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1、1,自动控制原理2015. 7,2,一、自动控制原理 与其它课程的关系,电机与拖动,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,电路理论,大学物理（力学、热力学）,电力电子技术,各类控制系统课程,3,二、自动控制学科的特点,1应用广泛 小至电子表，大至人造卫星，几乎包括各个领域。 开始多用于工业：压力、温度、流量、位移、湿度、粘度自动控制 后来进入军事领域：飞机自动驾驶、火炮自动跟踪、导弹、卫星、宇宙飞船自动控制 目前渗透到更多领域：大系统、交通管理、图书管理等 生物学系统：生物控制论、波斯顿假肢、人造器官 经济系统：模拟经济管理过程、经济控制论,4,2日益重要,很难想象
2、现代生活和生产过程没有自动控制装置如何能够继续？ 你敢让大型发电机组用人工控制来运行吗? 你愿意使用不能自动控制温度的电冰箱吗？,5,3发展迅速 从离心重锤式的简单自动机械到具有每秒运行上亿次的CPU的智能机器人，自动控制学科发展日新月异。 越来越复杂和越来越精确的控制要求以及高度发展的现代科技(如计算机)是促进自动控制学科飞速发展的重要原因。,6,三、自动控制理论的内容,自动控制理论,7,四、 自动控制理论的基本问题,控制系统的分析 典型信号下的响应 (阶跃响应) 数学模型 (传递函数,状态方程，频率特性) 性能指标 (稳态误差,超调量等) 控制系统的设计 性能要求 (性能指标,约束条件)
3、控制器的结构和参数设计和整定 性能校核 (计算,仿真,实验),8,第一章 自动控制概论,9,1.1 引言 1.2 自动控制系统举例及术语 1.3 闭环控制和开环控制 1.4 自动控制系统的基本组成和分类 1.5 对自动控制系统的基本要求,10,1.1 引言,四个阶段: 胚胎萌芽期经典控制理论时期、现代控制理论时期、大系统和智能控制时期,一.控制系统的发展史,11,1.胚胎萌芽期,十八世纪以后，蒸汽机的使用提出了调速稳定等问题,十九世纪前半叶，动力使用了发电机、电动机,促进了水利、水电站的遥控和程控的发展以及电压、电流的自动调节技术 的发展。,十九世纪末，二十世纪初，使用内燃机,促进了飞机、汽车
4、、船舶、机器制造业和石油工业的发展，产生了伺服控制和过程控制。,1765年俄国人波尔祖诺夫发明了锅炉水位调节器；1784年英国人瓦特发明了调速器，蒸汽机离心式调速器；,二十世纪初第二次世界大战，军事工业发展很快,飞机、雷达、火炮上的伺服机构，总结了自动调节技术及反馈放大器技术，搭起了经典控制理论的架子，但还没有形成学科。,12,2. 经典控制理论时期,1884年：E. J. Routh提出劳斯稳定性判据。 1895年：A. Hurwifz提出赫尔维茨稳定性判据。 1932年：H. Nyquist提出奈奎斯特稳定性判据。 1945年：H. W. Bode提出反馈放大器的一般设计方法。 1948年
5、：Evans提出并完善了根轨迹法 1948年：N. Wiener发表控制论 1954年：钱学森在美国完成工程控制论 主要内容：对单输入单输出系统进行分析，采用频率法、根轨迹法、相平面法、 描述函数法；讨论系统稳定性的代数和几何判据以及校正网络等。,13,4. 大系统和智能控制时期,各学科相互渗透，要分析的系统越来越大，越来越复杂。例如人工智能、智能机器人等。,空间技术的发展提出了许多复杂控制问题，用于导弹、人造卫星和宇宙飞船上。Kalman “控制系统的一般理论”奠定了现代控制理论的基础，解决多输入、多输出、时变参数、高精度复杂系统的控制问题。,3. 现代控制理论时期,14,经典控制理论与现代
6、控制理论的比较,15,二.自动控制要解决的基本问题,自动控制是使一个或一些被控制的物理量按照另一个物理量即控制量的变化而变化或保持恒定，一般地说如何使控制量按照给定量的变化规律变化，就是一个控制系统要解决的基本问题。,16,三.自动控制技术的作用,1. 生产自动化，提高劳动生产率，减轻劳动强度。,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。,17,1.2 自动控制系统举例及术语,18,举例： 1
7、. 热力系统温度控制,19,热力系统的自动反馈控制,20,控制器： 比较、放大的作用 温度测量装置：温度传感器 控制阀：执行机构 被控对象：加热炉,放大元件,控制阀,加热炉,温度测量装置,控制器,实际温度,希望温度,控制系统方块图,21,2.水箱液位控制系统,22,控制器： 比较、放大的作用 浮子： 液面高度的测量元件 气动阀门：执行机构 被控对象：水箱,23,2 对象 是一个设备，它是由一些机器零件有机地组合在一起的，其作用是完成一个特定的动作。在下面的讨论中，称任何被控物体（如加热炉、化学反应器或宇宙飞船）为对象。,3 过程称任何被控制的运行状态为过程，其具体例子如化学过程、经济学过程、生
8、物学过程。,4 系统完成一定任务的一些元部件的组合。,1 自动控制在无人直接参与的情况下，通过控制器使被控对象或过程自动地按照预定要求进行。,24,5 扰动,6 反馈控制,扰动是一种对系统的输出产生不利影响的信号。如果扰动产生在系统内部称为内扰；扰动产生在系统外部，则称为外扰。外扰是系统的输入量。,反馈控制是这样一种控制过程，它能够在存在扰动的情况下，力图减小系统的输出量与参考输入量（也称参考量）（或者任意变化的希望的状态）之间的偏差。,25,反馈控制系统是一种能对输出量与参考输入量进行比较，并力图保持两者之间的既定关系的系统，它利用输出量与输入量的偏差来进行控制。 应当指出，反馈控制系统不限
9、于工程范畴，在各种非工程范畴内，诸如经济学和生物学中，也存在着反馈控制系统。,7 反馈控制系统,26,随动系统是一种反馈控制系统，在这种系统中，输出量往往是机械位移、速度或者加速度。因此，随动系统这个术语，与位置（或速度或加速度）控制系统是同义语。,8 随动系统,9 过程控制,在工业生产过程中，诸如对压力、温度、湿度、流量、频率以及原料、燃料成分比例等方面的控制，称为过程控制。,27,例: 电炉温度控制系统,分析控制组成,输入量控制装置被控对象输出量,1.3 闭环控制与开环控制,28,29,开环控制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。,30,给定值,控制方式：,按给定值操纵
10、。 信号由给定值至输出量单向传递。 系统的控制精度取决于系统事先的调整 精度。 对于工作过程中受到的扰动或特性参数的变化无法自动补偿。,31,例: 直流电动机转速开环控制系统。,32,二、闭环控制,33,控制过程：,控制任务：保持电机恒速运行.,n uf u ua n,34,反馈：输出量送回至输入端并与输入信号比较的过程 负反馈：反馈的信号与输入信号相减而使偏差越来越小,35,闭环控制:是指控制器与控制对象之间既有顺向作用有反向联系的控制过程。,输入量,扰动,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。,特点：,36,三. 开环
11、控制与反馈控制的比较,开环: 结构简单，成本低廉，工作稳定，当输入 信号和扰动能预先知道时，控制效果较好。,不能自动修正被控制量的偏离，系统的元件参数变化以及外来的未知扰动对控制精度影响较大。,闭环: 具有自动修正被控制量出现偏离的能力，可以修正元件参数变化及外界扰动引起的误差，控制精度高。,缺点：被控量可能出现振荡，甚至发散。,37,一、闭环系统的组成 :,(1)比较元件；(2)放大元件；(3)执行元件；(4)校正元件； (5)被控对象；(6)测量元件。,1.4 自动控制系统的基本组成和分类,38,用“”号代表比较元件， “”号代表两者符号相反， “+”号代表两者符号相同。 信号沿箭头方向从
12、输入端到达输出端的传输通路称前向通道； 系统输出量经测量元件反馈到输入端的传输通路称主反馈通道。 前向通路与主反馈通路共同构成主回路。此外，还有局部反馈通路以及由它构成的内回路。,39,测量元件：-检测被控制的物理量，如果这个物理量是非电量，一般要转换成电量。例如:测速发电机用于检测电动机轴的速度并转换为电压；电位器、旋转变压器或自整角机用于检测角度并转换为电压；热电偶用于检测温度并转换为电压等。,40,给定元件-给出与期望的被控量相对应的系统输入量（即参考量）。 比较元件-把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的参考量进行比较，求出它们之间的偏差。常用的比较元件有差动放大器、机械差动装置
13、、电桥电路等。,41,放大元件-将比较元件给出的偏差信号进行放大，用来推动执行元件去控制被控对象。电压偏差信号，可用晶体管、集成电路、晶闸管等组成的电压放大级和功率放大级加以放大。 执行元件-直接推动被控对象，使其被控量发生变化。用来作为执行元件的有阀、电动机、液压马达等。,42,校正元件(补偿元件) -是结构或参数便于调整的元部件，用串连或反馈的方式连接在系统中，以改善系统的性能。 简单的校正元件是由电阻、电容等组成的无源或有源网络，复杂的则用计算机实现校正功能。,43,二. 自动控制系统的分类,开环控制 闭环控制(反馈控制) 复合控制,按控制方式分,44,按输入补偿的复合控制,45,按扰动
14、补偿的复合控制原理方框图,46,机械系统 电气系统 机电系统全自动照相机，光机电结合 液压系统伺服液压缸，汽车发动机，大型的仿真模拟台 气动系统 生物系统,按 元 件 类 型 分,47,按系统功用分,温度控制系统,压力控制系统,位置控制系统, ,48,线性系统,非线性系统,连续系统,定常系统,时变系统,按系统性能分,离散系统,49,恒值控制系统,随动系统,程序控制系统,按参考量 变化规律分,50,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考量的变化。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。稳定性，通常由系统的结构决定与外界因素无关。,1.5 对自动控制系统的基本要求,可以归结为稳定性（长期稳定性）、准确性（精度）和快速性（相对稳定性）。,稳,准,快,51,(a)非周期单调曲线； (b)发散振荡；(c)收敛（衰减）振荡； (d)等幅振荡。,输入量,典型输出曲线,52,快速性与阻尼特性：对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称为动态性能。,53,准确性：用稳态误差来表示。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。,
