第一章自动控制一的般概念

自动控制原理第1章绪论历史的回顾J.C.Maxwell：控制理论的源头 以反馈控制为其主要研究内容的自动控制理论的历史，若从目前公认的第一篇理论论文,J.C.Maxwell 在1868年发表的“论调节器”算起，至今不过一百多年。然而控制思想与技术的存在至少已有数千年的历史了。维纳：控制学科的鼻祖从水钟（刻漏)谈起 具有反馈控制原理的控制装置在古代就有了。这方面最有代表性的例子当属古代的计时器“水钟”(在中国叫作“刻漏”，也叫“漏壶”)。据古代锲形文字记载和从埃及古墓出土的实物可以看到，巴比伦和埃及在公元前1500年以前便已有很长的水钟使用历史了。刻漏，主要由几个铜水壶组成，又叫“漏壶”。除了最底下的那个，每个壶的底部都有一个小眼。水从最高的壶里，经过下面的各个壶滴到最低的壶里，滴得又细又均匀。最低的壶里有一个铜人，手里捧着一支能够浮动的木箭，壶里水多了，木箭浮起来，根据它上面的刻度，就可以知道时间。负反馈的思想的起源 约在公元前三世纪中叶，亚历山大里亚城的斯提西比乌斯(Ctesibius)首先在受水壶中使用了浮子(phellossive tympanum)。按迪尔斯(Diels)本世纪初复原的样品，注入的水是由圆锥形的浮子节制的。而这种节制方式即已含有负反馈的思想(尽管当时并不明确)。张衡 约在公元前 500年，中国的军队中即已用漏壶作为计时的装置。约在公元120年，著名的科学家张衡(78-139,东汉)又提出了用补偿壶解决随水头降低计时不准确问题的巧妙方法。在他的“漏水转浑天仪”中，不仅有浮子，漏箭，还有虹吸管和至少一个补偿壶。最有名的中国水钟“铜壶滴漏”由铜匠杜子盛和洗运行建造于公元1316年(元代延祐三年)，并一直连续使用到1900年。现保存在广州市博物馆中，且仍能使用。苏颂 北宋时期，苏颂等于1086年-1090年在开封建成“水运仪象台”。仪象台上的浑仪附有窥管，能够相当准确地跟踪天体的运行，“使它自动地保持在窥管的视场中”。这种仪象台的动力装置中就利用了“从定水位漏壶中流出的水，并由擒纵器(天关、天锁)加以控制”。苏颂把时钟机械和观测用浑仪结合起来，这比西方罗伯特.胡克早六个世纪。开环控制 公元235(三国时期)的马均及公元477年祖冲之等还曾制造过具有开环控制特点的指南车。并发明了齿轮及差动齿轮机 瓦特 1765年俄国的波尔祖诺夫发明了蒸汽机锅炉的水位自动调节器（这在俄国被认为是世界上的第一个自动调节器）。1760年1800年，詹姆斯.瓦特对蒸气机进行了彻底得改造，终于使其得到广泛的应用。在瓦特的改良工作中，1788年，他给蒸气机添加了一个“节流”控制器即节流阀，它由一个离心“调节器”操纵，类似于磨房机工早已用来控制风力面分机磨石松紧的装置。“调节器”或“飞球调节器”用于调节蒸气流，以便确保引擎工作时速度大致均匀。这是当时反馈调节器最成功的应用。J.C.Maxwell 瓦特没有对调节器进行理论分析，后来J.C.Maxwell从微分方程角度讨论了调节器系统可能产生的不稳定现象，从而开始了对反馈控制动力学问题的理论研究。自动控制基本理论的发展简史稳定性理论的早期发展 人们很早就开始关注稳定性的问题。牛顿可能是第一个关注动态系统稳定性的人。1687年，牛顿在他的数学原理中对围绕引力中心做圆周运动的质点进行了研究。他假设引力与质点到中心距离的 q 次方成正比。牛顿发现，假设q-3,则在小的扰动后，质点仍将保留在原来的圆周轨道附近运动。而当 q-3时，质点将会偏离初始的轨道，或者按螺旋状的轨道离开中心趋向无穷远，或者将落在引力中心上。拉格朗日和拉普拉斯 在牛顿引力理论建立之后，天文学家曾不断努力以图证明太阳系的稳定性。特别地，拉格朗日和拉普拉斯在这一问题上做了相当的努力。1773年，24岁的拉普拉斯“证明了行星到太阳的距离在一些微小的周期变化之内是不变的”。并因此成为法国科学院副院士。虽然他们的论证今天看来并不严格，但他们的工作对后来李亚普诺夫的稳定性理论有很大的影响。James Clerk Maxwell 直到十九世纪中期，稳定性理论仍集中在对保守系统研究上。主要是天文学的问题。在出现控制系统的镇定问题后，科学家们开始考虑非保守系统的稳定性问题。Clerk Maxwell是第一位利用特征方程的系数来判断系统稳定性的人。James Clerk Maxwell James Clerk Maxwell是第一个对反馈控制系统的稳定性进行系统分析并发表论文的人。在他1868年的论文“论调节器”中，导出了调节器的微分方程，并在平衡点附近进行线性化处理，指出稳定性取决于特征方程的根是否具有负的实部。麦氏在论文中对三阶微分方程描述的Thomson s governor,Jenkin s governor 以及具有五阶微分方程的Maxwell s governor进行了研究，并给出了系统的稳定性条件。Maxwell的工作开创了控制理论研究的先河。现代化的工厂l古典控制理论 以传递函数为基础研究单输入-单输出一类定常控制系统的分析与设计问题。这些理论由于其发展较早，现已臻成熟。l现代控制 以状态空间法为基础，研究多输入-多输出、时变、非线性一类控制系统的分析与设计问题。系统具有高精度和高效能的特点。术语l自动控制l对象 l过程 l系统 l扰动 l反馈控制l反馈控制系统 l随动系统 l过程控制系统 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，也存在着反馈控制系统。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，广泛采用着随动系统。9 过程控制过程控制 在工业生产过程中，诸如对压力、温度、湿度、流量、频率以及原料、燃料成分比例等方面的控制，称为过程控制。热力系统的例子热力系统的人工反馈控制蒸蒸汽汽冷水热水温度计图1-1 热力系统的人工反馈控制排排水水自自动动控控制制器器热热水水冷冷水水蒸蒸汽汽温温度度测测量量装装置置 排排水水图图1 1-2 2 热热力力系系统统的的自自动动反反馈馈控控制制控控制制阀阀l开环控制系统l闭环（反馈）控制系统l闭环与开环控制系统的比较 控制器控制器控制控制作用作用控制对象控制对象参考输入参考输入输出输出r(t)u(t)c(t)n(t)干扰干扰1.2.2 1 控控制制器器对对象象或或过过程程测测量量元元件件 输入量输出量图1-3 闭环控制系统1.2.3 l被控对象l控制装置(由具有一定职能的各种基本元件组成)l测量元件：其职能是测量被控制的物理量;l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）。l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。l放大元件：将比较元件给出的偏差进行放大，用来推动执行元件去控制被控对象。l执行元件：直接推动被控对象，使其被控量发生变化。l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。输入量输出量串串联联补补偿偿元元件件放放大大元元件件执执行行元元件件被被控控对对象象反反馈馈补补偿偿元元件件图图1 14 4反反馈馈控控制制系系统统基基本本组组成成测测量量元元件件局部反馈主反馈为改善系统性能l用“”号代表比较元件，“”号代表两者符号相反，“+”号代表两者符号相同。信号沿箭头方向从输入端到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。1.2.4开环控制闭环控制(反馈控制)复合控制 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按系统功用分稳定性：1 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。2 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，通常由系统的结构决定与外界因素无关。1.4.1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）。稳 准快准确性：用稳态误差来表示。在参考输入信号作用下，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。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。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。1.4.2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。H H注注入入控控制制器器（比比较较、放放大大）Q Q1 1浮浮子子流流出出Q Q2 2（I I）原原理理图图气气动动阀阀门门 希望液位实实际际液液位位放放大大元元件件气气动动阀阀门门水水 箱箱浮浮 子子控制器 注入（II）控制系统方块图眼 睛 测 量 装 置（浮 子）手 气 动 阀 门头 脑 控 制 器，比 较、计 算希望液位实实际际液液位位肌肌肉肉、手手阀阀 门门水水 箱箱眼眼 睛睛（III）相对应的人工操纵系统方块图 脑试说明教学过程的给定值、被控对象、被控量和控制器、反馈环节、干扰量等，并画出方块图。教学过程方框图教学过程方框图