自动控制课件1-1 绪论

1、1自动控制原理自动控制原理佳木斯大学机械工程学院杨 康2自动控制原理自动控制原理参考教材参考教材1.自动控制原理自动控制原理 科学出版社科学出版社 胡寿松胡寿松 (推荐教材推荐教材)2.机械工程控制基础机械工程控制基础 华中科大出版社华中科大出版社 杨叔子杨叔子3.机械控制工程基础机械控制工程基础 清华大学出版社清华大学出版社 董景新董景新4.Automatic Control System Benjamin C. Kuo （高教出版社（高教出版社 ）3一一. . 自动控制自动控制 指在没有人的直接参与情况下，利用控制装置指在没有人的直接参与情况下，利用控制装置（简称控制器）使被控对象（或生产

2、过程等）的某一物（简称控制器）使被控对象（或生产过程等）的某一物理量（如温度、压力、理量（如温度、压力、PHPH值等）准确地按照预期的规律值等）准确地按照预期的规律运行。运行。 另一种定义：是指机器设备在没有人直接参与的情况另一种定义：是指机器设备在没有人直接参与的情况下，经过自动下，经过自动检测检测、信息、信息处理处理、分析、分析判断判断、操纵、操纵控制控制实现实现预期的目标。预期的目标。第一章第一章 绪论绪论自动化（自动化（Automation 或或Automatization）l 什么叫自动控制？什么叫自动控制系统？什么叫自动控制？什么叫自动控制系统？l 自动控制主要研究解决什么问题（举

3、例说明）？自动控制主要研究解决什么问题（举例说明）？1 11 1 概述概述4自动化的核心是自动化的核心是“控制控制” 自动化技术的两个方面：自动化技术的两个方面： 人手（脚）的延伸人手（脚）的延伸动力方面的自动化技术：工业化动力方面的自动化技术：工业化 人脑的延伸人脑的延伸信息处理方面的自动化技术信息处理方面的自动化技术: 信息化信息化2. 2. 自动控制系统自动控制系统 是指实现上述控制目的，由相互制约的各部分按一定是指实现上述控制目的，由相互制约的各部分按一定 规律组成的具有特定功能的整体。规律组成的具有特定功能的整体。 例：交通控制、水位控制、例：交通控制、水位控制、 经济控制、人体控制

4、经济控制、人体控制第一章第一章 绪论绪论51 1）控制：）控制：在辞海中意为在辞海中意为驾驭，支配驾驭，支配。 机器的自动控制或动物在自然界中的机器的自动控制或动物在自然界中的活动，都可以看成其本身各组成部分活动，都可以看成其本身各组成部分间间信息的传送过程信息的传送过程。2 2）控制论）控制论就是研究动物（包括人类）和就是研究动物（包括人类）和机器内部的控制和通信的一般规律的学科。机器内部的控制和通信的一般规律的学科。63. 3. 自动化的发展历史自动化的发展历史公元前我国的自动计时漏壶公元132年张衡研制的候风地动仪第一章第一章 绪论绪论7公元235年马钧研制出能自动指示方向的指南车 第一

5、章第一章 绪论绪论81788年英国Watt发明的控制蒸汽机速度的离心式调速器 第一章第一章 绪论绪论91913年美国建成最早的汽车装配流水线1952年美国MIT研制出第一台数控机床 第一章第一章 绪论绪论101954年第一台工业机器人 1981年美国“哥伦比亚”号航天飞机首次发射成功第一章第一章 绪论绪论11装配机器人汽车自动焊接生产线4. 4. 自动控制系统（应用举例）自动控制系统（应用举例）12自动立体仓库4. 4. 自动控制系统（应用举例）自动控制系统（应用举例）13注塑机自动搬运车4. 4. 自动控制系统（应用举例）自动控制系统（应用举例）14机器人足球比赛机器人足球比赛4. 4. 自

6、动控制系统（应用举例）自动控制系统（应用举例）月球车月球车15机器人干活机器人干活机器人跳舞机器人跳舞4. 4. 自动控制系统（应用举例）自动控制系统（应用举例）164. 4. 自动控制系统（应用举例）自动控制系统（应用举例）智能汽车智能汽车17无人驾驶汽车无人驾驶汽车4. 4. 自动控制系统（应用举例）自动控制系统（应用举例）空中飞艇空中飞艇18自动控制人工控制控制系统的控制方式：二、控制系统举例1、温度控制系统19过程：过程：1)1)观测由测量元件观测由测量元件( (温度计温度计) )测出的恒温测出的恒温 箱的温度箱的温度( (被控制量被控制量) )。2) 2) 与要求的温度值与要求的温度

7、值( (给定值给定值) )进行比较得进行比较得 出偏差的大小与方向。出偏差的大小与方向。3)3)根据偏差的大小与方向进行控制。根据偏差的大小与方向进行控制。20此人工控制的过程就是测量此人工控制的过程就是测量,求偏差求偏差,再再控制以纠正偏差的过程。控制以纠正偏差的过程。 也就是也就是“检验检验偏差并用以纠正偏差偏差并用以纠正偏差”的过程。的过程。 如果能找到一个控制器代替人的职能，如果能找到一个控制器代替人的职能，那么一个人工调节系统就变成自动控制那么一个人工调节系统就变成自动控制系统了。系统了。21 22图示为恒温箱的自动控制系统。在自图示为恒温箱的自动控制系统。在自动控制系统中，图中的温

8、度计由热电动控制系统中，图中的温度计由热电偶代替，并增加了电气、电机及减速偶代替，并增加了电气、电机及减速器等装置。器等装置。233 3）执行机构类似人手；）执行机构类似人手；基于反馈基础上的基于反馈基础上的“检验偏差用以纠正检验偏差用以纠正偏差偏差”的原理称为反馈控制原理。的原理称为反馈控制原理。人工控制与自动控制的比较：人工控制与自动控制的比较：1 1）测量装置相当于人的眼睛；）测量装置相当于人的眼睛；2 2）控制器相当于人脑；）控制器相当于人脑；还有都要检测偏差并用检测到的偏差还有都要检测偏差并用检测到的偏差去纠正偏差。去纠正偏差。24 2、速度调节系统25 nM离心机构离心远比较机构向

9、上杠杆向上移阀门向下移转换机构转换机构阀门阀门蒸汽系统蒸汽系统蒸汽机蒸汽机齿轮齿轮离心机构离心机构给定给定n比较比较QM实际实际n26将系统的输出部分地或全部地将系统的输出部分地或全部地返回输入，称为系统的反馈。返回输入，称为系统的反馈。定义：定义：三、反馈)()()()()()()()(tyctymtftkytftkytyctym 微分方程中输出函数及其导函数项之间微分方程中输出函数及其导函数项之间的关系就是系统状态变量间的反馈关系。的关系就是系统状态变量间的反馈关系。 27比如：比如： k1 22dtdm dtdc )(tf + - - )(ty 28三、工程控制论的研究对象实质上是研究工

10、程技术中广义系统的动力实质上是研究工程技术中广义系统的动力学问题，具体的说，它研究的是工程技术学问题，具体的说，它研究的是工程技术中广义中广义系统在系统在一定的外界条件（即输入或一定的外界条件（即输入或激励，包括外加控制与外加干扰）激励，包括外加控制与外加干扰）作用下，作用下，从系统一定的初始状态出发，所从系统一定的初始状态出发，所经历经历的由的由其内部的固有特性（即由系统的结构与参其内部的固有特性（即由系统的结构与参数所决定的特性）所决定的整个数所决定的特性）所决定的整个动态历程，动态历程，研究这一研究这一系统系统及其及其输入、输出输入、输出三者之间的三者之间的关系。关系。29例如：例如：

11、质量弹簧阻尼系统质量弹簧阻尼系统k: k: 弹簧刚度弹簧刚度 x(t): x(t): 支座位移支座位移M: M: 质量质量 y(t): y(t): 质量块位移质量块位移c: c: 粘性阻尼系数粘性阻尼系数 f(t): f(t): 外力外力kcy(t)f(t)M（1）30对于（对于（1）系统）系统FcFkf(t)()()()(tyatycFtykFmaFFtfcKKc 建立动力方程建立动力方程)()()()(tftkytyctym 31k: k: 弹簧刚度弹簧刚度 x(t): x(t): 支座位移支座位移M : M : 质量质量 y(t): y(t): 质量块位移质量块位移c: c: 粘性阻尼系

12、数粘性阻尼系数 f(t): f(t): 外力外力（2）32对于系统（对于系统（2）)()()()()(tymtytxctytxkmaFFck 建立动力方程建立动力方程)()()()()(tkxtxctkytyctym 33)()()()(即对输入的响应为系统的输出有为系统输入；、已知：tytxtf 令令 p=d/dt 带入方程得带入方程得)()()(2tftykcpmp)()()()(2txkcptykcpmp34两个变量意义两个变量意义: : （1 1）从上面两个方程来看）从上面两个方程来看: mp: mp2 2+cp+k +cp+k 是由系统本身的结构与参数所决定是由系统本身的结构与参数所

13、决定, ,反反映了与外界无关的系统本身固有特性。映了与外界无关的系统本身固有特性。 （2 2）1 1与与cp+k: cp+k: 反映了系统与外界的关反映了系统与外界的关系。若系统的结构与参数改变或系统发系。若系统的结构与参数改变或系统发生改变生改变, ,都将对它有影响。都将对它有影响。 35（4 4）此两个方程表明其研究的对象表）此两个方程表明其研究的对象表明这一系统及其输入、输出的动态关系。明这一系统及其输入、输出的动态关系。 （3 3）系统在任何瞬间的状态可以由质）系统在任何瞬间的状态可以由质量位移量位移y(t)y(t)与速度与速度)(ty , ,这在此瞬间这在此瞬间的取值来刻划的取值来刻

14、划, ,即此系统是一个动态历即此系统是一个动态历程。程。 36工程控制论的研究任务：1、已知系统和输入，求系统的输出，即系统分析问题2、已知系统和系统的理想输出，设计输入，即最优控制问题3、已知输入和理想输出，设计系统，即最优设计问题4、输出已知，确定系统，以识别输入或输入中的有关信息，即滤波与预测问题5、已知系统的输入和输出，求系统的结构与参数，即系统辨识问题3712 控制系统的基本组成控制系统的基本组成控制系统的组成：输入部分、控制系统部分和输出部分。控制系统的组成：输入部分、控制系统部分和输出部分。从从物理物理角度上看，自动控制研究的是特定角度上看，自动控制研究的是特定激励作用下的系激励

15、作用下的系 统响应统响应变化情况；变化情况；从从数学数学角度上看，研究的是角度上看，研究的是输入与输出之间的映射输入与输出之间的映射关系。关系。输入输出控制系统38例例1. a.1. a.温度温度人工控制人工控制12 控制系统的基本组成控制系统的基本组成39 12 控制系统的基本组成控制系统的基本组成控制目标：控制目标：炉子的温度恒炉子的温度恒定在期望的数定在期望的数值上。值上。40b.b.温度温度 自动控制自动控制12 控制系统的基本组成控制系统的基本组成41闭环控制系统的基本组成闭环控制系统的基本组成 12 控制系统的基本组成控制系统的基本组成42控制系统的基本组成控制系统的基本组成输入信

16、号输入信号系统控制目标的反映，是人的意志的具体体现。系统控制目标的反映，是人的意志的具体体现。控制系统控制系统主要完成对有关信号的变换、处理，发出控制主要完成对有关信号的变换、处理，发出控制 量，驱动执行机构完成控制功能。量，驱动执行机构完成控制功能。输出信号输出信号系统的控制结果，反映了被控对象的运行状态。系统的控制结果，反映了被控对象的运行状态。12 控制系统的基本组成控制系统的基本组成43例例2 2：火炮自动跟踪系统火炮自动跟踪系统“火炮打飞机火炮打飞机”12 控制系统的基本组成控制系统的基本组成+_受信仪放大器减速器校正装置检测装置电机+44典型的反馈控制系统的结构图典型的反馈控制系统

17、的结构图12 控制系统的基本组成控制系统的基本组成45 控制系统的构成控制系统的构成箭头表示作用方向箭头表示作用方向给定环节给定环节测量环节测量环节放大及放大及运算环节运算环节执行环节执行环节被控对象被控对象控制部分控制部分比较环节比较环节xi+-xbx046给出输入信号给出输入信号xi，用于确定被控制，用于确定被控制对象的对象的“目标值目标值”（给定值）。（给定值）。给定环节给定环节（控制元件）（控制元件）47用来比较输入信号和反馈信号之间的用来比较输入信号和反馈信号之间的差值。差值。比较环节比较环节(比较元件比较元件)48对偏差信号放大和功率放大的元件。对偏差信号放大和功率放大的元件。放大

18、及运算环节（放大元件）：放大及运算环节（放大元件）：49直接对控制对象进行操作的元件。直接对控制对象进行操作的元件。执行环节（执行元件）：执行环节（执行元件）：50控制系统所要操纵的对象。控制系统所要操纵的对象。其输出量即为被控制量。其输出量即为被控制量。被控制对象（控制对象）：被控制对象（控制对象）：51用于测量被控制量，并将被控变量用于测量被控制量，并将被控变量转换为便于传送的另一物理量。转换为便于传送的另一物理量。测量环节（反馈元件）：测量环节（反馈元件）：52名词术语：1、输入信号、输入信号2、输出信号、输出信号3、反馈信号、反馈信号4、偏差信号、偏差信号5、干扰信号、干扰信号6、误差

19、信号、误差信号53 A A、按系统有无反馈（信号的传递路径）来分类、按系统有无反馈（信号的传递路径）来分类 1 1、开环控制系统、开环控制系统 特点：特点：系统的输出端与输入端不存在反馈回路。系统的输出端与输入端不存在反馈回路。输出输出量对系统的控制作用不发生影响的系统。量对系统的控制作用不发生影响的系统。 13 控制系统的分类控制系统的分类二二 . . 控制系统的分类控制系统的分类541）开环系统：系统的输出量对系统没有系统的输出量对系统没有控制作用，即系统中无反馈元件，该系统控制作用，即系统中无反馈元件，该系统称开环控制系统。称开环控制系统。特点：特点： 结构简单，容易实现，但存在偏结构简

20、单，容易实现，但存在偏差是不能纠正，控制精度低，且控制精差是不能纠正，控制精度低，且控制精度取决于系统元器件的精度。度取决于系统元器件的精度。55 2 2、闭环控制系统（反馈控制系统）、闭环控制系统（反馈控制系统） 特点：特点：系统输出信号与测量元件之间存在反馈回路系统输出信号与测量元件之间存在反馈回路。 “闭环闭环”这个术语的含义，就是将输出信号通过测量元件这个术语的含义，就是将输出信号通过测量元件反馈到系统的输入端，通过比较、控制来减小系统误差。反馈到系统的输入端，通过比较、控制来减小系统误差。 13 控制系统的分类控制系统的分类562）闭环系统：系统的输出量对系统有控系统的输出量对系统有

21、控制作用，即系统中有反馈元件，该系统称制作用，即系统中有反馈元件，该系统称闭环控制系统。闭环控制系统。特点：特点： 结构复杂，存在偏差能纠正，控结构复杂，存在偏差能纠正，控制精度较高，且控制精度不取决于系统元制精度较高，且控制精度不取决于系统元器件的精度。器件的精度。3 3）复合控制：）复合控制：把闭环控制方式与开环控制方式中按把闭环控制方式与开环控制方式中按干扰补偿的方法结合在一起的控制方式。干扰补偿的方法结合在一起的控制方式。57 特点：特点：输入信号是一个未知函数。输入信号是一个未知函数。要求控制系要求控制系统的输出量跟随输入信号变化。统的输出量跟随输入信号变化。 如：火炮自动跟踪系统。

22、如：火炮自动跟踪系统。 该系统要求有较好的跟踪能力。该系统要求有较好的跟踪能力。13 控制系统的分类控制系统的分类3 3、随动系统、随动系统（或称伺服系统）（或称伺服系统）58内燃机转速控制系统内燃机转速控制系统 应用瓦特式转速调节器应用瓦特式转速调节器的内燃机转速控制系统的内燃机转速控制系统591 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） 特点：特点：输入信号是一个恒定的数值。输入信号是一个恒定的数值。工业生产中的恒工业生产中的恒 温、恒压等自动控制系统都属于这一类型。温、恒压等自动控制系统都属于这一类型。 2 2、过程控制系统、过程

23、控制系统（或称程序控制系统）（或称程序控制系统） 特点：特点：输入信号是一个已知的函数。输入信号是一个已知的函数。系统的控制过程系统的控制过程 按按预定的程序进行，要求被控量能迅速准确地复现输入，如化预定的程序进行，要求被控量能迅速准确地复现输入，如化工中的压力、温度、流量控制。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过程控制系统。恒值控制系统可看成输入等于常值的过程控制系统。 13 控制系统的分类控制系统的分类二、按系统的控制作用来分类二、按系统的控制作用来分类601 1、连续系统、连续系统 特点：特点：系统各部分信号都是模拟的连续函数。系统各部分信号都是模拟的连续函数

24、。目前工业目前工业 中普遍采用的常规仪表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：特点：系统的某一处或几处信号以脉冲序列或数码形式系统的某一处或几处信号以脉冲序列或数码形式传递的控制系统。传递的控制系统。系统中用脉冲开关或采样开关，将连续系统中用脉冲开关或采样开关，将连续信号转变为离散信号。其中离散信号以脉冲形式传递的系信号转变为离散信号。其中离散信号以脉冲形式传递的系统又叫脉冲控制系统，离散信号以数码形式传递的系统又统又叫脉冲控制系统，离散信号以数码形式传递的系统又叫数字控制系统。叫数字控制系统。14 控制系统的分类控制系统的分类三、按

25、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61 13 控制系统的分类控制系统的分类62四、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 1 1、线性系统、线性系统 特点：特点：系统由线性元件构成，描述运动规律的数学模型为线系统由线性元件构成，描述运动规律的数学模型为线性微分方程。性微分方程。运动方程一般形式：运动方程一般形式： 式中：式中：r(t)系统输入量；系统输入量； c(t)系统输出量系统输出量 主要特点是具有叠加性和齐次性。主要特点是具有叠加性和齐次性。c(t)adtdc(t)adtc(t)dadtc(t)da011 -n1 -n1 -n1 -nnnnn

26、r(t)bdtdr(t)bdtr(t)dbdtr(t)db011 -m1 -m1 -m1 -mmmmm13 控制系统的分类控制系统的分类632 2、非线性系统、非线性系统 特点：特点：在构成系统的环节中有一个或一个以上的非线性在构成系统的环节中有一个或一个以上的非线性 环节。环节。 非线性的理论研究远不如线性系统那么完整，目前尚无非线性的理论研究远不如线性系统那么完整，目前尚无通用的方法可以解决各类非线性系统。通用的方法可以解决各类非线性系统。其他的分类方法：其他的分类方法： 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

27、件组成分：机电系统、液压系统、生物系统等按元件组成分：机电系统、液压系统、生物系统等。13 控制系统的分类控制系统的分类64n分类小结分类小结c(t)adtdc(t)adtc(t)dadtc(t)da011 - n1 - n1 - n1 - nnnnn 随动系统随动系统程序控制系统程序控制系统恒值控制系统恒值控制系统按控制作用按控制作用. 2 离散系统离散系统连续系统连续系统按信号性质按信号性质. 3 非非线线性性系系统统线线性性系系统统按按数数学学模模型型. 413 控制系统的分类控制系统的分类655、按被控量的稳态值是否存在误差有差系统和无差系统6615 系统的基本要求及典型信号系统的基本

28、要求及典型信号n典型信号：典型信号： 1. 脉冲信号脉冲信号hththttr0,10, 0)(1)(0,0, 0)(dttrtttr1)(sR67 2.2.阶跃信号阶跃信号3.3.斜坡（速度）信号斜坡（速度）信号 000t)t (aut)t ( rssR1)(21)(ssR000)(tatttr15 系统的基本要求及典型信号系统的基本要求及典型信号684. 4. 加速度信号加速度信号 5. 5. 谐波信号谐波信号 00210)(2ttattr31)(ssR15 系统的基本要求及典型信号系统的基本要求及典型信号)sin()(tAtr22(sin)Lts69控制系统的基本要求控制系统的基本要求一、

29、系统的稳定性一、系统的稳定性二、响应的快速性二、响应的快速性三、响应的准确性三、响应的准确性快速性和准确性必须是在系统以快速性和准确性必须是在系统以稳定的前提下提出来的。稳定的前提下提出来的。 稳定性稳定性 稳态特性稳态特性 动态特性动态特性 （稳、准、快）（稳、准、快）70就是指动态过程的振荡倾向和系统能就是指动态过程的振荡倾向和系统能够恢复平衡状态的能力。够恢复平衡状态的能力。稳定性：稳定性：一个控制系统要完成令人满意的工作，一个控制系统要完成令人满意的工作，首先应该是稳定的，它是系统正常工首先应该是稳定的，它是系统正常工作的首要条件。作的首要条件。71是指当系统的输出量与给定的输入量是指

30、当系统的输出量与给定的输入量之间产生偏差时，消除这种偏差的快之间产生偏差时，消除这种偏差的快慢程度。慢程度。快速性：快速性：72是指在过渡过程结束后输出量与给定是指在过渡过程结束后输出量与给定输入量的偏差，又称为静态偏差或稳输入量的偏差，又称为静态偏差或稳态精度。态精度。准确性：准确性：7314 自动控制理论的内容自动控制理论的内容2. 现代控制理论3. 大系统理论4. 智能控制理论1.线性控制理论经典控制理论 非线性控制理论采样控制理论741 1、经典控制理论、经典控制理论 研究的主要对象是单输入、单输出研究的主要对象是单输入、单输出单变量系统。单变量系统。 如：调节电压改变电机的速度；调整

31、方向盘改变汽车如：调节电压改变电机的速度；调整方向盘改变汽车 的运动轨迹等。的运动轨迹等。 2 2、现代控制理论、现代控制理论 研究的主要对象是多输入、多输出研究的主要对象是多输入、多输出多变量系统。多变量系统。 如如: : 汽车看成是一个具有两个输入（驾驶盘和加速踏汽车看成是一个具有两个输入（驾驶盘和加速踏 板）和两个输出（方向和速度）的控制系统。板）和两个输出（方向和速度）的控制系统。 计算机科学的发展，极大地促进了控制科学的发展。计算机科学的发展，极大地促进了控制科学的发展。14 自动控制理论的内容自动控制理论的内容75经典控制理论经典控制理论 与与 现代控制理论现代控制理论 项目项目经典控制理论经典控制理论现