第一章 自动控制系统概述课件

1、第一章第一章 自动控制系统概述自动控制系统概述目的目的 对学科有一个初步的概念上的了解，对学科有一个初步的概念上的了解，懂得其重要性懂得其重要性, ,引起学习兴趣，了解恰当的学引起学习兴趣，了解恰当的学习方法。习方法。内容内容掌握控制系统的基本概念及基本术语掌握控制系统的基本概念及基本术语掌握控制系统的基本结构掌握控制系统的基本结构掌握对控制系统的一般要求掌握对控制系统的一般要求了解控制理论的发展了解控制理论的发展1.1 引引 言言自动控制自动控制 在没有人的直接参与的情况下，利用在没有人的直接参与的情况下，利用控制控制装置装置使使被控对象被控对象的特性自动地按照预先规定的特性自动地按照预先规

2、定的规律运行或使它的某些参数按预定的要求的规律运行或使它的某些参数按预定的要求变化。变化。 自动控制系统自动控制系统控制装置控制装置 自动控制系统自动控制系统被控对象被控对象 自动控制系统举例自动控制系统举例 自动控制原理自动控制原理 是自动控制学科的基础理论，是研究各是自动控制学科的基础理论，是研究各类控制系统类控制系统共性共性的一门技术基础科学。的一门技术基础科学。 研究一般规律研究一般规律 提供基本方法提供基本方法一种思想方法一种思想方法1.2 开环控制与闭环控制开环控制与闭环控制 开环控制开环控制 引例：引例： 电 位 器 V+ 功率 放大器 电动机 负载 结构图结构图：控制器控制器被

3、控对象被控对象输入输入控制量控制量输出输出缺点：自身没有能力根据系统的输出量来修正控缺点：自身没有能力根据系统的输出量来修正控 制量的的数值，控制精度取决于器件精度，制量的的数值，控制精度取决于器件精度， 系统系统抗干扰能力抗干扰能力差差特点：控制量与输出量之间仅有特点：控制量与输出量之间仅有前向通路前向通路，信号，信号 的传递是的传递是单方向单方向的，输出对输入没有影响的，输出对输入没有影响. . 电 位 器 V+ 功率 放大器 电动机 负载 人工闭环系统人工闭环系统如何用装置来替人？如何用装置来替人？ 闭环控制闭环控制 引例：引例： 电电 位位 器器 V+ 功功率率 放放大大器器 电电动动

4、机机 负负载载 测测速速发发电电机机 结构图结构图：功率放大电动机反馈元件nngdufuu-gdufu-gdufu-功率放大电动机nugdufu-反馈元件功率放大电动机nugdufu-特点：不仅有从输入至输出之间前向通路，同时特点：不仅有从输入至输出之间前向通路，同时具有从输出返回至输入端的信号传递通道。信号具有从输出返回至输入端的信号传递通道。信号的传递构成的传递构成闭合回路闭合回路. . 优点：控制精度高，系统抗干扰能力优点：控制精度高，系统抗干扰能力强强.1.3 自动控制与自动控制系统自动控制与自动控制系统 自动控制中的常用术语自动控制中的常用术语 电电 位位 器器 V+ 功功率率 放放

5、大大器器 电电动动机机 负负载载 测测速速发发电电机机 被控对象被控对象被控量被控量反馈量反馈量给定量给定量控制量控制量扰动量扰动量1.3.1 1.3.1 自动控制系统的组成自动控制系统的组成 自动控制系统的基本结构自动控制系统的基本结构 反馈量 控制器Gc 输入量 + - 受控对象Go 反馈环节H 输出量 u r c 控制量 偏差 n 扰动量 b 根据控制系统的结构分类根据控制系统的结构分类 开环控制开环控制 闭环控制闭环控制 扰动控制扰动控制 复合控制复合控制1.3.2 1.3.2 自动控制系统的分类自动控制系统的分类 根据给定参考输入信号分类根据给定参考输入信号分类 恒值控制系统恒值控制

6、系统 随动控制系统随动控制系统给定值给定值不变，不变，克服干克服干扰扰给定值为给定值为未知的时未知的时间函数间函数 根据系统数学性质分类根据系统数学性质分类 线性系统线性系统 非线性系统非线性系统是否满足是否满足叠加定理叠加定理 连续时间系统连续时间系统 离散时间系统离散时间系统 u(nT) t 0 T 2T nT 根据时间信号的不同方式分类根据时间信号的不同方式分类 A/D - + 给定值 数字控制器 输出 执行器 D/A 数字计算机 受控对象 传感器 u(t) t 0 根据控制对象端口信号数量来分类根据控制对象端口信号数量来分类 系 统 u y 系 统 um yr u2 y2 u1 y1

7、SISO系统系统 MIMO系统系统1.3.3 1.3.3 自动控制系统的基本要求及本课自动控制系统的基本要求及本课 研究的内容研究的内容 自动控制系统的基本要求：自动控制系统的基本要求：必须稳定的必须稳定的 c(t) t 给定值 响应缓慢 响应快速 变化剧烈 t c(t) 响应平稳 t 跟踪误差 c(t) 响应动作要响应动作要快快动态过程动态过程平稳平稳跟踪值要跟踪值要准确准确 研究的内容 系统分析系统分析 系统综合（系统设计，校正）系统综合（系统设计，校正）1.4 1.4 自动控制理论的发展自动控制理论的发展 早期：朴素的控制思想应用早期：朴素的控制思想应用 尾 羽 空气阻力 箭蔟 飞行方向

8、 我国古代的弓箭我国古代的弓箭 蒸汽机的速度控制蒸汽机的速度控制（200多年前）多年前）美国美国MIT的的N. Wiener于于1948发表发表控制论控制论(Cybernetics)，标志着控制论学科的诞生。，标志着控制论学科的诞生。 经典控制理论发展阶段经典控制理论发展阶段频率分析法频率分析法和和根轨迹分析法根轨迹分析法，构成了经典，构成了经典控制理论的基础。控制理论的基础。数学工具数学工具：主要是线性微分方程和基于拉普拉主要是线性微分方程和基于拉普拉斯变换的传递函数。斯变换的传递函数。研究对象研究对象：基本是单输入单输出系统。基本是单输入单输出系统。典型成果典型成果：雷达：雷达高炮跟踪系统

9、，轧钢机控制高炮跟踪系统，轧钢机控制系统，液压伺服系统等。系统，液压伺服系统等。 现代控制理论发展阶段数学工具数学工具：主要是主要是状态空间法状态空间法研究对象研究对象：研究对象更为广泛。如研究对象更为广泛。如线性系统线性系统与非线性系统、定常系统与时变系统、多与非线性系统、定常系统与时变系统、多输入多输出系统、变量耦合系统输入多输出系统、变量耦合系统等。等。典型成果典型成果：空间技术、军事技术、多方面的多方面的工业技术 现代控制理论发展阶段现代控制理论发展阶段7070年代年代至今，基于人脑的思维、学习、推理至今，基于人脑的思维、学习、推理决策功能研究与发展的，是当前控制理论学科研决策功能研究与发展的，是当前控制理论学科研究的前沿领域究的前沿领域( (理论上未出现划时代的进展理论上未出现划时代的进展)。主要研究方向主要研究方向：自适应控制理论、模糊控制理论、自适应控制理论、模糊控制理论、人工神经元网络、浑沌理论研究人工神经元网络、浑沌理论研究等。等。 主要研究成果主要研究成果：各种自动设计系统，神经计算机，各种自动设计系统，神经计算机，机器人控制系统，模式识别，人工推理机机器人控制系统，模式识别，人工推理机等。等。 我国历史和现状我国历史和现状我国起步晚，在现代科学史上没有占据一席我国起步晚，在现代科学史上没有占据一席之地，之地，19541954年年钱学森