自动控制原理第1章绪论课件.ppt

1、自动控制原理Principles of Automatic Control 课程主要内容课程主要内容第一章第一章 自动控制概述自动控制概述第二章第二章 线性系统的数学模型线性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 非线性控制系统分析非线性控制系统分析 第一章第一章 自动控制概述自动控制概述 本章主要内容本章主要内容1.1 自动控制基本原理自

2、动控制基本原理1.2 自动控制系统的组成自动控制系统的组成1.3 控制系统分类控制系统分类1.4 控制系统基本要求控制系统基本要求1.5 本课程任务本课程任务1.2 自动控制的组成自动控制的组成 1.1.炉温温控系统炉温温控系统人工控制人工控制调压器温度计电热丝炉子220 控制目标：控制目标：要求炉子的温度恒定在期望的数值上要求炉子的温度恒定在期望的数值上 控制目标：使电动机稳定在要求的转速上运行控制目标：使电动机稳定在要求的转速上运行1.1 自动控制的基本原理2 2、直流电动机速度控制系统、直流电动机速度控制系统人人工控制工控制 以上两个例子是由人工控制的，人所起的作用：以上两个例子是由人工

3、控制的，人所起的作用：（1 1）观测：用眼睛去观测温度计和转速表的指示值；）观测：用眼睛去观测温度计和转速表的指示值；（2 2）比较与决策：人脑把观测得到的数据与要求的数据）比较与决策：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；相比较，并进行判断，根据给定的控制规律给出控制量；（3 3）执行：根据控制量用手具体调节，如调节调压器、）执行：根据控制量用手具体调节，如调节调压器、改变触点位置。改变触点位置。3.3.炉温温控系统炉温温控系统自动控制自动控制 控制目标：控制目标：要求炉子的温度恒定在期望的数值上要求炉子的温度恒定在期望的数值上 控制装置代替人来完

4、成上述功能控制装置代替人来完成上述功能4 4、直流电动机速度控制系统、直流电动机速度控制系统自动自动控制控制 1.1 自动控制的基本原理，是指在无人直接参与的情况下，利用外，是指在无人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置，使机器、设备或生产过程的某个加的设备或装置，使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行工作状态或参数自动地按照预定的规律运行，是由控制器、被控对象等部件为了一定的目的有是由控制器、被控对象等部件为了一定的目的有机的地联接成的一个进行自动控制的整体机的地联接成的一个进行自动控制的整体。什么是自动控制理论什么是自动控制理论?自动控制理论自动控制理论是是自

5、动化学科的重要理论基础。自动化学科的重要理论基础。自动控制理论自动控制理论是研究自动控制共同规律的（技术）是研究自动控制共同规律的（技术）科学。科学。专门研究有关自动控制系统分析和设计中的专门研究有关自动控制系统分析和设计中的基本概念、基本原理和基本方法基本概念、基本原理和基本方法。自动控制理论应用自动控制理论应用 开始多用于工业：开始多用于工业：压力、温度、流量、位移、湿度、粘度自动的控制、应用于数控机床、合成塔、核反应堆数控机床、合成塔、核反应堆 自动控制理论应用自动控制理论应用 后来后来进入军事领域：进入军事领域：飞机自动驾驶、火炮自动跟踪、导弹、卫星、宇宙飞船自动控制导弹的控制导弹的控

6、制h 使导弹与目标间距离h(t)逐渐减小并趋于零。神舟飞船神舟飞船 自动控制理论应用自动控制理论应用目前已深入到人民生产、生活的各个深入到人民生产、生活的各个领域领域日常生活日常生活：收音机、电视机、冰箱、空调、汽车、飞机：收音机、电视机、冰箱、空调、汽车、飞机科技：航天飞机、卫星姿态控制、机器人科技：航天飞机、卫星姿态控制、机器人 更渗透到生物、医药、环境、经济管理生物、医药、环境、经济管理等更多领域：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 1.2 自动控制系统组成自动控制系统组成 龙门刨床速度控制系统 系统的功能：系统的功能：负载变化（外界扰动）

7、使速度发生变化，通过系统调节使其负载变化（外界扰动）使速度发生变化，通过系统调节使其恒速恒速，以保证加工精度和表面光洁度，以保证加工精度和表面光洁度。SM主电动机主电动机测速发电机测速发电机放大器放大器触发器触发器整流装置整流装置龙门刨床速度控制系统方块图 控制器控制器被控对象被控对象控制量控制量输出量输出量被控量被控量输入量输入量给定值给定值r(t)u(t)y(t)测量元件测量元件偏差偏差e(t)闭环控制系统方框图闭环控制系统方框图元部件元部件，表示被控对象，控制装置等部件，表示被控对象，控制装置等部件 信号（物理量）及传递方向信号（物理量）及传递方向比较点、相加点比较点、相加点引出点、分支

8、点引出点、分支点表示负反馈表示负反馈“-”“-”方块图中方块图中的符号的符号自动控制系统方块图自动控制系统方块图输入量输入量绘制于方块图绘制于方块图最左端，最左端，输出量输出量位于位于方块图最右端方块图最右端给定给定装置装置比较比较装置装置串联校正串联校正装置装置比较、放大比较、放大装置装置执行执行装置装置被控对象被控对象反馈校正反馈校正装置装置测量与变送测量与变送局部反馈局部反馈系统主反馈系统主反馈干扰干扰输入值输入值 被控量被控量检测被控量，将检测值转换检测被控量，将检测值转换为便于处理的信号，再将该为便于处理的信号，再将该信号输入比较装置。信号输入比较装置。控制系统控制系统中所要控中所要

9、控制的对象制的对象直接对被控对直接对被控对象作用，以改象作用，以改变被控量的值变被控量的值将给定量与测将给定量与测量值进行运算量值进行运算得到偏差量得到偏差量 设定与被控设定与被控量相对应的量相对应的给定量给定量在系统中添加的在系统中添加的用以改善系统的用以改善系统的控制性能的装置控制性能的装置 给定元件：给定元件：给出与期望的被控量相对应的系统输入量。给出与期望的被控量相对应的系统输入量。测量元件测量元件：测量被控制量，一般要转化为电量，其精确度直：测量被控制量，一般要转化为电量，其精确度直接影响系统的控制精度。接影响系统的控制精度。比较元件比较元件：把测量元件检测的被控量的实际值与给定元件

10、给：把测量元件检测的被控量的实际值与给定元件给出的输入量进行比较，求出偏差。多数系统中，比较元件常出的输入量进行比较，求出偏差。多数系统中，比较元件常与测量元件或线路在一起与测量元件或线路在一起 放大元件放大元件：放大微弱的偏差信号，使其具有足够大的幅值和：放大微弱的偏差信号，使其具有足够大的幅值和功率。功率。执行元件执行元件:驱动被控制对象以产生按控制信号变化规律而变驱动被控制对象以产生按控制信号变化规律而变化的被控制信号化的被控制信号.校正元件校正元件：亦称补偿元件，它是结构或参数便于调整的元件，：亦称补偿元件，它是结构或参数便于调整的元件，用串联或反馈的方式连接在系统中，以改善系统性能用

11、串联或反馈的方式连接在系统中，以改善系统性能系统组成元件系统组成元件大脑手阀F2水池 眼睛希望液面高度h0实际液面高度h1水箱水位控制系统水箱水位控制系统指出该系统中的指出该系统中的测量元件、测量元件、执行元件、执行元件、给定量、被控对象、被给定量、被控对象、被控制量，比较元件控制量，比较元件 控制目标：要求水箱的水位恒定在期望的数值上控制目标：要求水箱的水位恒定在期望的数值上 电动机 阀门L2阀门L1 减速器电位器浮子及连杆进水量Q1 出水量Q2给定液位H电位器电动机水箱给定阻值Q2h浮子连杆阀门L1Uan1减速器n2Q1被控对象被控对象H:给定高度给定高度h:实际高度实际高度控制器控制器比

12、较比较装置装置干扰干扰 水箱水位控制系统水箱水位控制系统1、分别指出该系统中的、分别指出该系统中的被控对象、测量装置、被控对象、测量装置、比较装置、给定量、被控比较装置、给定量、被控制量、系统干扰制量、系统干扰2、画出系统控制方框图、画出系统控制方框图1.3 1.3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类信息传递路径信息传递路径输入信号输入信号/控制作用控制作用元件特性元件特性信号形式信号形式开开环环控控制制闭闭环环控控制制定定值值控控制制伺伺服服控控制制程程序序控控制制线线性性控控制制非非线线性性控控制制连连续续控控制制离离散散控控制制复复合合控控制制 一、一、按信号的传递路径来分类按信号的传

13、递路径来分类开环控制开环控制闭环控制闭环控制复合控制复合控制1.3 控制系统分类 系统的输出端与输入端不存在反馈回路，输出量对系统的系统的输出端与输入端不存在反馈回路，输出量对系统的控制作用不发生影响的系统控制作用不发生影响的系统称为称为开环控制系统。开环控制系统。开环控制开环控制开环控制开环控制龙门刨床速度开环控制系统原理图龙门刨床速度开环控制系统原理图龙门刨床速度开环控制系统方框图龙门刨床速度开环控制系统方框图 开环控制优点：优点：(1)被控量对于控制作用没有任何影响，输出不影响输入。被控量对于控制作用没有任何影响，输出不影响输入。对输出不需测量，通常较易实现。对输出不需测量，通常较易实现

14、。(2)结构简单、所用的元器件少、成本低，系统一般也容易稳定。结构简单、所用的元器件少、成本低，系统一般也容易稳定。缺点：缺点：(3)组成系统的元件精度高，系统精度才能高，成本也随之增加。组成系统的元件精度高，系统精度才能高，成本也随之增加。(4)系统没有自行消除或减小误差的功能。系统没有自行消除或减小误差的功能。控制器控制器被控对象被控对象控制量控制量被控量被控量给定值给定值r(t)u(t)y(t)开环控制系统方框图开环控制系统方框图闭环直流调速系统闭环直流调速系统 nuuuUuunuTdkfngfnL)(反馈控制原理反馈控制原理 将系统的输出信号引回输入端，与输入信号相比较，利将系统的输出

15、信号引回输入端，与输入信号相比较，利用所得的偏差信号进行控制，达到减小偏差、消除偏差的目的。用所得的偏差信号进行控制，达到减小偏差、消除偏差的目的。负反馈原理负反馈原理-闭环控制系统的核心闭环控制系统的核心 反馈控制反馈控制是采用负反馈并利用偏差进行控制的过程。是采用负反馈并利用偏差进行控制的过程。由于引入了反馈信息，整个过程闭合，反馈控制也称为由于引入了反馈信息，整个过程闭合，反馈控制也称为闭环控制闭环控制 若反馈的信号与输入信号相减，使产生的偏差越来越小，若反馈的信号与输入信号相减，使产生的偏差越来越小，则称为则称为负反馈；反之，则称为正反馈。负反馈；反之，则称为正反馈。将系统的输出信号引

16、回输入端，与输入信号相比较，利用所得的偏差信号进行控制，达到减小偏差、消除偏差的目的。闭环控制（反馈控制）闭环控制（反馈控制）优点优点：良好良好的抗扰动性能的抗扰动性能(anti-interference)(anti-interference)、利用低精度元件可组成、利用低精度元件可组成高精度系统高精度系统。缺点：缺点：与开环控制系统相比与开环控制系统相比,结构比较复杂结构比较复杂,构造比较困难。构造比较困难。如设计不好如设计不好,易易发生超调、震荡，甚至不稳定。发生超调、震荡，甚至不稳定。系统的精度与稳定性之系统的精度与稳定性之间常存在矛盾。间常存在矛盾。控制器控制器被控对象被控对象控制量控

17、制量输出量输出量被控量被控量输入量输入量给定值给定值r(t)u(t)y(t)测量元件测量元件偏差偏差e(t)复合控制 在系统中同时引进开环控制和闭环控制，这种系统称为在系统中同时引进开环控制和闭环控制，这种系统称为复合控制系统。复合控制系统。复合控制系统方框图复合控制系统方框图控制器控制器被控被控对象对象反馈反馈环节环节扰动扰动被控量被控量控制量控制量参考参考输入输入控制器控制器 实质上，复合控制是在闭环控制回路的基础上，附加了一实质上，复合控制是在闭环控制回路的基础上，附加了一个输入信号或扰动作用的顺馈通路，来提高系统的控制精度。个输入信号或扰动作用的顺馈通路，来提高系统的控制精度。n控制装

18、置控制装置被控对象被控对象 CR补偿装置补偿装置 针对扰动的补偿控制仅适用于扰动可测量的场合，且一针对扰动的补偿控制仅适用于扰动可测量的场合，且一个补偿装置只能补偿一种扰动因素。个补偿装置只能补偿一种扰动因素。1 1、恒值控制系统、恒值控制系统（或称自动调节系统、自动镇定系统）（或称自动调节系统、自动镇定系统）给定量（参给定量（参考考量）不变，要求被控量维持某个特定的值。量）不变，要求被控量维持某个特定的值。工业生产中的恒温、恒压等自动控制系统都属于这一类型。工业生产中的恒温、恒压等自动控制系统都属于这一类型。2 2、程序控制系统、程序控制系统（或称过程控制系统）（或称过程控制系统）参考量是按

19、预定规律随时间变化的函数，要求被控量迅速、参考量是按预定规律随时间变化的函数，要求被控量迅速、准确地加以复现。如化工中的压力、温度、流量控制。准确地加以复现。如化工中的压力、温度、流量控制。恒值控制系统可看成输入等于常值的程序控制系统。恒值控制系统可看成输入等于常值的程序控制系统。3 3、随动系统、随动系统（或称伺服系统）（或称伺服系统）给定量（参给定量（参考考量）是预先未知的随时间任意变化的函数，量）是预先未知的随时间任意变化的函数，要求被控量以尽可能小的误差跟随参据量的变化。要求被控量以尽可能小的误差跟随参据量的变化。（跟踪系统）（跟踪系统）如：火炮自动跟踪系统如：火炮自动跟踪系统 二、按

20、输入信号二、按输入信号/控制作用来分类控制作用来分类随动系统实例随动系统实例 1 1、连续系统、连续系统 系统中的所有元件的输入输出信号均为时间的连续函数，系统中的所有元件的输入输出信号均为时间的连续函数，所以又常称为模拟系统。目前工业中普遍采用的常规仪表所以又常称为模拟系统。目前工业中普遍采用的常规仪表PID调节器控制的系统。调节器控制的系统。2 2、离散系统、离散系统 特点：系统的某一处或几处信号以脉冲序列或数字形式传特点：系统的某一处或几处信号以脉冲序列或数字形式传递的控制系统。递的控制系统。其中离散信号以脉冲形式传递的系统又叫其中离散信号以脉冲形式传递的系统又叫脉冲控制系统脉冲控制系统

21、，离散信号以数字形式传递的系统又叫离散信号以数字形式传递的系统又叫数字控制数字控制系统。系统。三、按系统传输信号的性质来分类三、按系统传输信号的性质来分类输入输入输出输出+_ _A DD A计算机计算机放大器放大器执行器执行器被控对象被控对象反馈装置反馈装置 1 1、线性系统、线性系统 对于一个系统，当其输入（激励）和输出（响应）同时对于一个系统，当其输入（激励）和输出（响应）同时满足叠加性和齐次性时称其为线性系统。满足叠加性和齐次性时称其为线性系统。根据线性系统的定义，满足线性特性的元件称为线性元件，根据线性系统的定义，满足线性特性的元件称为线性元件，而构成系统的所有元件均为线性元件的，必为

22、线性系统。而构成系统的所有元件均为线性元件的，必为线性系统。四、按描述系统的数学模型不同来分类四、按描述系统的数学模型不同来分类 如果线性系统中的参数不随时间而变化，则称为线性定如果线性系统中的参数不随时间而变化，则称为线性定常系统常系统(linear time-invariant system)，反之，则称为线，反之，则称为线性时变系统性时变系统(linear time-varying system)。2 2、非线性系统、非线性系统 不不满足线性系统特性的系统，统称为非线性系统满足线性系统特性的系统，统称为非线性系统。只。只要系统要系统中存在一个或一个以上的非线性元件中存在一个或一个以上的非

23、线性元件，这，这个系统就是非线性系统。个系统就是非线性系统。非线性系统用非线性方程来表示非线性系统用非线性方程来表示。可可以将非线性特性分为两大类，即非本质非线性和本质非线性。以将非线性特性分为两大类，即非本质非线性和本质非线性。四、按描述系统的数学模型不同来分类四、按描述系统的数学模型不同来分类 其他的分类方法：其他的分类方法：按输入输出变量的多少 单变量系统/多变量系统按功能来分：按功能来分：温度控制系统、速度控制系统、温度控制系统、速度控制系统、位置控系统等位置控系统等 按元件组成分：按元件组成分：机电系统、液压系统、生物系统等。机电系统、液压系统、生物系统等。自动控制理论发展简史自动控

24、制理论发展简史1.胚胎萌芽期（1945年以前）自动控制技术广泛应用开始于欧洲工业革命时期1788年瓦特发明离心式调速器1868年麦克斯韦发表了“论调速器”，自动控制原理逐步形成1892年李雅普诺夫发表“论运动稳定性的一般问题”自动控制理论发展简史自动控制理论发展简史 1.1.胚胎萌芽期（胚胎萌芽期（19451945年以前）年以前）19101910S S PIDPID控制器出现控制器出现 19271927年反馈放大器正式诞生年反馈放大器正式诞生 内燃机的广泛应用，促进了飞机、汽车、船舶、机器制造内燃机的广泛应用，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业和石油

25、工业的发展，产生了伺服控制和过程控制 第二次世界大战，军事工业发展很快，飞机、雷达、火第二次世界大战，军事工业发展很快，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。，搭起了经典控制理论的架子。自动控制理论发展简史自动控制理论发展简史 2.2.经典控制理论时期（经典控制理论时期（1940-19601940-1960）1945年贝塔朗菲系统论 1948年维纳控制论:或关于在动物和机器中控制和通信的科学 形成了完整的控制理论体经典控制理论经典控制理论 以传递函数为基础的以传递函数为基础的经典控制理论经典

26、控制理论，主要研究单输入，主要研究单输入-单输单输出、线性定常系统的分析和设计问题出、线性定常系统的分析和设计问题 自动控制理论发展简史自动控制理论发展简史3.3.现代控制理论时期现代控制理论时期（5050年代末年代末-60-60年代）年代）空间技术的发展提出了许多复杂控制问题空间技术的发展提出了许多复杂控制问题 19571957年苏联发射了第一颗人造地球卫星年苏联发射了第一颗人造地球卫星 19681968年美国阿波罗飞船成功登月年美国阿波罗飞船成功登月催催生了第二代控制理论生了第二代控制理论现代控制理论现代控制理论 以状态为基础的状态空间法，主要研究高性能、高精度以状态为基础的状态空间法，主

27、要研究高性能、高精度的多变量变参数复杂系统的控制问题的多变量变参数复杂系统的控制问题 广泛应用于工农业、国防及日常生活 自动控制理论发展简史自动控制理论发展简史4.4.大系统理论和智能控制理论时期大系统理论和智能控制理论时期（目前）（目前）各各学科相互渗透，要分析的系统越来越大，越来越复杂学科相互渗透，要分析的系统越来越大，越来越复杂。朝着朝着 控制论、信息论和仿生学为基础的智能控制论发展。控制论、信息论和仿生学为基础的智能控制论发展。此此外，控制论还用于处理社会、经济、人口、环境等复杂问外，控制论还用于处理社会、经济、人口、环境等复杂问题，出现了经济控制论、人口控制论等学科分支。题，出现了经

28、济控制论、人口控制论等学科分支。1.4 控制系统的基本要求自动控制系统的任务：自动控制系统的任务：被控量和给定值，在任何时候都相等或保持固定被控量和给定值，在任何时候都相等或保持固定的比例关系，没有任何偏差，而且不受干扰的影响。的比例关系，没有任何偏差，而且不受干扰的影响。系统的动态过程系统的动态过程，也称为也称为过渡过程过渡过程，是指系统受到外加信号，是指系统受到外加信号(给定值给定值或干扰或干扰)作用后，被控量随时间变化的全过程。作用后，被控量随时间变化的全过程。1.4 控制系统的基本要求 稳定性稳定性 控制系统控制系统动态过程的振荡倾向和重新恢复平衡工作状态动态过程的振荡倾向和重新恢复平

29、衡工作状态的能力，是评价系统能否正常工作的重要性能指标的能力，是评价系统能否正常工作的重要性能指标 快速性快速性 控制系统过渡过程的时间长短，是评价稳定系统暂态性控制系统过渡过程的时间长短，是评价稳定系统暂态性能的指标能的指标 准确性准确性 控制系统过渡过程结束后，或系统受干扰重新恢复平衡控制系统过渡过程结束后，或系统受干扰重新恢复平衡状态时，最终保持的精度，是反映过渡过程后期性能的指标状态时，最终保持的精度，是反映过渡过程后期性能的指标反映系统控制性能优劣的指标，工程上常常从稳定性稳定性、快速性快速性、准确性准确性三个方面来评价：1.4 控制系统的基本要求 稳定性稳定性：基本条件，：基本条件

30、，系统工作的前提系统工作的前提 快速性与平稳性快速性与平稳性：动态要求，在系统稳定的前提下，：动态要求，在系统稳定的前提下，调节过程快速、平稳调节过程快速、平稳 准确性准确性：稳态要求，指在调整过程结束后输出跟踪精：稳态要求，指在调整过程结束后输出跟踪精度高度高稳、快、准 以上分析的稳、快、准三方面的性能指标往往由于被以上分析的稳、快、准三方面的性能指标往往由于被控对象的具体情况不同，各系统要求也有所侧重。控对象的具体情况不同，各系统要求也有所侧重。同一个系统的稳、快、准的要求是相互制约的同一个系统的稳、快、准的要求是相互制约的 1.5 课程的任务与体系结构一般一般概念概念 系统系统模型模型 性能性能指标指标 本章总结掌握自动控制系统的分类以及对系统的要求 了解控制系统的基本组成、控制系统的分析与设计 了解自动控制理论的发展简史 掌握自动控制系统的工作原理和方框图的绘制 难点：自动控制系统的工作原理和方框图的绘制