自动控制原理讲课

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1、自动控制原理信息科学与技术部 马亮自动控制原理自动控制系统概述12控制系统的数学模型控制系统的时域分析34 *根轨迹法控制系统的频域分析56控制系统的综合与校正离散系统的理论基础78 *非线性系统的理论分析第一章 自动控制系统概述控制系统的基本概念1-11-21-31-4控制理论的发展历程控制系统分类控制系统的性能指标举例: 液位自动控制系统目标液位大 脑手臂,手放大器M+1-1 控制系统的基本概念一、基本术语 自动控制：在没有人的直接干预下，利用物理装置对生产设备和工艺过程进行合理的控制，使被控制的物理量保持恒定或按一定的规律变化。如液位，炉温，轧辊辊速，带钢张力等控制。 自动控制系统：为实

2、现某一控制目标，所需要的所有物理部件的有机组合称为自动控制系统。1-1 控制系统的基本概念1-1 控制系统的基本概念 控制对象：（被控对象、调节对象、对象）是指被控的设备或过程。 被控制量：（被调参数、输出量） 是指被控制的物理量，常常是表征设备或过程的运行 情况或状态，且需要加以控制的参数。 给定信号：（参考输入量）设定的与被控参数期望值成比例的信号，其作用是为 了保证输出量达到所要求的目标。（上例中的水槽）（上例中的实际液位）。（上例中要求的液位）。1-1 控制系统的基本概念 扰动信号：（扰动输入量）是一种妨碍被控参数达到期望值的外部作用， 对系统工作不利。（上例中的排水量） 测量信号：检

3、测仪表的输出经变送器变换后的与被控信号 实际值成比例的信号。 偏差信号：给定信号与测量信号的差值信号。 执行机构：传动机构+调节机构控制对象被控制量目标液位给定信号扰动信号测量信号偏差信号执 行 机 构液位自动控制系统放大器M+1-1 控制系统的基本概念1-1 控制系统的基本概念上例中，将系统按基本组成部分分解：水槽注水阀减速器电动机放大器电位器浮子输 入输 出给定信号被控量测量信号F被控对象扰 动 信 号偏差信号执行机构二、控制系统传递方框图（二）传递方框图：将构成系统的所有环节 用有向线段连接起来所构成的系统结构图。 有向线段：表示信号传递，指向环节的作用线表 示输入，背向环节的作用线表示

4、输出。 测量信号与给定信号通过相加点叠加，符号代表 信号的极性。 整个系统的输出为被控参数，整个系统的输入为 给定信号或扰动信号。（一）环节：构成系统的基本组成部分，用 一个方块表示。1-1 控制系统的基本概念 信号传递单向性； 作用线只表示信号的传递方向，不表示物流方向； 方框图可简可繁； 尽管实际控制系统元器件各不相同，但概括起来， 一般都应包括以下几个基本环节：（三）关于传递方框图的几点说明给定 环节1-1 控制系统的基本概念给定环节给定环节设定设定被控量的给定值，如电位器，自整角被控量的给定值，如电位器，自整角 机等模拟信号，还有精度更高的数字给定机等模拟信号，还有精度更高的数字给定

5、装置。装置。（三）关于传递方框图的几点说明给定 环节比较 环节1-1 控制系统的基本概念比较环节比较环节将检测到的被控量与给定量比较得到偏将检测到的被控量与给定量比较得到偏 差信号，该信号功率较小或物理性质不差信号，该信号功率较小或物理性质不 同，不能直接作用执行机构，需要性能同，不能直接作用执行机构，需要性能 比较增加中间环节比较增加中间环节3 3、4 4。（三）关于传递方框图的几点说明给定 环节比较 环节校正 环节1-1 控制系统的基本概念校正环节是为改善系统动态品质或稳态性能而加是为改善系统动态品质或稳态性能而加 入的装置，它可以对偏差信号按照某种入的装置，它可以对偏差信号按照某种 规律

6、进行运算，如比例、积分、微分等规律进行运算，如比例、积分、微分等 。（三）关于传递方框图的几点说明给定 环节比较 环节校正 环节放大 环节1-1 控制系统的基本概念放大环节将偏差信号转换成适合于执行器工作的信将偏差信号转换成适合于执行器工作的信 号号( (功放，功放，SCRSCR) )。注意: 2、3、4合为一体控制器。（三）关于传递方框图的几点说明给定 环节比较 环节校正 环节放大 环节执行 机构1-1 控制系统的基本概念（三）关于传递方框图的几点说明给定 环节比较 环节校正 环节放大 环节执行 机构被控 对象执行机构直接作用于控制对象（调节机构、传直接作用于控制对象（调节机构、传 动装置、

7、电机）。动装置、电机）。1-1 控制系统的基本概念控制对象控制对象要控制的机器，设备或生产过程要控制的机器，设备或生产过程( (水水 槽槽控制量水位；炉体控制量水位；炉体炉温；轧辊炉温；轧辊 辊速压下量辊速压下量.).)。（三）关于传递方框图的几点说明给定 环节比较 环节校正 环节放大 环节执行 机构被控 对象检测 装置1-1 控制系统的基本概念检测装置检测装置检测被控制量并转换成与给定量同物理量检测被控制量并转换成与给定量同物理量 信号，要求：精度高、反映灵敏、性能稳信号，要求：精度高、反映灵敏、性能稳 定的传感器定的传感器( (光电码盘、热电偶等光电码盘、热电偶等) )。（三）关于传递方框

8、图的几点说明给定 环节比较 环节校正 环节放大 环节执行 机构被控 对象检测 装置1-1 控制系统的基本概念主反馈：输出量引回到输入端的反馈为主反馈。局部反馈：在正向通道里，后面环节的输出对前面环 节的返回影响称为局部反馈。1275634输入输出注意：主反馈一定是负反馈，局部反馈可正可负。主反馈一定是负反馈，局部反馈可正可负。1-1 控制系统的基本概念 综上所述，控制系统的工作原理可归纳如下：（1）通过测量元件检测输出量的实际值。（2）将输出量的实际值与给定值进行比较，得到 偏差信号。（3）用偏差产生控制调节作用去消除偏差。 注意，研究控制系统应首先解决以下四个问题：（1）控制目的（2）受控对

9、象（3）被控制量（4）输出信号的检测1-1 控制系统的基本概念三、控制系统举例（1）人手拿书（2）汽车行驶的位置控制（3）温度自动控制系统，例如空凋、冰箱。1-1 控制系统的基本概念一、自动控制理论是研究“自动控制”共同规律 的一门技术科学。 数控机床按照预定程序自动的对工件进行切削加工； 化学反应釜的温度或流量及压力自动的维持恒定； 雷达和计算机组成的火炮或导弹的发射和制导系统 ，自动的将炮弹或导弹引导到敌方目标；1-2 控制理论的发展历程 轧钢机按照预定的轧制速度和板材厚度自动的变化轧辊速度和压下装置的位移； 人造卫星准确的进入预先计算好的轨道和位置，自动的保持正确的姿态运行并准确回收。这

10、些都是以高水平的自动控制技术为前提的。1-2 控制理论的发展历程控制理控制理 论的发论的发 展历程展历程二、控制理论学科的发展古代具有自动功能的装置自古有之 ，例如古埃及的“水钟”，中国古 汉代的“指南车”1-2 控制理论的发展历程1765年，Jams Watt发明的蒸汽机上 的离心式飞锤调速器应用了反馈原理 进行设计的。之后，麦克斯韦尔对它 的稳定性进行分析，并于1868年发表 论文，当属最早的理论工作。18世纪 中叶古代1-2 控制理论的发展历程控制理控制理 论的发论的发 展历程展历程二、控制理论学科的发展18世纪 中叶古代1872 18901872年E.J.Routh,1890年 Hur

11、witz先后找到了系统稳定 性的代数判据1-2 控制理论的发展历程控制理控制理 论的发论的发 展历程展历程二、控制理论学科的发展189218世纪 中叶古代1872 18901892年A.M.Liapunov在其“论运动 稳定性的一般问题”的博士论文中给 出了基于广义能量函数的系统稳定性 的一般判据。1-2 控制理论的发展历程控制理控制理 论的发论的发 展历程展历程二、控制理论学科的发展1932189218世纪 中叶古代1872 18901932年H.Nyquist给出了基 于频率特性的关于系统稳 定性的Nyquist判据。1-2 控制理论的发展历程控制理控制理 论的发论的发 展历程展历程二、控

12、制理论学科的发展在二次世界大战期间，由于军事上 的需要，雷达和火力控制系统有了 较大的发展，N.Winner在总结前 人成果的基础上发表了控制论 一书，标志着控制理论学科的诞生 。1-2 控制理论的发展历程二、控制理论学科的发展1932189218世纪 中叶古代1872 1890控制理控制理 论的发论的发 展历程展历程二次世界 大战控制理论发展经过了三个时期：智能控制/大系统理论现代控制理论经典控制理论 研究对象：机组自动化等的多输入多输出系统。 主要数学工具：一阶微分方程组、矩阵论、状态空间法。 主要方法：变分法、极大值原理等等 重点问题：最优控制、随机控制和自适应控制。 核心控制装置：计算

13、机20世纪70年代20世纪60年代20世纪4050年代 研究对象:线性定常单输入单输出系统 主要数学工具:微分方程、传递函数、结构框图、频率特性等 主要研究方法:时域法、频域法、根轨迹法 主要解决的问题:单机装置的稳定性、快速性、准确性。 大系统理论是控制理论在广度上的拓展，例如控制对象延伸到了社会、经济、管理系统，以及生态环境系统等复杂系统。 智能控制理论是控制理论在深度上的挖掘，为解决模拟人脑功能，形成了新的学科 模拟人脑思维 形成 模糊控制、专家系统等 模拟人脑结构或功能 形成 人工神经网络1-2 控制理论的发展历程智能控制/大系统理论现代控制理论经典控制理论20世纪70年代20世纪60

14、年代20世纪4050年代广度上扩展的更为 复杂的系统多输入多输出 复杂系统单变量定常 控制系统控制理论发展经过了三个时期：1-2 控制理论的发展历程三.自动控制技术的作用1. 自动控制技术的应用不仅使生产过程实现了自动 化，极大地提高了劳动生产率，而且减轻了人的 劳动强度。 2. 自动控制使工作具有高度的准确性，大大地提 高了武器的命中率和战斗力，例如火炮自动跟踪 系统必须采用计算机控制才能打下高速高空飞行 的飞机。 3. 某些人们不能直接参与工作的场合就更离不开 自动控制技术了，例如原子能的生产、火炮或导 弹的制导等等。1-2 控制理论的发展历程自动控制理论来源于生产实践，正随 着技术和生产

15、的发展而不断发展，而它反 过来又指导实践，成为高新技术发展的重 要理论依据。本课程的内容是该理论中最基本也最 重要的内容，即经典控制理论部分。它在 工程实践中用的最多，也是进一步学习自 动控制理论的基础。1-2 控制理论的发展历程1、授课对象：自动化、电气工程及其自动化专业、测控技术与仪器本科 专业 2、本课程的性质和任务： 自动控制理论是自动化专业的一门重要的专业基础课 。通过本课程的教学（讲课、实验、答疑和习题），使学生 了解自动控制系统的组成、特点及专业术语，学习并掌握 经典控制理论的基本分析方法和设计方法，掌握实验技能 ，为设计和调试工业自动控制系统打下理论基础，并为进 一步的理论学习

16、和研究打下坚实的基础。四、课程介绍1-2 控制理论的发展历程3、本课程与相关课程的关系1-2 控制理论的发展历程自动控制原理自动控制原理大 学 物 理微 积 分积 分 变 换复 变 函 数电 子 技 术电 路 理 论电 机 拖 动制理论 现代控先修课程制系统 过程控业课程 各类专 其它后续课程4、课程的理论体系理论体系：系统描述、系统分析、系统综合经典控制 理论系统描述建立系统的数学模型系统分析系统的动态性能包括稳定性、准 确性和快速性分析系统综合就是运用控制理论提供的方法对 实际系统进行改造，以便改善系统的性能1-2 控制理论的发展历程5、选用教材：顾树生、王建辉，自动控制原理，冶金工业出版社。主要参考书目：1 自动控制原理，杨友良等，电子科学技术出版社2杨自厚，自动控制原理，冶金工业出版社，200