自动控制原理一般概念讲解

自动控制原理电气工程及其自动化PrinciplesofAutomaticControl控制理论：自动化学科的重要理论基础引言研究自动控制共同规律的技术科学自动控制原理自动控制技术应用自动控制系统课程的性质和特点自动控制是一门技术学科，从方法论的角度来研究系统的建立、分析与设计。《自动控制原理》是本学科的专业基础课，是自动控制理论的基础课程，该课程与其它课程的关系如下。微积分（含微分方程）电机与拖动模拟电子技术线性代数电路理论信号与系统自动控制理论复变函数、拉普拉斯变换大学物理（力学、热力学）课程学习要面临数学基础宽而深控制原理抽象计算复杂且繁琐绘图困难计算机数学语言MATLAB数值解/解析解（数学运算）控制理论的内容

二十世纪三项科学革命：控制论、量子论、相对论

控制论：

经典控制理论现代控制理论（智能控制理论）导读自动化技术几乎渗透到国民经济的各个领域及社会生活的各个方面，是当代发展最迅速、应用最广泛、最引人注目的高科技，是推动新的技术革命和新的产业革命的关键技术，在某种程度上说，自动化是现代化的同义词。自动控制原理研究分析、设计自动控制系统的基本方法。本章主要讲什么内容?从介绍自动控制的发展历史入手，引出自动控制理论分析、设计自动控制系统的基本思想，然后介绍自动控制的基本概念，以及对自动控制系统的基本要求，使读者对自动控制理论的总的目标有个大致的了解。飞机导航系统制导导弹现代的高新技术让导弹长上了“眼睛”和“大脑”，利用负反馈控制原理去紧紧盯住目标哈勃望远镜－特殊地卫星中巴资源卫星人造地球卫星

控制其准确地进入预定轨道运行并回收雷达技术雷达操作时，天线就要不停地转动。天线的作用是把雷达中产生的无线电波按照一定的方向向外发射出去，并把被反射回来的无线电波接收下来。正因为天线所起的作用好似人的眼睛一样，因此雷达要注视和侦察整个天空的状况，天线就要不停地转动，用一个驱动马达使天线作360度的旋转，这样它就能在360度范围内进行“搜索”。101.0自动控制发展简史中国古代自动化方面的成就：公元前14世纪至前11世纪，中国、埃及和巴比伦出现自动计时漏壶；公元130年，张衡发明水运浑象，132年研制出自动测量地震的候风地动仪；公元235年，马钧研制出用齿轮传动自动指示方向的指南车，类似按扰动补偿的自控系统；11中国古代自动化方方面的辉煌成就：：公元725年，一行、梁令瓒瓒发明有自动报时时机构的水运浑象象，其中使用了一一个天衡装置，是是一个按被调量偏偏差调节的自动调调节器；公元1086-1092年，苏颂和韩公廉廉建造具有“天衡衡”自动调节和自自动报时机构的水水运仪象台；公元l135年，宋代王普记述述“莲华漏”上使使用浮子—阀门式机构自动调调节漏壶的水位；；公元1637年，明代的《天工开物》一书中记载有程序序控制思想的提花花织机结构图。飞球调节器世界上公认的第一一个自动控制系统统1788年瓦特发明飞球调调节器，进一步推动蒸汽机机的应用，促进了了工业的发展。推动了社会进步是是飞球调节器公认认为第一个自动控控制系统的最主要要原因！13没有理论指导使控控制技术停滞了一一个世纪！飞球调节器有时使使蒸汽机速度出现现大幅度振荡。其其它自动控制系统统也有类似现象。。由于当时还没有自自控理论，所以不不能从理论上解释释这一现象。为了了解决这个问题，，盲目探索了大约约一个世纪之久。。14自动控制理论的开开端1868年英国麦克斯韦尔尔的“论调速器””论文指出：不应单独研究飞球球调节器，必须从从整个系统分析控控制的不稳定。建立系统微分方程程，分析微分方程程解的稳定性，从从而分析实际系统统是否会出现不稳稳定现象。这样，，控制系统稳定性性的分析，变成了了判别微分方程的的特征根的实部的的正、负号问题。。麦克斯韦尔的这篇篇著名论文被公认认为自动控制理论论的开端。15经典控制理论的孕孕育1875年，英国劳斯提出出代数稳定判据。。1895年，德国赫尔维兹兹提出代数稳定判判据。1892年，俄国李雅普诺诺夫提出稳定性定定义和两个稳定判判据。1932年，美国奈奎斯特特提出奈氏稳定判判据。二战中自动火炮、、雷达、飞机以及及通讯系统的控制制研究直接推动了了经典控制的发展展。经典控制理论的形形成●1948年，维纳出版《控制论》，形成完整的经典典控制理论，标志志控制学科的诞生生。维纳成为控制论的的创始人！●维纳《控制论》是关于怎样把机械械元件和电气元件件组合成稳定的并并且具有特定性能能的系统的科学。。这门新科学的一一个非常突出的特特点就是完全不考考虑能量、热量和和效率等因素，可可是，在其他各门门自然科学中，这这些因素是十分重重要的。●控制论所讨论论的主要问题是一一个系统的各个不不同部分之间的相相互作用的定性性性质，以及整个系系统的总体运动动状态。空间技术促使现代代控制理论的产生生现代控制理论促进进了空间技术的发发展二次世界大战结束束后，各国大力发发展空间技术，经经典控制理论不能能满足需要，需要要研究新的控制理理论。现代控制理论在空空间技术取得巨大大成功，促进了空空间技术的发展。。18现代控制理论在工工业过程控制方面面遭遇滑铁卢，促促使了智能控制技技术的诞生现代控制理论在空空间技术取得巨大大成功，但由于工工业过程控制中普普遍存在的不确定定性和干扰，难以以取得预期的效果果。模拟人的控制制技术——智能控制，虽然不不能实现精确的控控制，但对各种复复杂系统能够做到到比较满意的控制制。经典控制理论(古典控制理论)以传递函数为基础础，研究单输入---单输出定常控制系系统的分析与设计计问题：线性控制系统分析析：时域分析、稳稳定性与稳态误差差分析、根轨迹分分析、频域分析。。非线性控制系统分分析：相平面分析析、描述函数分析析。（连续控制系统、、离散控制系统））现代控制理论以状态空间法为基基础，研究多输入入--多输出时变、非线线性、高精度、高高效能控制系统的的分析与设计问题题：（线性系统、自适应应控制、最优控制制、鲁棒控制、最最佳估计、容错控控制、系统辨识、、集散控制、大系系统复杂系统）智能控制（专家系统、模糊控控制、神经网络、、遗传算法）实例（示意图）人工（手动）控制制：（1）对象：储液系统统（2）目标：液位（3）眼睛：观察液位变化（4）大脑：分析、比比较、判断（5）手/脚：动作执行第一章自动控制制的一般概念实例（示意图）自动控制：（1）对象：储液系统统（2）目标：液位（3）传感器：检测液位变化（4）控制器：控制功功能（5）执行器：完成控控制动作传感器信号信号驱动设备控制原理框图（控制理念）对象手脚（执行器）大脑（控制器）眼睛（传感器）控制对象执行装置控制器测量装置1.1自动控制的概念自动控制：是指没有人直接参参与的情况下，利利用控制装置（称称控制器），使整整个生产过程或工工作机械（称被控控对象）的某个工工作状态或参数（（即被控量）自动动地按照预定的规规律运行。自动控制系统：能够实现自动控制制任务的系统，由由控制器与控制对象象组成。控制对象控制器输入量输出量扰动量?控制对象：要求实现自动控制制的机器、设备或或生产过程。控制器：对控制对象起控制制作用的控制装置置总体。输入量：作用于控制系统输输入端，并可使系系统具有预定功能能或预定输出的物物理量。输出量：位于控制系统输出出端，并要求实现现自动控制的物理理量。扰动量：破坏系统输入量和和输出量之间预定定规律的信号。自动控制系统控制制原理方框图控制对象执行装置控制器测量装置控制器比较环节输入量偏差测量值输出量控制量扰动量控制动作广义对象自动控制装置元素：（1）：元件件（2）：信号号（物理量）及传传递方向（3）：比较较点（信号叠加））（4）：引出出点（分支、信号号强度）（5）+/-：符号的意义（正正、负反馈）炉温控制系统方框图(-)utug扰动给定装置放大器电动机转速反馈装置触发器晶阐管可控整流器控制装置受控对象n

方框图ueudoRP1ugR0R0R1-utRP2-+-++TGMudouc直流电机调速系统+关键点：工作原理输入输出被控对象中间环节信号传递(自动控制系统方块块图的绘制)控制系统1.2控制原理理与方式式1.开环环控制开环控制制系统是是指无被被控量反反馈的控控制系统统,即需需要控制制的是被被控对象象的某一一量(被被控量),而测测量的只只是给定定信号,被控量量对于控控制作用用没有任任何影响响的系统统。结构构如图所所示。控制器控制对象扰动给定值输出量控制器控制对象扰动输出量测量装置按给定值操纵的开环控制原理方框图按扰动补偿的开环控制原理方框图信号由给给定值至至被控量量单向传传递。这这种控制制较简单单,但有有较大的的缺陷,即对象象或控制制装置受受到干扰扰,或工工作中特特性参数数发生变变化,会会直接影影响被控控量,而而无法自动补偿偿。因此,系统的的控制精度度难以保证证。从另另一种意意义理解解,意味味着对受受控对象象和其它它控制元元件的技术要求求较高。如数控线线切割机机进给系系统、包包装机等等多为开开环控制制。2.反馈控制制——闭环控制制（核心心）闭环控制制的定义义是有被被控制量量反馈的的控制,其原理框框如图所所示。从从系统中中信号流流向看,系统的的输出信信号沿反反馈通道道又回到到系统的的输入端端,构成成闭合通通道,故故称闭环环控制系系统,或或反馈控控制系统统。前/正向通道道反/负向通道道这种控制制方式,无论是是由于干干扰造成成,还是是由于结结构参数数的变化化引起被被控量出出现偏差差,系统统就利用用偏差去去纠正偏偏差,故故这种控控制方式式为按偏差调节节。闭环控制系系统的突出出优点是利利用偏差来来纠正偏差差,使系统统达到较高的控制制精度。但与开环环控制系统统比较,闭闭环系统的的结构比较较复杂,构构造比较困困难。需要要指出的是是,由于闭闭环控制存存在反馈信号,利用偏差差进行控制制,如果设设计得不好好,将会使使系统无法正正常和稳定定地工作。另外,控控制系统的的精度与系系统的稳定定性之间也也常常存在在矛盾。开环控制和和闭环控制制方式各有有优缺点,在实际工工程中应根根据工程要要求及具体体情况来决决定。如果果事先预知知输入量的的变化规律律,又不存存在外部和和内部参数数的变化,则采用开开环控制较较好。如果果对系统外外部干扰无无法预测,系统内部部参数又经经常变化,为保证控控制精度,采用闭环环控制则更更为合适。。如果对系统统的性能要要求比较高高,为了解解决闭环控控制精度与与稳定性之之间的矛盾盾,可以采采用开环控控制与闭环环控制相结结合的复合合控制系统统。（3）.复合控制控制器控制对象扰动输出量输入量补偿器控制器控制对象扰动输出量输入量补偿器1.3自动控制系统的的组成及术语典型反馈控制系系统的原理如图图所示(1)被控对象:它是控制系统统所控制和操纵纵的对象,它接接受控制量并输输出被控制量。。(2)控制器:接收变换和放放大后的偏差信信号,转换为对对被控对象进行行操作的控制信信号。(3)放大变换环节:将偏差信号变变换为适合控制制器执行的信号号。它根据控制制的形式、幅值值及功率来放大大变换。(4)校正装置:为改善系统动态态和静态特性而而附加的装置。。如果校正装置置串联在系统的的前向通道中,称为串联校正正装置;如果校校正装置接成反反馈形式,称为为并联校正装置置,又称局部反反馈校正。(5)反馈环节:它用来测量被控控量的实际值,并经过信号处处理,转换为与与被控制量有一一定函数关系,且与输入信号号同一物理量的的信号。反馈环环节一般也称为为测量变送环节节。(6)给定环节:产生输入控制信信号的装置。(1)输入信号:泛指对系统的输输出量有直接影影响的外界输入入信号,既包括括控制信号又包包括扰动信号。。其中控制信号号又称控制量、、参考输入、或或给定值。(2)输出信号:是指反馈控制系系统中被控制的的物理量,它与与输入信号之间间有一定的函数数关系。(3)反馈信号:将系统(或环节节)的输出信号号经变换、处理理送到系统(或或环节)的输入入端的信号,称称为反馈信号。。若此信号是从从系统输出端取取出送入系统输输入端,这种反反馈信号称主反反馈信号。而其其它称为局部反反馈信号。控制系统中常用用的名词术语(4)偏差信号:控制输入信号与与主反馈信号之之差。(5)误差信号:它指系统输出量量的实际值与希希望值之差。系系统希望值是理理想化系统的输输出，实际上并并不存在,它只只能用与控制输输入信号具有一一定比例关系的的信号来表示。。在单位反馈情情况下,希望值值就是系统的输输入信号,误差差信号等于偏差差信号。(6)扰动信号:除控制信号以外外,对系统的输输出有影响的信信号。1.4自动控制系统的的类型1.按信号流向向划分（1）开环控制制系统信号流动由输入入端到输出端单单向流动。（2）闭环控制系统统若控制系统中信信号除从输入端端到输出端外,还有输出到输输入的反馈信号号,则构成闭环环控制系统,也也称反馈控制系系统,如图所示示。2.按系统输入信号号划分（1）恒值调节系统统(自动调节系系统)这种系统的特征征是输入量为一一恒值,通常称称为系统的给定值。控制系统的任任务是尽量排除除各种干扰因素素的影响,使输输出量维持在给给定值(期望值)。如工业过程程中恒温、恒压压、恒速等控制制系统。（2）随动系统(跟跟踪系统)该系统的控制输输入量是一个事事先无法确定的的任意变化的量量,要求系统的的输出量能迅速平平稳地复现或跟跟踪输入信号的的变化。如雷达天线的的自动跟踪系统统和高炮自动描描准系统就是典典型的随动系统统。（3）程序控制制系统系统的控制输入入信号不是常值值,而是事先确定的运动规律律,编成程序装在在输入装置中,即控制输入信信号是事先确定定的程序信号,控制的目的是是使被控对象的的被控量按照要要求的程序动作作。如数控车床床就属此类系统统。3.线性系统和和非线性系统组成系统元器件件的特性均为线线性的,可用一一个或一组线性微分方程来来描述系统输入入和输出之间关关系。线性系统的主主要特征是具有有齐次性和叠加加性。(1)线性系统(2)非线性系统在系统中只要有有一个元器件的的特性不能用线线性微分方程描描述其输入和输输出关系,则称称为非线性系统统。非线性系统统还没有一种完完整、成熟、统统一的分析法。。通常对于非线线性程度不很严严重,或做近似似分析时,均可可用线性系统理理论和方法来处处理。4.定常系统和时变变系统(1)定常系统如果描述系统特特性的微分方程中各项项系数都是与时时间无关的常数数,则称为定常系系统。该类系统统只要输入信号号的形式不变,在不同时间输输入下的输出响响应形式是相同同的。(2)时变系统如果描述系统特特性的微分方程程中只要有一项项系数是时间的函函数,此系统称为时时变系统。5.连续系统和离散散系统(1)连续系统系统中所有元件件的信号都是随时间间连续变化的,信号的大小均均是可任意取值值的模拟量,称为连续系统统。(2)离散系统离散系统是指系系统中有一处或或数处的信号是脉冲序列列或数码。若系统中采用用了采样开关,将连续信号转转变为离散的脉脉冲形式的信号号,此类系统称称为采样控制系统或或脉冲控制系统统。若采用数字计计算机或数字控控制器,其离散散信号是以数码码形式传递的,此类系统称为为数字控制系统。6.单输入单输出系系统与多输入多多输出系统(1)单输入单输出系系统(单变量系系统)系统的输入量和和输出量各为一个,称为单输入单单输出系统。(2)多输入多输出系系统(多变量系系统)若系统的输入量量和输出量多于于一个,称为多多输入多输出系系统。对于线性性多输入多输出出系统,系统的的任何一个输出出等于数个输入入单独作用下输输出的叠加。1.5自动控制系统性性能的基本要求求自动控制系统是是否能很好地工工作,是否能精精确地保持被控控量按照预定的的要求规律变化化这取决于被控对象和控制制器及各功能元元器件的特性参参数是否设计得当。。在理想情况下,控制系统的输输出量和输入量量,在任何时候候均相等,系统统完全无误差,且不受干扰的的影响。实际系系统中,由于各各种各样原因,系统在受到输输入信号(也包包括扰动信号)的激励时,被被控量将偏离输输入信号作用前前的初始值,经经历一段动态过程(过渡渡过程)，则系统控制性性能的优劣,可可以从动态过程程中较充分地表表现出来。单位阶跃响应仿真MATLAB模型仿真输出1+△1-△

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1.稳定性(稳稳)控制精度是衡量系统技术术性能的重要尺尺度。一个高品品质的系统,在在整个运行过程程中,被控量对对给定值的偏差差应该是最小的的。考虑动态过过程在不同阶段段中的特点,工工程上通常从稳稳、准、快三个个方面来衡量自自动控制系统。。稳定工作是所有有自动控制系统统的最基本要求求,是系统能否否工作的前题。。不稳定的系统统根本无法完成成控制任务。考考虑到实际系统统工作环境或参参数的变动,可可能导致系统不不稳定,因此,我们除要求系系统稳定外,还还要求其具有一一定的稳定裕量。2.稳态精度(准)3.动态过程(快)稳态精度是指系系统过渡到新的的平衡工作状态态以后,或系统统对抗干扰重新新恢复平衡后,最终保持的精精度。稳态精度与控制制系统的结构及及参数,输入信信号形式有关。动态过程是指控控制系统的被控控量在输入信号号作用下随时间间变化的全过程程,衡量动态过过程的品质好坏坏常采用单位阶阶跃信号作用下下过渡过程中的的超调量,过渡过程时间等性能指标。对于一个实际系系统其输入信号号往往是比较复复杂的,而系统统的输出响应又又与输入信号类类型有关。因此此,在研究自动动控制系统的响响应时,往往选选择一些典型输输入信号,并且且以最不利的信信号作为系统的的输入信号,分分析系统在此输输入信号下所得得到的输出响应应是否满足要求求，估计系统在在比较复杂信号号作用下的性能能指标。1.阶跃函数它的数学表达式式为：常采用的典型输输入信号有：它表示一个在在t=0时刻出现的，，幅值为A的阶跃变化函函数，如图所所示。在实际际系统中，如如负荷突然增增大或减小，，流量阀突然然开大或关小