自动控制原理简明教程课件资料

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1、自动控制原理,张萃珍,1,三明学院机电工程学院,本学期课程安排,教材：胡寿松，自动控制原理简明教程， 科学出 版社,课程内容：第一章第六章,课程总学时：48+16,参考文献：,Katsuhiko Ogata，现代控制工程(第四版)，电子工业出版社,高国淼，自动控制原理，华南理工出版社,刘坤，MATLAB自动控制原理习题精解，国防工业出版社,胡寿松，自动控制原理习题集，科学出版社,王莹莹，自动控制原理全程导学及习题全解，科学出版社,2,成绩构成,期末 60% 平时 +实验 40%,考试形式,考试： 闭卷,3,该课程与其它课程的关系,复变函数、拉普拉斯变换 自动控制原理,线性代数 电路理论 模拟电

2、子技术,微积分（含微分 方程） 大学物理（力学、 热力学） 电机与拖动,各类控制系统课程 4,自动控制原理各章关系,5,第一章 控制系统导论,1-1 自动控制的基本原理 1-2 自动控制系统示例 1-3 自动控制系统的分类,1-4 自动控制系统的基本要求 1-5 控制系统的典型输入信号,6,7,1-1 自动控制的基本原理 1.1.1 自动控制技术及其应用 自动控制 自动控制是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，或者按照一定的规 律变化。 例如锅炉温度控制、化工过程流量、温度、 液位的控制，等等。 自动控制系统 自动控制系统是为实现

3、某一控制目标所需,要的所有物理部件的有机组合体。,自动控制技术的应用, 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,8,9,“勇气”号在火星工作的英姿,“深度撞击”撞击器,10,1.1.2 自动控制理论发展史,自动控制理论:关于自动控制系统的理论。 自动控制理论是怎样产生的呢？,12,十八世纪以后，蒸汽机的使用提出了调速稳定等问题,1765年俄国人波尔祖

4、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 1877年产生了赫氏判据和劳斯稳定判据,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、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,二十世纪初第二次世界大战，军事工业发展很快,13,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。,自动控制成为一门科学是从1945发展起来的,1. 经典控制理论时期（1940-1

5、960）,第二次世界大战时期开始：,经典控制理论逐渐发展成熟而形成为独立学科。频 率 分析法和根轨迹分析法，构成了经典控制理论的基础。 在此期间，也产生了一些非线性系统的分析方法，如相 平面法和描述函数法等，以及采样系统的分析方法。,数学工具：主要是线性微分方程和基于拉普拉斯变换的,传递函数。,研究对象：基本是单输入单输出系统。 目标：反馈控制系统的稳定,典型成果：雷达高炮跟踪系统，轧钢机控制系统，液,15,压伺服系统等。,2. 现代控制理论时期（20世纪50年代末-60年代初）,50年代70年代，空间技术与军事技术的发展提出了 许多复杂控制问题，用于导弹、人造卫星和宇宙飞船上 Kalman

6、“控制系统的一般理论”奠定了现代控制理论,的基础,数学工具：主要是状态空间法,研究对象：研究对象更为广泛。如线性系统与非线性系统、 定常系统与时变系统、多输入多输出系统、变量耦合 系统等。,目标：最优控制,典型成果：空间技术、军事技术、多方面的工业技术,我国：火箭发射控制技术 ，人口模型与中国人口控制,16,3.大系统和智能控制时期 （ 20世纪70年代）,各学科相互渗透，要分析的系统越来越大，越来越复杂。 70年代至今，基于人脑的思维、学习、推理、决策功 能研究与发展的，是当前控制理论学科研究的前沿领域。 主要研究方向：自适应控制理论、模糊控制理论、人工神,经元网络、浑沌理论研究等。,主要研

7、究成果：各种自动设计系统，神经计算机，机器人,控制系统，模式识别，人工推理机等。,4.正在发展的各个领域,自适应控制 大系统理论 H鲁棒控制,17,非线性控制（微分几何，混沌，变结构）,1.1.3 自动控制的基本原理（反馈控制原理） 人工控制的例子 示例水池水位控制 人工控制,被控对象：水池 被控量：水池的水位,观测实际水位，将期望的水位值与实际水位相比较，两者之差为误差。根据误差的大小和方向调节进水阀门的开度，即当实际水位高于要求值时，关小进水阀门开度，否则加大阀门开度以改变进水量，从而改变水池水位，使之与要求值保持一致。,人脑：记住水位的期望值； 人眼：观察水池的实际水位；测量（测量反馈机

8、构） 人脑：比较水池的期望值-实际值；（比较机构）、控制 人手：调节进水阀门的开度，执行控制作用。执行（执行机构） 是一个反复观察测量、比较、调整执行的过程，力图将水池水位的期望值与实际值之间的差值减为0。,Show,e,原理方框图： Qo 扰动,H 实际液位,脑,H s 给定值,手,u,水槽,Qi,眼,H,测量值,19,人工控制精度不高，人的反应不够快，不少恶劣的场合人无法参与直接控制。自动控制系统可以解决以上问题。,3.自动控制（Automatic Control）：是指在没有人直接参与的情况下，利用自动控制装置（或称为控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称为被控对象）的某个工作

9、状态或参数（称为被控量）自动地按照预定的规律运行。,抽水马桶的例子,What,课本上的例子,自动控制的例子,当实际水位低于要求水位时，电位器输出电压值为正，且其大小反映了实际水位与水位要求值的差值，放大器输出信号将有正的变化，电动机带动减速器使进水阀门开度增加，直到实际水位重新与水位要求值相等时为止。,期望水位,Show,电位计+连杆人脑：记住水位的期望值； 浮子人眼：观察水池的实际水位； 电位计+连杆人脑： 反映误差（=水位的期望值-实际值）； 电动机人手：调节进水阀门开度，执行控制作用。 是一个反复观察测量、比较、调整执行的过程，力图将水池水位的期望值与实际值间的差值减为0，即误差为0。,

10、控制过程：测量（测量反馈机构）浮子 比较（比较机构）电位计+连杆 执行（执行机构）电动机,人工控制原理方框图：,e,u,Qo 扰动,Qi,H 实际液位,脑,H s 给定值,手,水槽,眼,H,测量值,自动控制原理方块图：,控制器,e,执行器,u,水槽,Qo 扰动,Qi,H 实际液位,H s 给定值,H,测量值,21,变送器,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，与输入信号相比较。反送到输入端的信 号称为反馈信号。 负反馈：,反馈信号与输人信号相减，其差为偏差信号。,负反馈控制原理：,检测偏差用以消除偏差。将系统的输出,22,信号引回输入端，与输入信号相减，形成偏 差信号。然

11、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。,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,入星也称控制输入。 扰动量：,干扰或破坏系统按预定规律运行的输入量，,也称扰动输入。,23,1.2.1 一个典型的反馈控制系统的基本组成部分,信号从输入端沿箭头方向到达输出端的传输通道称前向通路，系统输出量经测量元件反馈到输入端的传输通道称主反馈通路。前向通路与主反馈通路共同组成主回路。,Show,被控对象（被控过程）又称控制对象或受控对象，指需要对它的某个特定的量进行控制的设备或过程。被控对象的输出变量是被控变量，常常记

12、作输出信号或输出量。被控对象除了受到控制作用外，还受到外部扰动作用。 给定元件其作用是给出与期望的输出相对应的系统输入量，是一类产生系统控制指令的装置。 测量反馈元件如传感器和测量仪表，感受或测量被控变量的值并把它变换为与输入量同一物理量后，再反馈到输入端以作比较。,比较元件比较输入信号与反馈信号，以产生反映两者差值的偏差信号。 放大元件将微弱的信号作线性放大。 校正元件也叫补偿元件，它是按某种函数规律变换控制信号，以利于改善系统的动态品质或静态性能。 执行元件根据偏差信号的性质执行相应的控制作用，以便使被控制量按期望值变化。如电动机、气动控制阀等。,自动控制系统：是由被控对象和自动控制装置按

13、一定方式联结起来的，以完成某种自动控制任务的有机整体。 输入信号r(t)：系统的输入信号是指参考输入，又称给定量或给定值，它是控制着输出量变化规律的指令信号。 输出信号c(t)：系统的输出信号是指被控对象中要求按一定规律变化的物理量，又称被控量，它与输入量之间保持一定的函数关系。,1.2.2 自动控制系统中常用的名词术语,补充,反馈信号：由系统（或元件）输出端取出并反向送回系统（或元件）输入端的信号称为反馈信号。反馈分为主反馈b(t)和局部反馈。 偏差信号e(t)：它是指参考输入与主反馈信号之差。偏差信号简称偏差。 e(t)=r(t)- b(t) 误差信号：它是指系统输出量的期望值与实际值之差

14、，简称误差。在单位反馈情况下，误差值也就是偏差值，二者是相等的。 扰动信号f(t)：简称扰动或干扰，是除控制信号以外,对系统的输出有影响的信号。扰动是不希望的输入信号。,P5,1.1.5自动控制系统的基本控制方式,示例直流电动机转速开环控制系统,给定电压ug经放大后得到电枢电压ua，改变ug可得不同的转速n，该系统只有输入量ug对输出量n的单向控制作用。输出端和输入端之间不存在反馈回路。,1.3.1 开环控制系统,只有输入量的前向控制作用，输出量并不反馈回来影响输入量的控制作用，因而，将它称为开环控制系统（Open-Loop Control System）。,开环系统的优点结构简单，系统稳定性

15、好，调试方便，成本低。因此，在输入量和输出量之间的关系固定，且内部参数或外部负载等扰动因素不大，或这些扰动因素可以预测并进行补偿的前提下，应尽量采用开环控制系统。 开环控制的缺点当控制过程中受到来自系统外部的各种扰动因素，如负载变化、电源电压波动等，以及来自系统内部的扰动因素，如元件参数变化等，都将会直接影响到输出量，而控制系统不能自动进行补偿，抗干扰性能差。因此，开环系统对元器件的精度要求较高。,1.3.2 闭环控制系统,ue= ug-uf,偏差,直流电动机转速闭环控制系统方块图,设上述系统原已在某个给定电压ug相对于的转速n状态下运行，若一旦受到某些干扰（如负载转矩突然增大）而引起转速下降

16、时，系统就会自动地产生相应的调整过程。,偏差始终存在,总结一下： 闭环控制系统的工作原理： 检测输出量（被控制量）的实际值； 将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比较，得出偏差； 用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得输出量维持期望的输出。,由于存在输出量反馈，上述系统能在存在无法预计扰动的情况下，自动减少系统的输出量与参考输入量（或者任意变化的希望的状态）之间的偏差，故称之为反馈控制。 显然：反馈控制建立在偏差基础上，其控制方式是“检测偏差再纠正偏差”。,Show,闭环控制系统（Close-Loop Control System）又称反馈控制系统（Feedback Control System），是在闭环控制系统中，把输出量检测出来，经过物理量的转换，再反馈到输入端去与给定值（参考输入）进行比较（相减），并利用比较后的偏差信号，以一定的控制规律产生控制作用，抑制内部或外部扰动对输出量的影响，逐步减小以至消除这一偏差，从而实现要求的控制性