1、自動控制原理自動控制原理控制理論：自動化學科的重要理論基礎引引 言言研究自動控制共同規律的技術科學研究自動控制共同規律的技術科學自動控制技術應用自動控制技術應用自動控制系統自動控制系統課程的性質和特點自動控制是一門技術學科，從方法論的角度來研究系統的建立、分析與設計。自動控制原理是本學科的專業基礎課，是自動控制理論的基礎課程，該課程與其它課程的關系如下。微積分（含微分方程微積分（含微分方程）電機與拖動電機與拖動模擬電子技術模擬電子技術線性代數線性代數電路理論電路理論信號與系統信號與系統自動控制理論自動控制理論復變函數、拉普拉斯變換復變函數、拉普拉斯變換大學物理（力學、熱力學）大學物理（力學、熱

2、力學）課程學習要面臨課程學習要面臨數學基礎寬而深數學基礎寬而深控制原理抽象控制原理抽象計算復雜且繁瑣計算復雜且繁瑣繪圖困難繪圖困難dcbxax2計算機數學語言計算機數學語言MATLABMATLAB數值解數值解/ /解析解（數學運算）解析解（數學運算）控制理論的內容控制理論的內容 二十世紀三項科學革命：控制論、量二十世紀三項科學革命：控制論、量子論、相對論子論、相對論 控制論： 經典控制理論經典控制理論 現代控制理論（智能控制理論）現代控制理論（智能控制理論）導 讀 自動化技術幾乎滲透到國民經濟的各個領域及社會生活的各個方面，是當代發展最迅速、應用最廣泛、最引人注目的高科技，是推動新的技術革命和

3、新的產業革命的關鍵技術，在某種程度上說，自動化是現代化的同義詞。自動控制原理研究分析、設計自動控制系統的基本方法。本章主要講什么內容? 從介紹自動控制的發展歷史入手，引出自動控制理論分析、設計自動控制系統的基本思想，然后介紹自動控制的基本概念，以及對自動控制系統的基本要求，使讀者對自動控制理論的總的目標有個大致的了解。制導導彈制導導彈 現代的高新技術讓導彈長上了“眼睛”和“大腦”，利用負反饋控制原理去緊緊盯住目標哈勃望遠鏡特殊地衛星中巴資源衛星 雷達操作時，天線就要不停地轉動。天線的作用是雷達操作時，天線就要不停地轉動。天線的作用是把雷達中產生的無線電波按照一定的方向向外發射出去，把雷達中產生

4、的無線電波按照一定的方向向外發射出去，并把被反射回來的無線電波接收下來。正因為天線所起并把被反射回來的無線電波接收下來。正因為天線所起的作用好似人的眼睛一樣，因此雷達要注視和偵察整個的作用好似人的眼睛一樣，因此雷達要注視和偵察整個天空的狀況，天線就要不停地轉動，用一個驅動馬達使天空的狀況，天線就要不停地轉動，用一個驅動馬達使天線作天線作360360度的旋轉，這樣它就能在度的旋轉，這樣它就能在360360度范圍內進行度范圍內進行“搜索搜索”。101.0 自動控制發展簡史中國古代自動化方面的成就： 公元前14世紀至前11世紀，中國、埃及和巴比倫出現自動計時漏壺； 公元130年，張衡發明水運渾象，1

5、32年研制出自動測量地震的候風地動儀； 公元235年，馬鈞研制出用齒輪傳動自動指示方向的指南車，類似按擾動補償的自控系統；11中國古代自動化方面的輝煌成就： 公元725年，一行、梁令瓚發明有自動報時機構的水運渾象，其中使用了一個天衡裝置，是一個按被調量偏差調節的自動調節器； 公元1086-1092年，蘇頌和韓公廉建造具有“天衡”自動調節和自動報時機構的水運儀象臺； 公元l135年，宋代王普記述“蓮華漏”上使用浮子閥門式機構自動調節漏壺的水位； 公元1637年，明代的天工開物一書中記載有程序控制思想的提花織機結構圖。 飛球調節器世界上公認的第一個自動控制系統 圖 1.1 飛球調節器原理圖 關 汽

6、閥聯結器 開 調節器軸 套環 汽輪機軸 1788年瓦特發明飛球調節器，進一步推動蒸汽機的應用，促進了工業的發展。 推動了社會進步是飛球調節器公認為第一個自動控制系統的最主要原因！13沒有理論指導使控制技術停滯了一個世紀！ 飛球調節器有時使蒸汽機速度出現大幅度振蕩。其它自動控制系統也有類似現象。 由于當時還沒有自控理論，所以不能從理論上解釋這一現象。為了解決這個問題，盲目探索了大約一個世紀之久。 14自動控制理論的開端 1868年英國麥克斯韋爾的“論調速器”論文指出： 不應單獨研究飛球調節器，必須從整個系統分析控制的不穩定。 建立系統微分方程，分析微分方程解的穩定性，從而分析實際系統是否會出現不

7、穩定現象。這樣，控制系統穩定性的分析，變成了判別微分方程的特征根的實部的正、負號問題。 麥克斯韋爾的這篇著名論文被公認為自動控制理論的開端。15 經典控制理論的孕育 1875年，英國勞斯提出代數穩定判據。 1895年，德國赫爾維茲提出代數穩定判據。 1892年，俄國李雅普諾夫提出穩定性定義和兩個穩定判據。 1932年，美國奈奎斯特提出奈氏穩定判據。 二戰中自動火炮、雷達、飛機以及通訊系統的控制研究直接推動了經典控制的發展。經典控制理論的形成 1948年，維納出版控制論，形成完整的經典控制理論，標志控制學科的誕生。 維納成為控制論的創始人！維納控制論是關于怎樣把機械元件和電氣元件組合成穩定的并且

8、具有特定性能的系統的科學。這門新科學的一個非常突出的特點就是完全不考慮能量、熱量和效率等因素，可是，在其他各門自然科學中，這些因素是十分重要的。 控制論所討論的主要問題是一個系統的各個不同部分之間的相互作用的定性性質，以及整個系統的總體運 動狀態。空間技術促使現代控制理論的產生現代控制理論促進了空間技術的發展 二次世界大戰結束后，各國大力發展空間技術，經典控制理論不能滿足需要，需要研究新的控制理論。 現代控制理論在空間技術取得巨大成功，促進了空間技術的發展。18現代控制理論在工業過程控制方面遭遇滑鐵盧，促使了智能控制技術的誕生 現代控制理論在空間技術取得巨大成功，但由于工業過程控制中普遍存在的

9、不確定性和干擾，難以取得預期的效果。模擬人的控制技術智能控制，雖然不能實現精確的控制，但對各種復雜系統能夠做到比較滿意的控制。經典控制理論(古典控制理論)以傳遞函數為基礎，研究單輸入以傳遞函數為基礎，研究單輸入-單輸單輸出定常控制系統的分析與設計問題：出定常控制系統的分析與設計問題：線性控制系統分析：時域分析、穩定性與線性控制系統分析：時域分析、穩定性與穩態誤差分析、根軌跡分析、頻域分析。穩態誤差分析、根軌跡分析、頻域分析。非線性控制系統分析：相平面分析、描述非線性控制系統分析：相平面分析、描述函數分析。函數分析。（連續控制系統、離散控制系統）（連續控制系統、離散控制系統）現代控制理論以狀態空

10、間法為基礎，研究多輸入以狀態空間法為基礎，研究多輸入-多多輸出時變、非線性、高精度、高效能控制輸出時變、非線性、高精度、高效能控制系統的分析與設計問題：系統的分析與設計問題：（線性系統、自適應控制、最優控制、線性系統、自適應控制、最優控制、魯棒控制、最佳估計、容錯控制、系統辨魯棒控制、最佳估計、容錯控制、系統辨識、集散控制、大系統復雜系統識、集散控制、大系統復雜系統）智能控制（智能控制（專家系統、模糊控制、神經專家系統、模糊控制、神經網絡、遺傳算法網絡、遺傳算法）第一章第一章 自動控制的一般概念自動控制的一般概念 實例（示意圖）實例（示意圖）人工（手動）控制：（1）對象：儲液系統（2）目標：液

11、位（3）眼睛：觀察 液位變化（4）大腦：分析、比 較、判斷（5）手/腳：動作執行 實例（示意圖）實例（示意圖）自動控制：（1）對象：儲液系統（2）目標：液位（3）傳感器：檢測 液位變化（4）控制器：控制功能（5）執行器：完成控制 動作傳感器傳感器信號信號信號驅動設備信號驅動設備控制原理框圖控制原理框圖（控制理念）（控制理念）對象對象手腳手腳 （執行器）（執行器）大腦大腦 （控制器）（控制器）眼睛眼睛 （傳感器）（傳感器） 控制控制對象對象執行裝置執行裝置控制器控制器測量裝置測量裝置1.1 自動控制的概念自動控制的概念自動控制：自動控制：是指沒有人直接參與的情況下，利是指沒有人直接參與的情況下，

12、利用控制裝置（稱控制器），使整個生產過程或用控制裝置（稱控制器），使整個生產過程或工作機械（稱被控對象）的某個工作狀態或參工作機械（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。數（即被控量）自動地按照預定的規律運行。自動控制系統：自動控制系統：能夠實現自動控制任務的系統，能夠實現自動控制任務的系統，由控制器與控制對象組成。由控制器與控制對象組成。控制對象控制對象控制器控制器輸入量輸入量輸出量輸出量擾動量擾動量?控制對象：要求實現自動控制的機器、設備或生產過程。控制器：對控制對象起控制作用的控制裝置總體。輸入量：作用于控制系統輸入端，并可使系統具有預定功能或預定輸出的物

13、理量。輸出量：位于控制系統輸出端，并要求實現自動控制的物理量。擾動量：破壞系統輸入量和輸出量之間預定規律的信號。自動控制系統控制原理方框圖自動控制系統控制原理方框圖控制控制對象對象執行裝置執行裝置控制器控制器測量裝置測量裝置控制器控制器比較環節比較環節輸入量輸入量偏差偏差測量值測量值輸出量輸出量控制量控制量擾動量擾動量控制動作控制動作廣義對象廣義對象自動控制裝置自動控制裝置元素：元素：（1 1） ：元件：元件（2 2） ：信號（物理量）及傳遞方向：信號（物理量）及傳遞方向（3 3） ：比較點（信號疊加）：比較點（信號疊加）（4 4） ：引出點（分支、信號強度）：引出點（分支、信號強度） （5

14、5）+/- +/- ：符號的意義（正、負反饋）：符號的意義（正、負反饋）爐溫控制系統方框圖爐溫控制系統方框圖(- -)utug擾動擾動 給定給定 裝置裝置 放大器放大器 電動機電動機 轉速反轉速反 饋裝置饋裝置 觸發器觸發器 晶闡管可晶闡管可 控整流器控整流器控控 制制 裝裝 置置受控對象受控對象n 方框圖方框圖ueudoRP1ugR0R0R1-utRP2- -+- -+ TGMudouc直流電機調直流電機調速系統速系統+關鍵點：關鍵點：工作原理工作原理輸入輸出輸入輸出被控對象被控對象 中間環節中間環節信號傳遞信號傳遞(自動控制系統方塊圖的繪制)控制系統控制系統1.2 控制原理與方式控制原理與

15、方式 1.1.開環控制開環控制 開環控制系統是指無被控量反饋的控制系統開環控制系統是指無被控量反饋的控制系統, ,即即需要控制的是被控對象的某一量需要控制的是被控對象的某一量( (被控量被控量), ),而測量的而測量的只是給定信號只是給定信號, ,被控量對于控制作用沒有任何影響的被控量對于控制作用沒有任何影響的系統。結構如圖所示。系統。結構如圖所示。 信號由給定值至被控量單向傳遞。這種控制較簡單信號由給定值至被控量單向傳遞。這種控制較簡單, ,但有較大的缺陷但有較大的缺陷, ,即對象或控制裝置受到干擾即對象或控制裝置受到干擾, ,或工作中特或工作中特性參數發生變化性參數發生變化, ,會直接影響

16、被控量會直接影響被控量, ,而無法而無法自動補償自動補償。因此因此, ,系統的系統的控制精度控制精度難以保證。從另一種意義理解難以保證。從另一種意義理解, ,意意味著對受控對象和其它控制元件的味著對受控對象和其它控制元件的技術要求較高技術要求較高。如數如數控線切割機進給系統、包裝機等多為開環控制。控線切割機進給系統、包裝機等多為開環控制。 閉環控制的定義是有被控制量反饋的控制閉環控制的定義是有被控制量反饋的控制,其其原理框如圖所示。從系統中信號流向看原理框如圖所示。從系統中信號流向看,系統的輸系統的輸出信號沿反饋通道又回到系統的輸入端出信號沿反饋通道又回到系統的輸入端,構成閉合構成閉合通道通道

17、,故稱閉環控制系統故稱閉環控制系統,或反饋控制系統。或反饋控制系統。 前前/ /正向通道正向通道反反/ /負向通道負向通道 這種控制方式這種控制方式, ,無論是由于干擾造成無論是由于干擾造成, ,還是由于還是由于結構參數的變化引起被控量出現偏差結構參數的變化引起被控量出現偏差, ,系統就利用系統就利用偏差去糾正偏差偏差去糾正偏差, ,故這種控制方式為故這種控制方式為按偏差調節按偏差調節。 閉環控制系統的突出優點是利用偏差來糾正閉環控制系統的突出優點是利用偏差來糾正偏差偏差, ,使系統達到使系統達到較高的控制精度較高的控制精度。但與開環控制。但與開環控制系統比較系統比較, ,閉環系統的結構比較復

18、雜閉環系統的結構比較復雜, ,構造比較困難。構造比較困難。需要指出的是需要指出的是, ,由于閉環控制存在由于閉環控制存在反饋信號反饋信號, ,利用偏利用偏差進行控制差進行控制, ,如果設計得不好如果設計得不好, ,將會使將會使系統無法正常系統無法正常和穩定地工作和穩定地工作。另外。另外, ,控制系統的精度與系統的穩控制系統的精度與系統的穩定性之間也常常存在矛盾。定性之間也常常存在矛盾。 開環控制和閉環控制方式各有優缺點開環控制和閉環控制方式各有優缺點, ,在實際工程在實際工程中應根據工程要求及具體情況來決定。如果事先預知中應根據工程要求及具體情況來決定。如果事先預知輸入量的變化規律輸入量的變化

19、規律, ,又不存在外部和內部參數的變化又不存在外部和內部參數的變化, ,則則采用開環控制較好。如果對系統外部干擾無法預測采用開環控制較好。如果對系統外部干擾無法預測, ,系系統內部參數又經常變化統內部參數又經常變化, ,為保證控制精度為保證控制精度, ,采用閉環控制采用閉環控制則更為合適。則更為合適。如果對系統的性能要求比較高如果對系統的性能要求比較高, ,為了解決為了解決閉環控制精度與穩定性之間的矛盾閉環控制精度與穩定性之間的矛盾, ,可以采用開環控制可以采用開環控制與閉環控制相結合的復合控制系統。與閉環控制相結合的復合控制系統。 （3 3）. .復合控制復合控制1.3 1.3 自動控制系統

20、的組成及術語自動控制系統的組成及術語 典型反饋控制系統的原理如圖所示典型反饋控制系統的原理如圖所示 (1)被控對象:它是控制系統所控制和操縱的對象,它接受控制量并輸出被控制量。(2)控制器:接收變換和放大后的偏差信號,轉換為對被控對象進行操作的控制信號。(3)放大變換環節:將偏差信號變換為適合控制器執行的信號。它根據控制的形式、幅值及功率來放大變換。(4)校正裝置:為改善系統動態和靜態特性而附加的裝置。如果校正裝置串聯在系統的前向通道中,稱為串聯校正裝置;如果校正裝置接成反饋形式,稱為并聯校正裝置,又稱局部反饋校正。(5)反饋環節:它用來測量被控量的實際值,并經過信號處理,轉換為與被控制量有一

21、定函數關系,且與輸入信號同一物理量的信號。反饋環節一般也稱為測量變送環節。(6)給定環節:產生輸入控制信號的裝置。 (1)輸入信號:泛指對系統的輸出量有直接影響的外界輸入信號,既包括控制信號又包括擾動信號。其中控制信號又稱控制量、參考輸入、或給定值。(2)輸出信號:是指反饋控制系統中被控制的物理量,它與輸入信號之間有一定的函數關系。(3)反饋信號:將系統(或環節)的輸出信號經變換、處理送到系統(或環節)的輸入端的信號,稱為反饋信號。若此信號是從系統輸出端取出送入系統輸入端,這種反饋信號稱主反饋信號。而其它稱為局部反饋信號。 控制系統中常用的名詞術語 (4)(4)偏差信號偏差信號: :控制輸入信

22、號與主反饋信號之差。控制輸入信號與主反饋信號之差。(5)(5)誤差信號誤差信號: :它指系統輸出量的實際值與希望值它指系統輸出量的實際值與希望值之差。系統希望值是理想化系統的輸出，實際上之差。系統希望值是理想化系統的輸出，實際上并不存在并不存在, ,它只能用與控制輸入信號具有一定比例它只能用與控制輸入信號具有一定比例關系的信號來表示。在單位反饋情況下關系的信號來表示。在單位反饋情況下, ,希望值就希望值就是系統的輸入信號是系統的輸入信號, ,誤差信號等于偏差信號。誤差信號等于偏差信號。(6)(6)擾動信號擾動信號: :除控制信號以外除控制信號以外, ,對系統的輸出有影對系統的輸出有影響的信號。

23、響的信號。 1.4 1.4 自動控制系統的類型自動控制系統的類型 1.按信號流向劃分（1）開環控制系統 信號流動由輸入端到輸出端單向流動。 （2）閉環控制系統 若控制系統中信號除從輸入端到輸出端外,還有輸出到輸入的反饋信號,則構成閉環控制系統,也稱反饋控制系統,如圖所示。 2.按系統輸入信號劃分 （1）恒值調節系統(自動調節系統) 這種系統的特征是輸入量為一恒值,通常稱為系統的給定值。控制系統的任務是盡量排除各種干擾因素的影響,使輸出量維持在給定值(期望值)。如工業過程中恒溫、恒壓、恒速等控制系統。 （2）隨動系統(跟蹤系統) 該系統的控制輸入量是一個事先無法確定的任意變化的量,要求系統的輸出

24、量能迅速平穩地復現或跟蹤輸入信號的變化。如雷達天線的自動跟蹤系統和高炮自動描準系統就是典型的隨動系統。 （3）程序控制系統 系統的控制輸入信號不是常值,而是事先確定的運動規律,編成程序裝在輸入裝置中,即控制輸入信號是事先確定的程序信號,控制的目的是使被控對象的被控量按照要求的程序動作。如數控車床就屬此類系統。 3.線性系統和非線性系統 組成系統元器件的特性均為線性的,可用一個或一組線性微分方程來描述系統輸入和輸出之間關系。線性系統的主要特征是具有齊次性和疊加性。 (1)線性系統 (2)非線性系統 在系統中只要有一個元器件的特性不能用線性微分方程描述其輸入和輸出關系,則稱為非線性系統。非線性系統

25、還沒有一種完整、成熟、統一的分析法。通常對于非線性程度不很嚴重,或做近似分析時,均可用線性系統理論和方法來處理。4.定常系統和時變系統 (1)定常系統 如果描述系統特性的微分方程中各項系數都是與時間無關的常數,則稱為定常系統。該類系統只要輸入信號的形式不變,在不同時間輸入下的輸出響應形式是相同的。 (2)時變系統 如果描述系統特性的微分方程中只要有一項系數是時間的函數,此系統稱為時變系統。 5.連續系統和離散系統 (1)連續系統 系統中所有元件的信號都是隨時間連續變化的,信號的大小均是可任意取值的模擬量,稱為連續系統。 (2)離散系統 離散系統是指系統中有一處或數處的信號是脈沖序列或數碼。若系

26、統中采用了采樣開關,將連續信號轉變為離散的脈沖形式的信號,此類系統稱為采樣控制系統或脈沖控制系統。若采用數字計算機或數字控制器,其離散信號是以數碼形式傳遞的,此類系統稱為數字控制系統。6.單輸入單輸出系統與多輸入多輸出系統(1)單輸入單輸出系統(單變量系統) 系統的輸入量和輸出量各為一個,稱為單輸入單輸出系統。 (2)多輸入多輸出系統(多變量系統) 若系統的輸入量和輸出量多于一個,稱為多輸入多輸出系統。對于線性多輸入多輸出系統,系統的任何一個輸出等于數個輸入單獨作用下輸出的疊加。 1.51.5自動控制系統性能的基本要求自動控制系統性能的基本要求 自動控制系統是否能很好地工作,是否能精確地保持被

27、控量按照預定的要求規律變化這取決于被控對象和控制器及各功能元器件的特性參數是否設計得當。 在理想情況下,控制系統的輸出量和輸入量,在任何時候均相等,系統完全無誤差,且不受干擾的影響。實際系統中,由于各種各樣原因,系統在受到輸入信號(也包括擾動信號)的激勵時,被控量將偏離輸入信號作用前的初始值,經歷一段動態過程(過渡過程)，則系統控制性能的優劣,可以從動態過程中較充分地表現出來。12s +2s+122outStep1Scope單位階躍響應仿真MATLAB模型 仿真輸出0 1234500.20.40.60.811.21.41+1- t ts s t tp p t tr r 1.穩定性(穩) 控制精

28、度是衡量系統技術性能的重要尺度。一個高品質的系統,在整個運行過程中,被控量對給定值的偏差應該是最小的。考慮動態過程在不同階段中的特點,工程上通常從穩、準、快三個方面來衡量自動控制系統。 穩定工作是所有自動控制系統的最基本要求,是系統能否工作的前題。不穩定的系統根本無法完成控制任務。考慮到實際系統工作環境或參數的變動,可能導致系統不穩定,因此,我們除要求系統穩定外,還要求其具有一定的穩定裕量。 2.穩態精度(準) 3.動態過程(快) 穩態精度是指系統過渡到新的平衡工作狀態以后,或系統對抗干擾重新恢復平衡后,最終保持的精度。穩態精度與控制系統的結構及參數,輸入信號形式有關。 動態過程是指控制系統的被控量在輸入信號作用下隨時間變化的全過程,衡量動態過程的品質好壞常采用單位階躍信號作用下過渡過程中的超調量,過渡過程時間等性能指標。 對于一個實際系統其輸入信號往往是比較復雜的,而系統的輸出響應又與輸入信號類型有關。因此,在研究自動控制系統的響應時,往往選擇一些典型輸入信號,并且以最不利的信號作為系統的輸入信號,分析系統在此輸入信號下所得到的輸出響應是否滿足要求，估計系統在比較復雜信號作用下的性能指標。1