第一章 自动控制的一般概念

1、自动控制原理自动控制原理杭州电子科技大学“自动控制原理”精品课程课题组2016.22006年度浙江省精品课程年度浙江省精品课程第一章第一章 自动控制的一般概念自动控制的一般概念 n 1-1 自动控制系统简介自动控制系统简介n 1-2 自动控制系统分类自动控制系统分类n 1-3 自动控制理论的发展历史自动控制理论的发展历史n 1-4 工程控制问题的基本要求工程控制问题的基本要求 1-1 自动控制系统简介1、自动控制、系统、自动控制系统、自动控制、系统、自动控制系统u自动控制自动控制：是指在没有人直接参与的情况下，利用外：是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称加的设备或装置（称控制

2、装置或控制器控制装置或控制器），使机器、），使机器、设备或生产过程（统称设备或生产过程（统称被控对象被控对象）的某个工作状态或）的某个工作状态或参数（即参数（即被控量被控量）自动地按照预定的规律（）自动地按照预定的规律（给定值给定值）运行。运行。 u系统系统：是指按照某些规律结合在一起的物体（元部件：是指按照某些规律结合在一起的物体（元部件）的组合，它们相互作用、相互依存，并能完成一定）的组合，它们相互作用、相互依存，并能完成一定的任务。的任务。 u自动控制系统自动控制系统 ：能够实现自动控制的系统就可称为自：能够实现自动控制的系统就可称为自动控制系统，一般由动控制系统，一般由控制装置和被控对

3、象控制装置和被控对象组成。组成。分析决策执行工作对象实际结果观察观察干扰预期目标人工智能图比较、计算执行被控对象被控量测量测量干扰给定值自动控制方框图人取书的例子人取书的例子在上图中，除被控对象外的其余部分统称为控制装置，它必须在上图中，除被控对象外的其余部分统称为控制装置，它必须具备以下三种职能部件。具备以下三种职能部件。u测量元件：用以测量被控量或干扰量。测量元件：用以测量被控量或干扰量。u比较元件：将被控量与给定值进行比较。比较元件：将被控量与给定值进行比较。u执行元件：根据比较后的偏差，产生执行作用，去操执行元件：根据比较后的偏差，产生执行作用，去操纵被控对象纵被控对象参与控制的信号来

4、自三条通道，即给定值、干扰量、被控量。参与控制的信号来自三条通道，即给定值、干扰量、被控量。比较、计算执行被控对象被控量测量测量干扰给定值自动控制方框图Watts flyball governor英国曼彻斯特棉花厂的离心调速器水轮离心调速系统汽车航向控制示例图u自动控制原理自动控制原理：是研究自动控制：是研究自动控制共同规律共同规律的的技术科学技术科学。而。而不是对某一过程或对象的具体控制实现。不是对某一过程或对象的具体控制实现。u解决的基本问题解决的基本问题：u建模建模：建立系统数学模型（实际问题抽象，数学描述）建立系统数学模型（实际问题抽象，数学描述）u分析分析：分析控制系统的性能（稳定性

5、、动分析控制系统的性能（稳定性、动/ /稳态性能）稳态性能）u综合综合：控制系统的综合与校正：控制系统的综合与校正控制器设计（方案选控制器设计（方案选择、设计）择、设计） 2、自动控制原理及其要解决的基本问题、自动控制原理及其要解决的基本问题3、自动控制原理研究的主要内容、自动控制原理研究的主要内容经典控制理论经典控制理论现代控制理论现代控制理论研究对象研究对象 单输入、单输出系统单输入、单输出系统（SISO） 多输入、多输出系统多输入、多输出系统（MIMO）数学模型数学模型 传递函数传递函数 状态方程状态方程研究手段研究手段 频域法、根轨迹法频域法、根轨迹法 状态空间方法状态空间方法研究目的

6、研究目的 系统综合、校正系统综合、校正 最优控制、系统辨识、最优控制、系统辨识、最优估计、自适应控制最优估计、自适应控制简单复杂4、室温控制系统、室温控制系统室温控制系统元件框图 5、控制系统的基本组成、控制系统的基本组成u被控对象：被控对象：在自动化领域，被控制的装置、物理系统或在自动化领域，被控制的装置、物理系统或过程称为被控对象（过程称为被控对象（室内空气室内空气）。）。 u控制装置控制装置( (狭义狭义) )：对控制对象产生控制作用的装置，也：对控制对象产生控制作用的装置，也称为控制器、控制元件、调节器等（称为控制器、控制元件、调节器等（放大器放大器）。）。u执行元件执行元件：直接改变

7、被控变量的元件称为执行元件（：直接改变被控变量的元件称为执行元件（空空调器调器）。）。u测量元件测量元件：能够将一种物理量检测出来，并转化成另一：能够将一种物理量检测出来，并转化成另一种容易处理和使用的物理量的装置，称为传感器或测量种容易处理和使用的物理量的装置，称为传感器或测量元件（元件（热敏电阻热敏电阻） 。u给定元件（参考输入元件）给定元件（参考输入元件）：将指令输入信号变：将指令输入信号变成参考输入信号的元件（成参考输入信号的元件（电位器电位器）。）。u比较元件：比较元件：将测量元件和给定元件给出的信号进将测量元件和给定元件给出的信号进行比较，并得到偏差的元件。行比较，并得到偏差的元件

8、。u放大元件放大元件：放大偏差信号的元件。：放大偏差信号的元件。u校正元件（补偿元件）校正元件（补偿元件）：结构参数便于调整的元：结构参数便于调整的元件，用于改善系统性能。件，用于改善系统性能。6、室温控制系统的功能框图、室温控制系统的功能框图室温控制系统功能框图室温控制系统元件框图 7、控制系统中常用的信号和变量、控制系统中常用的信号和变量u输入信号输入信号：由外部加到系统中的变量，它不受系：由外部加到系统中的变量，它不受系统中其他变量的影响和控制统中其他变量的影响和控制（指令输入和扰动信（指令输入和扰动信号）号）。 u输出信号输出信号：由系统或元件产生的变量，其中最受：由系统或元件产生的变

9、量，其中最受关注的输出信号又称为关注的输出信号又称为被控变量被控变量（室内的实际温室内的实际温度度）。）。u控制变量控制变量：控制器的输出信号称为控制变量，它：控制器的输出信号称为控制变量，它作用在控制对象或执行元件）上，影响和改变被作用在控制对象或执行元件）上，影响和改变被控变量（控变量（放大器的输出信号放大器的输出信号）。）。l被控变量被控变量：在控制系统中被控制的物理量是被控变量。（：在控制系统中被控制的物理量是被控变量。（空空气温度气温度）l反馈信号反馈信号：是被控变量经传感器等元件变换并返回到输入端：是被控变量经传感器等元件变换并返回到输入端的信号，一般与被控变量成正比（的信号，一般

10、与被控变量成正比（热敏电阻的输出信号热敏电阻的输出信号）。）。l给定值（指令输入信号）：给定值（指令输入信号）：与被控变量是同一物理单位，用与被控变量是同一物理单位，用来表示被控变量的设定值（来表示被控变量的设定值（室内温度的设定值室内温度的设定值）。）。l参考输入信号参考输入信号：代表指令输入信号与反馈信号进行比较的基：代表指令输入信号与反馈信号进行比较的基准信号称为参考输入信号（准信号称为参考输入信号（电位器的输出电压电位器的输出电压）。）。u偏差信号偏差信号：参考输入信号与反馈信号之差称为偏：参考输入信号与反馈信号之差称为偏差信号（差信号（e= r - y）。）。u扰动信号扰动信号：加于

11、系统上不希望的外来信号，它对：加于系统上不希望的外来信号，它对被控变量产生不利的影响（被控变量产生不利的影响（周围环境温度的变化周围环境温度的变化及房间散热条件的变化等及房间散热条件的变化等）。）。p输入信号的响应输入信号的响应：由某一个输入信号产生的输出：由某一个输入信号产生的输出信号又称为该输入信号的响应。信号又称为该输入信号的响应。1.2 自动控制系统分类一、开环控制、闭环控制和复合控制一、开环控制、闭环控制和复合控制 按照按照控制方式和策略控制方式和策略，系统可分为开环控制系统，系统可分为开环控制系统、闭环控制系统和复合控制系统三大类。闭环控制系统和复合控制系统三大类。图1-3 开环控

12、制系统图1-4 闭环控制系统1 1、开环控制系统、开环控制系统u控制器和控制对象间控制器和控制对象间只有正向控制作用只有正向控制作用，系统的，系统的输出量不会对控制器产生任何影响；输出量不会对控制器产生任何影响；u结构简单，成本低，容易控制，但控制精度低结构简单，成本低，容易控制，但控制精度低 ；u一般适合于干扰不强或可预测的、控制精度要求一般适合于干扰不强或可预测的、控制精度要求不高的场合；不高的场合；u如果系统的给定输入与被控量之间的关系固定，如果系统的给定输入与被控量之间的关系固定，且其内部参数或外来扰动的变化都比较小；或这且其内部参数或外来扰动的变化都比较小；或这些扰动因素可以事先确定

13、并能给予补偿，则采用些扰动因素可以事先确定并能给予补偿，则采用开环控制也能取得较为满意的控制效果；开环控制也能取得较为满意的控制效果；u对扰动没有抑制能力对扰动没有抑制能力。 按给定值操纵的开环控制系统计算控制对象给定值（控制装置）被控量执行干扰 按干扰补偿的开环控制系统计算控制对象测量被控量执行干扰( (温度温度) )输出量输出量 (手柄位置手柄位置)输入量输入量 调压器调压器 加热加热 电阻丝电阻丝 电炉电炉 恒温箱恒温箱 被控对象被控对象扰动量扰动量控制装置控制装置扰动扰动输出量输出量输入量输入量控制装置控制装置被控对象被控对象开环控制系统的方框图开环控制系统的方框图 （1）按设定值操纵

14、的开环控制系统）按设定值操纵的开环控制系统 k udnug例：直流电动机调速系统例：直流电动机调速系统小结：按给定值操纵的开环控制小结：按给定值操纵的开环控制特点：特点：控制装置只按给定值来控制被控对象控制装置只按给定值来控制被控对象优点：控制系统结构简单，相对来说成本低。优点：控制系统结构简单，相对来说成本低。缺点：对可能出现的被控量偏离给定值的偏差没有任何修正能力，抗干扰能力差，控制精度不高。（2）按干扰补偿的开环控制）按干扰补偿的开环控制q定义：利用干扰信号产生控制作用，以及时补定义：利用干扰信号产生控制作用，以及时补偿干扰对被控量的直接影响。偿干扰对被控量的直接影响。计算计算测量测量被

15、控对象被控对象执行执行干扰干扰被控量被控量特点特点：只能对可测干扰进行补偿，对不可测干扰以及被控对：只能对可测干扰进行补偿，对不可测干扰以及被控对象、各功能部件内部参数变化对被控量的影响，系统自身无象、各功能部件内部参数变化对被控量的影响，系统自身无法控制。法控制。适用于：存在强干扰且变化比较剧烈的场合。适用于：存在强干扰且变化比较剧烈的场合。水位高度控制系统原理图水位高度控制系统原理方框图例：按干扰补偿的开环控制例：按干扰补偿的开环控制2 2、闭环控制系统、闭环控制系统u系统输出量对控制作用有直接影响；系统输出量对控制作用有直接影响；u实现了实现了按偏差控制按偏差控制；u也称为也称为反馈控制

16、反馈控制；u闭环控制系统由闭环控制系统由前向通道前向通道（控制器和控制对象）和（控制器和控制对象）和反馈通道反馈通道（反馈装置）构成（如图（反馈装置）构成（如图1-41-4）；）；u反馈控制：反馈控制：正反馈和负反馈正反馈和负反馈；u具有正反馈形式的系统一般不能改进系统性能，而具有正反馈形式的系统一般不能改进系统性能，而且容易使系统性能变坏且容易使系统性能变坏 ；u通常而言，反馈控制就是指负反馈控制。通常而言，反馈控制就是指负反馈控制。u闭环系统必须考虑闭环系统必须考虑稳定性稳定性问题问题图1-4 闭环控制系统按偏差调节的闭环按偏差调节的闭环控制系统控制系统比较、计算比较、计算控制对象控制对象

17、测量测量被控量被控量执行执行干扰干扰给定值给定值例：直流电动机调速系统例：直流电动机调速系统ug kudnub按偏差调节：nub( ug-ub)ud n 控制量：ud = k (ug-ub)偏差信号：ug-ub飞机自动驾驶系统原理图控制任务控制任务：系统在任何扰动作用下，保持飞机俯仰角不变。被控对象被控对象：飞机。被控量被控量：飞机的俯仰角 。 俯仰角控制系统原理方框图3 3、闭环系统与开环系统的区别、闭环系统与开环系统的区别u与开环控制系统相比，闭环控制系统的最大特点与开环控制系统相比，闭环控制系统的最大特点是是检测偏差、纠正偏差检测偏差、纠正偏差 ；u从从系统结构系统结构上看，闭环系统具有

18、反向通道；上看，闭环系统具有反向通道； u从从功能上功能上看，闭环系统具有如下特点：看，闭环系统具有如下特点： u由于增加了反馈通道，系统的由于增加了反馈通道，系统的控制精度得到了提高控制精度得到了提高，若采用开环控制，要达到同样的精度，则需要高精度若采用开环控制，要达到同样的精度，则需要高精度的控制器，从而大大增加了成本；的控制器，从而大大增加了成本；u由于存在系统的反馈，可以较好地由于存在系统的反馈，可以较好地抑制抑制系统各环节中系统各环节中可能存在的可能存在的扰动扰动和由于器件的老化而引起的和由于器件的老化而引起的结构和参结构和参数的不确定性数的不确定性；u反馈环节的存在可以较好地反馈环

19、节的存在可以较好地改善系统的动态性能改善系统的动态性能。 开环控制开环控制闭环控制闭环控制结构结构简单、成本低简单、成本低复杂、成本高复杂、成本高精度精度 精度低、对元器件精度低、对元器件要求高要求高 精度高、对元器件要精度高、对元器件要求低求低稳定性稳定性通常不考虑通常不考虑必须考虑必须考虑4 4、复合控制、复合控制 复合控制就是开环控制和闭环控制相结合的一种控制，是复合控制就是开环控制和闭环控制相结合的一种控制，是在闭环控制回路的基础上，附加了一个输入信号或扰动作用的在闭环控制回路的基础上，附加了一个输入信号或扰动作用的前馈通路前馈通路，来提高系统的控制精度。，来提高系统的控制精度。控制装

20、置控制装置被控对象被控对象 CR补偿装置补偿装置a.按输入作用补偿b.按扰动作用补偿n控制装置控制装置被控对象被控对象 CR补偿装置补偿装置二、线性控制系统和非线性控制系统二、线性控制系统和非线性控制系统 按照系统按照系统是否满足叠加原理是否满足叠加原理，系统可分为线性系，系统可分为线性系统和非线性系统两类统和非线性系统两类 。线性控制系统线性控制系统u组成控制系统的元件都具有线性特性；组成控制系统的元件都具有线性特性； u输入输出关系一般可以用微分方程、差分方程、输入输出关系一般可以用微分方程、差分方程、传递函数以及状态空间表达式来描述；传递函数以及状态空间表达式来描述；u线性系统的主要特点

21、是具有线性系统的主要特点是具有齐次性和适用叠加原齐次性和适用叠加原理理；u如果线性系统中的参数不随时间变化，则称为如果线性系统中的参数不随时间变化，则称为线线性定常系统性定常系统；否则称为；否则称为线性时变系统线性时变系统 。n非线性控制系统非线性控制系统 u控制系统中，若至少有一个元件具有非线性控制系统中，若至少有一个元件具有非线性特性；特性； u一般不具有齐次性，也不适用叠加原理一般不具有齐次性，也不适用叠加原理； u输出响应和稳定性与输入信号和初始状态有输出响应和稳定性与输入信号和初始状态有很大关系很大关系； u也有时变和定常系统之分；也有时变和定常系统之分； u严格地讲，绝对线性的控制

22、系统（或元件）严格地讲，绝对线性的控制系统（或元件）是不存在的。是不存在的。三、定值控制系统、伺服系统和程序控制系统三、定值控制系统、伺服系统和程序控制系统 按照按照输入信号分类输入信号分类，控制系统可分为定值，控制系统可分为定值控制系统、随动系统和程序控制系统。控制系统、随动系统和程序控制系统。定值定值(恒值恒值)控制系统控制系统（r(t) = const.）u输入信号是恒值，要求被控变量保持相对输入信号是恒值，要求被控变量保持相对应的数值不变应的数值不变 p室温控制系统、直流电机转速控制系统室温控制系统、直流电机转速控制系统n随动系统随动系统（r(t) 不可预测）不可预测） u输入信号是变

23、化规律未知的任意时间函数输入信号是变化规律未知的任意时间函数 ；u系统的任务是使被控变量按照同样规律变化并与系统的任务是使被控变量按照同样规律变化并与输入信号的误差保持在规定的范围内；输入信号的误差保持在规定的范围内；p导弹发射架控制系统、火炮随动系统、雷达天线导弹发射架控制系统、火炮随动系统、雷达天线控制系统控制系统 ；u当被控量为位置、角度或其导数时，这类系统又当被控量为位置、角度或其导数时，这类系统又称为称为伺服系统伺服系统。n程序控制系统程序控制系统（ r(t) 变化事先已知）变化事先已知） u输入信号是按已知的规律（事先规定的程输入信号是按已知的规律（事先规定的程序）变化；序）变化；

24、 u要求被控变量也按相应的规律随输入信号要求被控变量也按相应的规律随输入信号变化，误差不超过规定值；变化，误差不超过规定值； p热处理炉的温控系统、机床的数码加工系热处理炉的温控系统、机床的数码加工系统和仿形控制系统。统和仿形控制系统。四、连续控制系统和离散控制系统四、连续控制系统和离散控制系统u连续控制系统连续控制系统：控制系统中各部分的信号都：控制系统中各部分的信号都是时间的连续函数。是时间的连续函数。 u离散控制系统离散控制系统：在控制系统各部分的信号中：在控制系统各部分的信号中只要有一个是时间的离散信号。只要有一个是时间的离散信号。u离散模型是计算机控制的最主要模型。离散模型是计算机控

25、制的最主要模型。五、其他分类方法五、其他分类方法u集中参数系统集中参数系统和和分布参数系统分布参数系统u单输入输出系统单输入输出系统和和多输入输出系统多输入输出系统u时变时变和和非时变（定常）系统非时变（定常）系统u确定性确定性系统和系统和不确定性不确定性系统系统u有静差有静差和和无静差无静差系统等等系统等等n思考题：思考题：指出下列方程分别表示哪类系指出下列方程分别表示哪类系统？统？2( )2 ( ) 8 ( )( )y tr tr tr t ( ) 2 ( )( )3( )y ty ty tt r t()2 ()6 ()y kTTy kTr kT1.3 1.3 自动控制理论的发展简史自动控

26、制理论的发展简史1 经典控制理论经典控制理论u4050年代形成年代形成 SISO系统系统 u基于：二战军工技术基于：二战军工技术u目标：反馈控制系统的镇定目标：反馈控制系统的镇定 u基本方法：传递函数，频率法，基本方法：传递函数，频率法，PID调节器调节器 (频域频域)2 现代控制理论现代控制理论u6070年代形成年代形成 MIMO系统系统 u基于：基于： 冷战时期空间技术，计算机技术冷战时期空间技术，计算机技术u目标：最优控制目标：最优控制u基本方法：状态方程（时域）基本方法：状态方程（时域）3 智能控制技术智能控制技术 u90年代开始发展年代开始发展u专家系统专家系统姑苏慕容姑苏慕容 u模

27、糊控制模糊控制醉拳醉拳u神经网络神经网络u预测控制预测控制u等等等等4 正在发展的各个领域正在发展的各个领域 u自适应控制自适应控制独孤九剑独孤九剑 u大系统理论大系统理论u鲁棒控制鲁棒控制金钟罩铁布衫金钟罩铁布衫 u多率周期控制多率周期控制u非线性控制（微分几何，混沌，变结构）非线性控制（微分几何，混沌，变结构）u混杂、时滞系统控制混杂、时滞系统控制u量子控制量子控制u等等等等n后现代控制理论后现代控制理论 80年代以后，控制理论向广度与深度发展，呈现年代以后，控制理论向广度与深度发展，呈现三个主流方向：三个主流方向：u大系统大系统，是指规模大，结构复杂变量众多的信息与控制，是指规模大，结构

28、复杂变量众多的信息与控制系统。在系统理论中，采用状态方程和代数方程相结合系统。在系统理论中，采用状态方程和代数方程相结合的数学模型，状态空间，运筹学等相结合的数学方法。的数学模型，状态空间，运筹学等相结合的数学方法。u智能控制智能控制 是具有某些仿人智能的工程控制与信息处理是具有某些仿人智能的工程控制与信息处理系统，其中最典型的是智能机器人，系统，其中最典型的是智能机器人， 智能主体等。智能主体等。u21世纪世纪 网络、通讯、人机交互网络、通讯、人机交互为代表的信息自动化集成为代表的信息自动化集成的理论与技术。的理论与技术。 u大数据、物联网、云计算环境下的控制问题。大数据、物联网、云计算环境

29、下的控制问题。1.4 1.4 对自动控制系统的基本要求对自动控制系统的基本要求一、系统的状态、过程及对自动控制系统的基本要求一、系统的状态、过程及对自动控制系统的基本要求n为实现自动控制，必须对控制系统提出一定的要求；为实现自动控制，必须对控制系统提出一定的要求；n平衡态或静态、稳态（平衡态或静态、稳态（steady state）：）：对于一个闭环控制系对于一个闭环控制系统而言，当输入量和扰动量均不变时，系统输出量也恒定不统而言，当输入量和扰动量均不变时，系统输出量也恒定不变，称系统处于稳态变，称系统处于稳态； n平衡态的转移平衡态的转移：当输入量或扰动量发生变化时，反馈量将与：当输入量或扰动

30、量发生变化时，反馈量将与输入量产生偏差，通过控制器的作用，从而使输出量最终稳输入量产生偏差，通过控制器的作用，从而使输出量最终稳定，即达到一个定，即达到一个新的平衡状态新的平衡状态；n过渡过程：过渡过程：由于系统中各环节总存在惯性，系统从一个平衡由于系统中各环节总存在惯性，系统从一个平衡点到另一个平衡点无法瞬间完成，即存在一个点到另一个平衡点无法瞬间完成，即存在一个过渡过程过渡过程，该，该过程也称为过程也称为动态过程、暂态过程和瞬态过程（动态过程、暂态过程和瞬态过程（transient）。）。 根据系统稳态输出和暂态过程的特性，对闭环控制系统的根据系统稳态输出和暂态过程的特性，对闭环控制系统的基本要求可以归纳为三个方面：基本要求可以归纳为三个方面：稳、快、准稳、快、准。(1)(1)稳：控制系统的稳：控制系统的稳定性稳定性与与平稳性平稳性。u稳定性稳定性是指控制系统偏离平衡状态后，自动恢复到平衡状是指控制系统偏离平衡状态后，自动恢复到平衡状态的能力。态