东南大学自控课件(内部资料)

1、自动控制理论 精品课程 根据黄坚自动控制原理与应用电子课件改编 26/4/200950/ 根据黄坚自动控制原理与应用电子课件改编 第一章 自动控制的基本原理 第二节 自动控制系统的分类 第一节 自动控制与自动控制系统 第四节 自动控制理论发展简述 第三节 对控制系统性能的要求 课程安排、学习方法、实验安排 根据黄坚自动控制原理与应用电子课件改编 第一节 自动控制与自动控制系统 一、自动控制的基本概念 第一章自动控制的基本原理 根据黄坚自动控制原理与应用电子课件改编 1969年7月20日，“阿波罗11号”飞船首次登陆月球时的珍贵图片 第一节 自动控制与自动控制系

2、统 根据黄坚自动控制原理与应用电子课件改编 2008年9月25日至28日,中国成功实施了神舟七号载人航天飞行（新化社报道） 第一节 自动控制与自动控制系统 根据黄坚自动控制原理与应用电子课件改编 图1-5 飞机在上海浦东国际机场跑道上滑行 第一节 自动控制与自动控制系统 根据黄坚自动控制原理与应用电子课件改编 图 一列CRH3“和谐号”动车组停靠在改扩建的新北京南站站台（中国政府网 陈涛 摄） 第一节 自动控制与自动控制系统 根据黄坚自动控制原理与应用电子课件改编 图 RH炼钢设备 第一节 自动控制与自动控制系统 根据黄坚自动控制原理与应用电子课件改编 苏格兰科学家展示新近研制成功的高仿真仿生

3、学假肢。 第一节 自动控制与自动控制系统 根据黄坚自动控制原理与应用电子课件改编 图1-4住宅看护机器人（法新社报道） 第一节 自动控制与自动控制系统 根据黄坚自动控制原理与应用电子课件改编 图1-7 1989年，人工智能模糊控制全自动洗衣机在三洋研制成功 （引自人民网） 第一节 自动控制与自动控制系统 根据黄坚自动控制原理与应用电子课件改编 一、自动控制的基本概念 现代科学技术中的现代科学技术中的 自动控制技术得到自动控制技术得到 了广泛的应用了广泛的应用 航天器航天器 工业控制工业控制 机器人机器人 家用电器家用电器 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，

4、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 信号变化规律去变化。信号变化规律去变化。 第一节 自动控制与自动控制系统 根据黄坚自动控制原理与应用电子课件改编 控制量控制量:阀门开阀门开 度（蒸汽流量）度（蒸汽流量） 例例 水温人工控制系统水温人工控制系统 受控对象受控对象:水箱水箱 系统的构成：系统的构成： 被控制量被控制量:水温水温 蒸汽通蒸汽通 过热传导器过热传导器 件把热量传件把热量传 递给水递给水,水的水的 温度与蒸汽温度与蒸汽 的流量成正的流量成正 比比. 手动调手动调 节阀门的开节阀门的开 度，从而调度，从而调 节蒸汽的流节蒸汽的流 量

5、量,来控制水来控制水 的温度的温度. 但人工难以实现稳定的高质量控制但人工难以实现稳定的高质量控制. 第一节 自动控制与自动控制系统 根据黄坚自动控制原理与应用电子课件改编 例例 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. 控制器控制器 第一节 自动控制与自动控制系

6、统 根据黄坚自动控制原理与应用电子课件改编 温度检测温度检测 为了方便地分析系统性能，一般为了方便地分析系统性能，一般 用框图来表示系统的结构，水温自动控制用框图来表示系统的结构，水温自动控制 系统可用框图表示为：系统可用框图表示为： 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。特别是被控对象运系统性能之间的关系。特别是被控对象运 动规律动规律 实际实际 温度温度 偏差偏差 反馈量反馈量 预期预期 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 控制器控制器 第一

7、节 自动控制与自动控制系统 根据黄坚自动控制原理与应用电子课件改编 二、自动控制系统的基本构成及控二、自动控制系统的基本构成及控 制方式制方式 1开环控制开环控制 有顺向作用而无反向联系有顺向作用而无反向联系. 不同的被控对象和不同的控制装不同的被控对象和不同的控制装 置构成了不同的控制系统，所以自动置构成了不同的控制系统，所以自动 控制系统的种类是很多的。自动控制控制系统的种类是很多的。自动控制 系统一般有两种基本控制方式系统一般有两种基本控制方式. 开环控制开环控制 控制装置与受控对象之间只控制装置与受控对象之间只 第一节 自动控制与自动控制系统 根据黄坚自动控制原理与应用电子课件改编 功

8、率 放大器 + + + + + - - - - - 负载 电动机 n ug ua ue uD给定 偏差 例例 转台速度开环控制系统转台速度开环控制系统 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： 速度设置信号通速度设置信号通 过功率放大以后，过功率放大以后， 提供给电动机驱动提供给电动机驱动 电源，电动机带动电源，电动机带动 转台旋转。转台旋转。 由于被控制量由于被控制量 速度没有反馈到速度没有反馈到 输入端与给定信输入端与给定信 号比较号比较,为开环控为开环控 制系统。制系统。 给定给定 速度速度 实际实际 转速转速 系统

9、结构图系统结构图: 放大放大 器器 直流电动机直流电动机转台转台 这种转台在这种转台在 C D 机、计算机机、计算机 磁盘驱动器等许磁盘驱动器等许 多现代装置中广多现代装置中广 泛应用泛应用. 第一节 自动控制与自动控制系统 根据黄坚自动控制原理与应用电子课件改编 例例 转台速度开环扰动控制系统转台速度开环扰动控制系统 功率 放大器 电压 放大器 + + + + + + + - - - - - - - 负载 n i ug uB ua um ue uD 功 放 干扰M 电动机 扰动测量器 n 电压 放大器 + uB ug uaue 图 直流电动机转速扰动控制系统 测量出外部扰动作用，形成与外部扰

10、动测量出外部扰动作用，形成与外部扰动 作用相反的控制量与外部作用共同使被控作用相反的控制量与外部作用共同使被控 量基本不受影响。量基本不受影响。 第一节 自动控制与自动控制系统 根据黄坚自动控制原理与应用电子课件改编 例例 转台速度开环控制系统转台速度开环控制系统 结构简单，稳定性好，容易设计和调整结构简单，稳定性好，容易设计和调整 以及成本较低的优点，对那些负载恒定，以及成本较低的优点，对那些负载恒定， 扰动小，控制精度要求不高的实际系统，扰动小，控制精度要求不高的实际系统， 是有效的控制方式。是有效的控制方式。 开环控制的特点：开环控制的特点： 第一节 自动控制与自动控制系统 根据黄坚自动

11、控制原理与应用电子课件改编 2闭环控制 闭环控制闭环控制: 闭环控制又称为闭环控制又称为 反馈控制反馈控制或或按偏差按偏差 控制控制。 控制装置与受控控制装置与受控 对象之间，不但有对象之间，不但有 顺向作用，还有反顺向作用，还有反 向联系。向联系。 例例 转台速度闭环控制系统转台速度闭环控制系统 系统中增加了系统中增加了 测速发电机作为测速发电机作为 反馈装置反馈装置 测出电动机的测出电动机的 速度反馈给控制速度反馈给控制 器。器。 与给定信号比较产生偏差电压，经过与给定信号比较产生偏差电压，经过 功率放大后对电动机的速度进行闭环控制功率放大后对电动机的速度进行闭环控制. 当速度受扰动当速度

12、受扰动 发生变化时，偏发生变化时，偏 差电压也随之变差电压也随之变 化，通过闭环调化，通过闭环调 节能消除干扰。节能消除干扰。 系统结构图系统结构图 测速机测速机 偏差偏差 预 期预 期 速度速度 实 际实 际 转速转速 放大器放大器 _ 直流电动机直流电动机转台转台 第一节 自动控制与自动控制系统 根据黄坚自动控制原理与应用电子课件改编 闭环控制闭环控制 功率 放大器 电压 放大器 + + + + + + - - - - - - 负载 测速发电机 n ug ua uf ue ud 在这种（闭环）系统中，测量元件测的在这种（闭环）系统中，测量元件测的 是被控量（转速是被控量（转速n），所以，无

13、论任何），所以，无论任何 因素，只要因素，只要n变化，就可以自动调节，变化，就可以自动调节， 消除或减小这种变化。消除或减小这种变化。 第一节 自动控制与自动控制系统 根据黄坚自动控制原理与应用电子课件改编 直流调速系统、交流变频调速系统 根据黄坚自动控制原理与应用电子课件改编 （3）能减小或消除由扰动形成的偏差，具有较 高的控制精度和较强的抗扰能力。 通过以上的实例分析可得出闭环控 制系统具有的特点： （1）系统的控制信号是给定值与反馈量的差值， 故称为按偏差控制或反馈控制。 （2）闭环系统有两种传输通道：前向通道和 反馈通道。 自动控制原理中主要讨论闭环控制系统。自动控制原理中主要讨论闭环

14、控制系统。 反馈是控制的精髓 第一节 自动控制与自动控制系统 根据黄坚自动控制原理与应用电子课件改编 3复合控制复合控制 测量出外部作用，形成与测量出外部作用，形成与 外部作用相反的控制量与外部作用共同使外部作用相反的控制量与外部作用共同使 被控量基本不受影响。被控量基本不受影响。 前馈补偿控制前馈补偿控制 复合控制基本形式复合控制基本形式. 前馈补偿控制：前馈补偿控制： 复合控制：复合控制：反馈控制反馈控制 + 在外部作用下，由系统被控在外部作用下，由系统被控 制量的变化产生调节和控制作用。制量的变化产生调节和控制作用。 反馈控制：反馈控制： 第一节 自动控制与自动控制系统 根据黄坚自动控制

15、原理与应用电子课件改编 按扰动前馈补偿的复合控制按扰动前馈补偿的复合控制 给定值给定值 被控被控 制量制量 _ 检测元件检测元件 控制器控制器受控对象受控对象 前馈补偿控制前馈补偿控制 反馈控制反馈控制 主通道主通道 前馈通道前馈通道 扰动扰动 第一节 自动控制与自动控制系统 根据黄坚自动控制原理与应用电子课件改编 3复合控制复合控制 功率 放大器 电压 放大器 电压 放大器 + + + + + + - - - - - - 负载 n i ug ua um uf ue ud uB - uf 功 放电压放大 电压放大扰动测量器 测速发电机 干扰 电动机 n ug ua uB ue+ + 图图 直流

16、电动机转速复合控制系统直流电动机转速复合控制系统 第一节 自动控制与自动控制系统 根据黄坚自动控制原理与应用电子课件改编 第二节自动控制系统的分类 一、按变量的数学关系来分一、按变量的数学关系来分 自动控制系统的分类方法较多，常自动控制系统的分类方法较多，常 见的有以下几种见的有以下几种 第一章 概 述 二、按控制系统的输入作用来分二、按控制系统的输入作用来分 根据黄坚自动控制原理与应用电子课件改编 一、线性系统和非线性系统一、线性系统和非线性系统 由线性微分方程或线性差分方程由线性微分方程或线性差分方程 所描述的系统。所描述的系统。 由非线性方程描述的系统。由非线性方程描述的系统。 第二节自

17、动控制系统的分类 线性系统：线性系统： 非线性系统：非线性系统： 根据黄坚自动控制原理与应用电子课件改编 二、定常系统和时变系统 定常系统定常系统: 若系统微分方程的系数为常数，则若系统微分方程的系数为常数，则 称之为线性定常系统。此类系统为本书称之为线性定常系统。此类系统为本书 主要讨论对象。主要讨论对象。 系统数学模型微分方程的系数不是系统数学模型微分方程的系数不是 时间变量的函数。时间变量的函数。 否则称为时变系统。否则称为时变系统。 第二节自动控制系统的分类 根据黄坚自动控制原理与应用电子课件改编 三、连续系统和离散系统 连续系统：连续系统： 系统中各部分的信号都是时间的连续系统中各部

18、分的信号都是时间的连续 函数即模拟量。函数即模拟量。 离散系统：离散系统： 系统中有一处或多处信号为时间的系统中有一处或多处信号为时间的 离散函数，如脉冲或数码信号。离散函数，如脉冲或数码信号。 若系统中既有模拟量也有离散信号，若系统中既有模拟量也有离散信号， 则又可称之为采样系统。则又可称之为采样系统。 第二节自动控制系统的分类 根据黄坚自动控制原理与应用电子课件改编 四、恒值系统、随动系统和四、恒值系统、随动系统和 程程 序序 控制系统控制系统(按控制系统的输入作用来分按控制系统的输入作用来分 ） 系统的给定值为一定值，而控制任系统的给定值为一定值，而控制任 务就是克服扰动，使被控量保持恒

19、值。务就是克服扰动，使被控量保持恒值。 例如：电机速度例如：电机速度 控制、恒温、恒控制、恒温、恒 压、水位控制系压、水位控制系 统等。统等。 恒值系统：恒值系统： 第二节自动控制系统的分类 根据黄坚自动控制原理与应用电子课件改编 随动系统：随动系统： 系统给定值按照事先不知道的时间函系统给定值按照事先不知道的时间函 数变化，并要求被控量跟随给定值变化。数变化，并要求被控量跟随给定值变化。 如：火炮自动如：火炮自动 跟踪系统、轮跟踪系统、轮 舵位置控制系舵位置控制系 统等。统等。 第二节自动控制系统的分类 根据黄坚自动控制原理与应用电子课件改编 第二节自动控制系统的分类 根据黄坚自动控制原理与

20、应用电子课件改编 放大装置放大装置 例例 位置随动系统位置随动系统 环型电位器环型电位器 电机电机 电源电源 齿轮齿轮 系统组成：系统组成： 负载负载 输入输入 r 输出输出 c 工作过程：工作过程：r=cUd= 0 Ud rc Ud0 电动机带动齿轮转动电动机带动齿轮转动, 调节调节c,使使 r= c 电动机静止电动机静止 系统结构图系统结构图 r r _ 电位器电位器 m m c cu ue eu ud d 放大器放大器电动机电动机减速器减速器 + + - - c c c r r u c u a u ecr uuu r 减速器 船舵角位置 给定值，表示命令角的位置 负载 E 第二节自动控制

21、系统的分类 根据黄坚自动控制原理与应用电子课件改编 程序控制系统：程序控制系统： 系统的给定值按照一定的时间函数系统的给定值按照一定的时间函数 变化，并要求被控量随之变化。变化，并要求被控量随之变化。 例如：例如：机械手机械手 第二节自动控制系统的分类 根据黄坚自动控制原理与应用电子课件改编 自动化生产线：自动化生产线： 第二节自动控制系统的分类 根据黄坚自动控制原理与应用电子课件改编 自动化生产线：自动化生产线： 第二节自动控制系统的分类 根据黄坚自动控制原理与应用电子课件改编 问题（问题（problems:） 1反馈控制的概念与作用；反馈控制的概念与作用；What is Feedback?

22、 2.自动控制系统的基本组成有哪些？有哪些自动控制系统的基本组成有哪些？有哪些 常用术语？常用术语？ 3自控系统的工作原理？自控系统的工作原理？ 第二节自动控制系统的分类 根据黄坚自动控制原理与应用电子课件改编 第三节 对控制系统性能的要求 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 第一章 概 述 根据黄坚自动控制原理与应用电子课件改编 一、稳定性 第三节 对控制系统性能的要求 系统受外作用力后

23、系统受外作用力后,其动态过程其动态过程 的振荡倾向和系统恢复平衡的能力。的振荡倾向和系统恢复平衡的能力。 稳定性：稳定性： 系统受外作用力系统受外作用力 经过一段时间，其经过一段时间，其 被控量达到某一稳被控量达到某一稳 定状态，则系统是定状态，则系统是 稳定的。稳定的。 否则为不稳定的。否则为不稳定的。 r(t) t 0 c(t) r(t) c(t) 不稳定的系统是不稳定的系统是 无法正常工作的。无法正常工作的。 扰动信号作用下扰动信号作用下 的不稳定系统的不稳定系统: d(t) t 0 c(t) c(t) d(t) 一个能在生产一个能在生产 实际中应用的系统实际中应用的系统, 不仅应具有稳

24、定性不仅应具有稳定性, 而且在动态过程中而且在动态过程中 的震荡也不能过于的震荡也不能过于 强烈强烈. 根据黄坚自动控制原理与应用电子课件改编 A A f d f c 第三节 对控制系统性能的要求 根据黄坚自动控制原理与应用电子课件改编 通过动态过程时间长短表征快速性。通过动态过程时间长短表征快速性。 二、快速性 r(t) t 0 c(t) r(t) c1(t) c2(t) 快速性表明了快速性表明了 系统输出对输入系统输出对输入 响应的快慢程度响应的快慢程度 过渡过程时过渡过程时 间越短，表明间越短，表明 快速性越好。快速性越好。 反之亦然。反之亦然。 t1t2 第三节 对控制系统性能的要求

25、根据黄坚自动控制原理与应用电子课件改编 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) t 0 c(t) ess 它反映了系统它反映了系统 的稳态精度。若的稳态精度。若 系统最终的误差系统最终的误差 为零，则称为无为零，则称为无 差系统，否则为差系统，否则为 有差系统。有差系统。 c(t) r(t) 第三节 对控制系统性能的要求 根据黄坚自动控制原理与应用电子课件改编 稳定性、快速性和准确性往往是互稳定性、快速性和准确性往往是互 相制约的。在设计与调试的过程中相制约的。在设计与调试的过程中,若过若过 分强

26、调某方面的性能分强调某方面的性能,则可能会使其他方则可能会使其他方 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,分析和设分析和设 计自动控制系统，使其对三方面的性能有计自动控制系统，使其对三方面的性能有 所侧重所侧重 ，并兼顾其它正是自控原理课程，并兼顾其它正是自控原理课程 要解决的问题。要解决的问题。 第三节 对控制系统性能的要求 根据黄坚自动控制原理与应用电子课件改编 自动控制理论是研究自动控制共同规自动控制理论是研究自动控制共同规 律的技术科学。律的技术科学。 第四节 自动控制理论发展简述 第一章 概 述 具有具有“自动自动”功能的装置自古有之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，瓦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较自觉地运用反馈原理进行设计并取得成 功的首例。功的首例。 麦克斯韦对它的稳定性进行分析，于麦克斯