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中国古代自动化方面的辉煌成就：公元725年，一行、梁令瓒发明有自动报时机构的水运浑象，其中使用了一个天衡装置，是一个按被调量偏差调节的自动调节器；公元1086-1092年，苏颂和韩公廉建造具有“天衡”自动调节和自动报时机构的水运仪象台；公元l135年，宋代王普记述“莲华漏”上使用浮子—阀门式机构自动调节漏壶的水位；公元1637年，明代的《天工开物》一书中记载有程序控制思想的提花织机结构图。飞球调节器世界上公认的第一个自动控制系统1788年瓦特发明飞球调节器，进一步推动蒸汽机的应用，促进了工业的发展。推动了社会进步是飞球调节器公认为第一个自动控制系统的最主要原因！13没有理论指导使控制技术停滞了一个世纪！

飞球调节器有时使蒸汽机速度出现大幅度振荡。其它自动控制系统也有类似现象。由于当时还没有自控理论，所以不能从理论上解释这一现象。为了解决这个问题，盲目探索了大约一个世纪之久。14自动控制理论的开端1868年英国麦克斯韦尔的“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，分析微分方程解的稳定性，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的特征根的实部的正、负号问题。麦克斯韦尔的这篇著名论文被公认为自动控制理论的开端。15经典控制理论的孕育1875年，英国劳斯提出代数稳定判据。1895年，德国赫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。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。经典控制理论的形成●

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！●维纳《控制论》是关于怎样把机械元件和电气元件组合成稳定的并且具有特定性能的系统的科学。这门新科学的一个非常突出的特点就是完全不考虑能量、热量和效率等因素，可是，在其他各门自然科学中，这些因素是十分重要的。●控制论所讨论的主要问题是一个系统的各个不同部分之间的相互作用的定性性质，以及整个系统的总体运动状态。空间技术促使现代控制理论的产生现代控制理论促进了空间技术的发展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。18现代控制理论在工业过程控制方面遭遇滑铁卢，促使了智能控制技术的诞生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，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。经典控制理论(古典控制理论)以传递函数为基础，研究单输入---单输出定常控制系统的分析与设计问题：线性控制系统分析：时域分析、稳定性与稳态误差分析、根轨迹分析、频域分析。非线性控制系统分析：相平面分析、描述函数分析。（连续控制系统、离散控制系统）现代控制扶理论以状态空苦间法为基搜础，研究痒多输入--多输出肤时变、紫非线性毒、高精油度、高她效能控款制系统蝴的分析纱与设计伍问题：（线性系统爱、自适应演控制、最钞优控制、纽奉鲁棒控制眼、最佳估折计、容错采控制、系统统辨识、筐集散控制陕、大系统火复杂系统）智能控制似（专家系补统、模统糊控制库、神经考网络、设遗传算叔法）实例（涨示意图掀）人工（素手动）妇控制：（1）对象：判储液系统（2）目标：缘瑞液位（3）眼睛隔：观察液位变化（4）大脑：梢分析、比较、判叉断（5）手/脚：动作池执行第一章俭自动控制骗的一般概翼念实例（示买意图）自动控制桥：（1）对象倘：储液惕系统（2）目标：歌液位（3）传感鹅器：检焦测液位变谱化（4）控制训器：控倡制功能（5）执行器模：完成控蚊制动作传感器信号信号驱动凳设备控制原圾理框图（控制理叉念）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自动控耽制的概猎念自动控未制：是指没有秘人直接参雷与的情况申下，利用蹄控制装置黎（称控制松器），使纵整个生产赏过程或工汤作机械（福称被控对纲象）的某丢个工作状稼态或参数寇（即被控域量）自动秀地按照预峡定的规律悦运行。自动控制株系统：能够实现雀自动控制钱任务的系令统，由控段制器与控厘制对象组膏成。控制对象控制器输入量输出量扰动量?控制对象击：要求实现泰自动控制困的机器、笼设备或生窄产过程。控制器：对控制堡对象起玩控制作姥用的控奔制装置海总体。输入量：作用于亿控制系柜统输入海端，并粥可使系冒统具有太预定功全能或预泻定输出您的物理辰量。输出量：位于控枝制系统坦输出端虫，并要陵求实现覆自动控制制的物犯理量。扰动量：破坏系统杏输入量和考输出量之恰间预定规当律的信号扛。自动控制叼系统控制促原理方框专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魔制装置元素：（1）婚：枝元件（2）践：弹信号（衬物理量辟）及传赛递方向（3）只：忧比较点挡（信号爬叠加）（4）目：本引出点罚（分支钻、信号绿强度）（5）+/-：符号甚的意义锄（正、腐负反馈毯）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+关键点热：工作原衫理输入输爪出被控对象中间环节信号传旺递(自动控仪制系统预方块图摄的绘制)控制系撑统1.2控制原理伞与方式1.开稠环控制开环控奇制系统矿是指无杯被控量郊反馈的朴控制系醋统,即揭需要控惧制的是朵被控对忘象的某鹊一量(哥被控量杨),而黄测量的跪只是给爹定信号倒,被控促量对于驶控制作泊用没有菌任何影裹响的系肃统。结尸构如图下所示。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谱给定值秘至被控孙量单向独传递。汉这种控成制较简芦单,但手有较大特的缺陷惹,即对始象或控狸制装置辞受到干奏扰,或链工作中证特性参悦数发生棍变化,估会直接娇影响被勉控量,贱而无法自动补姥偿。因此,秃系统的控制精度难以保证青。从另一最种意义理佩解,意味轨着对受控兽对象和其村它控制元垃件的技术要求璃较高。如数控攻线切割律机进给订系统、漏包装机麻等多为齐开环控然制。2.反馈控制——闭环控制比（核心）闭环控制激的定义是幕有被控制机量反馈的瘦控制,其原理框碎如图所示娃。从系统牲中信号流造向看,系块统的输出死信号沿反赤馈通道又佳回到系统注的输入端峰,构成闭捡合通道,砖故称闭环欠控制系统肤,或反馈巩控制系统竿。前/正向通蚀道反/负向通道这种控屯制方式燃,无论小是由于障干扰造佩成,还室是由于腊结构参林数的变爹化引起截被控量芹出现偏偶差,系受统就利访用偏差模去纠正迹偏差,牛故这种摊控制方败式为按偏差伴调节。闭环控钉制系统豪的突出好优点是副利用偏计差来纠脾正偏差改,使系阁统达到较高的控加制精度。但与开急环控制系赵统比较,挥闭环系统句的结构比絮较复杂,傲构造比较失困难。需介要指出的唯是,由于绒闭环控制摧存在反馈信号,利用腔偏差进摸行控制久,如果视设计得磨不好,于将会使系统无法圆正常和稳籍定地工作。另外,知控制系统谷的精度与碗系统的稳趣定性之间丈也常常存搁在矛盾。开环控制各和闭环控糕制方式各企有优缺点亦,在实际贯工程中应漂根据工程馋要求及具匙体情况来剂决定。如俩果事先预拥知输入量袍的变化规礼律,又不饿存在外部底和内部参充数的变化咬,则采用枪开环控制侨较好。如劲果对系统瞒外部干扰谱无法预测虽,系统内后部参数又材经常变化诊,为保证痒控制精度治,采用闭梢环控制则沙更为合适钻。如果对辩系统的政性能要司求比较哗高,为银了解决搭闭环控举制精度铃与稳定植性之间脚的矛盾塌,可以睛采用开舟环控制印与闭环头控制相尸结合的来复合控途制系统导。（3）.复合控暗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自动控键制系统京的组成候及术语典型反馈罩控制系统总的原理如盯图所示(1)被控对芽象:它是绸控制系龙统所控航制和操否纵的对务象,它葱接受控翠制量并耽输出被氧控制量拉。(2)控制器:接收变我换和放大物后的偏差挎信号,转热换为对被新控对象进唯行操作的船控制信号毛。(3)放大变栋换环节:将偏差妇信号变换东为适合控复制器执行竞的信号。驶它根据控熊制的形式禽、幅值及营功率来放饮大变换。(4)校正装置机:为改善宽系统动嘱态和静丈态特性锣而附加徒的装置骄。如果侮校正装像置串联爬在系统朴的前向罩通道中瞎,称为余串联校歌正装置武;如果怨校正装落置接成超反馈形贝式,称近为并联宿校正装亡置,又谱称局部吃反馈校代正。(5)反馈环节蛮:它用来测呆量被控量生的实际值死,并经过肤信号处理膝,转换为歪与被控制安量有一定哗函数关系幕,且与输幻玉入信号同易一物理量慎的信号。览反馈环节亚一般也称仆为测量变演送环节。(6)给定环巡寿节:产生输归入控制满信号的俘装置。(1)输入信乒号:泛指对障系统的守输出量轨有直接食影响的散外界输逃入信号农,既包氏括控制甘信号又皂包括扰养动信号乡丰。其中灾控制信途号又称屯控制量绘、参考狠输入、朱或给定腰值。(2)输出信号垂:是指反粗馈控制午系统中绪被控制密的物理谈量,它逝与输入页信号之眉间有一材定的函掩数关系巧。(3)反馈信舱号:将系统(看或环节)以的输出信确号经变换滑、处理送胆到系统(何或环节)浊的输入端敢的信号,膏称为反馈散信号。若拳此信号是鲁从系统输验出端取出着送入系统相输入端,堆这种反馈你信号称主扁反馈信号民。而其它逼称为局部诊反馈信号慢。控制系统然中常用的挤名词术语(4)偏差信基号:控制输佛入信号艰与主反驱馈信号国之差。(5)误差信坐号:它指系统宿输出量的肠实际值与坡希望值之学差。系统惭希望值是蠢理想化系犬统的输出纲，实际上室并不存在罢,它只能估用与控制居输入信号复具有一定乡丰比例关系钓的信号来贱表示。在陶单位反馈竿情况下,乳希望值就捐是系统的矛输入信号蚁,误差信纳号等于偏陈差信号。(6)扰动信号报:除控制拐信号以熄外,对善系统的炼输出有败影响的贱信号。1.4自动控制块系统的类使型1.按信宿号流向划者分（1）冻开环控播制系统信号流去动由输粗入端到罩输出端理单向流祝动。（2）闭环秒控制系旨统若控制旧系统中暮信号除行从输入垫端到输似出端外择,还有棚输出到死输入的站反馈信浴号,则底构成闭膝环控制凶系统,笋也称反货馈控制唯系统,茅如图所延示。2.按系统季输入信心号划分（1）恒值调组节系统(荷自动调节她系统)这种系统体的特征是裂输入量为没一恒值,芹通常称为慎系统的给定值。控制系华统的任务绵是尽量排面除各种干怒扰因素的乐影响,使愉输出量维追持在给定焰值(期望值)。如工撑业过程中谋恒温、恒为压、恒速变等控制系沫统。（2）随动殖系统(熔跟踪系双统)该系统娱的控制扮输入量妄是一个舅事先无悲法确定炮的任意哄变化的裹量,要袭求系统声的输出量能揉迅速平稳利地复现或懒跟踪输入策信号的变影化。如雷达拔天线的自万动跟踪系岸统和高炮浸自动描准纳系统就是粪典型的随诵动系统。（3）添程序控脂制系统系统的控粱制输入信导号不是常近值,而是刺事先确定的运喝动规律,编成鼠程序装值在输入太装置中赌,即控采制输入悠信号是浸事先确萍定的程知序信号架,控制缠的目的筒是使被冲控对象且的被控盆量按照伞要求的码程序动凭作。如雁数控车脏床就属宋此类系炊统。3.线性诸系统和非洲线性系统组成系烂统元器奴件的特定性均为坊线性的士,可用锦一个或宗一组线性微分敏方程来描冷述系统输倍入和输出前之间关系。线性英系统的系主要特亏征是具每有齐次困性和叠龙加性。(1)线性系统(2)非线性净系统在系统中谈只要有一惰个元器件隔的特性不氧能用线性掌微分方程悉描述其输瓜入和输出恳关系,则亿称为非线巩性系统。作非线性系雨统还没有材一种完整孕、成熟、蒙统一的分设析法。通故常对于非拣线性程度冤不很严重享,或做近祥似分析时匹,均可用墓线性系统凝理论和方旧法来处理瞧。4.定常系统四和时变系驾统(1)定常系统如果描述近系统特性阶的微分方程朝中各项系犬数都是与须时间无关毕的常数,则称奸为定常病系统。帐该类系顷统只要翅输入信加号的形抹式不变扯,在不默同时间栽输入下反的输出交响应形蜂式是相版同的。(2)时变系铸统如果描素述系统薯特性的症微分方番程中只颗要有一法项系数是切时间的瓦函数,此系糖统称为碎时变系营统。5.连续系陆统和离鸦散系统(1)连续系新统系统中涌所有元与件的信号都张是随时棉间连续蚁变化的,信号的崭大小均是滨可任意取债值的模拟量,称为另连续系润统。(2)离散系灰统离散系准统是指山系统中姥有一处桂或数处舞的信号是稼脉冲序闲列或数没码。若系统奇中采用了错采样开关雷,将连续馋信号转变绑为离散的星脉冲形式多的信号,扬此类系统显称为采样控制警系统或脉立冲控制系斗统。若采用吹数字计算妹机或数字躁控制器,粒其离散信春号是以数简码形式传承递的,此春类系统称洞为数字控制暗系统。6.单输入单老输出系统兼与多输入躬多输出系呢统(1)单输入单刚输出系统码(单变量艇系统)系统的碎输入量气和输出郑量各为一个,称为单碍输入单输款出系统。(2)多输入多匪输出系统驳(多变量喂系统)若系统的迅输入量和或输出量多屑于一个,易称为多输垦入多输出赶系统。对其于线性多林输入多输哀出系统,痕系统的任芝何一个输眼出等于数详个输入单餐独作用下深输出的叠加。1.5自动控制篇系统性能拾的基本要光求自动控吉制系统威是否能掠很好地拘工作,雕是否能付精确地健保持被耐控量按伶照预定晓的要求贵规律变诱化这取罩决于被控对浑象和控若制器及严各功能步元器件抚的特性换参数是否设计嫂得当。在理想情瞎况下,控深制系统的溜输出量和贩输入量,楼在任何时肢候均相等演,系统完扮全无误差消,且不受普干扰的影收响。实际种系统中,起由于各种偷各样原因知,系统在描受到输入素信号(也蚊包括扰动糟信号)的踢激励时,者被控量将姑偏离输入蚀信号作用雹前的初始壁值,经历挽一段动态过程比(过渡过斧程)，则系骄统控制麻性能的圣优劣,蜂可以从助动态过横程中较桥充分地居表现出剩来。单位阶跃响应仿真MATLAB模型仿真输出1+△1-△

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1.稳象定性(例稳)控制精度是衡量鸡系统技手术性能皮的重要增尺度。涨一个高雨品质的武系统,躲在整个仁运行过航程中,滑被控量做对给定摆值的偏风差应该串是最小绢的。考泪虑动态婆过程在左不同阶补段中的税特点,袭工程上乘通常从桶稳、准翻、快三吉个方面尺来衡量使自动控盛制系统屯。稳定工得作是所倡有自动库控制系高统的最希基本要语求,是兴系统能除否工作阻的前题介。不稳确定的系类统根本亏无法完渐成控制两任务。京考虑到栽实际系魂统工作咱环境或倡参数的柏变动,鸟可能导站致系统旨不稳定捡,因此音,我们锄除要求珍系统稳毕定外,孝还要求沸其具有梅一定的稳定裕量。2.稳态精猜度(准按)3.动态过孟程(快糖)稳态精度敲是指系统捆过渡到新简的平衡工利作状态以酷后,或系撕统对抗干性扰重新恢巾复平衡后漏,最终保杠持的精度视。稳态精者度与控知制系统跪的结构畅及参数贩,输入晚信号形多式有关。动态过灶程是指骆控制系颗统的被研控量在蜂输入信屿号作用斥下随时唐间变化示的全过暖程,衡方量动态蜘过程的擦品质好藏坏常采塌用单位哨阶跃信带号作用栗下过渡稀过程中展的超调量,过渡过程扛时间等性能指票标。对于一叉个实际厦系统其除输入信渠号往往肿是比较旧复杂的鹊,而系词统的输差出响应喝又与输扣入信号坐类型有遭关。因后此,在赏研究自鄙动控制绵系统的办响应时趋,往往稍选择一谷些典型程输入信赚号,并希且以最常不利的裤信号作护为系统段的输入件信号,室分析系愤统在此模输入信长号下所铺得到的名输出响道应是否或满足要凭求，估摔计系统缘瑞在比较族复杂信福号作用查下的性传能指标耻。1.阶凭跃函数它的数肆学表达令式为：常采用艺的典型翻输入信骂号有：它表示工一个在t=0时刻出现裂的，幅值挑为A的阶跃意变化函颠数，如度图所示闷。在实谋际系统归中，如亿负荷突柔然增大拆或减小炸，流量拾阀突然禁开大或骑关小均萄可以近碧似看成刑阶跃函艺数的形狭式。A=1的函数液称为单棚位阶跃哲函数，磁记作1逆(t)。因此，幅