自动控制原理

自动控制原理山东理工大学李素玲参考书1.《自动控制原理》第四版，胡寿松，科学出版社，2002年；2.《自动控制原理》高国燊，华南理工大学出版社；3.《自动控制原理》第二版，夏德钤，机械工业出版社4.《自动控制理论》第二版，文锋、贾光辉，中国电力出版社。引言自动控制学科由自动控制技术和自动控制理论两部分组成。什么是自动控制?无须人的直接参与，通过控制装置，使机器、设备、生产过程等按照预定的规律运行，完成要求的任务，就叫自动控制。近几十年来，自动控制技术正在迅猛的发展，并在工农业生产、交通运输、国防建设和航空航天事业等领域中获得广泛应用。比如：人造地球卫星的发射成功与安全返回。导弹的准确击中目标，雷达系统的准确跟踪目标；交通系统：安全、快捷、舒适、准点钢铁生产制造系统：数控机床加工生产线自动码垛机器人自动包装机器人家用电器：电扇：控制转速电冰箱、空调、电饭煲：控制温度洗衣机：控制水位、强弱、时间等智能建筑：通信电梯供水通风空调安防抄表…工业机器人：拉提琴灵巧手排爆步行吹笛足球比赛其他机器人：自动控制的应用领域军事工业航空航天制造业机器人流程工业电子工业家用电器交通系统，楼宇系统，经济系统，社会系统…钢铁、石化、造纸、制药等随着生产和科学技术的发展，自动控制技术可以说已渗透到各种学科领域，成为促进当代生产发展和科学技术进步的重要因素。事实上，任何技术设备、工作机械或生产过程都必须按要求运行。例如：要使火炮能自动跟踪并命中飞行目标，炮身就必须按照指挥仪的命令而作方位角和俯仰角的变动；要把数吨重人造卫星送入数百公里高空的轨道，使其所携带的各种仪器能长期使用、准确地工作，就必须保持卫星的正确姿态，使它的太阳能电池一直朝向太阳，无线电发射天线一直指向地球；要使数控机床能加工出高精度的工件，就必须保证其工作台或刀架的进给量准确地按照程序指令的设定值变化；要想使轮船安全顺利的航行，就必须按照领航员的命令改变尾舵的方向；所有这一切都是以高水平的自动控制技术为前提的。要使炼钢炉提供优质的产品，就必须严格控制炉温……等等。随着自动控制技术的广泛应用和迅猛发展，出现了许多新问题，这些问题要求从理论上加以解决。自动控制理论正是在解决这些实际技术问题的过程中逐步形成和发展起来的，它是研究自动控制技术的基础理论，是研究自动控制共同规律的技术科学。按其发展的不同阶段，可把自动控制理论分为经典控制理论和现代控制理论两大部分。经典控制理论也就是自动控制原理，是20世纪40年代到50年代形成的一门独立学科。早期的控制自动控制理论的发展概况系统较为简单，只要列出微分方程并求解之，就可以用时域法分析他们的性能。第二次世界大战前后，由于生产和军事的需要，各国均在大力研制新型武器，于是出现了较复杂的控制系统，这些控制系统通常是用高阶微分方程来描述的。由于高阶微分方程求解的困难，各种控制系统的理论研究和分析方法就应运而生。1932年奈奎斯特（H.Nyquist）在研究负反馈放大器时创立了有名的稳定性判据，并提出了稳定裕量的概念。在此基础上，1945年伯德（H.W.Bode）提出了分析控制系统的一种图解方法即频率法，致使研究控制系统的方法由初期的时域分析转到频域分析。随后，1948年伊文斯（W.R.Evans）又创立了另一种图解法即有名的根轨迹法。追溯到1877年，劳斯（E.Routh）和1895年赫尔维茨（A.Hurwitz）分别独立地提出了关于判断控制系统稳定性的代数判据。这些都是经典控制理论的重要组成部分。50年代中期，经典控制理论又添加了非线性系统理论和离散控制理论，从而形成了完整的理论体系。40~50年代经典控制理论（频域法或复频域法）核心：传递函数，稳定性、稳定裕度等特点：图形方法，直观简便，设置参数少，（以简单控制结构获取相对满意的性能）适用范围：单输入单输出（SISO）系统数学基础：复变函数，积分变换SISO:SingleInputandSingleOutput50年代开始，由于空间技术的发展，各种高速、高性能的飞行器相继出现，要求高精度地处理多变量、非线性、时变和自适应等控制问题，60年代初又形成了现代控制理论。现代控制理论的基础是：1956年庞特里亚金提出了极大值原理，1957年贝尔曼（R.Bellman）提出了动态规划，1960年卡尔曼（R.E.Kalman）提出了最优滤波理论以及状态空间方法的应用。从60年代至今40多年来，现代控制理论又有巨大的发展，并形成了若干学科分支，如线性控制理论、最优控制理论、动态系统辨识、自适应控制、大系统理论等。60~70年代现代控制理论（状态空间法）核心：状态变量的能控、能观性，系统性能的最优化特点：时域法，统一处理SISO、MIMO系统，有完整的理论体系数学基础：线性代数，矩阵理论缺点：对系统的数学模型精度要求高，实际性能达不到设计的最优，所需状态反馈难以直接实现MIMO:Multi-InputandMulti-Output70年代~现在多种新型控制理论多变量频域控制理论①经典SISO→MIMO；②基于互质分解的全新的频域优化理论鲁棒控制（robustcontrol）鲁棒性（robustness）：系统存在模型误差或受到扰动时仍能保持良好性能的能力鲁棒控制：使系统具有良好鲁棒性的控制70年代~现在多种新型控制理论智能控制（intelligentcontrol）控制系统具有拟人智能（学习、记忆、判断、推理等）大系统控制、复杂系统控制等被控系统具有高维数、强关联、多约束、多目标、不确定性、分散性、非线性、大时滞、难建模等特征，如电力系统、城市交通系统、网络系统、制造系统、经济系统等自动控制技术的应用，推动了控制理论的发展；而自动控制理论的发展，又指导了控制技术的应用，使其进一步完善。随着科学技术的发展，自动控制技术及理论已经广泛的应用于机械、冶金、石油、化工、电子、电力、航空、航海、航天、核反应等各个学科领域。近年来，控制科学的应用范围还扩展到生物、医学、环境、经济管理和其他许多社会生活领域，并为各学科之间的相互渗透起了促进作用。可以毫不夸张地说，自动控制技术和理论已经成为现代化社会不可缺少的组成部分。自动控制技术的应用，不仅使生产过程实现自动化，从而提高了劳动生产率和生活质量，降低生产成本，提高经济效益，改善劳动条件，而且在人类征服大自然、探索新能源、发展空间技术和创造人类文明等方面都具有十分重要的意义。作为现代的工程技术人员和科学工作者，都必须具备一定的自动控制理论基础知识。本课程的体系结构内容：经典控制理论建模、分析、综合范围：线性定常SISO系统（包括连续与离散）与非线性系统重点：基本概念、基本理论、基本方法高等数学——微分方程、拉氏变换、富氏变换及复变函数等电路——电路理论及运算方法、暂态过程分析电子技术——运算放大器元件及参数计算电机——工作原理及机械特性需要复习的内容基本要求通过学习本课程，获得自动控制系统的基本概念和基本理论；掌握分析自动控制系统或过程控制系统的基本方法。自动控制理论经典控制理论现代控制理论非线性控制系统第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章线性控制系统连续控制系统离散控制系统第一章自动控制概论§1.1引言§1.2自动控制的基本原理§1.3自动控制系统的分类§1.4自动控制理论概要主要内容1.自动控制的基本原理2.概念：自动控制、受控对象、控制器、被控量等3.自动控制的基本方式和自动控制系统的分类4.掌握根据系统原理图画方框图的方法5.对控制系统的基本要求6.典型输入信号重点与难点1、自动控制的基本原理与基本方式2、根据系统原理图画方框图的方法根据系统原理图画方框图的方法难点重点1.2.1自动控制的基本概念1、人工控制：控制系统可以由人工控制，也可以采用自动控制。进水水池要求水位实际水位出水图1－1水位人工控制原理图如图1－1所示，水位保持系统。§1.2自动控制的基本原理第一章自动控制概论若要求在出水量随意的条件下，保持水位高度不变：操作人员需先测实际水位，并在脑子中与要求的水位进行比较。若低于要求的水位，则需开大进水阀门。否则应关小进水阀门。若两者正好相等，则进水阀门不动。人工控制（续）第一章自动控制概论根据系统原理图可画出其方框图如图1－2所示。要求水位执行水池实际水位出水量测量人比较、计算图1－2水位人工控制系统方框图人工控制（续）第一章自动控制概论2、自动控制：该水池若改为由自动控制装置代替操作人员：由浮子测出实际水位，与要求的水位比较。然后得出偏差再由调节元件根据偏差的大小和正负产生控制信号。最后由执行元件根据信号产生控制作用。如图1-3所示。进水浮子实际水位出水+-连杆电机M图1－3水位自动控制系统原理图第一章自动控制概论在此：浮子测水位，由连杆和电位器进行比较：浮子低则电位器上得到正电压，经放大后使电机向进水阀门开大的方向旋转；反之，当浮子高时，电位器上得到负电压，电机向阀门关小的方向旋转；若水位正好，则电位器上电压为零，电机不转，阀门不动。要求水位〉电机阀门水池出水量实际水位浮子控制器电位器连杆比较图1－4水位自动控制系统方框图自动控制（续）第一章自动控制概论3、控制系统中的常用术语(1)自动控制—在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置使整个生产过程或工作机械自动的按预定规律运行、或使其某个参数按要求变化。(2)控制装置—外加的设备或装置，亦叫控制器。(3)受控对象—被控制的机器或物体。(4)被控量—表征被控对象工作状态的物理参量，也叫输出量。(4)给定量—要求被控量所应保持的数值。也叫输入量或叫参考输入。(5)干扰量—系统不希望的外作用，也叫扰动输入。第一章自动控制概论如水位自动控制系统：进水浮子实际水位出水+-连杆电机M图1－3水位自动控制系统原理图干扰信号测量元件输出量受控对象比较元件第一章自动控制概论(9)自动控制系统：由受控对象和控制器按一定方式连接起来的、完成一定自动控制任务的总体。如图1－5所示。图1－5自动控制系统给定量控制器被控量干扰量自控系统受控对象(7)反馈量：由系统输出端取出并反向送回系统输入端的信号。反馈有主反馈和局部反馈之分。(8)偏差量：给定量与主反馈信号之差。第一章自动控制概论串联校正放大执行受控对象反馈校正测量输入量输出量图1－6自动控制系统的组成自动控制的任务—利用控制器操纵受控对象，使其被控量按技术要求变化。若r(t)—给定量，c(t)—被控量，则自控的任务之数学表达式为：使被控量满足c(t)≈r(t)。自控系统的组成如1-6图所示。1.2.2自动控制系统的基本组成第一章自动控制概论1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。一般为电位器。2比较元件：其职能是把测量到的被控量实际值与给定元件给出的输入量进行比较，求出他们之间的偏差。常用的有差动放大器、机械差动装置、电桥电路、计算机等。3测量元件：其职能是检测被控制量的物理量。如测速机、热电偶、自整角机、电位器、旋转变压器、浮子等。基本组成（续）第一章自动控制概论4放大元件：其职能是将比较元件给出的偏差信号进行放大，用来推动执行元件去控制受控对象。如：晶体管、集成电路、晶闸管等组成的电压、功率放大器。5执行元件：其职能是直接推动受控对象，使其被控量发生变化。如：阀门、电机、液压马达等。基本组成（续）第一章自动控制概论自控系统的特点：1从信号传送看：c(t)经测量后回到输入端，构成闭环，具有反馈形式，且为负反馈。2从控制作用的产生看：由偏差产生的控制作用使系统沿减小或消除偏差的方向运动—偏差控制。6校正元件：也叫补偿元件，它是结构或参数便于调整的元件。用串联或并联（反馈）的方式连接于系统中，以改善系统的性能。如：电阻、电容组成的无源或有源网络，还有计算机。基本组成（续）第一章自动控制概论1.2.3自动控制的基本方式一、开环控制系统：1.定义：开环控制——控制器与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制过程。2.特点：被控量对系统的控制作用不产生影响，需要控制的是c(t)，而测量的只是r(t)