自动控制原理

1、第一章第一章 绪论绪论自动控制原理自动控制原理v教师：陈贵林教师：陈贵林v所属：燕山大学所属：燕山大学 电气工程学院电气工程学院 自动化系自动化系v学时：学时：48v周一周一 5-6 A307v周二周二 5-6 A307v周三周三 5-6 A307v周五周五 5-6 A307 （三周）（三周）v班级：班级：08安全本安全本第一章第一章 绪论绪论第一章 绪 论1.2自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念1.3控制工程基础的主要任务与研究内容控制工程基础的主要任务与研究内容 1.1 概概 述述第一章第一章 绪论绪论1.1 概 述通讯自然航空航天工业军事太空探索社会自动控制自动控制应用领域广泛

2、应用领域广泛第一章第一章 绪论绪论 自动控制：在无人直接参与的情况下，通过控制器使被在无人直接参与的情况下，通过控制器使被控对象或过程自动地按照预定要求运行。控对象或过程自动地按照预定要求运行。 控制论(Cybernetics)是研究生物体、机器及各种不同系是研究生物体、机器及各种不同系统控制和调节规律的科学。它不仅是一门极为重要的科学，统控制和调节规律的科学。它不仅是一门极为重要的科学，而且也是一门卓越的方法论，具有适用于各门科学的思想和而且也是一门卓越的方法论，具有适用于各门科学的思想和方法。方法。1.1 概 述v一、基本概念第一章第一章 绪论绪论控制论控制论生物控制论工程控制论经济控制论

3、社会控制论 控制论被广泛的应用到现实生活中的各个领域，是一门重要的方法论。1.1 概 述第一章第一章 绪论绪论v二、控制论的发展历史1.1 概 述 控制论的发展起源于控制论的发展起源于18世纪英国第一次技术革命。世纪英国第一次技术革命。1765年瓦特年瓦特(Jams. Watt)发明了蒸汽机离心式飞锤调速发明了蒸汽机离心式飞锤调速器，来自动调节蒸汽机的转速。器，来自动调节蒸汽机的转速。 控制论的奠基人、美国数学家维纳控制论的奠基人、美国数学家维纳(N. Wiener)在在1948年发表了著名的年发表了著名的控制论控制论. 工程控制论的诞生以工程控制论的诞生以1954年我国科学家钱学森出版的年我

4、国科学家钱学森出版的工程控制论工程控制论为标志为标志.第一章第一章 绪论绪论v二、控制论的发展历史1.1 概 述 第一阶段：20世纪4050年代为“古典控制理论”发展时期。单输入单输出(SISO)控制系统，线性定常系统。 控制论的发展大体分为三个阶段：控制论的发展大体分为三个阶段： 第二阶段：20世纪6070年代为“现代控制理论”发展时期。多输入多输出(MIMO)、非线性及时变系统 。 第三阶段：20世纪70年代末至今，控制论向着“大系统理论”和“智能控制论”发展。模糊控制、神经网络控制和专家控制等 。 古典控制理论是基础，现代控制理论、智能控古典控制理论是基础，现代控制理论、智能控制理论是古

5、典控制理论的延伸和拓展。制理论是古典控制理论的延伸和拓展。 第一章第一章 绪论绪论1.2 自动控制系统的基本概念v一、自动控制系统工作原理人工控制的恒温箱系统：人工控制的恒温箱系统： 1、观测由检测元件、观测由检测元件(温度计温度计)测测出的恒温箱的温度出的恒温箱的温度(被控制量被控制量)； 2、与要求的温度值、与要求的温度值(给定值给定值)进进行比较，得出偏差的大小和方向；行比较，得出偏差的大小和方向； 3、根据偏差的大小和方向再进、根据偏差的大小和方向再进行控制：当恒温箱温度高于所要行控制：当恒温箱温度高于所要求的给定温度值时，就移动调压求的给定温度值时，就移动调压器使电流减小，温度降低；

6、若温器使电流减小，温度降低；若温度低于给定的值，则移动调压器，度低于给定的值，则移动调压器，使电流增加，温度升高。使电流增加，温度升高。图图1-1 人工控制的恒温箱人工控制的恒温箱“检测偏差用以纠正偏差检测偏差用以纠正偏差” 第一章第一章 绪论绪论温度的偏差信号：温度的偏差信号：21uuu图图1-2 恒温箱自动控制系统恒温箱自动控制系统当温度偏高时，动触当温度偏高时，动触头向着减小电流的方头向着减小电流的方向运动，反之加大电向运动，反之加大电流，直到温度达到给流，直到温度达到给定值为止。即只有在定值为止。即只有在偏差信号偏差信号 时时0u电动机才停转。电动机才停转。 1.2 自动控制系统的基本

7、概念第一章第一章 绪论绪论1.2 自动控制系统的基本概念图图1-3 板厚控制简图板厚控制简图 板带出口厚度信息板带出口厚度信息h由检测元件由检测元件测出并反馈到电液伺服系统中，伺服测出并反馈到电液伺服系统中，伺服系统发出控制信号以驱动液压缸，从系统发出控制信号以驱动液压缸，从而调节轧制辊缝，使得板带出口厚度而调节轧制辊缝，使得板带出口厚度h保持在要求的误差范围内。保持在要求的误差范围内。 第一章第一章 绪论绪论控制输出输入反馈检测1.2 自动控制系统的基本概念自动控制：自动控制：自动控制的过程与人工控制过程原理相同，即“检测偏差用以纠正偏差”。人工控制：人工控制：人工控制的过程就是测量、求偏差

8、、再控制以纠正偏差的过程，即“检测偏差用以纠正偏差”。第一章第一章 绪论绪论1.2 自动控制系统的基本概念 反馈(Feedback)就是指输出量通过适当的检测装置将信号就是指输出量通过适当的检测装置将信号全部或一部分返回输入端，使之与输入量进行比较。全部或一部分返回输入端，使之与输入量进行比较。 反馈控制原理：基于反馈基础上的基于反馈基础上的“检测偏差用以纠正偏检测偏差用以纠正偏差差”的原理的原理 负反馈(Negative Feedback)是指反馈信号与系统的输入信是指反馈信号与系统的输入信号的方向相反的反馈形式。号的方向相反的反馈形式。 第一章第一章 绪论绪论v二、开环控制与闭环控制 若系

9、统的输出量对系统的控制作用没有影响，即无反馈作若系统的输出量对系统的控制作用没有影响，即无反馈作用，则系统称为用，则系统称为开环系统。控制器被控对象输入量r输出量y控制量u扰动量 n特 点：在控制器与被控对象之间只有正向控制作用而没有反馈控制作在控制器与被控对象之间只有正向控制作用而没有反馈控制作用用。对于每一个参考输入量就有一个与之对应的工作状态和输对于每一个参考输入量就有一个与之对应的工作状态和输出量。出量。系统精度取决于元器件的精度和特性系统精度取决于元器件的精度和特性。适用范围：系统内部扰动和外部扰动的影响不大、输出与输入关系确定，系统内部扰动和外部扰动的影响不大、输出与输入关系确定，

10、且控制精度要求不高的场合。且控制精度要求不高的场合。优 点： 结构简单，容易设计与调整结构简单，容易设计与调整.对扰动及内部参量变化的影响缺乏抑制能力，系统控制精度低。对扰动及内部参量变化的影响缺乏抑制能力，系统控制精度低。缺 点：1.2 自动控制系统的基本概念第一章第一章 绪论绪论 若系统的输出量对系统的控制具有反馈作用，则系统称若系统的输出量对系统的控制具有反馈作用，则系统称为为闭环系统。特点：利用负反馈的作用来减小系统的误差，具有自动修正被控量偏离给定利用负反馈的作用来减小系统的误差，具有自动修正被控量偏离给定值的作用，因此可以抑制内扰和外扰所引起的误差，达到自动控制的目的。值的作用，因

11、此可以抑制内扰和外扰所引起的误差，达到自动控制的目的。系统精度主要取决于检测元件的精度和系统的内部结构。系统精度主要取决于检测元件的精度和系统的内部结构。可以利用精度不高、可以利用精度不高、成本较低的元器件组成控制精度较高的闭环控制系统成本较低的元器件组成控制精度较高的闭环控制系统。优点：精度高。对扰动及内部参量变化的影响具有抑制能力。精度高。对扰动及内部参量变化的影响具有抑制能力。缺点：系统存在稳定性问题，干扰因素多。系统存在稳定性问题，干扰因素多。控制器被控对象输入量r输出量y控制量u扰动量 n检测元件偏差e反馈量b1.2 自动控制系统的基本概念第一章第一章 绪论绪论控制装置被控对象输入量

12、r输出量y扰动量 n反馈元件偏差e反馈量b给定元件：主要用于产生给定信号或输入信号。主要用于产生给定信号或输入信号。反馈元件：它测量被控量或输出量，产生主反馈信号，该信号与输出量存它测量被控量或输出量，产生主反馈信号，该信号与输出量存在着确定的函数关系在着确定的函数关系(通常为比例关系通常为比例关系)。比较元件：用来比较输入信号和反馈信号之间的偏差。可以是一个差接的用来比较输入信号和反馈信号之间的偏差。可以是一个差接的电路，它往往不是一个专门的物理元件，有时也叫比较环节。电路，它往往不是一个专门的物理元件，有时也叫比较环节。控制装置：由校正装置、放大器、能量变换、执行等元件所组成。由校正装置、

13、放大器、能量变换、执行等元件所组成。控制对象：控制系统所要操纵的对象，它的输出量即为系统的被控制量。控制系统所要操纵的对象，它的输出量即为系统的被控制量。放大元件：对偏差信号进行信号放大和功率放大的元件。对偏差信号进行信号放大和功率放大的元件。执行元件：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。v三、闭环控制系统的基本组成1.2 自动控制系统的基本概念第一章第一章 绪论绪论v四、自动控制系统的基本类型1.2 自动控制系统的基本概念 1按给定量的运动规律分按给定量的运动规律分(1)恒值调节系统：恒值调节系统：输入量为常值，或者随时间缓慢变化。分析重点在克服扰动对输出量的影响。(

14、2)程序控制系统：程序控制系统：输入量为已知给定的时间函数，控制过程按预定程序进行。 (3)随动随动(伺服伺服)系统：系统：输入量是时间的未知函数，即给定量的变化规律事先无法确定，要求输出量能够准确、快速地复现给定量，如火炮自动瞄准系统、轧机板厚自动控制系统。 2按系统线性特性分按系统线性特性分 (1)线性系统系统：线性系统系统：系统的元器件特性均为线性(或基本为线性)，能用线性常微分方程描述其输入与输出关系的系统。线性系统满足线性系统满足“叠加原理叠加原理”，其时间响，其时间响应的特征与初始状态无关。应的特征与初始状态无关。 (2)非线性系统非线性系统 ：只要有一个元器件特性不能用线性方程描

15、述，即为非线性系统。不能应用叠加原理，其时间响应的特征与初始状态有很大关系。不能应用叠加原理，其时间响应的特征与初始状态有很大关系。 第一章第一章 绪论绪论3按参数是否为常数分按参数是否为常数分 (1)时变系统：时变系统：当系统数学描述中显含时间t时，即数学描述中的系数是时间t的函数时，称相应的系统为时变系统。 (2)定常系统：定常系统：特点是系统数学描述中不显含时间t。定常系统在物理上代表了结构和参数都不随时间变化的一类系统。 4按系统信号类型分按系统信号类型分(1)连续控制系统：连续控制系统：系统中各个参量的变化都是连续进行的，是时间的连续函数(也称模拟量)。(2)离散控制系统：离散控制系

16、统：系统中某一处或数处的参量是脉冲序列或数码的形式，这种信号是离散的，即数值上和时间上不连续。 其他的划分方式还有： 5按系统输入输出变量数量分为单变量系统单变量系统和多变量系统多变量系统 。6按系统结构和参数在工作过程中是否确定分确定系统确定系统和不确定系统。不确定系统。7按系统能否用常微分方程描述分集中参数系统集中参数系统和分布参数系统。分布参数系统。1.2 自动控制系统的基本概念第一章第一章 绪论绪论1.2 自动控制系统的基本概念v五、对控制系统的基本要求稳定、准确、快速(1)稳定性：稳定性：由于系统存在着惯性，当系统的各个参数匹配不妥时，将会引起系由于系统存在着惯性，当系统的各个参数匹

17、配不妥时，将会引起系 的振荡而失去工作能力。稳定性就是指动态过程的的振荡而失去工作能力。稳定性就是指动态过程的振荡倾向和系统振荡倾向和系统 能否恢复平衡状态的能力。能否恢复平衡状态的能力。 稳定性的要求是系统工作的首要条件。稳定性的要求是系统工作的首要条件。(2)准确性：准确性：是指在调整过程结束后输出量与给定量之间的偏差，或称为是指在调整过程结束后输出量与给定量之间的偏差，或称为静态精静态精 度。度。是衡量系统工作性能的重要指标是衡量系统工作性能的重要指标。 例如数控机床精度愈高，则加工精度也越高。(3)快速性：快速性：这是在系统稳定的前提下提出的。快速性是指当系统输出量这是在系统稳定的前提

18、下提出的。快速性是指当系统输出量与给定与给定 量之间产生偏差时，消除这种偏差过程的快速程度。量之间产生偏差时，消除这种偏差过程的快速程度。 快速性反应系统的敏捷性。快速性反应系统的敏捷性。稳、快、准是相互制约的！第一章第一章 绪论绪论1.2 自动控制系统的基本概念 对于自动控制系统而言，在保证稳定的前提下，对其快速性和准确性方面的性能指标可按如下类型给出：(1) 时域性能指标时域性能指标，包括瞬态性能瞬态性能(快速性与平稳性快速性与平稳性)指标指标和稳态性能稳态性能(准确准确性性)指标指标。(2) 频域性能指标频域性能指标，反映系统在频域方面的特性。(3) 综合性能指标。综合性能指标。第一章第一章 绪论绪论1.3 控制工程基础的主要任务与研究内容 v一、主要任务 控制工程基础主要研究工程系统中状态的运动规律和改变这种运动规控制工程基础主要研究工程系统中状态的运动规律和改变这种运动规律的可能性和方法，建立和揭示系统结构、参数、行为和性能间的确定的律的可能性和方法，建立和揭示系统结构、参数、行为和性能间的确定的和定量的关系。学习控制工程基础要解决两个问题：和定量的关系。学习控制工程基础要解决两个问题： 其一是系统分析问题