第1章-自动控制系统基本概念(王恒迪)

1、控 制 理 论 及 应 用控 制 理 论 及 应 用教教 材：自动控制原理材：自动控制原理教教 师：王恒迪师：王恒迪电电 话：话：1352694138013526941380E-mail: sywhdE-mail: 答答 疑：西苑疑：西苑5-2205-220， 周三下午周三下午2 2：30-430-4：0000先修课程：高等数学、大学物理、积分变换、电先修课程：高等数学、大学物理、积分变换、电工学、模拟电子技术工学、模拟电子技术后续课程：过程控制、数字信号处理、传感器后续课程：过程控制、数字信号处理、传感器学时分配：共学时分配：共4848学时，其中理论教学学时，其中理论教学3838学时，实学时

2、，实验验8 8学时，考试学时，考试2 2学时学时课程特点：理论性较强课程特点：理论性较强第一章第一章 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念自动控制：在无人直接参与的情况下，利用控制装置，使工自动控制：在无人直接参与的情况下，利用控制装置，使工作机械、或生产过程（作机械、或生产过程（被控对象被控对象）的某一个物理量（）的某一个物理量（被控量被控量）按）按预定的规律（预定的规律（给定量给定量）变化。）变化。发展简史发展简史经典控制理论经典控制理论( 19( 19世纪初世纪初 ) ) 时域法、根轨迹法、频域法。时域法、根轨迹法、频域法。 研究方法：以传递函数为基础，研究单输入、单输出的线性研

3、究方法：以传递函数为基础，研究单输入、单输出的线性定常系统。定常系统。现代控制理论现代控制理论( 20( 20世纪世纪6060年代年代 ) ) 自适应控制、最优控制、自适应控制、最优控制、鲁棒控制、最佳估计、容错控制、系统辨识、集散控制。鲁棒控制、最佳估计、容错控制、系统辨识、集散控制。研究方法：研究方法：以状态方程为基础，研究多输入、多输出的时变以状态方程为基础，研究多输入、多输出的时变非线性系统非线性系统。智能控制理论智能控制理论( 20( 20世纪世纪7070年代年代 ) ) 专家系统、模糊控制、神专家系统、模糊控制、神经网络、遗传算法。经网络、遗传算法。 1788年年James Wat

4、tJames Watt发明飞球调节器，用发明飞球调节器，用来控制蒸汽机的转速：调节进入蒸汽机的蒸来控制蒸汽机的转速：调节进入蒸汽机的蒸气量气量q q，使蒸汽机在不同的工作负载，使蒸汽机在不同的工作负载T T时，输时，输出转速出转速n n保持不变。保持不变。 如果负载如果负载T发生变化使转速发生变化使转速n增加增加离心离心机构以机构以o点为支点进一步张开，比较机构的点为支点进一步张开，比较机构的滑套上移滑套上移带动转换机构的杠杆，将调节阀带动转换机构的杠杆，将调节阀的阀门关小的阀门关小直到进入的蒸气量直到进入的蒸气量q随之下降，随之下降，使使n回到原给定值。这就是转速回到原给定值。这就是转速n本

5、身的反馈本身的反馈控制。控制。蒸汽机蒸汽机OTn负载干扰负载干扰阀门阀门q (蒸汽量蒸汽量 )离心机构离心机构转换机构转换机构比较机构比较机构 世界上公认的第一个自动控世界上公认的第一个自动控制系统制系统调速原理框图调速原理框图问题：有时使蒸汽机速度出现大幅度振荡。问题：有时使蒸汽机速度出现大幅度振荡。1868年英国麦克斯韦的年英国麦克斯韦的“论调速器论调速器”论文指出：不应单独研论文指出：不应单独研究飞球调节器，必须从整个系统分析控制的不稳定：建立系统究飞球调节器，必须从整个系统分析控制的不稳定：建立系统微分方程，分析微分方程的解，从而分析实际系统是否会出现微分方程，分析微分方程的解，从而分

6、析实际系统是否会出现不稳定现象。这样，控制系统稳定性的分析，变成了判别微分不稳定现象。这样，控制系统稳定性的分析，变成了判别微分方程特征根实部的正、负号问题。方程特征根实部的正、负号问题。麦克斯韦的这篇著名论文被公认为自动控制理论的开端。麦克斯韦的这篇著名论文被公认为自动控制理论的开端。1875年，英国劳斯提出代数稳定判据。年，英国劳斯提出代数稳定判据。1895年，德国古尔维兹提出代数稳定判据。年，德国古尔维兹提出代数稳定判据。1892年，俄国李雅普诺夫提出稳定性定义和两个稳定判据。年，俄国李雅普诺夫提出稳定性定义和两个稳定判据。1932年，美国奈奎斯特提出奈氏稳定判据。年，美国奈奎斯特提出奈

7、氏稳定判据。1922年，米纳斯基首先研制出了船舶操纵自动控制器。二战年，米纳斯基首先研制出了船舶操纵自动控制器。二战中自动火炮、雷达、飞机以及通讯系统的控制研究直接推动了中自动火炮、雷达、飞机以及通讯系统的控制研究直接推动了经典控制的发展。经典控制的发展。1948年，维纳出版年，维纳出版控制论控制论，形成完整的经典控制理论，形成完整的经典控制理论，标志控制学科的诞生。维纳成为控制论的创始人！标志控制学科的诞生。维纳成为控制论的创始人！二次世界大战结束后，各国大力发展空间技术，经典控制理论二次世界大战结束后，各国大力发展空间技术，经典控制理论不能满足需要，需要研究新的控制理论。不能满足需要，需要

8、研究新的控制理论。现代控制理论现代控制理论在空间在空间技术取得巨大成功，促进了空间技术的发展。技术取得巨大成功，促进了空间技术的发展。现代控制理论在空间技术取得巨大成功，但由于工业过程控制现代控制理论在空间技术取得巨大成功，但由于工业过程控制中普遍存在的不确定性和干扰，难以取得预期的效果。模拟人中普遍存在的不确定性和干扰，难以取得预期的效果。模拟人的控制技术的控制技术智能控制理论智能控制理论得以诞生和发展，虽然不能实现得以诞生和发展，虽然不能实现精确的控制，但对各种复杂系统能够做到比较满意的控制。精确的控制，但对各种复杂系统能够做到比较满意的控制。1.1自动控制的基本方式自动控制的基本方式 开

9、环控制、闭环控制、复合控制。开环控制、闭环控制、复合控制。1、开环控制、开环控制 改变电位器滑动端的位置，相应地改变了电压改变电位器滑动端的位置，相应地改变了电压Ug值的大小，值的大小， 其值其值经功率放大器放大后施加在直流电动机的电枢两端，由于直流电动机具经功率放大器放大后施加在直流电动机的电枢两端，由于直流电动机具有恒定的励磁电流。因此，随着电枢电压值的不同，电动机便以不同的有恒定的励磁电流。因此，随着电枢电压值的不同，电动机便以不同的转速带动生产机械运转。于是，转速带动生产机械运转。于是，改变改变 Ug的大小，便控制了电动机转速的的大小，便控制了电动机转速的高低。高低。系统中：系统中：U

10、g 是是给定输入量给定输入量；电动机的转速；电动机的转速n是系统的是系统的输出量即被输出量即被控量控量，功率放大器的电源电压波动、放大系数漂移、拖动负载的变化等，功率放大器的电源电压波动、放大系数漂移、拖动负载的变化等是是扰动输入量扰动输入量。 可见，系统的输出量，即电动机的转速并没有参与系统的控制。可见，系统的输出量，即电动机的转速并没有参与系统的控制。开环控制开环控制 控制系统的输出量对系统没有控制作用，这种系统是控制系统的输出量对系统没有控制作用，这种系统是开环开环控制系统控制系统。 开环控制系统的特点：开环控制系统的特点： （1）系统输出量对控制作用无影响，控制精度易受扰动影）系统输出

11、量对控制作用无影响，控制精度易受扰动影响；响； （2）结构简单，无反馈环节，一般不存在稳定问题；）结构简单，无反馈环节，一般不存在稳定问题； （3）系统的精度取决于元件的精度和调整的准确度，无法）系统的精度取决于元件的精度和调整的准确度，无法实现高精度控制。实现高精度控制。2、闭环控制、闭环控制 把输出量直接或间接地反馈到系统的输入端，形成闭环，参把输出量直接或间接地反馈到系统的输入端，形成闭环，参与控制，这种系统叫与控制，这种系统叫闭环控制系统闭环控制系统。 实际的闭环控制系统，基本上都是以实际的闭环控制系统，基本上都是以负反馈负反馈的形式出现。的形式出现。uu比较线路比较线路放大器放大器电

12、动机电动机放大器放大器（给定输入）（给定输入）干扰干扰（被控量）（被控量）ur（计算）（计算）烘炉烘炉（对象）（对象）热电偶热电偶uUmTTu 为什么要采用闭环控制系为什么要采用闭环控制系统？闭环控制系统有哪些优统？闭环控制系统有哪些优点？点？闭环控制系统的特点：闭环控制系统的特点： （1）系统输出量直接或间接地参与了对系统的控制作用（负）系统输出量直接或间接地参与了对系统的控制作用（负反馈）；反馈）； （2）利用偏差信号减小或消除干扰的影响；）利用偏差信号减小或消除干扰的影响； （3）系统结构复杂，可能工作不稳定。）系统结构复杂，可能工作不稳定。 反馈（信息反馈）：自动控制中一个最基本、最重

13、要的概反馈（信息反馈）：自动控制中一个最基本、最重要的概念就是反馈。念就是反馈。将系统的输出全部或部分地返回系统的输入端，将系统的输出全部或部分地返回系统的输入端，并与输入信号共同作用于系统的过程并与输入信号共同作用于系统的过程。 负反馈：负反馈：如果反馈回去的信如果反馈回去的信号与系统的输入信号方向号与系统的输入信号方向相反相反 （Negative feedbackNegative feedback） 。 正反馈：正反馈：如果反馈回去的信如果反馈回去的信号与系统的输入信号方向号与系统的输入信号方向相同相同（Positive feedback Positive feedback ） 。3、复合

14、控制、复合控制 为了解决闭环系统本身精度和稳定性之间存在的矛盾，可引入复合控制，为了解决闭环系统本身精度和稳定性之间存在的矛盾，可引入复合控制，等价于等价于开环控制（顺馈通路、前馈通路）开环控制（顺馈通路、前馈通路）+闭环控制。闭环控制。 按输入信号补偿，目按输入信号补偿，目的是提高系统跟踪输的是提高系统跟踪输入信号的能力入信号的能力按扰动信号补偿，按扰动信号补偿，目的是减小干扰目的是减小干扰的影响，增强抗的影响，增强抗干扰能力干扰能力闭环控制系统的缺点闭环控制系统的缺点（1 1）系统结构复杂；）系统结构复杂；（2 2）一条前馈通路只能）一条前馈通路只能针对特定信号起作用，如针对特定信号起作用

15、，如果设计不当，还可能对其果设计不当，还可能对其他信号造成不利的影响。他信号造成不利的影响。1.2 闭环系统的基本组成闭环系统的基本组成测量装置测量装置输出输出输入输入+-给定给定环节环节串联校正串联校正环节环节放大放大环节环节执行执行机构机构控制控制对象对象扰动扰动并联校正并联校正环节环节偏差偏差主反馈主反馈局部反馈局部反馈+比较比较环节环节 给定环节给定环节：设定被控量的给定值。：设定被控量的给定值。 比较环节比较环节：将所测的被控量与给定量比较，确定两者偏差量。：将所测的被控量与给定量比较，确定两者偏差量。 校正环节校正环节：用于改善系统性能。校正环节可加于偏差信号与输出信号之：用于改善

16、系统性能。校正环节可加于偏差信号与输出信号之间的通道内（间的通道内（串联校正串联校正），也可加于某一局部反馈通道内（），也可加于某一局部反馈通道内（并联校正或反并联校正或反馈校正馈校正）。）。 正反馈、负反馈。正反馈、负反馈。 前向通路。前向通路。 主反馈、副反馈（局部反馈）。主反馈、副反馈（局部反馈）。 单回路系统、多回路系统。单回路系统、多回路系统。1.3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类一、按数学描述形式分类：一、按数学描述形式分类：1线性系统和非线性系统线性系统和非线性系统（1）线性系统）线性系统：用线性微分方程或线性差分方程描述的系统。：用线性微分方程或线性差分方程描述的系统。重

17、要性质：满足齐次性和叠加性。重要性质：满足齐次性和叠加性。叠加性叠加性齐次性齐次性 线性线性定常定常系统（线性时不变系统）：方程的系数与时间无关，为定常数。系统（线性时不变系统）：方程的系数与时间无关，为定常数。 线性线性时变时变系统：方程的系数与时间有关，例如发射火箭，火箭的质量随系统：方程的系数与时间有关，例如发射火箭，火箭的质量随时间而变化。时间而变化。（2）非线性系统）非线性系统：用非线性微分方程或差分方程描述的系统。：用非线性微分方程或差分方程描述的系统。重要性质：不满足齐次性和叠加性。重要性质：不满足齐次性和叠加性。注意注意：1）即使系统中只有一个非线性元件，也属于非线性系统。）即

18、使系统中只有一个非线性元件，也属于非线性系统。 2）非线性系统的研究理论远没有线性系统成熟。）非线性系统的研究理论远没有线性系统成熟。 3）任何的物理系统都是非线性的，但可在一定条件下线性化，近似）任何的物理系统都是非线性的，但可在一定条件下线性化，近似地按照线性系统来处理。地按照线性系统来处理。 2连续系统和离散系统连续系统和离散系统（1）连续系统）连续系统：系统中各元件的输入量和输出量均为时间系统中各元件的输入量和输出量均为时间t的连续函数。的连续函数。连续系统的运动规律可用微分方程描述，系统中各部分信号都是模连续系统的运动规律可用微分方程描述，系统中各部分信号都是模拟量。拟量。（2）离散

19、系统）离散系统：系统中某一处或几处的信号是以脉冲系列或数码的形式传系统中某一处或几处的信号是以脉冲系列或数码的形式传递的系统递的系统。离散系统的运动规律可以用差分方程来描述。计算机控。离散系统的运动规律可以用差分方程来描述。计算机控制系统就是典型的离散系统。制系统就是典型的离散系统。tout二、按给定信号分类二、按给定信号分类（1）恒值控制系统恒值控制系统： 给定值不变，要求系统输出量以一定的精度接近给定希望值的系统。给定值不变，要求系统输出量以一定的精度接近给定希望值的系统。如生产过程中的温度、压力、流量、液位高度、电动机转速等自动控如生产过程中的温度、压力、流量、液位高度、电动机转速等自动

20、控制系统属于恒值系统。主要矛盾是消除或减少扰动信号对系统输出的制系统属于恒值系统。主要矛盾是消除或减少扰动信号对系统输出的影响，使被控制量（即系统的输出量）保持在给定或希望的数值上。影响，使被控制量（即系统的输出量）保持在给定或希望的数值上。（2）随动控制系统随动控制系统： 给定值按未知时间函数变化，要求输出跟随给定值的变化。给定值按未知时间函数变化，要求输出跟随给定值的变化。如跟随卫如跟随卫星的雷达天线系统。主要矛盾是要求输出量以一定的精度和速度跟踪星的雷达天线系统。主要矛盾是要求输出量以一定的精度和速度跟踪输入量，跟踪的速度和精度是随动系统的两项主要性能指标。输入量，跟踪的速度和精度是随动

21、系统的两项主要性能指标。（3）程序控制系统程序控制系统： 给定值按一定时间函数变化。给定值按一定时间函数变化。如数控机床、热处理炉的升温、保温、如数控机床、热处理炉的升温、保温、降温过程。降温过程。 1.4 对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求 对控制系统的基本要求归纳为对控制系统的基本要求归纳为稳定性、快速性（动态特性）和准确性稳定性、快速性（动态特性）和准确性（稳态特性）（稳态特性）三个方面三个方面（稳、快、准）（稳、快、准）。一、稳定性（系统正常工作的首要条件）一、稳定性（系统正常工作的首要条件） 一个处于静止或平衡工作状态的系统，当受到任何输入（给定信号或一个处于静止或平衡工作状态

22、的系统，当受到任何输入（给定信号或干扰）作用后，就可能偏离原有的平衡状态。当作用消失后，系统中的状干扰）作用后，就可能偏离原有的平衡状态。当作用消失后，系统中的状态和输出都能恢复到原来的平衡状态的系统称为稳定的系统。态和输出都能恢复到原来的平衡状态的系统称为稳定的系统。 若作用消失后，系统中的状态和输出发生增幅振荡或单调增长现象的若作用消失后，系统中的状态和输出发生增幅振荡或单调增长现象的系统称为不稳定系统。系统称为不稳定系统。 y(t)y(t)t t0 0y(t)y(t)t t0 0t ty(t)y(t)0 0y(t)y(t)t t0 0二、快速性（动态特性）二、快速性（动态特性） 当系统给定量或扰动量突然增加，输出量也会变化，如果系统没有惯性，当系统给定量或扰动量突然增加，输出量也会变化，如果系统没有惯性，则可瞬间达到稳态（如电位器）。但由于系统存在惯性和储能元件，如电则可瞬间达到稳态（如电位器）。但由于系统存在惯性和储能元件，如电磁惯性、机械惯性等，输出量不可能突变，则系统需一个暂态过程后才能磁惯性、机械惯性等，输出量不可能突变，则系统需一个暂态过程后才能达到稳态。达到稳态。 快速性就是反映系统在动态过程中，系统跟踪控制信号或抑制扰动的快速性就是反映系统在动态过程中，系统跟踪