自动控制的一般概念(1)

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1、自动控制原理自动控制原理自动化自动化Principles of Automatic ControlPrinciples of Automatic Control控制理论： 自动化学科的重要理论基础引引 言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课程的性质和特点 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。 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）课程学习要面

2、临课程学习要面临 数学基础宽而深 控制原理抽象 计算复杂且繁琐 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?从介绍自动控制的发展历

3、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。 军事、航天领域火炮、雷达、跟踪系统；人造卫星、宇宙飞船。 工业生产过程工业生产过程轧钢过程化工水泥制造造纸疫 情 检 测自 动 灌 概农 产 品 质 量 检 测 农业生产过程农业生产过程10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

4、的指南车，类似按 扰动补偿的自控系统；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！自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所12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。为了解决这个问题， 盲目探索了大约一个世纪之久。 自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所13自动控制理论的开端 1868年英国麦克

5、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。14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。

6、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！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。17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

7、意的控制。1.1.经典控制理论经典控制理论( (古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 线性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、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）2.2.现代控制理论现代控制理论 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）第

8、一章第一章 自动控制的一般概念自动控制的一般概念 1.1 自动控制的基本原理与方式 1.2 自动控制系统示例 1.3 自动控制系统的分类 1.4 对自动控制系统的基本要求 1.5 对本课程的基本要求本章重点： 了解自动控制的一些基本概念； 了解闭环控制系统的组成和基本环节； 掌握反馈控制系统的基本要求； 学会分析系统工作原理并绘制原理方块图；1.1 1.1 自动控制的概念自动控制的概念 1.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。 2.自动控制系统：能够实 现自

9、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测量装置 控制对象：要求实现自动控制的机器、设备或生 产过程。 控制器：对控制对象起控制作用的控制装置总体 。 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。 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。 扰动量：破坏系统输入量和输出量之间预定规律 的信号。3.3.自动控制系统控制原理方框图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）

10、 ：比较点（信号叠加）（4） ：引出点（分支、信号强度） （5）+/- ：符号的意义（正、负反馈）炉温控制系统方框图(-) utug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ueudoRP1ugR0R0R1-utRP2-+-+TGMudouc直流电机调速系统+关键点：关键点： 工作原理 输入输出 被控对象 中间环节 信号传递控制系统给定值输出量 典型开环控制的方框图典型开环控制的方框图控制器被控制 对象扰动1.1.开环控制开环控制指无被控量反馈的控制系统，控制装置与被控对 象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制。1.2 1.2 控制原理与方

11、式控制原理与方式 （1 1）按给定值操纵的开环控制）按给定值操纵的开环控制温度计加热电阻丝u220Vk炉温开环控制系统开关闭合后，不 同的输入电压u对应于 不同的温度t。输出量受控对象控制装置(电源 )输入量(温度)扰动量开关电炉恒温箱加热电阻丝炉温开环控制系统方框图按给定值操纵的开环控制特点：控制装置只按给定值来控制受控对象优点：控制系统结构简单，相对来说成本低。缺点：对可能出现的被控量偏离给定值的偏差没有 任何修正能力，抗干扰能力差，控制精度不高。（2 2）按干扰补偿的开环控制）按干扰补偿的开环控制利用干扰信号产生控制作用，以及时补偿干扰 对被控量的直接影响。控制器测量被控对象执行干扰被控

12、量特点：只能对可测干扰进行补偿，对不可测干扰以及受控对 象、各功能部件内部参数变化对被控量的影响，系统自身无 法控制。适用于：存在强干扰且变化比较剧烈的场合。开环控制系统特点：信号从输入到输出无反馈,单向传递。 结构简单。控制精度不高,无法抑制扰动。2.2.闭环控制闭环控制 反馈控制（核心）反馈控制（核心）即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,

13、使系统达到较高的控制精度。故这 种控制方式为按偏差调节。特点:输出影响输入，所以能削弱或抑制干 扰；低精度元件可组成高精度系统；因为 可能发生超调，振荡，所以稳定性很重要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。3.3.复合控制复合控制它是把按偏差控制与按扰动

14、控制结合起来，对于主 要扰动采用适当的补偿装置实现按扰动控制，同时再组 成反馈控制系统实现按偏差控制，以消除其余扰动产生 的偏差。按扰动 补偿输入信号(-)电压放 大器功率放 大器电动机测速发 电机电压放 大器电阻R电动机速度复合控制系统方框图4.4.反馈控制系统的基本组成反馈控制系统的基本组成测量元件：其职能是检测被控制的物理量。温度控制系 统中：温度传感器；压力控制系统中：压力传感器；速 度控制系统中：速度传感器等。 给定元件：给出与期望被控量相对应的系统输入量，如 ：电位器。执行元件：直接推动被控对象。如液位控制系统中的 阀门；速度控制系统中的功率放大器；温度控制系统 中的发热材料。 校

15、正元件或称为补偿元件，用以改善系统的性能。比较元件：求出给定值与反馈值之间的偏差。 放大元件：由放大器组成的放大电路，可用晶体管、 集成电路、晶闸管等组成。1.4 1.4 自动控制系统的类型自动控制系统的类型 1.1.按信号流向划分按信号流向划分（1）开环控制系统信号流动由输入端到输出端单向流动。 （2）闭环控制系统 若控制系统中信号除从输入端到输出端外, 还有输出到输入的反馈信号,则构成闭环控制系 统,也称反馈控制系统,如图所示。 2 2. .按系统输入信号划分按系统输入信号划分 （1）恒值调节系统(自动调节系统) 这种系统的特征是输入量为一恒值,通常称为系 统的给定值。控制系统的任务是尽量

16、排除各种干扰 因素的影响,使输出量维持在给定值(期望值)。如工 业过程中恒温、恒压、恒速等控制系统。 （2）随动系统(跟踪系统)该系统的控制输入量是一个事先无法确定的任 意变化的量,要求系统的输出量能迅速平稳地复现 或跟踪输入信号的变化。如雷达天线的自动跟踪系 统和高炮自动描准系统就是典型的随动系统。 （3）程序控制系统 系统的控制输入信号不是常值,而是事先确 定的运动规律,编成程序装在输入装置中,即控 制输入信号是事先确定的程序信号,控制的目的 是使被控对象的被控量按照要求的程序动作。 如数控车床就属此类系统。 3.3.按描述系统的数学模型按描述系统的数学模型组成系统元器件的特性均为线性的,可用一个或 一组线性微分方程来描述系统输入和输出之间关系 。线性系统的主要特征是