第一章 自动控制系统概述 §1 引言 从本世纪40年代起，特别是第二次世界大战以来，由于工业活动的发展和军事技术上的需要，科学技术的发展十分迅速。自动控制作为一门专门学科，也得到了迅速的发展和广泛的应用。 自动控制，就是在没有人参与的情况下，通过控制器或者控制装置来控制机器或者设备等物理装置，使得机器设备的受控物理量按照希望的规律变化，从而达到控制的目的。 自动控制技术不仅广泛应用于工业控制中，在军事、农业、航空、航海、核能利用等领域也发挥着重要作用。总而言之，自动控制可以提高劳动生产率，提高产品质量，改善劳动条件，节约能源，降低成本。例如在工业控制中，对压力、温度、流量、湿度、配料比等的控制，都广泛采用了自动控制技术。对于高温、高压、剧毒等对人身体健康危害很大的场合，自动控制更是必不可少的。在军事和空间技术方面，宇宙飞船准确地飞行和返回地面、人造卫星按预定轨道飞行、导弹准确地击中目标等，自动控制更具有十分重要的意义。 “自动控制原理”是自动控制学科的基础理论，是一门理论性较强的工程科学。本课程的主要任务是研究与讨论控制系统的一般规律，从而设计出合理的自动控制系统，满足工农业生产和各种工程上的需要。 §2 自动控制简史 2.1经典控制理论 早在经典控制理论学科形成之前，反馈控制的思想，即应用负反馈来实现自动控制的系统已经在实际中得到了应用。在公元前11世纪，中国、古埃及和巴比伦发明了自动计时装置。汉代，马钧发明了指南车，明代出现了有过程控制思想的提花织布机。18世纪中叶，瓦特为控制蒸汽机速度而设计的离心调节器被认为是自动控制领域的第一项重大成果。 到了第二次世界大战时期（40年代），由于工业技术发展的需要和战争的需要，经典控制理论逐渐发展成熟而形成为独立学科，主要是基于以Nyquist所开创的反馈回路的控制理论，它所使用的数学工具主要是线性微分方程和基于拉普拉斯变换的传递函数，研究对象基本是单输入—单输出的线性定常系统，主要使用的三大分析方法是：时域分析法、频率特性分析法和根轨迹分析法。经典控制理论的研究对象和范围有限，还不能解决许多控制中的复杂问题，如时变参数问题，多变量问题等。 2.2 现代控制理论 从60年代开始，为了适应空间技术与军事技术发展的需要，现代控制理论得到了长足的发展，它主要以分析和设计复杂控制系统为目标。 现代控制理论研究所使用的数学工具主要是状态空间分析方法，研究对象更为广泛，如线性系统与非线性系统、定常系统与时变系统、多输入—多输出系统等。现代控制理论的发展与是计算机发展的衍生物。 我国在现代控制理论方面的主要成就除了航天方面的火箭发射控制技术之外．较为突出的还有人口模型与中国人口控制问题，这是人文社会科学与工程技术科学相结合的研究成果。 当前控制理论的发展趋势是把控制理论的发展和其他相关学科，如生物学、信息学、计算机等学科融会、贯通，如模仿人的大脑思维结构，把人工智能技术引入控制系统。因此有人认为当前进入了智能控制理论的发展阶段。主要研究方向有自适应控制理论研究、模糊控制理论研究、人工神经元网络研究以及混沌理论研究等，突出应用在航天、航空、机器人、机器制造、工业生产过程等领域。智能控制理论的研究与发展，在信息与控制学科研究中注入了蓬勃的生命力，促进了人的思维方式，标志着信息与控制学科的发展远没有止境。 §3 开环控制系统与闭环控制系统 系统的定义十分广泛。在自动控制领域，系统指由内部互相联系的部件按照一定规律组成、能够完成一定功能的有机整体。 开环控制和闭环控制是控制系统的两种最基本的形式，如图1—1中(a)、(b)两图所示。 开环控制是最简单的一种控制方式。它的特点是，控制量与输出量之间仅有前向通路，而没有反馈通路。也就是说，输出量不能对控制量产生影响。从信号传递关系上，它没有形成闭合回路，故称开环控制系统。比如普通的洗衣机，设定一定的洗衣程序就开始工作，对控制目标即衣服的洁净度不作监测。由于开环控制系统结构简单、维护容易、成本低、不存在稳定性问题，因此应用于许多控制设备中。 开环控制系统的缺点是：控制精度取决于组成系统的元件的精度，因此对元器件的要求比较高。由于输出不能反馈回来影响控制量，所以输出量受扰动情号的影响比较大，系统抗干扰能力差。根据上述持点，开环控制方式仅适用于输入量已知、控制精度要求不高、扰动作用不大的情况。 比较图1-l中闭环控制系统与开环控制系统，很容易发现它们的区别。闭环控制系统不仅有一条从输入端到输出端的前向通路，还有一条从输出端到输入端的反馈通路。输出量通过一个测量变送元件反馈到输入端，与输入信号比较后得到偏差信号来作为控制器的输入，反馈的作用是减小偏差，以达到满意的控制效果。从信号传递关系上，它形成了一个闭合回路，闭环控制又称为反馈控制。 上述系统的输出量通过测量变送元件返回到系统的输入端，并与系统的输入量作比较的过程就称为反馈。如果输入量和反馈量相减则称为负反馈，反之，若二者相加，则称为正反馈，控制系统中一般采用负反馈方式。输入量与反馈量之差称为偏差信号。 §4 自动控制与自动控制系统 4.1 自动控制系统的组成及定义 自动控制系统的基本结构如图1—2所示。 1、控制系统的一些常用术语 被控对象 是指被控制的装置或者设备(如电动机、化学反应器，车床等)，一般用符号G0。表示。 设定值 希望系统输出达到的数值，也称给定值，作为系统的输入信号，一般用符号r表示。 控制量 施加给被控对象的信号，使受控对象按照一定的规律运行，一般用符号u表示。 被控变量 控制系统的输出，即被控的物理量，一般用符号y表示。 偏差信号 系统的设定值与反馈信号之差称为偏差，是控制系统中的一个重要参数，用符号e表示。 扰动信号 系统外部或者内部影响输出值的信号，它的出现会使对象输出偏离设定值。外部的扰动称为外扰，它是系统的一个输入量。内部的扰动称为内扰，也可以等价为系统的一个输入量。在设计控制系统时要采取一定的方法来减少或者消除它的影响。一般用符号f表示。 2、控制系统的组成 虽然实际当中的系统复杂多样，但是它们都是以典型的系统为基础的。控制系统由以下几部分组成。 被控对象(或者受控过程，其定义如前所述) 定值元件 用来产生设定值或参考输入。有时用独立的仪表实现，但通常是包含在控制器（模拟或数字）里。 控制器 或称调节器。通过一定的控制规律给出控制量，送到执行元件。如常规控制仪表(电动仪表，气动仪表)、可编程逻辑控制器(PLC)、工业控制计算机等都属于控制器。 执行元件 有时控制器的输出可以直接驱动被控对象。但是大多数情况下被控对象都是由执行元件驱动的，它的功能是要完成功率转换或信号转换，常称为执行机构或者执行器。常见的执行元件有步进电动机、电磁阀、气动阀、各种驱动装置等。有时将其并入控制器中一并考虑,不画出。 测量、变送元件 又称传感器，用于检测被控对象的输出量，如温度、压力、流量、位置转速等非电量，并变换成标准信号(一般是电信号)后作为反馈量送到控制器。例如各种压力传感器、流量传感器、差压变送器、测速发电机等。 比较元件 用以产生偏差信号来形成控制，有的系统以标准装置的方式配以专用的比较器，大部分是包含在控制器中。 4.2 自动控制系统的分类 自动控制系统的形式是多种多样的，按照不同的分类方法可以分成不同的类型。实际系统可能是几种方式的组合。 前面已经介绍过开环控制系统与闭环控制系统．这是按照控制原理来分类的。 1、定值控制系统、随动控制系统和程序控制 这是根据给定的参考输入信号的不同来分类的。 当系统的参考输入为恒定值或者波动范围很小，系统的输出量也要求保持恒定，这类控制系统称为恒值控制系统。例如恒温控制系统和转速控制系统等。 随动控制系统又称伺服控制系统，其参考输入值不断地变化，而且变化规律未知。控制的目的是使得系统的输出量能够准确地跟踪输入值的变化。随动控制系统常用于军事上对于机动目标的跟踪，例如雷达跟踪系统、坦克炮塔自稳系统等。 程序控制系统的设定值也是变化的，但它是关于时间的已知函数，即设定值按照事先规定的时间程序或规律变化。这种系统在机床、金属热加工及交通控制中应用较多。 2、线性系统与非线性系统 这是根据系统数学性质的不同来分类的。非线性的微分方程或代数方程描述的是非线性系统。如：等。 由于线性系统的理论是比较成熟的。其中特别是线性定常系统，可以方便地用于系统的分析与设计，因此本书所研究和讨论的主要是线性定常系统。 3、连续时间系统与离散时间系统 这是根据时间信号的不同方式对系统分类的。当系统的输入信号与输出信号均是以连续时间函数u(t)与y(t)来表示，则称为连续时间系统。当系统的输入信号与输出信号均以离散时间量u(kT)与y(kT)来表示，则称为离散时间系统。计算机控制系统是典型的离散控制系统，两类时间信号如图1—3所示。 4、单输入—单输出系统与多输入—多输出系统 这种分类方法是从端口关系上来分类的。单输入—单输出系统与多输入—多输出系统如图1—4所示。 单输入—单输出系统(SISO)只有一个输入量和一个输出量。单输入—单输出系统是经典控制理论的主要研究对象。多输入—多输出系统(MIMO)有多个输入量和多个输出量，其主要特点是输出与输入之间呈现多路耦合，因之与单输入—单输出系统相比，系统的结构要复杂得多，本书基本不予讨论。 除了以上提到的分类方法外，自动控制系统还有其他的分类方法，如集中参数系统与分布参数系统、确定性系统与随机控制系统等。