第一章 自动控制原理 绪论 0.ppt

1、2020/12/4,1,第1章 绪论,知识点 自动控制理论的发展简史 被控对象、被控量、控制装置和自动控制系统的基本概念 三种控制方式，特别是闭环控制 由系统工作原理图绘制方框图的方法，并能正确判别系统的控制方式 系统常用的分类方法及分类，各类系统的含义和信息特征 自动控制系统的基本要求,2020/12/4,2,1.1 引言,1.1.1 自动控制技术及应用 自动控制理论与实践的不断发展，为人们提供了设计最佳系统的方法，大大提高了生产率，同时促进了科学技术的进步。所谓自动控制，就是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备（称为控制器）操作被控对象（如机器、设备或生产过程）的某个状态或参数（称为

2、被控量）使其按预先设定的规律自动运行。如化工生产中合成氨反应塔内的温度和压力能够自动维持恒定不变，雷达跟踪和指挥仪所组成的防空系统能使火炮自动地瞄准目标，无人驾驶飞机能按预定轨道自动飞行，人造地球卫星能够发射到预定轨道并能准确回收等等，都是应用自动控制技术的结果。自动控制理论就是研究自动控制共同规律的技术科学，它的发展初期是以反馈理论为基础的自动调节原理，随着工业生产和科学技术的发展，现已发展成为一门独立的学科控制论。控制论包括工程控制论、生物控制论和经济控制论。,2020/12/4,3,在科学技术飞速发展的今天，自动控制技术所起的作用越来越重要，无论是在宇宙飞船、导弹制导、雷达定位等尖端技术

3、领域中，还是在机械制造工业、石油、化工、医药工业等的过程控制中，都有自动控制技术的应用，并且它所取得的成功都是巨大的。因此，自动控制技术已成为现代社会生活中不可缺少的重要组成部分。,2020/12/4,4,1.1.2 自动控制理论的发展,随着生产的发展，控制技术也在不断地发展，尤其是计算机的更新换代，更加推动了控制理论不断地向前发展。控制理论的发展过程一般可分为三个阶段： （1）第一阶段。时间为本世纪4060年代，称为“经典控制理论”时期。经典控制理论主要是解决单输入单输出问题，主要采用传递函数、频率特性、根轨迹为基础的频域分析方法。此阶段所研究的系统大多是线性定常系统，对非线性系统，分析时采

4、用的相平面法一般也不超过两个变量，经典控制理论能够较好地解决生产过程中的单输入单输出问题。这一时期的主要代表人物有伯德（H.W.Bode 1905）和伊文思（W.R.Evans）。伯德于1945年提出了简便而实用的伯德图法。1948年，伊文思提出了直观而又形象的根轨迹法。,2020/12/4,5,（2）第二阶段。时间为本世纪6070年代，称为“现代控制理论”时期。这个时期，由于计算机的飞速发展，推动了空间技术的发展。经典控制理论中的高阶常微分方程可转化为一阶微分方程组，用以描述系统的动态过程，即所谓状态空间法。这种方法可以解决多输入多输出问题，系统既可以是线性的、定常的，也可以是非线性的、时变

5、的。这一时期的主要代表人物有庞特里亚金、贝尔曼（Bellman），及卡尔曼（R.E.Kalman，1930）等人。庞特里亚金于1961年发表了极大值原理；贝尔曼在1957年提出了动态规化原则；1959年，卡尔曼和布西发表了关于线性滤波器和估计器的论文，即所谓著名的卡尔曼滤波。,2020/12/4,6,（3）第三阶段。时间为本世纪70年代末至今。70年代末，控制理论向着“大系统理论”和“智能控制”方向发展。前者是控制理论在广度上的开拓，后者是控制理论在深度上的挖掘。“大系统理论”是用控制和信息的观点，研究各种大系统的结构方案、总体设计中的分解方法和协调等问题的技术基础理论。而“智能控制”是研究与

6、模拟人类智能活动及其控制与信息传递过程的规律，研究具有某些仿人智能的工程控制与信息处理系统。,2020/12/4,7,1.2 自动控制技术中的基本控制方式,（1）系统。即为达到某目的，由相互制约的各个部分按定规律组成的、具有一定功能的整体。 （2）自动控制系统。指能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统，它一般由控制装置（控制器）和被控对象所组成。 （3）控制装置。则是指对被控对象起控制作用的设备总体。 （4）被控对象。是指要求实现自动控制的机器、设备或生产过程。例如，汽车、飞机、炼钢、化工生产的锅炉等。,2020/12/4,8,自动控制系统的性能，在很大程度上取决于系统中的控制器为了产生控

7、制作用而必须接收的信息，这个信息有两个可能的来源： 1）来自系统外部，即由系统输入端输入的参考输入信号。 2）来自被控对象的输出端，即反映被控对象的行为或状态的信息。 把从被控对象输出端获得的信息通过中间环节（称为反馈环节）再送回控制器的输入端的过程，称为反馈。传送反馈信息的载体，称为反馈信号。是否采用反馈，对控制系统的各个指标（即稳定性、快速性、准确性）影响很大。因此系统的基本控制方式也按有无反馈分为三大类：开环控制、闭环控制、复合控制。,2020/12/4,9,1.2.1 开环控制,开环控制是一种最简单的控制方式，其特点是在控制器与被控对象之间只有正向控制作用而没有反馈控制作用，即系统的输

8、出量对控制量没有影响。开环控制系统的示意图如图1-1所示。,图1-1 开环控制系统,2020/12/4,10,如图1-2所示，电动机拖动负载开环控制系统。,图1-2 电动机开环控制系统,2020/12/4,11,1.2.2 闭环控制,闭环控制是指控制装置与被控对象之间既有正向作用，又有反向联系的控制过程，即如果控制器的信息来源中包含有来自被控对象输出的反馈信息，则称为闭环控制系统，或称为反馈控制系统，如图1-3所示。,2020/12/4,12,图1-3 闭环控制系统,2020/12/4,13,在控制系统中，控制装置对被控对象所施加的控制作用，若能取自被控量（输出量）的反馈信息（反馈量），即根据

9、实际输出来修正控制作用，实现对被控对象进行控制的任务，那么这种控制原理称为反馈控制原理。正是由于引入了反馈信息（反馈量），使整个控制过程成为闭合的，因此，按反馈控制原理建立起来的控制系统，叫做闭环控制系统。在闭环控制系统中，其控制作用的基础是被控量（输出量）与给定值之间的偏差，这个偏差是各种实际扰动所导致的总“后果”，它并不区分其中的个别原因。因此，这种系统往往同时能够抵制多种扰动，而且对系统自身元部件参数的波动也不甚敏感。,2020/12/4,14,1.2.3 其他控制方式,目前以反馈原理为基础的经典控制理论已经形成完整的理论体系并有了工程实现的方法。随着空间技术的发展，特别是电子计算机已作

10、为自动控制系统的一个重要组成部分，现代控制理论亦日益显示出其强大的生命力，并在实践中得到成功的应用。在此基础上，一些其他的控制方式也已经在工业控制过程中得到了相应的应用，如最优控制、自适应控制和智能控制等现代高精度的自动控制系统，已在国防和工业生产中得以实现。下面对这些控制方式做简要的介绍。,2020/12/4,15,1最优控制,最优控制是要求控制系统实现对某种性能标准最好的控制，这种性能标准称为性能指标（也叫目标函数）。它通常要求优质、高产、低耗、高效率，一般是与时间、燃料消耗和能源供给等有关。例如，钢铁冶炼过程往往希望时间最短或燃料最省；远程飞机希望实现每单位体积燃料的最大飞行距离，以提高

11、飞机的远航能力；人造卫星运载火箭希望实现燃料消耗最少等。其中最简单的一种是时间最优控制（即快速最优控制），它在自动化仪表、电机电压控制及轧钢机控制中得到广泛应用。,2020/12/4,16,2随动控制系统,随动控制系统的主要特点是输入给定信号的变化规律是事先不能确定的随机信号，这类系统的任务是使输出快速、准确地跟随给定信号的变化而变化，故称作随动控制系统。显然，由于输入在不断地变化，系统跟随性能就成为这类系统中要解决的主要矛盾，当然，系统的干扰也不能忽视，但与跟随性相比，应放在第二位来解决。,2020/12/4,17,3程序控制系统,程序控制系统与随动控制系统不同之处就是它的给定输入不是随机不

12、可知，而是按事先预定的规律变化。这类系统往往适用于特定的生产工艺或工业过程，按所需要的控制给定输入，要求输出按预定的规律变化。设计这类系统比随动系统有针对性，由于变化规律已知，可根据要求事先选择方案，保证控制性能和精度。,2020/12/4,18,1.4.2 按系统特性分类,任何系统都是由各种元部件组成的。从控制理论的角度看，这些元部件的性能可用其输入输出特性来进行分析，根据系统中元部件的特性不同，可以将系统分为线性系统和非线性系统，在下面具体介绍。,2020/12/4,19,1线性系统,当系统中各元件输入输出特性是线性特性，系统的状态和性能以线性微分方程或差分方程来描述时，这种系统称为线性系

13、统。所谓线性特性是指元件的静特性是一条过原点的直线，也称这样的元件为线性元件，因此，由线性元件组成的系统是线性系统。线性系统的一个突出的特点就是满足叠加定理，所以在判别系统是线性或非线性时，可运用叠加定理来判断。,2020/12/4,20,2非线性系统,系统中只要存在一个元件为非线性元件，系统的微分方程就由非线性方程来描述，这样的系统称为非线性系统。由于非线性系统的多样性，在数学上较难处理，叠加原理也不成立，研究起来也不方便，所以只有在一定条件下用近似分析的方法来处理。,2020/12/4,21,1.4.3 按系统信号形式分类,1连续控制系统 连续系统的特点是系统中各元件的输入信号和输出信号都

14、是时间的连续函数，这类系统的运动状态是用微分方程来描述的。 连续系统中各元件传输的信息在工程上称为模拟量，多数实际物理系统都属于这一类，其输入输出一般用和来表示。,2020/12/4,22,2离散控制系统,控制系统中只要存在一处的信号脉冲序列或数码时，该系统即为离散系统。这种系统的状态和性能一般用差分方程来描述，实际物理系统中，信息的表现形式为离散信号的并不多见，往往是控制上的需要，将连续系统离散化，即采样。采样过程通常是通过采样开关把连续的模拟量变为脉冲序列，这样的系统一般又称为采样控制系统。,2020/12/4,23,1.5 自动控制系统的基本要求,1.5.1 稳定性 一个控制系统能正常工

15、作的首要条件是系统必须是稳定的，由于控制系统是具有反馈作用的闭环系统，因此，系统有可能趋向振荡或不稳定，不稳定的系统是无法工作的。 稳定的控制系统在阶跃信号或扰动信号的作用下，其响应的暂态过程应该是收敛的。如果系统设计不当，则在阶跃信号下或扰动信号的作用下，相应的幅值振荡可能成为等幅振荡，甚至成为振幅逐渐增大的发散振荡，发生这种情况的系统称为不稳定系统。 系统稳定性包括两个方面的含义。 （1）系统稳定，称为绝对稳定，即通常所说的稳定性。 （2）输出响应振荡的强烈程度，称为相对稳定性。 例如系统是绝对稳定的，但是在阶跃信号作用下，响应振荡很强烈，而且振荡的衰减很慢，则该系统虽然属于稳定系统，但相

16、对稳定性差。,2020/12/4,24,1.5.2 快速性,在实际控制过程中，不仅要求系统稳定，而且要求被控量能迅速按照输入信号所规定的形式变化，即要求系统具有一定的响应速度。由于系统中总包含一些惯性元件，因此在输入信号作用下，系统的响应总要经过暂态过程之后才能达到稳态。在控制系统的输出响应中，调整时间是直接反映系统响应快慢的一个指标，这将在后面第三章介绍。,2020/12/4,25,1.5.3 准确性,对于控制系统的准确性要求是控制系统设计中需要考虑的指标之一，要求系统准确性（稳态精度）高，一般采用稳态误差来表示。系统在输入信号的作用下，其响应经过暂态过程进入稳态后，系统的输出量与希望值之间的误差，称为稳态误差。,2020/12/4,26,1.6 本课程的性质和