1、1 1第章 绪 论第1章 绪 论1.1自动控制系统的一般概念1.2自动控制系统的基本控制方式1.3自动控制系统的分类1.4对自动控制系统性能的基本要求1.5基于MATLAB的控制系统分析与设计小结习题2 2第章 绪 论1.1自动控制系统的一般概念所谓自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用控制装置(或控制器)操作被控对象的某个状态或参数，使其按预设定的规律自动运行。自动控制技术在工农业生产、军事及航空航天领域都得到了广泛应用。例如，在工业上，机器设备的速度控制，锅炉的温度和压力控制，数控机床按照预定的程序自动地切削工件等；在军事上，雷达和火炮自动跟踪目标的随动控制，导弹自动制导控制等；在航空
2、航天方面，人造卫星及宇宙飞船能准确地进入预定轨道并返回地面控制等，都是自动控制技术的具体应用。3 3第章 绪 论在这些自动控制系统实例中，尽管功能、结构不同，但它们都由控制装置和被控对象组成，我们称之为系统。自动控制原理是研究自动控制技术的基础理论，主要研究自动控制系统的组成、分析与设计。其发展过程一般可分为以下三个阶段：(1)20世纪4060年代，称为“经典控制理论”时期。经典控制理论主要解决单输入单输出问题，主要采用传递函数、频率特性、根轨迹为基础的频域分析方法。此阶段所研究的系统大多是线性定常系统；对非线性系统，分析时采用的相平面法一般不超过两个变量。4 4第章 绪 论(2)20世纪60
3、70年代，称为“现代控制理论”时期。在这个时期，计算机技术的飞速发展推动了自动控制技术的发展。此阶段所采用的状态空间法，可以解决多输入多输出问题；系统既可以是线性的、定常的，也可以是非线性的、时变的。(3)20世纪70年代末至今，控制理论主要在“大系统理论”和“智能控制”方面发展。前者是用控制和信息的观念，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理论；后者研究与模拟人类智能活动及其信息传递过程的规律，研究人工智能的工程控制与信息处理系统。5 5第章 绪 论近年来，随着计算机和信息技术的迅速发展，自动控制理论的发展已经超越了学科界限，朝着以控制论、信息论和仿生学为基础的智
4、能控制方向发展。6 6第章 绪 论1.2自动控制系统的基本控制方式自动控制系统的形式是多种多样的，对于某一个具体的系统，采用什么样的控制手段，要视具体的用途和目的而定。1.2.1开环控制方式开环控制是一种最简单的控制方式，其特点是，在控制器与被控对象之间只有正向控制作用而没有反馈控制作用，即系统的输出量对控制量没有影响。开环控制系统的框图如图1-1所示。7 7第章 绪 论图1-1开环控制系统8 8第章 绪 论由图可见，这种控制系统结构简单，对于每一个参考输入量，都有一个相应的输出量与之对应。系统的精度主要取决于元器件的精度、系统的调整精度及被控对象的状态。当系统的内部干扰和外部干扰影响不大、精
5、度要求不高时，可采用开环控制方式。这种控制系统由于没有输出反馈，对控制量没有任何影响，因此系统没有消除或减少偏差的功能，这是开环系统最大的缺点。9 9第章 绪 论例如，图1-2(a)是一个直流电动机开环控制系统。图中,电动机是电枢控制的直流电动机，要求带动负载以一定的转速转动。其电枢电压由功率放大器提供，当调节电位器滑臂位置时，可以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。图1-2(b)是它的框图，该系统的控制精度完全取决于所用元件性能的优劣及校准的精度。这种开环控制方式的作用路径不闭合，结构简单、调整方便、成本低，应用在很多场合，如自动售货机、自动洗衣机、数控
6、机床等。10 10第章 绪 论图1-2开环直流调速系统11 11第章 绪 论1.2.2闭环控制方式若将输出量反馈到系统的输入端，并与参考输入量进行比较，则构成闭环控制系统，框图如图1-3所示。其特点是，控制作用不是直接来自给定输入，而是系统的偏差信号，由偏差信号对控制对象进行控制；系统被控量的反馈信息又反过来影响系统的偏差信号，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一个闭环。闭环控制的实质是利用负反馈作用来减小系统的输出误差，故又称闭环控制为反馈控制。12 12第章 绪 论图1-3闭环控制系统13 13第章 绪 论闭环控制实例如图1-4(a)所示，为直流电动机闭环控制
7、系统，图1-4(b)为其控制方框图。该系统在原有开环控制的基础上，增加了一个由测速发电机构成的反馈回路，用来检测输出的转速，并给出与电动机转速成正比的反馈电压。将这个代表实际输出转速的反馈电压与代表希望输出转速的给定电压进行比较，所得出的偏差信号将作为产生控制作用的基础，通过功率放大器来控制电动机的转速。在控制过程中，只要偏差存在，控制作用就总是存在，控制的最终目的是减少偏差，提高控制精度。14 14第章 绪 论图1-4直流电动机闭环控制系统15 15第章 绪 论 控制过程如下：当系统受到扰动影响时，例如负载增大，则电动机的转速降低，测速发电机的端电压减小；在给定电压不变时，则偏差也会增大，使
8、功率放大器的输入电压增加，电动机的电枢电压升高，使转速增加。反之亦然，这样就抑制了负载扰动对电动机转速的影响。同样，对其它扰动因素，只要影响到输出转速的变化，上述调节过程就会自动进行，从而保证系统的控制精度，提高抗干扰能力。16 16第章 绪 论1.2.3其它控制方式1.最优控制最优控制是要求控制系统实现对某种性能标准的最佳控制。它通常要求优质、高产、低耗、高效率，一般与时间、燃料消耗、能源供给等有关。例如，钢铁冶炼过程中往往希望时间最短或燃料最省；远程飞机希望实现每单位体积燃料的最大飞行距离，以提高飞机的远航能力等。其中，最简单的一种最优控制是时间最优控制，它在自动化仪表、电机电压控制及轧钢
9、机控制中得到了广泛应用。17 17第章 绪 论 2.自适应控制 自适应控制有自动适应的能力，即当系统特性或元件参数变化或扰动作用很剧烈时，它能自动测量这些变化并自动改变系统结构与参数，使系统适应环境的变化并始终保持最优的性能指标。例如，飞机的位置能随飞行高度、速度而变化；导弹质量重心能随燃料消耗而变化等，这时，必须采用自适应控制才能保持最优控制性能。18 18第章 绪 论3.智能控制智能控制是自动控制发展的高级阶段，是人工智能、控制论、系统论和信息论等多种学科的高度综合与集成，是一门新的交叉前沿学科。从广义上讲，智能控制是研究对复杂的不确定性被控对象(过程)采用人工智能的方法有效地克服系统的不
10、确定性，使系统从无序到期望的有序状态转移的方法及其规律。19 19第章 绪 论1.3自动控制系统的分类随着科学技术的发展，自动控制系统的应用已经渗透到各个领域，且形式多种多样，性能与结构各异，因此可以从不同角度对其进行划分。下面列出几种分类方法。2020第章 绪 论1.3.1按给定量的变化规律分类1.恒值控制系统当系统的输入为恒定量时，能克服扰动量对系统的影响，使输出量为对应于输入量的恒定值，这类系统称为恒值控制系统。例如，工业中采用的液位控制系统、直流电动机调速系统，及其它恒定压力、恒定流量、恒定温度等系统都属于这类系统。21 21第章 绪 论2.随动系统(又称伺服系统)如果输入信号为预先未
11、知的随时间任意变化的函数，要求输出量精确地、快速地跟随输入信号，则这类系统称为随动系统。随动系统在工业、国防中有着极为广泛的应用，例如火炮自动控制系统、雷达跟踪系统、自动驾驶系统、函数记录仪、自动导航系统等都属于这类系统。2222第章 绪 论3.程序控制系统如果系统的输入量按既定规律变化，系统的控制过程按预定的程序进行，则这类系统称为程序控制系统。例如数控机床控制系统，其输入命令是根据加工要求，事先编制好的程序。2323第章 绪 论1.3.2按系统的特性分类1.线性系统当系统中各元件的输入、输出特性是线性特性，系统的状态和性能以线性微分方程或差分方程来描述时，这种系统称为线性系统。线性系统的主
12、要特性是具有齐次性和叠加性；系统的时间响应特性与初始状态无关。根据表示线性系统的方程的系数是否是时间的函数，也可将线性系统分为线性定常系统和线性时变系统。若线性微分方程的各项系数均为与时间无关的常数，则为线性定常系统；若线性微分方程的系数中有时间函数项，则称为线性时变系统。2424第章 绪 论2.非线性系统 当系统中有一个非线性特性元件时，则系统的微分方程只能由非线性方程来描述，这样的系统称为非线性系统。非线性系统也有定常系统和时变系统之分，非线性常系数微分方程没有完整统一的解法，在数学上较难处理，不能应用叠加原理，研究起来也不方便，所以只能在一定条件下用近似分析的方法来处理。2525第章 绪
13、 论1.3.3按系统的信号形式分类1.连续控制系统若系统中各元件的输入量和输出量均为时间的连续函数，则这类系统称为连续系统。这类系统的运动规律可用微分方程来描述。2626第章 绪 论2.离散控制系统在控制系统中，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般采用差分方程来描述。对连续信号采样，可以得到离散的脉冲序列，再对脉冲序列进行量化，可以得到序列的数字信号。通常把数字序列形成的离散系统称为数字控制系统。计算机控制系统是典型的数字控制系统，其结构框图如图1-5所示。2727第章 绪 论图1-5典型的计算机控制系统框图2828第章 绪 论1.3.4按系统的输入
14、与输出信号的数量分类1.单变量系统(SISO,Simple Input Simple Output)所谓单变量系统，是指不考虑系统内部的通路与结构，只有一个输入量和一个输出量的控制系统，其构成框图如图1-6所示。单变量系统是经典控制理论的主要研究对象，也是本课程主要研究的内容。2929第章 绪 论图1-6单变量系统构成框图3030第章 绪 论2.多变量系统(MIMO,Multiple Input Multiple Output)多变量系统有多个输入量和多个输出量，其特点是变量多、回路也多，且相互之间出现多路耦合。多变量系统构成框图如图1-7所示。多变量系统是现代控制理论研究的主要对象，以状态空
15、间法分析为基础。除此之外，还可以从其它角度将控制系统分为确定性系统和非确定性系统、集中参数系统和分布参数系统等。31 31第章 绪 论图1-7多变量系统构成框图3232第章 绪 论1.4对自动控制系统性能的基本要求实际的控制系统多种多样，对每一个控制系统都有不同的特殊要求，但对所有的控制系统来说，都有最基本的要求，那就是稳定性、快速性和准确性。3333第章 绪 论1.稳定性如果系统受到干扰后偏离了原来的工作状态，当扰动消失后，能自动回到原工作状态，则称这样的系统是稳定的；反之，当扰动消除后，系统的输出趋于无穷或进入振荡状态，则称这样的系统是不稳定的。稳定性是对系统的基本要求，是保证系统正常工作
16、的前提，不稳定的系统不能实现预定任务。稳定性通常由系统内部的结构决定，与外界因素无关。3434第章 绪 论2.快速性对过渡过程的形式和快慢提出的要求，一般称为动态性能。动态性能是指系统过渡过程的快速性和振荡性。由于系统总是包含一些惯性元件，因此系统的输出跟随输入的变化总是有一定的延迟，这个时间越短，快速性就越好。又由于有些系统的阻尼比较小，因此系统从一个稳态进入另一个稳态时，要经过若干次衰减振荡，如图1-8所示，且在振荡过程中会出现超调现象。3535第章 绪 论图1-8控制系统稳定性示意图(阶跃输入)3636第章 绪 论3.准确性系统的准确性用稳态误差来衡量，也就是指系统的控制精度。对一个稳定
17、的系统而言，过渡过程结束后，系统输出量的实际值与期望值之差称为稳态误差，它是衡量系统控制精度的重要指标。稳态误差越小，表示系统的准确性越好，控制精度越高。3737第章 绪 论 1.5基于MATLAB的控制系统分析与设计MATLAB是由美国Mathworks公司推出的一种科学计算和工程仿真软件，它的名称源自Matrix Laboratory，专门以矩阵的形式处理数据。MATLAB 将高性能的数值计算和可视化编程集成在一起，并提供了大量的内置函数，具有强大的矩阵计算和绘图功能，从而被广泛地应用于科学计算、控制系统、信息处理等领域的分析、仿真和设计工作中。3838第章 绪 论目前，MATLAB 产品
18、族的功能包括：数值分析；数值和符号计算；工程与科学绘图；控制系统的设计与仿真；数字图像处理；数字信号处理；通信系统设计与仿真；财务与金融工程。3939第章 绪 论本书在介绍传统自动控制理论的同时，也将这一功能强大的计算机辅助工具列入本课程的教学内容中，穿插学习MATLAB在控制系统分析设计中的应用，初步了解如何利用MATLAB软件来解决控制系统设计的部分实际问题。4040第章 绪 论1.5.1MATLAB 7.0的界面环境双击Windows桌面上的快捷图标，会出现如图1-9所示的MATLAB 7.0启动画面，首次启动后的界面窗口如图1-10所示。MATLAB 7.0的工作环境主要由MATLAB
19、 主窗口、Command Window(命令窗口)、Workspace(工作空间窗口)、Current Directory(当前目录窗口)、Command History(命令历史窗口)等部分组成。对这些窗口的认识是掌握MATLAB 7.0的基础。下面将对主要窗口作简单介绍。41 41第章 绪 论图1-9MATLAB 7.0启动画面4242第章 绪 论图1-10MATLAB 7.0首次启动后的画面4343第章 绪 论1.5.2MATLAB 7.0主窗口MATLAB主窗口是MATLAB的主要工作界面，主窗口除了嵌入一些子窗口外，还包括菜单栏和工具栏。1.菜单栏在MATLAB 7.0主窗口的菜单栏
20、中，共包含File、Edit、Debug、Desktop、Window和Help 6个菜单项。File菜单项：实现有关文件的操作。Edit菜单项：主要用于命令窗口的编辑操作。4444第章 绪 论 Debug菜单项：主要用于设置MATLAB集成环境的调试方式。Desktop菜单项：主要用于设置MATLAB的窗口和工具栏的操作。Window菜单项：只包含一个子菜单Close all Documents，用于关闭所有打开的编辑器窗口，包括Command Window、Workspace、Current Directory和Command History窗口。Help菜单项：用于提供帮助信息。4545
21、第章 绪 论2.工具栏MATLAB 7.0主窗口的工具栏中提供了10个命令按钮，这些命令按钮均有对应的菜单命令，但比菜单命令使用起来更快捷、方便。4646第章 绪 论1.5.3Command Window(命令窗口)Command Window是MATLAB的主要交互窗口，用于输入命令并显示除图形以外的所有执行结果。MATLAB命令窗口中的“”为命令提示符，表示MATLAB正处于准备状态。在命令提示符后键入命令并按下回车键后，MATLAB就会解释执行所输入的命令，并在命令后面给出计算结果。执行完后，提示符“”依然存在，表示MATLAB又处于新的准备状态，如图1-11所示。4747第章 绪 论图
22、1-11Command Window4848第章 绪 论MATLAB的常用窗口命令如下：clc：清除Command Window里的内容。home：光标回到窗口的左上角。clf：清除当前Figure窗口的所有非隐藏对象。close：关闭当前Figure窗口。close all：关闭所有Figure窗口。4949第章 绪 论1.5.4Workspace(工作空间窗口)Workspace是MATLAB用于存储各种变量和结果的内存空间。该窗口用来显示工作空间中所有变量的名称、大小、字节数和变量类型说明，可对变量进行观察、编辑、保存和删除。在MATLAB中，不同的数据类型对应不同的变量名图标，如图1-
23、12所示。5050第章 绪 论图1-12Workspace51 51第章 绪 论1.5.5Current Directory(当前目录窗口)1.当前目录窗口当前目录是指MATLAB运行文件时的工作目录，只有在当前目录或搜索路径下的文件、函数才可以被运行或调用。在当前目录窗口中可以显示或改变当前目录，还可以显示当前目录下的文件并提供搜索功能。5252第章 绪 论2.MATLAB的搜索路径当用户在MATLAB命令窗口输入一条命令后，MATLAB会按照一定次序寻找相关的文件。基本的搜索过程是：(1)检查该命令是不是一个变量。(2)检查该命令是不是一个内部函数。(3)检查该命令是否是当前目录下的M文件
24、。(4)检查该命令是否是MATLAB搜索路径中其它目录下的M文件。MATLAB当前目录窗口及搜索路径如图1-13所示。5353第章 绪 论图1-13Current Directory5454第章 绪 论1.5.6Command History(命令历史窗口)命令历史窗口如图1-14所示。在默认设置下，命令历史窗口中会自动保留自安装起所有用过的命令的历史记录，并且还标明了使用时间，从而方便用户查询。而且，通过双击命令可进行历史命令的再运行。如果要清除这些历史记录，则可以选择Edit菜单中的Clear Command History命令。若要从窗口中删除命令，则只需选中想要删除的命令，单击右键选择
25、Delete Selection命令即可。5555第章 绪 论图1-14Command History5656第章 绪 论1.5.7启动平台窗口和Start按钮MATLAB 7.0的启动平台窗口可以帮助用户方便地打开和调用MATLAB的各种程序、函数和帮助文件。MATLAB 7.0主窗口左下角还有一个Start按钮，单击该按钮会弹出一个菜单，选择其中的命令可以执行MATLAB产品的各种工具，并且可以查阅MATLAB包含的各种资源。5757第章 绪 论1.5.8MATLAB帮助系统1.帮助系统单击主窗口中的Help菜单，再单击“MATLAB help”子菜单，可进入MATLAB的联机帮助系统。2
26、.演示系统单击主窗口中的Help菜单，再单击“Demos”子菜单，然后在其中选择相应的演示模块，或者在命令窗口输入Demos，可打开演示系统。5858第章 绪 论3.远程帮助系统单击主窗口中的Help菜单，选择“Web Resources”中的“The Mathworks Web Site”子菜单，在Mathworks公司的主页(http:/)上可以找到很多有用的信息，国内的一些网站也有丰富的信息资源。5959第章 绪 论小结(1)自动控制系统是指在没有人直接参与的情况下，利用控制装置操作被控对象的某个状态或参数，使其按预设定的规律自动运行的系统。自动控制原理的发展经历了三个阶段。(2)自动控
27、制系统的基本控制方式有开环控制、闭环控制和其它控制方式(最优控制、自适应控制和智能控制等)。6060第章 绪 论(3)自动控制系统按给定量的变化规律分为恒值控制系统、随动控制系统和程序控制系统；按系统的特性分为线性系统和非线性系统；按系统的信号形式分为连续控制系统和离散控制系统；按系统的输入与输出信号的数量分为单变量系统和多变量系统。(4)对自动控制系统性能的基本要求为稳定性、快速性和准确性。(5)MATLAB 7.0软件的基本介绍。61 61第章 绪 论习题1-1试举几个开环与闭环自动控制系统的例子，画出它们的方框图，并说明它们的工作原理。1-2比较开环控制和闭环控制的区别及优缺点。1-3恒值、随动和程序控制系统的主要区别是什么？6262第章 绪 论1-4判定下列方程式描述的系统是否是线性或定常系统(其中y(t)为输出，x(t)为输入)。6363第章 绪 论1-5电冰箱制冷系统工作原理如题图1-1所示，继电器的输出电压ua是加给压缩机的电压。简述其工作原理，并指出控制对象、执行元件、测量元件、被控变量、参考输入，绘出系统元件框图。6464第章 绪 论题图1-1电冰箱制冷系统原理图
