自動(dòng)控制原理automaticcontrolsystems

1、2024/3/28,1,第1章 緒論,知識(shí)點(diǎn)自動(dòng)控制理論的發(fā)展簡史被控對象、被控量、控制裝置和自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念三種控制方式，特別是閉環(huán)控制由系統(tǒng)工作原理圖繪制方框圖的方法，并能正確判別系統(tǒng)的控制方式系統(tǒng)常用的分類方法及分類，各類系統(tǒng)的含義和信息特征自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求,2024/3/28,2,1.1 引言,1.1.1 自動(dòng)控制技術(shù)及應(yīng)用 自動(dòng)控制理論與實(shí)踐的不斷發(fā)展，為人們提供了設(shè)計(jì)最

2、佳系統(tǒng)的方法，大大提高了生產(chǎn)率，同時(shí)促進(jìn)了科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步。所謂自動(dòng)控制，就是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備（稱為控制器）操作被控對象（如機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程）的某個(gè)狀態(tài)或參數(shù)（稱為被控量）使其按預(yù)先設(shè)定的規(guī)律自動(dòng)運(yùn)行。如化工生產(chǎn)中合成氨反應(yīng)塔內(nèi)的溫度和壓力能夠自動(dòng)維持恒定不變，雷達(dá)跟蹤和指揮儀所組成的防空系統(tǒng)能使火炮自動(dòng)地瞄準(zhǔn)目標(biāo)，無人駕駛飛機(jī)能按預(yù)定軌道自動(dòng)飛行，人造地球衛(wèi)星能夠發(fā)射到預(yù)定軌道并能準(zhǔn)確回收等等，都是應(yīng)用自動(dòng)

3、控制技術(shù)的結(jié)果。自動(dòng)控制理論就是研究自動(dòng)控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)，它的發(fā)展初期是以反饋理論為基礎(chǔ)的自動(dòng)調(diào)節(jié)原理，隨著工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)已發(fā)展成為一門獨(dú)立的學(xué)科——控制論?？刂普摪üこ炭刂普摗⑸锟刂普摵徒?jīng)濟(jì)控制論。,2024/3/28,3,,在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，自動(dòng)控制技術(shù)所起的作用越來越重要，無論是在宇宙飛船、導(dǎo)彈制導(dǎo)、雷達(dá)定位等尖端技術(shù)領(lǐng)域中，還是在機(jī)械制造工業(yè)、石油、化工、醫(yī)藥工業(yè)等的過程控制中，都有自動(dòng)控制技術(shù)的

4、應(yīng)用，并且它所取得的成功都是巨大的。因此，自動(dòng)控制技術(shù)已成為現(xiàn)代社會(huì)生活中不可缺少的重要組成部分。,2024/3/28,4,1.1.2 自動(dòng)控制理論的發(fā)展,隨著生產(chǎn)的發(fā)展，控制技術(shù)也在不斷地發(fā)展，尤其是計(jì)算機(jī)的更新?lián)Q代，更加推動(dòng)了控制理論不斷地向前發(fā)展。控制理論的發(fā)展過程一般可分為三個(gè)階段：（1）第一階段。時(shí)間為本世紀(jì)40～60年代，稱為“經(jīng)典控制理論”時(shí)期。經(jīng)典控制理論主要是解決單輸入單輸出問題，主要采用傳遞函數(shù)、頻率特性、根軌跡

5、為基礎(chǔ)的頻域分析方法。此階段所研究的系統(tǒng)大多是線性定常系統(tǒng)，對非線性系統(tǒng)，分析時(shí)采用的相平面法一般也不超過兩個(gè)變量，經(jīng)典控制理論能夠較好地解決生產(chǎn)過程中的單輸入單輸出問題。這一時(shí)期的主要代表人物有伯德（H.W.Bode 1905～）和伊文思（W.R.Evans）。伯德于1945年提出了簡便而實(shí)用的伯德圖法。1948年，伊文思提出了直觀而又形象的根軌跡法。,2024/3/28,5,,（2）第二階段。時(shí)間為本世紀(jì)60～70年代，稱為“現(xiàn)代控

6、制理論”時(shí)期。這個(gè)時(shí)期，由于計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，推動(dòng)了空間技術(shù)的發(fā)展。經(jīng)典控制理論中的高階常微分方程可轉(zhuǎn)化為一階微分方程組，用以描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程，即所謂狀態(tài)空間法。這種方法可以解決多輸入多輸出問題，系統(tǒng)既可以是線性的、定常的，也可以是非線性的、時(shí)變的。這一時(shí)期的主要代表人物有龐特里亞金、貝爾曼（Bellman），及卡爾曼（R.E.Kalman，1930～）等人。龐特里亞金于1961年發(fā)表了極大值原理；貝爾曼在1957年提出了動(dòng)態(tài)規(guī)化原則

7、；1959年，卡爾曼和布西發(fā)表了關(guān)于線性濾波器和估計(jì)器的論文，即所謂著名的卡爾曼濾波。,2024/3/28,6,,（3）第三階段。時(shí)間為本世紀(jì)70年代末至今。70年代末，控制理論向著“大系統(tǒng)理論”和“智能控制”方向發(fā)展。前者是控制理論在廣度上的開拓，后者是控制理論在深度上的挖掘。“大系統(tǒng)理論”是用控制和信息的觀點(diǎn)，研究各種大系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案、總體設(shè)計(jì)中的分解方法和協(xié)調(diào)等問題的技術(shù)基礎(chǔ)理論。而“智能控制”是研究與模擬人類智能活動(dòng)及其控制與信

8、息傳遞過程的規(guī)律，研究具有某些仿人智能的工程控制與信息處理系統(tǒng)。,2024/3/28,7,1.2 自動(dòng)控制技術(shù)中的基本控制方式,（1）系統(tǒng)。即為達(dá)到某—目的，由相互制約的各個(gè)部分按—定規(guī)律組成的、具有一定功能的整體。（2）自動(dòng)控制系統(tǒng)。指能夠?qū)Ρ豢貙ο蟮墓ぷ鳡顟B(tài)進(jìn)行自動(dòng)控制的系統(tǒng)，它一般由控制裝置（控制器）和被控對象所組成。（3）控制裝置。則是指對被控對象起控制作用的設(shè)備總體。（4）被控對象。是指要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的機(jī)器、設(shè)備或生

9、產(chǎn)過程。例如，汽車、飛機(jī)、煉鋼、化工生產(chǎn)的鍋爐等。,2024/3/28,8,,自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能，在很大程度上取決于系統(tǒng)中的控制器為了產(chǎn)生控制作用而必須接收的信息，這個(gè)信息有兩個(gè)可能的來源：1）來自系統(tǒng)外部，即由系統(tǒng)輸入端輸入的參考輸入信號(hào)。2）來自被控對象的輸出端，即反映被控對象的行為或狀態(tài)的信息。把從被控對象輸出端獲得的信息通過中間環(huán)節(jié)（稱為反饋環(huán)節(jié)）再送回控制器的輸入端的過程，稱為反饋。傳送反饋信息的載體，稱為反饋信號(hào)。是否

10、采用反饋，對控制系統(tǒng)的各個(gè)指標(biāo)（即穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確性）影響很大。因此系統(tǒng)的基本控制方式也按有無反饋分為三大類：開環(huán)控制、閉環(huán)控制、復(fù)合控制。,2024/3/28,9,1.2.1 開環(huán)控制,開環(huán)控制是一種最簡單的控制方式，其特點(diǎn)是在控制器與被控對象之間只有正向控制作用而沒有反饋控制作用，即系統(tǒng)的輸出量對控制量沒有影響。開環(huán)控制系統(tǒng)的示意圖如圖1-1所示。,,圖1-1 開環(huán)控制系統(tǒng),2024/3/28,10,,如圖1-2所示，電動(dòng)機(jī)

11、拖動(dòng)負(fù)載開環(huán)控制系統(tǒng)。,,圖1-2 電動(dòng)機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng),2024/3/28,11,1.2.2 閉環(huán)控制,閉環(huán)控制是指控制裝置與被控對象之間既有正向作用，又有反向聯(lián)系的控制過程，即如果控制器的信息來源中包含有來自被控對象輸出的反饋信息，則稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)，或稱為反饋控制系統(tǒng)，如圖1-3所示。,2024/3/28,12,,,,圖1-3 閉環(huán)控制系統(tǒng),2024/3/28,13,,在控制系統(tǒng)中，控制裝置對被控對象所施加的控制作用，若能取自

12、被控量（輸出量）的反饋信息（反饋量），即根據(jù)實(shí)際輸出來修正控制作用，實(shí)現(xiàn)對被控對象進(jìn)行控制的任務(wù)，那么這種控制原理稱為反饋控制原理。正是由于引入了反饋信息（反饋量），使整個(gè)控制過程成為閉合的，因此，按反饋控制原理建立起來的控制系統(tǒng)，叫做閉環(huán)控制系統(tǒng)。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，其控制作用的基礎(chǔ)是被控量（輸出量）與給定值之間的偏差，這個(gè)偏差是各種實(shí)際擾動(dòng)所導(dǎo)致的總“后果”，它并不區(qū)分其中的個(gè)別原因。因此，這種系統(tǒng)往往同時(shí)能夠抵制多種擾動(dòng)，而且對系統(tǒng)

13、自身元部件參數(shù)的波動(dòng)也不甚敏感。,2024/3/28,14,1.2.3 其他控制方式,目前以反饋原理為基礎(chǔ)的經(jīng)典控制理論已經(jīng)形成完整的理論體系并有了工程實(shí)現(xiàn)的方法。隨著空間技術(shù)的發(fā)展，特別是電子計(jì)算機(jī)已作為自動(dòng)控制系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，現(xiàn)代控制理論亦日益顯示出其強(qiáng)大的生命力，并在實(shí)踐中得到成功的應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，一些其他的控制方式也已經(jīng)在工業(yè)控制過程中得到了相應(yīng)的應(yīng)用，如最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制和智能控制等現(xiàn)代高精度的自動(dòng)控制系統(tǒng)，已在

14、國防和工業(yè)生產(chǎn)中得以實(shí)現(xiàn)。下面對這些控制方式做簡要的介紹。,2024/3/28,15,1．最優(yōu)控制,最優(yōu)控制是要求控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對某種性能標(biāo)準(zhǔn)最好的控制，這種性能標(biāo)準(zhǔn)稱為性能指標(biāo)（也叫目標(biāo)函數(shù)）。它通常要求優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗、高效率，一般是與時(shí)間、燃料消耗和能源供給等有關(guān)。例如，鋼鐵冶煉過程往往希望時(shí)間最短或燃料最??；遠(yuǎn)程飛機(jī)希望實(shí)現(xiàn)每單位體積燃料的最大飛行距離，以提高飛機(jī)的遠(yuǎn)航能力；人造衛(wèi)星運(yùn)載火箭希望實(shí)現(xiàn)燃料消耗最少等。其中最簡單的一種

15、是時(shí)間最優(yōu)控制（即快速最優(yōu)控制），它在自動(dòng)化儀表、電機(jī)電壓控制及軋鋼機(jī)控制中得到廣泛應(yīng)用。,2024/3/28,16,2．隨動(dòng)控制系統(tǒng),隨動(dòng)控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是輸入給定信號(hào)的變化規(guī)律是事先不能確定的隨機(jī)信號(hào)，這類系統(tǒng)的任務(wù)是使輸出快速、準(zhǔn)確地跟隨給定信號(hào)的變化而變化，故稱作隨動(dòng)控制系統(tǒng)。顯然，由于輸入在不斷地變化，系統(tǒng)跟隨性能就成為這類系統(tǒng)中要解決的主要矛盾，當(dāng)然，系統(tǒng)的干擾也不能忽視，但與跟隨性相比，應(yīng)放在第二位來解決。,2024/3

16、/28,17,3．程序控制系統(tǒng),程序控制系統(tǒng)與隨動(dòng)控制系統(tǒng)不同之處就是它的給定輸入不是隨機(jī)不可知，而是按事先預(yù)定的規(guī)律變化。這類系統(tǒng)往往適用于特定的生產(chǎn)工藝或工業(yè)過程，按所需要的控制給定輸入，要求輸出按預(yù)定的規(guī)律變化。設(shè)計(jì)這類系統(tǒng)比隨動(dòng)系統(tǒng)有針對性，由于變化規(guī)律已知，可根據(jù)要求事先選擇方案，保證控制性能和精度。,2024/3/28,18,1.4.2 按系統(tǒng)特性分類,任何系統(tǒng)都是由各種元部件組成的。從控制理論的角度看，這些元部件的性能可

17、用其輸入輸出特性來進(jìn)行分析，根據(jù)系統(tǒng)中元部件的特性不同，可以將系統(tǒng)分為線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)，在下面具體介紹。,2024/3/28,19,1．線性系統(tǒng),當(dāng)系統(tǒng)中各元件輸入輸出特性是線性特性，系統(tǒng)的狀態(tài)和性能以線性微分方程或差分方程來描述時(shí)，這種系統(tǒng)稱為線性系統(tǒng)。所謂線性特性是指元件的靜特性是一條過原點(diǎn)的直線，也稱這樣的元件為線性元件，因此，由線性元件組成的系統(tǒng)是線性系統(tǒng)。線性系統(tǒng)的一個(gè)突出的特點(diǎn)就是滿足疊加定理，所以在判別系統(tǒng)是線性或非線

18、性時(shí)，可運(yùn)用疊加定理來判斷。,2024/3/28,20,2．非線性系統(tǒng),系統(tǒng)中只要存在一個(gè)元件為非線性元件，系統(tǒng)的微分方程就由非線性方程來描述，這樣的系統(tǒng)稱為非線性系統(tǒng)。由于非線性系統(tǒng)的多樣性，在數(shù)學(xué)上較難處理，疊加原理也不成立，研究起來也不方便，所以只有在一定條件下用近似分析的方法來處理。,2024/3/28,21,1.4.3 按系統(tǒng)信號(hào)形式分類,1．連續(xù)控制系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)的特點(diǎn)是系統(tǒng)中各元件的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)都是時(shí)間的連續(xù)函數(shù)，

19、這類系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是用微分方程來描述的。連續(xù)系統(tǒng)中各元件傳輸?shù)男畔⒃诠こ躺戏Q為模擬量，多數(shù)實(shí)際物理系統(tǒng)都屬于這一類，其輸入輸出一般用和來表示。,2024/3/28,22,2．離散控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)中只要存在一處的信號(hào)脈沖序列或數(shù)碼時(shí)，該系統(tǒng)即為離散系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的狀態(tài)和性能一般用差分方程來描述，實(shí)際物理系統(tǒng)中，信息的表現(xiàn)形式為離散信號(hào)的并不多見，往往是控制上的需要，將連續(xù)系統(tǒng)離散化，即采樣。采樣過程通常是通過采樣開關(guān)把連續(xù)的模擬量變?yōu)?/p>

20、脈沖序列，這樣的系統(tǒng)一般又稱為采樣控制系統(tǒng)。,2024/3/28,23,1.5 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求,1.5.1 穩(wěn)定性一個(gè)控制系統(tǒng)能正常工作的首要條件是系統(tǒng)必須是穩(wěn)定的，由于控制系統(tǒng)是具有反饋?zhàn)饔玫拈]環(huán)系統(tǒng)，因此，系統(tǒng)有可能趨向振蕩或不穩(wěn)定，不穩(wěn)定的系統(tǒng)是無法工作的。穩(wěn)定的控制系統(tǒng)在階躍信號(hào)或擾動(dòng)信號(hào)的作用下，其響應(yīng)的暫態(tài)過程應(yīng)該是收斂的。如果系統(tǒng)設(shè)計(jì)不當(dāng)，則在階躍信號(hào)下或擾動(dòng)信號(hào)的作用下，相應(yīng)的幅值振蕩可能成為等幅振蕩，甚

21、至成為振幅逐漸增大的發(fā)散振蕩，發(fā)生這種情況的系統(tǒng)稱為不穩(wěn)定系統(tǒng)。系統(tǒng)穩(wěn)定性包括兩個(gè)方面的含義。（1）系統(tǒng)穩(wěn)定，稱為絕對穩(wěn)定，即通常所說的穩(wěn)定性。（2）輸出響應(yīng)振蕩的強(qiáng)烈程度，稱為相對穩(wěn)定性。例如系統(tǒng)是絕對穩(wěn)定的，但是在階躍信號(hào)作用下，響應(yīng)振蕩很強(qiáng)烈，而且振蕩的衰減很慢，則該系統(tǒng)雖然屬于穩(wěn)定系統(tǒng)，但相對穩(wěn)定性差。,2024/3/28,24,1.5.2 快速性,在實(shí)際控制過程中，不僅要求系統(tǒng)穩(wěn)定，而且要求被控量能迅速按照輸入信號(hào)所

22、規(guī)定的形式變化，即要求系統(tǒng)具有一定的響應(yīng)速度。由于系統(tǒng)中總包含一些慣性元件，因此在輸入信號(hào)作用下，系統(tǒng)的響應(yīng)總要經(jīng)過暫態(tài)過程之后才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)。在控制系統(tǒng)的輸出響應(yīng)中，調(diào)整時(shí)間是直接反映系統(tǒng)響應(yīng)快慢的一個(gè)指標(biāo)，這將在后面第三章介紹。,2024/3/28,25,1.5.3 準(zhǔn)確性,對于控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性要求是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要考慮的指標(biāo)之一，要求系統(tǒng)準(zhǔn)確性（穩(wěn)態(tài)精度）高，一般采用穩(wěn)態(tài)誤差來表示。系統(tǒng)在輸入信號(hào)的作用下，其響應(yīng)經(jīng)過暫態(tài)過程進(jìn)入

23、穩(wěn)態(tài)后，系統(tǒng)的輸出量與希望值之間的誤差，稱為穩(wěn)態(tài)誤差。,2024/3/28,26,1.6 本課程的性質(zhì)和任務(wù),《自動(dòng)控制原理及應(yīng)用》課程是電子信息類專業(yè)，特別是自動(dòng)化專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程是為學(xué)生建立系統(tǒng)觀點(diǎn)、掌握控制原理的一門必修課程。本門課程的前續(xù)課程是：高等數(shù)學(xué)、電工基礎(chǔ)、工程數(shù)學(xué)等，在學(xué)習(xí)了以上內(nèi)容以后進(jìn)入本門課程的學(xué)習(xí)。本門課程一共包括8章，前面7章主要介紹經(jīng)典控制理論的內(nèi)容，第8章介紹現(xiàn)代控制理論的基本概念。在前面