第一章自动控制系统概述-2课件.ppt

1、HEILONGJIANG UNIVERSITY自动控制原理自动控制原理主讲教师：孙小君主讲教师：孙小君HEILONGJIANG UNIVERSITY2022-12-16自动控制原理2教材选择教材选择自动控制原理自动控制原理 孙亮孙亮 杨鹏杨鹏 主编主编 北京工业大学出版社北京工业大学出版社HEILONGJIANG UNIVERSITY2022-12-16自动控制原理3n自动控制系统概述自动控制系统概述（2学时）学时）（第（第1周）周）n控制系统的数学描述方法（控制系统的数学描述方法（8学时）学时）（第（第2-3周）周）n控制系统的时域分析（控制系统的时域分析（20学时）学时）（第（第4-8周）

2、周）n根轨迹法（根轨迹法（10学时）学时）（第（第9-10周）周）n频率分析法（频率分析法（16学时）学时）（第（第11-14周）周）n控制系统的校正方法（控制系统的校正方法（16学时）学时）（第（第15-18周）周）课程内容进度课程内容进度HEILONGJIANG UNIVERSITY2022-12-16自动控制原理4n平时成绩（平时成绩（30%）n出勤出勤n课堂提问课堂提问n课后作业课后作业n课堂测试课堂测试n读书报告读书报告n考试闭卷（考试闭卷（70%）HEILONGJIANG UNIVERSITY2022-12-16自动控制原理5第一章自动控制系统概述第一章自动控制系统概述HEILON

3、GJIANG UNIVERSITY2022-12-16自动控制原理6本章主要内容本章主要内容 1-1 引言引言HEILONGJIANG UNIVERSITY2022-12-16自动控制原理7本课程研究什么？本课程研究什么？1-1 引言引言内容内容思想、方法思想、方法传递函数传递函数根轨迹根轨迹频率法频率法状态空间状态空间HEILONGJIANG UNIVERSITY2022-12-16自动控制原理8n在在没有没有人参与的情况下，通过控制器或控人参与的情况下，通过控制器或控制装置来控制机器或者设备等物理装置，制装置来控制机器或者设备等物理装置，使得机器设备的受控量按照希望的规律变使得机器设备的受

4、控量按照希望的规律变化。化。自动控制的概念自动控制的概念HEILONGJIANG UNIVERSITY2022-12-16自动控制原理9生活中自动控制生活中自动控制HEILONGJIANG UNIVERSITY2022-12-16自动控制原理101-2 开环控制与闭环控制开环控制与闭环控制n反馈反馈n开环控制和闭环控制开环控制和闭环控制HEILONGJIANG UNIVERSITY2022-12-16自动控制原理11一个简单实验引发的思考一个简单实验引发的思考 n让小王和小张两个人分别去拿放在桌子上的一本让小王和小张两个人分别去拿放在桌子上的一本书，不同的是，小王的双眼被蒙上了，而小张没书，不

5、同的是，小王的双眼被蒙上了，而小张没有，然后，有，然后，看他们谁能够准确地拿到书看他们谁能够准确地拿到书。小张能够顺利地拿小张能够顺利地拿地拿到书地拿到书小王小王不不能够顺利地拿能够顺利地拿地拿到书地拿到书HEILONGJIANG UNIVERSITY2022-12-16自动控制原理12眼眼睛睛大大脑脑手手书位置书位置手位置手位置眼眼睛睛图图1-1 用手拿书的过程模拟用手拿书的过程模拟用手拿书的过程模拟用手拿书的过程模拟HEILONGJIANG UNIVERSITY2022-12-16自动控制原理13图图1-2 手动控制温度的漫画手动控制温度的漫画 手动控制热水箱温度的实验手动控制热水箱温度的

6、实验HEILONGJIANG UNIVERSITY2022-12-16自动控制原理14大大脑脑手手目标温度目标温度水箱温度水箱温度手指手指阀阀门门热热水水箱箱图图1-3 手动控制温度的过程模拟手动控制温度的过程模拟手动控制温度的过程模拟手动控制温度的过程模拟HEILONGJIANG UNIVERSITY2022-12-16自动控制原理15检测检测装置装置执行执行装置装置水箱水箱温度温度目标温度目标温度控制控制装置装置比较比较装置装置热热水水箱箱大脑手和手和阀门阀门手指手指偏偏差差图图1-4 温度自动控制系统温度自动控制系统温度自动控制系统模拟温度自动控制系统模拟HEILONGJIANG UNI

7、VERSITY2022-12-16自动控制原理16n反馈反馈一、反馈一、反馈HEILONGJIANG UNIVERSITY2022-12-16自动控制原理17二、反馈（闭环）控制与开环控制二、反馈（闭环）控制与开环控制n反馈（闭环）控制系统反馈（闭环）控制系统n开环控制系统开环控制系统n反馈（闭环）与开环控制系统的比较反馈（闭环）与开环控制系统的比较HEILONGJIANG UNIVERSITY2022-12-16自动控制原理18 反馈控制系统是一种能对反馈控制系统是一种能对输出量输出量与与参考输入参考输入量量进行比较，并力图保持两者之间的既定关系的进行比较，并力图保持两者之间的既定关系的系统

8、，它利用输出量与输入量的系统，它利用输出量与输入量的偏差偏差来进行控制。来进行控制。应当指出，反馈控制系统不限于工程范畴，应当指出，反馈控制系统不限于工程范畴，在各种非工程范畴内，诸如经济学和生物学中，在各种非工程范畴内，诸如经济学和生物学中，也存在着反馈控制系统。也存在着反馈控制系统。反馈控制系统反馈控制系统HEILONGJIANG UNIVERSITY2022-12-16自动控制原理19图图1-5 反馈控制系统反馈控制系统控控制制器器对对象象或或 过过程程测测 量量 元元 件件 输输 入入量量输输出出 量量HEILONGJIANG UNIVERSITY2022-12-16自动控制原理20反

9、馈控制系统实例反馈控制系统实例(I)液位控制系统液位控制系统原理图原理图HEILONGJIANG UNIVERSITY2022-12-16自动控制原理21控制器：比较、放大的作用控制器：比较、放大的作用浮子：液面高度的反馈元件浮子：液面高度的反馈元件 电动阀门：执行机构电动阀门：执行机构被控对象：水箱被控对象：水箱希希望望液液位位实实际际液液位位放放大大元元件件电电动动阀阀门门水水 箱箱浮浮 子子控控制制器器注注入入（II）控控制制系系统统方方块块图图HEILONGJIANG UNIVERSITY2022-12-16自动控制原理22开环控制系统开环控制系统n定义定义 如果系统的输出量与输入量间

10、不存在反馈的通道，如果系统的输出量与输入量间不存在反馈的通道，这种控制方式称为开环控制系统。这种控制方式称为开环控制系统。控控 制制 器器对对 象象或或 过过 程程 输入量输出量图1-5 开环控制系统6HEILONGJIANG UNIVERSITY2022-12-16自动控制原理23开环控制系统实例开环控制系统实例(I)汽车换档原理图汽车换档原理图HEILONGJIANG UNIVERSITY2022-12-16自动控制原理24(I I)控制系统方块图控制系统方块图前前 档档汽车汽车 希望档位希望档位速度速度希望档位：输入量希望档位：输入量前档：控制器前档：控制器被控对象：汽车被控对象：汽车H

11、EILONGJIANG UNIVERSITY2022-12-16自动控制原理25反馈反馈与开环控制系统的比较与开环控制系统的比较HEILONGJIANG UNIVERSITY2022-12-16自动控制原理261-3 自动控制与自动控制系统自动控制与自动控制系统1-3-1 自动控制系统的组成及定义自动控制系统的组成及定义输入量输入量r 控制量控制量u输出量输出量c扰动量扰动量n受控对象受控对象Go控制器控制器Gc反馈环节反馈环节H偏差偏差反馈量反馈量bHEILONGJIANG UNIVERSITY2022-12-16自动控制原理27典型典型控制系统的基本组成控制系统的基本组成 HEILONGJ

12、IANG UNIVERSITY2022-12-16自动控制原理28恒值控制系统恒值控制系统随动控制系统随动控制系统 1-3-2 自动控制系统分类自动控制系统分类线性系统线性系统非线性系统非线性系统HEILONGJIANG UNIVERSITY2022-12-16自动控制原理29单输入单输出系统单输入单输出系统 多输入多数出系统多输入多数出系统连续时间系统连续时间系统离散时间系统离散时间系统HEILONGJIANG UNIVERSITY2022-12-16自动控制原理30(一一)对自动控制系统性能的基本要求对自动控制系统性能的基本要求n稳定性（长期稳定性）稳定性（长期稳定性）n准确性（精度）准确

13、性（精度）n快速性（相对稳定性）快速性（相对稳定性）稳稳 准准快快1-3-3 自动控制系统的设计自动控制系统的设计HEILONGJIANG UNIVERSITY2022-12-16自动控制原理31(二二)自动控制系统的设计原则自动控制系统的设计原则n目的：目的：保证系统的输出在给定性能要求的基础上跟踪输保证系统的输出在给定性能要求的基础上跟踪输入信号，并且具有一定的抗干扰能力。入信号，并且具有一定的抗干扰能力。n步骤：步骤：n系统分析系统分析n系统设计系统设计n实验仿真实验仿真n控制实现控制实现HEILONGJIANG UNIVERSITY2022-12-16自动控制原理321-4 自动控制理

14、论的发展自动控制理论的发展n经典控制理论发展阶段经典控制理论发展阶段n现代控制理论发展阶段现代控制理论发展阶段n智能控制理论研究阶段智能控制理论研究阶段HEILONGJIANG UNIVERSITY2022-12-16自动控制原理33工业工业革命革命时期时期的棉的棉纺机纺机HistorHistory y历史历史HEILONGJIANG UNIVERSITY2022-12-16自动控制原理341788年，为了解决工业年，为了解决工业生产中蒸汽机的速度控制生产中蒸汽机的速度控制问题，英国工程师瓦特在问题，英国工程师瓦特在自己发明的蒸汽机上安装自己发明的蒸汽机上安装了一个离心调速器。了一个离心调速器

15、。HEILONGJIANG UNIVERSITY2022-12-16自动控制原理35开发于开发于18世纪世纪80年代的离心调速器对年代的离心调速器对点燃英国工业革命的瓦特蒸汽发动机点燃英国工业革命的瓦特蒸汽发动机的成功实现起了关键作用的成功实现起了关键作用HEILONGJIANG UNIVERSITY2022-12-16自动控制原理36图图1-8 蒸汽机离心调速器结构刨面图蒸汽机离心调速器结构刨面图HEILONGJIANG UNIVERSITY2022-12-16自动控制原理37飞球飞球套筒套筒蒸汽机转速蒸汽机转速蒸汽机转速蒸汽机转速飞球飞球蒸蒸汽汽阀阀蒸蒸汽汽机机图图1-9 飞球调速器控制蒸

16、汽机转速的过程模拟飞球调速器控制蒸汽机转速的过程模拟飞球调速器控制蒸汽机转速的过程模拟飞球调速器控制蒸汽机转速的过程模拟HEILONGJIANG UNIVERSITY2022-12-16自动控制原理38现代化的工厂现代化的工厂HEILONGJIANG UNIVERSITY2022-12-16自动控制原理39HEILONGJIANG UNIVERSITY2022-12-16自动控制原理401948年维纳的年维纳的控制论控制论出版，宣告了这门科学的出版，宣告了这门科学的诞生。诞生。维纳维纳Norbert Wiener(18941964),美国数学美国数学家控制论的创始人。家控制论的创始人。控制论一

17、词控制论一词 Cybernetics，来自希腊语，愿意为掌舵来自希腊语，愿意为掌舵术，包含了调节、操纵、术，包含了调节、操纵、管理、指挥、监督等涵义，管理、指挥、监督等涵义，HEILONGJIANG UNIVERSITY2022-12-16自动控制原理41钱学森：钱学森：航空火箭学家、空气动力航空火箭学家、空气动力学家。是我国航天科技事业学家。是我国航天科技事业的先驱，被誉为的先驱，被誉为“中国航天中国航天之父之父”和和“火箭之王火箭之王”。代代表著作表著作工程控制论工程控制论。将。将维纳的纯粹理论用于工程实维纳的纯粹理论用于工程实践。践。HEILONGJIANG UNIVERSITY2022

18、-12-16自动控制原理42n对于一个具体的控制系统，如何从理论上对于一个具体的控制系统，如何从理论上对它的动态性能和稳态精度进行定性的分对它的动态性能和稳态精度进行定性的分析和定量的计算。析和定量的计算。n根据对系统性能的要求，如何合理地设计根据对系统性能的要求，如何合理地设计校正装置，使系统的性能能全面地满足技校正装置，使系统的性能能全面地满足技术上的要求。术上的要求。本课程的任务本课程的任务HEILONGJIANG UNIVERSITY2022-12-16自动控制原理43小结小结 n本章的主要内容：本章的主要内容：n掌握自动控制的基本原理、概念。掌握自动控制的基本原理、概念。反馈、开环控

19、制、闭环控制反馈、开环控制、闭环控制HEILONGJIANG UNIVERSITY2022-12-16自动控制原理44稳定性稳定性A.不稳定性示意图不稳定性示意图 B.稳定性示意图稳定性示意图图图1-7 稳定性示意图稳定性示意图HEILONGJIANG UNIVERSITY2022-12-16自动控制原理45系统稳定性定义系统稳定性定义 一个实际系统处于一个实际系统处于平衡的状态平衡的状态，当受到外来，当受到外来作用的影响时，如果这种作用的影响时，如果这种作用消失后作用消失后，系统经过，系统经过一个过渡过程仍然能够一个过渡过程仍然能够回到原来的平衡状态回到原来的平衡状态，我，我们就称这个系统是

20、们就称这个系统是稳定的稳定的，否则称系统，否则称系统不稳定不稳定 稳定性对于一个控制系统是非常重要的，它稳定性对于一个控制系统是非常重要的，它是一切自动控制系统必须满足的一个性能指标。是一切自动控制系统必须满足的一个性能指标。换句话说，所有系统满足稳定性的要求才能够正换句话说，所有系统满足稳定性的要求才能够正常工作。常工作。HEILONGJIANG UNIVERSITY2022-12-16自动控制原理46 对过渡过程的对过渡过程的形式和快慢提出要求，形式和快慢提出要求，一般称为动态性能。一般称为动态性能。快速性快速性 稳定高射炮射角随动系统，虽然炮身最终能跟踪稳定高射炮射角随动系统，虽然炮身最

21、终能跟踪目标，但如果目标变动迅速，目标，但如果目标变动迅速，而炮身行动迟缓，仍而炮身行动迟缓，仍然抓不住目标然抓不住目标。HEILONGJIANG UNIVERSITY2022-12-16自动控制原理47准确性准确性n用稳态误差来表示。用稳态误差来表示。n在参考输入信号作用下，当系统达到稳态后，其在参考输入信号作用下，当系统达到稳态后，其稳态输出稳态输出与与参考输入所要求的期望输出参考输入所要求的期望输出之差叫做之差叫做给定稳态误差。显然，这种误差越小，表示系统给定稳态误差。显然，这种误差越小，表示系统的输出跟随参考输入的精度越高。的输出跟随参考输入的精度越高。HEILONGJIANG UNIVERSITY2022-12-16自动控制原理48术语术语827HEILONGJIANG UNIVERSITY2022-12-16自动控制原理49