自動控制原理朱亞萍zhuyp@杭州電子科技大學自動化學院第一章自動控制的一般概念1.1

自動控制系統簡介1.2

自動控制系統的組成1.3

自動控制系統的分類1.4

對自動控制系統的基本要求1.1自動控制系統簡介1.自動控制一、自動控制、系統、自動控制系統例如：無人駕駛飛機按照預定航跡自動升降飛行；人造衛星準確地進入預定軌道運行并回收等。自動控制是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設備或裝置（稱控制裝置或控制器），使機器、設備或生產過程（統稱被控對象）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。2.系統自動控制系統是指能夠實現自動控制的系統就可稱為自動控制系統，一般由控制裝置和被控對象組成。系統是指按照某些規律結合在一起的物體（元部件）的組合，它們相互作用、相互依存，并能完成一定的任務。3.自動控制系統月球車機器人足球比賽4.自動控制系統應用舉例裝配機器人汽車自動焊接生產線機械轉速、位置的控制工業過程中溫度、壓力、流量的控制遠洋巨輪航行控制深水潛艇的控制飛機自動駕駛神舟飛船的返回控制“勇氣”號、“機遇”號的火星登陸控制總之，自動控制技術的應用幾乎無所不在。二、自動控制的應用領域一是根據各種平衡關系推導出的機理模型，它們能夠清晰地表征過程變化的物理意義，但需要相關專業領域的知識；1.數學建模三、自動控制原理要解決的基本問題常用的模型有兩類：二是基于試驗數據的建模方法，也稱系統辨識，主要表征了系統輸入輸出變量之間的關系。2.系統分析3.系統綜合系統綜合是在給出被控對象及其技術指標要求的情況下，尋求一個能完成控制任務、滿足技術指標要求的控制系統。系統分析是指在控制系統結構參數已知、系統數學模型建立的條件下，判定系統的穩定性，計算系統的動、靜態性能指標，研究系統性能與系統結構、參數之間的關系。在控制系統的主要元件和結構形式確定的前提下，綜合任務往往是需要改變系統的某些參數，有時還要改變系統的結構，選擇合適的校正裝置，計算、確定其參數，加入系統之中，使其滿足預定的性能指標要求，這個過程稱為系統的校正。綜合問題的答案往往并不唯一，對系統提出的同樣一組要求，往往可以采用不同的方案來滿足；在選擇系統結構和參數時，往往會出現相互矛盾的情況，需要進行折中，同時必須考慮控制方案的可實現性和實現方法。在系統綜合的基礎上，還要進行系統設計工作，把理論上分析可行的控制系統，具體轉化為工程中可以實施的物理裝置，設計時還要通盤考慮經濟性、可靠性、安裝工藝、使用環境等各個方面的問題。四、控制理論發展的歷史、現狀和前景1經典控制理論以單變量控制，隨動/調節為主要內容，以微分方程和傳遞函數為數學模型，以頻率響應法為主要方法。數學工具：微分方程，復變函數2現代控制理論

現代控制理論以多變量控制、最優控制為主要內容，采用時域法，以狀態方程為數學模型。數學工具：線性代數，泛函分析3后現代控制理論大系統、智能控制；以網絡、通訊、人機交互為代表的信息自動化集成的理論與技術。經典控制理論：以單變量控制，隨動/調節為主要內容，以微分方程和傳遞函數為數學模型，所用的方法主要以頻率響應法為主。數學工具：微分方程，復變函數。現代控制理論：60年代初形成并迅速發展起來的。現代控制理論是在航天、航空、導彈等軍事尖端技術的發展，對自動控制系統提出越來越高的要求的推動下發展起來的。要求設計高精度、快速響應、低消耗、低代價的控制系統；被控制對象越來越大型、復雜、綜合化，從單個局部自動化發展成綜合集成自動化。后現代控制理論 ：80年代以后，控制理論向廣度與深度發展。大系統是指規模大、結構復雜、變量眾多的信息與控制系統。在系統理論中，采用狀態方程和代數方程相結合的數學模型，狀態空間和運籌學等相結合的數學方法。智能控制是具有某些仿人智能的工程控制與信息處理系統，其中最典型的是智能機器人。21世紀，網絡、通訊、人機交互為代表的信息自動化集成的理論與技術。1.2控制系統的基本組成控制目標：爐子的溫度恒定在期望的數值上。a.爐子溫度——人工控制圖1－1

爐子溫度人工控制元件圖圖1－2

爐子溫度人工控制系統框圖例1

爐子的溫度控制一、自動控制系統的示例b.爐子溫度——自動控制圖1－3

爐子溫度自動控制系統元件圖圖1－4

爐子溫度自動控制系統框圖圖1－5

液位控制系統if減速器控制器電動機電位器浮子用水開關Q2Q1cSM例2

液位控制系統圖1－6

液位控制系統框圖圖1－7

控制系統功能框圖二、控制系統的組成被控對象：在自動化領域，被控制的裝置、物理系統或過程稱為被控對象（爐子）。控制器：對控制對象產生控制作用的裝置稱為控制器，有時也稱為控制元件、調節器等（放大器）。執行元件：直接改變被控變量的元件稱為執行元件（電機、減速器、調壓器）。1.控制系統的組成測量元件：能夠將一種物理量檢測出來并轉化成另一種容易處理和使用的物理量的裝置稱為傳感器或測量元件（熱電偶）。參考輸入元件：將指令輸入信號變成參考輸入信號的元件可稱為參考輸入元件（電位器）。

2.控制系統中常用的信號和變量輸入信號：由外部加到系統中的變量，它不受系統中其他變量的影響和控制（給定溫度）。輸出信號：由系統或元件產生的變量，其中最受關注的輸出信號又稱為被控變量（實際溫度）。輸入信號的響應：由某一個輸入信號產生的輸出信號又稱為該輸入信號的響應。控制變量：控制器的輸出信號稱為控制變量，它作用在控制對象（執行元件、功率放大器）上，影響和改變被控變量（放大器（控制器）的輸出信號）。被控變量：在控制系統中被控制的物理量是被控變量。（爐子溫度）反饋信號：是被控變量經傳感器等元件變換并返回到輸入端的信號，一般與被控變量成正比（熱電偶的輸出信號）。給定值：又稱為指令輸入信號，它與被控變量是同一物理單位，用來表示被控變量的設定值（爐子溫度的設定值）。參考輸入信號：代表指令輸入信號與反饋信號進行比較的基準信號稱為參考輸入信號（電位器的輸出電壓）。偏差信號：參考輸入信號與反饋信號之差稱為偏差信號（e=r-y）。擾動信號：是加于系統上的不希望的外來信號，它對被控變量產生不利的影響（周圍環境溫度的變化及爐子散熱條件的變化等）。1.3自動控制系統的分類一、開環控制和閉環控制

圖1－8

開環控制系統圖1－9

閉環控制系統控制器和控制對象間只有正向控制作用，系統的輸出量不會對控制器產生任何影響；結構簡單，成本低，容易控制，但控制精度低；一般適合于干擾不強或可預測的、控制精度要求不高的場合；如果系統的給定輸入與被控量之間的關系固定，且其內部參數或外來擾動的變化都比較小，或這些擾動因素可以事先確定并能給予補償，則采用開環控制也能取得較為滿意的控制效果；對擾動沒有抑制能力。1.開環控制系統在控制器與被控對象之間，不僅存在著正向作用，而且存在著反向作用，即系統輸出量對控制作用有直接影響；將檢測出來的輸出量送回到系統的輸入端，并與輸入信號比較的過程稱為反饋；若反饋信號與輸入信號相減，則稱為負反饋，反之，若相加，則稱為正反饋；反饋控制就是指負反饋控制。閉環系統必須考慮穩定性問題。2.閉環控制系統3.閉環系統與開環系統的區別由于增加了反饋通道，系統的控制精度得到了提高，若采用開環控制，要達到同樣的精度，則需要高精度的控制器，從而大大增加了成本；由于存在系統的反饋，可以較好地抑制系統各環節中可能存在的擾動和由于器件的老化而引起的結構和參數的不確定性；反饋環節的存在可以較好地改善系統的動態性能。閉環控制系統與開環控制系統的比較項目開環控制閉環控制結構簡單、成本低復雜、成本高精度精度低、對元器件要求高精度高、對元器件要求低穩定性通常不考慮必須考慮1.線性控制系統同時滿足疊加性與均勻性。疊加性是指當幾個輸入信號共同作用于系統時，總的輸出等于每個輸入單獨作用時產生的輸出之和；均勻性是指當輸入信號增大若干倍時，輸出也相應增大同樣的倍數。如果線性系統中的參數不隨時間變化，則稱為線性定常系統；否則稱為線性時變系統。二、線性控制系統和非線性控制系統

2.非線性控制系統控制系統中，若至少有一個元件具有非線性特性；不具有齊次性，也不適用疊加原理；輸出響應和穩定性與輸入信號和初始狀態有很大關系；也有時變和定常系統之分；嚴格地講，絕對線性的控制系統（或元件）是不存在的。1.定值控制系統（r(t)=const.）定值控制系統分析與設計的重點就在于系統的抗擾性能，研究各種擾動對輸出的影響及抗擾的措施。三、定值控制系統、隨動系統和程序控制系統

例如：室溫控制系統、直流電機轉速控制系統。輸入信號是恒值，要求被控變量保持相對應的數值不變；隨動系統的輸入信號是預先未知的隨時間任意變化的函數，要求輸出量以一定的精度和速度跟隨輸入量的變化而變化。隨動控制系統的分析與設計重點就在于系統的跟隨性能——快速準確地復現輸入信號。此時，擾動的影響是次要的。在隨動系統中，如果輸出量是機械位置或其導數時，這類系統稱之為伺服系統。

例如：火炮隨動系統、雷達天線控制系統。2.隨動系統（r(t)

不可預測）3.程序控制系統（r(t)

變化事先已知）要求被控變量也按相應的規律隨輸入信號變化，誤差不超過規定值。

輸入信號是按已知的規律（事先規定的程序）變化；例如：熱處理爐的溫控系統、機床的數碼加工系統和仿形控制系統。四、連續控制系統和離散控制系統

將自動控制系統中隨時間變化的物理量統稱為信號。按照時間函數取值的連續性與離散性可將信號劃分為連續時間信號與離散時間信號（簡稱為連續信號與離散信號）。除了時間上的連續與離散外，信號的幅值也可以是連續或離散的（只能取某些規定的值）。若在所討論的時間間隔內，除若干個不連續的點外，對于任意時間值都有確定的函數值，此信號就稱為連續信號。對于連續信號，若幅值也是連續的，則稱為模擬信號。控制系統中各部分的信號都是時間的連續函數，則該系統為連續控制系統。連續控制系統常用微分方程來描述。1.連續控制系統離散信號在時間上是離散的，只在規定的瞬時給出函數值，在其他時間沒有定義。對于離散信號，若幅值是連續的，則稱為采樣信號；若幅值是離散的，則稱為數字信號。在自動控制系統中，采樣信號都是在連續信號的基礎上經過采樣后得到的，對采樣信號進行量化處理，就可以得到適于計算機控制的數字信號。在控制系統各部分的信號中只要有一個是時間的離散信號，該系統就是離散控制系統。離散系統則采用差分方程來描述。2.離散控制系統五、定常系統和時變系統如果系統的參數不隨時間而變化，則稱此類系統為定常系統（或稱為時不變系統）；在同樣的起始狀態下，系統的輸出（響應）與輸入信號作用于系統的時刻無關。若系統的參數隨時間改變，則稱為時變系統。系統的輸出與輸入信號作用于系統的時刻有關。六、單輸入單輸出系統與多輸入多輸出系統單輸入單輸出系統(SISO)也稱為單變量系統，系統的輸入量與輸出量各為一個。1.單輸入單輸出系統多輸入多輸出系統(MIMO)也稱為多變量系統，系統的輸入量與輸出量多于一個。2.多輸入多輸出系統集中參數系統和分布參數系統確定性系統和不確定性系統有靜差和無靜差系統等等七、其他分類方法在給定或擾動的作用下，輸出要跟蹤復現輸入信號有一個時間過程，稱為過渡過程（或稱暫態過程、動態過程、動態響應）。1.4對自動控制系統的基本要求系統要能正常的工作，過渡過程應趨于一個平衡狀態，即系統的輸出應收斂于與輸入信號相對應的期望值（或期望的曲線上）。當過渡過程結束后，系統輸出量復現輸入信號的過程，稱為穩態過程（或稱穩態響應）。對控制系統性能的基本要求即體現在這兩個過程之中，系統的性能指標通常也分為動態性能指標與穩態性能指標。在工程應用中，常常從穩定性、快速性和準確性三方面來評價控制系統的總體性能。穩定性是保證控制系統正常工作的先決條件。一個穩定的控制系統，其被控量偏離期望值的初始偏差應隨時間的增長逐漸減小并趨于零。因此，穩定性是指控制系統偏離平衡狀態后，自動恢復到平衡狀態的能力。一、穩定性①②Otr(t)c(t)圖1－10被控量變化的動態特性快即指過渡過程的快速性。若過渡過程持續的時間很長，將使系統長時間處于大偏差的情況，會降低系統的工作效率；同時也說明系統響應很遲鈍，難以跟蹤復現快速變化的信號。二、快速性tc(t)r(t)O②①圖1－11被控量變化的動態特性三、準確性對于一個穩定的系統而言，當瞬態過程結束后，