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第一章自动控制系统概述第页重庆邮电学院自动化学院2第一章自动控制系统概述一、基本概念第一、二次工业革命，为能源、动力的革命，导致了机械化。1946年﹐美国福特公司的机械工程师D.S.哈德最先提出“自动化”一词﹐并用来描述发动机汽缸的自动传送和加工的过程《朗文当代英语辞典》：automationtheuseofmachinesinsteadofpeopletodoajoborindustrialprocess《自动化（专业）概论》：所谓自动化(Automation)，是指机器或装置在无人干预的情况下按规定的程序或指令自动的进行操作或运行。广义地讲，自动化还包括模拟或再现人的智能活动。《自动化科学与技术学科的内容、地位与体系》：简言之，“Automation”包含了①设备、过程或系统的自动化；②自动化技术或设备；③自动化状态。清华大学：熊光楞教授一般的自动化的定义：自动化是指人把命令（即控制的信息）授给“控制机（或控制系统）”，使它按信息的要求，自动控制机器，而机器再去运作工具于工件。自动化是分析、组织和控制生产过程的一种手段。自动化实现人类劳动模式的转换：“人—工具”的劳动模式、“人—机器—工具”的劳动模式、“人—控制机—机器—工具”的劳动模式。第页重庆邮电学院自动化学院3第一章自动控制系统概述自动化的发展过程回顾：①设备自动化本世纪50年代开始发展起来，由最初的机器、设备的控制问题，引出了机床、轧钢机等设备的自动化。主要特点：自动调节系统的出现及其大量应用。②生产过程自动化生产过程自动化需要考虑生产过程的协调、优化、计划与调度等问题。它是生产车间级的自动化。离散型生产过程的自动化机械制造自动化，电子制造自动化，……连续型生产过程的自动化化工自动化，冶金自动化，……③工厂自动化工厂是由若干个生产车间组成的、能够完成一定的产品生产任务的实体，工厂自动化实现了产品加工生产的自动化，工厂自动化=生产过程自动化+管理自动化。④企业自动化企业自动化包括企业的生产加工、企业管理、产品（设计/开发）、市场、销售、计划等方面的综合自动化，企业自动化的支撑技术包括：制造资源管理MRP-II，企业资源计划ERP，计算机辅助设计/制造CAD/CAM，计算机集成制造CIM，并行工程CE，产品数据管理PDM，…计算机集成制造CIM将制造视为一个信息处理、信息转换的过程，将制造过程视为一个集成的过程，多种计算机技术与工具的综合应用。⑤扩展企业自动化全球化第页重庆邮电学院自动化学院4第一章自动控制系统概述“自动化”理论控制论：经典的反馈控制理论，现代控制理论，状态空间理论，自适应控制理论…信息论：信息处理、压缩、转换、传输…系统论：从各组成部分间的相互作用、相互影响的角度来考虑整个系统的运行、控制的问题，协同论：研究多个系统之间的协调、相互作用、相互影响。关系：控制论工程控制论自动控制原理控制论的建立是20世纪最伟大的科学成就之一﹐现代社会的许多新概念和新技术往往与控制论有着密切的联系。英文cybernetics(控制论)一词来源于希腊文﹐原意为“掌舵人”﹐转意是“管理人的艺术”。法国物理学家和数学家A.M.安培于1834年用控制论这一名词称呼管理国家的科学。控制论的奠基人美国数学家维纳﹐N.1948年为控制论所下定义是:“研究动物和机器中控制和通信的科学”。70年代以来﹐计算机得到广泛的应用﹐控制论的应用范围逐渐扩大到社会经济系统﹐控制论的定义也因之扩展。中国科学家钱学森创立了工程控制论﹐并于1954年在美国出版了《工程控制论》的专著。他提出﹐工程控制论的对象是控制论这门学科能够直接应用于工程设计的那些部分。以后又出现了生物控制论、经济控制论、社会控制论等。第页重庆邮电学院自动化学院5控制论的核心问题控制论的核心问题是信息﹐包括信息提取﹑信息传播﹑信息处理﹑信息存储和信息利用等一般问题。控制论与信息论的主要区别是﹕控制论是在理论上用较抽象的方式来研究一切控制系统(包括生命系统﹑工程系统﹑经济系统和社会系统)的信息传输和信息处理的特点和规律﹐研究用不同的控制方式达到不同的控制目的﹐不考虑具体信号的传输和处理问题﹔信息论研究信息的测度﹐并在此基础上研究与实际系统中信息的有效传输和有效处理有关的问题(如编码﹑译码﹑滤波﹑信道容量和传输速率等)。自动控制原理：经典控制理论，即研究反馈控制。自动化自动控制（视频资料）在没有人参与的情况下，通过控制器或控制装置来控制机器或者设备等物理装置，使得机器设备的受控物理量按照希望的规律变化，达到控制目的。是研究控制系统的一般规律，不是讲具体的控制对象、系统、元件。对象：如炼钢、化工反应，航空航天，机械汽车加工。系统：运动过程，力学、电学、光学、生物等元件：控制器、执行（电机），传感器第页重庆邮电学院自动化学院6第一章自动控制系统概述是自动化类、信息类的必修课，主干课，将具体元件根据自动控制原理组成、针对具体控制对象的系统，包括：1.研究一般规律：通过分析、研究各种具体系统的一般规律，控制本身是一种工具，它不局限于某个系统，控制理论作为自动控制的基础理论，具有普适性，好比微积分、线性代数，任何领域都可拿来用从物理特性和规律出发，但不局限于物理规律，而是找出共同规律使之能更广泛的应用；同时又有很强的应用背景，但联系实际有具体意义，和一般数学等不同。2.提供基本方法，是方法论：通过规律的研究，提供针对具体问题的分析，解决问题的方法，如对实际控制系统，建立模型，求解，分析并解决问题，提供一种通用的思想和方法。3.一种思想方法，不仅针对一般的物理系统，还可以推广对自然科学，社会科学，如生产、经济、环境等问题。如系统的观点，全局观念、反馈思想，这些思想是靠潜移默化，长期训练得到的，特别是复杂的，大惯性的系统，如：环境、生态，人口等问题，仅靠当前、局部的一些思考方法和措施不能很好解决，引入这自动控制、自动化等思想可以提供更全面地、长期的分析、解决问题的方法。作用的同时也吸取其它学科知识。第页重庆邮电学院自动化学院7第一章自动控制系统概述二、发展历史：古代有很多朴素的应用，如车轮、弓箭飞行的稳定性等，具有利用负反馈的思想来工作，但都未上升到理论、系统的高度。（一）18世纪前，多为简单的装备，对自动控制的要求和研究不多，瓦特发明蒸汽机，有了强大的能源，开始出现复杂的设备，由于机械化代替了人力，人处于操纵地位，出现了自动化装置。但这些装置有时并不总按设计的方式工作，如驾驶汽车。因为：传动，放大，延迟的问题，造成系统指标不满足预期要求甚至出现不稳定现象，如蒸汽机、柴油机的失速，导致调速器的发明。电子的发展对稳定性提出要求，反馈的思想出现、船舶自动驾驶、伺服系统出现。控制理论发展：建立数字模型——微分方程：称为时域模型1877：劳斯-霍尔维茨：代数稳定判据,由于微分方程求解困难,进展缓慢,少量应用,第页重庆邮电学院自动化学院8（二）1932:奈氏判据1934：伺服控制系统、1945：波德图1948：根轨迹法以及维纳滤波理论。此时，利用拉氏变换解微分方程并分析，引入信号里的频域分析思想，称为频率法以上统称：经典控制理论。此阶段，经历了第一，二次工业革命，大工业时代，炼钢，机械，电力等飞速发展，第一，二次大战，雷达，大炮，飞机等发明和广泛应用更加这种飞速发展。（三）60年代以来，以极大值原理，动态规划，卡尔曼滤波和系统辩识，尤其是状态空间法，解决复杂的多输入、输出问题，直到现在的：非线性，最优控制，系统辩识、自适应控制等，该阶段称为现代控制理论；自动控制普遍用于工业，如炼钢，石化，发电，供电，国防，计算机出现为复杂问题的时域解提供可能，自动控制成功应用于航空，航天、核工业、乃至社会、经济等尖端领域，自动化发展高峰。第页重庆邮电学院自动化学院9第一章自动控制系统概述二、发展历史：（四）当前，理论上未出现划时代的进展，如模糊控制，人工智能，神经网络，混沌理论、大系统理论，基本上是理论的，局部的一些解决方案，而在作为技术方法层上借助计算机，通信等实现较多，缺少一个普遍的，实践上有重大意义的思想或理论。特别是目前科技发展快、分工多，难以对现有技术和需求做全局到局部的系统认识和分析。（五）我国历史和现状我国起步晚，在现代科学史上没有占据一席之地。1954年钱学森所著《工程控制论》一书英文版问世﹐第一次用这一名词称呼在工程设计和实验中能够直接应用的关于受控工程系统的理论﹑概念和方法。随着该书的迅速传播(俄文版1956年﹐德文版1957年﹐中文版1958年)﹐该书中给这一学科所赋予的含义和研究的范围很快为世界科学技术界所接受。80年代普遍开展教学和研究，但基础工业落后，以原料到生产，各方面落后，从自动化的材料、元件、系统和技术各方面都与发达国家有较大差距。第页重庆邮电学院自动化学院10三、自动控制系统及分类（一）开环与闭环：（结构）1、开环：不用对输出量测量并与期望值比较如：洗衣机，交通灯等，校时等运行的系统都是开环，一般基于时序或给定逻辑的控制都是开环控制。如例中，输出速度，位置不用比较，其它：帆板控制。特点：简单，稳定，成本低，精度低，元件要求高，抗干扰差，适于输入量已知，扰动小。如：放大器浮移，电机传动间隙负载变化等，就使结果不同，就系统须元件精度高，稳定，凭经验。第一章自动控制系统概述第页重庆邮电学院自动化学院11第页重庆邮电学院自动化学院12（一）开环与闭环：（结构）第一章自动控制系统概述其它如：镭的提炼、学习过程、癌疹、核反应等第页重庆邮电学院自动化学院13第一章自动控制系统概述2．闭环：第页重庆邮电学院自动化学院14第一章自动控制系统概述三、自动控制系统及分类（二）信号特征：1.程序控制：输入量是已知的时间函数是一个状态动作等。顺序控制：如霓虹灯。逻辑控制：连锁，逻辑，如机械、汽车制造中的生产线时间控制：交通灯，洗衣机三者往往结合，采用PLC，继电器，等实现。第页重庆邮电学院自动化学院152.恒值系统：如恒温，速，输入为恒定不变，称为自动调节。3.随动系统（伺服）：如火炮，参考值不断变化。第页重庆邮电学院自动化学院16（三）线性与非线性系统（数学性质）。数学模型是线性还是非线性，线性系统满足叠加原理：本书主要是讲线性，非线性也局部线性化。（四）时间特征：连续，离散，前者用微分方程，传递函数、状态方程，后者采用：差分方程、Z传递函数、离散状态方程等。前者以模拟电子器件，一般为物理系统，为一般情况。后者是数字计算机控制，信号离散化。本书主要讲述前者，后者是采样系统、计算机控制的内容P7例（五）定常系统，时变系统：SISO，MIMO。本书主要以：线性定常连续SISO闭环系统。第页重庆邮电学院自动化学院17第一章自动控制系统概述四、控制系统基本结构输入信号（设定值）、偏差信号、控制量、扰动信号、输出量、反馈量比较器、控制器、控制对象、传感器教材P3页图第页重庆邮电学院自动化学院18第一章自动控制系统概述五、自动控制系统的设计。1最重要、基本的要求：稳定，不能失控，一切其他指标以稳定为前提。即在扰动作用下，系统不能处于一个相对固定的状态，如单摆、倒立摆，对线性系统，稳定与否是内在的、系统内部结构决定的，与输入无关。其它：岛屿的大小与其上物种的关系，草原的生态，核能发电。稳定是系统保持而不至于崩溃或回复到起初始状态的特性。第页重庆邮电学院自动化学院192一般要求：响应快，动态过程平稳，跟踪准确；为了实现自动控制的基本任务，必须对系统在控制过程中表现出来的行为提出要求。对控制系统的基本要求，通常是通过系统对特定输入信号的响应来满足的。例如，用单位阶跃信号的过渡过程及稳态的一些特征值来表示。•快速性：上升时间、峰值时间（动态指标）•、调节时间（稳态指标）•平稳性：超调量、震荡次数；•准确性：即精度要求，动态误差、•稳态误差3设计：a.系统分析，建立模型，分析规律与性能。b.设计。根据分析确定控制方法：数字——物理装置c.仿真：数字，物理仿真，反复进行d.实现：制作，调试、重购。01234500.20.40.60.811.21.4第页重庆邮电学院自动