哈工大自控第一章

1、HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY自动控制理论自动控制理论自动控制理论自动控制理论E-mail: WGLHARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY自动控制理论自动控制理论第一章自动控制理论概述第一章自动控制理论概述11引言动控制(automatic control)技术在工农业、国防、航空航天等各个领域中起着重要的作用！并扩展到生物、医学、环境、经济管理和其它许多社会生活领域。 独立的学科并与其它学科相互渗透、相互促进。自动控制理论是自动控制技术的基础理论，是一门理论性较强的工程科学。现代工程技术人员和科学工作者必须具备一定现代工程技术人员和科学工作

2、者必须具备一定的自动控制理论基础知识！的自动控制理论基础知识！ 自动控制：在没有人直接参与的情况下，通过控制器（控制装置）使被控制对象或过程自动地在一定的精度范围内按照预定的规律运行。HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY自动控制理论自动控制理论1-2 自动控制理论和自动控制系统的基本概念第一章自动控制理论概述第一章自动控制理论概述如何在装置中设定转速自动给定？举例：采用离心调速器的蒸汽机转速控制系统HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY自动控制理论自动控制理论第一章自动控制理论概述第一章自动控制理论概述一、人工控制与自动控制手动控制电加热炉手动控制

3、电加热炉HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY自动控制理论自动控制理论第一章自动控制理论概述第一章自动控制理论概述自动控制电加热炉自动控制电加热炉为什么温度计换成热电偶为什么温度计换成热电偶? 给定值怎么实现给定值怎么实现 ? 比比较怎么实现较怎么实现? 为什么用放大器为什么用放大器?HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY自动控制理论自动控制理论手动与自动控制电加热炉分析手动与自动控制电加热炉分析p 任务：控制炉温在给定值。任务：控制炉温在给定值。p 测量：温度计测量：温度计热电偶温度计。热电偶温度计。p 比较：通过观察温度计读数，在人脑中比较比较：

4、通过观察温度计读数，在人脑中比较 电路自动进行电路自动进行电压值比较。电压值比较。p 控制：根据比较结果控制：根据比较结果(温度偏高或偏低温度偏高或偏低)手动调节加热电阻丝手动调节加热电阻丝两端的电压两端的电压 电压差值正负决定电机转向，最终控制加热电压差值正负决定电机转向，最终控制加热电阻丝两端的电压。电阻丝两端的电压。自动控制的优点：各类信号的自动传递！自动控制的优点：各类信号的自动传递！不用人工干预，提高效率，精度提高。不用人工干预，提高效率，精度提高。HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY自动控制理论自动控制理论第一章自动控制理论概述第一章自动控制理论概述二、开环

5、(open loop)控制系统例例1：烤面包机：烤面包机输入输入定时器设定的时间定时器设定的时间输出输出面包的颜色面包的颜色控制对象控制对象烤箱的加热系统烤箱的加热系统u控制器与被控对象之间只有正向的控制作用控制器与被控对象之间只有正向的控制作用。u输出量对控制量没有影响。输出量对控制量没有影响。u输入输出间没有反馈回路。输入输出间没有反馈回路。HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY自动控制理论自动控制理论第一章自动控制理论概述第一章自动控制理论概述影响转速控制精度有哪些因素？例例2：直流电机开环控制系统：直流电机开环控制系统HARBIN INSTITUTE OF TEC

6、HNOLOGY自动控制理论自动控制理论第一章自动控制理论概述第一章自动控制理论概述开环控制系统的特点开环控制系统的特点： 结构简单，造价低。结构简单，造价低。 系统的控制精度取决于给定信号的标定精度、控制器系统的控制精度取决于给定信号的标定精度、控制器及被控对象参数的稳定程度。及被控对象参数的稳定程度。 开环系统没有抗干扰的能力，因此精度较低。开环系统没有抗干扰的能力，因此精度较低。 应用场合：应用场合： 控制量的变化规律可以预知。控制量的变化规律可以预知。 可能出现的干扰可以抑制。可能出现的干扰可以抑制。 被控量很难测量。被控量很难测量。应用较为广泛，如小家电、加热炉、交通信号灯、风机水泵调

7、应用较为广泛，如小家电、加热炉、交通信号灯、风机水泵调速系统等。速系统等。HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY自动控制理论自动控制理论第一章自动控制理论概述第一章自动控制理论概述三、闭环(closed loop)控制系统将输出量引入到输入端，使输出量对控制作用产生直接的影响，形成闭环控制系统。对扰动有较好的抑制作用，为什么？对扰动有较好的抑制作用，为什么？原因：与开环比较，原因：与开环比较，干扰和控制输入同干扰和控制输入同样作用于被控对象样作用于被控对象上，干扰引起的系上，干扰引起的系统偏差通过闭环同统偏差通过闭环同样出现在给定值与样出现在给定值与实际值的偏差项中，实际

8、值的偏差项中，可以被反馈抑制。可以被反馈抑制。HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY自动控制理论自动控制理论第一章自动控制理论概述第一章自动控制理论概述前向通道前向通道：系统输入量到输出量之间的通道。：系统输入量到输出量之间的通道。反馈通道反馈通道：从输出量到反馈：从输出量到反馈(feedback)信号之间的通道。信号之间的通道。比较环节比较环节：输出量为各输入量的代数和。：输出量为各输入量的代数和。输入量：输入量：ur ；输出量：输出量：n； 反馈量：反馈量：uf ； 控制量：控制量：ua偏差量偏差量(ue)给定量给定量 (ur )反馈量反馈量(uf ) HARBIN

9、INSTITUTE OF TECHNOLOGY自动控制理论自动控制理论第一章自动控制理论概述第一章自动控制理论概述闭环控制系统的特点？闭环控制系统的特点？ 系统对外部或内部干扰(如内部件参数变动)的影响不甚敏感。 由于采用反馈装置，导致设备增多，结构较复杂。 闭环系统存在稳定性问题。由于反馈通道的存在，对于那些惯性较大的系统，若参数配合不当，控制性能可能变得很差，甚至出现发散或等幅振荡等不稳定的情况。注意：主反馈必须采用负反馈，若采用正反馈将使偏差越来越大。闭环控制系统：通过反馈回路使系统构成闭环并按偏差的性质产生控制作用，以求减小或消除偏差(从而减小或消除误差)的控制系统。HARBIN IN

10、STITUTE OF TECHNOLOGY自动控制理论自动控制理论第一章自动控制理论概述第一章自动控制理论概述四、自动控制系统的概念和特征系统：系统：由相互制约的各个部分按一定的规律组成、为达到由相互制约的各个部分按一定的规律组成、为达到一定目的、具有一定功能的整体。一定目的、具有一定功能的整体。反馈：反馈：将检测出来的输出量送回到系统的输入端，并与输将检测出来的输出量送回到系统的输入端，并与输入信号比较的过程。反馈分为入信号比较的过程。反馈分为负反馈负反馈（反馈信号与输入（反馈信号与输入信号相减）和信号相减）和正反馈正反馈（反馈信号与输入信号相加）。（反馈信号与输入信号相加）。 自动控制的基

11、础为闭环控制自动控制的基础为闭环控制。控制论的奠基人。控制论的奠基人N.Wiener 给出的定义为：给出的定义为：“Feedback is a method of controlling a system by inserting into it the result of its past performance” HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY自动控制理论自动控制理论第一章自动控制理论概述第一章自动控制理论概述自动控制系统的特征自动控制系统的特征 ：1. 结构上必须有反馈装置并按负反馈的原则构成系统。结构上必须有反馈装置并按负反馈的原则构成系统。2. 由偏差产

12、生控制作用。由偏差产生控制作用。3. 控制的目的是尽量减小或消除偏差，使输出量接近于控制的目的是尽量减小或消除偏差，使输出量接近于期望值。期望值。自动控制系统定义：自动控制系统定义： 是一个是一个带有反馈装置带有反馈装置的动力学系统。系统能自动而的动力学系统。系统能自动而连续地测量被控制量，并求出偏差，进而根据偏差的大连续地测量被控制量，并求出偏差，进而根据偏差的大小和正负极性进行控制，而控制的目的是力图减小或消小和正负极性进行控制，而控制的目的是力图减小或消除所存在的偏差。除所存在的偏差。HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY自动控制理论自动控制理论第一章自动控制理论概

13、述第一章自动控制理论概述13自动控制系统的组成和分类一、控制系统的组成HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY自动控制理论自动控制理论测量反馈元件测量反馈元件用以测量被控量并将其转换成与输入量同一物理量后，再反馈到输入端以作比较。比较元件比较元件用来比较输人信号与反馈信号。放大元件放大元件将微弱的信号作线性放大。校正元件校正元件按某种函数规律变换控制信号，并产生反映两者差值的偏差信号。以利于改善系统的动态品质或静态性能。执行元件执行元件根据偏差信号的性质执行相应的控制作用，以便使被控量按期望值变化。控制对象控制对象又称被控对象或受控对象，通常是指生产过程中需要进行控制的工作

14、机械或生产过程。出现于被控对象中需要控制的物理量称为被控量被控量。第一章自动控制理论概述第一章自动控制理论概述HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY自动控制理论自动控制理论第一章自动控制理论概述第一章自动控制理论概述常用的名词术语常用的名词术语输入信号输入信号：也叫参考输入，给定量或给定值，它是控制着输出：也叫参考输入，给定量或给定值，它是控制着输出量变化规律的指令信号。量变化规律的指令信号。输出信号输出信号：是指被控对象中要求按一定规律变化的物理量，又：是指被控对象中要求按一定规律变化的物理量，又称被控量，它与输入量之间保持一定的函数关系。称被控量，它与输入量之间保持一

15、定的函数关系。反馈信号反馈信号：由系统：由系统(或元件或元件)输出端取出并反向送回系统输出端取出并反向送回系统(或元件或元件)输入端的信号称为反馈信号。反馈有输入端的信号称为反馈信号。反馈有主反馈主反馈和和局部反馈局部反馈之分。之分。偏差信号偏差信号：它是指参考输入与主反馈信号之差。：它是指参考输入与主反馈信号之差。误差信号误差信号：指系统输出量的实际值与期望值之差，简称误差。：指系统输出量的实际值与期望值之差，简称误差。扰动信号扰动信号：简称扰动或干扰、它与控制作用相反，是一种不希：简称扰动或干扰、它与控制作用相反，是一种不希望的、影响系统输出的不利因素。扰动信号既可来自系统内部，望的、影响

16、系统输出的不利因素。扰动信号既可来自系统内部，又可来自系统外部，前者称又可来自系统外部，前者称内部扰动内部扰动，后者称，后者称外部扰动外部扰动。 HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY自动控制理论自动控制理论第一章自动控制理论概述第一章自动控制理论概述二、自动控制系统的分类1. 按输入信号的特征分 恒值控制系统恒值控制系统（又称自动调节系统又称自动调节系统） 输入信号为常数输入信号为常数。主要强调主要强调抗扰性抗扰性。 随动系统随动系统（又称伺服系统又称伺服系统） 输入信号是预先不知道的随时间任意输入信号是预先不知道的随时间任意变化函数，控制系统能使输出信号跟变化函数，控

17、制系统能使输出信号跟随给定值的变化随给定值的变化 。主要强调。主要强调跟随性跟随性。程序控制系统程序控制系统 输入信号是已知的、预先设定好的输入信号是已知的、预先设定好的时间的函数。时间的函数。 HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY自动控制理论自动控制理论第一章自动控制理论概述第一章自动控制理论概述HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY自动控制理论自动控制理论第一章自动控制理论概述第一章自动控制理论概述2. 2. 按描述元件的动态方程分按描述元件的动态方程分 线性系统线性系统 组成系统的全部元件都是线性元件，它们的输入组成系统的全部元件都是线性元件

18、，它们的输入- -输出的静态特性均为线性，这类系统的运动可由常输出的静态特性均为线性，这类系统的运动可由常系数的系数的微分方程（或差分方程）微分方程（或差分方程）来描述。来描述。 非线性系统非线性系统 系统中含有一个或多个非线性元件，非线性元件系统中含有一个或多个非线性元件，非线性元件的静态输入的静态输入- -输出特性均为非线性的。凡含有非线性输出特性均为非线性的。凡含有非线性元件的系统均称为非线性系统。系统的运动需要用元件的系统均称为非线性系统。系统的运动需要用非线性的微分方程或差分方程来描述。非线性的微分方程或差分方程来描述。HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY自动

19、控制理论自动控制理论第一章自动控制理论概述第一章自动控制理论概述3. 按信号传递是否连续分类按信号传递是否连续分类 连续系统连续系统 系统中各环节间的信号均为时间系统中各环节间的信号均为时间t t的连续函数。运动规律的连续函数。运动规律用微分方程来描述。用微分方程来描述。 离散系统离散系统 信号的传递过程中，只要有一处是脉冲序列或数字编码，信号的传递过程中，只要有一处是脉冲序列或数字编码，这类系统要用差分方程来进行描述。这类系统要用差分方程来进行描述。4. 按系统的参数是否随时间的变化而分类按系统的参数是否随时间的变化而分类 定常系统定常系统 时变系统时变系统5. 单输入单输入- -单输出单输

20、出系统和系统和多输入多输出多输入多输出系统系统6. 确定确定和和不确定不确定系统系统7. 7. 集中参数集中参数系统和系统和分布参数分布参数系统系统HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY自动控制理论自动控制理论第一章自动控制理论概述第一章自动控制理论概述1-4 自动控制理论概要一、自动控制理论主要研究的问题 系统分析系统分析在已知系统的结构参数的条件下，研究系统在某种典型在已知系统的结构参数的条件下，研究系统在某种典型输入信号下输出信号变化的全过程，并从这个变化过程中输入信号下输出信号变化的全过程，并从这个变化过程中得到评价系统性能的指标；以及讨论系统的性能和系统结得到评

21、价系统性能的指标；以及讨论系统的性能和系统结构、参数的关系。构、参数的关系。 系统设计系统设计在给定被控对象及所要求的性能指标的情况下，设计一在给定被控对象及所要求的性能指标的情况下，设计一个即能完成控制任务又可以满足所提出性能指标的控制系个即能完成控制任务又可以满足所提出性能指标的控制系统。要改变系统的某些参数或者是加入校正装置，使其满统。要改变系统的某些参数或者是加入校正装置，使其满足预定的性能指标要求。足预定的性能指标要求。HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY自动控制理论自动控制理论第一章自动控制理论概述第一章自动控制理论概述二、对控制系统的基本要求稳定性、快速性

22、、准确性，即稳、快、准。稳定性、快速性、准确性，即稳、快、准。 p 稳定性稳定性稳定性能稳定性能。稳定性是指系统重新恢复平衡状。稳定性是指系统重新恢复平衡状态的能力，任何一个正常工作的系统首先必须是稳定的。态的能力，任何一个正常工作的系统首先必须是稳定的。p 快速性快速性暂态性能暂态性能。当系自输入信号改变时，系统必。当系自输入信号改变时，系统必然由原先的平衡状态经过一段时间才过渡到另一个新的然由原先的平衡状态经过一段时间才过渡到另一个新的平衡状态，这个过程称为过渡过程。过渡过程越短，表平衡状态，这个过程称为过渡过程。过渡过程越短，表明系统的快速性越好。明系统的快速性越好。p 准确性准确性稳态

23、性能稳态性能。对一个稳定的系统而言，当过渡。对一个稳定的系统而言，当过渡过程结束后，系统输出量的实际值与期望值之差称为稳过程结束后，系统输出量的实际值与期望值之差称为稳态误差，它是衡量系统稳态精度的重要指标。态误差，它是衡量系统稳态精度的重要指标。HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY自动控制理论自动控制理论 一个处于静止或平衡工作状态的系统，当受到任何输入一个处于静止或平衡工作状态的系统，当受到任何输入（给定信号或干扰）作用后，就可能偏离原有的平衡状态。（给定信号或干扰）作用后，就可能偏离原有的平衡状态。稳定是任何一个自动控稳定是任何一个自动控制系统能否实际应用的制系统

24、能否实际应用的必要条件。必要条件。 a 给出判断系统稳定性给出判断系统稳定性的基本方法的基本方法b 系统的稳定性与系统系统的稳定性与系统结构及参数间的关系结构及参数间的关系c 讨论改善系统稳态性讨论改善系统稳态性能的途径能的途径当作用消失后，系统中的当作用消失后，系统中的状态和输出都能恢复到原状态和输出都能恢复到原来的平衡状态的系统称为来的平衡状态的系统称为稳定的系统。稳定的系统。若作用消失后，系统中若作用消失后，系统中的的状态和输出状态和输出发生发生增幅增幅振荡或单调增长振荡或单调增长现象的现象的系统称为系统称为不稳定系统。不稳定系统。1. 稳定性能稳定性能 HARBIN INSTITUTE

25、 OF TECHNOLOGY自动控制理论自动控制理论第一章自动控制理论概述第一章自动控制理论概述 系统的输入一定时，一般将由初始稳态向终止稳态过渡。系统的输入一定时，一般将由初始稳态向终止稳态过渡。初始稳态与终止稳态之间的过渡过程称为系统的初始稳态与终止稳态之间的过渡过程称为系统的暂态响应过暂态响应过程程。 在控制系统稳定的前提下，在控制系统稳定的前提下，总是希望总是希望暂态过程时间暂态过程时间越短越越短越好，而且好，而且振荡幅度（超调量）振荡幅度（超调量）越小越好。越小越好。a 给出计算系统暂态性能指标的给出计算系统暂态性能指标的方法方法b 分析系统结构、参数与暂态特分析系统结构、参数与暂态

26、特性的关系性的关系c 讨论改善系统暂态性能的途径讨论改善系统暂态性能的途径2. 暂态性能暂态性能 HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY自动控制理论自动控制理论在参考输入信号作用下，当系统暂态过程结束，输出量达到稳态后，在参考输入信号作用下，当系统暂态过程结束，输出量达到稳态后，其稳态输出与参考输入所要求的期望输出之差叫做其稳态输出与参考输入所要求的期望输出之差叫做给定稳态误差给定稳态误差。显然，。显然，稳态误差越小，表示系统的输出跟随参考输入的精度越高。稳态误差越小，表示系统的输出跟随参考输入的精度越高。注意：注意：对于同一个系统体现对于同一个系统体现稳定性稳定性、暂态

27、性能暂态性能和和稳态性能稳态性能的的“稳、快、准稳、快、准”这三个要求是相互制约的。这三个要求是相互制约的。a a 给出计算系统给出计算系统稳态误差稳态误差的方法的方法b b 分析系统结构、参数与稳态特性分析系统结构、参数与稳态特性 的关系的关系c c 讨论改善系统稳态误差的途径讨论改善系统稳态误差的途径3. 稳态性能稳态性能 HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY自动控制理论自动控制理论控制系统设计过程HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY自动控制理论自动控制理论第一章自动控制理论概述第一章自动控制理论概述三、古典控制理论和现代控制理论 1877年

28、，劳斯年，劳斯(E. Routh)和和1895年赫尔维茨年赫尔维茨(A. Hurwith)分分别独立地提出了关于判断控制系统稳定性的代数判据。别独立地提出了关于判断控制系统稳定性的代数判据。 1932年奈奎斯特年奈奎斯特(H. Nyquist)在研究负反馈放大器时创立了在研究负反馈放大器时创立了有名的稳定性判据，并提出了稳定裕量的概念。有名的稳定性判据，并提出了稳定裕量的概念。 1945年伯德年伯德(H. W. Bode)提出了分析控制系统的另一种图提出了分析控制系统的另一种图解方法即频率法。解方法即频率法。 1948年伊万斯年伊万斯(W. K. Evans)又创立了根轨迹法。又创立了根轨迹法

29、。 美国美国MIT的的N. Wiener研究随机过程的预测研究随机过程的预测(1942)，提出，提出Wiener滤波理论滤波理论(1942)，发表，发表控制论控制论(Cybernetics)一一书书(1948)，标志着控制论学科的诞生。，标志着控制论学科的诞生。HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY自动控制理论自动控制理论第一章自动控制理论概述第一章自动控制理论概述 50年代中期，经典控制理论又添加了非线性系统理论和离年代中期，经典控制理论又添加了非线性系统理论和离散控制理论，从而形成了完整的理论体系。散控制理论，从而形成了完整的理论体系。 60年代初又形成了现代控制理论。年代初又形成了现代控制理论。 1956年庞特里亚金提出了极大值原理。年庞特里亚金提出了极大值原理。 1957年贝尔曼年贝尔曼(K. Bellman)提出了动态规划。提出了动态规划。 1961年卡尔曼年卡尔曼(