北理工自动化考研全套课件

1、Tuesday, May 31, 20221欢迎各位！Tuesday, May 31, 20222自动控制原理韩绍坤信息楼信息楼60196019Tuesday, May 31, 20223参考书n梅晓榕，自动控制原理，科学出版社梅晓榕，自动控制原理，科学出版社n胡寿松，自动控制原理，胡寿松，自动控制原理，国防工业出版社国防工业出版社nR.C.多尔夫，多尔夫，R.H.毕晓普，现代控制系统毕晓普，现代控制系统 英文版英文版，科学出版社，科学出版社n王显正等，控制理论基础，科学出版社王显正等，控制理论基础，科学出版社Tuesday, May 31, 20224课程内容 自动控制概述、控制系统的数学模

2、型、控制系统的时域分析、根轨迹法、线性系统的频域分析、控制系统设计、非线性控制系统、采样控制系统Tuesday, May 31, 20225考核与成绩评定n出勤率 10%n平时作业 10n笔试考试 80Tuesday, May 31, 20226第一章 绪论n1.1 引言n1.2自动控制术语n1.3闭环控制和开环控制n1.4自动控制系统的分类和组成n1.5对自动控制系统的基本要求Tuesday, May 31, 202271.1 引言-起源及发展n1788年，James Watt 为控制蒸汽机速度设计的离心调节器，是自动控制领域的第一项重大成果。n1868年，英国物理学家麦克斯威尔(J.C.M

3、axwell)根据力学原理，用常系数线性微分方程描述了调速器-蒸汽机-负荷系统，解决了稳速问题，开辟了用数学方法研究控制系统的途径。 n1877年和1895年英国数学家. .Routh.Routh和德国数学家. .urwitzurwitz分别独立地建立了根据代数方程的系数判别系统稳定性的准则，就是现在的劳斯-古尔维茨判据。 Tuesday, May 31, 20228n1922年，Minorsky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。n1932年，Nyquist提出了一种根据系统的开环频率响应，确定闭环系统稳定性的方法。n1934年，Hezen提出了用于位置

4、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。n1948年，频率响应法为闭环控制系统提供了一种可行方法，Evans提出并完善了根轨迹法。同年，维纳著控制论，标志这门学科的正式诞生。n20世纪50年代末，控制系统设计问题的重点从设计许多可行系统中的一种系统，转到设计在某种意义上的最佳系统。Tuesday, May 31, 20229n20世纪60年代，数字计算机的出现为复杂系统的基于时域分析的现代控制理论提供了可能。n从1960年到1980年，确定性系统、随机系统的最佳控制，及复杂系统的自适应和学习控制，都得到充分的研究。n从1980年到现在，现代控制理论进展集中于鲁

5、棒控制、H控制及其相关课题。Tuesday, May 31, 202210自动控制原理自动控制原理古典控制理论古典控制理论现代控制理论现代控制理论Tuesday, May 31, 202211n古（经）典控制理论古（经）典控制理论 研究单输入单输出系统，以传递函研究单输入单输出系统，以传递函数为系统的基本数学描述，以时域数为系统的基本数学描述，以时域分析法、频率法、根轨迹法作为分分析法、频率法、根轨迹法作为分析和设计系统的方法。析和设计系统的方法。 古典控制理论研究系统的稳定性、动态、古典控制理论研究系统的稳定性、动态、稳态性能及在给定指标下的系统设计。稳态性能及在给定指标下的系统设计。Tue

6、sday, May 31, 202212n现代控制理论现代控制理论 研究多输入多输出系统，以状态空研究多输入多输出系统，以状态空间法为主要研究方法，研究系统内间法为主要研究方法，研究系统内部状态的运动规律。部状态的运动规律。 向着大系统理论和人工智能等方面继续向着大系统理论和人工智能等方面继续发展发展Tuesday, May 31, 2022131.2 术语n自动控制n对象 n过程 n系统 n扰动 n反馈控制n反馈控制系统 n随动系统 n过程控制Tuesday, May 31, 202214Tuesday, May 31, 202215Tuesday, May 31, 202216 反馈控制系

7、统是一种能对输出量与参考输入量进行比较，并力图保持两者之间的既定关系的系统，它利用输出量与输入量的偏差来进行控制。 应当指出，反馈控制系统不限于工程范畴，在各种非工程范畴内，诸如经济学和生物学中，也存在着反馈控制系统。Tuesday, May 31, 202217 随动系统是一种反馈控制系统，在这种系统中，输出量是机械位移、速度或者加速度。在现代工业中，广泛采用着随动系统。9 9 过程控制过程控制 在工业生产过程中，诸如对压力、温度、湿度、流量、频率以及原料、燃料成分比例等方面的控制，称为过程控制。Tuesday, May 31, 202218热力系统的例子热力系统的人工反馈控制蒸蒸汽汽冷水热

8、水温度计图1-1 热力系统的人工反馈控制排排水水Tuesday, May 31, 202219人工调节过程：人工调节过程：a. 观测由观测由测量元件测量元件（温度计）测出的（温度计）测出的被控制被控制量量的值（水箱的温度）；的值（水箱的温度）；b. 与与给定值给定值（要求的温度值）进行比较，得（要求的温度值）进行比较，得出出偏差偏差的大小和方向；的大小和方向；c. 根据偏差的大小和方向调节蒸气量进行控制。根据偏差的大小和方向调节蒸气量进行控制。人工控制的过程人工控制的过程：测量、求偏差、再控制以纠正偏差的过程。测量、求偏差、再控制以纠正偏差的过程。亦即是亦即是“检测偏差并用以纠正偏差检测偏差并

9、用以纠正偏差”的过程。的过程。Tuesday, May 31, 202220n人工控制的缺点：人工控制的缺点： 控制精度不高；控制精度不高； 人的反应不够快；人的反应不够快； 不少恶劣的场合人无法参与直接控制。不少恶劣的场合人无法参与直接控制。Tuesday, May 31, 202221热力系统的自动反馈控制 自自动动控控制制器器热热水水冷冷水水蒸蒸汽汽温温度度测测量量装装置置 排排水水图图1 1- -2 2 热热力力系系统统的的自自动动反反馈馈控控制制控控制制阀阀Tuesday, May 31, 202222自动调节过程：自动调节过程：a. 由测量元件输出被控制量（水箱的温度）由测量元件输

10、出被控制量（水箱的温度）的值；的值； b. 与给定值（要求的温度值）进行比较，与给定值（要求的温度值）进行比较， 得出偏差的大小和方向；得出偏差的大小和方向；c. 根据偏差的大小和方向控制执行机构，根据偏差的大小和方向控制执行机构，调节蒸气阀，实现温度控制。调节蒸气阀，实现温度控制。Tuesday, May 31, 202223n人工控制系统和自动控制系统的共同特人工控制系统和自动控制系统的共同特点：点： 都要检测偏差；都要检测偏差； 该偏差由被控量的反馈值与给定值相比该偏差由被控量的反馈值与给定值相比 较产生较产生 利用检测到的偏差去纠正偏差，使偏利用检测到的偏差去纠正偏差，使偏差差 减小或

11、消除；减小或消除；没有偏差便没有调节过程。没有偏差便没有调节过程。Tuesday, May 31, 202224Tuesday, May 31, 202225直流电机调速系统的自动反馈例子Tuesday, May 31, 2022261.3 闭环控制与开环控制n反馈控制系统n开环控制系统n闭环与开环控制系统的比较Tuesday, May 31, 2022271.3.1 反馈控制系统 1 反馈反馈 把取出的输出量送回输入端，并与输入信号把取出的输出量送回输入端，并与输入信号 相比较产生偏差信号的过程，称为反馈。若相比较产生偏差信号的过程，称为反馈。若 反馈的信号与输入信号相减，使产生的偏差反馈的

12、信号与输入信号相减，使产生的偏差 越来越小，则称为负反馈；反之，则称为正越来越小，则称为负反馈；反之，则称为正 反馈。反馈。 Tuesday, May 31, 2022282 反馈控制系统 能对输入量与输出量进行比较，并且将它们的偏差作为控制手段，以保持两者之间预定关系的系统，称为反馈控制系统。由于引入了被反馈量的反馈信息，整个控制过程成为闭合的，因此反馈控制也称为闭环控制。 Tuesday, May 31, 2022293 3 闭环控制闭环控制 凡是系统输出信号对控制作用有直接影响的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。输入信号和反馈信号系统，都称为闭环系统。输入信号和

13、反馈信号（反馈信号可以是输出信号本身，也可以是输出（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，称为误差信号，误差信号的函数或导数）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，并使系信号加到控制器上，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，统的输出量趋于所希望的值，换句话说，“闭环闭环”这个术语的涵义，就是应用反馈作用来减小系统这个术语的涵义，就是应用反馈作用来减小系统的误差。的误差。 Tuesday, May 31, 202230n闭环系统闭环系统 抗干扰性好，控制精度高；闭环系统可明显减弱某些元件参数和控制对象本身的参数变化对被控量的

14、不利影响，对元部件的要求不很严格。但闭环系统结构复杂，设计和调试技术也复杂；另外还应适当选择系统参数，否则系统可能不能正常工作，甚至引起振荡。Tuesday, May 31, 202231 闭环控制系统的原理方框图闭环控制系统的原理方框图控制对象控制对象输出量输出量扰动扰动控制器控制器输入量输入量测量元件测量元件Tuesday, May 31, 202232控控 制制 器器对对 象象或或 过过 程程测测 量量 元元 件件 输 入 量输 出 量 闭环控制系统闭环控制系统Tuesday, May 31, 2022331.3.31.3.3 开环控制系统开环控制系统n定义定义控控制制器器对对象象或或过

15、过程程 输入量输出量图1-5 开环控制系统Tuesday, May 31, 202234控制装置与被控对象之间只有顺向作用控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制过程，其特点是而没有反向联系的控制过程，其特点是系统的输出量不会对系统的控制作用发系统的输出量不会对系统的控制作用发生影响，即系统的输出端与输入端之间生影响，即系统的输出端与输入端之间不存在反馈回路。不存在反馈回路。Tuesday, May 31, 202235n开环控制特点：系统结构简单，容易调开环控制特点：系统结构简单，容易调试；但抗干扰能力差；高精度的开环控试；但抗干扰能力差；高精度的开环控制对环境和元件的要求比较

16、严格。制对环境和元件的要求比较严格。Tuesday, May 31, 2022361.3.41.3.4 闭环与开环控制系统的比较闭环与开环控制系统的比较Tuesday, May 31, 2022371.4 1.4 自动控制系统的分类和组成自动控制系统的分类和组成1.4.11.4.1自动控制系统的分类自动控制系统的分类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 Tuesday, May 31, 202238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，光机全自动照相机，光机 电结合电结合液压系统液压系统伺服液压缸，汽车发伺服液

17、压缸，汽车发动机，大型的仿真模拟台动机，大型的仿真模拟台气动系统气动系统 生物系统生物系统Tuesday, May 31, 202239n按系统功用分按系统功用分Tuesday, May 31, 202240Tuesday, May 31, 202241Tuesday, May 31, 202242n控制系统中控制对象以外的元部件统称控制系统中控制对象以外的元部件统称为为控制元件控制元件。n根据控制元件在系统中的功能和作用，根据控制元件在系统中的功能和作用，将控制元件分为四大类：将控制元件分为四大类：A. 直接带动控制对象，直接改变被控量直接带动控制对象，直接改变被控量的的执行元件执行元件。

18、电动机、液压马达、加热器电动机、液压马达、加热器1.4.2 自动控制系统的组成自动控制系统的组成Tuesday, May 31, 202243B. 将微弱信号放大，使信号具有足够大的将微弱信号放大，使信号具有足够大的幅值或功率的幅值或功率的放大元件放大元件。 分为前置放大器和功率放大器。分为前置放大器和功率放大器。 前置放大器放大信号的数值，但功率并前置放大器放大信号的数值，但功率并不大，靠近系统的输入端。运算放大器。不大，靠近系统的输入端。运算放大器。 功率放大器输出的功率大，其输出信号功率放大器输出的功率大，其输出信号可直接带动执行元件运转。晶体管功率可直接带动执行元件运转。晶体管功率放大

19、器。放大器。Tuesday, May 31, 202244C. 将一种物理量检测出来，并且按照某将一种物理量检测出来，并且按照某种规律转换成容易处理和使用的另一种种规律转换成容易处理和使用的另一种物理量输出的物理量输出的测量元件测量元件。 热敏电阻、热电偶、流量变送器、测速热敏电阻、热电偶、流量变送器、测速发动机、电位器、光电码盘、旋转变压发动机、电位器、光电码盘、旋转变压器等元件及其处理电路均属于测量元件。器等元件及其处理电路均属于测量元件。 测量元件的精度直接影响到系统的精测量元件的精度直接影响到系统的精度，高精度的系统必须采用高精度的测度，高精度的系统必须采用高精度的测量元件，包括可靠的

20、线路。量元件，包括可靠的线路。Tuesday, May 31, 202245D. 为保证系统能正常稳定地工作，并提为保证系统能正常稳定地工作，并提高系统的性能所补充的高系统的性能所补充的补偿元件补偿元件，又称又称校正元件校正元件。 模拟电子线路、计算机等。模拟电子线路、计算机等。 Tuesday, May 31, 202246基本组成 n被控对象被控对象n控制装置控制装置(由具有一定职能的各种基本元件组成由具有一定职能的各种基本元件组成 ) 测量元件：其职能是测量被控制的物理量测量元件：其职能是测量被控制的物理量; 给定元件：其职能是给出与期望的被控量相对应的系统输入量给定元件：其职能是给出与

21、期望的被控量相对应的系统输入量（即参考输入量）。（即参考输入量）。 比较元件：把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的比较元件：把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的参据量进行比较，求出它们之间的偏差。参据量进行比较，求出它们之间的偏差。 放大元件：将比较元件给出的偏差进行放大，用来推动执行元放大元件：将比较元件给出的偏差进行放大，用来推动执行元件去控制被控对象。件去控制被控对象。 执行元件：直接推动被控对象，使其被控量发生变化。执行元件：直接推动被控对象，使其被控量发生变化。 校正元件：亦称补偿元件，它是结构或参数便于调整的元件，校正元件：亦称补偿元件，它是结构或参数便于调整的元件

22、，用串联或反馈的方式连接在系统中，以改善系统性能。用串联或反馈的方式连接在系统中，以改善系统性能。Tuesday, May 31, 202247Tuesday, May 31, 202248 图1-6（i）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。图（ii）是该控制系统的方框图。试画出相应的人工操纵液位控制系统方块图。Tuesday, May 31, 202249H 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Tuesday,

23、 May 31, 202250 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） 控制系统方块图控 制 器 ： 比 较 、 放 大 的 作 用浮 子 ： 液 面 高 度 的 反 馈 元 件 ， Q2为 系 统 的 干 扰 量气 动 阀 门 ： 执 行 机 构 ， 水 箱Tuesday, May 31, 202251眼 睛 测 量 装 置 （ 浮 子 ） 手 气 动 阀 门头 脑 控 制 器 ， 比 较 、 计 算希 望 液 位实实 际际 液液 位位肌肌 肉肉 、 手手阀阀 门门水水 箱箱眼眼 睛睛（ III） 相 对 应 的 人 工 操 纵 系 统 方 块 图 脑Tuesday, May 31, 202252n图图17、室温控制、室温控制温度温度热传导热传导空调器空调器室内空气等室内空气等eyrkEc热敏电阻热敏电阻图图1 17 7室温控制系统框图室温控制系统框图Tuesd