自动控制原理（北）电子教案 第一章自动控制的一般概念

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1、第一讲第一章 自动控制的一般概念1.1 引言1.2自动控制系统示例1.3 闭环控制和开环控制1.4 自动控制系统的分类1.5对自动控制系统的基本要求 对本课程的基本要求1.1 引言自动控制是一个非常有吸引力的研究领域，在过去的几十年中发展起来的理论和实践解决了大量的自动化问题，使这个领域具有了通用的特点。正因如此，各工程专业都对大学生和研究生开设了相关的课程。 在我们周围，确实存在着能实现自动控制的自然和人造系统：人体的许多功能可以在不需要我们有意识地干涉的情况下完成，从而维持我们的生命；在日常生活中，我们每天都可以碰到自动运行的人造系统，如电子的、机械的、化学的、水力的、金融的和经济的。但大

2、多数情况下，只有发生了故障，我们才意识到它们是自动运行的。 尽管大多数人并不理解自动控制复杂的细节，但自动控制的成就令我们所有人着迷和兴奋。一些系统在不需要人们干预的情况下，自动执行某些功能的能力对我们的生活产生了戏剧性的影响，吸引了我们所有人的想象力。自动控制在人类的登月计划中起到了关键的作用，而且在多少年里它都是科幻小说的中心话题。事实是，在过去的100年里，科学技术的进步使大量系统的自动控制成为可能，从而提高了生产率，促进了经济增长和改善了人们的生活质量。另外，对我们来说，高度复杂的科技社会对自动控制的需求在21世纪将持续增长，我们必须准备应对这一挑战。 在这个星球上，我们的生活在很大程

3、度上都依赖于自动运行的系统。当我们说一个自动运行的系统时，就是指它的运行不需要人为的干预。自然界有很多这样的例子。将人体作为一个例子来考虑，这个系统持续的自动控制是我们生存的基本要求。考虑我们的体温保持在37的自动温控系统、心跳控制系统、眼球聚焦系统。从肾脏、肺和肝脏的功能来看，它们也可以称为自动系统。这些系统和其他许多人体内的系统一样都是在我们没有任何有意识干预的情况下自动运行的。实际上，在我们周围还有许多自动运行的人造系统，日常生活我们要接触到或使用其中的许多系统。在一个现代化的居室内，温度由温度调节装置自动控制，类似的还有水箱中热水的温度。导航控制系统使汽车自动保持在设定车速，刹车防抱死

4、系统自动防止汽车在湿滑的路面上打滑，在大型办公楼或旅馆，电梯调度系统自动发送车辆搭载乘客。以上只是众多的自动运行系统的几个例子，除此之外，每个人都可以举出类似的例子。1.1.1历史回顾 18世纪，James Watt 为控制蒸汽机速度设计的离心调节器。是自动控制领域的第一项重大成果。在控制理论发展初期，做出过重大贡献的众多学者中有迈纳斯基、黑曾和奈魁斯特。 1922年，Minorsky研制船舶操纵自动控制器，并证明了从系统的微分方程确定系统的稳定性。 1932年，Nyquist提出了一种相当简便的方法，根据对稳态正弦输入的开环响应，确定闭环的稳定性。 1934年，Hezen提出了用于位置控制系

5、统的伺服机构的概念。讨论了可以精确跟踪变化的输入信号的继电式伺服机构。 19世纪40年代，频率响应法为闭环控制系统提供了一种可行方法，从20世纪40年代末到50年代初，伊凡思Evans提出并完善了根轨迹法。频率响应法和根轨迹法是古典控制理论的核心。由这两种方法设计出来的系统是稳定的，并且或多或少地满足一组适当的性能要求。一般来说，这些系统是令人满意的，但它不是某种意义上的最佳系统。由于具有多输入和多输出的现代设备变得愈来愈复杂，所以需要大量方程来描述现代控制系统。古典控制理论只涉及单输入、单输出系统，对于多输入、多输出系统就无能为力了。 19世纪60年代，数字计算机的出现为复杂系统的时域分析提

6、供了可能。因此，利用状态变量、基于时域分析的现代控制理论应运而生，从而适应了现代设备日益增加的复杂性，同时也满足了军事、空间技术和工程应用领域对精确度、重量和成本方面的严格要求。 从1960年到1980，不论是确定性系统的最佳控制、还是随机系统的最佳控制，及复杂系统的自适应和学习控制，都得到充分的研究。 从1980年到现在，现代控制理论进展集中于鲁棒控制、H控制及其相关课题。如今，数字计算机的价格比较便宜，而且体积也变得更为紧凑，它们已成为控制系统中不可缺少得组成部分。现代控制理论的近期应用已经扩充到非工程系统，诸如生物系统、生物医学系统、经济系统和社会经济系统。1.1.2术语 对象 过程 系

7、统 扰动 反馈控制 反馈控制系统 随动系统 自动调整系统 过程控制系统 对象 是一个设备，它是由一些机器零件有机地组合在一起的，其作用是完成一个特定的动作。在下面的讨论中，称任何被控物体（如加热炉、化学反应器或宇宙飞船）为对象。 过程 称任何被控制的运行状态为过程，其具体例子如化学过程、经济学过程、生物学过程。 系统 完成一定任务的一些元、部件的组合。 系统是一个广义的概念。系统不限于物理系统，系统的概念可以应用于抽象的动态现象，如在经济学中遇到的一些现象。因此，“系统”这个词，应当理解为包含了物理学，生物学和经济学等现象的系统。 扰动 扰动是一种对系统的输出产生不利影响的信号。如果扰动产生在

8、系统内部称为内扰；扰动产生在系统外部，则称为外扰。外扰是系统的输入量。 反馈控制 反馈控制是这样一种控制过程，它能够在存在扰动的情况下，力图减小系统的输出量与参考输入量（也称参据量）（或者任意变化的希望的状态）之间的偏差，而且其工作正是基于这一偏差基础之上的。在这里，反馈控制仅仅是对无法预计的扰动（既那些预先无法知道的扰动）而设计的，因为对于可以预计的或是已知的扰动来说，总是可以在系统加以校正的，因而对于他们的测量是完全不必要的。 反馈控制系统 反馈控制系统是一种能对输出量与参考输入量进行比较，并力图保持两者之间的既定关系的系统，它利用输出量与输入量的偏差来进行控制。 应当指出，反馈控制系统不

9、限于工程范畴，在各种非工程范畴内，诸如经济学和生物学中，也存在者反馈控制系统。例如，人的机体在某种意义上说，就类似于一个具有许多控制变量的化工设备。在这种运输和化学反应网络的过程控制中，包含者许多控制回路，事实上，人的机体是一个极其复杂的反馈控制系统。 随动系统 随动系统是一种反馈控制系统，在这种系统中，输出量是机械位移、速度或者加速度。因此，随动系统这个术语，与位置（或速度或加速度）控制系统是同义语。在现代工业中，广泛采用者随动系统。例如，采用程序指令的机床的全自动化操作，就可以应用随动系统来完成。 自动调整系统 自动调整系统是一种反馈控制系统，在这种系统中，参考输入量或希望的输出量，或者保

10、持常值，或者随时间而缓慢变化，而这种系统的基本任务，正是要在存在扰动的情况下，将实际的输出量保持在希望的数值上。用恒温器作为控制器的室内加温系统，就是一种自动调整系统，系统中恒温器的温度给定值（即希望的温度值），用来与室内的实际温度进行比较。室外温度变化是该系统的扰动。调整系统的任务，是保持所要求的室内温度不受室外温度变化的影响。自动调整系统的例子很多，例如，压力的自动控制以及电压、电流、流量和频率等电学量的自动控制。 过程控制系统 当自动调整系统的输出量是温度、压力、流量、液面或PH值（氢离子浓度）等这样一些变量时，就叫过程控制系统。过程控制在工业中获得广泛应用。像在加热炉的温度控制中，炉温

11、是根据预先制定的程序进行控制的，叫做程序控制。程序控制是经常采用的一种过程控制系统。例如，预先制定的程序可以是：炉温在一定的时间间隔内，先上生到某一给定温度，然后在另一段时间间隔内再下降到另一给定温度。在这类程序控制中，给定量是按照预先制定的规律变化的。而控制器则保持炉温紧紧地跟随给定量的变化。应当指出，大多数程序控制系统都包含随动系统，作为系统的整体部件。 1.2自动控制系统示例热力系统的例子热力系统的人工反馈控制在这里人起了控制器的作用，他希望使热水温度保持在给定温度上，为了测量热水的实际温度，在热水的输出管道内安装了一支温度计，温度计测得的温度就是系统的输出量。操纵者始终监视着温度计，当

12、发现温度高于希望值时，就减少输送到系统中的蒸汽量，以降低其温度；当发现温度低于希望的温度时，操纵者就反向操纵蒸汽阀门，使进入系统的蒸汽量增大，以提高这一温度。这种控制作用，是基于闭环控制原理的。在这个例子中，输出量的反馈（水温）与参考输入量的比较，以及控制作用，都是通过人来实现的。这就是一种闭环控制系统，这类系统，可以叫做人工反馈系统，或叫人工闭环控制系统。热力系统的自动反馈控制如果用自动控制器来取代人工操作，如图1-2所示，就变成自动控制系统，或叫自动反馈控制系统，自动闭环控制系统。将自动控制器刻度盘上指针的位置，标定在（转到）希望的温度，例如80。系统的输出量，即热水的实际温度，由温度测量

13、装置予以测定后，与希望的温度值进行比较，以产生误差信号。为此，在进行比较之前，需通过变送器将输出温度变成与输入量（即给定植，参据量）相同的物理量。（变送器是将信号从一种物理量变换成另一种物理量的装置。）在自动控制器中，产生的误差信号经过放大后，作为控制器的输出量加到控制阀上，从而改变控制阀的开度，使进入系统的蒸汽量发生相应的变化，最后使实际的水温得到校正。如果没有误差信号，当然也就不必改变阀的开度了。 在上述系统中，环境温度的变化，以及输入冷水温度的变化等，都可看作是系统的外扰。 人工反馈和自动反馈控制系统的工作原理是相似的。操纵者的眼睛类似于误差测量装置；操作者的头脑类似于自动控制器；而操纵

14、者的肌体则类似于执行机构。 在复杂的控制系统中，由于系统中各变量之间存在者错综复杂的关系，所以就很难进行人工操纵了。应当指出，即使在简单的系统中，采用自动控制器也有利于消除人工操纵造成的误差。所以，如果要求精确控制，就必须采用自动控制系统。1.3闭环控制和开环控制1.3.1反馈的概念首先介绍反馈的概念。大家在模拟电子电路中曾经涉及到反馈的概念。反馈有正反馈和负反馈之分。反馈 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过程，称为反馈。若反馈的信号与输入信号相减，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

15、被反馈量的反馈信息，整个控制过程成为闭合的，因此反馈控制也称为闭环控制。凡是系统输出信号对控制作用有直接影响的系统，都称为闭环系统。输入信号和反馈信号（反馈信号可以是输出信号本身，也可以是输出信号的函数或导数）之差，称为误差信号，误差信号加到控制器上，以减小系统的误差，并使系统的输出量趋于所希望的值。换句话说，“闭环”这个术语的涵义，就是应用反馈作用来减小系统的误差。1.3.2 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系统部件组成的。从完成“自动控制”这一职能看，一个控制系统必然包含被控对象和控制装置两个部分。控制装置由具有一定职能的各种基本元件组成的。在不同系统中，结构完全不同的

16、元部件都可以具有相同的职能。组成系统的元部件按职能分类主要有以下几种。测量元件：其职能是测量被控制的物理量，如果这个物理量是非电量，一般再转换为电量。例如：测速发电机是用于检测电动机轴的速度并转换为电压；湿敏传感器是利用“湿-电”效应来检测湿度，并将其转换成电信号；电位器、旋转变压器、自整角机等是用于检测角度并转换为电压；热电偶是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控量相对应的系统输入量（即参据量）。比较元件：把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的参据量进行比较，求出它们之间的偏差。常用的比较元件有差动放大器、机械差动装置和电桥等。放大元件：将比较元件给出的偏差进

17、行放大，用来推动执行元件去控制被控对象。如电压偏差信号，可用电子管、晶体管、集成电路、晶闸管等组成的电压放大器和功率放大级加以放大。执行元件：直接推动被控对象，使其被控量发生变化。用来作为执行元件的有阀、电动机、液压马达等。校正元件：亦称补偿元件，它是结构或参数便于调整的元件，用串联或反馈的方式连接在系统中，以改善系统性能。最简单的校正元件是由电阻、电容组成的无源或有源网络，复杂的则用电子计算机。这是一个典型的反馈控制系统基本组成，图中用“”号代表比较元件，它将测量元件检测到的被控量与参据量进行比较，“”号代表两者符号相反，即负反馈；“+”号代表两者符号相同，即正反馈。信号沿箭头方向从输入端到

18、达输出端的传输通路称前向通路；系统输出量经测量元件反馈到输入端的传输通路称主反馈通路。前向通路与主反馈通路共同构成主回路。此外，还有局部反馈通路以及由它构成的内回路。包含一个主反馈通路的系统称单回路系统；有两个或两个以上反馈通路的系统称多回路系统。（扰动）：一般，加到反馈控制系统上的外作用有两种类型，一种是有用输入，一种是扰动。有用输入决定系统被控量的变化规律，例如，参据量；而扰动是系统不希望有的外作用，它破坏有用输入对系统的控制。在实际系统中，扰动总是不可避免的，它可能作用于系统中的任何元部件上，可能同时受到几种扰动作用。电源电压波动，环境湿度、压力以及负载的变化，1.3.3 开环控制如果系

19、统的输出量与输入量间不存在反馈的通道，这种控制方式称为开环控制系统。在开环控制系统中，不需要对输出量进行测量，也不需要将输出量反馈到系统输入端与输入量进行比较。 洗衣机就是开环控制系统的例子。浸湿、洗涤和漂清过程，在洗衣机中是依次进行的，在洗涤过程中，无需对其输出信号，即衣服的清洁程度进行测量。在任何开环控制中，系统的输出量都不被用来与参考输入进行比较，因此，对应于每一个参考输入量，便有一个相应的固定工作状态与之对应，这样，系统的精度便决定于校准的精度（为了满足实际应用的需要，开环控制系统必须精确地予以校准，并且在工作工程中保持这种校准值不发生变化）。当出现扰动时，开环控制系统就不能实现既定任

20、务了，如果输入量与输出量之间的关系已知，并且不存在内扰与外扰，则可以采用开环控制。沿时间坐标轴单向运行的任何系统，都是开环系统。例如：采用时基信号的交通管制，就是开环控制的另一个例子。1.3.4闭环与开环控制系统的比较 反馈控制：特点 偏差控制，可以抑制内、外扰动对被控制量产生的影响。精度高、结构复杂，设计、分析麻烦。 开环控制：顺向作用，没有反向的联系，没有修正偏差能力，抗扰动性较差。结构简单、调整方便、成本低。在精度要求不高或扰动影响较小的情况下，这种控制方式还有一定的实用价值。开环控制 按给定量控制 按扰动控制，可产生一定的补偿作用，适用于扰动可测量的场合。 复合控制：将按偏差控制与按扰

21、动控制结合起来，对于主要扰动采用适当补偿装置实现扰动控制。同时，再组成反馈控制系统实现按偏差控制，以消除其余扰动产生的偏差。1.5 自动控制系统的分类（同胡寿松书）l 按控制方式分开环控制闭环控制，反馈控制复合控制l 按元件类型分机械系统恒张力系统电气系统机电系统全自动照相机，光机电结合液压系统伺服液压缸，汽车发动机，大型的仿真模拟台气动系统生物系统l 按系统功用分温度控制系统压力控制系统位置控制系统l 按系统性能分线性系统非线性系统连续系统定常系统时变系统确定性系统不确定性系统l 按参据量变化规律分恒值控制系统随动系统程序控制系统为了全面反映系统的特点，常常将上述分类方法结合应用。线性连续控

22、制系统如果系统可用微分方程式描述，表示成输入量与输出量的微分方程，且微分方程的系数是常数，反之，如果微分方程的系数随时间变化，称为时变系统。线性定常系统按其输入量的变化规律不同又可分为：恒值控制系统、随动系统和程序控制系统。 恒值控制系统参据量是一个常值，要求被控量亦等于一个常值。温度控制系统恒温箱（刚出生的早产儿要放在保温箱里，做温度试验时）温度一经调整，被控量就应与调整好的参据量保持一致。压力控制系统、液位控制系统等。 随动系统这类系统的参据量是预先未知的随时间任意变化的函数，要求被控制量以尽可能小的误差跟随参据量的变化。在随动系统中，扰动的影响是次要的，系统分析、设计的重点是研究被控制量

23、跟随的快速性和准确性。函数记录仪、高炮自动跟踪系统便是典型的随动系统的例子。在随动系统中，如果被控制量是机械位置（角位置）或其导数时，这类系统称之为伺服系统。 程序控制系统这类控制系统的参据量是按预定规律随时间变化的函数，要求被控制量迅速、准确地复现。机械加工使用的数字程序控制机床便是一例。程序控制系统和随动系统的参据量都是时间的函数，不同之处在于程序控制系统是已知的时间函数，随动系统是未知的任意的时间函数，而恒值控制系统可视为程序控制系统的特例。线性定常离散系统专门有一章介绍随着计算机的发展利用数字计算机进行控制的系统越来越多。连续信号经过开关的采样（可以转换成）离散系统，离散系统用差分方程

24、描述。工业计算机控制系统就是典型的离散系统。非线性控制系统系统中只要有一个元部件的输入输出特性是非线性，这类系统就称为非线性控制系统。专门有一章介绍严格地说，实际物理系统中都含有程度不同的非线性元部件。由饱和特性、死区、间隙和摩擦等产生。非线性线性（一定范围内的线性化）1.5对自动控制系统的基本要求1.5.1对自动控制系统性能的基本要求可以归结为稳定性（长期稳定性）、准确性（精度）和快速性（相对稳定性）。l 稳定性：对恒值系统要求当系统受到扰动后，经过一定时间的调整能够回到原来的期望值。对随动系统，被控制量始终跟踪参据量的变化。稳定性是对系统的基本要求，不稳定的系统不能实现预定任务。稳定性，通

25、常由系统的结构决定与外界因素无关。l 快速性：对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称为动态性能。稳定高射炮射角随动系统，虽然炮身最终能跟踪目标，但如果目标变动迅速，而炮身行动迟缓，仍然抓不住目标。l 准确性：用稳态误差来表示。如果在参考书如信号作用下，当系统达到稳态后，其稳态输出与参考输入所要求的期望输出之差叫做给定稳态误差。显然，这种误差越小，表示系统的输出跟随参考输入的精度越高。由于被控对象具体情况的不同，各种系统对上述三方面性能要求的侧重点也有所不同。例如随动系统对快速性和稳态精度的要求较高，而恒值系统一般侧重于稳定性能和抗扰动的能力。在同一个系统中，上述三方面的性能要求通常是相互制约的

26、。例如为了提高系统的动态响应的快速性和稳态精度，就需要增大系统的放大能力，而放大能力的增强，必然促使系统动态性能变差，甚至会使系统变为不稳定。反之，若强调系统动态过程平稳性的要求，系统的放大倍数就应较小，从而导致系统稳态精度的降低和动态过程的缓慢。由此可见，系统动态响应的快速性、高精度与动态稳定性之间是一对矛盾。1.5.2本课程的任务 本课程所要研究的两大课题：1）对于一个具体的控制系统，如何从理论上对它的动态性能和稳态精度进行定性的分析和定量的计算。2）根据对系统性能的要求，如何合理地设计校正装置，使系统的性能能全面地满足技术上的要求。例1 图1-6（a）是一个液位控制系统原理图。在这里，自动控制器通过比较实际液位与希望液位，并通过调整气动阀门的开度，对误差进行修正，从而保持液位不变。图1-6（b）是该控制系统的方框图。试画出相应的人工操纵液位控制系统方块图。例2. 有一发电机-电动机调速系统如图1-7所示。其工作原理是操纵者转动操纵电位计的手柄，可使电位计的输出电压Ur改变大小和方向。经前置放大器和直流发电机两极放大，使加在伺服电机上的端电压也随之改变大小和方向。从而使负载具有所要求的转速。试说明该系统的给定值、被控量和干扰量，并画出方块图。习题1-1 1-414