自动控制第1章

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1、河北理工大学河北理工大学 计算机与自动控制学院计算机与自动控制学院自自 动动 控控 制制 原原 理理第一章第一章 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念第二章第二章自动控制系统的数学模型自动控制系统的数学模型 第三章第三章自动控制自动控制系统系统的时域分析的时域分析 第四章第四章 根轨迹法根轨迹法第五章第五章 频率法频率法第六章第六章 控制系统的校正及综合控制系统的校正及综合第七章第七章 非线性系统分析非线性系统分析第八章第八章 线性离散系统的理论基础线性离散系统的理论基础Date1【上一页】【返回】第一章第一章 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念0 0 课程简介课程简介 11

2、 开环控制系统与闭环控制系统开环控制系统与闭环控制系统2 2 闭环控制系统的组成和基本环节闭环控制系统的组成和基本环节3 3 自动控制系统的类型自动控制系统的类型4 4 自动控制系统的性能指标自动控制系统的性能指标【返回返回】 Date2【上一页】【返回】控制理论控制理论系统描述系统描述建立系统的数学模型建立系统的数学模型系统分析系统分析动态性能包括稳定性、准确性动态性能包括稳定性、准确性 和快速性分析；稳态性能分析；能控性、能和快速性分析；稳态性能分析；能控性、能 观性观性系统综合系统综合就是运用控制理论提供的方法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对实际系统进

3、行改造，以便改善系统的性能0 课程简介一、课程的理论体系理论体系：系统描述、系统分析、系统综合Date3【上一页】【返回】二、控制理论学科的发展u控制理论的产生可追溯到18世纪中叶英国的第一次工业革命。1765年，Jams Watt发明了蒸汽机，进而应用离心式飞锤调速原理控制蒸汽机，标志着人类以蒸汽为动力的机械化时代的开始，人们开始研究调速系统的稳定性问题。u1872年E.J.Routh,1890年Hurwitz先后找到了系统稳定性的代数判据 Date4【上一页】【返回】u1892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。

4、u1932年H.Nyquist给出了基于频率特性的关于系统稳定性的Nyquist判据。u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。Date5【上一页】【返回】控制理论发展的三个阶段：l 第一阶段：经典控制理论（20世纪40到60年代）。研究对象：单输入单输出系统。主要数学模型：微分方程，传递函数。主要研究方法：时域法、根轨迹法、频率特性法。代表人物：伯德（H.W.Bode),1945年提出伯德图法。伊文思（W.R.Evens），1948年提出根轨迹 法。 Date6【上一页】【返回】

5、l第二阶段：现代控制理论（20世纪60到70年代）。研究对象：多输入多输出系统数学模型：状态空间表达式主要方法：时域方法重点问题：能控能观性分析、稳定性分析l第三阶段：智能控制理论（20世纪70年代至今）。研究对象：不确定性的复杂的高度非线性系统模型：非数学的语言描述模型。Date7【上一页】【返回】数学工具：采用数值计算与符号处理的交叉与结合 形式，如：神经元网络、模糊集合论等。智能控制分支：模糊控制、神经网络控制、专家控制、学习控制及仿人控制等。Date8【上一页】【返回】七十年代开始，人们不仅解决社会、经济、管理、生态环境等系统问题，而且为解决模拟人脑功能 形成了新的学科人工智能科学，这

6、是控制论的发 展前沿。通过计算机的强大的信息处理能力来开发人工智能，并用它来模仿人脑。在没有人的干预下，人工 智能系统能够进行自调节、自学习和自组织，以适应 外界环境的变化，并作出相应的决策和控制。 Date9【上一页】【返回】经典控制理论所采用的方法本质上是频域方法，建立在试探法的基础上，主要研究系统的外部特性输入输出关系，只适用于比较简单的线性定常SISO系统。现代控制理论所采用的方法本质上是时域的方法，它不仅适用于线性定常的SISO系统，还适用于时变系统、非线性系统和MIMO系统；不仅可以研究系统的外部特性，还可以研究系统的内部特性，并将其引入控制，而且可以依据一定的性能指标设计出最优控

7、制系统。Date10【上一页】【返回】本课程只介绍经典控制理论部分Date11【上一页】【返回】三、主要参考书目：1杨自厚，自动控制原理，冶金工业出版社2胡寿松，自动控制原理，国防工业出版社3绪方胜彦，卢伯英等译，现代控制工程，科学出版社 4李友善，自动控制原理，国防工业出版社5孙虎章主编，自动控制原理，北京：中央广播电视大学出版社四、学时安排：理论授课：44学时实验教学：4学时Date12【上一页】【返回】11 开环控制系统与闭环控制系统开环控制系统与闭环控制系统给定液位阀门水 池供水排水例：人工控制的水池水位系统 Date13【上一页】【返回】自动控制的水池水位系统给定液位阀门水 池调节器

8、水漂供水排水Date14【上一页】【返回】vv 自动控制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，轧辊转速，带钢张力等控 制。 vv 自动控制系统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。一、基本概念自动控制的任务就是克服各种扰动量的影响，使系统按 照给定量所设定的规律运行。 Date15【上一页】【返回】1 1被控制对象被控制对象（控制对象，调节对象，对象)被控制的设备或过程（上例中的水池）。 2被控制量（被控参数，输出量）把被控制的物理量称为被控制量，它常常是表征设备或

9、过 程的运行情况或状态，且需要加以控制的参数（上例中的实际 水位）。 3给定量（参考输入量）设定被控制量期望值的信号，其作用是为了保证输出量达到所要求的目标。（如上例中要求的液位）。4扰动量（扰动输入量）是一种妨碍被控制量达到期望值的外部作用。对系统工作 不利。Date16【上一页】【返回】5 5测量信号检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（测量水位）。 6偏差信号给定信号与测量信号的差值信号。 7控制信号调节器（或控制器（内含算法，控制率）输出的信号 。 8执行机构执行器+调节阀。控制系统按其结构可分为开环、闭环和复合控制系统。Date17【上一页】【返回】二、开环控

10、制系统二、开环控制系统1. 定义 如果控制系统的输出量对系统没有控制作用,这种系统称为开环控制系统。 例：温度控制系统控制目标： 通过调整自耦变压器滑动 端的位置，来改变电阻炉 的温度，使其恒定不变。被控制对象：炉体 被控制量：炉温220Vuc121-自耦变压器 2-电加热器Date18【上一页】【返回】开环控制系统输入输出关系可用结构图表示：2. 2. 特点特点: : (1)(1)系统输出量不参与控制；(2)系统结构图不形成闭合回路；(3)系统结构简单,不需检测输出量,输入输出一一对应；(4)控制精度取决于各组成环节的精度；给定量 控制器被控对象输出量扰动量自耦变压器Date19【上一页】【

11、返回】(5)最适用于传递关系已知，对输出精度无要求, 且不含扰动的场合；如系统起动、制动过程。自动售货机,洗衣机,数控机床，红绿灯转换系统。 (6)系统有扰动时只能靠人工操作, 使输出达到期望值。Date20【上一页】【返回】三、闭环控制系统三、闭环控制系统利用检测装置将系统输出检测出来,经物理量 的转换后,反馈到系统的输入端与给定信号比较(相减 )得到偏差信号,并利用偏差信号经控制器对控制对象 进行控制,抑制扰动对输出量的影响,减小输出量的误 差。1. 概念 Date21【上一页】【返回】2.2.实例分析实例分析例例 炉温自动控制系统炉温自动控制系统给定量：Ug 输出量：炉温Tc220V1

12、21-热电偶; 2-加热器 MuDate22【上一页】【返回】当加热物件增加时，系统的自动调整过程如下：Tc放大、电机转动Tc闭环系统结构图:给定量输出量 控制器被控对象检测装置扰动信号反馈控制系统 偏差控制系统ufuuc热电偶比较Date23【上一页】【返回】3. 3. 特点特点： (1)系统输出参与控制。(2)系统结构图构成闭合回路。(3)是一种依偏差进行控制的系统,只要偏差存 在,就有控制作用,其结果试图使偏差减小。(4)对系统内部除检测和给定装置外的一切扰 动都有抑制作用。Date24【上一页】【返回】(1) 结构图中信号的传递具有单向性。(2) 作用线只表示信号的传递方向,不代表实际

13、物 流方向。(3) 方块图可简可繁,以能清晰描述信号传递关系 以及突出研究环节性能为原则。 （4）从输入端到输出端的信号传递通道称为正向通 道或前向通道，其传递函数为正向通道传递函数。 （5）从输出端到输入端的信号传递通道称为反馈通 道，其传递函数为反馈通道传递函数。关于结构图的几点说明关于结构图的几点说明Date25【上一页】【返回】开环系统和闭环系统的比较：开环系统和闭环系统的比较：（1）开环控制系统：只有输入量对输出量产生控制作用，输出 量不参与控制。只有正向通道。没有抗扰能力。闭环控制系统：除了输入量对系统有控制作用外，输出量也参与了控制。除有正向通道外，还必须有反馈通道。有抗扰能力。

14、Date26【上一页】【返回】（2）闭环控制系统：必须有检测环节和比较环节。开环控制系统：不需要这些环节，所以结构简单。（3）闭环控制系统：有自动调节能力，控制精度较高。开环控制系统：不能自动修正输出量的偏差，控制精度 较低。四、复合控制系统四、复合控制系统把开环控制与闭环控制结合起来构成的系统为复合控制系统。Date27【上一页】【返回】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1.给定环节 2.比较环节 3.校正环节 4.放大环节5.执行机构 6.控制对象 7.检测装置（反馈环节）1275634输入输出22 闭环控制系统闭环控制系统的的组成和基本环节组成和基本

15、环节Date28【上一页】【返回】1.给定环节设定被控制量的给定值的装置，其精度直接影响对被控制量 的控制精度。如电位器。在控制精度要求高时，常采用数字给 定装置。 2.比较环节将检测到的被控量与给定量比较得到偏差信号。由于该信号 功率较小或物理性质不同，不能直接作用于执行机构，需要增 加中间环节，一般包括放大环节和校正环节。 3.校正环节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 偏差信号按照某种规律进行运算。比例、积分、微分运算等。主要环节介绍主要环节介绍Date29【上一页】【返回】4.4.放大环节放大环节将偏差信号转换成适合于控制执行机构工作的信号(晶体 管放大器，可控硅整流

16、装置)。注意: 2、3、4合为一体控制器(控制装置)。 5.5.执行机构执行机构直接作用于控制对象（调节机构、传动装置、电机） 6.6.控制对象控制对象被控制的机器,设备,或生产过程(水池被控制量为水 位；炉体炉温）。 7.7.检测装置（传感器）检测装置（传感器）测量被控制量并转换成与给定量相同的物理量。要求： 精度高、反映灵敏、性能稳定(热电偶)。Date30【上一页】【返回】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8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。Date31【上一页】【返回】目前，自动控制技术在工业上得到广泛应用，而且， 随着生产规模的扩大和生产力水平的提高以及控制理论