第一章 自动控制的基本概念

1、使被控对象按照预定的方式工作使被控对象按照预定的方式工作没有人直接参与的控制。公元前，自动定时漏斗公元前，自动定时漏斗候风地动仪候风地动仪61788年 离心调速器 瓦特19521952年，数控机床年，数控机床19541954年，工业机器人年，工业机器人l 在当今时代，自动控制所起的作用越来越重要：在当今时代，自动控制所起的作用越来越重要： 空间飞行器的导航和控制系统 制造业中的控制系统 工业过程控制系统 通讯系统的控制 自动控制发展的未来方向航空航天与运输信息与网络机器人技术和智能机械材料及加工9经典控制理论经典控制理论20世纪30年代 40年代 60年代 70年代 21世纪20世纪30年代

2、40年代 60年代 70年代 21世纪现代控制理论现代控制理论大系统理论大系统理论智能控制理论智能控制理论控制理论发展的三个阶段控制理论发展的三个阶段自动控制理论： 研究自动控制共同规律的技术科学。（1 1）经典控制理论）经典控制理论 研究对象：单输入、单输出单变量系统描述方法： 传递函数（输入、输出描述）研究方法：根轨迹和频率法研究目标：反馈控制系统的稳定自动控制理论的发展 （2 2）现代控制理论（上世纪）现代控制理论（上世纪60-7060-70年代）年代） 研究对象：多输入、多输出多变量系统 描述方法：向量空间（状态空间描述） 研究方法：状态空间法 研究目标：最优控制自动控制理论的发展（3

3、 3）大系统控制理论、智能控制理论）大系统控制理论、智能控制理论 专家系统、 模糊控制、 神经网络、 自适应控制、 大系统理论、 鲁棒控制自动控制理论的发展 当水的流出量增大或流入量减小，平衡则被破坏，液面的高度不能自然地维持恒定。水箱流出流入h通常，在自动控制技术中，把工作的机器设备称为被控通常，在自动控制技术中，把工作的机器设备称为被控对象，把表征这些机器设备工作状态的物理参量称为被对象，把表征这些机器设备工作状态的物理参量称为被控量，而对这些物理参量的要求值称为给定值或希望值控量，而对这些物理参量的要求值称为给定值或希望值（或参考输入）。则控制的任务可概括为：使被控对象（或参考输入）。则

4、控制的任务可概括为：使被控对象的被控量等于给定值。即的被控量等于给定值。即()()ctrt14水箱流出流入h人工控制过程人工控制过程肌肉和阀门希望液位实际液位大 脑水 箱眼 睛15自动控制就是在没有人直接参与的情况下，利用控制器使被控对象（或过程）的某些物理量（或状态）自动地按预先给定的规律去运行。水箱流出流入h控制器浮子自动控制自动控制气 动阀 门希望液位实际液位浮 子控制器水 箱16控制任务：维持水箱内水位恒定控制装置：气动阀门、控制器受控对象：水箱、供水系统被控量：水箱内水位的高度17给定值：控制器刻度盘指针标定的预定水位高度测量装置：浮子比较装置：控制器刻度盘干扰：水的流出量和流入量的

5、变化都将破坏水位保持恒定18水箱流出流入h水箱流出流入h控制器浮子 眼睛 浮子 大脑 自动控制器 肌肉、手 执行元件19气 动阀 门希望液位实际液位浮 子控制器水 箱肌肉和阀门希望液位实际液位大 脑水 箱眼 睛20执 行元 件参考输入输出测量元件控制器被 控对 象扰动输入 测量元件与变送器（代替眼睛）； 自动控制器（代替大脑）； 执行元件（代替肌肉、手）。 开环控制开环控制按给定值操纵的开环控制按给定值操纵的开环控制按干扰补偿的开环控制按干扰补偿的开环控制 按偏差调节的闭环控制按偏差调节的闭环控制 复合控制复合控制21根据不同的信号传输的路径，控制系统可以分为：按给定值操纵的开环控制按给定值操

6、纵的开环控制计算计算执行执行受控对象受控对象给定值给定值干扰干扰被控量被控量开开环控制环控制系统的输出端与输入端之间不存在反馈系统的输出端与输入端之间不存在反馈回路，输出量对系统的控制作用没有影响。回路，输出量对系统的控制作用没有影响。电风扇的控制电机（执行机构）风扇叶片（控制对象）开关或程序控制器控制电压计算计算执行执行受控对象受控对象给定值给定值干扰干扰被控量被控量按给定值操纵的开环控制按给定值操纵的开环控制特点：控制装置只按给定值来控制受控对象。特点：控制装置只按给定值来控制受控对象。优点：控制系统结构简单，相对来说成本低。优点：控制系统结构简单，相对来说成本低。缺点：对可能出现的被控量

7、偏离给定值的偏差没有缺点：对可能出现的被控量偏离给定值的偏差没有任何修正能力，抗干扰能力差，控制精度不高。任何修正能力，抗干扰能力差，控制精度不高。开环控制适用于：开环控制适用于： 输入输入-输出关系已知，且系统不存在干扰（或输出关系已知，且系统不存在干扰（或扰动微弱）的场合。扰动微弱）的场合。 25水位高度控制系统原理方框图按干扰补偿的开环控制按干扰补偿的开环控制按偏差调节的闭环控制 特点：通过计算被控量和给定值的差值来控制被特点：通过计算被控量和给定值的差值来控制被控对象。控对象。计算比较计算比较给定给定值值E执行执行被控对象被控对象干扰干扰被控量被控量测量测量28 闭环控制的优点： 基于

8、偏差的控制，可以抑制任何内、外扰动对控制量的影响，控制精度较高。 闭环控制的缺点： （1）结构复杂，成本较高； （2）只有在偏差出现后才产生控制作用复合控制控制装置被控对象 CR补偿装置a. 按输入作用补偿b. 按扰动作用补偿n控制装置被控对象 CR补偿装置按给定信号分类按给定信号分类 1、恒值控制系统、恒值控制系统 输入信号是一个恒定的数值。（例如：输入信号是一个恒定的数值。（例如：液位控液位控制制，电机转速控制电机转速控制） c(t) = r(t) = const.2、程序控制系统、程序控制系统 输入信号是一个已知的时间函数，系统的控制输入信号是一个已知的时间函数，系统的控制过程按预定的程

9、序进行，要求被控量能迅速准确地过程按预定的程序进行，要求被控量能迅速准确地复现。（例如：复现。（例如：数控机床加工系统数控机床加工系统） c(t) = r(t)， r(t)为已知时间函数。为已知时间函数。303、随动控制系统（或称伺服系统）、随动控制系统（或称伺服系统） 输入信号是一个未知函数，要求输出量跟随给输入信号是一个未知函数，要求输出量跟随给定量变化，也称为跟踪控制。定量变化，也称为跟踪控制。 (例如：例如：火炮自动跟踪系统火炮自动跟踪系统，显示记录仪显示记录仪，跟踪卫星的雷达天线控制系统等跟踪卫星的雷达天线控制系统等） c(t) = r(t)， r(t)为未知时间函数。为未知时间函数

10、。31按描述系统的数学模型分类按描述系统的数学模型分类1、线性系统、线性系统 由线性元件构成的系统叫线性系统。其运动方由线性元件构成的系统叫线性系统。其运动方程为线性微分方程。若各项系数为常数，则称为程为线性微分方程。若各项系数为常数，则称为线性定常系统。其运动方程一般形式为线性定常系统。其运动方程一般形式为: : 式中：式中：u(t) 系统的输入量；系统的输入量；y(t) 系统的输出量。系统的输出量。32( )( 1)( )( 1)1111nnnnnnonnyaya y ay bubub u bu 主要特点：具有叠加性和齐次性。2 2、非线性系统、非线性系统 33 在构成系统的环节中有一个或

11、一个以上的非线性环节时，则称此系统为非线性系统。 典型的非线性特性有饱和特性、死区特性、间隙特性、继电特性、磁滞特性等。34按信号传递的连续性划分 1.连续系统 系统各部分的信号都是时间变量的连续函数时，称为连续系统，其运动状态或特性一般能用微分方程来描述。 连续系统中各元件传输的信息在工程上称为模拟量，其输入输出一般用r(t)和c(t)表示。采用常规控制仪表的系统就属于这一类型。r(t) t 0c(t) t 0352.离散系统 当系统中应用了数字计算机或数字控制器时，系统的某处或几处的信号以脉冲序列或数码的形式传递，这类系统称为离散系统。 离散系统的运动状态一般用差分方程描述。 实际物理系统

12、中，往往是控制上的需要，人为地将连续信号离散化，我们称其为采样。c(t) t 0c(t)c*(t)c*(t) t 0其它分类方法其它分类方法 自动控制系统还有其他的分类方法自动控制系统还有其他的分类方法: (1)按系统的输入按系统的输入/输出信号的数量来分输出信号的数量来分:有单输入有单输入/单单输出系统和多输入输出系统和多输入/多输出系统。多输出系统。 (2)按控制系统的功能来分：有温度控制系统、速度按控制系统的功能来分：有温度控制系统、速度控制系统、位置控制系统等。控制系统、位置控制系统等。 (3)按系统元件组成来分：有机电系统、液压系统、按系统元件组成来分：有机电系统、液压系统、生物系统

13、。生物系统。 (4)按不同的控制理论分支设计的新型控制系统来分，按不同的控制理论分支设计的新型控制系统来分，有最优控制系统，自适应控制系统，预测控制系统，有最优控制系统，自适应控制系统，预测控制系统，模糊控制系统，神经网络控制系统等等。模糊控制系统，神经网络控制系统等等。 361- -3 对控制系统的性能要求对控制系统的性能要求定义：通常把系统受到外作用后，被控量随定义：通常把系统受到外作用后，被控量随时间变化的全过程，称为动态过程或过渡过时间变化的全过程，称为动态过程或过渡过程。程。37 常见的被控量变化的动态过程有以下几种。 (a)单调过程 (b)衰减振荡过程(c)等幅振荡过程(d)渐扩振荡过程39稳：指控制系统的稳定性与平稳性系统在外力作用下，输出逐渐与期望值一致，则系统是稳定的，如曲线a、b所示；反之，输出如曲线d所示，则系统是不稳定的。40快：指控制系统的快速性快速性即动态过程进行