自动控制的一般概念

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1、自动控制原理自动控制原理AutomaticControlTheory邢丽娟自动化工程学院 控制科学与工程控制理论与控制工程检测技术与自动化装置模式识别与智能系统系统工程56+8学时，学时，4学分。学分。目录目录第一章第一章 自动控制的一般概念自动控制的一般概念第二章第二章 控制系统的数学模型控制系统的数学模型第三章第三章 线性系统的时域分析法线性系统的时域分析法第四章第四章 线性系统的根轨迹法线性系统的根轨迹法第五章第五章 线性系统的频域分析法线性系统的频域分析法第六章第六章 线性系统的校正方法线性系统的校正方法第七章第七章 线性离散系统的分析与校正线性离散系统的分析与校正第八章第八章 非线性

2、控制系统分析非线性控制系统分析第九章第九章 线性系统的状态空间分析与综合线性系统的状态空间分析与综合第十章第十章 动态系统的最优控制方法动态系统的最优控制方法 第一章第一章 自动控制的一般概念自动控制的一般概念 1-1 1-1 自动控制的自动控制的基本原理基本原理与方式与方式 1-2 1-2 自动控制系统示例自动控制系统示例 1-3 1-3 自动控制系统的自动控制系统的分类分类 1-4 1-4 对自动控制系统的对自动控制系统的基本要求基本要求 1-5 1-5 自动控制系统的自动控制系统的分析与设计分析与设计工具工具 人工控制与自动控制人工控制与自动控制自行车速度控制自行车速度控制汽车驾驶汽车驾

3、驶收音机音量调节收音机音量调节X电冰箱电冰箱X发电机组的运行发电机组的运行X导弹飞行控制导弹飞行控制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 无人直接参与无人直接参与 机器、设备或生产过程的工作状态或参数机器、设备或生产过程的工作状态或参数 自动实现某种规律运行自动实现某种规律运行1.1.自动控制的含义自动控制的含义数控车床按照规定程序数控车床按照规定程序自动地切削自动地切削工件；工件； 化学反应炉自动地化学反应炉自动地维持温度或压力的恒定维持温度或压力的恒定； 导弹发射和导弹发射和制导系统制导系统自动地把导弹引向敌方自动地把导弹引向敌方目标；目标； 人造地球卫星准确地人造地球

4、卫星准确地进入预定轨道并回收进入预定轨道并回收 自动控制的作用：自动控制的作用： 提高劳动生产率，改善生活质量，探提高劳动生产率，改善生活质量，探索未知世界索未知世界2. 自动控制原理发展概况自动控制原理发展概况人取书人取书3.3.反馈控制原理反馈控制原理控制系统的组成控制系统的组成流出量等于流入量流出量等于流入量控制的方法控制的方法液位控制的要求液位控制的要求维持液位在维持液位在预定预定的高度的高度影响液位的基本原因影响液位的基本原因流入管道的压力变化。负荷流入管道的压力变化。负荷( (流出量流出量) )的改变的改变高于预定高度，增大出口阀开度。反之，减小出口阀开度。高于预定高度，增大出口阀

5、开度。反之，减小出口阀开度。液位稳定的基本条件液位稳定的基本条件构成控制系统的基本要素构成控制系统的基本要素被控对象、传感器（眼）、执行器（手与阀）、控制器（脑）被控对象、传感器（眼）、执行器（手与阀）、控制器（脑）（被控对象与控制装置）被控对象与控制装置）流出量流出量眼眼脑脑手手流入量流入量流出量流出量测量测量控制器控制器执行器执行器流入量流入量自动控制系统可看成是人工控制的模拟自动控制系统可看成是人工控制的模拟方块称环节，系统最基本的环节是方块称环节，系统最基本的环节是被控对象、传感器、控被控对象、传感器、控制器、执行器。制器、执行器。它表示系统中各种信息间的变换或转换关它表示系统中各种信

6、息间的变换或转换关系（是某种运算关系）。系（是某种运算关系）。带箭头有向线条代表环节间带箭头有向线条代表环节间信息传递方向信息传递方向，流入环节为输，流入环节为输入信号，流出环节为输出信号。不代表实际物料流动方向。入信号，流出环节为输出信号。不代表实际物料流动方向。方框图方框图(方框方框+箭头箭头+求和圆求和圆+线条线条)：分析系统内各部分：分析系统内各部分之间关系的图解法。之间关系的图解法。扰动扰动自动控制系统的结构方块图自动控制系统的结构方块图（会画）（会画）引出点，表示信号在此分引出点，表示信号在此分两路，两路信号相同，不两路，两路信号相同，不存在分流问题。存在分流问题。流出量流出量测量

7、测量控制器控制器执行器执行器流入量流入量电机（执行机构）例例1 1：电风扇的控制风扇叶片（控制对象）开关或程序控制器控制电压执行被控对象预期输出实际输出方框图信号的单向传递例2：电加热炉的控制 计算比较执行被控对象测量干扰预期输出响应r(t)+输入变量-误差e(t)控制量u(t)实际输出y(t)输出变量被测变量测量值计算比较执行被控对象测量测量干扰给定值被控量信号双向传递开环、闭环（取自前向，反到前向）开环、闭环（取自前向，反到前向）反馈是控制的精髓，知己知彼。反馈是控制的精髓，知己知彼。（其他领域：管理、经济等）（其他领域：管理、经济等）电位器（产生给定电电位器（产生给定电压压ur）如果）如

8、果010V转速转速01000转转方框图为：方框图为：电位器电位器电压电压放大器放大器可控硅可控硅功放功放直流直流电动机电动机Purukn扰动扰动ua龙门刨床速度控制系统龙门刨床速度控制系统速度控制？速度控制？举例举例电动机电机，是自动控制系统中的常用部件。电动机电机，是自动控制系统中的常用部件。负载波动转速变化控制速度？负载波动转速变化控制速度？电位器电压放大器可控硅放大器直流电动机测速机Purubuk-n扰动ua引入测速发电机，这时电压放大器的输入引入测速发电机，这时电压放大器的输入，如果负载，如果负载减小，使电机的转速减小，使电机的转速n，则由测速发电机确定的，则由测速发电机确定的则则则则

9、uk，ua则则n，转速到给定值附近。，转速到给定值附近。负反馈。负反馈。有（静）差系统，无差系统（鱼雷）有（静）差系统，无差系统（鱼雷）同开环系统相比，该系统由于干扰引起的转速误差要小得多。同开环系统相比，该系统由于干扰引起的转速误差要小得多。如果极性接错，这时电压放大器的输入如果极性接错，这时电压放大器的输入，如果某种原，如果某种原因使负载减小，电机的转速因使负载减小，电机的转速n，则由测速发电机确定的，则由测速发电机确定的则则则则uk，ua则则n，则转速越来越大，电动机损坏，则转速越来越大，电动机损坏，失去控制。失去控制。正反馈。正反馈。电位器电压放大器可控硅放大器直流电动机测速机Puru

10、buk-n扰动ua只有只有负反馈负反馈控制系统才能完成自动控制的任务。控制系统才能完成自动控制的任务。负反馈控制系统最大的特点：检测偏差，纠正偏差负反馈控制系统最大的特点：检测偏差，纠正偏差 按偏差控制按偏差控制输入量串联补偿元件测量元件输出量放大元件执行元件被控对象反馈补偿元件主反馈为改善系统性能4. 4. 反馈控制系统的基本组成反馈控制系统的基本组成基本概念基本概念: :比较元件比较元件 放大元件放大元件 执行元件执行元件 测量元件测量元件( (测量输出量，把输出量纲转化成与测量输出量，把输出量纲转化成与输入量相同输入量相同) ) 校正元件校正元件( (补偿元件，结构或参数便于调整，以改善

11、系统性能补偿元件，结构或参数便于调整，以改善系统性能) ) 前向通路前向通路 主反馈通路主反馈通路 主回路主回路 内回路内回路 单位反馈单位反馈 给定信号给定信号 扰动信号扰动信号 输入信号输入信号( (给定给定, ,扰动扰动) ) 输出信号输出信号( (被控量被控量, ,与输入有一定与输入有一定函数关系函数关系) ) 反馈信号反馈信号( (主反馈主反馈, ,局部反馈局部反馈) ) 偏差信号偏差信号5. 5. 基本控制方式基本控制方式 反馈控制系统（闭环控制系统） 开环控制系统（前馈控制） （按给定控制、按扰动控制） 复合控制系统复合控制系统 按给定量控制给定量控制的开环控制，控制精度取决于元

12、件及校准的精度，无自动修正偏差的能力，元件及校准的精度，无自动修正偏差的能力，抗扰动能力差抗扰动能力差。按扰动控制扰动控制的开环控制用于扰动可测扰动可测的场合，也称顺馈控制。开环控制和反馈控制方式各有优缺点各有优缺点,根据工程要求及具体情况来决定。事先预知输入量的变化规律,扰动很小,用开环控制。系统外部干扰无法预测,系统内部有扰动,为保证控制精度,用闭环控制。对系统的性能要求比较高,采用复合控制复合控制系统。系统。可以从不同的角度分类可以从不同的角度分类一一. . 按控制方式按控制方式: :开环控制、闭环控制、复合控制开环控制、闭环控制、复合控制二二. . 按元件类型按元件类型: :电气、机械

13、、液压、生物、经济等三. 按输入输出变量数按输入输出变量数: :SISO控制系统、MIMO控制系统电加热炉电加热炉电站锅炉电站锅炉单变量控制系统单变量控制系统 单入-单出 SISO（Single Input Single Output） 例 电加热炉温度控制系统电流温度多变量控制系统多变量控制系统 多入-多出 MIMO（Multiple -） 例 锅炉燃烧控制系统燃料量 送风量 引风量工质温度工质压力炉膛压力trtrT r四四.按给定值按给定值(参据量参据量)类型划分类型划分（1）恒值控制系统恒值控制系统给定值不随时间变化给定值不随时间变化 例 恒温，恒压系统 （稳定性和稳态误差）稳定性和稳态

14、误差）（2）随动控制系统随动控制系统给定值按需求随机变化给定值按需求随机变化 例 雷达跟踪 （快速性和准确性）快速性和准确性）（3）程序控制系统程序控制系统给定值按条件（时间或流程）变化给定值按条件（时间或流程）变化 例 电梯升降控制，退火炉的炉温控制 （被控量迅速、被控量迅速、准确地加以复现）准确地加以复现）程序控制系统是程序控制系统是已知已知的时间函数，和随动系统是的时间函数，和随动系统是未知未知的任的任意时间函数意时间函数恒值控制系统也可视为程序控制系统的恒值控制系统也可视为程序控制系统的特例特例。五五.按数学模型性质划分按数学模型性质划分（1）线性系统和非线性系统）线性系统和非线性系统

15、 非本质非线性 线性化 齐次性和叠加原理 本质非线性（硬非线性） 非线性理论 （2）定常（时不变）系统和时变系统）定常（时不变）系统和时变系统（3）连续时间系统和离散时间系统）连续时间系统和离散时间系统 计算机控制系统 时间离散 差分方程（4）确定性控制系统和非确定性控制系统）确定性控制系统和非确定性控制系统本课程只讨论线性时不变、本课程只讨论线性时不变、SISOSISO控制系统控制系统1-4 1-4 对控制系统性能的基本要求对控制系统性能的基本要求 一一 基本要求基本要求理想控制系统理想控制系统: : 输出变化（被控量）是对输入变化（给定量）的理想跟踪.实际系统实际系统: : （惯性系统）作

16、不到理想跟踪. (有响应过程，有控制偏差). 系统不同系统不同, , 要求相同：要求相同：稳稳定性定性 快快速性速性 准准确性确性 稳定性稳定性 两层含义：不会产生自激振荡、有足够的稳定裕量。不会产生自激振荡、有足够的稳定裕量。 实用的控制系统必须是稳定的，否则系统不能正常运行，甚至造成系统损坏和事故。是保证控制系统正常工作的保证控制系统正常工作的先决先决条件条件。 快速性快速性（暂态特性）（动态特性）（暂态特性）（动态特性） 过渡过程越短，响应的快速性越好。高射炮射角随动系统，高射炮射角随动系统，但若目标变动迅速，炮身跟踪目标过渡过程时间过长，就不可但若目标变动迅速，炮身跟踪目标过渡过程时间

17、过长，就不可能击中目标。能击中目标。 准确性准确性（稳态特性）（静态特性）（稳态特性）（静态特性） 偏差程度。理想系统的稳态误差为零。但系统结构、外作用但系统结构、外作用形式以及摩擦、间隙等非线性因素的影响形式以及摩擦、间隙等非线性因素的影响, ,稳态值与期望值会稳态值与期望值会有误差存在有误差存在, ,称为称为稳态误差。稳态误差。是衡量控制系统是衡量控制系统控制精度控制精度的重要的重要标志标志, ,在技术指标中一般都有具体要求在技术指标中一般都有具体要求. .一般来说，都希望系统的快速性要好。但是，系统的暂态特性和稳态特性是相互矛盾相互矛盾的，要根据实际情况有所侧重。外作用不同,响应不同,研

18、究和比较系统的性能选用典型外作用（阶跃、斜坡、脉冲、正弦函数）(1)阶跃函数阶跃函数选取原则在现场及实验中容易产生系统在工程中经常遇到，并且是最不利的外作用。数学表达式简单，便于理论分析。汽车压过一个台阶；电源电压突然变大；负载突然增大或减小；汽车压过一个台阶；电源电压突然变大；负载突然增大或减小；飞机飞行中遇到的常值阵风扰动等；飞机飞行中遇到的常值阵风扰动等；变化最剧烈，对系统最不利。在阶跃函数作用下能满足自动控制任务。那么，系统变化最剧烈，对系统最不利。在阶跃函数作用下能满足自动控制任务。那么，系统在其它缓慢变化下更能满足要求。在其它缓慢变化下更能满足要求。在控制系统的分析设计工作中，在控

19、制系统的分析设计工作中，一般将阶一般将阶跃函数作用下系统的响应特性作为评价系统动态性能指标的依据。跃函数作用下系统的响应特性作为评价系统动态性能指标的依据。二二 典型外作用典型外作用(2)斜坡函数斜坡函数（等速度函数） 雷达-高射炮跟踪飞行物，飞行物的轨迹可以看做是一种对高射炮跟踪系统的斜坡输入（高射炮转角与时间的关系）。()脉冲函数脉冲函数 现实中不存在，只有数学上的定义，但它却是一个现实中不存在，只有数学上的定义，但它却是一个重要而有效的数学工具。例如，任意形式的外作用，重要而有效的数学工具。例如，任意形式的外作用，可分解成不同时刻的一系列脉冲函数之和，研究脉可分解成不同时刻的一系列脉冲函

20、数之和，研究脉冲函数作用下的响应特性，便可以了解在任意形式冲函数作用下的响应特性，便可以了解在任意形式外作用下的响应特性。外作用下的响应特性。 (4)正弦函数正弦函数船的消摆系统就是处于形如正弦函数的波浪下工船的消摆系统就是处于形如正弦函数的波浪下工作的。更为重要的是系统在正弦函数作用下的响作的。更为重要的是系统在正弦函数作用下的响应，即频率响应，是自动控制理论中研究控制系应，即频率响应，是自动控制理论中研究控制系统性能的重要依据统性能的重要依据. .A为振幅，为角频率，正弦函数为周期函数。 1-51-5自动控制系统的分析与设计自动控制系统的分析与设计工具工具Matlab（矩阵实验室）（矩阵实

21、验室） 演草纸一样的计算 良好的人机界面 结论可作一定等级的理论依据 Simulink工具箱Simulink （模块化）通过连接典型的环节模块就可构成控制对象和控制系统，并实现计算机仿真。并可以通过相应的硬件电路，直接控制实际的控制对象。小小 结结1.自自动动控控制制是是在在没没有有人人直直接接参参与与的的情情况况下下，利利用用控控制制装装置置使使被控对象的被控量自动地按照要求运动规律变化的系统。被控对象的被控量自动地按照要求运动规律变化的系统。2.2.自自动动控控制制系系统统可可以以是是开开环环控控制制、闭闭环环控控制制和和复复合合控控制制。最最基基本本的的控控制制方方式式是是闭闭环环控控制制，也也称称反反馈馈控控制制，它它的的基基本本原原理是利用偏差，纠正偏差。理是利用偏差，纠正偏差。3.3.对自动控制系统的基本要求，归结为对自动控制系统的基本要求，归结为3 3个字：稳、准、快。个字：稳、准、快。4.4.整整个个自自动动控控制制理理论论课课的的主主要要任任务务为为系系统统分分析析和和系系统统校校正正及设计两个方面。及设计两个方面。作作 业业1-1, 1-2, 1-4,1-5, 1-10