湖南大学自控课件

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1、自自 动动 控控 制制 原原 理理2012年年9月月唐唐 求求电气与信息工程学院电气与信息工程学院2推荐教材与参考资料推荐教材与参考资料1、自动控制原理（第自动控制原理（第5版），胡寿松主编，版），胡寿松主编， 科学出版社科学出版社2、自动控制原理（修订版），李友善主编，自动控制原理（修订版），李友善主编， 国防工业出版社国防工业出版社3、自动控制原理解析，胡寿松主编，自动控制原理解析，胡寿松主编， 科学出版社科学出版社3v闭卷考试闭卷考试v评分标准：评分标准： 期末考试：期末考试：70 %70 %、 实验成绩：实验成绩：20 %20 %、 课堂考核及作业：课堂考核及作业：10 % 10 %

2、。v全院各专业统一命题、流水作业阅卷、统一评分全院各专业统一命题、流水作业阅卷、统一评分考核方式考核方式4第一章第一章 自动控制的一般概念自动控制的一般概念自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式1-1自动控制系统示例自动控制系统示例1-2自动控制系统的分类自动控制系统的分类3对自动控制系统的基本要求对自动控制系统的基本要求41-31-451-1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式一、自动控制的基本概念一、自动控制的基本概念手动控制手动控制人在控制过程中起三个作用：人在控制过程中起三个作用： （1 1）观测观测：用眼睛去观测温度计和转速表的指示值；：用眼睛去观测温度计和转

3、速表的指示值； （2 2）比较与决策比较与决策：人脑把观测得到的数据与要求的数据相：人脑把观测得到的数据与要求的数据相比较，并进行判断，根据给定的控制规律给出控制量；比较，并进行判断，根据给定的控制规律给出控制量； （3 3）执行执行：根据控制量用手具体调节，如调节阀门开度、：根据控制量用手具体调节，如调节阀门开度、改变触点位置。改变触点位置。水温手动控制系统6水温自动控制系统水温自动控制系统系统中增加了：系统中增加了：控制器控制器电机电机加入给定信号加入给定信号工作原理：工作原理：检测实际温度检测实际温度产生控制信号产生控制信号 通过电机调通过电机调节阀门的开度节阀门的开度 从而调节蒸从而调

4、节蒸汽流入，控制汽流入，控制水的温度水的温度. 实实现没有人直接现没有人直接参入的自动水参入的自动水温控制。温控制。1-1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式温度计温度计一、自动控制的基本概念一、自动控制的基本概念自动控制自动控制： 在无人直接参与下，利用控制装置操在无人直接参与下，利用控制装置操纵受控对象，使受控对象的被控量按给定纵受控对象，使受控对象的被控量按给定要求变化要求变化。 自动控制系统自动控制系统控制装置控制装置受控对象受控对象 自动控制示意图自动控制示意图分析和设计自动控制系统分析和设计自动控制系统的性能。的性能。自动控制原理的主要任务自动控制原理的主要任务：控制

5、器控制器给定值给定值 检测元件检测元件 受控对象受控对象被控量被控量1-1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式 为为了了方方便便地地分分析析系系统统性性能能，一一般般用用框框图来表示系统的结构图来表示系统的结构: 要使自动控制系统满足工程实际的需要使自动控制系统满足工程实际的需要要 , 必须研究自动控制系统的结构参数与必须研究自动控制系统的结构参数与系统性能之间的关系。系统性能之间的关系。实实际际温度温度偏差偏差反馈量反馈量预预期期温度温度_控制器控制器执行机构执行机构阀门阀门水箱水箱1-1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式二、自动控制系统的基本构成及控制方式二、

6、自动控制系统的基本构成及控制方式1开环控制开环控制自自动动控控制制系系统统有有两两种种基基本本控控制制方方式式：开开环控制与闭环控制。环控制与闭环控制。控制装置与受控对象之间只有顺控制装置与受控对象之间只有顺向作用而无反向联系。向作用而无反向联系。1-1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式例例 转台速度开环控制系统转台速度开环控制系统 这种转台在这种转台在CD机、计算机磁盘驱动器机、计算机磁盘驱动器等现代装置中广泛应用等现代装置中广泛应用.转台转台 电机电机电源和放电源和放 大装置大装置速度设置速度设置系统组成：系统组成：由图可见：由图可见： 被控制量速被控制量速度没有反馈到度没

7、有反馈到输入端与给定输入端与给定信号比较信号比较,为开为开环控制系统。环控制系统。1-1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式预期速度预期速度实际转速实际转速直流电动机直流电动机转台转台放大器放大器 系统结构和控制过程均很简单，但抗系统结构和控制过程均很简单，但抗扰能力差，控制精度不高，故一般只能用扰能力差，控制精度不高，故一般只能用于对控制性能要求较低的场合。于对控制性能要求较低的场合。 转台速度开环控制系统结构图转台速度开环控制系统结构图:开环控制的特点：开环控制的特点： 2闭环控制闭环控制 有顺向作用，而且还有反向联系有顺向作用，而且还有反向联系. 闭环控制又称为闭环控制又称

8、为反馈控制反馈控制或或按偏差控制按偏差控制。 控制装置与受控对象之间，不但控制装置与受控对象之间，不但 1-1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式例例 转速负反馈直流电动机调速系统转速负反馈直流电动机调速系统直流电机直流电机测速发电机测速发电机电源和放电源和放 大装置大装置负载负载系统组成：系统组成：UnUf给定电压给定电压反馈电压反馈电压e=Un-Uf 转速取决转速取决于给定电压于给定电压与反馈电压与反馈电压的差值。的差值。1-1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式 调速系统结构图调速系统结构图unufeudn_直流电动机直流电动机放大器放大器测速机测速机 由电网

9、电压波动，负载变化以及其他部由电网电压波动，负载变化以及其他部分的参数变化所引起的转速变化，都可以通分的参数变化所引起的转速变化，都可以通过系统的自动调整加以抑制。过系统的自动调整加以抑制。 nUf eUd n闭环控制系统具有的特点：闭环控制系统具有的特点： 减减小小或或消消除除由由于于扰扰动动所所形形成成的的偏偏差差值值，具有较高的控制精度和较强的抗扰能力。具有较高的控制精度和较强的抗扰能力。1-1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式14反馈控制系统的基本组成组成及功能：组成及功能：比较元件比较元件 测量反馈元件测量反馈元件 放大元件放大元件执行元件执行元件 校正元件校正元件

10、r(t)r(t)偏差偏差信号信号- -c(t)c(t)主反馈主反馈输入输入信号信号扰动扰动串联校串联校正元件正元件放大放大元件元件执行执行元件元件被控被控对象对象并联校并联校正元件正元件测量反测量反馈元件馈元件局部反馈局部反馈输出输出信号信号e e- -比较元件比较元件1-1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式3复合控制复合控制 是开环和闭环控制相结合的一种控制是开环和闭环控制相结合的一种控制方式。是在闭环控制回路的基础上，附加方式。是在闭环控制回路的基础上，附加一个输入信号或扰动信号的顺馈通路，用一个输入信号或扰动信号的顺馈通路，用来提高系统的控制精度。顺馈通路通常由来提高系统

11、的控制精度。顺馈通路通常由对输入信号的补偿器或对扰动信号的补偿对输入信号的补偿器或对扰动信号的补偿器组成。器组成。复合控制具有两种基本形式复合控制具有两种基本形式.1-1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式(a) 按输入前馈补偿的复合控制按输入前馈补偿的复合控制给定值给定值被控制量被控制量_受控对象受控对象检测元件检测元件控制器控制器前馈控制前馈控制1-1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式(b) 按扰动前馈补偿的复合控制按扰动前馈补偿的复合控制检测元件检测元件_前馈控制前馈控制扰动扰动被控制量被控制量给定值给定值受控对象受控对象控制器控制器_1-1 自动控制的基本

12、原理与方式自动控制的基本原理与方式18人工水位控制系统人工水位控制系统1、水位控制系统水位控制系统1-2 自动控制系统示例自动控制系统示例19自动水位控制系统自动水位控制系统1-2 自动控制系统示例自动控制系统示例202、 自动恒温调节系统自动恒温调节系统恒温箱的温度由给定电压信号恒温箱的温度由给定电压信号u u1 1控制控制 电阻丝电阻丝调压器调压器220V220V 减减速速器器执行执行电机电机功率功率放大器放大器电压电压放大器放大器uuu u1 1u u2 2热电偶热电偶1-2 自动控制系统示例自动控制系统示例21自动恒温调节系统的温度调节过程自动恒温调节系统的温度调节过程: 所以，人工控

13、制系统和自动控制系统极为相似，均为反所以，人工控制系统和自动控制系统极为相似，均为反馈控制，都要检测偏差并用以纠正偏差，在自动控制系统中，馈控制，都要检测偏差并用以纠正偏差，在自动控制系统中，这一偏差是通过这一偏差是通过反馈反馈来建立的。来建立的。1)1)给定温度期望值给定温度期望值T Ti i所对应的电压所对应的电压u u1 1, ,由热电偶测量得实由热电偶测量得实际温度际温度T To o所对应的电压所对应的电压u u2 22)2)比较比较u u1 1和和u u2 2，得，得电压偏差：电压偏差：u=u= u u1 1-u-u2 23)3)控制控制: :uu经放大后，驱动执行电机，调节调节器经

14、放大后，驱动执行电机，调节调节器, ,控制控制供电电压，最终控制温度。供电电压，最终控制温度。 1-2 自动控制系统示例自动控制系统示例22自动恒温调节系统的原理方块图：自动恒温调节系统的原理方块图：负反馈负反馈 e=u1-u2正反馈正反馈 e=u1+u21-2 自动控制系统示例自动控制系统示例结定结定u u1 1e e- -T To o温度温度u u2 2比较比较环节环节放大及运算环节放大及运算环节执行执行环节环节放大放大热电偶热电偶电机电机减速器减速器调压器调压器恒温箱恒温箱被控被控对象对象: : 表示比较元件表示比较元件: : 表示作用方向表示作用方向: : 表示偏差信号表示偏差信号e2

15、33、飞机俯仰角自动控制系统、飞机俯仰角自动控制系统水平方向水平方向垂直陀螺仪垂直陀螺仪放大器放大器舵机舵机M抬头抬头给定电位器给定电位器反馈电位器反馈电位器1-2 自动控制系统示例自动控制系统示例24飞机俯仰角自动控制系统方块图：飞机俯仰角自动控制系统方块图：1-2 自动控制系统示例自动控制系统示例- -扰动扰动放大器放大器舵机舵机飞机飞机反馈反馈电位器电位器垂直垂直陀螺仪陀螺仪- -给定给定装置装置251-2 自动控制系统示例自动控制系统示例261-3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类一、按反馈的有无来分一、按反馈的有无来分: 1 1开环控制系统：输入和输出之间无反馈，开环控制系统：输

16、入和输出之间无反馈， 输出对系统的控制作用无影响。输出对系统的控制作用无影响。特点：精度高，抗干扰能力强，易产生振荡。特点：精度高，抗干扰能力强，易产生振荡。特点：结构简单，不产生振荡，特点：结构简单，不产生振荡， 但控制精度不高，抗干扰能力差。但控制精度不高，抗干扰能力差。2 2闭环控制系统：输入和输出之间有反馈，闭环控制系统：输入和输出之间有反馈， 输出对系统的控制作用有影响，输出对系统的控制作用有影响， 反馈的作用就是减小偏差。反馈的作用就是减小偏差。27二、按输出的变化规律来分二、按输出的变化规律来分:1 1恒值系统：在外界干扰存在情况下，输出基本恒值系统：在外界干扰存在情况下，输出基

17、本恒定（给定输入信号为恒值）恒定（给定输入信号为恒值）2 2随动系统：输出在宽范围内跟随输入任意变化（给定随动系统：输出在宽范围内跟随输入任意变化（给定输入信号是预先未知的时间函数）输入信号是预先未知的时间函数）3 3程序控制系统：输出量按预定规律变化（给定输入程序控制系统：输出量按预定规律变化（给定输入信号是已知的时间函数）信号是已知的时间函数）1 1连续控制系统：各环节输入和输出信号均为连续控制系统：各环节输入和输出信号均为连续信号连续信号三、按信号的连续性来分三、按信号的连续性来分: 2 2离散控制系统：系统中有一处或数处的信号是离散控制系统：系统中有一处或数处的信号是离散的离散的（脉冲

18、序列或数码）（脉冲序列或数码）1-3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类28四、按描述系统的动态方程来分四、按描述系统的动态方程来分:1 1线性系统：用线性系统：用线性微分（或差分）方程线性微分（或差分）方程来描述来描述2 2非线性系统：用非线性系统：用非线性微分（或差分）方程非线性微分（或差分）方程来描述来描述 五、按系统参数是否随时间变化来分五、按系统参数是否随时间变化来分:1 1线性定常系统：系统参数线性定常系统：系统参数不随时间变化不随时间变化2 2线性时变系统：系统参数线性时变系统：系统参数随时间而变化随时间而变化例：例：例：例：例：例：例：例：参数与变量有关，或者方程中含有变量及

19、参数与变量有关，或者方程中含有变量及其导数的高次幂或乘积项其导数的高次幂或乘积项1-3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类 常见的评价系统优劣的性能指标是常见的评价系统优劣的性能指标是从动态过程中定义出来的。对系统性能从动态过程中定义出来的。对系统性能的基本要求有三个方面。的基本要求有三个方面。 二、快速性二、快速性一、稳定性一、稳定性三、准确性三、准确性1-4 对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求一、稳定性一、稳定性1-4 对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求 系系统统受受外外作作用用力力后后,其其动动态态过过程程的的振振荡倾向和系统恢复平衡的能力。荡倾向和系统恢复平衡的能力。稳定

20、性：稳定性： 如如果果系系统统受受外外作作用用力力经经过过一一段段时时间间，其其被被控控量量达达到到某某一一稳稳定定状状态态，则则系系统统是是稳定的。稳定的。否则为不稳定的。否则为不稳定的。稳定系统的动态过程稳定系统的动态过程r(t)t0c(t)1r(t)c(t)不稳定系统的动态过程不稳定系统的动态过程(a) 给定信号作用给定信号作用c(t)(b) 扰动信号作用扰动信号作用d(t)t0c(t)r(t)t0c(t)r(t)c(t)d(t) 不稳定的系统是无法正常工作的。不稳定的系统是无法正常工作的。 1-4 对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求 通通过过动动态态过过程程时时间间长长短短表表征

21、征。时时间间越短，表明快速性越好，反之亦然。越短，表明快速性越好，反之亦然。r(t)t0c(t)r(t)c1(t)c2(t) 快速性表明了系统输出对输入响应快速性表明了系统输出对输入响应的快慢程度的快慢程度1-4 对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求二、快速性二、快速性 由输入给定值与输出响应的终值之由输入给定值与输出响应的终值之间的差值间的差值ess大小表征。大小表征。r(t)t0c(t)r(t)c(t)ess1-4 对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求三、准确性三、准确性 稳稳定定性性、快快速速性性和和准准确确性性往往往往是是互互相相制制约约的的。在在设设计计与与调调试试的的过过程

22、程中中,若若过过分分强强调调某某方方面面的的性性能能,则则可可能能会会使使其其他他方方面的性能受到影响面的性能受到影响. 怎样根据工作任务的不同怎样根据工作任务的不同,分析和设计分析和设计自动控制系统，使其对三方面的性能有所自动控制系统，使其对三方面的性能有所侧重侧重 ，并兼顾其它正是自控原理课程要解，并兼顾其它正是自控原理课程要解决的问题。决的问题。1-4 对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求35阶跃函数阶跃函数斜坡函数斜坡函数tf(t)R0tf(t)R01-4 对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求四、典型输入信号四、典型输入信号36脉冲函数脉冲函数正弦函数正弦函数tf(t)A0tf

23、(t)A01-4 对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求1-5 自动控制理论发展简述自动控制理论发展简述1788 年前后，瓦年前后，瓦特发明了蒸汽机特发明了蒸汽机的离心调速器。的离心调速器。离心调速器离心调速器 具有具有“自动自动”功能的装置自古有之，瓦功能的装置自古有之，瓦特发明的蒸汽机上的离心调速器是比较自觉特发明的蒸汽机上的离心调速器是比较自觉地运用反馈原理进行设计并取得成功的首例。地运用反馈原理进行设计并取得成功的首例。38 进汽阀门，连杆机构设定转速实际转速比较器Metalsphere转速测量蒸汽室+-蒸汽机飞球调节阀离心调速器框图离心调速器框图1-5 自动控制理论发展简述自动控制

24、理论发展简述1-5 自动控制理论发展简述自动控制理论发展简述 瓦特离心调速器在调速过程中存在不瓦特离心调速器在调速过程中存在不稳定现象（稳定现象（“设备变得发狂！设备变得发狂！”），当时并），当时并没有理论指导，所有的努力都集中在改进调没有理论指导，所有的努力都集中在改进调速器本身（重量、弹簧、摩擦）。速器本身（重量、弹簧、摩擦）。 麦克斯维尔把调节器跟调节对象合在一麦克斯维尔把调节器跟调节对象合在一起，看作一个系统，用微分方程来进行研起，看作一个系统，用微分方程来进行研究，指出微分方程的特征根在左半面或右究，指出微分方程的特征根在左半面或右半面，决定着系统稳定与否。半面，决定着系统稳定与否。

25、 40 1877年，麦克斯维尔的学生劳斯提出了年，麦克斯维尔的学生劳斯提出了劳斯代数稳定性判据，并获得了亚当奖。劳斯代数稳定性判据，并获得了亚当奖。 1895年，胡尔维茨也提出了本质上与年，胡尔维茨也提出了本质上与劳斯判据一致的代数稳定性判据，并在稳定劳斯判据一致的代数稳定性判据，并在稳定性理论的指导下，为瑞士达沃斯电厂的一个性理论的指导下，为瑞士达沃斯电厂的一个蒸汽机设计了一个调速系统。胡尔维茨被认蒸汽机设计了一个调速系统。胡尔维茨被认为是真正运用控制理论，来指导设计控制系为是真正运用控制理论，来指导设计控制系统的第一人。统的第一人。1-5 自动控制理论发展简述自动控制理论发展简述41 19

26、54年，中国科学家年，中国科学家钱学森全面地归纳总钱学森全面地归纳总结了经典控制理论，结了经典控制理论，在美国出版了国际上在美国出版了国际上第一本经典控制理论第一本经典控制理论的著作的著作工程控制论工程控制论。 经验的积累和总结，经验的积累和总结，逐渐形成了较完备的逐渐形成了较完备的理论。理论。1-5 自动控制理论发展简述自动控制理论发展简述 60年年代代以以来来，随随着着计计算算机机技技术术的的发发展展和和航航天天等等高高科科技技的的推推动动，又又产产生生了了基基于于状状态空间模型的所谓态空间模型的所谓“现代现代”控制理论。控制理论。 随随着着自自动动化化技技术术的的发发展展，人人们们力力求

27、求使使设设计计的的控控制制系系统统达达到到最最优优的的性性能能指指标标，为为了了使使系系统统在在一一定定的的约约束束条条件件下下，其其某某项项性性能能指指标标达达到到最最优优而而实实行行的的控控制制称称为为最最优优控制。控制。1-5 自动控制理论发展简述自动控制理论发展简述43 当当对对象象或或环环境境特特性性变变化化时时，为为了了使使系系统统能能自自行行调调节节，以以跟跟踪踪这这种种变变化化并并保保持持良良好的品质，又出现了自适应控制。好的品质，又出现了自适应控制。 各各种种理理论论中中仍仍是是古古典典频频率率法法最最为为适适用用。真真正正优优良良的的设设计计必必须须允允许许模模型型的的结结

28、构构和和参参数数不不精精确确并并可可能能在在一一定定范范围围内内变变化化，即即具具有有鲁鲁棒棒性性。这这是是当当前前的的重重要要前前沿课题之一。沿课题之一。1-5 自动控制理论发展简述自动控制理论发展简述44 另另外外，使使理理论论实实用用化化的的一一个个重重要要途途径径就就是是数数学学模模拟拟（仿仿真真）和和计计算算机机辅辅助助设计（设计（CAD）。）。 近近年年来来，在在非非线线性性系系统统理理论论、离离散散事事件件系系统统、大大系系统统和和复复杂杂系系统统理理论论等等方方面面均均有有不不同同程程度度的的发发展展。智智能能控控制制也也得得到到了了很很快快的的发发展展，它它主主要要包包括括专

29、专家家系系统统、模模糊糊控控制和人工神经元网络等内容。制和人工神经元网络等内容。1-5 自动控制理论发展简述自动控制理论发展简述 总总之之，自自动动控控制制理理论论正正随随着着技技术术和和生生产产的的发发展展而而不不断断发发展展，而而它它反反过过来来又又成成为为高高新新技技术术发发展展的的重重要要理理论论根根据据。本本书书所所介介绍绍的的内内容容是是该该理理论论中中最最基基本本的的也也是是最最重重要要的的内内容容，即即古古典典控控制制理理论论部部分分。它它在在工工程程实实践践中中用用得得最最多多，也也是是进进一一步步学习自动控制理论的基础。学习自动控制理论的基础。1-5 自动控制理论发展简述自

30、动控制理论发展简述461 1 古典控制理论古典控制理论：2 2 现代控制理论现代控制理论：研究对象：以单输入单输出（研究对象：以单输入单输出（SISOSISO）线性定常系为主线性定常系为主研究工具：研究工具：微分方程微分方程 （时域（时域 t t）传递函数传递函数 （复频域（复频域 s s）研究工具：状态空间法研究工具：状态空间法 （时域（时域 t t）研究对象：研究对象：多输入多输出（多输入多输出（MIMOMIMO）系统系统定常系统与时变系统定常系统与时变系统线性系统与非线性系统线性系统与非线性系统3 3 智能控制理论智能控制理论：研究方向研究方向：自适应控制理论、模糊控制理论、人工神经自适

31、应控制理论、模糊控制理论、人工神经网络、混沌理论等。网络、混沌理论等。1-5 自动控制理论发展简述自动控制理论发展简述47本课程教学目的和内容本课程教学目的和内容熟练掌握自动控制的基本概念；熟练掌握自动控制的基本概念；熟练掌握控制系统的数学模型及结构图和信号熟练掌握控制系统的数学模型及结构图和信号流图的表示方法；流图的表示方法；熟练掌握线性控制系统的时域分析法、根轨迹熟练掌握线性控制系统的时域分析法、根轨迹法、频域分析法、以及综合校正设计等方法；法、频域分析法、以及综合校正设计等方法；熟练掌握线性离散系统分析及数字校正方法；熟练掌握线性离散系统分析及数字校正方法；培养定性分析、定量分析、仿真实验、初步联培养定性分析、定量分析、仿真实验、初步联系工程实际等方面的综合技术能力。系工程实际等方面的综合技术能力。 48作业：作业： 1-2 1-3 根据系统的工作过程说明系统的工作原理；根据系统的工作过程说明系统的工作原理； 系统原理方框图的画法。系统原理方框图的画法。本章小结本章小结