自动控制原理第1章2011

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1、自动控制原理自动化专业最重要的专业基础课之一信息与控制工程学院自动化系1.主讲教师信息n主讲教师：于佐军 盛立n联系方式：uEmail：u电话：u办公室：工科楼A535u答疑地点：基础实验楼B区 三层u答疑时间：周四晚 下午3:005:002.本学期课程安排n教材：自动控制原理(第五版). 作者：胡寿松出版：科学出版社n讲授内容：第一章第八章n课程学时：总80学时(其中实验10学时)n考核方式：平时成绩+实验成绩+期中考试+期末考试n3.参考文献：u胡寿松，自动控制原理习题集，科学出版社u吴麒. 自动控制原理. 清华大学出版社，2006u戴忠达.自动控制理论基础。清华大学出版社，2005.uD

2、orf R C. Modern control system(10th Edition)u王万良. 自动控制原理.高等教育出版社。u各类相关期刊杂志，网上资料自动化学报，控制与决策，控制理论与应用计算机测量与控制，微计算机信息，控制工程u在线交流信控学院学术论坛自控原理 http:/4.本课程与其他课程的关系各类控制系统课程:现代控制理论，线性系统，计算控制技术检测技术，控制仪表，系统仿真自动控制原理电机与拖动模拟电子技术线性代数微积分（含微分方程 ）复变函数、拉普拉斯变换电路分析大学物理（力学、热力学）化工原理第一章 自动控制系统的基本概念n1-1 自动控制技术介绍n1-2 自动控制的基本原

3、理n1-3 自动控制系统分类n1-4 控制系统性能要求1-1自动控制原理及技术介绍1. 基本概念n自动控制在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备 或装置，使机器、设备或生产过程的某个工作 状态或参数自动地按照预定规律运行。n自动控制系统为实现某一控制目标所需要的所有物理部件的 有机组合体。2.自动控制技术的直观解释 手动控制自动控制手眼睛大脑3.自控原理技术介绍n自动控制原理是分析各种自动控制装置的统一理 论，是其内在的共通规律n自动控制系统：不需要人参与就能完成任务n现实生活中有各种各样的例子：自动照相机，洗 衣机，自动交通灯（红绿灯），自动门，自动水 开关n工业中的例子也有很多：炼油化工

4、装置自控系统 ，无人生产线，机器人，楼宇自动化身边的自动控制实例有哪些？现代化生活离不开自动控制！n军事航空航天：飞机，导弹，航天飞机，航天飞船 ，火炮自动跟踪系统、人造卫星n生物，医学、经济、社会等诸多领域都有自动控制 系统n自动控制技术已经成为现代社会中的不可缺少的一 部分比人工作的更好、更快、更准把人从繁重危险的任务中解放出来完成人无法完成的工作n自动控制原理这门课程就是来研究这些自动控制装 置或系统的基本工作规律和原理火星旅行者SONY AIBO4.自动控制理论研究简史n经典控制理论：20世纪40-50年起源：二战军工技术的需求目标：反馈控制系统的稳定性方法：微分方程、传递函数、根轨迹

5、、频域分析应用系统:单输入单输出系统（SISO）n现代控制理论：20世纪60年代起源：冷战时期，空间技术发展的需求目标：最优控制方法：状态空间方程应用系统:多输入多输出系统（MIMO）n智能控制理论：20世纪80年代起源：智能技术和计算机技术的迅速发展目标：智能控制方法：专家系统、模糊控制技术、神经网络、智 能进化算法等等n重要的人物：1948，维纳控制论1954，钱学森工程控制论l Cybernetics： or Control and Communication in the Animal and the Machinel Engineering Cybernetics5.自动控制理论溯源

6、n1769，瓦特，飞球调节器调节蒸汽机流量n1877/1895, 劳思/赫尔维茨稳定性判据n1932，乃奎斯特，频域稳定性分析n1948，维纳，控制论n1956，苏联，庞特里亚金，极大值原理n1956，贝尔曼，动态规划n1960，卡尔曼，最优滤波器n1954，钱学森，工程控制论n20世纪80年代至今，智能控制技术n在负载等干扰变化的情况下，飞球必须有一个偏 离正常高度的持续偏差，以获得与负载变动相适 应的蒸汽流量的变化，速度控制有误差n控制理论目前还在向更纵深、更广阔的领 域发展，无论在数学工具、理论基础、还 是在研究方法上都产生了实质性的飞跃， 在信息与控制学科研究中注入了蓬勃的生 命力，启

7、发并扩展了人的思维方式，引导 人们去探讨自然界更为深刻的运动机理。n控制理论的深入发展，必将有力地推动社 会生产力的发展，提高人民的生活水平， 促进人类社会的向前发展。n近二十年来，由于信息技术、计算机技术 的迅猛发展，工业领域自动化要求更加迫 切，更使自动控制系统进入了黄金时代。n英国前首相撒切尔夫人：“不自动化就破 产!”(Automation or Liquidation!)。n我们应能深切体会，日常的工作和生活己 经处在“一切”尽在自动控制的时代。 1-2 自动控制的基本原理1.人工控制原理眼：测量实际液位H 检测过程。脑：将实际液位H和期望液位Hs比较，根据两者偏差 正负及大小作出决

8、策。比较、分析、决策过程。手：执行大脑命令，调节阀门开度。执行过程。 例：液位控制系统基本原理：使得实际液位H控 制在期望液位不变期望液位：Hs原理方框图：实际液位脑眼给定值手水槽扰动测量值2.自动控制 变送器(眼）：测量实际液位H并进行物理转换。控制器（大脑）： 也叫调节器，将测量值mv和给 定值sv相比较，根据两者的偏差进行运算，输出控 制信号u。LC执行器（手）：也叫调节阀，改变阀门开度。自动控制原理方块图：实际液位控制器变送器给定值执行器水槽扰动测量值实际液位脑眼给定值手水槽扰动测量值人工控制原理方块图：3.反馈控制原理n反馈通过测量变换装置将系统或元件的输出量反送 到输入端，与输入信

9、号相比较。反送到输入端的 信号称为反馈信号。n负反馈反馈信号与输人信号相减，其差为偏差信号n负反馈控制原理 将系统的输出信号引回输入端，与输入信号相减 ，形成偏差信号。然后根据偏差信号产生相应的 控制作用，力图消除或减少偏差的过程。4.自动控制系统结构反馈，反馈通道，前向通道，闭环输入变量：扰动输入，给定输入（参考输入）输出变量广义被控对象自动控制系统控制器测量变送器给定输入执行器被控对象扰动输入输出 测量值自动控制装置被控制量：在控制系统中按规定的任务需要加以控 制的物理量。 控制量：作为被控制量的控制指令而加给系统的输 入量也称控制输入。 扰动量：干扰或破坏系统按预定规律运行的输入量 ，也

10、称扰动输入。自动控制系统的特点存在反馈，输出量参与控制；基于偏差进行控制反馈(偏差、闭环)控制系统5. 控制系统方框图n用方框和箭头表示的控制系统元件作用图输出量环节名称 (或特性)输入量(a)(-)e=r-br(+)(-) b (b)re=r-bb或(c)c引出点cc方框图中的几种表示法：被控量偏差 信号(-)参考输入信号r(t)控制器 (或调节器)u(t)广义被控系统e(t)c(t)反馈信号控制量扰动给定装置校正装置放大元件执行器被控对象反馈装置测量变送器(-) 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 置被控对象n(b) 方框图ueudoRP1

11、ugR0R0R1-utRP2-+-+TGMudouc(a) 原理图+6.基本控制方式1）开环控制：不存在输出到输入的反馈，输出量不参 与控制按干扰进行控制（即前馈控制，对干扰进行补偿）扰动必须可测！按给定值进行控制例M负载+功放功放电机负载M电动机例+M负载+压放功放+功放电机负载压放例2：电机系统M负载+TG压放功放测速发电机压放功放电机负载2）闭环控制系统期望转速：存在输出到输入的反馈，输出量参与控制TG测速发电机例3）复合控制系统+压放 +M负载+TG压放功放+功放电机负载压放测速发电机压放方块图：1-3自动控制系统分类1. 按输入信号特征分类1）恒值控制系统u给定输入为常数，系统克服扰

12、动影响u例：液位控制系统，温度控制系统等工业系统2）随动控制系统u给定输入是随机时间变化的函数（未知）u 例：函数记录仪火炮、自动跟踪系统3）程序控制系统u给定输入是预知的时间函数u例：机床加工系统n2.按描述元件特性分类1）线性系统u组成系统的元件都是线性元件，输入输出的 静态特性为线性关系u用线性微分方程描述2）非线性系统u只要系统中有一个元部件是非线性的u用非线性微分方程描述 如何区分一个系统是线性的还是非线性的呢？n3.按照传递信号类型分类连续系统u各个环节间的信号均为时间t的连续函数， 可用微分方程描述u例：水箱系统离散系统u只要有一处信号是脉冲信号或者数字信号， 定义在离散时刻上，

13、用差分方程描述u例：计算机控制系统n4.按照参数是否随时间变化分类定常系统时变系统n5.其他分类单输入输出系统与多输入输出系统确定性系统与不确定性系统集中参数系统与分布参数系统1-4 对控制系统性能的基本要求时间tr上 升峰值时间tpAB超调量% =A B100%调节时间ts“稳，快，准”1.稳定性（最基本要求）n系统在扰动消失后，由初始偏差状态恢复 到平衡状态的能力。稳定不稳定稳定性：(1) 对恒值系统，要求当系统受到扰动后，经 过一定时间的调整能够回到原来的期望值。(2) 对随动系统，被控制量始终跟踪参据量的 变化。稳定性是对系统的基本要求，不稳定的系统 不能实现预定任务。线性系统稳定性，

14、通常由 系统的结构决定与外界因素无关。n2.快速性动态性能:调节时间、上升时间对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称为动态性 能。稳定高射炮射角随动系统，虽然炮身最终能跟踪目标 ，但如果目标变动迅速，而炮身行动迟缓，仍然抓不 住目标。n3. 准确性稳态性能：稳态误差在参考输入信号作用下，当系统达到稳态后，其稳态 输出与参考输入所要求的期望输出之差叫做给定稳态 误差。显然，这种误差越小，表示系统的输出跟随参 考输入的精度越高。1、理想脉冲函数（或冲击函数）且1-5 控制系统的典型输入信号0等价于：单位脉冲函数：时刻的脉冲函数：采样性：2、阶跃函数单位阶跃函数：00003、斜坡函数（或速度阶跃函数

15、）4、抛物线函数（或加速度阶跃函数）5、正弦函数小结n开环控制系统结构简单、稳定性好，但不能 自动补偿扰动对输出量的影响。当系统扰动 量产生的偏差可以预先进行补偿或影响不大 时，采用开环控制是有利的。当扰动量无法 预计或控制系统的精度达不到预期要求时， 则应采用闭环控制。n闭环控制系统具有反馈环节，它能依靠反馈 环节进行自动调节，以克服扰动对系统的影 响。闭环控制可以提高系统的精度，但是闭 环使系统的稳定性变差，需要重视并加以解 决。n自动控制系统通常由给定环节、检测环节、比较 环节、放大元件、被控对象、和反馈环节等部件 组成。系统的作用量和被控量有：给定量、反馈 量、扰动量、输出量和各中间变量。n结构图（又称方框图、方块图）可直观地表达系 统各环节（或各部件）间的连接关系，可以表达 各种作用量和中间变量的作用点和信号传递情况 以及它们对输出量的影响。 n在不同输入量作用下，对系统的输出量的 要求，揭示出反馈控制系统的本质特征： 输出跟随输入。 n对自动控制系统的性能指标要求有： 稳定性系统能工作的首要条件； 快速性用系统在暂态过程中的响应 速度和被控量的波动程度描述； 准确性用稳态误差来衡量。