自動控制系統

1.1引言1.2自動控制的定義和歷史回顧1.3自動控制系統舉例及術語定義1.4自動控制系統的基本控制方式1.5自動控制系統分類1.6自動控制系統的基本要求1.7自動控制原理課程的性質和內容1.8小結第1章

緒論

在當今天的社會生活與各行各業中，自動化技術無處不在．自動控制系統除在各工程領域廣泛應用外，還被用于社會、經濟和人文管理等各個領域，它為人類文明進步做出了重要貢獻……因此，大多數工程技術人員和科學工作者現在都必須具備一定的自動控制系統知識。1.1引言1．自動控制的定義

所謂的自動控制技術是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設備或裝置﹝稱控制器Controller﹞，使機器﹑設備或生產過程﹙統稱被控對象Plant或被控過程Process﹚的某個工作狀態或參數﹙即被控量﹚自動地按照預定的規律運行．1.2自動控制的定義和歷史回顧(1)中國張衡發明水運渾象，研制出自動測量地震的候風地動儀(132年)I.前期控制(EarlyControl)(1400B.C.-190)2．自動控制的發展歷史(2)中國馬鈞研制出用齒輪傳動的自動指示方向的指南車(235年)(3)英國J.Watt（瓦特）用離心式調速器控制蒸汽機的速度控制系統(1788年)(4)英國E.J.Routh（勞斯）建立Routh判據(Routh-HurwitzStabilityCriteria)(1875年)(5)英國J.M.Gray（格雷）設計出第一艘全自動蒸汽輪船“東方”號(GreatEastern)(1866年)II.經典控制前期(ThePre-classicalPeriod)(1900-1935)(1)美國福特(FordMotor)汽車公司建成最早的汽車裝配流水線(1913)(2)美國N.Minorsky研制出用于船舶駕駛的伺服結構，提出PID控制方法(1922)(3)美國MIT的VannevarBush研制成第一臺大型模擬計算機(DifferentialAnalyzer)(1928)V.Bush(4)美國H.S.Black（布萊克）提出放大器性能的負反饋方法(NegativeFeedbackAmplifier)(1927)H.S.Black(5)自動控制的基礎為閉環控制。控制論的奠基人N.Wiener（維納）給出的定義為：“Feedbackisamethodofcontrollingasystembyinsertingintoittheresultofitspastperformance”閉環控制系統的結構框圖：III.經典控制(ClassicalControl)(1935-1950)(1)美國貝爾實驗室的H.Bode（伯德）(1938)，以及Nyquist(1940)提出頻率響應法(2)美國Taylor儀器公司的J.G.Ziegler（齊格勒）和N.B.Nichols（尼科爾斯）提出PID參數的最佳調整法(1942)(3)美國MIT的N.Wiener（維納）研究隨機過程的預測(1942)，提出Wiener濾波理論(1942)，發表《控制論》(Cybernetics)一書(1948)，標志著控制論學科的誕生。N.B.NicholsN.WienerN.Wiener,shownherein1954withYukWingLee(left)andAmarG.Bose,discussinganaspectofstatisticalcommunicationtheoryⅣ現代控制(ModernControl)(1950-)二次世界大戰中火炮，雷達，飛機以及通訊系統的控制研究直接推動了經典控制的發展。五十年代后興起的現代控制起源于冷戰時期的軍備競賽，如導彈(發射，操縱，指導及跟蹤)，衛星，航天器和星球大戰，以及計算機技術的出現(英國科學家A.J.G.MacFarlane)。(２)世界第一顆人造地球衛星(Sputnik)由蘇聯發射成功(1957)Sputnik1wasthefirstartificialsatellitelaunchedintospace1957.Laika.Sputnik2(3)加拿大G.Zames提出H∞魯棒控制設計方法(1981年)GorgeZames(4)美國“哥倫比亞”號航天飛機首次發射成功(1981年)（5）1997年7月4日，美國研制的探路者小車勝利完成了火星表面的實地探測，這個由地球上控制的小車僅重23磅，使得綜合信息自動化技術達到了一個空前的高度．翼龍無人機

在現代科學技術的眾多領域中，自動控制技術起著越來越重要的作用。提高了生產效率及勞動強度。所謂自動控制，就是在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設備或裝置（控制裝置），使機器、設備或生產過程（控制對象）的某個工作狀態或參數（被控量）自動地按照預定的規律運行。

如數控車床按預定程序自動切削，人造衛星準確進入預定軌道并回收等。1.3自動控制系統舉例及術語定義1.3.1液位控制系統發電廠、石油化工等生產企業中的鍋爐和反應器是常見的生產過程設備。為了保證鍋爐正常運行，需維持鍋爐液位為期望值鍋爐液位反饋控制系統代表相加點，負號表示減法運算，正號表示加法運算；箭頭表示信號流動方向．符號代表分支點，表示在該點上來自方框的信號將同時流向其他方框或相加點．1.3.2溫度控制系統在冶金、電力、石油化工以及生物制藥等行業中的許多工藝設備中的溫度控制是相當普遍的1.3.3自動控制系統術語定義1、被控過程或設備（Processtobecontrolled，Plant）

指任何一個被控制的設備（如一種機械裝置、一個加熱爐、一個化學反應器、一架飛機），有時又稱為被控對象．2.

被控變量﹑設定變量和操縱或控制變量1）被控變量是一種被測量和被控制的量值或狀態（工業過程控制中用符號PV表示，（ParametersVariable），它也是控制系統的輸出量．2）設定變量是指期望的被控變量值（工業過程控制中用符號SV或SP表示，（SetVariable、SetPoint），它相當于控制系統的參考輸入量．3）操縱(控制)變量是由控制器改變的量值或狀態（工業過程控制中用符號MV表示，ManipulatedVariable），它將影響被控變量的值，相當于控制量．3.

系統（Systems）指一些部件的組合，包含物理學、生物學和經濟學等方面的系統．4.擾動（Disturbance）

是一種對系統的輸出量控制產生不利影響的信號．5.反饋控制（FeedbackControl）存在擾動的情況下，力圖減小系統的輸出量與某種參考輸入量之間的偏差，其工作原理基于這種偏差．1.4.1開環控制（Open-loopControl）開環控制是最基本的控制方式1.4自動控制系統的基本控制方式控制器被控對象輸入量(SV)控制量(MV)輸出量（PV）圖1.6開環控制系統結構1）開環控制

只有輸入量對輸出量產生控制作用，輸出量不參與對系統的控制。2）開環控制特點輸入控制輸出輸出對輸入沒有影響系統沒有抗干擾能力1.4.2閉環控制（Closed-loopFeedbackControl）在圖1.5開環控制的基礎上，加入測速發電機等電機轉速測量單元構成如圖1.7所示的閉環負反饋控制系統控制器被控對象輸入量(SV)控制量(MV)偏差量測量元件／變送器反饋量閉環控制系統的特點

偏差控制，可以抑制內、外擾動對被控量產生的影響。精度高、結構復雜，設計、分析較麻煩。輸出量（ＰV)1.4.3復合控制(Forward-feedbackControl)復合控制就是開環的前向補償控制和閉環的偏差控制的結合，相當于前饋與反饋控制的結合，以提高控制精度，分為按擾動信號補償的復合控制和按輸入信號補償的復合控制兩種．1.按擾動信號補償的復合控制，用于定值控制系統，如圖1.9所示．2.按輸入信號補償的復合控制，用于隨動控制系統．控制器被控對象輸入量(SV)控制量(MV)偏差量測量元件／變送器反饋量輸出量（ＰV)前饋控制前饋控制前饋控制前饋控制按照輸入補償的復合控制1.5.11.5自動控制系統分類線性系統非線性系統連續系統定常系統時變系統確定性系統不確定性系統按系統性能分離散系統1.5.2恒值控制系統隨動系統程序控制系統按參考量變化規律分1.5.3按控制系統輸入量和輸出量類型及數量分數字輸入與數字輸出信號DI﹨DO模擬輸入與模擬輸出信號AI﹨AO單輸入與單輸出系統

SISO多輸入與多輸出系統

MIMO1.5.4按控制原理分1.經典控制器主要有比例控制（P），比例積分控制（PI），比例微分控制（PD），比例積分微分控制（PID）等．2.現代控制算法主要有最優控制、自適應控制、智能控制、自學習控制、解耦控制、魯棒控制等．開環控制閉環控制(反饋控制)復合控制

按控制方式分按系統功用分溫度、液位、流量、壓力控制系統比值控制系統位置控制系統

1.穩定性（Stability）穩定性是控制系統工作的先決條件，不穩定的系統是不能工作的．線性系統的穩定性是由系統固有結構和參數決定的，與外界因素無關．被控量受擾動而偏離期望值后，經過一段時間如能恢復到原來的期望值狀態，該系統是穩定的．2.暫態響應（TransientResponse）暫態響應或快速性指要求控制系統盡可能快地完成控制任務，系統受擾動后能快速恢復到期望狀態．一般指過渡過程時間等．3.穩態響應（SteadyResponse）穩態響應是指過渡過程結束后的響應，可通過其來考察控制系統的準確性。一般用穩態誤差（SteadyStateError）表示被控量達到的穩定值與期望值之間的差值，它是衡量系統控制精度的重要指標之一.1.6自動控制系統的基本要求

穩

準

快1.7自動控制原理課程性質和內容參考書胡壽松主編.自動控制原理（第4版）.北京：科學出版社.2001年謝紅衛等譯.ＭodernControlSystems（第9版）北京：高等教育出版社.2001年汪小帆等譯.AutomaticControlSystems(第８版）.高