经典自动控制的发展及简介

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1、第一章 绪论1 自动控制理论的发展40-50年代形成 SISO系统 （1）18世纪，蒸气锅炉水位调节器和蒸气机离心 飞锤式调节器的发明。 （2）1932年，奈奎斯特提出频率判据。 （3）1948年，伊万思提出根轨迹法。基于：二战军工技术目标：反馈控制系统的稳定 基本方法：传递函数，根轨迹法，频率法，PID 调节器 (频域)1.1 经典控制理论1.2 现代控制理论60-70年代形成 MIMO系统 基于: 冷战时期空间技术，计算机技术目标: 最优控制基本方法: 状态方程 （时域）1.3 智能控制技术 90年代开始发展，主要是基于专家系统、模糊 控制和神经网络等智能领域的控制技术1.4 正在发展的各

2、个领域 近年来，现代控制理论的进展主要集中于自 适应控制、大系统理论、H鲁棒控制、非线性控 制(微分几何，混沌，变结构) 及相关课题。储水槽的液位控制要求：静态时， 流出量等于流入 量，储水槽的液 位稳定在一定高 度不变。流入管道的压力会影响流入量，负荷改变将影响流出量。 为克服扰动，维持液位高度不变，需实时调整阀门开度。 调整的方法：液位高于预定高度，增大出口阀门开度。液位低于预定高度，减小出口阀门开度。2 自动控制与自动控制系统液位人工控制的信息转换和传递过程眼流入量流出量脑液位相对高 低变化信号手阀门开闭及 大小信号动作方向及 强度信号液位自动控制系统的组成流出量测量流入量控制器液位高度

3、 信号执行器动作方向及 强度信号阀门开闭及 大小信号高度设定信号偏差什么是自动控制？v自动控制：在无人直接参加的情况下，利用控制装 置使被控对象和过程自动地按预定规律变化的控制 过程。v自动控制系统：是由控制装置和被控对象所组成， 它们以某种相互依赖的的方式组合成为一个有机整 体，并对被控对象进行自动控制。被控对象控制装置被控量（输出量）测量元件（输入量）给定量-偏差2.2 自动控制系统及组成控制系统的任务：c(t) = r(t) 其中 c(t)是被控量， r(t)是给定值。3 自动控制系统的方框图在研究自动控制系统时，为了便于分析并直观 的表示系统各个组成部分（环节）间的相互影响和 信号传递

4、关系，一般采用方框图表示。液位自动控制系统的方框图方块称为环节，系统最基本的环节是控制器、执行器、传 感器和被控对象。它是信号的转换单元（功能单元）。 带箭头的有向线条代表环节间信息传递的方向，流入环节 为输入信号，流出环节为输出信号。 图中带箭头的作用线表示信号的传递方向，不代表实际物 料的流动方向。扰动4 自动控制系统的分类按系统的结构形式分类按给定值的变化形式分类按系统的特性（数学模型）分类按系统信号流的形式分类按系统变量的多少分类4.1 按系统的结构形式分类 （1）开环控制系统输出不影响输入，对输出不需要测量，通常容易实现； 组成系统的元部件精度高，系统的精度才能高；系统的稳定性不是主

5、要问题；主要特点：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。开环控制系统：就是控制量与输出量之间仅有前向通路而无 反馈通路（即输出量不能对控制量产生影响）。直流电动机转速系统开环控制系统的优点：对元器件要求较高、抗干扰能力差，无法自动 补偿系统干扰对被控量带来的影响。系统信息传递没有形成闭合回路，被控量不对 控制作用产生影响所以，结构相对较简单、维护容 易、成本低、不存在稳定性问题。原则上，被控量 的控制精度取决于系统各环节的精度，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 ，自动报警器，自动

6、流水线等。 开环控制系统的缺点：v按扰动补偿这种控制方式的原理是：利用对扰动信号的测量产生控制 作用，以补偿扰动对输出量的影响。由于扰动信号经测量装 置，控制器至被控对象的输出量是单向传递的，故属于开环 控制方式。对于不可测扰动以及被控对象及各功能部件内部 参数变化给输出量造成的影响，系统自身无法控制。因此， 控制精度有限，常用于工作机械的恒速控制（如稳定刀具转 速）以及电源系统的稳压，稳频控制。控制器被控制 对象测量装置补偿调节器干扰被控量(2) 闭环控制系统输出影响输入，所以能削弱或抑制干扰； 低精度元件可组成高精度系统； 因为可能发生超调，振荡，所以稳定性很重要。闭环控制：是指系统的信息

7、传递形成闭合回路。也称反馈控制 系统。主要特点：反馈控制，反馈按反馈极性的不同分成两种形式：正反馈 ，负反馈。我们所讲述的反馈系统如果无特殊说明，一般 都指负反馈。 控制方式：带速度反馈的直流电动机转速系统闭环控制系统的优点：系统的输出（被控量）经反馈通道形成反馈信号，回 送到输入端和给定信号生成偏差信号，影响控制作用。 因此控制精度受环节的转换精度较小。由于存在反馈通 道，系统总是力图维持系统输出（被控量）等于给定值 ，因此对干扰具有极强的补偿和修正作用。由于干扰对系统输出的影响需经一定时间才能逐渐 反应出来，控制作用对干扰作用有时间滞后。控制过程 可能产生振荡。结构复杂、维护不易、可能存在

8、稳定性 问题。闭环控制系统的缺点：温控系统人工控制v控制目标：要求炉子的 温度恒定在期望的数值 上。v控制过程：温控系统自动控制v 控制目标：要求炉子的温度恒定在期望的数值 上。v 控制过程：(3) 复合控制系统复合控制：是指把按偏差控制和按扰动控制相结合的控制系 统。能够抑止强干扰； 结构复杂主要特点：同时采用反馈控制(按偏差控制)和开环控制(按扰动控制) 两种控制形式。控制方式：控制器被控对象补偿器检测装置干扰被控量给定值受控对象：加热炉控制任务：保持炉温T恒定。被控量：炉温T干 扰：燃油压力波动，控制部件：燃油管阀门测量元件：温度检测计，流量检测器环境温度变化， 物流量改变FTFY+物料

9、流量扰动物料加 热对象温度检测燃油 阀门TC -+物料加热 设定温度物料 温度 反馈控制的作用可补偿环节的转换误差及非主要扰动 的影响。 前馈控制是一种开环控制，它能在主要扰动发生的同 时立即产生相应的控制作用。对改善控制品质有明显 效果。前馈控制的效果与前馈补偿装置的精度有关， 前馈补偿装置的精度取决于通道数学模型的精确性。（1）定值控制系统Timer（t）其中 r（t）给定值，c（t）被控量。定值控制系统：也称恒值控制系统。输出量以一定 的精度等于给定值，而给定值一般不变化或变化很 缓慢，扰动可随时变化的系统称为恒值系统，在生 产过程中，这类系统非常多。例如，冶金部门的恒 温系统，石油部门

10、的恒压系统等。c（t） r（t） const4.2 按给定值的变化形式分类（2）随动控制系统Timer（t）r（t）为未知时间函数。随动系统：输出量能以一定精度跟随给定值变化的系 统称随动系统，又称为跟踪系统。这类系统的特点是 系统的给定值变化规律完全取决于事先不能确定的时 间函数。例如，火炮系统，卫星控制系统等。c（t） r（t）（3）程序控制系统Timer（t）t1t2r（t）为已知时间函数。程序控制系统：自动控制系统的被控制量如果是根 据预先编好的程序进行控制的系统称程序控制系。 例如，炼钢炉中的微机控制系统，洲际弹道导弹的 程序控制系统、电梯升降控制、退火炉的炉温控制 等。c（t） r

11、（t）（1）线性控制系统如果系统的特性可用线性微分 (或差分 ）方程描述，即系统中各环节的特性都呈线性关系 ，则称此系统为线性控制系统。4.3 按系统的特性（数学模型）分类TfcdtdcJ=+线性系统的主要特征是满足叠加原理，即：当系统 在输入信号r1(t)的作用下产生系统的输出c1(t)，当系 统在输入信号r2(t)的作用下产生系统的输出c2(t)。如 果系统的输入信号为ar1(t)+br2(t) 则系统的输出满足ac1(t)+bc2(t) 系数a、b可以是常数，也可以是时变参数。这样的系统 称为线性系统。r1(t)r2(t)系统1c1(t)系统2c2(t)系统ar1(t)+br2(t)ac

12、1(t)+bc2(t)如果描述线性系统运动状态的微分方程（或差 分）方程的系数是常数且不随时间变化，则这种线 性系统称为线性定常（或时不变）系统。如果描述线性系统运动状态的微分方程（或差 分）方程的系数是时间的函数，则这种线性系统称 为线性时变系统。tcdtdxb(=+dt2d2xa+)20xdtdx=+dt2d2xa+ (x2-1)0x3dtdx=+dt2d2xa+x+txdtdxb=+dt2d2xa+txdtdxb=+dt2d2xa(t)+(2) 非线性控制系统当系统中存在非线性特性的组成环节或元件， 系统的特性就由非线性方程描述，这种系统即为 非线性系统。非线性系统不具备叠加性。（1）

13、连续控制系统系统中个部分的信号都是时间变量的连续函 数。连续系统的运动状态或特性用微分方程描述 。用模拟式仪表实现自动化的过程控制系统均属 此类系统。4.4 按系统信号流的形式分类（2）离散控制系统受控对象保持器D/A计算机A/D测量系统某处或多处的信号为时间上离散的脉冲序列或数码 形式时，该系统为离散控制系统。离散控制系统用差分方程描述。（1） 单变量系统单变量系统也称作单输入单输出系统，其输 入量和输出量都为1个，系统结构较为简单。4.5 按系统变量的多少分类（2） 多变量系统单变量系统也称作多输入多输出系统，其输 入量和输出量多于1个，系统结构较为复杂。v分类小结闭环系统开环系统按结构形

14、式. 1随动系统程序控制系统恒值控制系统按给定值的变化形式. 2非线性系统线性系统按数学模型. 3离散系统连续系统按信号流的形式. 4多变量系统单变量系统按系统变量 的多少. 55 自动控制系统性能指标 5.1 基本性能要求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。在确保稳定性的前提下，要求系 统的动态性能和稳态性能好，即：v动态过程平稳（稳定性）；v响应动作要快（快速性）；v跟踪值要准确（准确性）；（1）控制系统的“稳态”和“动态”

15、 稳态：被控量不随时间变化的平衡状态动态：被控量随时间变化的不平衡状态由于存在干扰，控制系统的正常运行状态总是“稳 态”和“动态”间交叉运行。vv稳定性稳定性( (稳稳) )、快速性、快速性( (快快) )、准确性、准确性( (准准) ) (1)“稳”与“快”是说明系统动态（过渡过 程）品质。系统的过渡过程产生的原因 ： 系统中储 能元件的能量不可能突变。 (2)“准”是说明系统的稳态（静态）品质。 (3)稳定性 是保证控制系统正常工作的先决条 件。线性控制系统的稳定性由系统本身的结 构与参数所决定的，与外部条件和初始状态 无关。（2）自动控制系统性能指标延迟时间 响应曲线第一次达到稳态值的一

16、半所需时间。上升时间从稳态值的10%上升到90%所需时间。 （对欠阻尼系统常采用0-100%）峰值时间响应曲线达到过调量的第一个蜂值所需的时间。dtrtpt评价系统的响应速度超调量(最大偏差)%100)()()(%-=ccpc ps输出最大值与输出稳态值的相对误差。 反映了系统的平稳性。超调量越小，则说明系 统过渡过程越平稳。调节时间 (过渡过程时间)st系统的输出量进入并一直保持在稳态输出值附近 的允许误差带内所需的时间。允许误差带宽度一 般取稳态输出值的2%或5%。 调节时间的长短反映了系统的快速性。调节时间 越小，系统的快速性越好。 评价系统的阻尼程度同时反应响应速度和阻尼程度的综合指标衰减率%100-=B1B3 B1系统输出的第一个波动峰值B1到第三个波动峰值 B3的衰减百分数