控制的系统。也就是将输出量反馈回来和输入量比较，使输出值稳定在期望的范围内。

图1-7（a）所示是一个直流电动机转速闭环控制系统。图1-7（a）转速闭环控制原理图1-7（b）是直流电动机转速闭环控制系统的方框图。图1-7（b）转速闭环控制方框图

闭环控制系统的主要特点：被控对象的输出（被控制量）会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环或回路。开环控制系统优点：结构比较简单，成本较低。缺点：不能自动修正被控量的偏离，控制精度低，抗干扰能力差，而且对系统参数变化比较敏感。闭环控制系统优点：具有自动修正被控量出现偏离的能力，可以修正元件参数变化以及外界扰动引起的误差，控制精度高。缺点：被控量可能出现振荡，甚至发散。1.2.4复合控制系统对主要的扰动采用适当的补偿装置实现按扰动原则控制，同时，组成闭环反馈控制实现按偏差原则控制，以消除其它扰动带来的偏差。这样按偏差原则和按扰动原则结合起来构成的系统，称为复合控制系统。它兼有开环和闭环两者的优点，可以构成精度很高的控制系统。一种控制直流电动机速度的复合控制系统的原理图和方框图如图1-8所示。

图1-8(a)转速复合控制系统原理图图1-8(b)转速复合控制系统方框图1.3自动控制系统的基本构成

图1-9反馈控制系统的基本构成给定环节：产生给定的输入信号。控制器（调节器）：根据误差信号，按一定规律，产生相应的控制信号，控制器是自动控制系统的核心部分。放大环节：将控制信号进行放大，使其变换成能直接作用于执行机构的信号。执行机构：一般由传动装置和调节机构组成，直接作用于被控对象，使被控量发生变化。被控对象：控制系统所要控制的设备或生产过程，它的输出就是被控量。反馈环节（检测装置）：对系统输出（被控量）进行测量，将它转换成为与给定量相同的物理量（一般是电量）。扰动：除输入量外能使被控量偏离输入量所要求的值或规律的控制系统的内外的物理量。

前向通路：信号从输入端沿箭头方向到达输出端的通路主反馈通路：系统的输出量经检测装置到输入端的通路

主回路：由前向通路和主反馈通路构成

内回路：由局部前向通路和局部反馈通路够成的回路

单回路系统：一个只包含主反馈通路的系统

多回路系统：包含两个或两个以上的反馈通路的系统

1.4自动控制系统的分类

1.4.1线性系统与非线性系统

线性系统——组成系统的元器件的静态特性为直线，该系统的输入与输出关系可以用线性微分方程来描述。

非线性系统——组成系统的元器件中有一个以上具有非直线的静态特性的系统，只能用非线性微分方程描述，不满足叠加原理。

(a)继电器特性(b)饱和特性(c)不灵敏区特性图1-10典型的非线性环节1.4.2连续系统与离散系统连续系统——系统内各处的信号都是以连续的模拟量传递的系统。其输入－输出之间的关系可用微分方程来描述。

离散系统——系统一处或多处的信号以脉冲序列或数码形式传递的系统。可用差分方程来描述输入－输出之间的关系。

1.4.3恒值系统与随动系统恒值系统的特点：系统输入量(即给定值)是恒定不变的。随动系统的特点：给定值是预先未知的或随时间任意变化。

1.4.4单输入输出系统与多输入输出系统

单输入-单输出系统——输入量和输出量各只有一个，也称为单变量系统，系统结构较为简单。

多输入-多输出系统——输入量和输出量个数多于一个，也称为多变量系统，系统结构较为复杂。一个输入量对多个输出量有控制作用，同时，一个输出量往往受多个输入量的控制。

1.4.5确定性系统与不确定性系统

确定系统——系统的结构和参数是确定的，预先可知的，系统的输入信号(包括给定输入和扰动)也是确定的，可用解析式或图表确切地表示。不确定系统——系统本身的结构和参数不确定或作用于系统的输入信号是不确定的。

1.4.6集中参数系统与分布参数系统集中参数系统——系统中的参量是定常的或是时间的函数，系统的输入量、输出量及中间量都只是时间的函数，运动规律可以用时间变量的常微分方程来描述的系统。分布参数系统——系统中至少存在一个环节必须用偏微分方程来描述，这一环节的参量不只是时间的函数还明显依赖于该环节的状态。系统的输出不再单纯是时间变量的函数，也是系统内部状态变量的函数。1.5对自动控制系统的基本要求

三个基本要求：

稳定性——系统处于平衡状态下，受到扰动作用后，系统恢复原有平衡状态的能力，是控制系统正常工作的。准确性——稳态时系统期望输出量和实际输出量之差，是系统处于稳态时的要求。快速性——通过动态过程时间的长短来表征，是对系统的动态响应的要求。

1.5.1稳定性

一个实际系统处于一个平衡的状态时，当扰动作用（或给定值发生变化）时，输出量将偏离原来的稳定值：稳定系统不稳定系统(a)输入为阶跃信号时的稳定系统(b)输入为阶跃信号时的不稳定系统

(c)输入为干扰信号时的稳定系统(d)输入为干扰信号时的不稳定系统图1-11稳定系统和不稳定系统1.5.2动态特性

动态特性（暂态特性）——表征系统从一个稳态过渡到另一个稳态经历的过渡过程的指标。由于控制对象的惯性有很大的不同，输出量的暂态过程也就不同，其表现有以下几种情况：单调过程衰减振荡过程持续振荡过程发散振荡过程

(a)给定量突变时输出量的变化(b)负载突变时输出量的变化图1-12单调过程(a)给定量突变时输出量的变化(b)负载突变时输出量的变化图1-13衰减振荡过程(a)给定量突变时输出量的变化(b)负载突变时输出量的变化图1-14持续振荡过程(a)给定量突变时输出量的变化(b)负载突变时输出量的变化图1-15发散振荡过程

动态特性指标——描述系统在单位阶跃信号作用下的动态过程随时间的变化状态的指标。系统的动态特性指标通常有：延迟时间，上升时间，峰值时间，调节时间，超调量，振荡次数。对于单位阶跃信号，系统的动态响应如图1-16所示：图1-16系统对突加给定信号的动态响应曲线延迟时间——响应曲线第一次到达其理论稳定值的一半所需的时间。上升时间——响应从理论稳定值的上升到所需的时间。峰值时间——响应超过其稳态值到达第一个峰值所需的时间。调节时间——系统的输出量进入并保持在稳态输出值附近的允