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1、浙江大学能源工程学系浙江大学能源工程学系能源与环境系统工程能源与环境系统工程 课程内容 第1章 绪论 第2章 数学基础 第3章 控制系统的数学模型 第4章 时域分析 第5章 根轨迹法 第6章 频域分析法 第7章 控制系统的校正 第8章 状态空间分析法 *自动控制原理1 浙江大学能源工程学系浙江大学能源工程学系能源与环境系统工程能源与环境系统工程 自动控制理论 *自动控制原理2 浙江大学能源工程学系浙江大学能源工程学系能源与环境系统工程能源与环境系统工程 *自动控制原理3 课程内容 第1章 绪论 第2章 数学基础 第3章 控制系统的数学模型 第4章 时域分析 第5章 根轨迹法 第6章 频域分析法
2、 第7章 控制系统的校正 第8章 状态空间分析法 浙江大学能源工程学系浙江大学能源工程学系能源与环境系统工程能源与环境系统工程 *自动控制原理4 第一章第一章 绪论绪论 p 1.1 引言 p 1.2 开环控制系统与闭环控制系统 p 1.3 自动控制系统的分类和组成 p 1.4 控制系统的基本要求 p 1.5 自动控制系统的应用实例 p 1.6 自动控制理论发展简史 浙江大学能源工程学系浙江大学能源工程学系能源与环境系统工程能源与环境系统工程 1.1 1.1 引言引言 *自动控制原理5 一、基本概念 浙江大学能源工程学系浙江大学能源工程学系能源与环境系统工程能源与环境系统工程 人工水位调节过程
3、观测水位-大脑确定如何开阀门- 调节进水阀门 (观测偏差) (决策，控制规律) 方框图 *自动控制原理6 大脑大脑手与阀门手与阀门水箱水箱 眼睛眼睛 希望液面高度希望液面高度h0h0 实际液面高度实际液面高度h1h1 浙江大学能源工程学系浙江大学能源工程学系能源与环境系统工程能源与环境系统工程 *自动控制原理7 1 被控对象：要求实现控制的机器、设备或生产 过程。 2 被控量：要求实现控制的物理量。 3 设定值：被控量的希望值。 4 扰动：使被控量偏离希望值的因素。 浙江大学能源工程学系浙江大学能源工程学系能源与环境系统工程能源与环境系统工程 *自动控制原理8 5 控制(Control)：根据
4、某种原理或方法，使特定 对象（被控对象）的某些物理量（被控量）按 照预期规律变化的操纵过程。 6 人工控制(Manual Control)：由人直接或间接操 作执行装置的控制方式。 7 自动控制(Automatic Control)：无需人去直接 或间接操纵执行机构，利用控制装置来控制被 控量，使其自动地按预定的规律变化的过程。 8 控制系统(Control System)：就是通过执行规定 的功能来实现某一给定目标的一些相互关联单 元的组合。由控制装置和被控对象组成。 浙江大学能源工程学系浙江大学能源工程学系能源与环境系统工程能源与环境系统工程 *自动控制原理9 液面高度自动控制系统： 浙江
5、大学能源工程学系浙江大学能源工程学系能源与环境系统工程能源与环境系统工程 *自动控制原理10 液面高度自动控制系统图： 浙江大学能源工程学系浙江大学能源工程学系能源与环境系统工程能源与环境系统工程 *自动控制原理11 1.21.2开环控制系统和闭环控制系统开环控制系统和闭环控制系统 控制系统根据信息传送的特点或系统的结 构特点可分为： 开环控制系统 闭环控制系统 复合控制系统（同时具有开环结构和闭环 结构） 浙江大学能源工程学系浙江大学能源工程学系能源与环境系统工程能源与环境系统工程 *自动控制原理12 一、开环控制系统 开环控制系统（Open-Loop Control System）：控 制
6、装置与对象之间只有顺向作用，没有反向联 系的控制系统。 开环控制系统可用下图表示： 只有输入量的前向控制作用，输出量并不反馈回 来影响输入量的控制作用。 控制器 被控制 对象 扰动 因素 控制 信号 被控 制量 输 入 量 浙江大学能源工程学系浙江大学能源工程学系能源与环境系统工程能源与环境系统工程 开环系统的优点 结构简单，系统稳定性好，调试方便，成本低. 开环控制的缺点 抗扰动能力差 *自动控制原理13 浙江大学能源工程学系浙江大学能源工程学系能源与环境系统工程能源与环境系统工程 二、闭环控制系统 闭环控制系统(Close-Loop Control System)：控 制装置与对象之间既有
7、顺向作用，又有反向联 系的控制系统。 又称反馈控制系统(Feedback Control System) *自动控制原理14 控制器 被控 对象 反馈 环节 扰动 被控量 控制量 参考输入 浙江大学能源工程学系浙江大学能源工程学系能源与环境系统工程能源与环境系统工程 闭环控制的优点 抑制扰动能力强，与开环控制相比，对参数变化 不敏感，并能获得满意的动态特性和控制精度。 闭环控制的缺点 引入反馈增加了系统的复杂性，如果闭环系统参 数的选取不适当，系统可能会产生振荡，甚至系 统失稳而无法正常工作。 *自动控制原理15 自动控制理论主要研究闭环控制系统 浙江大学能源工程学系浙江大学能源工程学系能源与
8、环境系统工程能源与环境系统工程 三、复合控制系统 在系统中同时引进开环控制和闭环控制，这种 系统称为复合控制系统。 复合控制系统原理图： *自动控制原理16 控制器 被控 对象 反馈 环节 扰动 被控量 控制量参考 输入 控制器 浙江大学能源工程学系浙江大学能源工程学系能源与环境系统工程能源与环境系统工程 1.31.3自动控制系统的分类和组成自动控制系统的分类和组成 一、自动控制系统的分类 1.按描述系统的动态方程分 线性系统：可以用线性方程式描述的系统。 特点在于组成系统的各环节的输入输出特性都是 线性的，系统的性能可用线性微分方程(或差分 方程)来描述。 非线性系统：必须用非线性方程式描述
9、的系统. 特点在于系统中含有一个或多个非线性环节。 *自动控制原理17 浙江大学能源工程学系浙江大学能源工程学系能源与环境系统工程能源与环境系统工程 2.按给定值的特点分 恒值调节系统：设定值为常数的控制系统。 如水位控制系统，扰动使被控量偏离设定值而出 现偏差，利用偏差该系统可使被控量回复到设 定值或接近设定值。 随动调节系统：设定值是时间的不确定函数的 控制系统。即，设定值取决于某些外来因素而 不是预先拟定的。 如锅炉送风量调节，是根据燃料量的变化而变化 ，而燃料量则随负荷需要而变化，其变化规律 不能预定。 *自动控制原理18 浙江大学能源工程学系浙江大学能源工程学系能源与环境系统工程能源
10、与环境系统工程 程序调节系统：给定值是预定的时间函数的控 制系统。 如，汽轮机启动过程中，希望转速随时间成一定 的函数关系变化。 *自动控制原理19 浙江大学能源工程学系浙江大学能源工程学系能源与环境系统工程能源与环境系统工程 3.按信号的传递是否连续分 连续系统：各部分信号都是连续形式的模拟量 的系统。 其运动规律可用微分方程描述。 *自动控制原理20 模拟调节器执行机构被控对象 测量变送器 设定值r e u 被调参数 y ym 浙江大学能源工程学系浙江大学能源工程学系能源与环境系统工程能源与环境系统工程 离散系统：至少有一处的信号是脉冲序列或数 字编码的控制系统。 数字控制系统、采样系统为
11、离散系统。 *自动控制原理21 u 计算机保持器被控对象 测量变送器 e(kT)u(kT)被调参数 y ym 采样器A/D D/A 计算机系统 设定值r 浙江大学能源工程学系浙江大学能源工程学系能源与环境系统工程能源与环境系统工程 4.系统按其参数是否随时间变化分 定常系统或时变系统。 5.按输入输出信号数目分 SISO和MIMO. *自动控制原理22 系统 )(tc)(tr 系统 )( 1 tc)( 1 tr )(trm)(tc n (a) 单变量系统 (b) 多变量系统 浙江大学能源工程学系浙江大学能源工程学系能源与环境系统工程能源与环境系统工程 6.按参数分 集中参数系统：如果在系统分析
12、与设计中，可 以把一个系统看作有限多个理想的分立部件的 总体。 集中参数系统由常微分方程描述。 分布参数系统：系统只能看作由无穷多个无穷 小的分立部件组成。 由偏微分方程描述。 *自动控制原理23 浙江大学能源工程学系浙江大学能源工程学系能源与环境系统工程能源与环境系统工程 二、基本组成 误差敏感元件：将系统的输出量与输入量进行 比较得到偏差信号； 放大元件：实现对前级微弱信号的偏差信号的 放大和变换，输出具有足够功率和满足要求的 物理量，用来推动后级的执行机构； *自动控制原理24 浙江大学能源工程学系浙江大学能源工程学系能源与环境系统工程能源与环境系统工程 执行机构：在前级送来的信号控制下
13、，完成对 被控对象的控制任务； 校正装置：用来改善个别元件或装置的工作性 能，也可以用于改善系统的性能。 *自动控制原理25 浙江大学能源工程学系浙江大学能源工程学系能源与环境系统工程能源与环境系统工程 1.4 1.4 控制系统的基本要求控制系统的基本要求 一、稳定性 1 稳定性：指控制系统偏离平衡状态后，自动恢 复到平衡状态的能力。 当系统受到扰动后，其状态偏离了平衡状态， 在随后所有时间内，如果系统的输出响应能够 最终回到原先的平衡状态，则系统是稳定的； 如果系统的输出响应逐渐增加趋于无穷，或者 进入振荡状态，则系统是不稳定的。 *自动控制原理26 浙江大学能源工程学系浙江大学能源工程学系
14、能源与环境系统工程能源与环境系统工程 稳定性 *自动控制原理27 浙江大学能源工程学系浙江大学能源工程学系能源与环境系统工程能源与环境系统工程 二、动态特性 *自动控制原理28 浙江大学能源工程学系浙江大学能源工程学系能源与环境系统工程能源与环境系统工程 对于稳定的系统，虽然理论上能够到达平衡状态 ，但还要求能够快速到达，而且，在调节过程 中，要求系统输出超过给定的稳态值的最大偏 差，即所谓的超调量不要太大，要求调节的时 间比较短。 这些性能称为动态性能。 *自动控制原理29 浙江大学能源工程学系浙江大学能源工程学系能源与环境系统工程能源与环境系统工程 三、稳态特性 稳态误差：系统给定值与系统
15、稳态输出的误差。 系统的动态性能和稳态性能常常是矛盾的。 由于控制系统的功能要求不同，所以对系统动 态性能和稳态性能的要求往往有所侧重。 *自动控制原理30 浙江大学能源工程学系浙江大学能源工程学系能源与环境系统工程能源与环境系统工程 1.51.5自动控制系统的应用实例自动控制系统的应用实例 n锅炉汽包水位控制系统 *自动控制原理31 调节器 汽包 变送器 主蒸汽 过热器 省煤器 执行器 给水调节阀 给水泵 浙江大学能源工程学系浙江大学能源工程学系能源与环境系统工程能源与环境系统工程 水位控制系统方框图 *自动控制原理32 调节器 执行器 调节阀 汽包 + - 变送器 设定 水位 SV 测量水
16、位PV 偏 差 量 DV 控 制 量 调节 位移 MV 给 水 量 实际 水位 浙江大学能源工程学系浙江大学能源工程学系能源与环境系统工程能源与环境系统工程 n导弹发射架方位控制系统 *自动控制原理33 放大器 + _ + _ + _ 输入轴 给定装置反馈装置 手轮发射架 输出轴 导弹发射架方位控制系统原理图 导弹发射架方位控制系统方块图 放大器减速器 导 弹 发射架 ua 直 流 电动机 电位器 、 浙江大学能源工程学系浙江大学能源工程学系能源与环境系统工程能源与环境系统工程 1.6 1.6 自动控制理论发展简史自动控制理论发展简史 一、早期发展 n 负反馈的起源 *自动控制原理34 具有反馈控制
