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1、自动控制原理自动控制原理讲授讲授 张曙光张曙光河北农业大学河北农业大学机电工程学院机电工程学院专业的培养目标专业的培养目标对高级工程技术人才的要求对高级工程技术人才的要求如何学习才能成为人才如何学习才能成为人才该课程的学习方法与要求该课程的学习方法与要求课程的学习目的、方法与要求专业的培养目标 明确学习目的电气工程及其自动化专业电气工程及其自动化专业 培培养养具具有有创创新新意意识识和和创创新新能能力力、综综合合素素质质高高、适适应应能能力力强强的的，能能够够从从事事与与电电气气工工程程有有关关的的系系统统运运行行、自自动动控控制制、电电力力电电子子技技术术、信信息息处处理理、试试验验分分析析
2、、研研制制开开发发、经经济济管管理理以以及及电电子子与与计计算算机机技技术术应应用用等等领领域域工工作作的的宽宽口径口径“复合型复合型”高级工程技术人才高级工程技术人才。 工程技术人员工程技术人员（包括其他技术家）和科学（包括其他技术家）和科学家的职责不同。家的职责不同。 科学家的任务是科学家的任务是如何认识如何认识，因而他可以选，因而他可以选择自己感兴趣的研究课题；择自己感兴趣的研究课题； 工程师的任务是工程师的任务是如何实现如何实现，所以他必须解，所以他必须解决面临的实际问题。工程问题受到多方面因素决面临的实际问题。工程问题受到多方面因素的制约，工程师必须在多种可能方案中做出选的制约，工程
3、师必须在多种可能方案中做出选择，谋求最可靠、最经济、最实用的解决方法。择，谋求最可靠、最经济、最实用的解决方法。 工程技术人员的任务工程技术人员的任务 将来我们做什么将来我们做什么对工程技术人才的要求 合格人才是什么样的一个工程师接受任务的时候总会问自己这样的问题：一个工程师接受任务的时候总会问自己这样的问题：会不会做是是否否在在科科学学技技术术上上掌掌握握了了必必须须的的知知识识和和技技能，能够解决工程上的难题。能，能够解决工程上的难题。可不可以做是是否否在在政政策策法法规规和和社社会会公公德德允允许许的的条条件下的工程。件下的工程。该不该做是是否否拥拥有有了了良良好好的的生生态态可可行行性
4、性和和工工程程持持续续性性，并并且且能能在在人人、才才、物物和和时时空空约约束束条条件件下下经经济济合合理地完成任务。理地完成任务。如何去做拿出切实可行的解决方案。拿出切实可行的解决方案。如何学习才能成为人才第一境界：第一境界：总结知识的能力总结知识的能力自我学习的能力自我学习的能力综合知识的能力综合知识的能力第二境界：第二境界：发现问题的能力发现问题的能力解决问题的能力解决问题的能力第三境界：第三境界：创造思维的能力创造思维的能力n课程重要性课程重要性自动控制原理自动控制原理是工科的技术基础课，是工科的技术基础课，该课程与其它课程的关系该课程与其它课程的关系承上启下的课承上启下的课程程该课程
5、的学习方法与要求 了解课程特点明确学习方法与要求自动控制理论自动控制理论电路理论电路理论电机与拖动电机与拖动大学物理大学物理信号与系统信号与系统复变函数复变函数 拉氏变换拉氏变换模拟电子技术模拟电子技术线性代数线性代数微积分微积分各各 类类 专业课专业课线性系统线性系统现代控现代控 制理论制理论实际实际系统系统物理物理模型模型数学数学模型模型方法（系统组成方法（系统组成分析、设计）分析、设计）自动控制是一门技术学科，从方法论的角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。度来研究系统的建立、分析与设计。研究控研究控制系统的共性问题制系统的共性问题 提供了研究思想与研究方
6、法n课程特点课程特点自动控制技术是应用非常广泛的技术自动控制技术是应用非常广泛的技术本课程学习方法本课程学习方法打好基础打好基础复习学过的基础课复习学过的基础课认真听课认真听课掌握基本理论和基本方法掌握基本理论和基本方法做好习题做好习题锻炼解决实际问题的能力锻炼解决实际问题的能力本课程学习要求本课程学习要求学会分析、解决工程问题的基本思路和方法学会分析、解决工程问题的基本思路和方法 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n1-1 引言引言n1-2 自动控制的基本方式自动控制的基本方式n1-3 自动控制系统的组成自动控制系统的组成n1-4 自动控制系统的分类自动控制系统的分类
7、n1-5 对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求n1-6 自动控制系统的发展简史自动控制系统的发展简史自自动动控控制制指指在在没没有有人人直直接接参参与与的的情情况况下下，利利用用外外加加装装置置（控控制制装装置置或或控控制制器器）使使机机器器、设设备备或或生生产产过过程程（被被控控对对象象）的的某某状状态态或或参参数数（被被控控量量）按按规规定定的的程序或指令自动地进行操作或运行。程序或指令自动地进行操作或运行。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。物理部件的有机组合体。自自动动控控制制理理论论研研究究自自动动控控制制系系
8、统统的的组组成成，进进行行系统系统分析、设计分析、设计的一般性理论。的一般性理论。n1-1 引言引言自动控制理论是一个什么样的课程？例：人工控制与自动控制：水箱水位控制问题用眼观察水位，目测出实际水位高度并反馈到大脑中在脑中与要求水位进行比较，得出偏差大小，决定手的操作动作手执行大脑决定的动作，打开或关闭法门人工控制人工控制过程归纳：传感器代替眼看测量出实际水位高度并反馈到控制器在控制器中将实际水位与设定水位进行比较得出偏差值，对偏差信号进行放大送到执行器执行器执行开关阀门动作自动控制共同特点：共同特点：通过检测被控量，得到与给定值的偏差，并去纠通过检测被控量，得到与给定值的偏差，并去纠正偏差
9、，进而减小偏差。正偏差，进而减小偏差。 在在人工控制人工控制中偏差是通过人眼观测后，由人脑判断、决中偏差是通过人眼观测后，由人脑判断、决策得出的；策得出的； 在在自动控制自动控制系统中偏差则是通过反馈，由控制器系统中偏差则是通过反馈，由控制器进行比较、计算产生的。进行比较、计算产生的。 自动控制过程归纳：分析控制系统的工作原理分析人要做这个事情的思路分析控制系统的结构设计与组成系统分析控制系统的性能指标是否能够完成任务自动控制理论研究和分析控制系统共性的理论 自动控制就是利用控制装置代替人去自动地完成人要完成的事情n1-2 自动控制的基本方式自动控制的基本方式工作原理控制装置控制装置控制器控制
10、器+ +执行器执行器+ +传感器传感器被控对象被控对象水箱（水位水位是被控量是被控量）控制装置被控对象一、开环控制控制装置与受控对象之间只控制装置与受控对象之间只有顺向作用而无反向联系有顺向作用而无反向联系.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、计算机磁盘驱动器等现代机、计算机磁盘驱动器等现代装置中广泛应用装置中广泛应用.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： 被控制量速度被控制量速度没有反馈到输入没有反馈到输入端与给定信号比端与给定信号比较较,为开环控制系为开环控制系统。统。输入量：由电位
11、器给定的电压ug直流电机开环调速系统输入量输入量控制器控制器被控对象被控对象输出量输出量干扰干扰执行机构执行机构控制器：电位器+功率放器组成，将弱小的输入量变成可执行的大功率信号执行机构：直流调速电动机+机械传动机构被控对象：需要的一定转速 n 的生产机械或其他机械部件输出量：调速系统的输出，即被控对象的实际转速（注意：不一定等于电机转速n）干扰（扰动）：在输入量不变的情况下，如负载扭矩变化、供电电压变化等将引起输出转速变化的影响因素输入量输入量控制器控制器被控对象被控对象输出量输出量干扰干扰执行机构执行机构应用应用：多用于系统结构参数稳定和干扰较小的场合。 如：自动化流水线、自动洗衣机 例例
12、 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。二、闭环控制控制装置与受控对象之间既控制装置与受控对象之间既有有顺向作用也有无反向联系顺向作用也有无反向联系.直流电机闭环调速系统输入量输入量控制器控制器被控对象被控对象输出量输出量干扰干扰执行机构执行机构检测装置检测装置ugufnno应用：应用：对系统有精度要求时广泛采用反馈控制是最基本的闭对系统有精度要求时广泛采用
13、反馈控制是最基本的闭环控制方式。环控制方式。输入量输入量控制器控制器被控对象被控对象输出量输出量干扰干扰执行机构执行机构检测装置检测装置ugufnnouf三、复合控制1。按输入信号补偿的复合控制输入量输入量控制器控制器被控对象被控对象输出量输出量干扰干扰执行机构执行机构检测装置检测装置补偿装置补偿装置补偿装置补偿装置补偿装置补偿装置补偿装置补偿装置noug输入量补偿量补偿量输入量应用：提高系统跟踪输入信号的能力和精度输出量输出量输出量输出量2。按干扰作用补偿的复合控制输出量输出量输入量输入量控制器控制器被控对象被控对象干扰干扰执行机构执行机构检测装置检测装置补偿装置补偿装置检测出干扰量，通过补
14、偿装置对输入信号进行补偿以抵消干扰对系统输出量的影响应用：增强系统的抗干扰能力n1-3 自动控制系统的组成自动控制系统的组成输输出出量量给定给定环节环节被控对象被控对象干扰干扰执行机构执行机构 反反 馈馈校正装置校正装置放大环节放大环节串联校正串联校正检测装置检测装置要求实现自动控制的设备或过程被控设备或过程中需要控制的参数即被控参数被控参数测量测量被控参数的传感器与测量电路，它将系统的实际输出反馈到输入端设定与系统输出希望值相对应的输入指令指令改善系统性能的环节，因为串联在系统的输入端，又称串联校正校正输入与输出之间进行比较，产生偏差偏差信号，该偏差信号描述了系统希望值与实际值之间的误差误差
15、将微小的偏差信号进行放大放大，使之达到控制执行机构的能量要求执行控制任务，驱动被控对象的动力设备改善局部环节性能的装置，用反馈的方法调整局部信号达到校正校正的目的，所以称反馈校正（或并联校正）顺着从输入到输出的信号传递方向走出的通道称为前向通道前向通道将输出（局部输出）送回到输入（局部输入）的通道被称为反馈通道反馈通道连接输入与系统输出的反馈通道被称为主主反馈通道将局部输出送回到局部输入的通道被称为局部局部反馈通道典型闭环系统结构框图典型闭环系统结构框图n1-4 自动控制系统的分类自动控制系统的分类按系统结构分，开环 / 闭环控制系统按输入量形式分，恒值 / 随动控制系统按信号传递形式分，连续
16、 / 离散控制系统按系统是否满足叠加性分，线性 / 非线性控制系统按系统执行装置分，机电 / 液压 / 气压控制系统等 可以从不同角度对控制系统进行分类：可以从不同角度对控制系统进行分类： 系统输入量为常值，要求被控量也等于常值。 系统的基本任务是当出现扰动时，使系统的输出量保持为恒定的希望值 工业产生中的温度、压力、流量、液面等参数的控制电力系统的电网电压、频率控制等 2.程序控制系统 系统输入量按预定规律变化，系统的控制过程按预定的程序进行。数控机床按预定程序自动地切削工件。 石油化学工业中的反应塔。 一一. .按输入量的特征按输入量的特征 1.恒值控制系统系统输入量随时间任意变化。系统输
17、出量常是机械位移、速度、加速度、力、力矩等机械量。系统的基本任务是使系统输出量能快速、准确地跟随输入量变化。机械加工中的仿形机床。 武器装备中的火炮自动瞄准系统、雷达跟踪系统、导弹目标自动跟踪系统 3.伺服系统又称随动系统二、连续控制系统和离散控制系统二、连续控制系统和离散控制系统控制系统中各部分的信号若都是时间 t 的连续函数，则称这类系统为连续控制系统。在控制系统各部分的信号中只要有一个是时间 t 的离散信号，则称这种系统为离散控制系统。l脉冲和数码都属于离散信号。l计算机控制系统就是一种常见的离散控制系统。l计算机只能接受和处理数字信号，计算机的输出经D/A转换加给放大器，然后再去驱动执
18、行元件，或由计算机直接输出数字信号，经数字放大器后驱动数字式执行元件。三、线性控制系统和非线性控制系统三、线性控制系统和非线性控制系统用非线性方程描述的系统，称为非线性系统。线性系统特性线性系统特性叠加性叠加性齐次性齐次性（均匀性）如果微分方程或差分方程的系数为常数，则称为线性定常数系统；否则，称为线性时变系统。可用线性微分方程或差分方程描述的系统，称为线性系统。 n1-5 对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求 控制系统应用于不同场合，对它有不同控制系统应用于不同场合，对它有不同的性能要求。但从控制工程的角度来看，却的性能要求。但从控制工程的角度来看，却有一些共同的标准。有一些共同的标准。
19、常见的评价系统优劣的常见的评价系统优劣的性能指标基本有三个方面：性能指标基本有三个方面：稳稳、快快、准准。 二、快速性二、快速性一、稳定性一、稳定性三、准确性三、准确性 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。一、稳定性一、稳定性稳定性：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
20、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。 一种过渡过程是收敛的，即过渡过程结束后，系统又趋于平衡状态，这类系统称为稳定的； 另一种过渡过程是发散的，这类系统称为不稳定的； 等幅振荡也被认为是不稳定的。 显然，系统稳定是保证系统能正常工作的首要条件。 通通过过动动态态过过程程时时间间长长短短表表征征。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。二、快速性二、快速性r(t)t0c(t)r(t)c1(
21、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 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。三、准确性三、准确性r(t)t0c(t)r(t)c(t)ess过渡过程结束后，输出量的希望值与实际值之差。 数控机床的加工误差小于0.02mm。 一般恒速、恒温控制系统的稳态误差都在给定值的1%以内。同一个系统，稳、快、准是相互制约的。同一个系统，稳、快、准是相互制约的。提高快速性，可能会引起系统强烈振动。提高快速性，可能会引起系统强烈振动。改善了平稳性，控制过程又可能很迟缓，改善了平稳性，控制过
22、程又可能很迟缓，甚至精度也会变差。甚至精度也会变差。分析和解决这些矛盾，将是本学科讨论的分析和解决这些矛盾，将是本学科讨论的重要内容。重要内容。n1-5 自动控制系统的发展简史自动控制系统的发展简史经典控制理论（19世纪初）时域时域法；法；复域法（根轨迹）；复域法（根轨迹）；频域法频域法现代控制理论（20世纪50年代）线性控制线性控制最优控制最优控制最佳估计最佳估计系统识别系统识别自自适应控制适应控制鲁棒控制鲁棒控制容错控制容错控制集散控制集散控制大系统复杂系统大系统复杂系统智能控制理论（20世纪70年代）专家控制专家控制 模糊控制模糊控制神经网络神经网络 遗传算法遗传算法14001900 工
23、业机器时代亚历山大的希罗发明开闭庙门和分发圣水等自动装置 (100年) 。中国张衡发明水运浑象，研制出自动测量地震的候风地动仪 (132年)。自动控制的发展简史中国马钧研制出用齿轮传动的自动指示方向的指南车 (235年) 中国明代宋应星所著工开物记载有程序控制思想的提花织机结构图 (1637年) 英国 J. Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度 (1788年)钱学森的工程控制论( Engineering Cybernetics) (1954)美国 MIT研制出第一台数控机床 (1952)美国研制出第一台工业机器人样机 (1954)计算机集成制造的概念(1969)由加工中心和工业机器人组成的柔性制造单元 (1976)中国批准 863高技术计划，包括自动化领域的计算机集成制造系统和智能机器人两个主题 (1986)世界第一颗人造地球卫星由苏联发射成功(1957)苏联东方-号飞船载着加加林进入人造地球卫星轨道,人类宇航时代开始了 (1961)。苏联发射“月球”9号探测器，成功(1966)。三年后 (1969)，美国“阿波罗” 11号把宇航员送上月球。 第一台火星探测器在火星表面软着陆(1996)工业机器人简单移物军用机器人美国人形机器人操作机工业机器人搬玻璃自动清槽机激光测量与控制自动变尺剪板机PLC控制系统变尺剪切变尺剪切 精度精度 小车跷跷板2007年全国电子设计大赛
