自动控制理论_01自动控制的一般概念

1、n1-1 1-1 自动控制的任务自动控制的任务n1-2 1-2 自动控制的基本方式自动控制的基本方式n1-3 1-3 对控制系统的性能要求对控制系统的性能要求第一章第一章 自动控制的一般概念自动控制的一般概念 1 1、自动控制的基本概念、自动控制的基本概念 何谓控制何谓控制自动控制：是指在没有人直接参与的条件下，利用控自动控制：是指在没有人直接参与的条件下，利用控制装置使被控对象按照预定的技术要求进行工作。制装置使被控对象按照预定的技术要求进行工作。 自动控制系统：是指能够对被控对象的工作状态进行自动控制系统：是指能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统，它由被控对象和控制装置组成。自动控制

2、的系统，它由被控对象和控制装置组成。控制控制 自动控制的任务，是在没有人直接参与自动控制的任务，是在没有人直接参与下，利用控制装置操纵被控对象，使被控量下，利用控制装置操纵被控对象，使被控量等于给定值。等于给定值。)()(trtc2、自动控制的应用典范、自动控制的应用典范人造地球卫星人造地球卫星 无人驾驶飞机无人驾驶飞机 制导导弹制导导弹 现代的高新技术让导弹长上了“眼睛”和“大脑”，利用负反馈控制原理去紧紧盯住目标. 我国研制的地空导弹 (如右图) 雷达技术雷达技术雷达操作时，天线就要不停地转动。天线的作用是把雷达中产生的无线电波按照一定的方向向外发射出去，并把被反射回来的无线电波接收下来。

3、正因为天线所起的作用好似人的眼睛一样，因此雷达要注视和侦察整个天空的状况，天线就要不停地转动，用一个驱动马达使天线作360度的旋转，这样它就能在360度范围内进行“搜索”。 3 3、自动控制发展史、自动控制发展史基于：战争需求基于：战争需求基本方法：传递函数，根轨迹法，频率特性法基本方法：传递函数，根轨迹法，频率特性法代表人物：维纳、伯德、伊文思代表人物：维纳、伯德、伊文思*现代控制现代控制(20(20世纪世纪5050年代年代) )SONY SONY 二足步行机器人二足步行机器人*智能控制智能控制(1980(1980后后) )*未来，或远或近未来，或远或近 1-2 1-2 自动控制的基本方式自

4、动控制的基本方式干扰干扰n比较比较执行执行被控对象被控对象测量测量-r给定值给定值e偏差偏差被控量被控量c反馈信号反馈信号 干扰干扰分析分析执行执行工作对象工作对象观察观察预期目标预期目标实际结果实际结果c 被控对象被控对象控制系统控制系统 测量元件测量元件 比较元件比较元件 控制装置控制装置 执行机构执行机构 给定元件给定元件 放大元件放大元件 校正装置校正装置 干扰干扰n比较比较执行执行被控对象被控对象测量测量-r给定值给定值e偏差偏差被控量被控量c反馈信号反馈信号 锅炉气鼓水位控制系统锅炉气鼓水位控制系统气鼓气鼓阀门阀门传感器传感器控制器控制器给定给定值值执行机构执行机构控制阀控制阀给水

5、给水水位水位计计蒸汽蒸汽主要特点主要特点：控制方式控制方式： 单向传递，一定的给定值对应一定的输出量；控制精度取单向传递，一定的给定值对应一定的输出量；控制精度取决于系统事先的调整精度；对干扰无法自动补偿；结构简单，决于系统事先的调整精度；对干扰无法自动补偿；结构简单，成本低廉。多用于系统结构参数稳定和扰动信号较弱的场合成本低廉。多用于系统结构参数稳定和扰动信号较弱的场合, ,如自动售货机，自动报警器，自动流水线等如自动售货机，自动报警器，自动流水线等。 控制装置被控制对象给定值被控量按给定值控制的原理方框图一、按给定值操纵的开环控制一、按给定值操纵的开环控制直流电机转速控制系统示意图直流电机

6、转速控制系统示意图电位器（产生给定电电位器（产生给定电压压u ur r）010V010V转速转速0100001000转转方框图为：方框图为：电电压压放放大大器器可可控控硅硅功功放放M M负载负载rukuaun n电网电压电网电压P P电位器电位器电压电压放大器放大器可控硅可控硅功放功放直流直流电动机电动机Purukn干扰干扰ua控制器控制器被控被控 对象对象干扰干扰被控被控量量按干扰补偿按干扰补偿的原理方框图的原理方框图测量测量v输出影响输入，所以能削弱或抑制干扰；输出影响输入，所以能削弱或抑制干扰；v低精度元件可组成高精度系统；低精度元件可组成高精度系统；v因为可能发生超调，振荡，所以稳定性

7、很重要。因为可能发生超调，振荡，所以稳定性很重要。主要特点主要特点：控制方式控制方式：v正反馈，负反馈。我们所讲述的反馈系统如果正反馈，负反馈。我们所讲述的反馈系统如果无特殊说明，一般都指负反馈。无特殊说明，一般都指负反馈。 控制器控制器被控被控对象对象输入输入输出输出干扰干扰三、按偏差调节的闭环控制三、按偏差调节的闭环控制直流电机转速反馈控制系统直流电机转速反馈控制系统电电压压放放大大器器可可控控硅硅功功放放M M负载负载G Gburuukuaun n 测速 测速 发电 发电 机 机阀阀门门活活塞塞浮浮子子水水h h( (t t) )q q1 1( (t t) )q q2 2( (t t)

8、)水箱内部示意图水箱内部示意图 输出量输出量 输入信号输入信号 (- -) 补偿装置补偿装置 控制装置控制装置被控对象被控对象 自动控制系统示例自动控制系统示例炉温控制系统方框图炉温控制系统方框图例例3 3 函数记录仪函数记录仪例例4 4 水温调节系统水温调节系统水温调节系统方框图水温调节系统方框图例例5 5 学科前沿学科前沿倒立摆控制系统倒立摆控制系统 倒立摆系统的输入为小车倒立摆系统的输入为小车的的位移位移和摆杆的倾斜角度和摆杆的倾斜角度期期望值望值，计算机在每一个采样，计算机在每一个采样周期中采集来自周期中采集来自传感器传感器的小的小车与摆杆的实际位置信号，车与摆杆的实际位置信号，与期望

9、值进行比较后，通过与期望值进行比较后，通过控制控制算法算法得到控制量，再经得到控制量，再经数模转换驱动直流电机实现数模转换驱动直流电机实现倒立摆的实时控制。倒立摆的实时控制。 倒立摆控制系统是一个复杂的、不稳定的倒立摆控制系统是一个复杂的、不稳定的非线性系统非线性系统，其控制方法在军工、航天、机器人和一般工业过程领域中其控制方法在军工、航天、机器人和一般工业过程领域中都有着广泛的用途，如机器人行走过程中的平衡控制、火都有着广泛的用途，如机器人行走过程中的平衡控制、火箭发射中的垂直度控制和卫星飞行中的姿态控制等。箭发射中的垂直度控制和卫星飞行中的姿态控制等。 自动控制系统的分类自动控制系统的分类

10、 1-3 1-3 对控制系统的性能要求对控制系统的性能要求 上述的上述的4 4 和和5 5两个指标结合起来，称为两个指标结合起来，称为系统的系统的稳稳健性指标健性指标。 一个控制系统，如果具有低的灵敏度和良好的抗一个控制系统，如果具有低的灵敏度和良好的抗干扰性，则我们称为系统是干扰性，则我们称为系统是稳健的（稳健的（Robust,Robust,鲁鲁棒）棒）。 自动控制系统的分析与设计工具自动控制系统的分析与设计工具MatlabMatlab（矩阵实验室）（矩阵实验室） SimulinkSimulink（仿真设计模块）（仿真设计模块）1. 1. 自动控制的一般概念自动控制的一般概念 基本控制方式基本控制方式 控制系统的基本组成控制系统的基本组成 控制系统的分类控制系统的分类 对控制系统的要求对控制系统的