自动控制课件

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1、第一章第一章 概概论论1.1 控制理论的发展历史1.2 自动控制系统的基本控制方式1.3 控制系统的分类1.4 控制系统的组成与对控制系统的基本要求自动控制 自动控制是指在无人直接参与的情况下，通过控制装置使 被控对象或生产过程自动地按照预定的规律运行。 自动控制理论 自动控制理论是研究自动控制问题共同规律的技术科学 ，主要讲述自动控制技术的基本理论与控制系统分析与设计 的基本方法等内容。 经典控制理论、现代控制理论和智能控制理论1.1 控制理论的发展历史 1945年开始形成的 1765年俄国机械师波尔祖诺夫发明了蒸汽机锅炉水位调节器 1784年英国人瓦特(Watt)发明了蒸汽机离心式调速器

2、1877年劳斯(Routh)和赫尔维茨(Hurwitz)提出判定系统稳定的代数判据 19世纪前半叶，生产中开始使用发电机和电动机 19世纪末到20世纪前半叶，内燃机的使用 二次世界大战中，搭起了经典控制理论的框架，战后这些理 论被公开，并应用于一般的工业生产过程中经典控制理论（20世纪4060年代） 1932年奈奎斯特(Nyquist)的再生理论一文，开辟了频域法的 新途径； 1945年伯德(Bode)的网络分析和反馈放大器设计一文，奠定 了经典控制理论的理论基础，在西方开始形成了自动控制学科； 1947年美国出版了第一本自动控制教材伺服机件原理； 1948年美国麻省理工学院出版了另一本伺服机

3、件原理教材，建 立了现在广泛使用的频域法； 1948年维纳(Wiener)在他的名著 控制论：或关于在动物和机器 中控制和通信的科学中基于信息的观点给控制论(Cybernetics)下 了一个广义的定义。而在控制工程中又称为控制理论(Control Theory)。 20世纪50年代是经典控制理论发展和成熟的时期。现代控制理论（20世纪60年代中期成熟） 20世纪50年代末60年代初，空间技术开始发展，前苏联 和美国都竞相进行了大量研究。 1960年在美国自动控制联合会第一届年会上首次提出“现 代控制理论”这个名词。 在状态空间法发展初期，具有重要意义的是庞特里亚金（ Pontryagin）的

4、极大值原理。贝尔曼（Bellman）的动态 规划理论和卡尔曼（Kalman）的最佳滤波理论，有人把它 们作为现代控制理论的起点，主要研究系统辨识、最优控 制、最佳滤波及自适应控制等内容。 20世纪70年代后期，控制理论向广度和深度发展的结果。大系统理论和智能控制理论 大系统是指规模庞大、结构复杂、变量众多的信息与控制 系统，它涉及生产过程、交通运输、计划管理、环境保护 、空间技术等多方面的控制和信息处理问题。智能控制则研究模糊控制、神经网络、遗传算法等某些具 有仿生智能的工程控制与信息处理系统。 20世纪80年代以后，又相继提出了鲁棒控制系统、容错 控制系统、复杂适应系统等一些概念。1.2 自

5、动控制系统的基本控制方式开环控制 开环控制是指控制装置与被控制对象之间只有正向作 用而没有反向联系的控制过程。 直流电动机调速系统开环控制原理图开环控制系统的方框图 p开环控制系统不具备自动修正的能力。p当系统精度要求不高或干扰对系统的影响不大时，可以采 用开环控制方式，如交通指挥的红绿灯转换，自动控制生产 线等。p开环控制系统的精度主要取决于构成系统元器件的精度以 及调整的精度。闭环控制 闭环控制指控制装置与被控对象之间既有正向的作用，又 有反向联系的控制过程。 若将系统的输出量反馈到其输入端，与参考输入进行比较 ，则构成闭环系统 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

6、过程，称为反馈 通过反馈使偏差增大的正反馈，用“+”表示通过反馈使偏差减小的负反馈，用“-” 表示 直流电动机调速系统闭环控制原理图 p闭环控制就是采用负反馈利用偏差来减小偏差的控制过程。p工程中的自动控制系统多数为闭环控制系统，如舰船操舵系 统、火炮发射系统、雷达跟踪系统等。p闭环控制系统的精度主要取决于测量元件的精度。闭环系统的方框图 开环控制与闭环控制的比较 l 开环控制系统中信号由输入到输出是单方向传递的，不必对输出信号进行测量，因此结构简单，调整方便，成本较低。l 开环控制可分为按给定量进行控制与按扰动量进行控制，按扰动量进行控制又称为前馈控制，适用于扰动可测量的场合。l 由于开环控

7、制只有正向作用，没有反向的联系，因此没有修正偏差的能力，抗扰动性较差。l 在精度要求不高或扰动影响较小的情况下，这种控制方式有一定的实用价值。l 一般来说，当系统的控制规律能预先确知，并对系统可能出现的干扰可以做到有效抑制时，应采用开环控制系统。开 环 控 制l闭环控制系统由于引入了反馈机制，可以抑制内部参数变化和外部扰动对系统输出产生的影响。l采用成本较低、精度不太高的元器件构成高精度的控制系统。l应用比较广泛，但稳定性是设计中要考虑的主要问题。l只有在系统的控制量和扰动量均无法预知的情况下，闭环控制系统才有其明确的优越性。闭 环 控 制如轿车的自动点火装置一般采用复合控制。复合控制将按偏差

8、控制与按前馈控制结合起来，对于主要扰动 采用适当的补偿装置实现按扰动控制，同时，再组成反馈 控制系统以实现按偏差控制，以消除其余扰动产生的偏差 。这种按偏差控制与按扰动控制相结合的控制方式称为复 合控制。1.3 控制系统的分类开环控制系统与闭环控制系统 按控制方式和策略的不同，控制系统可分为开环控制 系统与闭环控制系统。 线性控制系统与非线性控制系统 按组成控制系统各元件的输入/输出关系是否为线性，可 将系统分为线性控制系统与非线性控制系统。 在线性控制系统中，组成控制系统的元件都具有线性特性。系统的输入/输出关系一般可以用线性微分方程描述。线性系统满足叠加原理。 若在组成控制系统的元件中，至

9、少有一个元件具有非线性特性，则称该 系统为非线性控制系统。非线性控制系统不满足叠加原理 。定常系统与时变系统 按控制系统的结构参数在工作过程是否随时间而变化可将 系统分为定常（时不变）系统与时变系统。如果控制系统的结构参数在工作过程中不随时间而变 化，则称这类系统为时不变系统或定常系统。 连续时间系统与离散时间系统 按控制系统中流通的信号是否为时间的连续函数可将系统 分为连续时间系统与离散时间系统。 如果控制系统中传递的信号都是时间的连续函数，则称其为连续时间系统，简 称连续系统。 如果系统中有一处或几处传递的信号是时间上断续的信号，即信号只定义在离 散的时间间隔上，则称其为离散时间系统，简称

10、离散系统或采样系统。 恒值控制系统、伺服系统与程序控制系统按输入信号分类，控制系统可分为恒值控制系统、伺服系 统与程序控制系统。 恒值控制系统的输入信号为恒值，输出量以一定精度跟踪给定值，而给 定值一般不变或变化很缓慢，而控制系统的任务是减小或消除扰动对系 统的影响。一般像温度、压力、流量、湿度、粘度等热工参量的控制多 数为恒值控制系统。 伺服系统的输入信号是变化规律未知的任意时间函数，控制系统的任务 是使输出量能以一定精度跟踪输入信号。导弹发射架控制系统，雷达天 线控制系统都是典型的伺服系统。 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为程 序控制系统。加热炉的温度控制，是在

11、微机中按预定的温度曲线编好程 序而进行的。 1.4 控制系统的组成与对控制系统的基本要求控制系统的组成 闭环系统的一般组成 自动控制系统的基本要求l快速性：快速性是对对系统统响应应速度快慢提 出的要求，为为系统统的动态动态 性能。一般用系 统统响应单应单 位阶跃阶跃 信号的过过渡过过程的一些特 征值值来表示，如上升时间时间 与调调整时间时间 来表 示。l平稳稳性：平稳稳性是对对系统统响应应的振幅和频频率提出的要求，反映系统统的阻尼程度 ，为为系统统的动态动态 性能。用超调调量来表示。l准确性：准确性为为系统统的稳态稳态 性能。当系统统达到稳态稳态 后，其稳态输稳态输 出与参考输输 入所要求的期望输输出之差叫做稳态误稳态误 差。显显然，这这种误误差越小，表示系统统的输输出 跟随参考输输入的精度越高。l稳定性：稳定性是指系统重新恢复平衡状 态的能力。稳定性是对系统的最基本要求， 不稳定的系统不能实现预定任务。稳定性通 常由系统的结构决定，与外界因素无关。