第二版自动控制原理第1章.

第一章自动控制系统的基本概念1-1自动控制技术介绍1-2自动控制的基本原理1-3自动控制系统分类1-4控制系统性能要求§1-1自动控制原理及技术介绍1.基本概念自动控制在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置，使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定规律运行。自动控制系统为实现某一控制目标所需要的所有物理部件的有机组合体。2.自动控制技术的直观解释手动控制自动控制手眼睛大脑3.自控原理技术介绍自动控制原理是分析各种自动控制装置的统一理论，是其内在的共通规律自动控制系统：不需要人参与就能完成任务现实生活中有各种各样的例子：自动照相机，洗衣机，自动交通灯（红绿灯），自动门，自动水开关工业中的例子也有很多：炼油化工装置自控系统，无人生产线，机器人，楼宇自动化身边的自动控制实例有哪些？现代化生活离不开自动控制！军事航空航天：飞机，导弹，航天飞机，航天飞船，火炮自动跟踪系统、人造卫星生物，医学、经济、社会等诸多领域都有自动控制系统自动控制技术已经成为现代社会中的不可缺少的一部分比人工作的更好、更快、更准把人从繁重危险的任务中解放出来完成人无法完成的工作自动控制原理这门课程就是来研究这些自动控制装置或系统的基本工作规律和原理火星旅行者SONYAIBO从小大人就教我们，走路要看路。为什么呢？要是不看着路，走路走歪了也不知道，结果就是东撞西撞的。要是看着路呢？走歪了，马上就看到，赶紧调整脚步，走回到正道上来。1、设定目标，对小朋友走路的例子来说，就是前进的路线。2、测量状态，小朋友的眼睛看着路，就是在测量自己的前进方向。3、将测量到的状态和设定的目标比较，把眼睛看到的前进方向和心里想的前进方向作比较，判断前进方向是否正确；如果不正确，相差有多少。4、调整行动，在心里根据实际前进方向和设定目标的偏差，决定调整的量。5、实际执行，也就是实际挪动脚步，重回正确的前进方向。4.自动控制理论研究简史经典控制理论：20世纪40-50年起源：二战军工技术的需求目标：反馈控制系统的稳定性方法：微分方程、传递函数、根轨迹、频域分析应用系统:单输入单输出系统（SISO）现代控制理论：20世纪60年代起源：冷战时期，空间技术发展的需求目标：最优控制方法：状态空间方程应用系统:多输入多输出系统（MIMO）智能控制理论：20世纪80年代起源：智能技术和计算机技术的迅速发展目标：智能控制方法：专家系统、模糊控制技术、神经网络、智能进化算法（蚁群）等等重要的人物：1948，维纳《控制论》1954，钱学森《工程控制论》Cybernetics：orControlandCommunicationintheAnimalandtheMachineEngineeringCybernetics5.自动控制理论溯源1769，瓦特，飞球调节器调节蒸汽机流量1877/1895,劳思/赫尔维茨稳定性判据1932，乃奎斯特，频域稳定性分析1948，维纳，《控制论》1956，苏联，庞特里亚金，极大值原理1956，贝尔曼，动态规划1960，卡尔曼，最优滤波器1954，钱学森，《工程控制论》20世纪80年代至今，智能控制技术现代意义上的自动控制开始于瓦特的蒸汽机。据说纽考门比瓦特先发明蒸汽机，但是蒸汽机的转速控制问题没有解决，弄不好转速飞升，机器损坏不说，还可能说大事故。瓦特在蒸汽机的转轴上安了一个小棍，棍的一端和放汽阀连着，棍的另一端是一个小重锤，棍中间某个地方通过支点和转轴连接。转轴转起来的时候，重锤由于离心力的缘故挥起来。转速太高了，重锤挥得很高，放汽阀就被按下去，转速下降；转速太低了，重锤不起来，放汽阀就被松开，转速回升。这样，蒸汽机可以自动保持稳定的转速，即保证安全，又方便使用。也就是因为这个小小的转速调节器，瓦特的名字和工业革命连在一起，而纽考门的名字就要到历史书里去找了。在负载等干扰变化的情况下，飞球必须有一个偏离正常高度的持续偏差，以获得与负载变动相适应的蒸汽流量的变化，速度控制有误差控制理论目前还在向更纵深、更广阔的领域发展，无论在数学工具、理论基础、还是在研究方法上都产生了实质性的飞跃，在信息与控制学科研究中注入了蓬勃的生命力，启发并扩展了人的思维方式，引导人们去探讨自然界更为深刻的运动机理。控制理论的深入发展，必将有力地推动社会生产力的发展，提高人民的生活水平，促进人类社会的向前发展。近二十年来，由于信息技术、计算机技术的迅猛发展，工业领域自动化要求更加迫切，更使自动控制系统进入了黄金时代。英国前首相撒切尔夫人：“不自动化就破产!”(AutomationorLiquidation!)。我们应能深切体会，日常的工作和生活己经处在“一切”尽在自动控制的时代。§1-2自动控制的基本原理1.人工控制原理眼：测量实际液位H——检测过程。脑：将实际液位H和期望液位Hs比较，根据两者偏差正负及大小作出决策。——比较、分析、决策过程。手：执行大脑命令，调节阀门开度。——执行过程。例１：液位控制系统基本原理：使得实际液位H控制在期望液位不变期望液位：HsiQHAoQu原理方框图：实际液位脑眼给定值sHe手u水槽HoQ扰动H测量值iQ2.自动控制变送器(眼）：测量实际液位H并进行物理转换。控制器（大脑）：也叫调节器，将测量值mv和给定值sv相比较，根据两者的偏差进行运算，输出控制信号u。iQHAoQuLCsvmv执行器（手）：也叫调节阀，改变阀门开度。oQ自动控制原理方块图：实际液位控制器变送器给定值sHe执行器u水槽HoQ扰动H测量值iQ实际液位脑眼给定值sHe手u水槽HoQ扰动H测量值iQ人工控制原理方块图：3.反馈控制原理反馈通过测量变换装置将系统或元件的输出量反送到输入端，与输入信号相比较。反送到输入端的信号称为反馈信号。负反馈反馈信号与输人信号相减，其差为偏差信号负反馈控制原理将系统的输出信号引回输入端，与输入信号相减，形成偏差信号。然后根据偏差信号产生相应的控制作用，力图消除或减少偏差的过程。4.自动控制系统结构反馈，反馈通道，前向通道，闭环输入变量：扰动输入，给定输入（参考输入）输出变量广义被控对象自动控制系统控制器测量变送器给定输入re执行器u被控对象cd扰动输入输出b测量值自动控制装置自动控制系统组成：控制器、执行器、测量变送器、被控对象被控制量：在控制系统中．按规定的任务需要加以控制的物理量。控制量：作为被控制量的控制指令而加给系统的输入量．也称控制输入。扰动量：干扰或破坏系统按预定规律运行的输入量，也称扰动输入。自动控制系统的特点存在反馈，输出量参与控制；基于偏差进行控制反馈(偏差、闭环)控制系统5.控制系统方框图用方框和箭头表示的控制系统元件作用图输出量环节名称(或特性)输入量(a)(-)e=r-br(+)(-)b(b)re=r-bb或(c)c引出点cc•方框图中的几种表示法：被控量偏差信号(-)参考输入信号r(t)控制器(或调节器)u(t)广义被控系统e(t)c(t)反馈信号控制量扰动给定装置校正装置放大元件执行器被控对象反馈装置测量变送器(-)utug扰动给定装置放大器电动机转速反馈装置触发器晶阐管可控整流器控制装置被控对象n(b)方框图ueudoaucMneuM负载++consif++TGgufu压放功放(a)原理图6.基本控制方式1）开环控制：不存在输出到输入的反馈，输出量不参与控制按干扰进行控制（即前馈控制，对干扰进行补偿）扰动必须可测！按给定值进行控制例aucMnM负载++consif++gu功放gun功放电机负载cMM——电动机例+aucMneuM负载+consif++gubu压放功放+iRgun功放电机负载cMR压放eubu当负荷增加，阻力矩增加，引起转速降低，电机转子和旋转磁场的转速差变大，引起输入电流变大，电机功率上升。相反，当负荷减小，阻力矩减小，引起转速升高，电机转子和旋转磁场的转速差变小，引起输入电流变小，电机功率下降。例2：电机系统aucMneuM负载++consif++TGgufu压放功放gueun测速发电机压放功放电机负载cMfu2）闭环控制系统0n期望转速：存在输出到输入的反馈，输出量参与控制TG——测速发电机例3）复合控制系统+压放+aucMneuM负载+consif++TGgufu压放功放i++gun功放电机负载cMR压放bueu测速发电机fu压放方块图：+压放+aucMneuM负载+consif++TGgufu压放功放i++§1-3自动控制系统分类1.按输入信号特征分类1）恒值控制系统给定输入为常数，系统克服扰动影响例：液位控制系统，温度控制系统等工业系统2）随动控制系统给定输入是随机时间变化的函数（未知）例：函数记录仪、心电图、火炮、自动跟踪系统3）程序控制系统给定输入是预知的时间函数例：机床加工系统2.按描述元件特性分类1）线性系统组成系统的元件都是线性元件，输入输出的静态特性为线性关系用线性微分方程描述2）非线性系统只要系统中有一个元部件是非线性的用非线性微分方程描述如何区分一个系统是线性的还是非线性的呢？3.按照传递信号类型分类连续系统各个环节间的信号均为时间t的连续函数，可用微分方程描述例：水箱系统离散系统只要有一处信号是脉冲信号或者数字信号，定义在离散时刻上，用差分方程描述例：计算机控制系统都说瓦特的蒸汽机后，计算机是影响人类进程最大的发明，计算机当然也对自动控制带来深刻的影响。如前所述，控制理论基本上都是围绕微分方程转的，所以在“本质”上是连续的。但是数字计算机是离散的，也就是说，数字控制器的眼睛不是一直盯着被控对象看的，而是一眨一眨的。数字控制器的“手脚”也不是一刻不停地连续动作的，而是一顿一顿的。这是数字计算机的天性使然。于是，传统的控制理论全部“翻译”到离散时间领域，微分方程变成了差分方程，所有方法、结论都有了连续、离散两套，不尽相同，但是大同小异。4.按照参数是否随时间变化分类定常系统时变系统5.其他分类单输入输出系统与多输入输出系统确定性系统与不确定性系统集中参数系统与分布参数系统§1-4对控制系统性能的基本要求时间tr上升峰值时间tpAB超调量σ%=AB100%调节时间ts“稳，快，准”1.稳定性（最基本要求）系统在扰动消失后，由初始偏差状态恢复到平衡状态的能力。稳定不稳定稳定性：(1)对恒值系统，要求当系统受到扰动后，经过一定时间的调整能够回到原来的期望值。(2)对随动系统，被控制量始终跟踪参据量的变化。稳定性是对系统的基本要求，不稳定的系统不能实现预定任务。线性系统稳定性，通常由系统的结构决定与外界因素无关。2.快速性动态性能:调节时间、上升时间对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称为动态性能。稳定高射炮射角随动系统，虽然炮身最终能跟踪目标，但如果目标变动迅速，而炮身行动迟缓，仍然抓不住目标。3.准确性稳态性能：稳态误差在参考输入信号作用下，当系统达到稳态后，其稳态输出与参考输入所要求的期望输出之差叫做给定稳态误差。显然，这种误差越小，表示系统的输出跟随参考输入的精度越高。1、理想脉冲函数（或冲击函数）000)()(tttAtxAdttx)(且1-5控制系统的典型输入信号0At00tt0tA0t等价于：单位脉冲函数：1A00t时刻的脉冲函数：)(0tt采样性：)()()(11tfdttttf000)(1)(tAttAtx2、阶跃函数单位阶跃函数：1A00tt0tA0t0tA0tA00tttAtttAttAt00000110tA3、斜坡函数（或速度阶跃函数）000)()(tAttttAtx02100)(21)(22tAttttAtx4、抛物线函数（或加速度阶跃函数）5、正弦函数ttxsin)(小结开环控制