自动控制原理B1

1、自动控制原理B Automation Control Theory B信息工程学院自动化系信息工程学院自动化系温温 素素 芳芳自动控制理论自动控制理论（第（第3 3版）版）. .夏德钤夏德钤. .机械工业出版社机械工业出版社.2007.2007 1 1 自动控制原理自动控制原理（第（第2 2版）版）. .吴麒吴麒. .清华大学出版社清华大学出版社.1992.1992 2 2 自动控制原理自动控制原理（第（第4 4版）版）. .胡寿松胡寿松. .科学出版社科学出版社.2001.2001 3 Richard C. Dorf. Modern Control Systems( 3 Richard C.

2、 Dorf. Modern Control Systems(第九版第九版). ). 北京：科学出版社北京：科学出版社. 2002. 2002参考教材参考教材教材教材教学安排教学安排7070 考试成绩考试成绩出勤作业课堂表现（2 2）成绩评定）成绩评定1515 平时成绩平时成绩15% 15% 实验成绩实验成绩课程的性质与特点课程的性质与特点v自动控制是一门技术学科，它从方法论的角度来研 究系统的建立、分析与设计。v 该课程与其它课程的关系。自动控制理论自动控制理论大学物理大学物理信号与系统信号与系统复变函数复变函数拉氏变换拉氏变换电路理论电路理论电机与拖动电机与拖动模拟电子技术模拟电子技术微积分

3、微积分各类各类专业课专业课建筑设备建筑设备自动化自动化第一章第一章 绪论绪论主要内容主要内容对自动控制系统的基本要求基本要求自动控制的基本概念基本概念自动控制系统的分类分类本课程的主要内容、学习的目的与方法目的与方法自动控制系统的发展简史发展简史自动控制的自动控制的基本概念基本概念自动控制技术自动控制技术控制：控制：能够使设备和生产过程的能够使设备和生产过程的物理量物理量保持保持恒定或者恒定或者按照一定规律变化按照一定规律变化的的动作动作。控制控制人工控制人工控制自动控制自动控制自动控制技术自动控制技术测量比较决策（控制器）淋浴系统淋浴系统神经感受神经感受人脑人脑肌肉肌肉实际水温实际水温期望水

4、温期望水温手手阀门阀门执行器被控对象自动控制的自动控制的基本概念基本概念炉温控制系统原理图炉温控制系统原理图自动控制技术自动控制技术自动控制的自动控制的基本概念基本概念自动控制技术自动控制技术炉温控制系统方框图炉温控制系统方框图自动控制的自动控制的基本概念基本概念自动控制技术自动控制技术 自动控制是指在没有人直接参与的情况下, 利用外加的设备或装置(称控制装置或控制器), 使机器、 设备或生产过程(统称被控对象)的某个工作状态或参数(即被控量)自动地按照预定的规律运行。水位控制 控制器 执行器水箱系统 传感器 h 水位测量水位测量与变送与变送执行器执行器控制器控制器给定给定自动控制系统的组成：

5、自动控制系统的组成： 传感器、控制器、执行器、传感器、控制器、执行器、被控对象、比较环节被控对象、比较环节自动控制的自动控制的基本概念基本概念自动控制技术自动控制技术 随着电子计算机技术和其它技术的发展和应用，自动控制技术更具有特别重要的作用，且应用范围已扩展到生物、医学、环境、经济管理和其它许多社会生活领域，已成为现代社会活动中不可缺少的重要组成部分。工业企业实例工业企业实例军事航天领域军事航天领域农业生产领域农业生产领域商业领域商业领域日常生活领域日常生活领域自动控制的自动控制的基本概念基本概念第一章第一章 绪论绪论主要内容主要内容对自动控制系统的基本要求基本要求自动控制的基本概念基本概念

6、自动控制系统的分类分类本课程的主要内容、学习的目的与方法目的与方法自动控制系统的发展简史发展简史自动控制系统的分类自动控制系统的分类自动控制的自动控制的分类分类 自动控制系统有多种分类方法，站在不同的角度分类不同。开环控制系统、闭环开环控制系统、闭环控制系统和复合控制系统控制系统和复合控制系统1 1）开环控制系统）开环控制系统缺点：缺点：系统没有抗干扰能力，控制精度低。系统没有抗干扰能力，控制精度低。开环控制方式信号由输入开环控制方式信号由输入至被控量至被控量单向传递单向传递。控制器控制量控制对象输入量输出量优点：优点：结构简单，成本较低，易于实现。结构简单，成本较低，易于实现。适用场合：适用

7、场合：不存在干扰，元件稳定，控制精度不存在干扰，元件稳定，控制精度要求不高。要求不高。自动控制系统的分类自动控制系统的分类自动控制的自动控制的分类分类2 2）闭环控制系统）闭环控制系统闭环控制系统闭环控制系统:系统的被控量直接或间接地参与控制系统的被控量直接或间接地参与控制 闭环控制系统也叫闭环控制系统也叫反馈控制系统反馈控制系统反馈：在自动控制系统中,把输出量的一部分送回系统的输入端,对控制对象进行控制,这一过程叫反馈。自动控制系统的分类自动控制系统的分类自动控制的自动控制的分类分类2 2）闭环控制系统）闭环控制系统反馈控制特点：反馈控制特点： 输出参与控制输出参与控制 自动检测偏差纠正偏差

8、自动检测偏差纠正偏差 具有抗干扰能力具有抗干扰能力反馈控制缺点：反馈控制缺点： 稳定性差稳定性差反馈控制适用场合：反馈控制适用场合： 系统元件参数变化系统元件参数变化和扰动无法预计的场合。和扰动无法预计的场合。 反馈是控制理论的基石！自动控制的自动控制的分类分类(1) (1) 被控对象被控对象(2) (2) 被控量或输出量被控量或输出量(3) (3) 控制量控制量(4) (4) 设定量或输入量设定量或输入量(5) (5) 扰动量扰动量 闭环控制系统中的基本术语闭环控制系统中的基本术语(6) (6) 反馈量反馈量(7) (7) 偏差量偏差量(8) (8) 前向通道或正向通道前向通道或正向通道(9

9、) (9) 反馈通道或反向通道反馈通道或反向通道(10) (10) 理想输出理想输出(11) (11) 实际输出实际输出反馈控制系统的典型结构图：反馈控制系统的典型结构图：扰动量扰动量自动控制系统的分类自动控制系统的分类自动控制的自动控制的分类分类3 3）复合控制系统）复合控制系统 复合控制系统复合控制系统:在系统中同时引进开环控制和闭环控制在系统中同时引进开环控制和闭环控制 优点：提高系统的控制精度。优点：提高系统的控制精度。 线性系统线性系统由线性元件组成的系统，可用线性微分方程或差由线性元件组成的系统，可用线性微分方程或差分方程描述。又可分为线性定常系统和线性时变系统。主分方程描述。又可

10、分为线性定常系统和线性时变系统。主要特点是系统具有齐次性和满足叠加原理。要特点是系统具有齐次性和满足叠加原理。 非线性系统非线性系统由至少一个非线性元件组成的系统，其微分方由至少一个非线性元件组成的系统，其微分方程式的系数与自变量有关。程式的系数与自变量有关。 连续控制系统连续控制系统系统各部分的信号都是时间系统各部分的信号都是时间t t的连续函数。的连续函数。 离散控制系统离散控制系统系统中的信号只要有一个是时间系统中的信号只要有一个是时间t t的离散信号，的离散信号，这里信号是以脉冲系列或数码的形式传递。这里信号是以脉冲系列或数码的形式传递。 自动控制系统的分类自动控制系统的分类自动控制的

11、自动控制的分类分类 定值系统定值系统输入信号是是恒定不变的，要求被控量保持相输入信号是是恒定不变的，要求被控量保持相对应的数值不变。如室温控制系统、直流电机转速控制对应的数值不变。如室温控制系统、直流电机转速控制系统等。系统等。 伺服系统伺服系统输入信号的变化规律是未知的任意时间函数，输入信号的变化规律是未知的任意时间函数，系统的任务是使被控量按照同样规律变化并与输入信号系统的任务是使被控量按照同样规律变化并与输入信号的误差保持在规定的范围内。如导弹发射架控制系统、的误差保持在规定的范围内。如导弹发射架控制系统、雷达天线控制系统等。雷达天线控制系统等。 程序控制系统程序控制系统输入信号是按已知

12、规律输入信号是按已知规律( (事先规定的程序事先规定的程序) )变化的，要求被控量也按相应的规律随输入信号变化，变化的，要求被控量也按相应的规律随输入信号变化，误差不超过规定值。如机床的数控加工系统等。误差不超过规定值。如机床的数控加工系统等。自动控制系统的分类自动控制系统的分类自动控制的自动控制的分类分类自动控制系统的自动控制系统的分类分类分类特征分类特征控制方式控制方式特点特点按控制方式分开环控制按给定值操纵、按干扰补偿闭环控制闭环控制按偏差调节复合控制闭环反馈为主，开环补偿为辅按给定值变化规律分恒值系统恒值系统保持输出恒定随动系统输出跟随输入变化程序控制系统输出按照预先设定好的程序变化按

13、被控对象分运动控制系统交、直流调速系统过程控制系统慢时变系统，流程工业按系统功用分温度控制系统以温度为被控量压力控制系统以压力为被控量位置控制系统以位置为被控量按系统性能分线性线性/非线性系统线性系统满足叠加原理连续/离散系统离散系统中包含数字量定常定常/时变性系统时变系统参数随时间变化自动控制原理B Automation Control Theory B信息工程学院自动化系信息工程学院自动化系温温 素素 芳芳第一章第一章 绪论绪论主要内容主要内容对自动控制系统的基本要求基本要求自动控制的基本概念基本概念自动控制系统的分类分类本课程的主要内容、学习的目的与方法目的与方法自动控制系统的发展简史发

14、展简史自动控制系统的自动控制系统的发展简史发展简史一、控制理论胚胎与萌芽期一、控制理论胚胎与萌芽期中国古代自动化方面的成就：西汉漏壶西汉漏壶铜壶滴漏铜壶滴漏(1) 铜壶滴漏(1400B.C. 1100B.C.)自动控制系统的自动控制系统的发展简史发展简史一、控制理论胚胎与萌芽期一、控制理论胚胎与萌芽期中国古代自动化方面的成就：(2) 中国三国时期的马钧研制出用齿轮传动的自动指示方向的指南车。马钧的指南车马钧的指南车（3）公元3世纪 中国发明了自动记录里数的记里鼓车 在魏晋时期出现。记里鼓车分上下两层，上层设一口钟，下层设一鼓。在魏晋时期出现。记里鼓车分上下两层，上层设一口钟，下层设一鼓。车上有

15、一木人，峨冠锦袍，坐于车的下层。车走一里，小木人击鼓一次；车上有一木人，峨冠锦袍，坐于车的下层。车走一里，小木人击鼓一次；每击鼓十次，小木人就上升到上一层，击钟一次，煞是有趣。每击鼓十次，小木人就上升到上一层，击钟一次，煞是有趣。记里鼓车模型及侧视图记里鼓车模型及侧视图汉代孝堂山画像石中的鼓车图汉代孝堂山画像石中的鼓车图自动控制系统的自动控制系统的发展简史发展简史中国古代自动化方面的成就：世界上公认的第一个自动控制系统 1788年瓦特发明飞球调节器，进一步推动蒸汽机的应用，促进了工业的发展。 推动了社会进步是飞球调节器公认为第一个自动控制系统的最主要原因！自动控制系统的自动控制系统的发展简史发

16、展简史J. Watt 的离心式调速器的离心式调速器自动控制系统的自动控制系统的发展简史发展简史自动控制理论的开端1868年，英国J. C. Maxwell发表“论调速器”(On Governors)论文，系统分析了反馈控制系统的稳定性。1877年，E.J.Routh 和 A.Hurwitz 1895年分别 建立了“Routh-Hurwitz Stability Criteria” 。1892年，俄国 A.M.Lyapunov 完成博士论文“论运动稳定性的一般问题”。二、经典控制理论的孕育和形成时期二、经典控制理论的孕育和形成时期自动控制系统的自动控制系统的发展简史发展简史 1948 1948年

17、，维纳出版年，维纳出版控制论控制论，形成完整的经典控制理论，形成完整的经典控制理论，标志控制学科的诞生。维纳成为控制论的创始人！标志控制学科的诞生。维纳成为控制论的创始人！自动控制理论的开端二、经典控制理论的孕育和形成时期二、经典控制理论的孕育和形成时期19451945年，美国人年，美国人 Bode Bode 写了写了“网络分析和反馈放大器设网络分析和反馈放大器设计计”一文，奠定了一文，奠定了经典控制理论经典控制理论基础，在西方国家开始基础，在西方国家开始正式形成自动控制学科正式形成自动控制学科 。美国美国W. EvansW. Evans提出提出根轨迹法根轨迹法(Root Locus (Roo

18、t Locus Method)Method) (1948)(1948)，以单输入线性系统为对，以单输入线性系统为对象的经典控制研究工作完成。象的经典控制研究工作完成。W. Evans三、现代控制时期三、现代控制时期(1955(19551970)1970) 二次世界大战中火炮，雷达，飞机以及通讯系统的控制研究直接推动了经典控制的发展。五十年代后兴起的现代控制起源于冷战时期的军备竞赛，如导弹(发射，操纵，指导及跟踪)，卫星，航天器和星球大战，以及计算机技术的出现(英国科学家A.J.G. MacFarlane)。自动控制系统的自动控制系统的发展简史发展简史世界第一颗人造地球卫星(Sputnik)由苏

19、联发射成功(1957)自动控制系统的自动控制系统的发展简史发展简史四四. . 智能控制时期智能控制时期 （2020世纪世纪7070年代以后）年代以后） 这是近年来新发展起来的一种控制技术，是这是近年来新发展起来的一种控制技术，是人工智能人工智能在控制上的应用。它的指导思想是依据在控制上的应用。它的指导思想是依据人的思维人的思维方式和处方式和处理问题的技巧，解决那些目前需要人的智能才能解决的复理问题的技巧，解决那些目前需要人的智能才能解决的复杂的控制问题。杂的控制问题。 它是一门新兴的控制学科，有些问题尚存有争议，然它是一门新兴的控制学科，有些问题尚存有争议，然而由于它实用性强，能运用人们的经验

20、与技巧解决许多以而由于它实用性强，能运用人们的经验与技巧解决许多以往控制中难以解决的棘手问题（如建模等），因此得到了往控制中难以解决的棘手问题（如建模等），因此得到了人们极大的重视。人们极大的重视。 模糊控制模糊控制 神经网络控制神经网络控制 自动控制理论自动控制理论是研究自动控制共同规律的技是研究自动控制共同规律的技术科学。术科学。发展初期以反馈理论为基础的自动调节原理，主要用于工业控制。发展中期（二战前后）形成以传递函数为基础的经典控制理论，主要研究单输入单输出、线性定常系统的分析与控制。20世纪60年代形成以状态空间法为基础的现代控制理论，主要研究多变量、时变系统的分析与控制。20世纪8

21、0年代以后研究最优控制、智能控制、大系统控制、非线性系统等自动控制系统的自动控制系统的发展简史发展简史第一章第一章 绪论绪论主要内容主要内容对自动控制系统的基本要求基本要求自动控制的基本概念基本概念自动控制系统的分类分类本课程的主要内容、学习的目的与方法目的与方法自动控制系统的发展简史发展简史基本要求的提法基本要求的提法对自动控制系统的对自动控制系统的基本要求基本要求(1)稳定性稳定性 根据自动控制系统完成的任务不同，对每个系统都有不同的特殊要求，但对每一类系统被控量变化的全过程提出的共同基本要求是一样的，可归纳为稳定性、快速性和准确性，即日常讲的稳、准、快。 稳定性是保证控制系统正常工作的先

22、决条件，不稳定的控制系统无法完成预定的控制任务。 系统在受到扰动作用后自动返系统在受到扰动作用后自动返回原来的平衡状态的回原来的平衡状态的能力能力。如果系统。如果系统受到扰动作用（系统内或系统外）后，受到扰动作用（系统内或系统外）后，能自动返回到原来的平衡状态，则该能自动返回到原来的平衡状态，则该系统是稳定的。反之，系统是不稳定系统是稳定的。反之，系统是不稳定系统。系统。基本要求的提法基本要求的提法对自动控制系统的对自动控制系统的基本要求基本要求(2)快速性快速性(3)准确性准确性 快速性是反映控制系统动态性能好坏的指标，一般用过渡过程时间（即快速性）和最大振荡幅度（即超调量）来描述。 准确性

23、 是在系统过渡过程结束后，衡量系统输出（被控量）达到的稳态值与系统输出期望值之间的接近程度，一般用稳态误差来表示。 如图所示，系统在外力作用下，输出如图所示，系统在外力作用下，输出逐渐与期望值一致，则系统是稳定的，逐渐与期望值一致，则系统是稳定的，如曲线如曲线、所示；反之，输出如曲所示；反之，输出如曲线线所示，则系统是不稳定的。所示，则系统是不稳定的。快速性即动态过程进行的时间的快速性即动态过程进行的时间的长短长短。过。过程时间越短，说明系统快速性越好，反之程时间越短，说明系统快速性越好，反之说明系统响应迟钝，如曲线说明系统响应迟钝，如曲线所示。所示。控制系统动态过程曲线控制系统动态过程曲线

24、2 2）根据对系统性能的要求，如何合理地设计校正装置，）根据对系统性能的要求，如何合理地设计校正装置， 使系统的性能能全面地满足技术上的要求。使系统的性能能全面地满足技术上的要求。1 1）对于一个具体的控制系统，如何从理论上对它的动态性）对于一个具体的控制系统，如何从理论上对它的动态性 能和稳态精度进行定性的分析和定量的计算。能和稳态精度进行定性的分析和定量的计算。基本要求的提法基本要求的提法对自动控制系统的对自动控制系统的基本要求基本要求 以上分析的稳、快、准三方面的性能指标往往由于被控以上分析的稳、快、准三方面的性能指标往往由于被控对象的具体情况不同，各系统要求也有所侧重，而且同一个对象的

25、具体情况不同，各系统要求也有所侧重，而且同一个系统的稳、快、准的要求是相互制约的。系统的稳、快、准的要求是相互制约的。本课程所要研究的两大任务本课程所要研究的两大任务系统系统 ( (机械，电气，机械，电气，过程等过程等) )建模方法建模方法 机理或实验机理或实验 数学模型数学模型性能分析性能分析 稳定性、稳定性、动态性能、动态性能、鲁棒性等等鲁棒性等等若性能若性能不满足要求不满足要求对系统进行校正对系统进行校正校正方法（控制器设计方法）校正方法（控制器设计方法） 滞后滞后- -超前、超前、PIDPID、LQLQ最优等最优等 对自动控制系统的对自动控制系统的基本要求基本要求本课程所要研究的任务本

26、课程所要研究的任务第一章第一章 绪论绪论主要内容主要内容对自动控制系统的基本要求基本要求自动控制的基本概念基本概念自动控制系统的分类分类本课程的主要内容、学习的目的与方法目的与方法自动控制系统的发展简史发展简史本课程的安排本课程的安排本课程的本课程的主主要内容要内容、学习的学习的目的和方法目的和方法序号章节内容讲课学时实验学时1第1章 绪论22第2章 拉普拉斯变换63第3章 线性系统的数学模型64第4章 线性系统的时域分析法825第5章 线性系统的根轨迹法66第6章 线性系统的频域分析法827第7章 线性系统的校正方法648第8章 采样控制系统的分析6合 计488本课程的本课程的主主要内容要内容、学习的学习的目的和方法目的和方法学习本课程的目的学习本课程的目的1 1、了解自动控制原理在本专业的地位、作用，了解自动控制原、了解自动控制原理在本专业的地位、作用，了解自动控制原 理的一般概念；理的一般概念；2 2、掌握用系统的观点分析和解决问题；、掌握用系统的观点分析和解决问题；3 3、掌