《自动控制原理》电子教案(共8章)

第一章自动控制的一般概念第一节控制理论的发展自动控制的萌芽：自动化技术学科萌芽于18世纪，由于工业革命的发展,如何进一步降低人的劳动强度和提高设备的可靠性被提到了议程。特点：简单的单一对象控制。1.经典控制理论分类线性控制理论，非线性控制理论，采样控制理论2.现代控制理论3.大系统理论4.智能控制理论发展历程：1.经典控制理论时期（1940-1960）研究单变量的系统，如：调节电压改变电机的速度；调整方向盘改变汽车的运动轨迹等。1945年美国人Bode出版了《网络分析与放大器的设计》，奠定了控制理论的基础;1942年哈里斯引入传递函数；1948年伊万恩提出了根轨迹法；1949年维纳关于经典控制的专著。特点：以传递函数为数学工具，采用频率域法，研究“单输入—单输出”线性定常控制系统的分析和设计，而对复杂多变量系统、时变和非线性系统无能为力。2.现代控制理论时期（20世纪50年代末-60年代初）研究多变量的系统，如，汽车看成是一个具有两个输入（驾驶盘和加速踏板）和两个输出（方向和速度）的控制系统。空间技术的发展提出了许多复杂的控制问题，用于导弹、人造卫星和宇宙飞船上，对自动控制的精密性和经济性指标提出了极严格的要求。并推动了控制理论的发展。Kalman的能控性观测性和最优滤波理论;庞特里亚金的极大值原理；贝尔曼的动态规划。特点：采用状态空间法（时域法），研究“对输入-多输出”、时变、非线性系统等高精度和高复杂度的控制问题。3.大系统控制时期（1970s-）各学科相互渗透，要分析的系统越来越大，越来越复杂。大系统控制理论是一种过程控制与信息处理相结合的动态系统工程理论，研究的对象具有规模庞大、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。如：人体，我们就可以看作为一个大系统，其中有体温的控制、情感的控制、人体血液中各种成分的控制等等。24.智能控制时期这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。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。特点：人工智能、神经网络等的普遍研究和应用到自动控制之中。第二节自动控制及自动控制系统控制：使对象达到预期的状态或性能的动作。基本概念自动化（Automation或Automatization）1.自动控制——就是指在脱离人的直接干预，利用控制装置（简称控制器）使被控对象（或生产过程等）的某一物理量（如温度、压力、PH值等）准确地按照预期的规律运行。2.自动控制系统——能自动对被控对象的被控量（或工作状态）进行控制的系统。3.被控对象（又称受控对象）——指工作状态需要加以控制的机械、装置或过程。4.被控量——表征被控对象工作状态且需要加以控制的物理量，也是自动控制系统的输出量。5.给定值（又称为参考输入）——希望被控量趋近的数值。又称为规定值。6.扰动量（又分为内扰和外扰）——引起被控量发生不期望的变化的各种内部或外部的变量。7.控制器（又称调节器）——组成控制系统的两大要素之一（另一大要素即为被控对象），是起控制作用的设备或装置。8.调节机构——接受调节作用而去改变调节量的具体设备。9.负反馈控制原理——将系统的输出信号反馈至输入端，与给定的输入信号相减，所产生的偏差信号通过控制器变成控制变量去调节被控对象，达到减小偏差或消除偏差的目的。控制装置自动控制系统由被控对象和控制装置两部分组成。控制装置包含的主要单元：测量单元——用来测量被调量，并将被调量转换为与之成比例（或其它函数关系）的某种便于传送和综合的信号。由检测元件和变送器组成。给定单元——用来设定被调量的给定值，发生与测量信号同一类型的给定值信号。调节单元——接受被调量和给定值信号，比较后的偏差信号发出一定规律的调节执行给执行器。由控制器或计算机装置组成。执行器——根据调节单元送来的调节指令去推动调节机构，改变调节量。控制——就是根据被调量偏离给定值的情况，适当地动作调节机构，改变调节量，最后抵消扰动的影响，使被调量回复到给定值。3第三节自动控制系统的方框图在研究自动控制系统时，为了便于分析并直观地表示系统中各个组成部分（环节）间的相互影响和信号的传递关系，一般习惯采用方框图（也称方块图）来表示。一.几个基本概念①环节——方框图中，系统的每一个具有一定功能的组成部分称为环节。图形为方框，环节间信号的传递用带箭头的作用线来表示，箭头方向为作用方向。②输入信号——箭头进入方框的信号。输入信号就是使系统这个元件发生变化的原因。③输出信号——箭头离开方框的信号。在输入信号作用下，引起元件变化的结果。对于整个系统而言，系统的输出量即为被控量，而系统的输入量则有两个：一个是给定值的变化，另一个是干扰的输入。不同的干扰起作用也不同。例如：对于汽包而言，输出量为水位，而引起液位变化的因素有两个，即给水流量的变化和蒸汽负荷的变化。而实际系统中，蒸汽是从汽包中流出。二.广义对象方框图的应用可繁可简，其基本原则就是能清楚地表达所需研究的信号的传递关系和所研究环节的性能。在工程实际中，所测量的对象的特性，往往还包含检测元件、变送器和执行机构的特性，这时，对象的特性则称为“广义对象特性”。第四节自动控制系统的分类一、按信号的传递路径来分类1、开环控制系统系统的输出端与输入端不存在反馈回路，输出量对系统的控制作用不发生影响的系统。控制器执行机构受控对象测量、变送器给定值r测量信号—偏差e干扰nc图纸程序指令（步进电机）微型计算机放大器执行机构工作机床切削刀具4特点：系统的被控量对系统的控制作用没有影响；系统结构简单，控制精度取决于系统各组成环节元部件的精度；对于干扰无法自动补偿，控制精度难以保证；仅适用于输入/输出关系已知，且系统几乎不存在干扰的场合。前馈控制：对于开环控制，如果存在可测的干扰信号，则可利用干扰信号产生控制作用，以补偿干扰对被控量的影响。例如：自动报警器、自动售货机、自动流水线等。这种按照开环补偿原理建立起来的系统称为开环补偿系统，该控制称为前馈控制。特点：是一种主动控制方式；单纯的前馈控制一般难以满足控制要求；控制精度受到原理的限制。2.闭环控制系统（反馈控制系统）特点：系统输出信号与测量元件之间存在反馈回路。“闭环”这个术语的含义，就是将输出信号通过测量元件反馈到系统的输入端，通过比较、控制来减小系统误差。特点：统的输出量（被控量）对控制作用有直接影响；都是负反馈控制系统，按照偏差进行控制；不管由于干扰或由于系统结构参数的变化所引起的被控量偏离给定值，都会产生控制作用去消除该偏差。该系统从原理上提供了实现高质量控制的可能性。常见的控制系统绝大多数均属于闭环控制系统。3.复合控制系统补偿调节器执行机构受控对象给定值r干扰n被控量测量装置位移微型计算机放大器执行机构工作机床切削刀具反馈测量元件图纸5由于反馈控制只是在偏差出现以后才产生控制作用，因此，系统在强干扰作用下，被控量有可能产生较大波动的控制过程。对于这种工作环境适宜采用按偏差调节和按干扰补偿相结合的复合控制系统。二、按系统的控制作用来分类控制的任务：使被控对象的被控量等于给定值。即：1、恒值控制系统（或称自动调节系统、自动镇定系统、定植控制系统）特点：输入信号是一个恒定的数值，r(t)=const。工业生产中的恒温、恒压等自动控制系统都属于这一类型，如汽包水位控制、过热汽温控制等。2、过程控制系统（或称程序控制系统）特点：输入信号是一个已知的函数，r(t)=f(t)。系统的控制过程按预定的程序进行，要求被控量能迅速准确地复现输入，如化工中的压力、温度、流量控制，电站汽轮机启动过程中希望转速随时间成一定函数关系。恒值控制系统可看成输入等于常值的过程控制系统。3、随动系统（或称伺服系统）特点：输入信号是一个未知函数。要求控制系统的输出量跟随输入信号变化。如：负荷控制、锅炉燃烧过程中的风量的控制等。三、按系统传输信号的性质来分类1、连续系统特点：系统各部分的信号都是时间的连续函数。目前工业中普遍采用的常规仪表PID调节器控制的系统。2、离散系统特点：系统中存在一个或几个时间上离散的信号。系统中用脉冲开关或采样开关，将连续信号转变为离散信号。其中离散信号以脉冲形式传递的系统又叫脉冲控制系统，离散信号以数码形式传递的系统又叫数字控制系统。控制器执行机构受控对象测量、变送器给定值r测量信号—偏差e干扰n被控量补偿器输入输出+_ADDA计算机放大器执行器被控对象反馈装置6四、按描述系统的数学模型不同来分类1、线性系统特点：系统由线性元件构成，描述运动规律的数学模型为线性微分方程。运动方程一般形式：式中：r(t)—系统输入量；c(t)—系统输出量主要特点是具有叠加性和齐次性。1、线性系统主要特点是具有叠加性和齐次性。线性定常系统——描述系统运动状态的微分方程（差分方程）的系数是不随时间变化的常数。线性时变系统——描述系统运动状态的微分方程（差分方程）的系数是时间的函数。2、非线性系统特点：在构成系统的环节中有一个或一个以上的非线性环节。非线性的理论研究远不如线性系统那么完整，目前尚无通用的方法可以解决各类非线性系统。非线性系统不具备叠加性和均匀性。线性系统和非线性系统的比较：r(t)和c(t)分别表示系统的输入和输出，判断各方程所描述的系统的类型（线性/非线性、定常/时变、动态/静态）。线性系统的要领：（1）线性系统的一般形式：（2）方程中的每一项均与c(t)，r(t)或其各阶导数有关。（3）系统不能为他们的导数或c(t)，r(t)。（4）ai和bi均为常数时为定常系统，否则为时变系统。（5）当方程中只含有c(t)，r(t)而不含其导数项时，为静态系统。（6）分段特性系统是非线性系统，因为动态是指全范围满足叠加性。其他的分类方法：c(t)adtdc(t)adtc(t)dadtc(t)da011-n1-n1-n1-nnnnnr(t)bdtdr(t)bdtr(t)dbdtr(t)db011-m1-m1-m1-mmmmm7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。第五节自动控制系统的性能指标为了实现自动控制的基本任务，必须对系统在控制过程中表现出来的行为提出要求。对于控制系统的基本要求，通常通过系统对特定输入信号的响应来描述。一.稳定性——首要条件对于定值控制系统：被控量要准确恢复到给定值。对于随动控制系统：被控量要准确跟踪到给定值。动态过程——系统在动态阶段，被控量不断变化，这一随时间变化的过程成为动态过程，也称为过渡过程、瞬态响应过程或控制过程。不能稳定的系统称为不稳定系统。对于系统稳定性的要求是系统能够正常工作的首要条件。强调：本书重点是以经典控制理论来讨论按偏差进行调节的反馈控制系统；讨论的主要问题是系统动态过程的性能——“稳、快、准”。控制系统讨论：系统分析——对已知自动控制系统从理论上对其动态性能进行定性分析和定量估算；系统综合校正——给定性能指标，如何根据对象特性，合理确定控制装置的结构和参数。8第二章TIME-DOMAINMATHEMATICALMODELOFCONTROLSYSTEM在控制系统的分析和设计中，首先要建立系统的数学模型。控制系统的数学模型是描述系统内部物理量（或变量）之间关系的数学表达式。在静态条件下，描述变量之间关系的代数方程叫静态方程；而描述变量各阶导数之间关系的微分方程叫动态数学模型。如已知输入量及变量的初始条件，对微分方程求解，就可得到系统输出量表达式，并由此对系统进行性能分析。因此，建立系统的数学模型是分析控制系统的首要条件。建立控制系统数学模型的方法有分析法和实验法两种。Analysismethod是对系统各部分的运动机理进行分析，根据它们所依据的物理规律或化学规律分别列写相应的运动方程。Experimentmethod是人为地给系统施加某种测试信号，记录其响应，并用适当的数学模型去逼近，这种方法称为系统辨识。在自动控制理论中，数学模型有