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1、第一章 自动控制的一般概念1.1 自动控制的基本原理与方式1、自动控制、系统、自动控制系统 自动控制：是指在没有人直接参与的情况 下，利用外加的设备或装置（称控制装置或 控制器），使机器、设备或生产过程（统称被 控对象）的某个工作状态或参数（即被控量） 自动地按照预定的规律（给定值）运行。 系统：是指按照某些规律结合在一起的物 体（元部件）的组合，它们相互作用、相互 依存，并能完成一定的任务。自动控制系统 ：能够实现自动控制的系 统就可称为自动控制系统，一般由控制装置 和被控对象组成。 除被控对象外的其余部分统称为控制装置， 它必须具备以下三种职能部件。 测量元件：用以测量被控量或干扰量。 比
2、较元件：将被控量与给定值进行比较。执行元件：根据比较后的偏差，产生执行 作用，去操纵被控对象。参与控制的信号来自三条通道，即给定值、 干扰量、被控量。2、自动控制原理及其要解决的基本问题 自动控制原理：是研究自动控制共同规律 的技术科学。而不是对某一过程或对象的具 体控制实现（正如微积分是一种数学工具一 样）。解决的基本问题：建模：建立系统数学模型（实际问题抽象， 数学描述）分析：分析控制系统的性能（稳定性、动/稳态性能）综合：控制系统的综合与校正控制器 设计（方案选择、设计）3、自动控制原理研究的主要内容经典控制5理论现代控制|理论研究 对象单输入、单输 出 系统（SISO）多输入、多输 出
3、系 统（MIMO ）数学模型传递函数状态方程研究 手段频域法、根轨 迹法状态空间方法研究目的系统综合、校正最优控制、系 统辨识、最优 估计、自适应 控制4、室温控制系统5、控制系统的基本组成 被控对象：在自动化领域，被控制的装置、 物理系统或过程称为被控对象（室内空气）。 控制装置：对控制对象产生控制作用的装 置，也称为控制器、控制元件、调节器等（放 大器）。执行元件：直接改变被控变量的元件称为 执行元件（空调器）。测量元件：能够将一种物理量检测出来并 转化成另一种容易处理和使用的物理量的 装置称为传感器或测量元件（热敏电阻）。 比较元件：将测量元件和给定元件给出的 被控量实际值与参据量进行比
4、较并得到偏 差的元件。放大元件：放大偏差信号的元件。 校正元件（补偿元件）：结构参数便于调 整的元件，用于改善系统性能。给定元件（参考输入元件）：将指令输入 信号变成参考输入信号（参据量）的元件（电 位器）。6、室温控制系统的功能框图7、控制系统中常用的信号和变量 输入信号：由外部加到系统中的变量，它 不受系统中其他变量的影响和控制。 输出信号：由系统或元件产生的变量，其 中最受关注的输出信号又称为被控变量（室 内的实际温度）。控制变量：控制器的输出信号称为控制变 量，它作用在控制对象（执行元件、功率放 大器）上，影响和改变被控变量（放大器（控制 器）的输出信号）。 被控变量：在控制系统中被控
5、制的物理量 是被控变量。（空气温度） 反馈信号：是被控变量经传感器等元件变 换并返回到输入端的信号，一般与被控变量 成正比（热敏电阻即温度传感器的输出信号）。 给定值：又称为指令输入信号，它与被控 变量是同一物理单位，用来表示被控变量的 设定值（室内温度的设定值）。 参考输入信号：代表指令输入信号与反馈 信号进行比较的基准信号称为参考输入信 号（电位器的输出电压）。 偏差信号：参考输入信号与反馈信号之差 称为偏差信号（e= r - y）。 扰动信号：是加于系统上的不希望的外来 信号，它对被控变量产生不利的影响（周围 环境温度的变化及房间散热条件的变化等）。 输入信号的响应：由某一个输入信号产生
6、 的输出信号又称为该输入信号的响应。8. 负反馈原理：将系统的输出信号引回输入 端，与输入信号相比较产生偏差，控制器利 用偏差的大小、正负进行控制，达到减小偏 差、消除偏差的目的。（以偏差纠偏差） 构成反馈控制系统的核心9. 由于有了负反馈，自动控制系统便形成 了一个按偏差进行进行控制的闭环系统（又 称反馈控制系统）1.2 自动控制系统的分类一、开环控制、闭环控制和复合控制 按照控制方式和策略，系统可分为开环控制 系统、闭环控制系统和复合控制系统三大 类。1、开环控制系统 控制器和控制对象间只有正向控制作用， 系统的输出量不会对控制器产生任何影响； 结构简单，成本低，容易控制，但控制精 度低
7、；一般适合于干扰不强或可预测的、控制精 度要求不高的场合；如果系统的给定输入与被控量之间的关 系固定，且其内部参数或外来扰动的变化都 比较小,或这些扰动因素可以事先确定并能给 予补偿，则采用开环控制也能取得较为满意 的控制效果；对扰动没有抑制能力。If2、闭环控制系 统系统输出量对控制作用有直接影响；实现了按偏差控制；也称为反馈控制； 闭环控制系统由前向通道（控制器和控制 对象）和反馈通道（反馈装置）构成；反馈控制：正反馈和负反馈；具有正反馈形式的系统一般不能改进系 统性能，而且容易使系统性能变坏；通常而言，反馈控制就是指负反馈控制。闭环系统必须考虑稳定性问题。特点：输出影响输入，所以能削弱或
8、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3、闭环系统与开环系统的区别与开环控制系统相比，闭环控制系统的最 大特点是检测偏差、纠正偏差 ； 从系统结构上看，闭环系统具有反向通 道；从功能上看，闭环系统具有如下特点：由于增加了反馈通道，系统的控制精度得 到了提高，若采用开环控制，要达到同样的 精度，则需要高精度的控制器，从而大大增 加了成本；由于存在系统的反馈，可以较好地抑制系 统各环节中可能存在的扰动和由于器件的 老化而引起的结构和参数的不确定性； 反馈环节的存在可以较好地改善系统的动 态性能。4、复合控制复合控制就是开环控制和闭环控制相 结合的一种控制
9、，是在闭环控制回路的基础上，附加了一个输入信号或扰动作用的顺馈 通路，来提高系统的控制精度。二、线性控制系统和非线性控制系统 按照系统是否满足叠加原理，系统可分为线 性系统和非线性系统两类 。线性控制系统组成控制系统的元件都具有线性特性；输入输出关系一般可以用微分方程、差分 方程、传递函数以及状态空间表达式来描 述；线性系统的主要特点是具有齐次性和适用叠加原理；如果线性系统中的参数不随时间变化，则 称为线性定常系统；否则称为线性时变系 统。非线性控制系统控制系统中，若至少有一个元件具有非线 性特性；一般不具有齐次性，也不适用叠加原理；输出响应和稳定性与输入信号和初始状 态有很大关系；也有时变和
10、定常系统之分；严格地讲，绝对线性的控制系统（或元件） 是不存在的。三、定值控制系统、伺服系统和程序控制系 统按照输入信号分类，控制系统可分为定 值控制系统、随动系统和程序控制系统。定值（恒值）控制系统（r（t） = const.）输入信号是恒值，要求被控变量保持相对 应的数值不变室温控制系统、直流电机转速控制系统。随动系统（r（t）不可预测）输入信号是变化规律未知的任意时间函数；系统的任务是使被控变量按照同样规律 变化并与输入信号的误差保持在规定的范 围内；导弹发射架控制系统、火炮随动系统、雷 达天线控制系统 ；当被控量为位置、角度或其导数时，这类 系统又称为伺服系统。程序控制系统（r（t）变
11、化事先已知） 输入信号是按已知的规律（事先规定的程 序）变化； 要求被控变量也按相应的规律随输入信 号变化，误差不超过规定值；热处理炉的温控系统、机床的数码加工系 统和仿形控制系统。四、连续控制系统和离散控制系统 连续控制系统：控制系统中各部分的信号 都是时间的连续函数。离散控制系统：在控制系统各部分的信号 中只要有一个是时间的离散信号。离散模型是计算机控制的最主要模型。五、其他分类方法集中参数系统和分布参数系统 单输入输出系统和多输入输出系统 时变和非时变（定常）系统确定性系统和不确定性系统 有静差和无静差系统等等1.3 自动控制理论的发展简史1 经典控制理论 4050 年代形成 SISO
12、系统基于：二战军工技术 目标：反馈控制系统的镇定基本方法：传递函数，频率法，PID调节器 （ 频域 ）2 现代控制理论 6070 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）3 智能控制技术 90 年代开始发展 专家系统姑苏慕容 模糊控制醉拳神经网络预测控制4 正在发展的各个领域 自适应控制独孤九剑大系统理论 鲁棒控制金钟罩铁布衫多率周期控制非线性控制（微分几何，混沌，变结构） 后现代控制理论80 年代以后，控制理论向广度与深度 发展，呈现三个主流方向： 大系统，是指规模大，结构复杂变量众多 的信息与控制系统。在系统理论中，采用状 态方
13、程和代数方程相结合的数学模型，状态空 间，运筹学等相结合的数学方法。 智能控制 是具有某些仿人智能的工程 控制与信息处理系统，其中最典型的是智能 机器人， 智能主体等。21 世纪 网络、通讯、人机交互为代表的 信息自动化集成的理论与技术。1.4 对自动控制系统的基本要求 一、系统的状态、过程及对自动控制系统的 基本要求为实现自动控制，必须对控制系统提出一 定的要求；平衡态或静态、稳态(steady state)：对于 一个闭环控制系统而言，当输入量和扰动量 均不变时，系统输出量也恒定不变，称系统 处于稳态； 平衡态的转移：当输入量或扰动量发生变 化时，反馈量将与输入量产生偏差，通过控 制器的作
14、用，从而使输出量最终稳定，即达到 一个新的平衡状态； 过渡过程：由于系统中各环节总存在惯 性，系统从一个平衡点到另一个平衡点无法 瞬间完成，即存在一个过渡过程，该过程也 称为动态过程、暂态过程和瞬态过程 (transient)。根据系统稳态输出和暂态过程的特性， 对闭环控制系统的基本要求可以归纳为三 个方面：稳、快、准。(1) 稳：控制系统的稳定性与平稳性。 稳定性是指控制系统偏离平衡状态后，自 动恢复到平衡状态的能力。线性系统的稳定性由其结构决定，与外界 因素无关；控制系统必须具有稳定性(系统正常工作 的必要条件)；稳定的控制系统必然存在过渡过程； 稳定与否通常可以用曲线来描述(如下图 所示
15、)。平稳是指动态过程振荡的振幅和频率。即 被控量围绕给定值摆动的幅度和摆动的次 数。好的动态过程摆动的幅度小，摆动的次数 少。(2) 快：系统的快速性，即动态过程进行的时 间长短。稳和快反映了系统在控制过程中的性能。 系统在跟踪过程中，被控量偏离给定值越 小，偏离时间越短，说明系统的动态精度越高。(3) 准：就是要求被控量和设定值之间的误差 达到所要求的精度范围 。 准确性反映了系统的稳态精度 通常控制系统的稳态精度可以用稳态误 差来表示：cr(t)系统希望输出；c(t)实际输出两者误差e(t) = cr(t) - c(t)稳态误差 ess = i e（t）根据输入点的不同，一般可以分为参考输 入稳态误差和扰动输入稳态误差。稳态误差与系统的类
