第一章-10.9自動控制原理

自動控制原理AutomaticControlPrinciple張偉2012年9月1胡壽松《自動控制原理》科學出版社胡壽松《自動控制原理習題集》科學出版社王建輝《自動控制原理》清華大學出版社吳麒《自動控制原理》清華大學出版社梅曉榕《自動控制原理》科學出版社梅曉榕《自動控制原理學習與考研指導》科學出版社參考書2控制理論發(fā)展史古典控制理論時期--20世紀40年代一60年代主要采用傳遞函數(shù)、頻率特性、根軌跡等頻域分析方法來解決單輸入單輸出系統(tǒng)的控制問題。包括伯德提出的伯德圖法，伊文思的根軌跡法。

1948年維納的著作《控制論》和錢學森的《工程控制論》是這一階段的代表作3

現(xiàn)代控制理論時期--20世紀60年代-70年代

，主要采用狀態(tài)空間法解決多輸人多輸出的線性、非線性，定常、時變系統(tǒng)。其代表性成果包括龐特里亞金的極大值原理、貝爾曼的動態(tài)規(guī)劃、卡爾曼和布西提出的卡爾曼濾波器?？刂评碚摪l(fā)展史4控制理論發(fā)展史智能控制理論--20世紀80年代以來，控制理論在廣度上向“大系統(tǒng)理論”開拓，深度上向“智能控制’’方向挖掘，以神經網(wǎng)絡和模糊控制為代表的智能控制理論是現(xiàn)代控制理論的研究熱點

5自動控制理論的發(fā)展史上的著名事件人類對控制系統(tǒng)的基本原理（反饋）早有認識，并利用它創(chuàng)造許多裝置。如2000年前，羅馬人：水位控制系統(tǒng)（淋?。?，神廟（開關門）英雄裝置。中國能工巧匠（技師、工程師、科學家）：蘇頌的水運儀象臺，張衡的地震方向測定儀。1786年，JamesWatt為控制蒸汽機速度設計的離心調節(jié)器，是自動控制領域的第一項重大成果。6瓦特7瓦特的蒸汽機8離心調速器工作原理9工作原理：進入蒸汽缸中的蒸汽量，可根據(jù)蒸汽機的希望轉速與實際轉速的差值自動地進行調整。它的工作原理是：根據(jù)希望的轉速，設置輸入量(控制量)。如果實際轉速降低到希望的轉速值以下，則調速器的離心力下降，從而使控制閥上升，進入蒸汽機的蒸汽量增加，于是蒸汽機轉速隨之增加，直至上升到希望的轉速值時為止。反之，若蒸汽機的轉速增加到超過希望的轉速值，調速器的離心力便會增加，造成控制閥向下移動。這樣就減少了進入蒸汽機的蒸汽量，蒸汽機的轉速也就隨之下降，直到下降至希望的轉速時為止。101868年，英國J.C麥克斯韋首先解釋了瓦特速度控制系統(tǒng)中出現(xiàn)的不穩(wěn)定問題。1877年勞斯，1892年李雅普諾夫分別獨立地得出了勞斯判據(jù)和李雅普諾夫穩(wěn)定判據(jù)。1922年，Minorsky研制出船舶操縱自動控制器，并證明了從系統(tǒng)的微分方程確定系統(tǒng)的穩(wěn)定性的方法。1932年，Nyquist提出了一種根據(jù)系統(tǒng)的開環(huán)頻率響應(對穩(wěn)態(tài)正弦輸入)，確定閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法。111934年，Hezen提出了用于位置控制系統(tǒng)的伺服機構的概念，討論了可以精確跟蹤變化的輸入信號的機電伺服機構。19世紀40年代，頻率響應法為閉環(huán)控制系統(tǒng)提供了一種可行方法，Evans提出并完善了根軌跡法。1948年,美國數(shù)學家N.Wiener出版《Cybernetics》是一個控制科學里程碑?！犊刂普摗返母睒祟}是關于人、動物及其通訊的科學。1219世紀50年代末，控制計問題的重點從設計許多可行系統(tǒng)中的一種系統(tǒng)，轉到設計在某種意義上的最佳系統(tǒng)。19世紀60年代，數(shù)字計算機的出現(xiàn)為復雜系統(tǒng)的基于時域分析的現(xiàn)代控制理論提供了可能。從1960－1980，確定性系統(tǒng)、隨機系統(tǒng)的最佳控制，及復雜系統(tǒng)的自適應和學習控制，都得到充分的研究。從1980－現(xiàn)在，智能控制理論集中于3C（Computer計算機、Control控制、Communication通信）控制系統(tǒng)及其相關課題。13第一章控制系統(tǒng)導論1-1自動控制的基本原理1-2自動控制系統(tǒng)示例1-3自動控制系統(tǒng)的分類1-4對自動控制系統(tǒng)的基本要求141-1自動控制的基本原理自動控制技術及其應用自動控制的基本概念自動控制系統(tǒng)的基本控制方式反饋控制系統(tǒng)的原理及結構15

自動控制

是指在無人直接參加的情況下，利用外加的設備或裝置（稱控制裝置或控制器）使機器、設備或生產過程（稱被控對象）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（稱被控量）自動地按照預定規(guī)律運行。第一章控制系統(tǒng)導論1.自動控制技術及其應用16自動控制：在無人直接參加的情況下，利用外加的設備或裝置（控制器）使機器、設備或生產過程（被控對象）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（被控量）自動地按預定規(guī)律運行。被控對象：控制系統(tǒng)要進行控制的受控客體被控量：控制對象要實現(xiàn)的量2.自動控制的基本概念17自動控制理論：研究自動控制共同規(guī)律的技術科學。自動控制系統(tǒng)：是由控制裝置和被控對象所組成，它們按照一定的方式連接起來，組成一個有機總體。2.自動控制的基本概念18(-)utug擾動給定裝置放大器電動機轉速反饋裝置觸發(fā)器晶闡管可控整流器控制裝置受控對象n(b)方框圖ueudoRP1ugR0R0R1-utRP2-+-++

TGMudouc(a)原理圖+19

反饋控制——采用負反饋(正反饋較少)并利用偏差進行控制的過程。由于引入了被反饋量的反饋信息，整個控制過程成為閉合的，因此反饋控制也稱為閉環(huán)控制

。3.反饋控制系統(tǒng)的組成20圖1.5閉環(huán)控系統(tǒng)基本組成框圖被控量——

反饋控制系統(tǒng)的基本組成串連校正裝置放大裝置執(zhí)行機構被控對象反饋校正裝置測量裝置給定裝置21給定裝置：產生給定值或輸入信號（量）（即參考量或期望值）測量裝置：測量被控制的物理量（被控量），用于產生反饋信號。各種傳感器：測速發(fā)電機、電位計、熱電偶等。比較裝置：把測量元件檢測的實際值（被控量）與給定元件給出的參考量進行比較，求出它們之間的偏差。如差動放大器、自整角機。反饋控制系統(tǒng)的基本組成22放大裝置：將比較元件給出的偏差進行放大，用來推動執(zhí)行元件。去控制被控對象，如放大器、晶閘管。執(zhí)行機構：直接推動被控對象，使其被控量發(fā)生變化。如步進電機，繼電器開關。補償裝置：它是結構或參數(shù)便于調整的元件或機構，用串聯(lián)或反饋的方式連接在系統(tǒng)中，以改善控制系統(tǒng)性能。工業(yè)應用的控制系統(tǒng)：電動、汽（氣）動、液動。反饋控制系統(tǒng)的基本組成23輸出量環(huán)節(jié)名稱(或特性)輸入量(a)

(-)(b)re=r-b

b(c)c引出點cc閉環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖

方框圖的組成：被控量偏差信號

(-)

參考輸入信號r(t)

調節(jié)器(或控制器)u(t)受控系統(tǒng)e(t)c(t)反饋信號

控制量

擾動

給定

控制環(huán)節(jié)

放大

元件

執(zhí)行

機構

受控

對象

反饋裝置(測量元件)24用“○”號代表比較裝置，“—”號代表兩者符號相反。前向通路：信號沿箭頭方向從輸入端到達輸出端的傳輸通路稱；主反饋通路：系統(tǒng)輸出量經測量裝置反饋到輸入端的傳輸通路稱。前向通路與主反饋通路共同構成主回路。局部反饋通路以及由它構成的內回路。

反饋控制系統(tǒng)的基本組成254.自動控制系統(tǒng)的控制方式開環(huán)控制方式：開環(huán)控制是指控制器與被控對象之間只有順向作用而沒有反向聯(lián)系的控制過程。分為按給定控制的開環(huán)控制系統(tǒng)和按擾動控制的開環(huán)控制系統(tǒng)主要控制方式有：開環(huán)控制、反饋控制和復合控制26控制器被控制對象給定值輸出量按給定值控制的原理方框圖按給定控制的開環(huán)控制系統(tǒng)27功率放大SM負載++++u0nua電動機速度控制系統(tǒng)電動機速度開環(huán)控制系統(tǒng)(補充)28信號由給定值至輸出量單向傳遞。一定的給定值對應一定的輸出量。系統(tǒng)的控制精度取決于系統(tǒng)事先的調整精度。對于工作過程中受到的擾動或特性參數(shù)的變化無法自動補償。。

控制形式：29輸出不影響輸入，對輸出不需要測量，容易實現(xiàn)；對構成系統(tǒng)的元部件精度要求高，只有元部件精度高，系統(tǒng)的精度才能高；系統(tǒng)的穩(wěn)定性不是主要問題結構簡單，成本低廉，多用于系統(tǒng)結構參數(shù)穩(wěn)定和擾動信號較弱的場合主要特點：30擾動輸出量控制器被控制對象測量裝置按擾動補償?shù)脑矸娇驁D按擾動控制的開環(huán)控制方式：31按擾動控制的速度控制系統(tǒng)(P6)負載功率放大放大電壓SM+++++u0nuaucubR32控制形式：利用對擾動信號的測量產生控制作用，以補償擾動對輸出量的影響。由于擾動信號經測量裝置，控制器至被控對象的輸出量是單向傳遞的，故屬于開環(huán)控制方式。系統(tǒng)自身無法控制。特點：對于不可測擾動以及被控對象及各功能部件內部參數(shù)變化給輸出量造成的影響不能控制，控制精度較低應用：常用于工作機械的恒速控制（如穩(wěn)定刀具轉速）以及電源系統(tǒng)的穩(wěn)壓，穩(wěn)頻控制。33反饋控制方式：反饋：取出輸出量送回輸入端并與輸入信號相比較產生偏差信號的過程負反饋控制原理：利用反饋產生偏差，并利用偏差進行控制直至最后消除偏差分類：正反饋和負反饋34輸入量輸出量反饋控制典型方框圖控制器被控制對象擾動反饋控制方式：測量裝置35特點：按偏差進行控制，輸出影響輸入，所以能削弱或抑制干擾；低精度元件可組成高精度系統(tǒng)；因為可能發(fā)生超調，振蕩，所以穩(wěn)定性很重要36閉環(huán)與開環(huán)控制系統(tǒng)的比較

開環(huán)控制：順向作用，沒有反向的聯(lián)系，沒有修正偏差能力，抗擾動性較差。結構簡單、調整方便、成本低。在精度要求不高或擾動影響較小的場合，這種控制方式有一定的實用價值（步進電機，水泵，風扇）。

閉環(huán)控制：為偏差控制，可以抑制內（系統(tǒng)參數(shù)變化）、外擾動（負載變化）對被控制量產生的影響，因此，控制精度高。但是結構復雜，成本高（價格成倍增加）；系統(tǒng)設計、分析麻煩。

37控制方式：按偏差控制和按擾動控制相結合的一種控制方式優(yōu)點：構成高精度控制系統(tǒng)的一種有效控制方式，使控制系統(tǒng)具有良好的控制性能。復合控制方式：分類：按輸入前饋補償?shù)膹秃峡刂瓢锤蓴_前饋補償?shù)膹秃峡刂?8圖1.4輸入補償?shù)膹秃峡刂葡到y(tǒng)框圖輸入量控制器控制對象測量元件輸出量反饋回路被控量干擾量前饋補償按輸入順饋補償?shù)膹秃峡刂品绞剑?9圖1.3干擾補償?shù)膹秃峡刂葡到y(tǒng)框圖輸入量控制器控制對象測量元件輸出量反饋回路被控量干擾量前饋補償按擾