北理自动控制原理第一章课件.

自动控制原理宋建梅第一章自动控制的一般概念1.1引言1.2自动控制系统基本控制方式1.3自动控制发展简史1.4自动控制系统分类1.5对系统的性能指标要求1.6控制系统设计概论第一节引言一．自动控制(automaticcontrol)1.定义：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：被控对象的输入量，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如何将之变成自动控制系统呢？手动控制（manualcontrol)Label12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、玻璃、造纸等；自动控制技术应用于现代农业生产自动灌溉；自动控制技术应用于其他领域通信、交通、医学、环境保护、经济管理自动化仪表、工业调节器、数字控制技术、核动力工程二．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—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。（3）智能控制理论20世纪50年代前后，是经典控制理论诞生和发展时期主要特征：单变量控制传递函数时域方法频域方法60年代的现代控制理论时期，主要特征：从单变量到多变量从自动调节到最优控制从线性到非线性从时不变到时变两个成果标志：一是最优控制方面的Pontryagin极大值原理和美国数学家贝尔曼（Bellman)动态规划（后来被更多地用于经济上的投资、资源分配生产排序等）；二是美国数学家Kalman提出的状态空间、能控性、能观性、反馈镇定、卡尔曼滤波70年代的智能控制阶段借鉴人工智能中发展出来的逻辑推力、启发式知识、专家系统等，解决难以建立精确数学模型的复杂系统的控制问题，主要有：模糊控制、神经网络、专家系统、定性学习、学习控制等（1）开环控制：控制装置和被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制作用。2．基本控制方式输入被控对象输出控制器、执行机构（2）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。预期行驶路线驾车人驾驶机构汽车视觉和触觉测量实际行驶路线偏差+-例如：汽车驾驶控制系统反馈：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。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；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。输入量输出量+-补偿装置控制装置被控对象（a）按输入作用补偿（3）复合控制扰动量输入量输出量+-补偿装置控制装置被控对象+（b）按扰动作用补偿三、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）：设备或生产过程系统输出量：自动控制系统的被控制量系统输入量：给定输入（或称参考输入、希望值等）：指对系统输出量的要求值扰动输入：指对系统输出量有不利影响的输入量2.自动控制系统的组成被控对象和自动控制装置（控制器）自动控制装置包括：（1）测量元件（或测量装置）用于测量被控量的实际值或对被控量进行物理量变换的装置。（2）给定元件给出与期望的被控量相对应的系统输入量（即参据量）（4）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。（3）比较元件（或比较器）它将被控量的实际值（常取负号）与被控量的要求值（常取正号）相比较，得到偏差的大小和符号。（6）执行元件接受调节元件的输出控制信号，产生具体的控制效果，使被控制量产生预期的改变。（5）调节元件（校正元件）通常包括放大器和校正装置。它能将偏差信号放大，并使输出控制信号与偏差信号之间具有一定的数值运算关系（也称为调节规律或控制算法）。放大元件输出量串联补偿元件反馈补偿元件执行元件被控对象局部反馈测量元件主反馈输入量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。（1）装置用方框表示（2）信号用带箭号的线段表示（3）信号引出点（4）信号相加点（比较点）共有四种图例：第二节自动控制系统基本控制方式示例一．开环系统输入被控对象输出控制器、执行机构目前比较常见的开环控制系统有自动售货机，自动洗衣机，自动流水线，包装机等。开环控制系统的优缺点：优点：结构简单，当被控制变量不易测量时，用此类控制较方便缺点：通常是不能做到使某些物理量按指定规律变化。二．闭环系统控制器被控对象给定输入偏差执行机构传感器实际输出测量输出反馈控制的共同特点是：由负反馈构成闭环；按偏差控制。房间的恒温控制：此动态系统的输入是热量，输出是房间温度方法1：预定程序控制（开环）缺点：不能有效对付干扰（disturbance如门窗的开、关，室外风速引起的变化，人的流动、房屋模型建模不准确导致预定程序不准确）。房间加热器预定程序控制器期望温度房间温度干扰燃料方法2：利用温度自动调节器（thermostat根据温度自动启动的装置）（闭环）闭环与开环二者有本质区别。反馈控制有能力敏感被控量（室温）的变化，与期望值有偏差时能够产生修正指令。而开环控制方案不管被控量变化有多大，总是按一种模式运行。如果我们将任何事情都预报得很准，我们可以不用反馈控制系统，因为其特点是有能力处理不确定性。这种不确定可指被控对象的变更（如换了一间房子）、环境即我们不能精确预报室外温度和风速。因此，反馈使系统能够适应环境变化。反馈控制的特点是必须等干扰反应在被控变量的变化上以后，才作出反应，即不可能预测将进入系统的干扰。在干扰可测（可采取措施来抵消其影响）的情况下，反馈控制的性能就不是很令人满意。（如当室外温度可测时）。这时可采用以后将讲到的前馈控制。输入量输出量+-补偿装置控制装置被控对象（a）按输入作用补偿三．复合控制系统扰动量输入量输出量+-补偿装置控制装置被控对象+（b）按扰动作用补偿第三节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。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Philon发明的利用浮球调节装置来保持油灯燃油的油面高度、希罗利用浮球调节装置来控制水位等；抽水马桶的水箱中就有这种液位控制装置。注意：这里传感器和执行器不是分离的器件，而是包含在精心制作的浮球和给料管联合体中。近代欧洲最早发明的反馈系统是：荷兰人CornelisDrebbel(1572_1633)发明的温度调节器，用于控制加热孵卵器中火炉的温度。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。J.C.Maxwell（麦克斯韦尔）最早研究了这种不稳定现象。1868年发表《论调节器》，对反馈机理作了理论论述，并从数学上进行了探讨。1872年J.Routh和1890年(Hurwitz)先后找到了系统稳定性的代数判据，即系统特征方程根具有负实部的充分必要条件在美国，Bode,Nyquist,Black等人在贝尔电话实验室对电话系统和电子反馈放大器所做的研究工作，是促进反馈系统应用的主要动力，他们发展了采用带宽等频域变量术语的频域方法—至今仍是控制理论的最主要的分析设计方法之一二战对反馈控制领域的发展起到了巨大的推动作用。在美国，工程师和数学家们在MIT辐射实验室整合了他们的知识，包括Bode提出的反馈放大器理论和过程控制中的PID控制以及维纳提出的随机过程理论等。其中的成果就是关于伺服机制的一整套设计技术的发展。于是伺服机制作为控制机制开始被提出来。20世纪50年代，美国的R.Bellman和R.E.Kalman以及前苏联的L.S.Pontryagin重新回到利用常微分方程模型研究控制系统的方向上来。其中大部分工作是受人造地球卫星控制需求的推动，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。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。现代控制这一领域的模型通常可以用常微分方程描述，支持这方面继续研究的是发展的数字计算机技术，计算机能够处理在那之前10年几乎不可想象的复杂运算。1960年，刚刚成立的自动控制国际联盟就在莫斯科召开的第一次会议上介绍了其中的大部分成果。尽管研究常微分方程的基础早在19世纪末已经建立，但我们还是把它叫做现代控制。现代控制智能控制70年代的智能控制阶段。借鉴人工智能中发展出来的逻辑推力、启发式知识、专家系统等，解决难以建立精确数学模型的复杂系统的控制问题，主要有模糊控制、神经网络、专家系统、定性学习、学习控制等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。第四节自动控制系统分类从信号传送的结构特点可将控制系统分为开环控制系统与闭环控制系统。按照其他分类原则还可分为：（一）随动系统与恒值控制系统随动系统又称为伺服系统。特点：给定值是预先未知的、随时间任意变化，要求系统被控量以尽可能小的误差跟随给定值变化。恒值控制系统（定值调节系统或自动镇定系统）。特点：系统输入量（即给定值）不变，但由于扰动使被控量偏离要求值，该系统能根据偏差产生控制作用，使被控量恢复到要求值，并以一定的准确度保持在要求值附近。程序控制系统：系统的输入量是已知时间函数（不是常数）（二）线性系统和非线性系统线性系统是指组成系统的元器件的静态特性为直线，能用线性常微分方程描述其输出与输入关系的系统。线性系统的主要特点是具有叠加性和齐次性。本课程研究线性定常系统（或称为线性时不变系统、自治系统）非线性系统是指组成系统的元器件中有一个以上具有非直线的静态特性的系统。非线性系统还可分为非线性时变系统与非线性定常系统。（三）连续系统与离散系统连续系统，各部分的输入和输出信号都是连续变化的模拟量，可用微分方程来描述各部分输入-输出关系的系统。离散系统，某一处或多处的信号以脉冲序列或数码形式传递的系统。离散系统也有线性离散系统和非线性离散系统、定常离散系统和时变离散系统之分。（四）单输入-单输出系统与多输入-多输出系统单输入-单输出系统的输入量和输出量各只有一个(单变量系统)多输入-多输出系统的输入量和输出量个数多于一个(多变量系统)（五）确定系统与不确定系统若系统的结构和参数是确定的、预先可知的，系统的输入信号（包括给定输入和扰动）也是确定的，则可用解析式或图表确切地表示，这种系统称为确定系统。系统本身的结构和参数不确定或作用于系统的输入信号不确定时，则称这种系统为不确定系统。(七）按元件类型：机械系统，电气系统，机电系统，液压系统，气动系统，生物系统（八）按功用分：压力控制系统，位置控制系统，温度控制系统线性连续控制系统：可用线性微分方程式描述。第五节对系统的性能指标要求当输入信号突然发生