1、自動控制原理侍洪波 電 話：辦 公 室： 實驗15樓204室E-mail教學參考書田玉平. 自動控制原理(第二版), 科學出版社,2006, ISBN 7-03-017427-5胡壽松. 自動控制原理(第四版),科學出版社,2001, ISBN 7-03-008881-6李友善.自動控制原理(第三版), 國防工業出版社,2005, ISBN 7-118-03692-7 tiger08第一章 緒論1.1 引言1）自動控制 在無人直接參與的情況下，利用控制裝置，使工作機械、或生產過程(被控對象)的某個工作狀態或參數(被控量)按預定的規律(給定量)運行。18世紀瓦特設計蒸汽機速度自動控制自動控制技術

2、廣泛應用2) 自動控制理論 是研究自動控制系統組成，進行系統分析設計的一般性理論 是研究自動控制過程共同規律的技術學科3) 自動控制系統 是指實現上述控制目的，由相互制約的各部分按一定規律組成的具有特定功能的整體。4)自動控制理論的發展經典控制理論(19世紀初) 時域法 復域法 (根軌跡法) 頻域法 現代控制理論(20世紀60年代) 線性系統 自適應控制 最優控制 魯棒控制 最佳估計 容錯控制 系統辨識 大系統復雜系統智能控制理論(20世紀70年代) 專家系統 模糊控制 神經網絡 遺傳算法 以傳遞函數為基礎的經典控制理論，研究的主要對象是單輸入-單輸出的單變量、線性定常系統。 如：調節電壓改變

3、電機的速度；調整方向盤改變汽車的運動軌跡等。 經典控制理論 現代控制理論 以狀態空間模型為基礎，研究的主要對象是多輸入-多輸出的多變量、變參數系統。 如：汽車看成是一個具有兩個輸入（駕駛盤和加速踏板）和兩個輸出（方向和速度）的控制系統。 計算機科學地發展，極大地促進了控制科學地發展經典控制理論與現代控制理論比較經典控制理論現代控制理論研究對象線性定常系統（單輸入、單輸出）線性、非線性、定常、時變系統（多輸入、多輸出）描述方法傳遞函數（輸入、輸出描述）向量空間（狀態空間描述）研究辦法根軌跡法和頻率法狀態空間法研究目標系統分析及給定輸入、輸出情況下的系統綜合揭示系統的內在規律，實現在一定意義下的最

4、優控制與設計大系統控制理論 是一種控制與信息處理相結合的動態系統工程理論，研究的對象具有規模龐大、結構復雜、功能綜合、目標多樣、因素眾多等特點。它是一個多輸入、多輸出、多干擾、多變量的系統。 如：人體，我們就可以看作為一個大系統，其中有體溫的控制、情感的控制、人體血液中各種成分的控制等等。 大系統控制理論目前仍處于發展階段。智能控制 基于人工智能技術應用，在近年來新發展起來的一種控制技術，它的指導思想是依據人的思維方式和處理問題的技巧，解決那些目前需要人的智能才能解決的復雜的控制問題。 它是一門新興的控制學科，能運用人們的經驗與技巧解決許多以往控制中難以解決的棘手問題(如建模等)，因此得到了人

5、們極大的重視。 1.2 自動控制系統的構成 控制目標：要求爐子的溫度恒定在期望的數值上。 控制過程：溫控系統-人工控制溫控系統-自動控制負反饋原理 將系統的輸出信號引回輸入端，與輸入信號相比較，利用所得的偏差信號進行控制，達到減小偏差、消除偏差的目的。 閉環控制系統的核心 閉環(反饋)控制系統的特點： (1) 系統內部存在反饋，信號流構成閉回路 (2) 偏差起調節作用 自動溫控控制系統構成框圖控制系統的組成 被控對象控制系統 測量元件 比較元件 控制裝置 放大元件 執行機構 校正裝置 給定元件名詞術語輸入信號 也叫參考輸入，給定量或給定值，它是控制著輸出 量變化規律的指令信號。輸出信號 是指被

6、控對象中要求按一定規律變化的物理量，又 稱被控量，它與輸入量之間保持一定的函數關系。反饋信號 由系統(或元件)輸出端取出并反向送回系統(或元 件)輸入端的信號稱為反饋信號。反饋有主反饋和 局部反饋之分。 名詞術語偏差信號 它是指參考輸入與主反饋信號之差。誤差信號 指系統輸出量的實際值與期望值之差，簡稱誤差。擾動信號 簡稱擾動或干擾，它與控制作用相反，是一種不 希望的、影響系統輸出的不利因素。擾動信號既 可來自系統內部，又可來自系統外部，前者稱內 部擾動，后者稱外部擾動典型的反饋控制系統的結構 1.3 自動控制的基本方式(1) 反饋控制方式 按偏差進行控制，具有抑制擾動對被控量產生影響的能力和較

7、高的控制精度。自動控制的基本方式(2)(2)開環控制方式 指控制裝置與被控對象之間只有順向作用而沒有反向聯系的控制過程。自動控制的基本方式(3)(3)順饋控制方式 1.4 控制系統的分類(1)恒值(定值)控制系統和隨動控制系統 恒值控制系統（或稱自動調節系統、自動鎮定系統）的 特點：輸入信號是一個恒定的數值。工業生產中的恒溫、恒壓等自動控制系統都屬于這一類型。 恒值控制系統可看成輸入等于常值的過程控制系統,系統反應的靈敏性(慣性)問題非主要矛盾，主要考察抗干擾的問題。隨動控制系統 系統的輸入量(控制量)是預先未知的隨時間任意變化的函數，要求被控量以盡可能小的誤差跟隨控制量的變化，故又稱為跟隨系

8、統。在隨動系統中。擾動的影響是次要的，系統分析、設計的重點是研究被控量跟隨的快速性和準確性，系統靈敏性成為主要矛盾。 在隨動系統中，如果被控量是機械位移或其導數時，這類系統稱之為伺服系統。(2)線性控制系統和非線性控制系統線性系統 組成系統的全部元件都是線性元件，它們的輸入-輸出的靜態特性均為線性，這類系統的運動可由常系數的微分方程（或差分方程）來描述。 疊加性質 齊次性(比例)如果一個系統具有下列性質： (1) 輸入x1(t)產生輸出 y1(t)； (2) 輸入x2(t)產生輸出y2(t) ； (3) 輸入c1x1(t)+c2x2(t)產生輸出c1y1(t)+c2y2(t) ；其中，x1(t

9、) 、x2(t) 是任意輸入信號，c1、c2是任意常數，則系統是線性系統。 疊加原理 在線性系統中，由 n個輸入xi(t) (i=1、2n）共同產生的 輸出y(t)，等于各個輸入xi(t)單獨產生的輸出之yi (t)和，即： 疊加原理與線性控制系統非線性系統 系統中含有一個或多個非線性元件，非線性元件的靜態輸入-輸出特性均為非線性的。凡含有非線性元件的系統均稱為非線性系統。系統的運動需要用非線性的微分方程或差分方程來描述。 (3)定常系統與時變系統 如果控制系統的結構、參數在系統運行過程中不隨時間變化，則稱為定常系統或者時不變系統，否則，稱為時變系統。(4)連續(時間)系統與離散(時間)系統

10、連續系統 系統中各部分的信號均是時間變量的連續函數，常微分方程形式離散系統 系統中的信號為脈沖序列或數碼形式，信號在時間上是離散的，差分方程形式反饋信號A/D 數字計算機被控對象反饋環節輸入信號誤差信號被控量D/A離散信號控制信號)(tr)(te)(tc)(1tu)(kTu)(kTe)(tf計算機采樣控制系統(5)集總參數系統與分布參數系統集總參數系統 描述系統的所有非獨立變量都可以假設是時間的單一函數，而不是空間位置的函數。常微分方程分布參數系統 系統變量是時間和幾何位置的函數，偏微分方程控制系統的分類*按給定信號的形式 恒值系統/隨動系統 *按系統是否滿足疊加原理 線性系統/非線性系統*按

11、系統參數是否隨時間變化 定常系統/時變系統*按信號傳遞的形式 連續系統/離散系統*按輸入輸出變量的多少 單變量系統/多變量系統*瞬間特性是否與空間分布特性相關 集總參數/分布參數1.5 控制系統的性能要求 通常將系統受到給定值或干擾信號作用后，控制被控量變化的全過程稱為系統的動態過程。 系統在外力作用下，輸出逐漸與期望值一致，則系統是穩定的，如曲線所示；反之，輸出如曲線所示，則系統是不穩定的。控制系統的性能要求工程上常從穩、快、準三個方面來評價控制系統。 穩(穩定性)： 指動態過程的平穩性。 快(瞬態性能)： 指動態過程的快速性。 準(穩態性能)： 指動態過程的最終精度。控制系統的性能要求控制

12、系統的性能要求(1)穩定性 穩定性是對系統的基本要求，不穩定的系統不能實現預定任務。(2)瞬態性能 對過渡過程的形式和快慢提出要求，一般又稱為動態性能。過渡時間、超調量、振蕩次數 穩和快反映了系統動態過程性能的好壞。既快又穩，表明系統的動態精度高。(3)穩態性能 用穩態誤差來衡量。 在參考輸入信號作用下，當系統達到穩態后，其穩態輸出與參考輸入所要求的期望輸出之差叫做給定穩態誤差。 穩、快、準三方面的性能指標往往由于被控對象的具體情況不同，各系統要求也有所側重，而且同一個系統的穩、快、準的要求是相互制約的。控制系統的性能要求1.6 控制系統的典型測試信號 為便于用統一的方法研究和比較控制系統的性

13、能，通常選用幾種確定性函數作為典型測試信號。可選作典型外作用的函數應具備以下條件：這種函數在現場或實驗室中容易得到。控制系統在這種函數作用下的性能應代表在實際工作條件下的性能。(3) 這種函數的數學表達式簡單，便于理論計算。 (1)單位階躍函數r(t)tf(t)0其拉氏變換為：s1dte1)s(F)t(fL0st=-=0t00t1)t(r)t(f 其數學表達式為：其Z變換為：Zf(t)=ZZ - 1(2) 單位脈沖函數000)()(=ttttfd 其數學表達式為：其拉氏變換為：1)()(=sFtfL+-=1)(dttd定義： 單位脈沖作用在現實中是不存在的，它是某些物理現象經數學抽象化的結果。其Z變換為:Zf(t)=1 (3)單位斜坡函數0t0t0t)t(f=其數學表達式為：tf(t)0其拉氏變換為：20sts1dtet)s(F)t(fL=