自动控制原理（1）学习资料

自动控制原理朱亚萍zhuyp@杭州电子科技大学自动化学院第一章自动控制的一般概念1.1

自动控制系统简介1.2

自动控制系统的组成1.3

自动控制系统的分类1.4

对自动控制系统的基本要求1.1自动控制系统简介1.自动控制一、自动控制、系统、自动控制系统例如：无人驾驶飞机按照预定航迹自动升降飞行；人造卫星准确地进入预定轨道运行并回收等。自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。2.系统自动控制系统是指能够实现自动控制的系统就可称为自动控制系统，一般由控制装置和被控对象组成。系统是指按照某些规律结合在一起的物体（元部件）的组合，它们相互作用、相互依存，并能完成一定的任务。3.自动控制系统月球车机器人足球比赛4.自动控制系统应用举例装配机器人汽车自动焊接生产线机械转速、位置的控制工业过程中温度、压力、流量的控制远洋巨轮航行控制深水潜艇的控制飞机自动驾驶神舟飞船的返回控制“勇气”号、“机遇”号的火星登陆控制总之，自动控制技术的应用几乎无所不在。二、自动控制的应用领域一是根据各种平衡关系推导出的机理模型，它们能够清晰地表征过程变化的物理意义，但需要相关专业领域的知识；1.数学建模三、自动控制原理要解决的基本问题常用的模型有两类：二是基于试验数据的建模方法，也称系统辨识，主要表征了系统输入输出变量之间的关系。2.系统分析3.系统综合系统综合是在给出被控对象及其技术指标要求的情况下，寻求一个能完成控制任务、满足技术指标要求的控制系统。系统分析是指在控制系统结构参数已知、系统数学模型建立的条件下，判定系统的稳定性，计算系统的动、静态性能指标，研究系统性能与系统结构、参数之间的关系。在控制系统的主要元件和结构形式确定的前提下，综合任务往往是需要改变系统的某些参数，有时还要改变系统的结构，选择合适的校正装置，计算、确定其参数，加入系统之中，使其满足预定的性能指标要求，这个过程称为系统的校正。综合问题的答案往往并不唯一，对系统提出的同样一组要求，往往可以采用不同的方案来满足；在选择系统结构和参数时，往往会出现相互矛盾的情况，需要进行折中，同时必须考虑控制方案的可实现性和实现方法。在系统综合的基础上，还要进行系统设计工作，把理论上分析可行的控制系统，具体转化为工程中可以实施的物理装置，设计时还要通盘考虑经济性、可靠性、安装工艺、使用环境等各个方面的问题。四、控制理论发展的历史、现状和前景1经典控制理论以单变量控制，随动/调节为主要内容，以微分方程和传递函数为数学模型，以频率响应法为主要方法。数学工具：微分方程，复变函数2现代控制理论

现代控制理论以多变量控制、最优控制为主要内容，采用时域法，以状态方程为数学模型。数学工具：线性代数，泛函分析3后现代控制理论大系统、智能控制；以网络、通讯、人机交互为代表的信息自动化集成的理论与技术。经典控制理论：以单变量控制，随动/调节为主要内容，以微分方程和传递函数为数学模型，所用的方法主要以频率响应法为主。数学工具：微分方程，复变函数。现代控制理论：60年代初形成并迅速发展起来的。现代控制理论是在航天、航空、导弹等军事尖端技术的发展，对自动控制系统提出越来越高的要求的推动下发展起来的。要求设计高精度、快速响应、低消耗、低代价的控制系统；被控制对象越来越大型、复杂、综合化，从单个局部自动化发展成综合集成自动化。后现代控制理论 ：80年代以后，控制理论向广度与深度发展。大系统是指规模大、结构复杂、变量众多的信息与控制系统。在系统理论中，采用状态方程和代数方程相结合的数学模型，状态空间和运筹学等相结合的数学方法。智能控制是具有某些仿人智能的工程控制与信息处理系统，其中最典型的是智能机器人。21世纪，网络、通讯、人机交互为代表的信息自动化集成的理论与技术。1.2控制系统的基本组成控制目标：炉子的温度恒定在期望的数值上。a.炉子温度——人工控制图1－1

炉子温度人工控制元件图图1－2

炉子温度人工控制系统框图例1

炉子的温度控制一、自动控制系统的示例b.炉子温度——自动控制图1－3

炉子温度自动控制系统元件图图1－4

炉子温度自动控制系统框图图1－5

液位控制系统if减速器控制器电动机电位器浮子用水开关Q2Q1cSM例2

液位控制系统图1－6

液位控制系统框图图1－7

控制系统功能框图二、控制系统的组成被控对象：在自动化领域，被控制的装置、物理系统或过程称为被控对象（炉子）。控制器：对控制对象产生控制作用的装置称为控制器，有时也称为控制元件、调节器等（放大器）。执行元件：直接改变被控变量的元件称为执行元件（电机、减速器、调压器）。1.控制系统的组成测量元件：能够将一种物理量检测出来并转化成另一种容易处理和使用的物理量的装置称为传感器或测量元件（热电偶）。参考输入元件：将指令输入信号变成参考输入信号的元件可称为参考输入元件（电位器）。

2.控制系统中常用的信号和变量输入信号：由外部加到系统中的变量，它不受系统中其他变量的影响和控制（给定温度）。输出信号：由系统或元件产生的变量，其中最受关注的输出信号又称为被控变量（实际温度）。输入信号的响应：由某一个输入信号产生的输出信号又称为该输入信号的响应。控制变量：控制器的输出信号称为控制变量，它作用在控制对象（执行元件、功率放大器）上，影响和改变被控变量（放大器（控制器）的输出信号）。被控变量：在控制系统中被控制的物理量是被控变量。（炉子温度）反馈信号：是被控变量经传感器等元件变换并返回到输入端的信号，一般与被控变量成正比（热电偶的输出信号）。给定值：又称为指令输入信号，它与被控变量是同一物理单位，用来表示被控变量的设定值（炉子温度的设定值）。参考输入信号：代表指令输入信号与反馈信号进行比较的基准信号称为参考输入信号（电位器的输出电压）。偏差信号：参考输入信号与反馈信号之差称为偏差信号（e=r-y）。扰动信号：是加于系统上的不希望的外来信号，它对被控变量产生不利的影响（周围环境温度的变化及炉子散热条件的变化等）。1.3自动控制系统的分类一、开环控制和闭环控制

图1－8

开环控制系统图1－9

闭环控制系统控制器和控制对象间只有正向控制作用，系统的输出量不会对控制器产生任何影响；结构简单，成本低，容易控制，但控制精度低；一般适合于干扰不强或可预测的、控制精度要求不高的场合；如果系统的给定输入与被控量之间的关系固定，且其内部参数或外来扰动的变化都比较小，或这些扰动因素可以事先确定并能给予补偿，则采用开环控制也能取得较为满意的控制效果；对扰动没有抑制能力。1.开环控制系统在控制器与被控对象之间，不仅存在着正向作用，而且存在着反向作用，即系统输出量对控制作用有直接影响；将检测出来的输出量送回到系统的输入端，并与输入信号比较的过程称为反馈；若反馈信号与输入信号相减，则称为负反馈，反之，若相加，则称为正反馈；反馈控制就是指负反馈控制。闭环系统必须考虑稳定性问题。2.闭环控制系统3.闭环系统与开环系统的区别由于增加了反馈通道，系统的控制精度得到了提高，若采用开环控制，要达到同样的精度，则需要高精度的控制器，从而大大增加了成本；由于存在系统的反馈，可以较好地抑制系统各环节中可能存在的扰动和由于器件的老化而引起的结构和参数的不确定性；反馈环节的存在可以较好地改善系统的动态性能。闭环控制系统与开环控制系统的比较项目开环控制闭环控制结构简单、成本低复杂、成本高精度精度低、对元器件要求高精度高、对元器件要求低稳定性通常不考虑必须考虑1.线性控制系统同时满足叠加性与均匀性。叠加性是指当几个输入信号共同作用于系统时，总的输出等于每个输入单独作用时产生的输出之和；均匀性是指当输入信号增大若干倍时，输出也相应增大同样的倍数。如果线性系统中的参数不随时间变化，则称为线性定常系统；否则称为线性时变系统。二、线性控制系统和非线性控制系统

2.非线性控制系统控制系统中，若至少有一个元件具有非线性特性；不具有齐次性，也不适用叠加原理；输出响应和稳定性与输入信号和初始状态有很大关系；也有时变和定常系统之分；严格地讲，绝对线性的控制系统（或元件）是不存在的。1.定值控制系统（r(t)=const.）定值控制系统分析与设计的重点就在于系统的抗扰性能，研究各种扰动对输出的影响及抗扰的措施。三、定值控制系统、随动系统和程序控制系统

例如：室温控制系统、直流电机转速控制系统。输入信号是恒值，要求被控变量保持相对应的数值不变；随动系统的输入信号是预先未知的随时间任意变化的函数，要求输出量以一定的精度和速度跟随输入量的变化而变化。随动控制系统的分析与设计重点就在于系统的跟随性能——快速准确地复现输入信号。此时，扰动的影响是次要的。在随动系统中，如果输出量是机械位置或其导数时，这类系统称之为伺服系统。

例如：火炮随动系统、雷达天线控制系统。2.随动系统（r(t)

不可预测）3.程序控制系统（r(t)

变化事先已知）要求被控变量也按相应的规律随输入信号变化，误差不超过规定值。

输入信号是按已知的规律（事先规定的程序）变化；例如：热处理炉的温控系统、机床的数码加工系统和仿形控制系统。四、连续控制系统和离散控制系统

将自动控制系统中随时间变化的物理量统称为信号。按照时间函数取值的连续性与离散性可将信号划分为连续时间信号与离散时间信号（简称为连续信号与离散信号）。除了时间上的连续与离散外，信号的幅值也可以是连续或离散的（只能取某些规定的值）。若在所讨论的时间间隔内，除若干个不连续的点外，对于任意时间值都有确定的函数值，此信号就称为连续信号。对于连续信号，若幅值也是连续的，则称为模拟信号。控制系统中各部分的信号都是时间的连续函数，则该系统为连续控制系统。连续控制系统常用微分方程来描述。1.连续控制系统离散信号在时间上是离散的，只在规定的瞬时给出函数值，在其他时间没有定义。对于离散信号，若幅值是连续的，则称为采样信号；若幅值是离散的，则称为数字信号。在自动控制系统中，采样信号都是在连续信号的基础上经过采样后得到的，对采样信号进行量化处理，就可以得到适于计算机控制的数字信号。在控制系统各部分的信号中只要有一个是时间的离散信号，该系统就是离散控制系统。离散系统则采用差分方程来描述。2.离散控制系统五、定常系统和时变系统如果系统的参数不随时间而变化，则称此类系统为定常系统（或称为时不变系统）；在同样的起始状态下，系统的输出（响应）与输入信号作用于系统的时刻无关。若系统的参数随时间改变，则称为时变系统。系统的输出与输入信号作用于系统的时刻有关。六、单输入单输出系统与多输入多输出系统单输入单输出系统(SISO)也称为单变量系统，系统的输入量与输出量各为一个。1.单输入单输出系统多输入多输出系统(MIMO)也称为多变量系统，系统的输入量与输出量多于一个。2.多输入多输出系统集中参数系统和分布参数系统确定性系统和不确定性系统有静差和无静差系统等等七、其他分类方法在给定或扰动的作用下，输出要跟踪复现输入信号有一个时间过程，称为过渡过程（或称暂态过程、动态过程、动态响应）。1.4对自动控制系统的基本要求系统要能正常的工作，过渡过程应趋于一个平衡状态，即系统的输出应收敛于与输入信号相对应的期望值（或期望的曲线上）。当过渡过程结束后，系统输出量复现输入信号的过程，称为稳态过程（或称稳态响应）。对控制系统性能的基本要求即体现在这两个过程之中，系统的性能指标通常也分为动态性能指标与稳态性能指标。在工程应用中，常常从稳定性、快速性和准确性三方面来评价控制系统的总体性能。稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件。一个稳定的控制系统，其被控量偏离期望值的初始偏差应随时间的增长逐渐减小并趋于零。因此，稳定性是指控制系统偏离平衡状态后，自动恢复到平衡状态的能力。一、稳定性①②Otr(t)c(t)图1－10被控量变化的动态特性快即指过渡过程的快速性。若过渡过程持续的时间很长，将使系统长时间处于大偏差的情况，会降低系统的工作效率；同时也说明系统响应很迟钝，难以跟踪复现快速变化的信号。二、快速性tc(t)r(t)O②①图1－11被控量变化的动态特性三、准确性对于一个稳定的系统而言，当瞬态过程结束后，