自动控制理论——第一章绪论(宫金林)课件

1自动控制理论自动控制理论主讲教师：宫金林主讲教师：宫金林山东大学电气工程学院山东大学电气工程学院2教育部副部长教育部副部长 吴启迪吴启迪（20072007年全国自动化教育年会）年全国自动化教育年会）自动化领域涉及的面非常广泛，除了实际工程应自动化领域涉及的面非常广泛，除了实际工程应用之外，还包括用之外，还包括基础研究基础研究、方法论方法论直到直到哲学研究哲学研究的内的内容，这对学生的容，这对学生的就非常的全面；对激发学生就非常的全面；对激发学生的的而言，这个领域可以发挥的作用非常巨大。而言，这个领域可以发挥的作用非常巨大。比如说比如说反馈反馈的概念，这个概念无处不在。另一个就是的概念，这个概念无处不在。另一个就是系统系统的的概念，我想没有什么人能比我们学自动化的人更懂得概念，我想没有什么人能比我们学自动化的人更懂得3什么是系统工程了。所以，当我们把这些东西与很什么是系统工程了。所以，当我们把这些东西与很多背景结合起来的时候，就深刻感觉到多背景结合起来的时候，就深刻感觉到。近年来出现的复杂性、非线性、混沌。近年来出现的复杂性、非线性、混沌等问题，都是在这个领域迸发出来的。我相信，用等问题，都是在这个领域迸发出来的。我相信，用自动控制中这些丰富而美丽的概念和方法来激发我自动控制中这些丰富而美丽的概念和方法来激发我们的学生，一定可以产生很多创新。我们自豪地说，们的学生，一定可以产生很多创新。我们自豪地说，自动控制的理论是一种会激发创新的理论。自动控制的理论是一种会激发创新的理论。4第一章绪论第一章绪论 第一节第一节 概述概述 第二节第二节 基本控制方式基本控制方式 第三节第三节 自动控制系统的组成及术语自动控制系统的组成及术语 第四节第四节 自动控制系统的分类自动控制系统的分类 第五节第五节 自控控制理论概要自控控制理论概要5 第一节第一节 概述概述一个简单的水箱液面，因生产和生活需要，希望液面一个简单的水箱液面，因生产和生活需要，希望液面高度高度h 维持恒定。当水的流入量与流出量平衡时，水维持恒定。当水的流入量与流出量平衡时，水箱的液面高度维持在预定的高度上。箱的液面高度维持在预定的高度上。当水的流出量当水的流出量增大或流入量减增大或流入量减小，平衡则被破小，平衡则被破坏，液面的高度坏，液面的高度不能自然地维持不能自然地维持恒定。恒定。水箱水箱流出流出流入流入h6 这种出水量与进水量的不平衡现象必然要经常发生的。这这种出水量与进水量的不平衡现象必然要经常发生的。这使得这种使得这种“水位恒定的要求水位恒定的要求”变得难以实现了。变得难以实现了。所谓所谓控制控制就是强制性地改变某些物理量（如上例中的进水就是强制性地改变某些物理量（如上例中的进水量），而使另外某些特定的物理量（如液面高度量），而使另外某些特定的物理量（如液面高度h）维持在某种）维持在某种特定的标准上。特定的标准上。水箱水箱流出流出流入流入h 这 种 人 为这 种 人 为地强制性地改地强制性地改变进水量，而变进水量，而使液面高度维使液面高度维持恒定的过程，持恒定的过程，即是人工控制即是人工控制过程。过程。人工控制的例子。人工控制的例子。自动控制就是在没有人直接参与的情况下，利用控制自动控制就是在没有人直接参与的情况下，利用控制器使被控对象（或过程）的某些物理量（或状态）自器使被控对象（或过程）的某些物理量（或状态）自动地按预先给定的规律去运行。动地按预先给定的规律去运行。水水箱箱流出流出流入流入h控制控制器器浮子浮子 当出水与进水的平衡当出水与进水的平衡被破坏时，水箱水位下降被破坏时，水箱水位下降(或上升或上升)，出现偏差。这，出现偏差。这偏差由浮子检测出来，自偏差由浮子检测出来，自动控制器在偏差的作用下，动控制器在偏差的作用下，控制阀门开控制阀门开大大(或关小或关小)，对，对偏差进行修正，从而保持偏差进行修正，从而保持液面高度不变。液面高度不变。78 2.2.自动控制的基本职能元件自动控制的基本职能元件 自动控制的实现自动控制的实现,实际上是由自动控制装置来代替人实际上是由自动控制装置来代替人的基本功能，从而实现自动控制的。画出以上人工控制的基本功能，从而实现自动控制的。画出以上人工控制与自动控制的功能方框图进行对照。与自动控制的功能方框图进行对照。水箱水箱流出流出流入流入h水箱水箱流出流出流入流入h控制器控制器浮子浮子 眼睛眼睛 浮子浮子 大脑大脑 自动控制器自动控制器 肌肉、手肌肉、手 执行元件执行元件9肌肉和肌肉和阀门阀门希望液位希望液位实际液位实际液位大大 脑脑水水 箱箱眼眼 睛睛 比较两图可以看出，自动控制实现人工控制的功能，比较两图可以看出，自动控制实现人工控制的功能，存在必不可少的三种代替人的职能的基本元件：存在必不可少的三种代替人的职能的基本元件：气气 动动阀阀 门门希望液位希望液位实际液位实际液位浮浮 子子控制器控制器水水 箱箱10执执 行行元元 件件参考输入参考输入输出输出测量变测量变送元件送元件控制器控制器对对 象象扰动输入扰动输入 测量元件与变送器（代替眼睛）；测量元件与变送器（代替眼睛）；自动控制器（代替大脑）；自动控制器（代替大脑）；执行元件（代替肌肉、手）。执行元件（代替肌肉、手）。这些基本元件与被控对象相连接，一起构成一个自这些基本元件与被控对象相连接，一起构成一个自动控制系统。下图是典型控制系统方框图动控制系统。下图是典型控制系统方框图。11自动控制中的一些术语及方框图自动控制中的一些术语及方框图 1.1.常用术语常用术语 控制对象控制对象 控制器控制器 系统系统 系统输出系统输出 操作量操作量 参考输入参考输入 扰动扰动 2.2.系统方框图系统方框图 将系统中各个部分都用一个方框来表示，并注上将系统中各个部分都用一个方框来表示，并注上文字或代号，根据各方框之间的信息传递关系，用有文字或代号，根据各方框之间的信息传递关系，用有向线段把它们依次连接起来，并标明相应的信息。向线段把它们依次连接起来，并标明相应的信息。突出了系统中各环节输入与输出的关系及各环节突出了系统中各环节输入与输出的关系及各环节之间的相互影响，便于定性和定量分析。之间的相互影响，便于定性和定量分析。12 系统数学模型的建立系统数学模型的建立 时域分析法时域分析法 频域分析法频域分析法 根轨迹法根轨迹法 控制系统校正控制系统校正 离散控制系统离散控制系统 非线性系统非线性系统 现代控制理论初步现代控制理论初步 13 第二节第二节 基本控制方式基本控制方式定义：如果系统的输出量不参与对系统的控制，则称为开定义：如果系统的输出量不参与对系统的控制，则称为开环控制。环控制。控制器控制器被控对象被控对象控制量控制量被控量被控量 开环控制系统的典型方框图如图所示。开环控制系统的典型方框图如图所示。交通指挥红绿灯，自动洗衣机，自动售货机，产品自动生交通指挥红绿灯，自动洗衣机，自动售货机，产品自动生产线，数控车床等等。产线，数控车床等等。14例子：直流电动机转速开环控制系统例子：直流电动机转速开环控制系统 M功率功率放大器放大器电动机电动机负载负载电电位位器器当调节电位器滑臂位置时，改变功率放大器的输入电压，当调节电位器滑臂位置时，改变功率放大器的输入电压，从而改变电动机的电枢电压，最终改变电动机的转速。以上的从而改变电动机的电枢电压，最终改变电动机的转速。以上的控制过程，用方框图简单直观地表示出来。控制过程，用方框图简单直观地表示出来。电动机电动机转速转速滑臂位置滑臂位置功率功率放大器放大器电位器电位器15定义：如果系统的输出量参与对系统的控制，则称为闭环定义：如果系统的输出量参与对系统的控制，则称为闭环控制。控制。闭环控制系统的典型方框图如图所示。闭环控制系统的典型方框图如图所示。根据实际输出来修正控制作用，实现对被控对象进行控制根据实际输出来修正控制作用，实现对被控对象进行控制的任务，这种控制原理称为反馈控制原理。的任务，这种控制原理称为反馈控制原理。控制器控制器被控对象被控对象反馈元件反馈元件输入输入输出输出+-偏差偏差16例子：直流电动机转速闭环控制系统例子：直流电动机转速闭环控制系统 测速发电机检测得到电动机的实际转速测速发电机检测得到电动机的实际转速n，并转换成与给定，并转换成与给定电压相同的物理量电压相同的物理量uf，然后反馈到输入端，与给定电压，然后反馈到输入端，与给定电压ur相比较，相比较，其偏差值其偏差值ue经放大器放大后，来控制电动机的转速，使电动机保经放大器放大后，来控制电动机的转速，使电动机保持在与给定电压持在与给定电压ur相对应的速度下运转。相对应的速度下运转。F测速发动机测速发动机电电位位器器功率功率放大器放大器M功率功率放大器放大器电动机电动机负载负载nurufueua17闭环控制的特点：闭环控制的特点：控制作用不是直接来自给定输入，而是系统的偏差信控制作用不是直接来自给定输入，而是系统的偏差信号，由偏差产生对系统被控量的控制；号，由偏差产生对系统被控量的控制；系统被控量的反馈信息又反过来影响系统的偏差信号，系统被控量的反馈信息又反过来影响系统的偏差信号，即影响控制作用的大小。这种自成循环的控制作用，使信息的即影响控制作用的大小。这种自成循环的控制作用，使信息的传递路径形成了一个闭合的环路，称为闭环。传递路径形成了一个闭合的环路，称为闭环。提高了控制精度。提高了控制精度。电动机电动机转速转速给定给定位置位置功率功率放大器放大器电位器电位器+-负载负载扰动扰动测速发动机测速发动机ufureua18开环与闭环控制系统的比较开环与闭环控制系统的比较:1.闭环控制采用的是负反馈原理闭环控制采用的是负反馈原理:将系统输出量引回输入端将系统输出量引回输入端,与输入量比较与输入量比较,利用所得偏差进行控制利用所得偏差进行控制,使偏差减小或消除使偏差减小或消除.2.开环控制与闭环控制的基本区别在于闭环控制具有反馈环开环控制与闭环控制的基本区别在于闭环控制具有反馈环节节,具有具有自动修复被控量偏离自动修复被控量偏离 给定值的能力给定值的能力,具有很强的抗干具有很强的抗干扰能力扰能力.3.在系统参数配合不当时在系统参数配合不当时,闭环系统容易产生闭环系统容易产生震荡甚至不稳定震荡甚至不稳定.工程上常采用的复合控制方法，就是把两者结合起来使用。工程上常采用的复合控制方法，就是把两者结合起来使用。19控制器控制器被控对象被控对象前馈控制器前馈控制器输入输入输出输出+-+扰动扰动 1 1、构成、构成：将开环控制和闭环控制结合起来。将开环控制和闭环控制结合起来。2 2、特点、特点：兼有开环和闭环系统的优点，控制精度高，控兼有开环和闭环系统的优点，控制精度高，控制作用快，但结构也较为复杂。制作用快，但结构也较为复杂。2021一、一、按给定信号的特征划分按给定信号的特征划分 给定信号是系统的指令信息。它代表了系统希望给定信号是系统的指令信息。它代表了系统希望的输出值，反映了控制系统要完成的基本任务和职能。的输出值，反映了控制系统要完成的基本任务和职能。1.1.恒值控制系统恒值控制系统：给定输入维持不变，希望输出维给定输入维持不变，希望输出维持在某一特定值上。持在某一特定值上。液位控制系统，直流电动机调速系统液位控制系统，直流电动机调速系统等等。等等。2.2.随动控制系统随动控制系统：给定信号上预先不知道的随时给定信号上预先不知道的随时间任意变化的函数。控制系统能够使被控量以尽可能间任意变化的函数。控制系统能够使被控量以尽可能小的误差跟随给定值的变化。小的误差跟随给定值的变化。跟踪卫星的雷达天线系统跟踪卫星的雷达天线系统 3.3.程序控制系统程序控制系统：给定值按预先给定的规律变化给定值按预先给定的规律变化的控制系统。的控制系统。机械加工中的程序控制机床机械加工中的程序控制机床等等。等等。22二、二、按系统的数学描述划分按系统的数学描述划分 1.1.线性系统线性系统 当系统各元件输入输出特性是线性特性，系统的当系统各元件输入输出特性是线性特性，系统的状态和性能可以用线性微分（或差分）方程来描述时，状态和性能可以用线性微分（或差分）方程来描述时，则称这种系统为线性系统。则称这种系统为线性系统。所谓线性特性是指元件的静特性是一条过原点的所谓线性特性是指元件的静特性是一条过原点的直线，也称其为线性元件。因此，由线性元件组成的直线，也称其为线性元件。因此，由线性元件组成的系统则必是线性系统。线性系统的一个突出特点就是系统则必是线性系统。线性系统的一个突出特点就是满足满足，可运用叠加原理的两个性质（，可运用叠加原理的两个性质（可叠加可叠加性和齐次性性和齐次性），作为鉴别系统是否为线性系统的依据。），作为鉴别系统是否为线性系统的依据。线性系统线性系统r(t)c(t)r1(t)c1(t)r2(t)c2(t)r1(t)+r2(t)c1(t)+c2(t)ar1(t)ac1(t)23 yx0b-b yxa-a0-bb2.2.非线性系统非线性系统 系统中只要存在一个非线性特性的元件，系统就系统中只要存在一个非线性特性的元件，系统就由非线性方程来描述，这种系统称为非线性系统。由非线性方程来描述，这种系统称为非线性系统。yxka-a0M-Myxka-a024三、三、按信号传递的连续性划分按信号传递的连续性划分 1.连续系统连续系统 连续系统的特点是系统中各元件的输入信号和输连续系统的特点是系统中各元件的输入信号和输出信号都是时间的连续函数。这类系统的运动状态是出信号都是时间的连续函数。这类系统的运动状态是用微分方程来描述的。用微分方程来描述的。连续系统中各元件传输的信息在工程上称为模拟连续系统中各元件传输的信息在工程上称为模拟量，多数实际物理系统都属于这一类，其输入输出一量，多数实际物理系统都属于这一类，其输入输出一般用般用r(t)和和c(t)表示。表示。r(t)t 0c(t)t 025 2.离散系统离散系统 控制系统中只要有一处的信号是脉冲序列或数码控制系统中只要有一处的信号是脉冲序列或数码时，该系统即为离散系统。这种系统的状态和性能一时，该系统即为离散系统。这种系统的状态和性能一般用差分方程来描述。实际物理系统中，信息的表现般用差分方程来描述。实际物理系统中，信息的表现形式为离散信号的并不多见，往往是控制上的需要，形式为离散信号的并不多见，往往是控制上的需要，人为地将连续信号离散化，我们称其为采样。人为地将连续信号离散化，我们称其为采样。c(t)t 0c(t)c*(t)c*(t)t 026四、四、按系统的输入与输出信号的数量划分按系统的输入与输出信号的数量划分 1.1.单变量系统单变量系统（SISO）2.2.多变量系统多变量系统（MIMO）五、五、自动控制系统的基本组成自动控制系统的基本组成 在形形色色的自动控制系统中，反馈控制是最基在形形色色的自动控制系统中，反馈控制是最基本的控制方式之一。一个典型的反馈控制系统总是由本的控制方式之一。一个典型的反馈控制系统总是由控制对象和各种结构不同的职能元件组成的。除控制控制对象和各种结构不同的职能元件组成的。除控制对象外，其他各部分可统称为控制装置。每一部分各对象外，其他各部分可统称为控制装置。每一部分各司其职，共同完成控制任务。下面给出这些职能元件司其职，共同完成控制任务。下面给出这些职能元件的种类和各自的职能。的种类和各自的职能。27输输出出输输入入放大放大元件元件+-测量变送测量变送元件元件给定给定元件元件执行执行元件元件串联串联校正校正元件元件+-对对象象反馈校正反馈校正元件元件其职能是给出与期望的输出相对应的其职能是给出与期望的输出相对应的系统输入量，是一类产生系统控制指令的装置。系统输入量，是一类产生系统控制指令的装置。28 其职能是检测被控量，如果测出的物其职能是检测被控量，如果测出的物理量属于非电量，大多情况下要把它转换成电量，以理量属于非电量，大多情况下要把它转换成电量，以便利用电的手段加以处理。便利用电的手段加以处理。其职能是把测量元件检测到的实际输其职能是把测量元件检测到的实际输出值与给定元件给出的输入值进行比较，求出它们之出值与给定元件给出的输入值进行比较，求出它们之间的偏差。间的偏差。其职能是将过于微弱的偏差信号加以其职能是将过于微弱的偏差信号加以放大，以足够的功率来推动执行机构或被控对象。放大，以足够的功率来推动执行机构或被控对象。其职能是直接推动被控对象，使其被其职能是直接推动被控对象，使其被控量发生变化。控量发生变化。为改善或提高系统的性能，在系统基为改善或提高系统的性能，在系统基本结构基础上附加参数可灵活调整的元件。工程上称本结构基础上附加参数可灵活调整的元件。工程上称为调节器。常用串联或反馈的方式连接在系统中。为调节器。常用串联或反馈的方式连接在系统中。29一、一、对系统的要求对系统的要求 各类控制系统为达到理想的控制目的，必须具备各类控制系统为达到理想的控制目的，必须具备以下两个方面的性能以下两个方面的性能 (基本要求基本要求)：（a a）使系统的输出快速准确地按输入信号要求的）使系统的输出快速准确地按输入信号要求的期望输出值变化。期望输出值变化。（b b）使系统的输出尽量不受任何扰动的影响。）使系统的输出尽量不受任何扰动的影响。对自控系统性能的要求一般可归纳为三大性能指标：对自控系统性能的要求一般可归纳为三大性能指标：（1 1）稳定性：）稳定性：要求系统绝对稳定且有一定的稳定裕要求系统绝对稳定且有一定的稳定裕量。量。（2 2）瞬态质量：）瞬态质量：要求系统瞬态响应过程具有一定的要求系统瞬态响应过程具有一定的快速性和变化的平稳性。快速性和变化的平稳性。30 在实际系统中，由于总是存在着不同性质的储能在实际系统中，由于总是存在着不同性质的储能元件。并且也由于能源功率的限制，使得系统放大能元件。并且也由于能源功率的限制，使得系统放大能力必然有限。因而使相应的运动加速度不会太大，速力必然有限。因而使相应的运动加速度不会太大，速度和位移不会瞬间变化，而要经历一段时间，即系统度和位移不会瞬间变化，而要经历一段时间，即系统运动必然有一个渐变的过程。运动必然有一个渐变的过程。r(t)t 0c(t)t 0 （3 3）稳态误差：）稳态误差：要求系统最终的响应准确度，限制要求系统最终的响应准确度，限制在工程允许的范围之内，是系统控制精度的恒量。在工程允许的范围之内，是系统控制精度的恒量。31二、二、控制系统的分析和设计控制系统的分析和设计 1.系统分析系统分析 系统给定，在规定的工作条件下，对它进行分析系统给定，在规定的工作条件下，对它进行分析研究，其中包括稳态性能和动态性能分析，看是否满研究，其中包括稳态性能和动态性能分析，看是否满足要求，以及分析某个参数变化时对上述性能指标的足要求，以及分析某个参数变化时对上述性能指标的影响，决定如何合理地选取等。影响，决定如何合理地选取等。2.2.系统的设计系统的设计 系统设计的目的，是要寻找一个能够实现所要求系统设计的目的，是要寻找一个能够实现所要求性能的自动控制系统。因此，在系统应完成的任务和性能的自动控制系统。因此，在系统应完成的任务和应具备的性能已知的条件下，根据被控对象的特点，应具备的性能已知的条件下，根据被控对象的特点，构造出适合的控制器是设计的主要任务。应进行的步构造出适合的控制器是设计的主要任务。应进行的步骤如下：骤如下：（1 1）熟悉对系统性能的要求。）熟悉对系统性能的要求。（2 2）根据要求的性能指标综合确定系统的数学模型。）根据要求的性能指标综合确定系统的数学模型。32 （3 3）若控制对象是已知的，根据确定的系统数学模）若控制对象是已知的，根据确定的系统数学模型和已知部分的数学模型，求得控制器的数模和控制型和已知部分的数学模型，求得控制器的数模和控制规律。规律。（4 4）按综合确定的数模进行系统分析，验证它在各）按综合确定的数模进行系统分析，验证它在各种信号作用下是否满足要求。若不满足，及时修正。种信号作用下是否满足要求。若不满足，及时修正。（5）样机设计制造和试验，验证设计结果。）样机设计制造和试验，验证设计结果。33 第五节第五节 自动控制理论发展简况自动控制理论发展简况Water Clock水运仪象台水运仪象台欧洲工业革命欧洲工业革命1750Prehistory of Auto ControlPrimitive PeriodClassic PeriodModern Period电话电话&世界大战世界大战1910-1945空间技术空间技术&电脑电脑时代时代195734n 300BC 古希腊人发明的浮球调节装置古希腊人发明的浮球调节装置n 800AD 古阿拉伯人利用浮球进行水钟控制古阿拉伯人利用浮球进行水钟控制n 1086AD 苏颂苏颂 韩公廉发明的水运仪象台韩公廉发明的水运仪象台水运仪象台水运仪象台35 1788英国英国J.Watt用飞球调节控制蒸汽机的速度用飞球调节控制蒸汽机的速度气阀汽机齿轮传动飞球调速器飞球套筒标定高度（期望的汽机速度）蒸汽流量的变化量负载转矩变化量飞球套筒实际高度36 1868年，英国系统分析了反馈控制年，英国系统分析了反馈控制系统的稳定性系统的稳定性 1877年，英国和年，英国和1895年年A.Hurwitz分别建立了分别建立了“Routh-Hurwitz Stability Criteria”1892年，俄国年，俄国A.M.Lyapunov完成完成了博士论文了博士论文“论运动稳定性的一般论运动稳定性的一般问题问题”代数判据代数判据稳定性判据稳定性判据37u 1927年，美国年，美国H.S.Black 提出了负反馈放大器；提出了负反馈放大器；u 1932年，美国年，美国H.Nyquist 提出了基于极坐标的频率提出了基于极坐标的频率域的稳定性判据；域的稳定性判据；u 1942年，美国年，美国H.Harry 引入了传递函数的概念；引入了传递函数的概念；u 1945年，美国年，美国H.W.Bode引入了对数坐标系，使控引入了对数坐标系，使控制系统的频率域响应方法更适于工程应用；制系统的频率域响应方法更适于工程应用；u 1948年，美国年，美国W.R.Evans提出了根轨迹法；提出了根轨迹法；38三个局限性：三个局限性：39现代控制理论：现代控制理论：p 状态空间法：状态空间法：时域法时域法状态空间模型状态空间模型可控性、可观性可控性、可观性先进控制理论：先进控制理论：智能控制理论：智能控制理论：让控制器具有智能让控制器具有智能生生物的智能。解决难以解物的智能。解决难以解决的复杂的控制决的复杂的控制40结结 束束