自动控制原理第一章.

第一章自动控制概论自动控制的基本原理及发展简史自动控制系统基本控制方式自动控制系统的类型控制系统的性能要求控制系统设计概述及设计实例1-1自动控制的基本原理及发展简史一．自动控制（automaticcontrol）自动控制是利用装置自动地对某些物理量的变化规律进行控制的技术。人观测实际水位，将实际水位与要求的水位值相比较，得出两者偏差。根据偏差的大小和方向手动调节进水阀门的开度，即当实际水位高于要求值时，关小进水阀门开度，否则加大阀门开度以改变进水量，从而改变水箱水位，使之与要求值保持一致。水箱水位的手动控制3控制器气动阀门流入Q1浮子水箱流出Q2H水位自动控制系统•控制任务：维持水箱内水位恒定；•控制装置：气动阀门、控制器；•受控对象：水箱；•被控量：水箱内水位的高度；控制器气动阀门流入Q1浮子水箱流出Q2H水位自动控制系统•给定值：控制器刻度盘指针标定的预定水位高度；•测量装置：浮子；•比较装置：控制器刻度盘；•干扰：水的流出量和流入量的变化都将破坏水位保持恒定；自动控制前提：没有人直接参与。控制装置或控制器：外加的设备或装置。被控对象：机器,设备或生产过程。被控量：被控对象的输出量，即某个工作状态或参数。结果：被控量自动地在一定的精度范围内按照预定的规律运行。自动控制系统：指能够完成自动控制任务的设备，一般由控制装置和被控对象组成。自动控制发展简史公元前1400－1100年，中国、埃及和巴比伦相继出现自动计时漏壶，人类产生了最早期的控制思想。中国古代的自动计时装置。又称漏壶、刻漏、漏刻。漏壶的最早记载见于《周礼》。这种计时装置最初只有两个壶，由上壶滴水到下面的受水壶，液面使浮箭升起以示刻度(即时间)。这里浮箭可看作是一种自动检测装置。保持上壶的水位恒定，则是自动调节的问题。这个问题后来用互相衔接的多级(3～5级)水壶莲华漏来解决。莲华漏由4个壶组成。计时精度比传说中的阿拉伯人用浮子式阀门调节水位的系统为高。这种计时装置是一种开环自动调节系统，其原理相当于有非线性限制器的多级阻容滤波装置。最早的反馈控制实例可能是公元前300年-公元前1年之间在古希腊出现的浮球调节装置。包括利用浮球调节装置来保持油灯燃油的油面高度、利用浮球调节装置来控制水位等；近代欧洲最早发明的反馈系统是荷兰人CornelDrebbel(1572_1633)发明的温度调节器，DennisPapin(1647_1712)则在1681年发明了第一个锅炉压力调节器，该调节器是一种安全调节装置，与目前压力锅的减压安全阀类似。公元1769年，英国人J.Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度，由此产生了第一次工业革命。飞球调节器是人们普遍认为最早应用于工业过程的自动反馈控制器。两个飞球，一转起来以后，因为离心力，飞球就往外胀。飞球胀开以后，这个下面的套筒就往上升，这个套筒在移动，就带动执行机构动作，这是最早的瓦特的离心调速器。实际上这个离心调速器不是瓦特发明的。俄国人则断言，最早具有历史意义的反馈系统是由I.Polzunov于1765年发明的用于水位控制的浮球调节器。浮球探测水位并控制盖在锅炉入口上的阀门。同时，自控技术的发展提出许多新问题，-----这些问题要求在理论上给予回答：•1868年，J.C.Maxwell从描述系统的微分方程的解中用有无增长指数函数项来判断稳定性；•1877年，劳斯(E.Routh)和1895年赫尔维茨(A.Hurwitz)分别独立地提出关于系统稳定的代数判据；（第3章）•1932年，奈奎斯特(H.Nyquist)在研究负反馈放大器时提出了有名的稳定性准则及稳定裕度的概念；（第5章）•1945年，伯德(H.W.Bode)在Nyquist的基础上提出用图解法来分析和综合反馈控制系统的方法，形成了控制理论的频率法；（第5章）•1948年，伊文斯(W.R.Evans)提出有名的根轨迹法。（第4章）频率法和根轨迹法对自动控制的发展起了重要作用，建立在这两种方法上的理论就是我们通常说的经典控制理论。维纳，MIT教授，曾于1936年到清华大学任访问教授。早期进行模拟计算机研究，二战期间参与火炮控制研究，提炼出负反馈概念。1948年，维纳所著《控制论》的出版，标志着这门学科的正式诞生。控制论的奠基人美国科学家维纳（Wiener,N.，1894-1964）1954年，我国科学家钱学森在美国运用控制论思想和方法，用英文出版《工程控制论》，首先把控制论推广到工程技术领域。随着Laplace变换和频域复平面的广泛应用，频域方法在二战之后仍在控制领域占据着主导地位。20世纪50年代，控制工程理论的重点是发展和应用S平面方法，特别是根轨迹法。到80年代，数字计算机用作控制部件已属平常。随着人造卫星和空间时代的到来，控制工程又有了新的推动力。为导弹和空间探测器设计复杂、高精度的控制系统成了现实需要。此外，由于既要减轻卫星等飞行器的重量又要对它们实施精密控制，最优控制因而变得十分重要。正是基于上述需求，最近20多年来，由Liapunov、Minorsky等人提出的时域方法受到了极大的关注。由前苏联的L.S.Pontryagin和美国的R.Bellman研究提出的最优控制理论，以及近期人们对鲁棒系统的研究，都为时域方法增色不少。接着短短的几十年里，在各国科学家和科学技术人员的努力下，又相继出现了生物控制论，经济控制论和社会控制论等，控制理论已经渗透到各个领域，并伴随着其它科学技术的发展，极大地改变了整个世界。控制理论自身也在创造人类文明中不断向前发展。控制理论的中心思想是通过信息的传递、加工处理并加以反馈来进行控制，控制理论是信息学科的重要组成方面。三个时期：第一个时期：经典控制理论时期（40年代末到50年代）单机自动化、局部自动化、单变量控制自动调节器、伺服系统……第二个时期：现代控制理论时期（60年代）多变量控制、最优控制、多种变化因素航天系统、导弹系统、人造卫星……第一颗人造卫星（苏联，1957年）第一艘载人飞船（苏联，1961年,东方1号，加加林）第三个时期：大系统理论时期（70年代）规模庞大、结构复杂、变量参数多、目标不单一生物系统、社会系统、机器人……人类首次登上月球（美国，阿姆斯特朗等，1969年7月20日）首架航天飞机-哥伦比亚号（美国，1981年）发展前景：向大系统理论发展规模庞大结构复杂功能综合因数众多……向智能控制系统发展自组织自学习自修复自繁殖……控制理论已形成了以理论控制论为中心的四大分支（也有不同分法）：工程控制论：技术系统、工程系统生物控制论：生物系统社会控制论：社会系统智能控制论：思维系统控制论的基本概念和方法是人类认识史上的一个飞跃，开辟了认识世界的新途径。首次冲出太阳系（美国伽利略号木星探测器，1989年）仿人机器人（日本，2001年）神舟五号载人航天成功（中国，2003年）勇气号、机遇号火星探测器（美国，2004年）“作为技术科学的控制论，对工程技术、生物和生命现象的研究和经济科学，以及对社会研究都有深刻的意义，比起相对论和量子论对社会的作用有过之无不及．我们可以毫不含糊地说从科学理论的角度来看，二十世纪上半叶的三大伟绩是相对论、量子论和控制论，也许可以称它们为三项科学革命，是人类认识客观世界的三大飞跃。”——钱学森应用自动控制技术应用于军事、航空航天领域:火炮、雷达、飞机、跟踪系统；导弹、制导火箭；人造卫星；宇宙飞船；自动控制技术应用于工业生产过程:轧钢过程；锅炉；焊接机器人；工业窑炉；化工制药；数控机床；石油化工；水泥建材;玻璃、造纸等；自动控制技术应用于现代农业生产自动灌溉；农产品质量检测；疫情检测等。自动控制技术应用于其他领域由于计算机等技术的诞生和飞速发展，使得控制技术水平不断提高，已扩大到经济与社会生活的各个领域，如通信、交通、医学、环境保护、经济管理等领域，控制技术已成为现代社会不可缺少的重要组成部分。近年来，我国在自动化仪表、工业调节器、数字控制技术、航天工程、核动力工程等方面的研究和应用取得了长足进展。二．自动控制理论1．定义自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学.2．分类（1）经典控制理论：以传递函数为基础，主要研究单输入—单输出，线性定常系统的分析和设计问题。（2）现代控制理论：主要研究具有高性能，高精度的多变量多参数系统的最优控制问题。“现代控制理论”是在“经典控制理论”的基础上，于60年代以后发展起来的。它的主要内容是以状态空间法为基础，研究多输入，多输出、时变参数、分布参数、随机参数、非线性等控制系统的分析和设计问题。最优控制、最优滤波、系统辨识、自适应控制等理论都是这一领域重要的研究课题，近年来计算机技术和现代应用数学的结合，又使现代控制理论在大系统理论和模仿人类智能活动的人工智能控制等诸多领域有了重大发展。研究对象数学工具常用分析方法局限性经典控制理论单输入-单输出线性定常系统微分方程，传递函数时域分析法，频域分析法,根轨迹分析法对复杂多变量系统、时变和非线性系统无能为力现代控制理论多输入-多输出变系数，非线性等系统线性代数、矩阵理论状态空间法比较繁琐（但由于计算机技术的迅速发展，这一局限性已克服)三、自动控制系统1．定义：为了实现各种复杂的控制任务，将被控对象和控制装置按照一定的方式连接起来组成的一个有机总体。控制装置（控制器）：外加的设备或装置.被控对象（process,plant,controlledsystem）：设备或生产过程.2、系统方框图：为了清楚地表示控制系统的组成及各组成部分之间信号的传输关系，画出的控制系统元件作用图称为系统方框图。共有四种图例：（1）装置用方框表示（2）信号用带箭头的线段表示（3）信号引出点（4）信号相加点（比较点）控制系统框图的基本组成单元元部件方框（块）图信号（物理量）及传递方向中的符号比较点引出点表示负反馈－返回1-２自动控制系统基本控制方式1.开环控制2.闭环控制3.复合控制开环控制方式：按给定值操纵。信号由给定值至输出量单向传递。一定的给定值对应一定的输出量。系统的控制精度取决于系统事先的调整精度。对于工作过程中受到的扰动或特性参数的变化无法自动补偿。结构简单，成本低廉，多用于系统结构参数稳定和扰动信号较弱的场合.如：自动售货机、自动洗衣机、产品生产自动线、指挥交通的红绿灯的转换。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。给定值输出量典型开环控制的方框图控制器被控制对象扰动调压器温度计电热丝炉子220输入信号（期望炉温）输出信号（实际炉温）脑（计算、比较）放大、执行（手臂、手）被控对象（电热丝、炉子）测量（眼睛）人工控制对炉温控制系统要保持炉温恒定，要引入人工干预过程。实际结果分析决策执行观察工作对象实测值干扰观察预期目标典型的人工干预过程图人工干预过程：检测偏差，再纠正偏差闭环系统（增加了对实际输出的测量）反馈控制：在反馈控制系统中，控制装置对控制对象施加的控制作用，是取自被控量的反馈信息，用来不断修正被控量的偏差，从而实现对被控对象进行控制的任务，这就是反馈控制的原理。反馈：把取出输出量送回到输入量，并与输入信号相比较产生偏差信号的过程。典型闭环系统方框图负反馈：若反馈的信号是与输入信号相减，使产生的偏差越来越小(从而使被控量与期望值趋于一致)。反之，则称为正反馈。反馈控制：就是采用负反馈并利用偏差进行控制的过程，而且，由于引入了被控量的反馈信息，整个控制过程称为闭合的，因此反馈控制也称闭环控制。反馈控制实质上是一个按偏差进行控制的过程，因此，它也称为按偏差的控制,反馈控制原理就是按偏差控制的原理。反馈控制的共同特点是：由负反馈构成闭环；按偏差控制。为了说明闭环控制与开环控制的区别，再举一房间加热的例子，房间的加热：此动态系统的输入是热量，输出是房间温度。如何保持室温在预定值上？1．预定程序控制（开环）：控制作用直接由系统的输入量产生，给定一个输入量就有一个输出量与之对应，控制精度完全取决于所用的元件及校准的精度，不能有效对付