西农 自动控制 第一章

1、自动控制原理课件第一章第一章 控制系统的一般概念控制系统的一般概念12022-4-5机械与电子工程学院机械与电子工程学院西北农林科技大学西北农林科技大学杨兵力杨兵力自动控制原理课件第一章第一章 控制系统的一般概念控制系统的一般概念22022-4-5自动控制原理课件第一章第一章 控制系统的一般概念控制系统的一般概念32022-4-51.1 引言引言1.2 开环控制和闭环控制开环控制和闭环控制1.3 控制系统举例控制系统举例1.4 控制系统的组成控制系统的组成 与对控制系统的的基本要求与对控制系统的的基本要求自动控制原理课件第一章第一章 控制系统的一般概念控制系统的一般概念42022-4-5自动控

2、制成为一门科学是从自动控制成为一门科学是从1945年发展起来的。年发展起来的。 开始多用于工业：压力、温度、流量、位移、湿度、粘度自开始多用于工业：压力、温度、流量、位移、湿度、粘度自动控制动控制 后来进入军事领域：飞机自动驾驶、火炮自动跟踪、导弹、后来进入军事领域：飞机自动驾驶、火炮自动跟踪、导弹、卫星、宇宙飞船自动控制卫星、宇宙飞船自动控制 目前渗透到更多领域：大系统、交通管理、图书管理等目前渗透到更多领域：大系统、交通管理、图书管理等 生物学系统：生物控制论、波斯顿假肢、人造器官生物学系统：生物控制论、波斯顿假肢、人造器官 经济系统：模拟经济管理过程、经济控制论经济系统：模拟经济管理过程

3、、经济控制论自动控制原理课件第一章第一章 控制系统的一般概念控制系统的一般概念52022-4-5十八世纪以后，蒸汽机的使用提出了调速稳定等问题十八世纪以后，蒸汽机的使用提出了调速稳定等问题 17651765年，俄国人波尔祖诺夫发明了锅炉水位调节器。年，俄国人波尔祖诺夫发明了锅炉水位调节器。 17841784年，英国人瓦特发明了蒸汽机离心式调速器，是自动控制年，英国人瓦特发明了蒸汽机离心式调速器，是自动控制领域的第一项重大成果。领域的第一项重大成果。 自动控制原理课件第一章第一章 控制系统的一般概念控制系统的一般概念62022-4-5十九世纪前半叶，发电机和电动机的使用十九世纪前半叶，发电机和电

4、动机的使用，促进了促进了水利、水电站的遥控和程控以及电压、电流的自动调水利、水电站的遥控和程控以及电压、电流的自动调节技术的发展节技术的发展18681868年，年， 英）英） J. C. J. C. 麦克斯韦（麦克斯韦（“轮调速器轮调速器”论文）提出了论文）提出了用微分方程描述运动系统的方法。用微分方程描述运动系统的方法。18561856年，（英）年，（英）E E。J J。RouthRouth提出了劳斯稳定判据提出了劳斯稳定判据18921892年，（俄）李雅普诺夫发表了年，（俄）李雅普诺夫发表了论运动稳定性的一般问题论运动稳定性的一般问题论文论文18951895年，（德）霍尔维茨提出判别稳定性

5、准则年，（德）霍尔维茨提出判别稳定性准则自动控制原理课件第一章第一章 控制系统的一般概念控制系统的一般概念72022-4-5自动控制原理课件第一章第一章 控制系统的一般概念控制系统的一般概念82022-4-519221922年，年，MinorskyMinorsky（迈纳斯基）研制出船舶操纵自动控制器（迈纳斯基）研制出船舶操纵自动控制器，并证明了从系统的微分方程确定系统的稳定性的方法，并证明了从系统的微分方程确定系统的稳定性的方法19321932年，年，NyquistNyquist提出了一种根据系统的开环频率响应提出了一种根据系统的开环频率响应( (对稳对稳态正弦输入态正弦输入) )，确定闭环系

6、统稳定性的方法，确定闭环系统稳定性的方法19341934年，年，HezenHezen提出了用于位置控制系统的伺服机构的概念，提出了用于位置控制系统的伺服机构的概念，讨论了可以精确跟踪变化的输入信号的机电伺服机构。讨论了可以精确跟踪变化的输入信号的机电伺服机构。自动控制原理课件第一章第一章 控制系统的一般概念控制系统的一般概念92022-4-5至此，已形成完整的自动控制理论体系，这就是以传至此，已形成完整的自动控制理论体系，这就是以传递函数为基础的反馈控制理论，也即经典控制理论，递函数为基础的反馈控制理论，也即经典控制理论，它主要研究单输入单输出、线性定常系统的分析和设它主要研究单输入单输出、线

7、性定常系统的分析和设计问题。计问题。 19451945年，（美）年，（美）BodeBode发表了发表了 “网络分析与放大器的设计网络分析与放大器的设计”，奠定了控制理论的基础。奠定了控制理论的基础。19481948年，年， 美）美）EvansEvans提出并完善了根轨迹法。提出并完善了根轨迹法。19481948年，（美）年，（美）N.WienerN.Wiener发表了发表了控制论控制论（关于在动物（关于在动物和机器中控制和通讯的科学），标志着自动控制科学的生和机器中控制和通讯的科学），标志着自动控制科学的生产。产。自动控制原理课件第一章第一章 控制系统的一般概念控制系统的一般概念102022-

8、4-5随着现代应用数学新成果的推出和计算机技术的应随着现代应用数学新成果的推出和计算机技术的应用，为适应空间宇航技术和导弹等技术的发展，用，为适应空间宇航技术和导弹等技术的发展，自动控制理论跨入了一个新阶段自动控制理论跨入了一个新阶段现代控制理现代控制理论。论。 自动控制原理课件第一章第一章 控制系统的一般概念控制系统的一般概念112022-4-519571957年，美国数学家年，美国数学家R. BellmanR. Bellman提出提出动态规划动态规划，两者为解决最优控制问题提供了理论工具。，两者为解决最优控制问题提供了理论工具。19561956年，前苏联数学家庞特里亚金，年，前苏联数学家庞

9、特里亚金，“最优过程数最优过程数学理论学理论”，也即最大值原理。，也即最大值原理。19601960年，年， R. E. KallmanR. E. Kallman提出能控性和能观性两个提出能控性和能观性两个概念，揭示了系统的内在属性，并提出了状态空间概念，揭示了系统的内在属性，并提出了状态空间分析法。分析法。自动控制原理课件第一章第一章 控制系统的一般概念控制系统的一般概念122022-4-5以上这些新概念和新方法标志着现代控制理论的诞以上这些新概念和新方法标志着现代控制理论的诞生。生。现代控制理论主要研究具有高性能、高精度的现代控制理论主要研究具有高性能、高精度的多变量变参数系统的最优控制问题

10、，主要采用的方多变量变参数系统的最优控制问题，主要采用的方法是以状态为基础的状态空间法。法是以状态为基础的状态空间法。自动控制原理课件第一章第一章 控制系统的一般概念控制系统的一般概念132022-4-5现代控制理论的迅速发展，形成了多个重要分支：现代控制理论的迅速发展，形成了多个重要分支：(1) (1) 系统辩识、建模与仿真系统辩识、建模与仿真(2) (2) 自适应控制和自校正控制器自适应控制和自校正控制器 (3) (3) 遥测、遥控和遥感遥测、遥控和遥感 (4) (4) 综合自动化综合自动化 (5) (5) 大系统理论的诞生大系统理论的诞生 (6) (6) 模式识别和人工智能模式识别和人工

11、智能 (7) (7) 智能控制智能控制自动控制原理课件第一章第一章 控制系统的一般概念控制系统的一般概念142022-4-5自动控制原理课件第一章第一章 控制系统的一般概念控制系统的一般概念152022-4-5研究对象研究对象 数学工具数学工具 分析方法分析方法局限性局限性经典经典控制控制理论理论单单I/OI/O线性定常线性定常系统系统微分方程，微分方程，传递函数传递函数时域法时域法频域法频域法根轨迹法根轨迹法对复杂多变量对复杂多变量系统、时变和系统、时变和非线性系统无非线性系统无能为力能为力现代现代控制控制理论理论多输入多输入- -多多输出变系输出变系数，非线数，非线性等系统性等系统线性代数

12、、线性代数、矩阵理论矩阵理论状态状态空间法空间法比较繁琐比较繁琐（但由于计（但由于计算机技术的算机技术的 迅速发展，迅速发展，已克服已克服) )自动控制原理课件第一章第一章 控制系统的一般概念控制系统的一般概念162022-4-5自动控制原理课件第一章第一章 控制系统的一般概念控制系统的一般概念172022-4-5自动控制原理课件第一章第一章 控制系统的一般概念控制系统的一般概念182022-4-5自动控制原理课件第一章第一章 控制系统的一般概念控制系统的一般概念192022-4-5自动控制原理课件第一章第一章 控制系统的一般概念控制系统的一般概念202022-4-5 经典控制理论经典控制理论

13、 以以传递函数传递函数为基础研为基础研究单输入究单输入- -单输出一类单输出一类线性定常控制系统的线性定常控制系统的分析与设计问题。这分析与设计问题。这些理论由于其发展较些理论由于其发展较早，现已成熟。早，现已成熟。 现代控制理论现代控制理论 以以状态空间法状态空间法为基为基础，研究多输入础，研究多输入- -多多输出、时变、非线性输出、时变、非线性一类控制系统的分析一类控制系统的分析与设计问题。系统具与设计问题。系统具有高精度和高效能的有高精度和高效能的特点。特点。自动控制原理课件第一章第一章 控制系统的一般概念控制系统的一般概念212022-4-5 1.1.开环控制系统开环控制系统 2.2.

14、闭环控制系统闭环控制系统 3.3.反馈控制系统反馈控制系统 4.4.自动控制系统基本控制方式自动控制系统基本控制方式自动控制原理课件第一章第一章 控制系统的一般概念控制系统的一般概念222022-4-5直流电动机转速开环控制系统直流电动机转速开环控制系统 自动控制原理课件第一章第一章 控制系统的一般概念控制系统的一般概念232022-4-5 本例中的被控对象即为电动机本例中的被控对象即为电动机M，GT和和V分别为触发器和分别为触发器和晶闸管整流装置。而预定的规律即为晶闸管整流装置。而预定的规律即为“电动机的转速电动机的转速n维持维持预期值不变预期值不变”。转速。转速n的预期值与电位器的预期值与

15、电位器RP1上的给定值有上的给定值有着对应关系。把电位器上的电压信号称为输入量或给定量，着对应关系。把电位器上的电压信号称为输入量或给定量，电动机的转速电动机的转速n称为输出量或被控量。输入量对应期望的输称为输出量或被控量。输入量对应期望的输出量出量(比如比如10V对应对应1000 r/min)，自动控制的过程就是力图，自动控制的过程就是力图使实际的输出量与期望的输出量相等。使实际的输出量与期望的输出量相等。自动控制原理课件第一章第一章 控制系统的一般概念控制系统的一般概念242022-4-5 若系统的输出信号对系统的控制作用没有影响若系统的输出信号对系统的控制作用没有影响，则称为开环控制系统

16、。，则称为开环控制系统。 在开环系统中，信息和控制作用的传送是单在开环系统中，信息和控制作用的传送是单方向的，所以称为开环。方向的，所以称为开环。自动控制原理课件第一章第一章 控制系统的一般概念控制系统的一般概念252022-4-5) 1(STSKMD自动控制原理课件第一章第一章 控制系统的一般概念控制系统的一般概念262022-4-5 凡是系统输出信号对控制作用有直接影响的系统，都称凡是系统输出信号对控制作用有直接影响的系统，都称为闭环系统。为闭环系统。在闭环系统中，信息的传送途径是一个自身闭在闭环系统中，信息的传送途径是一个自身闭合的环，所以称为闭环。合的环，所以称为闭环。输入信号和反馈信

17、号（反馈信号可输入信号和反馈信号（反馈信号可以是输出信号本身，也可以是输出信号的函数或导数）之差，以是输出信号本身，也可以是输出信号的函数或导数）之差，称为误差信号，误差信号加到控制器上，以减小系统的误差，称为误差信号，误差信号加到控制器上，以减小系统的误差，并使系统的输出量趋于所希望的值，换句话说，并使系统的输出量趋于所希望的值，换句话说，“闭环闭环”这这个术语的涵义，就是应用反馈作用来减小系统的误差。个术语的涵义，就是应用反馈作用来减小系统的误差。闭环控制系统的定义闭环控制系统的定义自动控制原理课件第一章第一章 控制系统的一般概念控制系统的一般概念272022-4-51 1） 反馈反馈自动

18、控制原理课件第一章第一章 控制系统的一般概念控制系统的一般概念282022-4-5自动控制原理课件第一章第一章 控制系统的一般概念控制系统的一般概念292022-4-5调节器调节器执行机构执行机构被控对象被控对象测量变送器测量变送器设定值设定值r reu被调参数被调参数 y反馈控制系统方块图反馈控制系统方块图ym自动控制原理课件第一章第一章 控制系统的一般概念控制系统的一般概念302022-4-5 （1 1）开环控制系统）开环控制系统 （2 2）反馈（闭环）控制系统）反馈（闭环）控制系统 （3 3）闭环与开环控制系统的比较）闭环与开环控制系统的比较 （4 4）复合控制方式）复合控制方式自动控制

19、原理课件第一章第一章 控制系统的一般概念控制系统的一般概念312022-4-5自动控制原理课件第一章第一章 控制系统的一般概念控制系统的一般概念322022-4-5 定义定义C(S)Kf/KDG1(S)KGc(S)G2(S)G(S)Gf(S)F(S)=-ML(S)R(S)11 STBH H注注 入入控控 制制 器器（ 比比 较较 、 放放 大大 ）Q Q1 1浮浮 子子流流 出出Q Q2 2（ I I） 原原 理理 图图气气 动动 阀阀 门门自动控制原理课件第一章第一章 控制系统的一般概念控制系统的一般概念332022-4-5(1)(1)科学科学 科学（科学（ScienceScience）是指

20、对各种事实和现象进行观察、）是指对各种事实和现象进行观察、分类、归纳、演绎、分析、推理、计算和实验，从而发现规律，分类、归纳、演绎、分析、推理、计算和实验，从而发现规律，并对各种定量规律予以验证和公式化的知识体系。科学的任务并对各种定量规律予以验证和公式化的知识体系。科学的任务是揭示事物发展的客观规律，探求真理，作为人们改造世界的是揭示事物发展的客观规律，探求真理，作为人们改造世界的指南。指南。 (2)(2)技术技术 技术（技术（TechnologyTechnology）是指人类根据生产实践经验和）是指人类根据生产实践经验和自然科学原理改变或控制其环境的手段和活动，是人类活动的自然科学原理改变

21、或控制其环境的手段和活动，是人类活动的一个专门领域。技术的任务是利用和改造自然，以其生产的产一个专门领域。技术的任务是利用和改造自然，以其生产的产品为人类服务。品为人类服务。 (3)(3)工程工程 工程（工程（EngineeringEngineering）是指应用科学知识使自然）是指应用科学知识使自然资源最好地为人类服务的专门技术。资源最好地为人类服务的专门技术。 自动控制原理课件第一章第一章 控制系统的一般概念控制系统的一般概念342022-4-5(4)(4) 系统系统 系统（系统（SystemSystem）是指由相互关联、相互制约、相互）是指由相互关联、相互制约、相互影响的一些部分组成的具

22、有某种功能的有机整体。影响的一些部分组成的具有某种功能的有机整体。 (5)5)信息信息 信息（信息（InformationInformation）是指符号、信号或消息所包含）是指符号、信号或消息所包含的内容，用来消除对客观事物认识的不确定性。的内容，用来消除对客观事物认识的不确定性。 (6)(6)控制控制 控制（控制（ControlControl）是指为了改善系统的性能或达到）是指为了改善系统的性能或达到特定的目的，通过信息的采集和加工而施加到系统的作用。特定的目的，通过信息的采集和加工而施加到系统的作用。 (7)(7)反馈反馈 反馈（反馈（FeedbackFeedback）是指将系统的实际输

23、出和期望）是指将系统的实际输出和期望输出进行比较，形成误差，从而为确定下一步的控制行为提输出进行比较，形成误差，从而为确定下一步的控制行为提供依据。供依据。 自动控制原理课件第一章第一章 控制系统的一般概念控制系统的一般概念352022-4-5(9)(9) 管理管理 管理（管理（ManagementManagement）是指为了充分利用各种资）是指为了充分利用各种资源来达到一定的目标而对社会或其组成部分施加的一种控制。源来达到一定的目标而对社会或其组成部分施加的一种控制。 (10) (10) 决策决策 决策（决策（Decision MakingDecision Making）是指为最优地达）是

24、指为最优地达到目标，对若干准备行动的方案进行选择。到目标，对若干准备行动的方案进行选择。 (8)(8) 调节调节 调节（调节（RegulationRegulation）是指通过系统的反馈信息）是指通过系统的反馈信息自动校正系统的误差，使诸如温度、速度、压力或位置等参自动校正系统的误差，使诸如温度、速度、压力或位置等参量保持恒定或在给定范围之内的过程。量保持恒定或在给定范围之内的过程。 自动控制原理课件第一章第一章 控制系统的一般概念控制系统的一般概念362022-4-5 自动化（自动化（AutomationAutomation），），指机器或装置在无人干指机器或装置在无人干预的情况下按规定的程

25、序或指令自动地进行操作或预的情况下按规定的程序或指令自动地进行操作或运行。运行。自动控制自动控制是关于受控系统的分析、设计和运是关于受控系统的分析、设计和运行的理论和技术。行的理论和技术。自动控制原理课件第一章第一章 控制系统的一般概念控制系统的一般概念372022-4-5开环控制开环控制闭环控制闭环控制(反馈控制反馈控制)复合控制复合控制37自动控制原理课件第一章第一章 控制系统的一般概念控制系统的一般概念382022-4-5机械系统机械系统恒张力系统恒张力系统电气系统电气系统机电系统机电系统全自动照相机，光机电结合全自动照相机，光机电结合液压系统液压系统伺服液压缸，汽车发动机，伺服液压缸，

26、汽车发动机，大型的仿真模拟台大型的仿真模拟台气动系统气动系统 生物系统生物系统自动控制原理课件第一章第一章 控制系统的一般概念控制系统的一般概念392022-4-5 按系统功用分按系统功用分自动控制原理课件第一章第一章 控制系统的一般概念控制系统的一般概念402022-4-5自动控制原理课件第一章第一章 控制系统的一般概念控制系统的一般概念412022-4-5自动控制原理课件第一章第一章 控制系统的一般概念控制系统的一般概念422022-4-5 图（图（）是一个液位控制系统原理图。在这里，）是一个液位控制系统原理图。在这里，自动控制器通过比较实际液位与希望液位，并通自动控制器通过比较实际液位与

27、希望液位，并通过调整气动阀门的开度，对误差进行修正，从而过调整气动阀门的开度，对误差进行修正，从而保持液位不变。保持液位不变。 图（图（）是该控制系统的方框图。）是该控制系统的方框图。自动控制原理课件第一章第一章 控制系统的一般概念控制系统的一般概念432022-4-5 希望液位实实 际际 液液 位位放放 大大 元元 件件气气 动动 阀阀 门门水水 箱箱浮浮 子子控制器 注入（II） 控制系统方块图自动控制原理课件第一章第一章 控制系统的一般概念控制系统的一般概念442022-4-5自动控制原理课件第一章第一章 控制系统的一般概念控制系统的一般概念452022-4-5气动阀门：执行机构气动阀门：执行机构被控对象：水箱被控对象：水箱自动控制原理课件第一章第一章 控制系统的一般概念控制系统的一般概念462022-4-5对自动控制系统性能的基本要求对自动控制系统性能的基本要求 对控制系统的基本要求可以概括为两点：首先，对控制系统的基本要求可以概括为两点：首先，系统必须是稳定的；其次，系统应该具有良好的动态系统必须是稳定的；其次，系统应该具有良好的动态品质和稳态精度。稳定是控制系统能够正常工作的基品质和稳态精度。稳定是控制系统能够正常工作的基本前提，而动态品质和稳态精度则是控制系统动、精本前提，而