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1、自动控制原理 电气工程及其自动化 Principles of Automatic ControlPrinciples of Automatic Control 控制理论： 自动化学科的重要理论基础 引 言 研究自动控制共同规律的技术科学 自动控制技术应用 自动控制系统 课程的性质和特点 n自动控制是一门技术学科，从方法论的角度来 研究系统的建立、分析与设计。 n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 自动控制理论 复变函数、拉普拉斯变换 大学物理（力学、热力学）
2、 课程学习要面临 n数学基础宽而深 n控制原理抽象 n计算复杂且繁琐 n绘图困难 计算机数学语言 MATLAB 数值解/解析解（数学运算） 控制理论的内容 二十世纪三项科学革命：控制论、量 子论、相对论 控制论：控制论： 经典控制理论经典控制理论 现代控制理论（智能控制理论）现代控制理论（智能控制理论） 导 读 自动化技术几乎渗透到国民经济的各个领域及社会生活 的各个方面，是当代发展最迅速、应用最广泛、最引人注 目的高科技，是推动新的技术革命和新的产业革命的关键 技术，在某种程度上说，自动化是现代化的同义词。自动 控制原理研究分析、设计自动控制系统的基本方法。 本章主要讲什么内容? 从介绍自动
3、控制的发展历史入手，引出自动控制理论分 析、设计自动控制系统的基本思想，然后介绍自动控制的 基本概念，以及对自动控制系统的基本要求，使读者对自 动控制理论的总的目标有个大致的了解。 飞机导航系统飞机导航系统 制导导弹 现代的高新技术让 导弹长上了“眼睛”和“大 脑”，利用负反馈控制 原理去紧紧盯住目标 哈勃望远镜特殊地卫星 中巴资源卫星 人造地球卫星 控制其准确地进入预定轨道运行并 回收 雷达技术 雷达操作时，天线就要不停地转动。天线的作用是 把雷达中产生的无线电波按照一定的方向向外发射出去 ，并把被反射回来的无线电波接收下来。正因为天线所 起的作用好似人的眼睛一样，因此雷达要注视和侦察整 个
4、天空的状况，天线就要不停地转动，用一个驱动马达 使天线作360度的旋转，这样它就能在360度范围内进行 “搜索”。 10 1.0 自动控制发展简史 中国古代自动化方面的成就 ： 公元前14世纪至前11世纪，中国、 埃及和巴比伦出现自动计时漏壶； 公元130年，张衡发明水运浑象， 132年研制出自动测量地震的候风 地动仪； 公元235年，马钧研制出用齿轮传 动自动指示方向的指南车，类似按 扰动补偿的自控系统； 11 中国古代自动化方面的辉煌成就： 公元725年，一行、梁令瓒发明有自动报时机构的 水运浑象，其中使用了一个天衡装置，是一个按被 调量偏差调节的自动调节器； 公元1086-1092年，苏
5、颂和韩公廉建造具有“天衡” 自动调节和自动报时机构的水运仪象台； 公元l135年，宋代王普记述“莲华漏”上使用浮子 阀门式机构自动调节漏壶的水位； 公元1637年，明代的天工开物一书中记载有 程序控制思想的提花织机结构图。 飞球调节器 世界上公认的第一个自动控制系统 1788年瓦特发明飞球 调节器，进一步推 动蒸汽机的应用， 促进了工业的发展 。 推动了社会进步是飞 球调节器公认为第一 个自动控制系统的最 主要原因！ 13 没有理论指导使控制技术停滞了一个世纪！ 飞球调节器有时使蒸汽机速度出现大幅度 振荡。其它自动控制系统也有类似现象。 由于当时还没有自控理论，所以不能从理 论上解释这一现象。
6、为了解决这个问题， 盲目探索了大约一个世纪之久。 14 自动控制理论的开端 1868年英国麦克斯韦尔的“论调速器”论文指出 ： 不应单独研究飞球调节器，必须从整个系统分 析控制的不稳定。 建立系统微分方程，分析微分方程解的稳定性 ，从而分析实际系统是否会出现不稳定现象。 这样，控制系统稳定性的分析，变成了判别微 分方程的特征根的实部的正、负号问题。 麦克斯韦尔的这篇著名论文被公认为自动控制 理论的开端。 15 经典控制理论的孕育 1875年，英国劳斯提出代数稳定判据。 1895年，德国赫尔维兹提出代数稳定判据 。 1892年，俄国李雅普诺夫提出稳定性定义 和两个稳定判据。 1932年，美国奈奎
7、斯特提出奈氏稳定判据 。 二战中自动火炮、雷达、飞机以及通讯系 统的控制研究直接推动了经典控制的发展 。 经典控制理论的形成 1948年，维纳出版控制论，形成完整的经典 控制理论，标志控制学科的诞生。 维纳成为控制论的创始人！ 维纳控制论是关于怎样把机械元件和电气元 件组合成稳定的并且具有特定性能的系统的科学 。这门新科学的一个非常突出的特点就是完全不 考虑能量、热量和效率等因素，可是，在其他各 门自然科学中，这些因素是十分重要的。 控制论所讨论的主要问题是一个系统的各个不同 部分之间的相互作用的定性性质，以及整个系统 的总体运 动状态。 空间技术促使现代控制理论的产生 现代控制理论促进了空间
8、技术的发展 二次世界大战结束后，各国大力发展空 间技术，经典控制理论不能满足需要， 需要研究新的控制理论。 现代控制理论在空间技术取得巨大成功 ，促进了空间技术的发展。 18 现代控制理论在工业过程控制方面遭遇 滑铁卢，促使了智能控制技术的诞生 现代控制理论在空间技术取得巨大成功， 但由于工业过程控制中普遍存在的不确定 性和干扰，难以取得预期的效果。模拟人 的控制技术智能控制，虽然不能实现 精确的控制，但对各种复杂系统能够做到 比较满意的控制。 经典控制理论(古典控制理论) 以传递函数为基础，研究单输入-单输出 定常控制系统的分析与设计问题： 线性控制系统分析：时域分析、稳定性与 稳态误差分析
9、、根轨迹分析、频域分析。 非线性控制系统分析：相平面分析、描述 函数分析。 （连续控制系统、离散控制系统） 现代控制理论 以状态空间法为基础，研究多输入-多输 出时变、非线性、高精度、高效能控制系 统的分析与设计问题： （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（专家系统、模糊控制、神经网 络、遗传算法） n实例（示意图） 人工（手动）控制： （1）对象：储液系统 （2）目标：液位 （3）眼睛：观察 液位变化 （4）大脑：分析、比 较、判断 （5）手/脚：动作执行 第一章 自动控制的一般概念 n实例（示意图） 自动控制：
10、（1）对象：储液系统 （2）目标：液位 （3）传感器：检测 液位变化 （4）控制器：控制功能 （5）执行器：完成控制 动作 传感器 信号 信号驱动设备 控制原理框图（控制理念） 对象 手脚 （执行器） 大脑 （ 控制器） 眼睛 （ 传感器） 控制 对象 执行装置控制器 测量装置 1.1 自动控制的概念 n自动控制：是指没有人直接参与的情况下，利 用控制装置（称控制器），使整个生产过程或 工作机械（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。 n自动控制系统：能够实现自动控制任务的系统 ，由控制器与控制对象组成。 控制对象控制器 输入量输出量 扰动量 ? n控制对象：
11、要求实现自动控制的机器、 设备或生产过程。 n控制器：对控制对象起控制作用的控制 装置总体。 n输入量：作用于控制系统输入端，并可 使系统具有预定功能或预定输出的物理 量。 n输出量：位于控制系统输出端，并要求 实现自动控制的物理量。 n扰动量：破坏系统输入量和输出量之间 预定规律的信号。 自动控制系统控制原理方框图 控制 对象 执行装置控制器 测量装置 控制器 比较环节 输入量 偏差 测量值 输出量 控制量 扰动量 控制动作 广义对象 自动控制装置 元素： （1） ：元件 （2） ：信号（物理量）及传递方向 （3） ：比较点（信号叠加） （4） ：引出点（分支、信号强度） （5）+/- ：符
12、号的意义（正、负反馈） 炉温控制系统方框图 (-) ut ug 扰动 给定 装置 放大器 电动机 转速反 馈装置 触发器 晶阐管可 控整流器 控 制 装 置 受控对象 n 方框图 ue udo RP1 ug R0 R0 R1 -utRP2 - + - + + TG Mudo uc 直流电机调 速系统 + 关键点： n工作原理 n输入输出 n被控对象 n中间环节 n信号传递 (自动控制系统方块图的绘制) 控制系统 1.2 控制原理与方式 1.开环控制 开环控制系统是指无被控量反馈的控制系统,即 需要控制的是被控对象的某一量(被控量),而测量的 只是给定信号,被控量对于控制作用没有任何影响的 系统
13、。结构如图所示。 控制器控制器控制对象控制对象 扰动扰动 给定值给定值输出量输出量 控制器控制器控制对象控制对象 扰动扰动 输出量输出量 测量装置测量装置 按给定值操纵的开环控制按给定值操纵的开环控制 原理方框图原理方框图 按扰动补偿的开环按扰动补偿的开环 控制控制 原理方框图原理方框图 信号由给定值至被控量单向传递。这种控制较简单, 但有较大的缺陷,即对象或控制装置受到干扰,或工作中特 性参数发生变化,会直接影响被控量,而无法自动补偿。因 此,系统的控制精度难以保证。从另一种意义理解,意味着 对受控对象和其它控制元件的技术要求较高。如数控线 切割机进给系统、包装机等多为开环控制。 2.反馈控
14、制 闭环控制（核心） 闭环控制的定义是有被控制量反馈的控制,其 原理框如图所示。从系统中信号流向看,系统的输 出信号沿反馈通道又回到系统的输入端,构成闭合 通道,故称闭环控制系统,或反馈控制系统。 前/正向通道 反/负向通道 这种控制方式,无论是由于干扰造成,还是由于 结构参数的变化引起被控量出现偏差,系统就利用 偏差去纠正偏差,故这种控制方式为按偏差调节。 闭环控制系统的突出优点是利用偏差来纠正 偏差,使系统达到较高的控制精度。但与开环控制 系统比较,闭环系统的结构比较复杂,构造比较困难 。需要指出的是,由于闭环控制存在反馈信号,利用 偏差进行控制,如果设计得不好,将会使系统无法正 常和稳定
15、地工作。另外,控制系统的精度与系统的 稳定性之间也常常存在矛盾。 开环控制和闭环控制方式各有优缺点,在实际工程 中应根据工程要求及具体情况来决定。如果事先预知 输入量的变化规律,又不存在外部和内部参数的变化,则 采用开环控制较好。如果对系统外部干扰无法预测,系 统内部参数又经常变化,为保证控制精度,采用闭环控制 则更为合适。如果对系统的性能要求比较高,为了解决 闭环控制精度与稳定性之间的矛盾,可以采用开环控制 与闭环控制相结合的复合控制系统。 （3）.复合控制 控制器控制器控制对象控制对象 扰动扰动 输出量输出量输入量输入量 补偿器补偿器 控制器控制器控制对象控制对象 扰动扰动 输出量输出量输入量输入量 补偿器补偿器 1.3 自动控制系统的组成及术语 典型反馈控制系统的原理如图所示 (1)被控对象:它是控制系统所控制和操纵的对象, 它接受控制量并输出被控制量。 (2)控制器:接收变换和放大后的偏差信号,转换为 对被控对象进行操作的控制信号。 (3)放大变换环节:将偏差信号变换为适合控制器 执行的信号。它根据控制的形式、幅值及功率来 放大变换。 (4)校正装置:
