郑州大学自动控制原理第一章PPT

1、1 自动控制原理自动控制原理 2015. 72一、一、自动控制原理自动控制原理 与其它课程的关系与其它课程的关系自动控制自动控制原理原理电机与拖动电机与拖动电子技术电子技术线性代数线性代数微积分（含微分方程）微积分（含微分方程）复变函数、拉普拉斯变换复变函数、拉普拉斯变换电路理论电路理论大学物理（力学、热力学）大学物理（力学、热力学）电力电子技术电力电子技术各类控制系统课程各类控制系统课程3二、二、自动控制学科的特点自动控制学科的特点1应用广泛应用广泛小至电子表，大至人造卫星，几乎包括各个领域。小至电子表，大至人造卫星，几乎包括各个领域。开始开始多用于工业：压力、温度、流量、位移、湿度、多用于

2、工业：压力、温度、流量、位移、湿度、粘度自动控制粘度自动控制后来后来进入军事领域：飞机自动驾驶、火炮自动跟踪、进入军事领域：飞机自动驾驶、火炮自动跟踪、导弹、卫星、宇宙飞船自动控制导弹、卫星、宇宙飞船自动控制目前目前渗透到更多领域：大系统、交通管理、图书管渗透到更多领域：大系统、交通管理、图书管理等理等生物学系统：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、经济控制论42日益重要日益重要v 很难想象现代生活和生产过程没有自很难想象现代生活和生产过程没有自动控制装置如何能够继续？动控制装置如何能够继

3、续？ 你敢让大型你敢让大型发电机组用人工控制来运行吗发电机组用人工控制来运行吗? 你愿意你愿意使用不能自动控制温度的电冰箱吗？使用不能自动控制温度的电冰箱吗？5v3发展迅速发展迅速从离心重锤式的简单自动机械到具有从离心重锤式的简单自动机械到具有每秒运行上亿次的每秒运行上亿次的CPU的智能机器人，的智能机器人，自动控制学科发展日新月异。自动控制学科发展日新月异。越来越复杂和越来越精确的控制要求越来越复杂和越来越精确的控制要求以及高度发展的现代科技以及高度发展的现代科技(如计算机如计算机)是是促进自动控制学科飞速发展的重要原促进自动控制学科飞速发展的重要原因。因。6 三、自动控制理论的内容三、自动

4、控制理论的内容自动控制理论自动控制理论经典控制理论经典控制理论(19世纪中叶世纪中叶-20世纪世纪50年代年代)线性线性非线性非线性根轨迹法根轨迹法频域法频域法 时域法时域法描述函数法描述函数法相平面法相平面法采样控制采样控制Z变换法变换法现代控制理论现代控制理论(60年代以来年代以来)状态反馈控制状态反馈控制最优控制最优控制智能控制智能控制预测控制预测控制自适应控制自适应控制模糊控制模糊控制大系统多层分散控制大系统多层分散控制7四、四、 自动控制理论的基本问题自动控制理论的基本问题v控制系统的分析控制系统的分析典型信号下的响应典型信号下的响应 (阶跃响应阶跃响应)数学模型数学模型 (传递函数

5、传递函数,状态方程，频率特性状态方程，频率特性)性能指标性能指标 (稳态误差稳态误差,超调量等超调量等)v控制系统的设计控制系统的设计性能要求性能要求 (性能指标性能指标,约束条件约束条件)控制器的结构和参数设计和整定控制器的结构和参数设计和整定性能校核性能校核 (计算计算,仿真仿真,实验实验)89v1.1 引言引言v1.2 自动控制系统举例及术语自动控制系统举例及术语v1.3 闭环控制和开环控制闭环控制和开环控制v1.4 自动控制系统的基本组成和分类自动控制系统的基本组成和分类v1.5 对自动控制系统的基本要求对自动控制系统的基本要求10 1.1 引言引言四个阶段四个阶段: 胚胎萌芽期胚胎萌

6、芽期 经典控制理论时期、经典控制理论时期、 现代控制理论时期、现代控制理论时期、 大系统和智能控制时期大系统和智能控制时期 一一.控制系统的发展史控制系统的发展史111.胚胎萌芽期胚胎萌芽期 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十九世纪前半叶，动力使用了发电机、电动机十九世纪前半叶，动力使用了发电机、电动机促进了水利、水电站的遥控和程控的发展以及电压、电流的自动调节技术促进了水利、水电站的遥控和程控的发展以及电压、电流的自动调节技术 的发展。的发展。十九世纪末，二十世纪初，使用内燃机十九世纪末，二十世纪初，使用内燃机促进了飞机、汽车、船舶

7、、机器制造业和石油工业的发展，产生了伺服控促进了飞机、汽车、船舶、机器制造业和石油工业的发展，产生了伺服控制和过程控制。制和过程控制。 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调速器，蒸汽机离心式调速器；年英国人瓦特发明了调速器，蒸汽机离心式调速器；二十世纪初第二次世界大战，军事工业发展很快二十世纪初第二次世界大战，军事工业发展很快飞机、雷达、火炮上的伺服机构，总结了自动调节技术及反馈放大器技术，飞机、雷达、火炮上的伺服机构，总结了自动调节技术及反馈放大器技术，搭起了经典控制理论的架子，但还没有形成学科

8、。搭起了经典控制理论的架子，但还没有形成学科。122. 经典控制理论时期经典控制理论时期18841884年：年：E. J. RouthE. J. Routh提出劳斯稳定性判据。提出劳斯稳定性判据。18951895年：年：A. HurwifzA. Hurwifz提出赫尔维茨稳定性判据。提出赫尔维茨稳定性判据。19321932年：年：H. NyquistH. Nyquist提出奈奎斯特稳定性判据。提出奈奎斯特稳定性判据。 19451945年：年：H. W. BodeH. W. Bode提出反馈放大器的一般设计方法。提出反馈放大器的一般设计方法。19481948年：年：EvansEvans提出并完善

9、了根轨迹法提出并完善了根轨迹法 19481948年：年：N. WienerN. Wiener发表发表控制论控制论 19541954年：钱学森在美国完成年：钱学森在美国完成工程控制论工程控制论主要内容：主要内容： 对单输入单输出系统进行分析，采用频率法、根轨迹法、相平面法、对单输入单输出系统进行分析，采用频率法、根轨迹法、相平面法、描述函数法；讨论系统稳定性的代数和几何判据以及校正网络等。描述函数法；讨论系统稳定性的代数和几何判据以及校正网络等。134. 大系统和智能控制时期大系统和智能控制时期 各学科相互渗透，要分析的系统越来越大，越来越复杂。例各学科相互渗透，要分析的系统越来越大，越来越复杂

10、。例如人工智能、智能机器人等。如人工智能、智能机器人等。 空间技术的发展提出了许多复杂控制问题，用于导弹、人空间技术的发展提出了许多复杂控制问题，用于导弹、人造卫星和宇宙飞船上。造卫星和宇宙飞船上。Kalman Kalman “控制系统的一般理论控制系统的一般理论”奠定奠定了现代控制理论的基础，解决多输入、多输出、时变参数、了现代控制理论的基础，解决多输入、多输出、时变参数、高精度复杂系统的控制问题。高精度复杂系统的控制问题。3. 现代控制理论时期现代控制理论时期14研究对象研究对象数学工具数学工具常用分析方常用分析方法法局限性局限性经典经典控制控制理论理论单输入单输入-单输单输出线性定常系出

11、线性定常系统统微分方程，微分方程，传递函数传递函数时域分析法，时域分析法，频域分析法频域分析法,根轨迹分析根轨迹分析法法对复杂多变量系统、对复杂多变量系统、时变和非线性系统时变和非线性系统无能为力无能为力现代现代控制控制理论理论多输入多输入-多输多输出变系数，非出变系数，非线性等系统线性等系统线性代数、线性代数、矩阵理论矩阵理论状态空间法状态空间法 比较繁琐（但由于比较繁琐（但由于计算机技术的的迅计算机技术的的迅速发展，这一局限速发展，这一局限性已克服性已克服)经典控制理论与现代控制理论的比较经典控制理论与现代控制理论的比较15二二.自动控制要解决的基本问题自动控制要解决的基本问题 自动控制是

12、使一个或一些被控制自动控制是使一个或一些被控制的物理量按照另一个物理量即控制量的物理量按照另一个物理量即控制量的变化而变化或保持恒定，一般地说的变化而变化或保持恒定，一般地说如何使控制量按照给定量的变化规律如何使控制量按照给定量的变化规律变化，就是一个控制系统要解决的基变化，就是一个控制系统要解决的基本问题。本问题。 16三三.自动控制技术的作用自动控制技术的作用1. 生产自动化，提高劳动生产率，减轻劳生产自动化，提高劳动生产率，减轻劳动强度。动强度。2. 自动控制使工作具有高度的准确性，大自动控制使工作具有高度的准确性，大大地提高了武器的命中率和战斗力，（大地提高了武器的命中率和战斗力，（例

13、如例如火炮自动跟踪系统必须采用计算机控制才能打下高火炮自动跟踪系统必须采用计算机控制才能打下高速高空飞行的飞机。）速高空飞行的飞机。）3. 某些人们不能直接参与工作的场合就更离某些人们不能直接参与工作的场合就更离不开自动控制技术了，例如原子能的生产、不开自动控制技术了，例如原子能的生产、火炮或导弹的制导等等。火炮或导弹的制导等等。171.2 自动控制系统举例及术语自动控制系统举例及术语18 举例：举例： 1. 热力系统温度控制热力系统温度控制 蒸蒸汽汽冷水热水温度计图1-1 热力系统的人工反馈控制排排水水19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

14、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热力系统的自动反馈控制热力系统的自动反馈控制 20控制器：控制器： 比较、放大的作用比较、放大的作用温度测量装置：温度传感器温度测量装置：温度传感器控制阀：执行机构控制阀：执行机构被控对象：加热炉被控对象：加热炉 放大元件放大元件控制阀控制阀加热炉加热炉温度测量装置温度测量装置控制器控制器实际温度实际温度希望温度希望温度控制系统方块图控制系统方块图21H 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2.2.水箱液位控制系统水箱液位控制系统22控

15、制器：控制器： 比较、放大的作用比较、放大的作用浮子：浮子： 液面高度的测量元件液面高度的测量元件气动阀门：执行机构气动阀门：执行机构被控对象：水箱被控对象：水箱 放大元件放大元件气动阀门气动阀门水箱水箱浮子浮子控制器控制器实际液位实际液位希望液位希望液位注入注入（）控制系统方块图控制系统方块图2324扰动是一种对系统的输出产生不扰动是一种对系统的输出产生不利影响的信号。如果扰动产生在系统利影响的信号。如果扰动产生在系统内部称为内扰；扰动产生在系统外部，内部称为内扰；扰动产生在系统外部，则称为外扰。外扰是系统的输入量。则称为外扰。外扰是系统的输入量。反馈控制是这样一种控制过程，它反馈控制是这样

16、一种控制过程，它能够在存在扰动的情况下，力图减小系能够在存在扰动的情况下，力图减小系统的输出量与参考输入量（也称参考量）统的输出量与参考输入量（也称参考量）（或者任意变化的希望的状态）之间的（或者任意变化的希望的状态）之间的偏差。偏差。25 反馈控制系统是一种能对输出量与参考输入反馈控制系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的系统，它利用输出量与输入量的偏差来进行控制。控制。 应当指出，反馈控制系统不限于工程范畴，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

17、生物学中，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。也存在着反馈控制系统。26 随动系统是一种反馈控制系统，在这种随动系统是一种反馈控制系统，在这种系统中，输出量往往是机械位移、速度或者系统中，输出量往往是机械位移、速度或者加速度。因此，随动系统这个术语，与位置加速度。因此，随动系统这个术语，与位置（或速度或加速度）控制系统是同义语。（或速度或加速度）控制系统是同义语。9 9 过程控制过程控制 在工业生产过程中，诸如对压力、温在工业生产过程中，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。分比例等方

18、面的控制，称为过程控制。27一.开环控制(a) 原理图原理图温度计温度计 加热电阻丝加热电阻丝u220Vk 输入量 控制装置 被控对象 输出量1.3 闭环控制与开环控制闭环控制与开环控制28输出量输出量输入量输入量 开关开关 加热加热 电阻丝电阻丝 电炉电炉 恒温箱恒温箱 受控对象受控对象( (温度温度) )扰动量扰动量控制装置控制装置温度计温度计 加热电阻丝加热电阻丝u220Vk29 控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有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。反向联系的控制。30控制器被控制对象给定值给定值输出量输出量 控制方式控制方式：按给定值操纵。按给定值操纵。信号由

19、给定值至输出量单向传递。信号由给定值至输出量单向传递。系统的控制精度取决于系统事先的调整系统的控制精度取决于系统事先的调整 精度。精度。对于工作过程中受到的扰动或特性参数的对于工作过程中受到的扰动或特性参数的变化无法自动补偿。变化无法自动补偿。31给 定 电 压给定电位器直 流 电 动 机DVR功 率 放 大 器V生 产 机 构n32给定电压给定电位器+_控制器功率放大器直流电动机测速发电机DnCRVV33控制过程：控制过程：给 定 电 压给定电位器+_控 制 器功 率 放 大 器直 流 电 动 机测 速 发 电 机DnCRVV控制任务：保持电机恒速运行控制任务：保持电机恒速运行. . n u

20、f u ua n 34反馈元件控制器控制对象扰动量反馈量控制量输出量误差输入量35输入量输入量输出量输出量闭环控制闭环控制典型方框图典型方框图扰动扰动输出影响输入，所以能削弱或抑制干扰；输出影响输入，所以能削弱或抑制干扰；低精度元件可组成高精度系统；低精度元件可组成高精度系统；因为可能发生超调，振荡，所以稳定性很重要。因为可能发生超调，振荡，所以稳定性很重要。 特点特点：控制器控制器被控制被控制对象对象36 三三. 开环控制与反馈控制的比较开环控制与反馈控制的比较 37 (1)(1)比较元件；比较元件；(2)(2)放大元件；放大元件；(3)(3)执行元件；执行元件；(4)(4)校正元件；校正元

21、件；(5)(5)被控对象；被控对象；(6)(6)测量元件。测量元件。1.4 自动控制系统的基本组成和分类自动控制系统的基本组成和分类变换变换放大放大串联串联校正校正变换变换放大放大执行执行元件元件被控被控对象对象测量元件测量元件反馈校正反馈校正-38v用用“”号代表比较元件，号代表比较元件，v“”号代表两者符号相反，号代表两者符号相反，v“+”号代表两者符号相同。号代表两者符号相同。v信号沿箭头方向从输入端到达输出端的传输通路信号沿箭头方向从输入端到达输出端的传输通路称称前向通道前向通道；v系统输出量经测量元件反馈到输入端的传输通路系统输出量经测量元件反馈到输入端的传输通路称称主反馈通道。主反

22、馈通道。v前向通路与主反馈通路共同构成前向通路与主反馈通路共同构成主回路主回路。此外，此外，还有局部反馈通路以及由它构成的内回路。还有局部反馈通路以及由它构成的内回路。 有关概念39v测量元件：测量元件： -检测被控制的物理量，如果这个物检测被控制的物理量，如果这个物理量是非电量，一般要转换成电量。理量是非电量，一般要转换成电量。 例如例如: 测速发电机测速发电机用于检测电动机轴的速用于检测电动机轴的速度并转换为电压；度并转换为电压； 电位器、旋转变压器或自整角机电位器、旋转变压器或自整角机用用于检测角度并转换为电压；于检测角度并转换为电压； 热电偶热电偶用于检测温度并转换为电压用于检测温度并

23、转换为电压等。等。40v给定元件给定元件-给出与期望的被控量相对应的给出与期望的被控量相对应的系统输入量（即参考量）。系统输入量（即参考量）。v比较元件比较元件-把测量元件检测的被控量实际把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的参考量进行比较，求出值与给定元件给出的参考量进行比较，求出它们之间的偏差。它们之间的偏差。 常用的比较元件有常用的比较元件有差动放大器、机械差差动放大器、机械差动装置、电桥电路动装置、电桥电路等。等。41v放大元件放大元件-将比较元件给出的偏差信将比较元件给出的偏差信号进行放大，用来推动执行元件去控制号进行放大，用来推动执行元件去控制被控对象。被控对象。 电压偏差信

24、号，可用晶体管、集成电压偏差信号，可用晶体管、集成电路、晶闸管等组成的电压放大级和功电路、晶闸管等组成的电压放大级和功率放大级加以放大。率放大级加以放大。v执行元件执行元件-直接推动被控对象，使其直接推动被控对象，使其被控量发生变化。用来作为执行元件的被控量发生变化。用来作为执行元件的有有阀阀、电动机电动机、液压马达液压马达等。等。42v校正元件校正元件(补偿元件补偿元件) -是结构或参数是结构或参数便于调整的元部件，用串连或反馈的方便于调整的元部件，用串连或反馈的方式连接在系统中，以改善系统的性能。式连接在系统中，以改善系统的性能。 简单的校正元件是由电阻、电容等简单的校正元件是由电阻、电容等组成的组成的无源或有源网络无源或有源网络，复杂的则用，复杂的则用计计算机算机实现校正功能。实现校正功能。43二二. . 自动控制系统的分类自动控制系统的分类44v按输入补偿的复合控制按输入补偿的复合控制45v按扰动补偿的复合控制原理方框图按扰动补偿的复合控制原理方框图46机械系统机械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，汽车发动伺服液压缸，汽车发动 机，大型的仿真模拟台机，大型的仿真模拟台气动系统气动系统 生物系统生物系统