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）现代开控制旧理论以状态肃空间法掌为基础误，研究麻多输入--多输出点时变、开非线性波、高精昏度、高霉效能控耗制系统包的分析煤与设计本问题：（线性泊系统爱、自水适应可控制咸、最钱优控陷制、风鲁棒谎控制震、最锐佳估场计、丙容错锦控制洗、系句统辨氏识、亿集散翻控制炊、大忧系统座复杂符系统）智能让控制莫（专家飞系统窜、模旦糊控溜制、性神经扛网络厘、遗低传算早法）实例（盯示意图慨）人工（再手动）盲控制：（1）对象汤：储液钢系统（2）目损标：月液位（3）眼题睛：督观察液位遵变化（4）大转脑：剪分析圆、比较、判拔断（5）手/脚：箱动作陡执行第一章腰自动寒控制的甘一般概叔念实例（嫁示意图浇）自动控聚制：（1）对象吓：储液舱系统（2）目柿标：放液位（3）传感标器：检桂测液位劈燕变化（4）控稀制器帮：控惨制功杏能（5）执行席器：完挡成控制动作传感器信号信号宪驱动谈设备控制璃原理析框图（控慎制理方念）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.脆1自动抄控制信的概遣念自动泡控制倍：是指没野有人直威接参与扛的情况稳下，利岩用控制侮装置（毅称控制臣器），帜使整个唐生产过泥程或工郑作机械顷（称被杠控对象沃）的某笋个工作死状态或既参数（德即被控妇量）自励动地按驾照预定镰的规律淡运行。自动散控制径系统五：能够实说现自动勉控制任辰务的系辽统，由控制器垫与控制箱对象组成。控制对象控制器输入量输出量扰动量?控制炊对象辅：要求实睁现自动洋控制的王机器、挤设备或巩生产过您程。控制誓器：对控绘制对偶象起位控制淋作用蹄的控由制装吉置总风体。输入量剩：作用钓于控糠制系贞统输鞋入端刷，并永可使掌系统刺具有流预定灶功能染或预若定输照出的吐物理只量。输出量诸：位于泡控制南系统腿输出桑端，郊并要架求实舌现自厉动控愤制的沿物理御量。扰动马量：破坏系虾统输入穴量和输竿出量之学间预定肾规律的纳信号。自动鼻控制屠系统失控制柱原理纷方框撕图控制对象执行装置控制器测量装置控制耗器比较环叛节输入量偏差测量编值输出量控制妖量扰动迹量控制动府作广义对鸭象自动控勿制装置元素：（1）遥：割元件（2）响：榨信号注（物娃理量框）及趴传递励方向（3）首：壤比较点批（信号琴叠加）（4）面：助引出点沟（分支章、信号军强度）（5）+/呜-：符号恭的意义绸（正、岗负反馈稻）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+关键局点：工作原旷理输入吃输出被控对否象中间环怖节信号传乖递(自动中控制奏系统侄方块健图的肝绘制)控制印系统1.2控制排原理员与方咬式1.暖开环犹控制开环控剖制系统猜是指无淘被控量裕反馈的膜控制系槽统,即墓需要控嫁制的是职被控对组象的某皮一量(晚被控量傲),而锄测量的盘只是给老定信号酿,被控俩量对于顾控制作六用没有烟任何影斜响的系纤统。结赠构如图织所示。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黑由给趴定值姐至被延控量乒单向剃传递寨。这犯种控柏制较伟简单迫,但州有较孕大的王缺陷会,即触对象科或控迅制装位置受路到干嘴扰,疫或工办作中携特性抛参数件发生慢变化斑,会规直接源影响应被控我量,喝而无伪法自动舅补偿。因此漏,系统馒的控制隔精度难以保虑证。从丽另一种卸意义理杆解,意咐味着对阁受控对绩象和其销它控制滚元件的技术要规求较高。如数熄控线吩切割齐机进阿给系良统、假包装焦机等珠多为灾开环默控制个。2.反馈控波制——闭环控景制（核泉心）闭环控拣制的定才义是有矩被控制皇量反馈段的控制,其原理迹框如图腿所示。赖从系统辅中信号壳流向看观,系统西的输出为信号沿避反馈通李道又回践到系统包的输入冲端,构境成闭合东通道,乒故称闭鸦环控制恼系统,纪或反馈膏控制系棍统。前/正向榨通道反/负向通筹道这种控劫制方式岗,无论监是由于姨干扰造姨成,还乌是由于渡结构参暑数的变惠化引起药被控量处出现偏恼差,系驼统就利逐用偏差皮去纠正漂偏差,累故这种梯控制方纠式为按偏礼差调驴节。闭环温控制盛系统锯的突窃出优课点是蔬利用现偏差浩来纠撕正偏约差,谅使系厦统达冶到较高抚的控稼制精似度。但与抄开环控雅制系统存比较,商闭环系鼻统的结吓构比较巧复杂,盒构造比池较困难沾。需要雕指出的上是,由营于闭环仅控制存盏在反馈信悲号,利用精偏差进督行控制椒,如果气设计得劳不好,安将会使系统旋无法啄正常概和稳勇定地耳工作。另外瓦,控制刺系统的匹精度与匆系统的谎稳定性清之间也买常常存尸在矛盾杆。开环控鱼制和闭朱环控制范方式各甲有优缺影点,在晓实际工靠程中应忘根据工掉程要求便及具体鸡情况来聪决定。动如果事校先预知货输入量棵的变化晃规律,送又不存屋在外部疏和内部却参数的摆变化,脱则采用阁开环控疮制较好完。如果挠对系统两外部干终扰无法筛预测,品系统内员部参数剃又经常鼠变化,映为保证适控制精崭度,采症用闭环源控制则泛更为合破适。如果对蓄系统的卵性能要躬求比较江高,为怨了解决泛闭环控售制精度卷与稳定阁性之间臣的矛盾御,可以捐采用开瓶环控制翠与闭环无控制相测结合的辰复合控及制系统骡。（3）.复合息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.必3自动控典制系统绒的组成愈及术语典型增反馈匠控制扛系统嫂的原变理如液图所记示(1)被控对平象:它埋是控要制系扔统所吴控制泄和操判纵的颤对象亩,它抬接受我控制淋量并扑输出巩被控盖制量李。(2)控制俘器:接收独变换和们放大后略的偏差石信号,斑转换为靠对被控聪对象进租行操作觉的控制庆信号。(3)放大变附换环节:将冒偏差洲信号吊变换辨为适蜜合控刑制器旗执行类的信害号。引它根波据控凤制的昏形式撞、幅凯值及尼功率款来放震大变就换。(4餐)校正谊装置烈:为改槐善系怠统动啦态和命静态量特性及而附基加的无装置喇。如脱果校研正装洗置串降联在嚼系统居的前淹向通缩慧道中焰,称琴为串屯联校是正装纷置;去如果稀校正匪装置输接成却反馈鉴形式残,称背为并株联校脏正装鸭置,垮又称规局部甘反馈屯校正晕。(5)反馈鼻环节军:它用来割测量被巡寿控量的缝实际值致,并经移过信号工处理,霸转换为酷与被控份制量有溪一定函利数关系毫,且与傅输入信医号同一母物理量陪的信号鱼。反馈秘环节一蚊般也称凡为测量提变送环初节。(6)给定环服节:产生娃输入贞控制须信号思的装帅置。(1)输入摇信号翻:泛指炭对系完统的烘输出虎量有虎直接甘影响掀的外败界输趁入信蜂号,悟既包美括控就制信鸦号又狐包括午扰动马信号睡。其享中控伤制信诵号又劝称控新制量债、参能考输夕入、接或给吩定值魔。(2)输出信柄号:是指积反馈框控制子系统预中被损控制奋的物玻理量柜,它狠与输叔入信深号之岗间有脸一定恳的函傍数关惑系。(3沫)反馈稼信号忌:将系统钥(或环参节)的来输出信采号经变页换、处至理送到挖系统(狠或环节膀)的输淘入端的晶信号,坊称为反英馈信号典。若此胞信号是直从系统圆输出端呆取出送评入系统扒输入端违,这种随反馈信芒号称主们反馈信斤号。而战其它称叙为局部歉反馈信诱号。控制诊系统予中常狂用的冠名词哑术语(4)偏差信万号:控制输朵入信号竞与主反秀馈信号蜜之差。(5)误差邀信号逮:它指饲系统者输出权量的旋实际经值与玩希望于值之察差。营系统惰希望忌值是肿理想傻化系兆统的倚输出誓，实娘际上菜并不荡存在屈,它径只能习用与涛控制悲输入闲信号映具有病一定匹比例抢关系渔的信尿号来巷表示新。在梳单位葵反馈肯情况晋下,产希望卖值就答是系开统的怨输入宅信号蕉,误沸差信婶号等导于偏沾差信魂号。(6)扰动信墙号:除控制楼信号以渗外,对约系统的遮输出有驶影响的枕信号。1.南4自动控交制系统滨的类型1.瓜按信感号流录向划宜分（1越）开谢环控永制系秩统信号流强动由输犁入端到计输出端耽单向流勒动。（2）闭环馆控制系姑统若控制掏系统中佣信号除乒从输入谜端到输痕出端外偏,还有积输出到嫂输入的里反馈信开号,则世构成闭遗环控制玩系统,校也称反绑馈控制层系统,裤如图所遵示。2.按系统冬输入信然号划分（1）恒扣值调税节系伞统(咱自动静调节钢系统鸦)这种系棵统的特牙征是输本入量为海一恒值逼,通常匹称为系宇统的给定侮值。控制坝系统的摩任务是掘尽量排也除各种懒干扰因擦素的影燥响,使靠输出量屑维持在燥给定值身(期望银值)。如拢工业过违程中恒房诚温、恒冤压、恒厨速等控诱制系统杂。（2）随逗动系额统(懂跟踪悉系统削)该系沾统的发控制种输入脊量是通一个独事先充无法并确定绒的任趟意变彻化的卸量,吓要求楼系统才的输出粗量能古迅速疏平稳敬地复填现或政跟踪测输入该信号和的变业化。如陵雷达觉天线固的自承动跟自踪系拳统和渐高炮训自动馋描准闻系统花就是我典型塑的随着动系阀统。（3）崭程序控裳制系统系统垒的控兆制输睡入信秋号不荒是常拳值,顺而是今事先确定月的运砍动规赏律,编成怠程序装馅在输入寻装置中弹,即控泻制输入倡信号是角事先确世定的程据序信号皂,控制筋的目的蹲是使被张控对象应的被控霞量按照苹要求的陆程序动劲作。如谣数控车茧床就属虫此类系新统。3.笋线性熟系统长和非草线性棋系统组成只系统亦元器弯件的狱特性圈均为纲线性洋的,啊可用琴一个阿或一渔组线性微支分方程可来描述吉系统输持入和输锐出之间真关系。线性另系统的郊主要特露征是具卸有齐次谜性和叠霸加性。(1巡寿)线性系过统(2瞒)非线性算系统在系晋统中给只要公有一磨个元均器件住的特痕性不检能用额线性侮微分舞方程界描述膀其输宰入和剑输出怠关系幅,则冬称为业非线勉性系烧统。漂非线大性系艳统还税没有荡一种躬完整揭、成续熟、艳统一眯的分眼析法幼。通最常对寸于非寇线性览程度侵不很乖严重卧,或响做近味似分乌析时圈,均短可用截线性也系统牺理论弱和方利法来畏处理抢。4.定常婆系统哈和时浓变系老统(1然)定常系动统如果改描述饲系统废特性希的微分扶方程裕中各扭项系屿数都皂是与架时间赛无关鹿的常果数,则坑称为情定常欠系统该。该差类系富统只拼要输潜入信陪号的嫁形式新不变绒,在荐不同拨时间裤输入业下的恩输出朵响应归形式直是相做同的拜。(2)时变极系统如果比描述裙系统笔特性刺的微程分方伶程中稀只要天有一藏项系数是波时间的局函数,此系拍统称为臂时变系它统。5.连续倾系统笑和离现散系棵统(1庙)连续溉系统系统中夹所有元客件的信号都浪是随时娇间连续干变化的,信号晕的大小镇均是可婚任意取森值的模拟绩量,称跟为连刺续系谅统。(2)离散未系统离散逝系统切是指愉系统澡中有窜一处科或数铸处的信号穗是脉血冲序番列或呆数码。若恶系统掏中采恋用了塞采样意开关银,将淘连续乘信号签转变好为离忘散的困脉冲咬形式欢的信卷号,塌此类振系统盯称为采样控寒制系统编或脉冲助控制系赠统。若见采用或数字唱计算尖机或怀数字摊控制猛器,窄其离梳散信否号是欲以数北码形技式传早递的秒,此作类系班统称崭为数字臣控制棚系统。6.单输入工单输出兵系统与移多输入惯多输出低系统(1)单输入教单输出抵系统(容单变量冤系统)系统的土输入量寺和输出躲量各为一个,称车为单攀输入帖单输扁出系厨统。(2)多输入霞多输出欢系统(绘多变量记系统)若系统对的输入衫量和输老出量多钟于一个呆,称为磁多输入龙多输出唱系统。束对于线岩性多输董入多输抹出系统耀,系统凉的任何嫁一个输盆出等于刑数个输徒入单独梨作用下兄输出的叠加。1.5自动兽控制导系统尝性能截的基忆本要刊求自动问控制题系统遣是否第能很虫好地境工作俭,是递否能急精确浆地保粮持被脉控量耻按照业预定樱的要绒求规池律变名化这最取决冷于被控对悔象和控屋制器及陷各功能巷元器件攻的特性简参数是否绵设计格得当泳。在理阳想情阴况下伙,控贷制系溜统的痰输出财量和角输入担量,转在任央何时花候均释相等裳,系化统完注全无迹误差锤,且协不受晚干扰缓的影呼响。妙实际驼系统彩中,惨由于沿各种链各样刮原因从,系甩统在请受到辜输入圣信号你(也棕包括赴扰动袋信号计)的虹激励店时,恨被控责量将蓄偏离印输入繁信号员作用撕前的蕉初始嚼值,涂经历中一段动态过握程(过风渡过程扭)，则摩系统晋控制型性能柴的优戚劣,粮可以窜从动兽态过尊程中造较充峡分地政表现友出来段。单位阶跃响应仿真MATLAB模型仿真输出1+△1-△

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1.天稳定轮性(骑稳)控制精怨度是衡费量系眠统技亲术性悟能的松重要壁尺度斥。一税个高谣品质季的系奥统,点在整溉个运贩行过扶程中锤,被滤控量杜对给驱定值准的偏装差应甜该是喘最小眠的。雷考虑踩动态滴过程档在不属同阶雄段中片的特耳点,疼工程炎上通必常从陪稳、如准、博快三存个方刑面来剧衡量殿自动销控制伟系统例。稳定工殊作是所麦有自动棕控制系耕统的最觉基本要糟求,是撑系统能指否工作词的前题骄。不稳合定的系则统根本留无法完宿成控制收任务。窑考虑到过实际系伪统工作昨环境或闻参数的知变动,天可能导拒致系统究不稳定律,因此段,我们雪除要求蛮系统稳驻定外,翼还要求族其具有丧一定的稳定主裕量。2.稳态原精度唯(准抚)3.动态过愤程(快匹)稳态精价度是指华系统过忽渡到新绑的平衡远工作状农态以后滩,或系营统对抗疑干扰重坟新恢复欧平衡后俯,最终只保持的练精度。稳态精腥度与控念制系统蚂的结构撤及参数洞,输入粪信号形久式有关。动态贱过程忘是指蕉控制魔系统短的被购控量延在输璃入信羡号作召用下板随时虫间变垫化的测全过湖程,地衡量壮动态田过程骨的品撑质好向坏常句采用越单位前阶跃毁信号伯作用顽下过塔渡过违程中郊的超调赞量,过渡过暂程时间等性能斤指标。对于爆一个排实际缎系统够其输趁入信蓄号往隔往是姥比较民复杂束的,霜而系盘统的猜输出难响应帽又与颗输入趁信号元类型夕有关克。因值此,篮在研咽究自惊动控悟制系尾统的接响应雹时,严往往算选择针一些仿典型鹿输入君信号于,并精且以丹最不选利的非信号块作为冈系统基的输吩入信浩号,劲分析躲系统汇在此什输入伟信号跑下所扩得到张的输绢出响提应是爸否满矿足要货求，稻估计航系统脖在比眯较复月杂信组号作锐用下盈的性折能指雨标。1.关阶跃蠢函数它的物数学虹表达测式为胞：常采债用的所典型社输入胁信号尽有：它表狗示一删个在t=0时刻出车现的，筐幅值为A的阶季跃变巨化函伪数，电如图访所示败。在助实际世系统遇中，吨如负用荷突恳然增脾大或爸减小缺，流末量阀韵突然就开大液或关舟小均辰可以甘近似转看成组阶跃模函数煌的形匪式。A=1的函数暗称为单遵位阶跃榆函数，托记作1专(t)。因此，惠幅值为A的阶硬跃函药数也烂可表去示为俯：出现晴在邻时刻角的阶僚跃函塔