第一章自动控制的一般概念

1第一讲第一章自动控制的一般概念1.1引言1.2自动控制系统示例1.3闭环控制和开环控制1.4自动控制系统的分类1.5对自动控制系统的基本要求对本课程的基本要求1.1引言自动控制是一个非常有吸引力的研究领域，在过去的几十年中发展起来的理论和实践解决了大量的自动化问题，使这个领域具有了通用的特点。正因如此，各工程专业都对大学生和研究生开设了相关的课程。在我们周围，确实存在着能实现自动控制的自然和人造系统：人体的许多功能可以在不需要我们有意识地干涉的情况下完成，从而维持我们的生命；在日常生活中，我们每天都可以碰到自动运行的人造系统，如电子的、机械的、化学的、水力的、金融的和经济的。但大多数情况下，只有发生了故障，我们才意识到它们是自动运行的。尽管大多数人并不理解自动控制复杂的细节，但自动控制的成就令我们所有人着迷和兴奋。一些系统在不需要人们干预的情况下，自动执行某些功能的能力对我们的生活产生了戏剧性的影响，吸引了我们所有人的想象力。自动控制在人类的登月计划中起到了关键的作用，而且在多少年里它都是科幻小说的中心话题。事实是，在过去的100年里，科学技术的进步使大量系统的自动控制成为可能，从而提高了生产率，促进了经济增长和改善了人们的生活质量。另外，对我们来说，高度复杂的科技社会对自动控制的需求在21世纪将持续增长，我们必须准备应对这一挑战。在这个星球上，我们的生活在很大程度上都依赖于自动运行的系统。当我们说一个自动运行的系统时，就是指它的运行不需要人为的干预。自然界有很多这样的例子。将人体作为一个例子来考虑，这个系统持续的自动控制是我们生存的基本要求。考虑我们的体温保持在37℃的自动温控系统、心跳控制系统、眼球聚焦系统。从肾脏、肺和肝脏的功能来看，它们也可以称为自动系统。这些系统和其他许多人体内的系统一样都是在我们没有任何有意识干预的情况下自动运行的。实际上，在我们周围还有许多自动运行的人造系统，日常生活我们要接触到或使用其中的许多系统。在一个现代化的居室内，温度由温度调节装置自动控制，类似的还有水箱中热水的温度。导航控制系统使汽车自动保持在设定车速，刹车防抱死系统自动防止汽车在湿滑的路面上打滑，在大型办公楼或旅馆，电梯调度系统自动发送车辆搭载乘客。以上只是众多的自动运行系统的几个例2子，除此之外，每个人都可以举出类似的例子。1.1.1历史回顾•18世纪，JamesWatt为控制蒸汽机速度设计的离心调节器。是自动控制领域的第一项重大成果。在控制理论发展初期，做出过重大贡献的众多学者中有迈纳斯基、黑曾和奈魁斯特。•1922年，Minorsky研制船舶操纵自动控制器，并证明了从系统的微分方程确定系统的稳定性。•1932年，Nyquist提出了一种相当简便的方法，根据对稳态正弦输入的开环响应，确定闭环的稳定性。•1934年，Hezen提出了用于位置控制系统的伺服机构的概念。讨论了可以精确跟踪变化的输入信号的继电式伺服机构。•19世纪40年代，频率响应法为闭环控制系统提供了一种可行方法，从20世纪40年代末到50年代初，伊凡思Evans提出并完善了根轨迹法。频率响应法和根轨迹法是古典控制理论的核心。由这两种方法设计出来的系统是稳定的，并且或多或少地满足一组适当的性能要求。一般来说，这些系统是令人满意的，但它不是某种意义上的最佳系统。由于具有多输入和多输出的现代设备变得愈来愈复杂，所以需要大量方程来描述现代控制系统。古典控制理论只涉及单输入、单输出系统，对于多输入、多输出系统就无能为力了。•19世纪60年代，数字计算机的出现为复杂系统的时域分析提供了可能。因此，利用状态变量、基于时域分析的现代控制理论应运而生，从而适应了现代设备日益增加的复杂性，同时也满足了军事、空间技术和工程应用领域对精确度、重量和成本方面的严格要求。•从1960年到1980，不论是确定性系统的最佳控制、还是随机系统的最佳控制，及复杂系统的自适应和学习控制，都得到充分的研究。•从1980年到现在，现代控制理论进展集中于鲁棒控制、H∞控制及其相关课题。如今，数字计算机的价格比较便宜，而且体积也变得更为紧凑，它们已成为控制系统中不可缺少得组成部分。现代控制理论的近期应用已经扩充到非工程系统，诸如生物系统、生物医学系统、经济系统和社会经济系统。1.1.2术语•对象过程系统扰动反馈控制反馈控制系统随动系统自动调整系统•过程控制系统3•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。•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。•系统完成一定任务的一些元、部件的组合。系统是一个广义的概念。系统不限于物理系统，系统的概念可以应用于抽象的动态现象，如在经济学中遇到的一些现象。因此，“系统”这个词，应当理解为包含了物理学，生物学和经济学等现象的系统。•扰动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。在这里，反馈控制仅仅是对无法预计的扰动（既那些预先无法知道的扰动）而设计的，因为对于可以预计的或是已知的扰动来说，总是可以在系统加以校正的，因而对于他们的测量是完全不必要的。•反馈控制系统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，也存在者反馈控制系统。例如，人的机体在某种意义上说，就类似于一个具有许多控制变量的化工设备。在这种运输和化学反应网络的过程控制中，包含者许多控制回路，事实上，人的机体是一个极其复杂的反馈控制系统。•随动系统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，广泛采用者随动系统。例如，采用程序指令的机床的全自动化操作，就可以应用随动系统来完成。•自动调整系统自动调整系统是一种反馈控制系统，在这种系统中，参考输入量或希望的输出量，或者保持常值，或者随时间而缓慢变化，而这种系统的基本任务，正是要在存在扰动的情况下，将实际的输出量保持在希望的数值上。用恒温器作为控制器的室内加温系统，就是一种自动调整系统，系统中恒温器的温度给4定值（即希望的温度值），用来与室内的实际温度进行比较。室外温度变化是该系统的扰动。调整系统的任务，是保持所要求的室内温度不受室外温度变化的影响。自动调整系统的例子很多，例如，压力的自动控制以及电压、电流、流量和频率等电学量的自动控制。•过程控制系统当自动调整系统的输出量是温度、压力、流量、液面或PH值（氢离子浓度）等这样一些变量时，就叫过程控制系统。过程控制在工业中获得广泛应用。像在加热炉的温度控制中，炉温是根据预先制定的程序进行控制的，叫做程序控制。程序控制是经常采用的一种过程控制系统。例如，预先制定的程序可以是：炉温在一定的时间间隔内，先上生到某一给定温度，然后在另一段时间间隔内再下降到另一给定温度。在这类程序控制中，给定量是按照预先制定的规律变化的。而控制器则保持炉温紧紧地跟随给定量的变化。应当指出，大多数程序控制系统都包含随动系统，作为系统的整体部件。1.2自动控制系统示例热力系统的例子热力系统的人工反馈控制在这里人起了控制器的作用，他希望使热水温度保持在给定温度上，为了测量热水的实际温度，在热水的输出管道内安装了一支温度计，温度计测得的温度就是系统的输出量。操纵者始终监视着温度计，当发现温度高于希望值时，就减少输送到系统中的蒸蒸汽冷水热水温度计图1-1热力系统的人工反馈控制排水5汽量，以降低其温度；当发现温度低于希望的温度时，操纵者就反向操纵蒸汽阀门，使进入系统的蒸汽量增大，以提高这一温度。这种控制作用，是基于闭环控制原理的。在这个例子中，输出量的反馈（水温）与参考输入量的比较，以及控制作用，都是通过人来实现的。这就是一种闭环控制系统，这类系统，可以叫做人工反馈系统，或叫人工闭环控制系统。热力系统的自动反馈控制如果用自动控制器来取代人工操作，如图1-2所示，就变成自动控制系统，或叫自动反馈控制系统，自动闭环控制系统。将自动控制器刻度盘上指针的位置，标定在（转到）希望的温度，例如80℃。系统的输出量，即热水的实际温度，由温度测量装置予以测定后，与希望的温度值进行比较，以产生误差信号。为此，在进行比较之前，需通过变送器将输出温度变成与输入量（即给定植，参据量）相同的物理量。（变送器是将信号从一种物理量变换成另一种物理量的装置。）在自动控制器中，产生的误差信号经过放大后，作为控制器的输出量加到控制阀上，从而改变控制阀的开度，使进入系统的蒸汽量发生相应的变化，最后使实际的水温得到校正。如果没有误差信号，当然也就不必改变阀的开度了。在上述系统中，环境温度的变化，以及输入冷水温度的变化等，都可看作是系统的外扰。自动控制器热水冷水蒸汽温度测量装置排水图1-2热力系统的自动反馈控制控制阀6人工反馈和自动反馈控制系统的工作原理是相似的。操纵者的眼睛类似于误差测量装置；操作者的头脑类似于自动控制器；而操纵者的肌体则类似于执行机构。在复杂的控制系统中，由于系统中各变量之间存在者错综复杂的关系，所以就很难进行人工操纵了。应当指出，即使在简单的系统中，采用自动控制器也有利于消除人工操纵造成的误差。所以，如果要求精确控制，就必须采用自动控制系统。1.3闭环控制和开环控制1.3.1反馈的概念首先介绍反馈的概念。大家在模拟电子电路中曾经涉及到反馈的概念。反馈有正反馈和负反馈之分。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。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。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。控制器对象或过程测量元件输入量输出量图1-1闭环控制系统1.3.2反馈控制系统的基本组成反馈控制系统是由各种结构不同的系统部件组成的。从完成“自动控制”这一职能看，一个控制系统必然包含被控对象和控制装置两个部分。控制装置由具有一定职能的7各种基本元件组成的。在不同系统中，结构完全不同的元部件都可以具有相同的职能。组成系统的元部件按职能分类主要有以下几种。测量元件：其职能是测量被控制的物理量，如果这个物理量是非电量，一般再转换为电量。例如：①测速发电机是用于检测电动机轴的速度并转换为电压；②湿敏传感器是利用“湿-电”效应来检测湿度，并将其转换成电信号；③电位器、旋转变压器、自整角机等是用于检测角度并转换为电压；④热电偶是用于检测温度并转换为电压等。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。常用的比较元件有差动放大器、机械差动装置和电桥等。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。如电压偏差信号，可用电子管、晶体管、集成电路、晶闸管等组成的电压放大器和功率放大级加以放大。执行元件：直接推动被控对象，使其被控量发生变化。用来作为执行元件的有阀、电动机、液压马达等。校正元件：亦称补偿元件，它是结构或参数