自动控制1-1绪论概要

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1、1,王划一 杨西侠 编著,2,第一章 绪论,主要内容： 1.自动控制、自动控制系统的概念 2.自动控制的两种基本方式 3.自动控制系统的类型 4.自动控制系统的要求和分析设计 5.自动控制理论的发展概况,3,第一章 绪论,1.1 引言 1.2 自动控制的基本知识 1.3 自动控制系统的基本控制方式 1.4 自动控制系统的分类及基本组成 1.5 对控制系统的要求和分析设计 1.6 自动控制理论的发展概况,4,1.1 引言,自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。,自动控制理论的发展经历了三个阶段，即,经典控制理论 现代控制理论 智能控制理论,5,经典控制理论 ( 19世纪初 ) 时域法 复

2、域法 (根轨迹法) 频域法 现代控制理论 ( 20世纪60年代 ) 线性系统 自适应控制 最优控制 鲁棒控制 最佳估计 容错控制 系统辨识 集散控制 大系统复杂系统 智能控制理论 ( 20世纪70年代 ) 专家系统 模糊控制 神经网络 遗传算法,6,自动控制原理是本学科的专业基础课，是自 动控制理论的基础课程。 该课程与其它课程的关系如下。,微积分（含微分方程）,电机与拖动,模拟电子技术,线性代数,电路理论,信号与系统,自动控制原理,复变函数、拉普拉斯变换,大学物理（力学、热力学）,MATLAB仿真,7,参考资料：,自动控制原理（第五版） 胡寿松 自动控制原理习题集 胡寿松 自动控制原理的MA

3、TLAB实现 黄忠霖 控制数学问题的MATLAB求解 薜定宇 现代控制工程（第三版） 卢伯英,8,1.2.1 自动控制问题的提出 一个简单的水箱液面，因生产和生活需要，希望液面高度h 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。,当水的流出量增大或流入量减小，平衡则被破坏，液面的高度不能自然地维持恒定。,1.2 自动控制的基本知识,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“水位恒定的要求”变得难以实现了。 所谓控制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h）维持在某种特定的标准上。,10,人工控制的方框图

4、,这种人为地强制性地改变进水量，而使液面高度维持恒定的过程，即是人工控制过程。,11,自动控制 (automatic control ) 例子。,11,自动控制的方框图,12,自动控制的实现,实际上是由设备或装置来代替人的基本功能，从而实现自动控制的。画出以上人工控制与自动控制的功能方框图进行对照。,眼睛 浮子 大脑 杠杆 手臂 连杆,13,自动控制 是指在没有人直接参与的情况下，利用外部的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。,控制器、控制装置：外部的设备或装置 被控对象：机器、设备或生产过程 被控量

5、：某个工作状态或参数 给定量：预定的规律,自动控制在现代社会中随处可见。 例如：日常生活中: 冰箱、热水器的温度自动地维持恒定；高压锅；电热水器； 热水器和马桶水箱的水位自动地维持恒定； 自动洗衣机按照设定程序自动完成洗衣过程; 电梯按照指令自动地升降到某一楼层； 自动售货机自动地收钱并给出商品； 指挥交通的红绿灯按照交警的设定自动转换指挥交通等等。,工农业生产中: 数控机床，按照预先设定程序自动的切削工件； 蔬菜或花卉大棚的温度或湿度自动地维持恒定等等； 尖端技术领域： 雷达和计算机组成的导弹发射和制导系统，自动地将导弹引导到敌方目标； 无人驾驶飞机按照期望航迹自动升降和飞行； 机器人按照人

6、的指令自动完成某项工作； 人造卫星自动并准确地进入期望轨道运行并回收； 宇宙飞船准确地在月球着陆，并重返地球等等。,机械手的控制问题,机械手有6个被控制量按照预定的规律变化。,导弹的控制问题,导弹与目标的相对距离 是被控制量，最终必须趋向于零。,高射炮的控制问题,神弓防空系统,高射炮的俯仰角和方位角 是两个被控制量。,21,22,22,24,1.2.2 自动控制中的一些术语及方框图 1.常用术语 被控对象( object,process )：要求实现自动控制的机器、 设备或生产过程。 被控量 ：要求按期望规律运行的，被控对象的某个 状态或某些参数。也称为被控对象的输出量。 控制装置（控制器）(

7、 controller )：为使被控量按期望 规律运行，而外加的设备或装置的总体。 控制量：控制装置或控制器的输出，作用于被控对象 的信号，即控制器强制性地改变的被控对象的物理量。,25,控制系统 ( control system )：为了实现各种复杂的控 制任务，被控对象和控制装置按照一定的方式连接 起来，组成一个有机整体。无人直接参与的控制系 统为自动控制系统。可用方框图（见下一页）表示。 系统的输出( output )：从系统流出的信号，即被控量。 参考输入（或给定输入）( reference input )：从外部 流入系统的信号，它代表输出的期望值。 扰动 (disturbance)

8、：干扰和破坏系统具有预定性能和 预定输出的干扰信号。产生自系统内部称内扰，否 则称外扰。,26,2.系统方框图( block diagram ) 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，用有向线段把它们依次连接起来，并标明相应的信息。,水箱液位自动控制系统的方框图,物理量或信号： 指向方框的有向线段，即流入方框的信号，表示该部分的输入量（信号）； 离开方框的有向线段，即流出方框的信号，表示该部分的输出量（信号）。 从外部流入系统的信号，表示系统的输入量（信号）， 一般置于方框图最左端； 从内部流出系统的信号，表示系统的输出量（信号），即被控量，一般置

9、于方框图最右端。,方框图的作用： 一方面，方框图描述了系统的组成、各元件的功能及相互之间的连接，对于定性分析系统工作原理，比原理图清晰。 另一方面，方框图描述了系统中信息的传递，今后在方框中写出各元件数学模型，可对各信息进行定量运算。 因此，方框图便于对系统进行定性、定量的分析，是系统理论分析的一个十分有利的工具。,在控制理论中，物理量和信号不做区别！为什么？ 在控制理论的讨论中，我们并不关心系统中各部件的详细构造，包括体积、材料、强度等，也不特别关心能量流通的路径，功率的大小，效率的高低等。我们特别注意的是“信息”的传递、“信息”传递的路径、“信息”的变换等。 控制过程的实质是信息的获取、传

10、递、处理和利用的过程。 这是控制理论区别于其他专业的根本标志。 因此“信息”的观点是一个非常重要的观点。,31,1.3.1 开环控制 (openloop control ) 定义：控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系。 开环控制（系统）的典型方框图如图所示。,1.3 自动控制系统的基本控制方式,特点：（1）开环控制是最简单的一种控制方式。 （2）系统的输出量（即被控量）不会对系统的 控制作用发生影响。 （3）控制作用（或信号）的传递路径不是闭合 的。因此称为开环。,32,开环控制的两种形式： （1）按给定控制 其控制作用直接由系统的输入量产生，给定一个输入量，就有一个输出量与之相对

11、应。 （2）按扰动控制 是利用可测量的扰动量，产生一种补偿作用，以减小或抵消扰动对输出量的影响。 这种控制方式也称为顺馈控制。,33,1.按给定控制 下图是一个直流电动机转速控制系统。,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。以上的控制过程，用方框图简单直观地表示出来。,34,2.按扰动控制 图示是一个按扰动控制的直流电动机转速控制系统。,控制过程可用方框图表示成如图示的形式。,35,把负载变化视为外部扰动输入，对输出转速产生的影响及控制补偿作用，分别沿箭头的方向从输入端传送到输出端，作用的路径也是单向的，不闭合的。因此，为开环控制。

12、按扰动控制的抗扰动性好，控制精度也较高，但只能对可测扰动进行补偿，对不可测扰动无法控制。,36,开环控制的优点： 结构简单、调整方便、成本低。 开环控制的缺点： 若系统有外界扰动时，系统输出量不可能有准确的数值，即开环控制精度不高，或抗干扰能力差。,开环控制系统的应用实例：,自动洗衣机；自动售货机,简易数控机床；数控线切割机。,交通指挥红绿灯,37,自动售货机和 数控线切割机,38,1.3.2 闭环控制（反馈控制）(closed control ) 定义：控制装置与被控对象之间，不仅存在着正向作用，而且存在着反馈作用的控制。,闭环控制（系统）的典型方框图如图所示。,反馈：将输出量送回到系统的输

13、入端，并与输入量相 比较的过程。 负反馈：输入信号与反馈信号相减，其差为偏差信号。 正反馈：输入信号与反馈信号相加。,39,闭环控制的特点： （1）系统的输出量（即被控量）对控制作用发生影响。 （2）控制作用（或信号）的传递路径是闭合的。 （3）闭环控制是最基本、应用最广泛的一种控制方式。,40,直流电动机转速闭环控制的例子。,41,自动控制 (automatic control ) 例子。,41,自动控制的方框图,42,43,反馈控制原理： 控制装置对被控对象所施加的控制作用，取自被控量的反馈信息，即控制装置根据实际输出来修正控制作用，实现对被控对象的控制。 正是由于引入了反馈信息，使整个控

14、制过程成为闭合的。因此，基于反馈控制原理的控制，叫做闭环控制。 在闭环控制中，其控制作用的基础是被控量与给定值之间的偏差，也称按偏差控制。 人本身就是一个具有高度复杂控制能力的闭环系统。比如，人可以用手拿到放在桌上的书等物，体现了闭环控制的原理。,44,闭环控制的优点： 因采用了反馈，使得系统的输出对外部干扰和内部系统的参数变化均相当不敏感，提高了控制精度。有可能采用不太精密且成本较低的元件构成精密的控制系统。 闭环控制的缺点： （1）采用的元件数量比相应的开环控制系统要多，因此所需成本功率通常比较高。 （2） 存在稳定性问题。,45,复合控制 工程上常采用复合控制的方法，就是把开环控制和闭环

15、控制结合起来使用。复合控制实质上是在闭环控制回路的基础上，附加一个输入信号（给定或扰动）的顺馈通路，对该信号实行加强或补偿，以达到精确的控制效果。,常见的方式有以下两种：,46,1.附加给定输入补偿,通常，附加的补偿装置可提供一个顺馈控制信号，与原输入信号一起对被控对象进行控制，以提高系统的跟踪能力。,47,2.附加扰动输入补偿 该种复合控制方框图。附加的补偿装置所提供的控制作用，主要起到对扰动影响“防患未然”的效果。,48,1.4 自动控制系统的分类,1.4.1 按给定信号的特征划分 给定信号是系统的指令信息。它代表了系统希望的输出值，反映了控制系统要完成的基本任务和职能。 1.恒值控制系统：给定信号为一个常值，希望输出（被控量）维持在某一特定值上。 液位控制系统，直流电动机调速系统，工业过程中 恒温、恒压、恒速等控制系统。 主要任务：当被控量受到扰动偏离期望值时，通过自动调节，使被控量尽快恢复到期望值。,49,2.随动控制系统：给定信号的变化规律是事先不能确定的随机信号。 高炮自动瞄准系统、雷达跟踪系统、航天、航海中的自动导航系统、自动驾驶系统等。 主要任务：使被控量快速、准确地跟随给定值的变化而变化，因此称为随动控制系统。 3.程序控制系统：给定信号按事先预定的规律变化。 机床数控加工系统、自动洗衣机等。 主要任务：使被控量准确地按照预定的规律来改变。,50,神弓防空系