自动控制原理主讲：黄国宏Email：h_guohong163.comTel:13268129152教材及主要参考书v自动控制原理 李玉惠 晋帆主编 向凤红主审 清华大学出版社 2008参考书 v自动控制原理 陈玉宏 向凤红主编 重大出版社 2002v自动控制原理 王建辉 主编 清华大学出版社 2006v自动控制理论与设计 上海交大出版社 徐薇莉等vAutomatic Control SystemBenjamin C. Kuo（高教出版社 ） 第一章 自动控制系统的基本概念1.1 基本概念 1.2 控制理论的发展历史 1.3 自动控制系统简介 1.4 自动控制系统分类 1.5 工程问题的基本要求自动控制是在没有人参与的情况下，系统的控制器自动地按照人预定的要求控制设备或 过程，使之具有一定的状态和性能。1.1 基本概念v什么是自动控制？v什么是自动控制系统？具有自动控制功能的系统称为自动控制系统。自动控制的自然和人造系统v 人体自然系统体温控制系统心跳控制系统眼球聚焦系统新陈代谢系统血液系统呼吸系统肾肝肺系统这些系统持续的自动控制 是我们保持健康的基本条件这些系统是在我们非有意 识干预的情况下自动运行的 自动控制的自然和人造系统天体自然系统银河系的恒星运动 自动控制的自然和人造系统季节自然系统四季气候变更自动控制的自然和人造系统人造系统全自动洗衣机 电冰箱 电饭煲 电梯控制系统 温度控制系统 水位控制系统 速度控制系统 刹车防抱死系统 如图所示为一个热力系 统。通过调节蒸汽阀门，使 流出的热水保持一定的温度 。如果由手工控制，就要 求控制者观测温度计的指示 值，调节阀门开关的开度。调节方法为：如果温度 计的指示值高于期望值，则 关小阀门，降低热水温度； 否则，开大阀门，升高热水 温度，从而使流出的热水保 持设定的温度。例1 热力系统例2 直流电动机速度控制系统如图所示直流电动机速度控制系统。控制目标是使电 动机稳定在要求的转速上运行。从图中可见，对应滑动电 阻器的触点的某一位置，有一给定电压，经过放大器放大 后，即为电动机电枢电压。在没有任何扰动的情况下，对 应滑动电阻器的触点的某一位置，则有一电机转速与之对 应。v上述两个系统都是由人工控制的，可以看出，人在控制过程中起三个作用： （1）观测：用眼睛去观测温度计和转速表的指示值；（2）比较与决策：人脑把观测得到的数据与要求的数据相比较，并进行判断，根据 给定的控制规律给出控制量；（3）执行：根据控制量用手具体调节，如调节阀门开度、改变触点位置。手臂,手人眼 输入信号大脑人眼输出信号用自动装置 代替人工操 作自动控制系统结构框图v在自动控制中，用控制装置代替人来完成上 述功能。例如，自动控制热力系统如下图所 示。手动控制热力系统图自动控制热力系统图v直流电动机自动调速系统如图所示直流电机自动 调速系统直流电机速 度控制系统就是研究自动控制共同规律的技术科学。主要讲述自动控制的基本理论与控制系统的分析和设计方法等内容。v什么是自动控制原理？v自动控制原理的应用背景 机械转速、位置的控制 、工业过程中温度、压力 、流量的控制； 远洋巨轮以及深水潜艇的 控制； 飞机自动驾驶、神舟飞船 的返回控制到“勇气”号、“ 机遇”号的火星登陆控制。 1.2 控制理论的发展历史一般来说，控制理论的产生和发展可以分为以下 几个阶段的发展：v经典控制理论的产生和发展经典控制理论即古典控制理论,也称为自动 控制理论，它的发展大致经历了以下几个阶段 ：一、萌芽阶段如果要追朔自动控制技术的发展历史,早在 两千年前就有了控制技术的萌芽。1、两千年前我国发明的指南车，就是一种开环自动调节 系统。指南车1指南车2晋书上才较为明确：“司南车，一名指南车，驾四马 ，其下制如楼，三级；四角金龙衔羽葆；刻木为仙人，衣 羽衣，立车上，车虽回运而手常指南。 2、公元10861089年 (北宋哲宗元祐初年 ），我国发明的天 文计时仪器-水运仪 象台，就是一种闭 环自动调节系统。水 运 仪 象 台二、起步阶段v十八世纪以后，蒸汽机的使用提出了调速稳定等问题1765年俄国人波尔祖诺夫发明了 锅炉水位调节器1784年英国人瓦特发明了调速器 ，蒸汽机离心式调速器瓦 特三、发展阶段1、1868年马克斯韦尔（J.C.Maxwell）利用微分方程解决了蒸汽机调速系统中出现的剧烈振荡的不稳 定问题，提出了简单的稳定性代数判据。2、1895年劳斯（Routh）与赫尔维茨（Hurwitz） 把马克斯韦尔的思想扩展到高阶微分方程描述的更 复杂的系统中,各自提出了两个著名的稳定性判据 劳斯判据和赫尔维茨判据。基本上满足了二十世纪 初期控制工程师的需要。v二十世纪初第二次世界大战，军事工业发展 很快3、由于第二次世界大战需要控制系统具有准确跟踪 与补偿能力，1932年奈奎斯特（H.Nyquist）提出 了频域内研究系统的频率响应法，为具有高质量的 动态品质和静态准确度的军用控制系统提供了所需 的分析工具。4、1948年伊凡斯（W.R.Ewans）提出了复数域内研究 系统的根轨迹法。建立在奈奎斯特的频率响应法和伊凡斯的根轨迹法 基础上的理论，称为经典（古典）控制理论（或自动控 制理论）。四、标志阶段1、1947年控制论的奠基人美国数 学家韦纳（N.Weiner）把控制论引起的自动化同第二次产业革 命联系起来，并与1948年出版 了控制论关于在动物和机器中控制与通讯的科学，书中论 述了控制理论的一般方法，推广 了反馈的概念，为控制理论这门 学科奠定了基础。控制之父韦纳2、我国著名科学家钱学森将 控制理论应用于工程实践 ，并与1954年出版了工 程控制论。钱学森v从四十年代到五十年代末，经典控制理论 的发展与应用使整个世界的科学水平出现 了巨大的飞跃，几乎在工业、农业、交通 运输及国防建设的各个领域都广泛采用了 自动化控制技术。v可以说工业革命和战争促使了经典控制理 论的发展。v现代控制理论的产生和发展在二十世纪五十年代末开始，随着计算机的飞速发展，推动了核能技术、空间技术的发展，从而对出现 的多输入多输出系统、非线性系统和时变系统的分析与 设计问题的解决。科学技术的发展不仅需要迅速地发展控制理论，而且也给现代控制理论的发展准备了两个重要的条件 现代数学和数字计算机。现代数学，例如泛函分析、现 代代数等，为现代控制理论提供了多种多样的分析工具 ；而数字计算机为现代控制理论发展提供了应用的平台 。1、五十年代后期，贝尔曼（Bellman）等人 提出了状态分析法；在1957年提出了动态 规则。2、1959年卡尔曼（Kalman）和布西创建了卡尔 曼滤波理论；1960年在控制系统的研究中成功地 应用了状态空间法，并提出了可控性和可观测性 的新概念。3、1961年庞特里亚金（俄国人）提出了极小（ 大）值原理。v鲁棒控制理论阶段1、由于现代数学的发展，结合着H2和H等范 数而出现了H2和H控制，还有逆系统控制等方 法。2、20世纪70年代末，控制理论向着“大系统 理论”、“智能控制理论”和“复杂系统理论 ”的方向发展：v大系统理论：用控制和信息的观点，研究各种大系 统的结构方案、总体设计中的分解方法和 协调等问题的技术基础理论。v智能控制理论：研究与模拟人类智能活动及其控制与 信息传递过程的规律，研制具有某些拟人 智能 的工程控制与信息处理系统的理论。复杂系统理论：把系统的研究拓广到开放复杂巨系统的 范筹，以解决复杂系统的控制为目标。回顾控制理论的发展历程可以看出，它 的发展过程反映了人类由机械化时代进入 电气化时代，并走向自动化、信息化、智 能化时代。现代控制理论与经典控制理论的差异经典控制理论 现代控制理论 研究对 象单输 入单输 出系统(SISO):高 阶微分方程 多输入多输出系统(MIMO) :一阶微分方程 研究方法传递 函数法(外部描述) 状态空间法(内部描述) 研究工具拉普拉斯变换 线性代数矩阵 分析方法频域(复域),频率响应和根轨 迹法 复域、实域，可控和可观 测 设计 方 法PID控制和校正网络 状态反馈和输出反馈 其他 频率法的物理意义直观、实 用，难于实现 最优控制 易于实现实时 控制和最优 控制 1.3 自动控制系统的组成及术语 控制 对于人-机系统，为使某一机器、设备或过程处于希望的状态而对其进行的操作，称为控制 。人工控制 在人直接参与下完成的控制，称为人工控制。v自动控制 指在无人直接干预下，利用物理装置使被控对象或生产过程的某一物理量（如温度、 压力、PH值等）按照预期的规律运行。例如矿井提升机速度的控制、水泥回转窑湿度的控制、造纸厂纸浆浓度的控制、轧钢厂加热 炉温度的控制、物料传输机速度的控制等等。v控制装置 这种能代替人对生产设备和工艺过程施加控制 作用的装置，称为自动控制装置或控制器。v被（受）控对象 被控制的机器、设备或过程称为受控对象或对 象。如提升机、回转窑、加热炉等。v被控量 被控制的物理量称为被控量或输出量。被控量是表征受控对象工作状态的物理量，即 速度、湿度、浓度、炉温、电压等。v执行元件直接改变被控变量的元件称为执行元 件。v传感器（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。v给定量 决定被控量的物理量称为给定量或参考输入。给定量表征被控量的期望值或受控对象的期望 状态。v扰动量 妨碍给定量对被控量进行正常控制的所有因素称为扰动量。如果扰动量产生在系统内部称为内扰；扰动量产生在系统外部称为外扰。给定量和扰动量都是自动控制系统的输入量。v系统 由一些相互联系和相互制约的环节 组成并具有特定功能的整体称为系统。在工业生产中，一台机器、一套设 备或任意工艺过程，如加热炉、扎钢机 、核反应堆等都称为系统。v自动控制系统 为实现某一控制目标所需要的所有物理部件的有效组合体。自动控制系统由自动控制装置与被控对象组成。控制系统一般按被控量命名，如速度控制系统、压力控制系统、温度控制系统等。图 1 1 室温控制系统元件框图图中方块表示元部件, 方框之间的有向线段 代表信号(或变量)及其传递方向。 室内的空气就是被控对象,室内温度是被控 变量, 空调器是执行元件, 放大器是控制器, 热敏电阻属于传感器或测量元件。图 1 - 2 室温控制系统方框图1.4 自动控制系统分类按照控制方式和策略, 系统可分为开环控制系统 和闭环控制系统两大类。 1.开环控制系统 如果控制系统的被控量对系统没有控制作用， 这种控制系统称为开环控制系统。开环控制系统的控制原理图MugudoVGT+-(a) 原理图给定信号(电压)触发器电动机受控对象输出量(转速)扰动量(b) 方块图控制装置晶闸管可 控整流器 控制装置与受控对象之间只有顺向作用而无反向 联系电动机速度控制系统2. 闭环控制系统或反馈控制系统如果系统的被控量直接或间接地参与控制，这种 系统称为闭环控制系统或更直接地称为反馈控制系 统。反馈控制系统的控制原理图a 原理图b 方框图炉温控制系统v开环控制与反馈控制的比较开环控制系统优点 :结构简单，成本低廉，工作稳定，当输入 信号和扰动能预先知道时，控制效果较好。缺点：不能自动修正被控制量的偏离，系统的元 件参数变化以及外来的未知扰动对控制精度影响较 大。闭环控制系统优点：具有自动修正被控制量出现偏离的能力， 可以修正元件参数变化以及外界扰动引起的误差， 控制精度高。缺点：被控量可能出现振荡，甚至发散。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。3. 线性控制系统和非线性控制系统这是根据分析和设计系统的方法来分类的。定义：如果一个系统具有下列性质：（1）输入x1(t) 产生输出 y1(t) ；（2）输入 x2(t) 产生输出 y2(t) ；（3）输入c1x