第1章 自动控制概述

第1章自动控制概述第1章概述引言1.1自动控制系统的初步概念2自动控制系统的分类3控制系统的组成及对控制系统的基本要求41.21.31.4自动：不用人力而用机械装置直接操作的。控制：⒈掌握住使不越出范围；操纵。⒉控制论的基本概念。指对系统进行调节以克服系统的不确定性，使之达到所需要状态的活动和过程。（词海）定义：控制是对被控制对象中某一(某些)被控制量，克服干扰影响达到预先要求状态的操作。控制是操作。当然实现这种操作就有多种办法一是由人来操作。称为人工控制。一是由人设计的机器装置完全自动的实现来操作。称为自动控制。[自动控制]：在没有人直接操作的情况下，通过控制器使一个装置或过程（统称为被控对象）自动的按照给定的规律运行，使被控变量能按照给定的规律变化。[系统]：按照某些规律结合在一起的物体（元部件）的组合，它们互相作用、互相依存，并能完成一定的任务。[自动控制系统]：能够实现自动控制的系统。[自动控制理论]：研究自动控制系统共同规律的一门科学。控制定性控制定量控制定性控制如控制电扇定时关闭，全自动洗衣机定时洗涤、漂洗和甩干。这类控制的方法是依照预先给出的顺序命令进行，其目的是使被控制的那些量（如电扇的供电电流等）处于开、关或其他几个断续的状态下，而并不需要连续地精确地控制这些量。定量控制如不论室外温度是高还是低、室内人多还是人少，室内温度都达到要求的值。这类控制的目的是使被控制量不受干扰的影响而连续地精确地达到要求的规定上。不论衣服肮脏程度是重还是轻、衣料洗净难还是易，洗涤衣服的清洁程度都达到要求的值。控制水箱水位一定而不因用水量多少而变。控制电网电压一定而不受负荷大小影响。控制电机转速一定或按要求的调速规律变化而不受负载大小影响。日常生活工程应用非工程应用人体体温控制、血压控制产品质量控制、商品价格控制蒸汽冷水热水温度计图1-1热力系统的人工反馈控制排水自动控制器热水冷水蒸汽温度测量装置排水图1-2热力系统的自动反馈控制控制阀自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。既是一门古老的、已臻成熟的学科，又是一门正在发展的、具有强大生命力的新兴学科。从1868年马克斯威尔（J.C.Maxwell）提出低阶系统稳定性判据至今一百多年里，自动控制理论的发展可分为四个主要阶段：第一阶段：经典控制理论（或古典控制理论）的产生、发展和成熟；第二阶段：现代控制理论的兴起和发展；第三阶段：大系统控制兴起和发展阶段；第四阶段：智能控制发展阶段。1、经典控制理论控制理论的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理，主要用于工业控制。第二次世界大战期间，为了设计和制造飞机及船用自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达跟踪系统等基于反馈原理的军用装备，进一步促进和完善了自动控制理论的发展。（1）主要用于线性定常系统的研究，即用于常系数线性微分方程描述的系统的分析与综合；（2）只用于单输入，单输出的反馈控制系统；（3）只讨论系统输入与输出之间的关系，而忽视系统的内部状态，是一种对系统的外部描述方法。2、现代控制理论由于经典控制理论只适用于单输入、单输出的线性定常系统，只注重系统的外部描述而忽视系统的内部状态。因而在实际应用中有很大局限性。随着航天事业和计算机的发展，20世纪60年代初，在经典控制理论的基础上，以线性代数理论和状态空间分析法为基础的现代控制理论迅速发展起来。项目经典控制理论现代控制理论研究对象线性定常系统（单输入、单输出）线性、非线性、定常、时变系统（多输入、多输出）描述方法传递函数（输入、输出描述）向量空间（状态空间描述）研究办法根轨迹法和频率法状态空间法研究目标系统分析及给定输入、输出情况下的系统综合揭示系统的内在规律，实现在一定意义下的最优控制与设计3、大系统控制理论20世纪70年代开始，现代控制理论继续向深度和广度发展，出现了一些新的控制方法和理论。如（1）现代频域方法以传递函数矩阵为数学模型，研究线性定常多变量系统；（2）自适应控制理论和方法以系统辨识和参数估计为基础，在实时辨识基础上在线确定最优控制规律；（3）鲁棒控制方法在保证系统稳定性和其它性能基础上，设计不变的鲁棒控制器，以处理数学模型的不确定性。随着控制理论应用范围的扩大，从个别小系统的控制，发展到若干个相互关联的子系统组成的大系统进行整体控制，从传统的工程控制领域推广到包括经济管理、生物工程、能源、运输、环境等大型系统以及社会科学领域。大系统理论是过程控制与信息处理相结合的系统工程理论，具有规模庞大、结构复杂、功能综合、目标多样、因素众多等特点。它是一个多输入、多输出、多干扰、多变量的系统。大系统理论目前仍处于发展和开创性阶段。4、智能控制是近年来新发展起来的一种控制技术，是人工智能在控制上的应用。智能控制的概念和原理主要是针对被控对象、环境、控制目标或任务的复杂性提出来的，它的指导思想是依据人的思维方式和处理问题的技巧，解决那些目前需要人的智能才能解决的复杂的控制问题。被控对象的复杂性体现为:模型的不确定性，高度非线性，分布式的传感器和执行器，动态突变，多时间标度，复杂的信息模式，庞大的数据量，以及严格的特性指标等。智能控制是驱动智能机器自主地实现其目标的过程，对自主机器人的控制就是典型的例子而环境的复杂性则表现为变化的不确定性和难以辨识。1.3自动控制系统的分类1、按信号的传递路径来分类开环控制和闭环控制开环控制信号流动由输入端到输出端单向流动。控制器执行元件控制对象输入信号控制变量被控量输出信号闭环系统若控制系统中信号除从输入端到输出端外,还有输出到输入的反馈信号,则构成闭环控制系统,也称反馈控制系统。控制器执行元件控制对象输入信号控制变量被控量输出信号测量元件反馈信号开环控制系统优点：结构简单，易于实现缺点：抗干扰能力差一般说高精度的开环控制系统要求所有的元部件都有较高的精度和很稳定的性能闭环控制系统优点：抗干扰能力强，实现系统对前向通道的元部件要求不高缺点：结构复杂，设计和调试复杂。引入稳定性问题。特点：由于反馈形成闭环系统，输出将对控制产生影响，使得闭环的前向通道中的各种干扰作用都可得到抑制。2、按系统输入信号划分恒值调节系统(自动调节系统)这种系统的特征是输入量为一恒值,通常称为系统的给定值。控制系统的任务是尽量排除各种干扰因素的影响,使输出量维持在给定值(期望值)。如工业过程中恒温、恒压、恒速等控制系统。随动系统(伺服系统)该系统的控制输入量是一个事先无法确定的任意变化的量,要求系统的输出量能迅速平稳地复现或跟踪输入信号的变化。如雷达天线的自动跟踪系统和高炮自动描准系统就是典型的随动系统。程序控制系统系统的控制输入信号不是常值,而是事先确定的运动规律,编成程序装在输入装置中,即控制输入信号是事先确定的程序信号,控制的目的是使被控对象的被控量按照要求的程序动作。如数控车床就属此类系统。3、按系统传输信号的性质来分类连续系统系统中所有元件的信号都是随时间连续变化的,信号的大小均是可任意取值的模拟量,称为连续系统。离散系统离散系统是指系统中有一处或数处的信号是脉冲序列或数码。若系统中采用了采样开关,将连续信号转变为离散的脉冲形式的信号,此类系统称为采样控制系统或脉冲控制系统。若采用数字计算机或数字控制器,其离散信号是以数码形式传递的,此类系统称为数字控制系统。4、按描述系统的数学模型不同来分类线性系统组成系统元器件的特性均为线性的,可用一个或一组线性微分方程来描述系统输入和输出之间的关系。线性系统的主要特征是具有齐次性和叠加性。非线性系统在系统中只要有一个元器件的特性不能用线性微分方程描述其输入和输出关系,则称为非线性系统。非线性系统还没有一种完整、成熟、统一的分析法。通常对于非线性程度不很严重,或做近似分析时,均可用线性系统理论和方法来处理。5、其他的分类方法：按功能来分：温度控制系统、速度控制系统、位置控系统等。按元件组成分：机电系统、液压系统、生物系统等。1.4控制系统的组成及对控制系统的基本要求自动控制系统的组成1、执行元件执行元件的功能是直接带动控制对象，直接改变被控变量。例如电机控制系统中的电机，液动控制系统中的液压马达等。执行元件有时也被归入控制对象中。2、放大元件放大元件的功能是将微弱信号放大，使信号具有足够大的幅值或功率。放大元件又分为前置放大器和功率放大器两类。3、测量元件测量元件的功能是将一种物理量检测出来，并且按着某种规律转换成容易处理和使用的另一种物理量输出。测量元件一般称为传感器。4、补偿元件为了保证系统能正常工作（稳定）并提高系统性能，控制系统中还要另外补充一些元件，这些元件统称为补偿元件，又称为校正元件。对控制系统的基本要求1、稳定性（稳）稳定工作是所有自动控制系统的最基本要求,是系统能否工作的前题。不稳定的系统根本无法完成控制任务。考虑到实际系统工作环境或参数的变动,可能导致系统不稳定,因此,我们除要求系统稳定外,还要求其具有一定的稳定裕量。2、准确性（准）准确性就是要求被控变量与设定值的误差达到所要求的精度范围。控制的准确性总是用稳态精度来度量。稳态精度是指系统过渡到新的平衡工作状态以后,或系统对抗干扰重新恢复平衡后,最终保持的精度。3、快速性与平稳性（快）系统的被控变量由一个值改变到另一个值总是需要一段时间，总是有一个变化过程，这个过程就称为过渡过程，此时系统表现出的特性称为动态性能。自动控制研究的内容研究内容有二：一为系统分析，二为系统的设计（包括系统综合）系统分析：已知系统的结构和参数，研究它在某种典型输入信号作用下，被控量变化的全过程。从这个变化过程得出其性能指标，并讨论性能指标和系统的结构、参数的关系。系统设计：寻求一个能完成一定控制任务，满足一定控制要求的控制系统。系统综合：控制系统设计好后，即控制系统的主要元件和结构确定后，为了满足系统的性能指标，需要改变控制系统的某些参数或结构或附加某种装置。这个过程称为系统的校正或系统的综合。