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1、自动控制原理,自动化,Principles of Automatic Control,控制理论：自动化学科的重要理论基础,引 言,研究自动控制共同规律的技术科学,自动控制原理控制理论体系,自动控制技术应用,自动控制系统,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）,课程学习要面临,数学基础宽而深控制原理抽象计算复杂且繁琐绘图
2、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,二十世纪三项科学革命：控制论、量子论、相对论 控制论： 经典控制理论 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
3、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,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,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
4、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
5、，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。,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
6、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意的控制。,1.经典控制理论(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
7、分析。（连续控制系统、离散控制系统）,2.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）,第一章 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
8、并绘制原理方块图；,1.1 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：能够实现自动控制任务的系统，由控制器与控制对象组成。,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.自动控制系统控制原理方框图,比较环节,输入
9、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） ：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）,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,1.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 控制原理与方式,（1）按给定值操纵的开环控制,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
10、的偏差没有任何修正能力，抗干扰能力差，控制精度不高。,（2）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.闭环控制 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
11、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,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
12、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.复合控制,它是把按偏差控制与按扰动控制结合起来，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,4.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。校正元件或
13、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 自动控制系统的类型,1.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.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、
14、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.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具有齐次性和叠加性。,(1)线性系统,(2
15、)非线性系统,在系统中只要有一个元器件的特性不能用线性微分方程描述其输入和输出关系,则称为非线性系统。非线性系统还没有一种完整、成熟、统一的分析法。通常对于非线性程度不很严重,或做近似分析时,均可用线性系统理论和方法来处理。,4.定常系统和时变系统,(1)定常系统,如果描述系统特性的微分方程中各项系数都是与时间无关的常数,则称为定常系统。该类系统只要输入信号的形式不变,在不同时间输入下的输出响应形式是相同的。,(2)时变系统,如果描述系统特性的微分方程中只要有一项系数是时间的函数,此系统称为时变系统。,5.连续系统和离散系统,(1)连续系统,系统中所有元件的信号都是随时间连续变化的,信号的大小
16、均是可任意取值的模拟量,称为连续系统。,(2)离散系统,离散系统是指系统中有一处或数处的信号是脉冲序列或数码。若系统中采用了采样开关,将连续信号转变为离散的脉冲形式的信号,此类系统称为采样控制系统或脉冲控制系统。若采用数字计算机或数字控制器,其离散信号是以数码形式传递的,此类系统称为数字控制系统。,6.单输入单输出系统与多输入多输出系统,(1)单输入单输出系统(单变量系统),系统的输入量和输出量各为一个,称为单输入单输出系统。,(2)多输入多输出系统(多变量系统),若系统的输入量和输出量多于一个,称为多输入多输出系统。对于线性多输入多输出系统,系统的任何一个输出等于数个输入单独作用下输出的叠加。,1.5自动控制系统的基本要求,
