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1、自动控制原理目录目录1第一章 自动控制的一般概念11-1 自动控制的基本原理与方式11-2 自动控制系统示例51-3 自动控制系统的分类71-4 对自动化控制系统的基本要求91-5 自动控制系统的分析与设计工具11第三章 线性系统的时域分析方法143-1 系统时间相应的性能指标143-2 一阶系统的时域分析16第四章 线性系统的根轨迹法214-1 根轨迹法的基本概念214-2 开环零极点与闭环零极点之间的关系22第七章 线性离散系统的基本概念237-1 离散系统的基本概念247-2 数字控制系统25附表27方块图27表格28第 8 页 共 29 页第一章 自动控制的一般概念1-1 自动控制的基
2、本原理与方式1.自动控制技术与其应用在现代科学技术的众多领域中，自动控制技术起着越来越重要的作用。所谓自动控制，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运行。例如，数控车床按照预定的程序自动地切削工件；化学反应炉的温度或压力自动地维持恒定；雷达和计算机组成的导弹发射和控制系统，自动的将导弹引导到敌方目标；无人驾驶飞机按照预定的轨道自动升降和飞行；人造卫星准确的进入预定轨道运行并回收等，这一切都是以应用高水平的自动控制技术为前提的。近几十年来，随着电子计算机技术的发展和应用
3、，在宇宙航行、机器人控制、导弹制导以及核动力等高新技术领域中，自动控制技术更具有特别重要的作用。不仅如此，自动控制技术的应用范围现已扩展到生物、医学、环境、经济管理和其他特别重要社会生活领域中，自动控制已经成为现代社会生活中不可缺少的重要组成部分。2.自动控制科学自动控制科学是研究自动控制共同规律的技术科学。它的诞生与发展源与自动控制技术的应用。最早的自动控制技术的应用，可以追溯到公元前我国古代的自动计时器和漏斗指南车，而自动控制技术的广泛应用则开始于欧洲的工业革命时期。英国人瓦特在发明蒸汽机的同时，应用反馈原理，于1788年发明了离心式调速器。当负载或蒸汽供给量发生变化时，离心式调速器能够自
4、动地调节进汽阀门的开度，从而控制蒸汽机的转速。1868年，以离心式调速器为背景的，物理学家麦可斯韦尔研究了进汽阀门反馈系统的稳定性问题，发表了“论调速器”论文。随后，源于物理学和数学的自动控制原理开始逐步形成。1892年，俄国学者李雅谱诺夫发表了“论运动稳定性的一般问题”的博士论文，提出了李雅谱诺夫稳定性理论。20世纪10年代。PID控制器出现，并获得广泛的应用。1927年，为了使广泛应用的电子管在其性能发生较大变化的情况下仍能正常工作，反馈放大器正式诞生。从而，确立了“反馈”在自动控制技术中的核心地位，并且有关系统稳定性和性能品质分析的大量研究成果也应运诞生。20世纪40年代，是系统和控制思
5、想空前活跃的年代，1945年贝塔郎菲提出了系统论，1948年维纳提出了著名的控制论，至此形成了完整的开展理论体系以传递函数为基础的经典控制理论，主要研究单输入单输出、线性定常理论体系的分析和设计问题。20世纪5060年代，人类开始征服太空，1957年苏联成功发射了第一颗人造地球卫星，1968年美国阿波罗飞船成功等上月球。在这些举世瞩目的成功中，自动控制技术起着不可磨灭的作用，也因此催生了25世纪60年代的第二代控制理论现代现代控制理论的问世，包括以状态为基础的状态空间法，贝尔曼的动态规划法和庞特里亚金的极小值原理，分析卡尔曼滤波器。现代控制理论主要研究具有高性能、高精度和多耦合回路的多变量系统
6、的分析和应用设计问题。从20世纪70年代开始，随着计算机技术的不断发展，自动化技术发生了根本性的变化，其相应的自动控制论概念、原理和方法还出现了许多分支,如自适应控制，混杂控制，模糊控制，以及神经网络控制等。此外，控制论的概念、原理和方法还被用来处理社会、经济、人口和坏竟等复杂的系统的分析与控制，形成了经济控制论和人口控制论等学科分科。目前，控制理论还在发展，正朝向以控制论、信息论和仿生学为基础的智能控制理论深入。然而，纵观百余年自动控制科学与技术的发展，反馈控制理论与技术占据了极其重要的地位。3.反馈控制原理为了实现各种复杂的控制任务，首先要将被控制对象和控制装置按照一定的方式连接起来，组成
7、一个有机总体，这就是自动控制系统。在自动控制系统中，被制对象的输出量即被制量是要求严格加以控制的物理量，它可以要求保持为某一恒定值，如温度、压力、液位等，也可以要求按照某个给定的规律运行，如飞行航迹、记录曲线等；而控制装置则是对被控对象施加控制作用的机构的总体，它可以采用不同的原理对被控制对象景象控制，但最基本的一种是基于反馈控制原理组成的反馈控制系统。在反馈控制系统中，控制装置对被控制对象被控制对象施加的控制作用，是取自被控量的反馈信息，用来不断地修正被控量与输入量之间的误差，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。其实，人的一切活动都是体现出反馈控制的原理，人本身就是一个具
8、有高度复杂控制能力的反馈控制系统。例如，人用手拿取桌上的书，汽车司机操纵方向盘驾驶汽车沿着公路平稳的行驶等，这些日常生活中习以为常的平凡劳动都渗透着反馈控制的深刻原理。下面，通过解剖手从桌上取书的动作过程，透视一下它所包含的反馈控制的深奥原理。在这里，书位置是手运动的指令信息，一般称为输入信号。取书时，首先人要利用眼睛连续目测手相对与书的位置，并将这个信息送入大脑（称为位置反馈信息）；然后由大脑判断手与书的距离，产生偏差信号，并根据其大小控制手臂移动的命令（称为控制作用或者操纵量），逐渐使手与书的距离减小为零，手便可取书。可以看出，大脑控制手取书的过程，是一个利用偏差（手与书之间距离）产生控制
9、作用，并不断使偏差减小直到零消除的运动过程；同时，为了取得偏差信号，必须要有手位置的反馈信息，两者结合起来，就构成了反馈控制。显然，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。人取物视为一个反馈控制系统时，手是被控制对象，手位置是被控制量（即系统的输出量），产生控制作用的机构是眼睛大脑和手臂，统称为控制装置。我们可以用图中的系统方块图来展示这个反馈控制系统的基本组成及工作原理。通常，我们把取出输出量送回到输入端，并与输入信号相比较产生偏差信号的过程，称为反馈。若反馈的信号是与输入信号相减，使产生的偏差越来越小，则称 为负反馈；反之，则
10、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，由于引入了被控制量的反馈信息，整个控制过程成为闭合过程，因此反馈控制也称为闭合控制。在工程实践中，为了实现对被控制对象的反馈控制，系统中必须配置具有人的眼睛、大脑和手臂功能的设备，以便用来对控制量进行连续的测量、反馈和比较，并按照偏差进行控制。这些设备以其功能分别称为测量元件、比较元件和执行元件，并统称为控制装置。在工业控制中，龙门刨床速度控制系统就是按照反馈控制原理进行工作的。通常，当龙门刨床加工表面不平整的毛坯是负载会有很大的波动，但是为了保证加工精度和表面光洁度，一般不允许刨床速度变化过大，因此必须对速度进行控制。图2利用
11、速度反馈对刨床速度进行自动控制原理示意图。图中，刨床主电机SM是电区电压由晶匝管整流装置KZ提供，并通过调节出发器CF的控制电压uk，来改变电动机的电扭电压，从而改变电压ut。然后，将ut反馈到输入端并给定电压U。反向串联便得到偏差电压u=uo-ut在这里，U0是根据刨床工作情况预先设置的速度给定电压，它与反馈电压ut相减便可以形成偏差电压，因此ut称为负反馈电压。一般，偏差电压比较微弱，需要经过放大器FD放大后才能作为触发趋的控制电压。在这个系统中，被控制对象是电动机，触发器和整流装置起到了执行控制动作，故称为执行元件。现在具体分析一下刨床速度自动控制过程。当刨床正常工作时，对于某个给定的电
12、压uo，电动机必然有确定的速度给定值n相对应，同时亦有相应的测速发电机电压ut，以及相应的偏差电压u2和触发器控制电压uk。如果刨床负载变化，如增加啊负载将使负载降低而偏离给定值，同时，测速发电机ut将相应的减少，偏差电压将因此增大，触发器控制电压也因此增大，从而使得晶闸管整流电压升高，逐步使速度回升到给定值附近。这个过程可以用途中曲线来表示。由图可见，负载在t1使突变成m2，致使电动机速度由给定值n急剧下降。但随着uo和ut的增大，速度很快回升，t1时刻速度便会回升到n，它与给定值N1已经相差无几了。反之，如果刨床速度因减小负载速度致使速度上升，则各个电压量反向变化，速度回落过程完全一样。另
13、外，如果调整给定电压uo，便以改变刨床工作速度。因此，采用图中的自动控制系统，既可以在不同负载下自动维持刨床的速度不变，也可以根据需要的自动改变刨床速度，其工作原理都是相同的。他们都是测量元件（测速发电机）对被控制（速度）进行检查，并将它反馈至比较电路与给点值的相减而得到偏差电压（速度负反馈），经过放大器放大、变换后，执行偏差消失或者减少到允许的范围。可见，这是一个有负反馈产生偏差，并利用偏差进行控制知道最后消除偏差的过程，这就是负反馈控制原理，简称反馈控制原理。应当指出的是，图1-2中刨床速度控制系统是一个有静差的系统。由图1-3的速度控制过程曲线可以看出，速度最终达到未定值n2与原始给定速
14、度n1之间始终有一个差值存在，这个差值是保证系统正常工作所必须的，一般称稳态误差。如果从结构上加以改进，这个稳态误差是可以消除的。图1-4是与图1-2对应的刨床速度控制系统方块图。在方块图中，对制对象和控制装置的各个元部件（硬件）分别用一些方块表示。系统中感兴趣的物理量（信号），如电流、电压、温度、位置、速度、压力等，标志在信号线上，其流向用箭头表示。用进入方块的箭头表示各个元部件的输入量，用离开方块的箭头表示各个输出量，别控制对象的输出量便是系统的输出量，即被控制量，一般至于方块图的最右端；的输入量，一般至于系统方块图的最左端。4、反馈控制系统的基本组成反馈控制系统是由各种结构不同的元部件组
15、成的。从完成“自动控制”这个职能来看，一个系统必然包括被控制对象和控制装置两大部分，而控制装置是由一定职能的各种基本元件组成的。在不同的系统中，结构完全不同的元件却可以执行相同的职能，因此，将组成的系统的元部件按照职能分类主要有以下几种：测量元件 其职能是检测被控制的物理量，如果这个物理量是非电量的，一般要再转换为点量的。例如，测速发电机关于检测电动机轴的速度并转换为电压；电位器、旋转变压器或者自整角机用于检测角度并转换为电压；热电耦用于检测温度并转换为电压等。给定元件 其职能是给出与期望的被空置量相对应的系统输入量。例如图1-2中给出电压U的电位器。比较元件 其职能是把测量元件检测的被控制量
16、实际值于给定与那件给出的输入量进行比较，求出他们之间的偏差。通常用的比较元件有差动放大器、机械差动装置、电桥电路等。图1-2中由于给定电压U0和反馈电压U1都是直流电压，故只需要将他们反向串联便可以得到偏差电压。放大元件 其职能是将比较元件给出的偏差信号进行放大，用来推动执行元件去控制被控制对象。电压偏差信号可以用集成电路、晶闸管等组成的电压放大机和功率放大机加以放大。执行元件 其职能是直接推动别控制对象，使其被控制量发生变化。用来作为执行元件的有阀、电动机、液压马达等。校正元件 也叫补偿元件，它是结构或者参数便于调整的元部件，用串联或者反馈的方式连接在系统中，以改善系统的性能。最简单的校正元件是由电阻、电容组成的无源或者有源网络，复杂的则是电子计算机。一个典型的反馈控制系统基本组
