自动控制的一般概念

自动控制的一般概念第一页，共五十页，编辑于2023年，星期一第1章

绪论2第二页，共五十页，编辑于2023年，星期一第一节自动控制系统的一般概念自动控制就是在没有人直接参与的条件下，利用控制器使被控对象(如机器、设备和生产过程)的某些物理量(或工作状态)能自动地按照预定的规律变化(或运行)。3第三页，共五十页，编辑于2023年，星期一历史的回顾J.C.Maxwell：控制理论的源头以反馈控制为其主要研究内容的自动控制理论的历史，若从目前公认的第一篇理论论文,J.C.Maxwell在1868年发表的“论调节器”算起，至今不过一百多年。然而控制思想与技术的存在至少已有数千年的历史了。4第四页，共五十页，编辑于2023年，星期一维纳：控制学科的鼻祖1933年任美国国家科学院院士，1948年他发表了划时代的著作《控制论》。控制论的基本含义是：现代的自动机器和人都是由感觉装置(器官)、动作装置(器官)、传递信息的系统(神经系统)所组成的一种系统。自动机器和人都是在接收、处理、传递和存贮信息，并利用信息去完成动作，实现与外界的联系。在系统工作中，反馈控制给定控制信号使动作装置(器官)动作。动作结果由感觉装置(器官)检测出来，并反馈回去与给定信号相比较。如果比较有偏差，偏差信号会继续控制动作装置(器官)动作，直到偏差信号消失为止。5第五页，共五十页，编辑于2023年，星期一从水钟（刻漏)谈起具有反馈控制原理的控制装置在古代就有了。这方面最有代表性的例子当属古代的计时器“水钟”(在中国叫作“刻漏”，也叫“漏壶”)。据古代锲形文字记载和从埃及古墓出土的实物可以看到，巴比伦和埃及在公元前1500年以前便已有很长的水钟使用历史了。刻漏，主要由几个铜水壶组成，又叫“漏壶”。除了最底下的那个，每个壶的底部都有一个小眼。水从最高的壶里，经过下面的各个壶滴到最低的壶里，滴得又细又均匀。最低的壶里有一个铜人，手里捧着一支能够浮动的木箭，壶里水多了，木箭浮起来，根据它上面的刻度，就可以知道时间。6第六页，共五十页，编辑于2023年，星期一7第七页，共五十页，编辑于2023年，星期一负反馈的思想的起源约在公元前三世纪中叶，亚历山大里亚城的斯提西比乌斯(Ctesibius)首先在受水壶中使用了浮子(phellossivetympanum)。按迪尔斯(Diels)本世纪初复原的样品，注入的水是由圆锥形的浮子节制的。而这种节制方式即已含有负反馈的思想(尽管当时并不明确)。8第八页，共五十页，编辑于2023年，星期一张衡约在公元前500年，中国的军队中即已用漏壶作为计时的装置。约在公元120年，著名的科学家张衡(78-139,东汉)又提出了用补偿壶解决随水头降低计时不准确问题的巧妙方法。在他的“漏水转浑天仪”中，不仅有浮子，漏箭，还有虹吸管和至少一个补偿壶。最有名的中国水钟“铜壶滴漏”由铜匠杜子盛和洗运行建造于公元1316年(元代延祐三年)，并一直连续使用到1900年。现保存在广州市博物馆中，且仍能使用。9第九页，共五十页，编辑于2023年，星期一10第十页，共五十页，编辑于2023年，星期一苏颂北宋时期，苏颂等于1086年-1090年在开封建成“水运仪象台”。仪象台上的浑仪附有窥管，能够相当准确地跟踪天体的运行，“使它自动地保持在窥管的视场中”。这种仪象台的动力装置中就利用了“从定水位漏壶中流出的水，并由擒纵器(天关、天锁)加以控制”。苏颂把时钟机械和观测用浑仪结合起来，这比西方罗伯特.胡克早六个世纪。11第十一页，共五十页，编辑于2023年，星期一开环控制公元235(三国时期)的马均及公元477年祖冲之等还曾制造过具有开环控制特点的指南车。并发明了齿轮及差动齿轮机12第十二页，共五十页，编辑于2023年，星期一瓦特1765年俄国的波尔祖诺夫发明了蒸汽机锅炉的水位自动调节器（这在俄国被认为是世界上的第一个自动调节器）。1760年－1800年，詹姆斯.瓦特对蒸气机进行了彻底得改造，终于使其得到广泛的应用。在瓦特的改良工作中，1788年，他给蒸气机添加了一个“节流”控制器即节流阀，它由一个离心“调节器”操纵，类似于磨房机工早已用来控制风力面分机磨石松紧的装置。“调节器”或“飞球调节器”用于调节蒸气流，以便确保引擎工作时速度大致均匀。这是当时反馈调节器最成功的应用。13第十三页，共五十页，编辑于2023年，星期一14第十四页，共五十页，编辑于2023年，星期一J.C.Maxwell瓦特没有对调节器进行理论分析，后来J.C.Maxwell从微分方程角度讨论了调节器系统可能产生的不稳定现象，从而开始了对反馈控制动力学问题的理论研究。15第十五页，共五十页，编辑于2023年，星期一自动控制基本理论的发展简史稳定性理论的早期发展

人们很早就开始关注稳定性的问题。牛顿可能是第一个关注动态系统稳定性的人。1687年，牛顿在他的《数学原理》中对围绕引力中心做圆周运动的质点进行了研究。他假设引力与质点到中心距离的q次方成正比。牛顿发现，假设q>-3,则在小的扰动后，质点仍将保留在原来的圆周轨道附近运动。而当q≤-3时，质点将会偏离初始的轨道，或者按螺旋状的轨道离开中心趋向无穷远，或者将落在引力中心上。16第十六页，共五十页，编辑于2023年，星期一拉格朗日和拉普拉斯在牛顿引力理论建立之后，天文学家曾不断努力以图证明太阳系的稳定性。特别地，拉格朗日和拉普拉斯在这一问题上做了相当的努力。1773年，24岁的拉普拉斯“证明了行星到太阳的距离在一些微小的周期变化之内是不变的”。并因此成为法国科学院副院士。虽然他们的论证今天看来并不严格，但他们的工作对后来李亚普诺夫的稳定性理论有很大的影响。

17第十七页，共五十页，编辑于2023年，星期一JamesClerkMaxwell直到十九世纪中期，稳定性理论仍集中在对保守系统研究上。主要是天文学的问题。在出现控制系统的镇定问题后，科学家们开始考虑非保守系统的稳定性问题。ClerkMaxwell是第一位利用特征方程的系数来判断系统稳定性的人。18第十八页，共五十页，编辑于2023年，星期一JamesClerkMaxwellJamesClerkMaxwell是第一个对反馈控制系统的稳定性进行系统分析并发表论文的人。在他1868年的论文“论调节器”中，导出了调节器的微分方程，并在平衡点附近进行线性化处理，指出稳定性取决于特征方程的根是否具有负的实部。麦氏在论文中对三阶微分方程描述的Thomsonsgovernor,Jenkinsgovernor以及具有五阶微分方程的Maxwellsgovernor进行了研究，并给出了系统的稳定性条件。Maxwell的工作开创了控制理论研究的先河。

19第十九页，共五十页，编辑于2023年，星期一现代化的工厂20第二十页，共五十页，编辑于2023年，星期一古典控制理论以传递函数为基础研究单输入-单输出一类定常控制系统的分析与设计问题。这些理论由于其发展较早，现已臻成熟。

现代控制以状态空间法为基础，研究多输入-多输出、时变、非线性一类控制系统的分析与设计问题。系统具有高精度和高效能的特点。21第二十一页，共五十页，编辑于2023年，星期一术语自动控制对象过程系统扰动反馈控制反馈控制系统随动系统过程控制系统22第二十二页，共五十页，编辑于2023年，星期一1自动控制在无人直接参与的情况下，通过控制器使被控对象或过程自动地按照预定要求进行。2对象

是一个设备，它是由一些机器零件有机地组合在一起的，其作用是完成一个特定的动作。在下面的讨论中，称任何被控物体（如加热炉、化学反应器或宇宙飞船）为对象。3过程称任何被控制的运行状态为过程，其具体例子如化学过程、经济学过程、生物学过程。4系统完成一定任务的一些元、部件的组合。23第二十三页，共五十页，编辑于2023年，星期一5扰动6反馈控制扰动是一种对系统的输出产生不利影响的信号。如果扰动产生在系统内部称为内扰；扰动产生在系统外部，则称为外扰。外扰是系统的输入量。反馈控制是这样一种控制过程，它能够在存在扰动的情况下，力图减小系统的输出量与参考输入量（也称参据量）（或者任意变化的希望的状态）之间的偏差，而且其工作正是基于这一偏差基础之上的。24第二十四页，共五十页，编辑于2023年，星期一反馈控制系统是一种能对输出量与参考输入量进行比较，并力图保持两者之间的既定关系的系统，它利用输出量与输入量的偏差来进行控制。应当指出，反馈控制系统不限于工程范畴，在各种非工程范畴内，诸如经济学和生物学中，也存在着反馈控制系统。7反馈控制系统25第二十五页，共五十页，编辑于2023年，星期一随动系统是一种反馈控制系统，在这种系统中，输出量是机械位移、速度或者加速度。因此，随动系统这个术语，与位置（或速度或加速度）控制系统是同义语。在现代工业中，广泛采用着随动系统。8随动系统9过程控制在工业生产过程中，诸如对压力、温度、湿度、流量、频率以及原料、燃料成分比例等方面的控制，称为过程控制。26第二十六页，共五十页，编辑于2023年，星期一热力系统的例子

热力系统的人工反馈控制

27第二十七页，共五十页，编辑于2023年，星期一热力系统的自动反馈控制

28第二十八页，共五十页，编辑于2023年，星期一开环控制系统闭环（反馈）控制系统闭环与开环控制系统的比较第二节闭环控制与开环控制29第二十九页，共五十页，编辑于2023年，星期一

1.2.1

开环控制系统定义如果系统的输出量与输入量间不存在反馈的通道，这种控制方式称为开环控制系统。控制器控制作用控制对象参考输入输出r(t)u(t)c(t)n(t)干扰30第三十页，共五十页，编辑于2023年，星期一1.2.2反馈控制系统1反馈把取出的输出量送回输入端，并与输入信号相比较产生偏差信号的过程，称为反馈。若反馈的信号与输入信号相减，使产生的偏差越来越小，则称为负反馈；反之，则称为正反馈。

能对输入量与输出量进行比较，并且将它们的偏差作为控制手段，以保持两者之间预定关系的系统，称为反馈控制系统。由于引入了被反馈量的反馈信息，整个控制过程成为闭合的，因此反馈控制也称为闭环控制。2反馈控制系统31第三十一页，共五十页，编辑于2023年，星期一3闭环控制

凡是系统输出信号对控制作用有直接影响的系统，都称为闭环系统。输入信号和反馈信号（反馈信号可以是输出信号本身，也可以是输出信号的函数或导数）之差，称为误差信号，误差信号加到控制器上，以减小系统的误差，并使系统的输出量趋于所希望的值，换句话说，“闭环”这个术语的涵义，就是应用反馈作用来减小系统的误差。

32第三十二页，共五十页，编辑于2023年，星期一

图1-3闭环控制系统33第三十三页，共五十页，编辑于2023年，星期一1.2.3反馈控制系统的基本组成

被控对象控制装置(由具有一定职能的各种基本元件组成)测量元件：其职能是测量被控制的物理量;给定元件：其职能是给出与期望的被控量相对应的系统输入量（即参据量）。比较元件：把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的参据量进行比较，求出它们之间的偏差。放大元件：将比较元件给出的偏差进行放大，用来推动执行元件去控制被控对象。执行元件：直接推动被控对象，使其被控量发生变化。校正元件：亦称补偿元件，它是结构或参数便于调整的元件，用串联或反馈的方式连接在系统中，以改善系统性能。34第三十四页，共五十页，编辑于2023年，星期一用“○”号代表比较元件，“—”号代表两者符号相反，“+”号代表两者符号相同。信号沿箭头方向从输入端到达输出端的传输通路称前向通路；系统输出量经测量元件反馈到输入端的传输通路称主反馈通路。前向通路与主反馈通路共同构成主回路。此外，还有局部反馈通路以及由它构成的内回路。35第三十五页，共五十页，编辑于2023年，星期一1.2.4

闭环与开环控制系统的比较闭环控制系统的特点偏差控制，可以抑制内、外扰动对被控制量产生的影响。精度高、结构复杂，设计、分析麻烦。开环控制系统的特点顺向作用，没有反向的联系，没有修正偏差能力，抗扰动性较差。结构简单、调整方便、成本低。36第三十六页，共五十页，编辑于2023年，星期一开环控制闭环控制(反馈控制)复合控制按控制方式分第三节自动控制系统的分类37第三十七页，共五十页，编辑于2023年，星期一机械系统——恒张力系统电气系统机电系统——全自动照相机，光机电结合液压系统——伺服液压缸，汽车发动机，大型的仿真模拟台气动系统生物系统按元件类型分38第三十八页，共五十页，编辑于2023年，星期一按系统功用分温度控制系统压力控制系统位置控制系统39第三十九页，共五十页，编辑于2023年，星期一线性系统非线性系统连续系统定常系统时变系统确定性系统不确定性系统按系统性能分离散系统40第四十页，共五十页，编辑于2023年，星期一恒值控制系统随动系统程序控制系统按参据量变化规律分41第四十一页，共五十页，编辑于2023年，星期一稳定性：1对恒值系统，要求当系统受到扰动后，经过一定时间的调整能够回到原来的期望值。2对随动系统，被控制量始终跟踪参据量的变化。稳定性是对系统的基本要求，不稳定的系统不能实现预定任务。稳定性，通常由系统的结构决定与外界因素无关。1.4.1对自动控制系统性能的基本要求可以归结为稳定性（长期稳定性）、准确性（精度）和快速性（相对稳定性）。稳准快第四节对自动控制系统的基本要求42第四十二页，共五十页，编辑于2023年，星期一准确性：用稳态误差来表示。在参考输入信号作用下，当系统达到稳态后，其稳态输出与参考输入所要求