潘丰_徐颖秦_01_

1、第第1章章 概论概论重点内容重点内容 自动控制的基本概念和原理自动控制的基本概念和原理 自动控制系统的组成和分类自动控制系统的组成和分类 对自动控制系统的基本要求对自动控制系统的基本要求1.1 自动控制系统的一般概念自动控制系统的一般概念一、自动控制的基本概念一、自动控制的基本概念 所谓自动控制，是指在所谓自动控制，是指在无人直接参与无人直接参与的情况下，利用的情况下，利用控制装置控制装置操纵操纵受控对象受控对象，使，使被控被控量量等于等于给定值给定值或或按输人信按输人信号的变化规律去变化号的变化规律去变化的过程。的过程。用来操纵受控对象的设备用来操纵受控对象的设备（校正器（校正器+放大器放大

2、器+执行器）执行器）一般为各一般为各种传感器种传感器l 无人直接参与：指人在远方进行无人直接参与：指人在远方进行远程操作远程操作（遥操作），而（遥操作），而不是在对象跟前不是在对象跟前就地操作就地操作 。l 控制装置：是控制装置：是控制器控制器和和检测（反馈）元件检测（反馈）元件的总称。的总称。l控制对象：控制系统要进行控制的控制对象：控制系统要进行控制的受控客体受控客体。 如冰箱、空调、洗衣机、电梯、飞机、汽车、如冰箱、空调、洗衣机、电梯、飞机、汽车、潜艇、电厂锅炉、潜艇、电厂锅炉、 酿酒过程等各种酿酒过程等各种设备设备、机器机器或或生产过程生产过程。l 被控量：控制对象要实现的量，是被控量

3、：控制对象要实现的量，是表征对象特征表征对象特征的的关键参数关键参数。 如冰箱温度、电机的转速、飞机姿态如冰箱温度、电机的转速、飞机姿态 角、船角、船的航行轨迹的航行轨迹 、电网的电压、电网的电压 、生产过程中的压力、生产过程中的压力、流量流量 、温度、温度 、湿度等。、湿度等。 自动控制系统如图自动控制系统如图1-1，几个重要的信号量如下：，几个重要的信号量如下：二、五个重要的信号量二、五个重要的信号量 控制器控制器受控对象受控对象检测元件检测元件e(t)r(t)c(t)b(t)d(t)图图1 -1 自动控制示意图自动控制示意图 目前常用的目前常用的标准电信号标准电信号主要有两种：主要有两种

4、：15V电压信号或电压信号或420mA电流信号电流信号5. 偏差量（误差量）偏差量（误差量）e(t)：e(t)=r(t)-b(t)1. 被控量（输出量）被控量（输出量）：表征受控对象特征的关键参数。：表征受控对象特征的关键参数。 实际输出量实际输出量 c(t)；理想输出量；理想输出量 c0(t)。2. 给定量（控制量、输入量）给定量（控制量、输入量）r(t)：要求被控量达到理想：要求被控量达到理想 值值时，所需对应的参考输入值。即：时，所需对应的参考输入值。即： r(t) c0(t)。3. 扰动量（干扰量）扰动量（干扰量）d(t)：影响被控两量变化的主要干扰因素。：影响被控两量变化的主要干扰因

5、素。4. 反馈量反馈量b(t)：检测元件的输出值。与：检测元件的输出值。与c(t)对应且与对应且与r(t)同性质。同性质。即：即： b(t) c (t)。v自动控制系统自动控制系统 定义：由控制装置定义：由控制装置+受控对象构成的能完成自动受控对象构成的能完成自动控制任务的整体。控制任务的整体。 自动控制理论：分析与综合控制系统的理论。自动控制理论：分析与综合控制系统的理论。 负载n自动控制系统工作原理说明自动控制系统工作原理说明 图图1.1 直流电机直流电机转速转速控制系统（控制系统（人工人工控制）控制） 人的作用人的作用观察转速观察转速n（通过转速表）（通过转速表）检测检测大脑反映大脑反映

6、比较，将比较，将n与期望的与期望的n0比较比较手动调节手动调节执行，减小或消除偏差执行，减小或消除偏差控制任务：无论控制任务：无论负载或电网电压负载或电网电压如何变化，通过手动电压如何变化，通过手动电压U0，保证保证电机转速不变电机转速不变。受控对象受控对象电机；被控量电机；被控量电机输出转速电机输出转速用方框图表示如下：用方框图表示如下：RP1给定电位器给定电位器RP2反馈调节电位器反馈调节电位器TG测速发电机测速发电机检测检测测速机测速机TG比较比较差运放大器差运放大器A执行执行伺服电机伺服电机+调速器调速器A调速器调速器伺服电伺服电动机动机图图1.4 电机电机转速自动转速自动控制系统。控

7、制系统。用设备代替了人用设备代替了人nRP3Ud原理框图如下：原理框图如下： U= U0- Un执行环节执行环节比较环节比较环节放大放大器器触发触发整流整流装置装置TG+RP3U给定给定电压电压U0实际实际转速转速nUn负载扰动负载扰动d(t)图图1 .5 转速自动控制原理框图转速自动控制原理框图伺服电伺服电动机动机电电动动机机RP1检测环节检测环节对象对象RP21.2 自动控制系统的控制方式及基本组成自动控制系统的控制方式及基本组成控制方式控制方式开环控制开环控制闭环控制闭环控制 复合控制复合控制两种基本控制方式两种基本控制方式 开环控制（开环控制（Open-loop Control） （1

8、）定义：控制装置（控制器）定义：控制装置（控制器+执行器）与受控对象之间执行器）与受控对象之间只有只有顺向作用而无反向联系顺向作用而无反向联系时的控制方式，称为开环控制。时的控制方式，称为开环控制。（2）结构：）结构：控制器控制器受控对象受控对象r(t)c(t)d(t)图图1 .6 开环控制系统图开环控制系统图执行机构执行机构（3）特点特点：l系统的输出量对输入量没有任何影响；系统的输出量对输入量没有任何影响；l对干扰和参数变化没有补偿作用，控制精度完全取决于元件对干扰和参数变化没有补偿作用，控制精度完全取决于元件精度。精度。l没有稳定性的问题，而且结构简单，调整方便。没有稳定性的问题，而且结

9、构简单，调整方便。l对控制精度要求不高或干扰较小的场合还有一定的应用价值。对控制精度要求不高或干扰较小的场合还有一定的应用价值。如：打印机、复印机、简单生产线、自动洗衣机、自动售货如：打印机、复印机、简单生产线、自动洗衣机、自动售货机、自动打包机、步进电机，水泵，风扇等的控制。机、自动打包机、步进电机，水泵，风扇等的控制。2. 闭环控制闭环控制（Closed-loop Control） （1）定义定义：控制装置与受控对象之间，不但有顺向作用，而：控制装置与受控对象之间，不但有顺向作用，而且还有反向联系，即且还有反向联系，即被控量对控制过程有影响被控量对控制过程有影响时的控制方式时的控制方式称为

10、闭环控制。称为闭环控制。（2）组成组成：三大部分，七个环节。如下图：三大部分，七个环节。如下图1.7。图图1 .7 闭环自动控制系统组成框图闭环自动控制系统组成框图校正校正器器执行执行机构机构检测检测环节环节e(t)给定给定环节环节c(t)b(t)d(t)放放大大器器受控受控对象对象r(t)控制器控制器给定电给定电源部分源部分控制装置部分控制装置部分受控对受控对象部分象部分比较环节比较环节1234567r(t)c(t) 称为前向通道；称为前向通道；c(t)b(t) 称为反馈通道称为反馈通道e(t)b(t) 称开环通道。称开环通道。1.3 自动控制系统的类型自动控制系统的类型 常用的有常用的有五

11、种分类方法五种分类方法： 按照按照控制方式（信号流向）控制方式（信号流向）分类：分类： 不同的控制方式，系统中信号流向也不同，据此可将不同的控制方式，系统中信号流向也不同，据此可将系统分为：系统分为：开环控制开环控制系统、系统、闭环控制闭环控制系统和系统和复合控制复合控制系统系统三种。三种。 两点说明两点说明：u 从控制作用的产生原理看，闭环控制也叫从控制作用的产生原理看，闭环控制也叫偏差控制偏差控制；从系；从系统的组成结构来看，闭环控制也叫统的组成结构来看，闭环控制也叫反馈控制反馈控制。u 由于引入了被控量的反馈信息，整个控制过程形成闭合回由于引入了被控量的反馈信息，整个控制过程形成闭合回路

12、，因此反馈控制也称为路，因此反馈控制也称为闭环控制闭环控制 。2. 按照按照数学模型数学模型分为类：分为类：（1）线性线性系统与系统与非线性非线性系统系统l线性系统：由线性元件组成，满足线性系统：由线性元件组成，满足齐次性齐次性和和叠加性叠加性，其数学，其数学模型为模型为线性常系数微分方程线性常系数微分方程。而非线性系统不满足这两个特。而非线性系统不满足这两个特性，其数学模型为非线性微分方程或差分方程。性，其数学模型为非线性微分方程或差分方程。 齐次性齐次性(均匀性均匀性)和叠加性：和叠加性： 如图，设如图，设f(t)为一线性系统，则有：为一线性系统，则有： 若：若：r1(t) c1(t)，r

13、2(t) c2(t) 则：则： r1(t) + r2(t) c1(t)+ c2(t) 叠加性叠加性 ar1(t) ac1(t) 齐次性齐次性f (t)r(t)c(t)l 区分标志：区分标志：线性元件线性元件：（1）静态特性为一过原点的直线）静态特性为一过原点的直线（2）满足叠加性和齐次性）满足叠加性和齐次性（3）数学模型为标准的微分方程（）数学模型为标准的微分方程（P19公式公式2-8）（4）分析方法：时域法、根轨迹法、频域法）分析方法：时域法、根轨迹法、频域法非线性元件非线性元件（1）静态特性为）静态特性为不连续过程不连续过程（继电特性、死区特性、饱和特（继电特性、死区特性、饱和特性、回环特

14、性等）性、回环特性等）（2）不满足叠加性和齐次性）不满足叠加性和齐次性（3）数学模型为）数学模型为非线性的微分方程非线性的微分方程（系数与自变量有关，或（系数与自变量有关，或方程中同时含有常数、自变量及其导数的高次幂或自变量的方程中同时含有常数、自变量及其导数的高次幂或自变量的乘积项）乘积项）（4）分析方法：描述函数法、相平面法）分析方法：描述函数法、相平面法（2）定常定常系统和系统和时变时变系统系统数学模型的数学模型的系数是常数系数是常数数学模型的系数至少有数学模型的系数至少有一处是时间的函数一处是时间的函数3. 按系统按系统内部的信号特征内部的信号特征分为：分为：连续连续系统和系统和离散离

15、散系统系统系统中的所有信号系统中的所有信号在时间上是连续的在时间上是连续的系统中至少有一处的信号系统中至少有一处的信号在时间上是不连续的在时间上是不连续的4. 按系统按系统输入、输出信号的数量输入、输出信号的数量分为：分为：单入单出单入单出（SI / SO）系统和）系统和多入多出多入多出（MI / MO）系统）系统系统的输入、输出系统的输入、输出量各为多个。量各为多个。系统的输入、输出量均为系统的输入、输出量均为1个。个。5. 按系统按系统输入信号特征输入信号特征分为：分为： 恒值恒值系统、系统、随动随动系统和系统和程控程控系统系统r(t)为常数，为常数，要求要求c(t)也为也为常数。常数。r

16、(t)为随机函数为随机函数（未知），要求（未知），要求c(t)也随之变化。也随之变化。r(t)为时间的已知函为时间的已知函数，要求数，要求c(t)也随之也随之变化。变化。1.4 基本要求和本课程的主要任务基本要求和本课程的主要任务 自动控制系统三大性能对应自动控制系统三大性能对应三个基本要求三个基本要求: : l稳定性稳定性稳，稳，系统最终要能够正常工作，是系统最终要能够正常工作，是系统正常工作的系统正常工作的前提和基础。前提和基础。l快速性快速性快，快，要求系统动态过渡过程时间尽可能短。要求系统动态过渡过程时间尽可能短。 l准确性准确性准，准，要求系统控制精度高、误差小。要求系统控制精度高、

17、误差小。 三大基本性能三大基本性能稳定性（平稳性）稳定性（平稳性）稳稳动态（暂态）性能动态（暂态）性能快快稳态性能稳态性能 准准（精度，稳态误差）（精度，稳态误差） 对于一般的控制系统，在某个输入信号的作用下，其输出对于一般的控制系统，在某个输入信号的作用下，其输出响应由两部分组成，可表示为：响应由两部分组成，可表示为：c(t) = cs(t) + ct(t)稳态分量：稳态分量：由系统初始条由系统初始条件和输入信号决定。件和输入信号决定。暂态分量：暂态分量：由系统结构决由系统结构决定。定。对于对于稳定稳定的系统，应有：的系统，应有：0stttlinc(t)c (t)linc (t)或或对于对于

18、不不稳定稳定的系统，应有：的系统，应有： (发散发散)；或；或 常数（常数（等幅振荡等幅振荡） tlin c(t)tlinc(t)v动态性能动态性能：描述系统过渡过程表现出来的性能，用描述系统过渡过程表现出来的性能，用平稳平稳性性和和快速性快速性衡量。如：上升时间、峰值时间、调整时间、超调量衡量。如：上升时间、峰值时间、调整时间、超调量v 稳态性能：稳态性能：系统过渡过程结束进入稳态后表现出来的性能，系统过渡过程结束进入稳态后表现出来的性能，用用稳态误差（静差）稳态误差（静差）ess来衡量。来衡量。过度过程的振过度过程的振荡的程度荡的程度过渡过程的过渡过程的快慢快慢输出的实际值偏离期输出的实际

19、值偏离期望值的偏差。反映系望值的偏差。反映系统的统的控制精度控制精度。若若ess=0无差无差系统系统若若ess0有差有差系统系统sstelime(t)1.6 自动控制理论的发展简述自动控制理论的发展简述 第一代第一代：古典（经典）控制理论、：古典（经典）控制理论、自动控制原理自动控制原理（理论）（理论） （17871960） 特点特点：以：以传递函数传递函数为基础研究为基础研究单输入单输出定常单输入单输出定常控制系控制系统的分析与设计问题。这些理论由于其发展较早，现已臻统的分析与设计问题。这些理论由于其发展较早，现已臻成熟。成熟。v 第二代第二代：现代（近代）控制理论：现代（近代）控制理论（1

20、9601980） 特点特点： 以以状态空间法状态空间法为基础，研究为基础，研究多输入多输出多输入多输出控制系统控制系统的分析与设计问题。包括以最小二乘法为基础的的分析与设计问题。包括以最小二乘法为基础的系统辨识系统辨识、以极大值原理和动态规划为基础的以极大值原理和动态规划为基础的最优控制最优控制、以卡尔曼滤波、以卡尔曼滤波为核心的为核心的最优估计最优估计三个部分。使系统分析三个部分。使系统分析从外部现象深入到从外部现象深入到内部规律，从局部控制发展到全局的最优控制内部规律，从局部控制发展到全局的最优控制。v第三代第三代：大系统理论和智能控制理论：大系统理论和智能控制理论（19701980） 特

21、点特点：以人工智能为基础，研究：以人工智能为基础，研究复杂对象复杂对象（车间、工厂、（车间、工厂、集团）、复杂任务、复杂环境下的复杂控制系统。是集团）、复杂任务、复杂环境下的复杂控制系统。是控制论、控制论、仿生学、运筹学仿生学、运筹学等的有机结合。如：等的有机结合。如：DCS及各种智能机器人的及各种智能机器人的出现和应用。出现和应用。v第四代第四代：现场总线（：现场总线（Fieldbus）控制控制（1980） 特点特点：是信息和网络技术的融合。典型的有：是信息和网络技术的融合。典型的有：Linworks、Profibus 、World FIP等。等。突出优点突出优点：全数字化通信、开放型的：全数字化通信、开放型的网络互联、互可操作性与互用性、现场设备的智能化、系统结构网络互联、