自动控制绪论

1、第第1章章 绪论绪论1-1 1-1 自动控制系统概述自动控制系统概述1-2 1-2 控制系统的控制方式控制系统的控制方式1-3 1-3 控制系统的分类控制系统的分类 (Introduction to Control Systems)1-4 1-4 对控制系统的性能要求对控制系统的性能要求例例1 水温自动控制系统水温自动控制系统系统中增加了：系统中增加了：控制器控制器电机电机加入给定信号加入给定信号工作原理：工作原理：检测实际温度检测实际温度产生控制信号产生控制信号 通过电机调通过电机调节阀门的开度节阀门的开度 从而调节蒸从而调节蒸汽流入，控制汽流入，控制水的温度水的温度. 实实现没有人直接现没

2、有人直接参与的自动水参与的自动水温控制温控制.1-1 自动控制系统概述自动控制系统概述例例 2 转速负反馈直流电动机调速系统转速负反馈直流电动机调速系统直流电机直流电机测速发电机测速发电机电源和放电源和放 大装置大装置负载负载系统组成：系统组成：UnUf给定电压给定电压反馈电压反馈电压e=Un-Uf 转速取决转速取决于给定电压于给定电压与反馈电压与反馈电压的差值。的差值。1-1 自动控制系统概述自动控制系统概述 为了方便地分析系统性能，一般用为了方便地分析系统性能，一般用框图来表示系统的结构框图来表示系统的结构 要使自动控制系统满足工程实际的需要使自动控制系统满足工程实际的需要要 , 必须研究

3、自动控制系统的结构参数与必须研究自动控制系统的结构参数与系统性能之间的关系。系统性能之间的关系。unufeudn_直流电动机直流电动机放大器放大器测速机测速机实际实际温度温度偏差偏差反馈量反馈量预期预期温度温度_控制器控制器执行机构执行机构阀门阀门水箱水箱检测装置检测装置例例1的框图的框图例例2的框图的框图自动控制：自动控制： 在无人直接参与下，利用控制装置操纵受在无人直接参与下，利用控制装置操纵受控对象，使受控对象的被控量按给定信号变化。控对象，使受控对象的被控量按给定信号变化。自动控制系统：自动控制系统：由相互关联、相互作用的一些物体或元部由相互关联、相互作用的一些物体或元部件构成的且具有

4、一定规律的整体。能够完成自件构成的且具有一定规律的整体。能够完成自动控制的系统。动控制的系统。 最优控制：最优控制：系统已定，确定输入以使输出尽可能符合系统已定，确定输入以使输出尽可能符合 给定的最佳要求；给定的最佳要求；自动控制原理研究的内容：自动控制原理研究的内容：系统分析：系统分析：系统已定，输入已知，求系统的输出；系统已定，输入已知，求系统的输出；最优设计：最优设计： 输入已知，确定系统以使输出尽可能满足输入已知，确定系统以使输出尽可能满足 给定的最佳要求的；给定的最佳要求的；滤波和预测：滤波和预测：输出已知，确定能识别输入（或输入中输出已知，确定能识别输入（或输入中 的信息）的系统；

5、的信息）的系统；系统辨识：系统辨识： 输入和输出均已知，求系统的结构与参数输入和输出均已知，求系统的结构与参数 （数学模型）。（数学模型）。被控对象：被控对象：系统控制和操作的对象，被控制的系统控制和操作的对象，被控制的 机器、设备、过程或系统。机器、设备、过程或系统。自动控制系统的组成自动控制系统的组成放大装置：放大装置：放大偏差信号，以适合控制器执行。放大偏差信号，以适合控制器执行。 控制器：控制器： 直接驱动被控对象的装置。直接驱动被控对象的装置。 反馈装置：反馈装置：被控量检测出来，并产生反馈信号的装置。被控量检测出来，并产生反馈信号的装置。输入量：输入量：希望的被控对象运动规律或状态

6、的物理量希望的被控对象运动规律或状态的物理量 （参考输入、给定量）。（参考输入、给定量）。 偏差偏差 量：量：被控对象的输入量，是偏差量的函数，可被控对象的输入量，是偏差量的函数，可 将偏差量看作控制量。将偏差量看作控制量。被控制量：被控制量：反映被控对象运动规律或状态的物理量，即反映被控对象运动规律或状态的物理量，即 是系统的输出量。是系统的输出量。干扰量：干扰量：除输入信号外，对系统产生不利影响的信号。除输入信号外，对系统产生不利影响的信号。 1 1开环控制：开环控制：控制装置与受控对象之间只有控制装置与受控对象之间只有顺向作用而无反向联系。顺向作用而无反向联系。 加热炉加热炉 阀阀 门门

7、预期温度预期温度实际温度实际温度例：炉温控制例：炉温控制 燃烧器燃烧器1-2 1-2 控制系统的控制方式控制系统的控制方式开环控制特点：开环控制特点： 系统结构和控制过程简单；抗干扰能力差，系统结构和控制过程简单；抗干扰能力差，控制精度低，用于控制性能要求不高的场合。控制精度低，用于控制性能要求不高的场合。2 2闭环控制闭环控制: :控制装置与受控对象之间，不但控制装置与受控对象之间，不但有顺向作用，而且还有反向联系有顺向作用，而且还有反向联系. .例例 炉温自动控制炉温自动控制加热炉加热炉电动阀门电动阀门放大器放大器比较器比较器预期温度预期温度实际温度实际温度反馈量反馈量偏差量偏差量干扰干扰

8、闭环控制的特点：闭环控制的特点： 减小或消除由于扰动所形成的偏差值，具有较高减小或消除由于扰动所形成的偏差值，具有较高的控制精度和较强的抗扰能力的控制精度和较强的抗扰能力。闭环控制又称为闭环控制又称为反馈控制反馈控制或或按偏差控制按偏差控制。Tbuu1uTrubuu1uT温度传感器温度传感器放大器放大器3 3复合控制：复合控制：前馈控制前馈控制+ +反馈控制反馈控制前馈控制前馈控制给定值给定值被控制量被控制量_受控对象受控对象 检测元件检测元件控制器控制器(a) (a) 按输入前馈补偿的复合控制按输入前馈补偿的复合控制 测量出外部作用，形成与外部作用相反的控制测量出外部作用，形成与外部作用相反

9、的控制量与外部作用共同使被控量基本不受影响。量与外部作用共同使被控量基本不受影响。前馈控制前馈控制扰动扰动_检测元件检测元件被控制量被控制量给定值给定值控制器控制器 受控对象受控对象(b) (b) 按扰动前馈补偿的复合控制按扰动前馈补偿的复合控制2、 按输入信号分按输入信号分：3、按系统数学模型分、按系统数学模型分：时变时变 定常定常连续连续 离散离散线性线性 非线性非线性恒值恒值 程序程序 随动随动开环开环 闭环闭环 复合复合 恒值系统输入为定值，控制任务是克服扰动，使输出为恒值。恒值系统输入为定值，控制任务是克服扰动，使输出为恒值。1-3 1-3 控制系统的分类控制系统的分类 1、按信号流

10、向分、按信号流向分： 程序控制系统的输入按确定的函数关系变化，要求被控制量随程序控制系统的输入按确定的函数关系变化，要求被控制量随之变化。之变化。 随动系统的输入按事先不知道的时间函数关系变化，被控制随动系统的输入按事先不知道的时间函数关系变化，被控制量跟随其变化。量跟随其变化。线性微分方程或线性差分方程描述的系统为线性微分方程或线性差分方程描述的系统为线性系统线性系统。不能用线性微分方程描述的系统为不能用线性微分方程描述的系统为线性系统线性系统。4、按系统方程系数分、按系统方程系数分：定常：系统方程的系数不是时间变量的函数。定常：系统方程的系数不是时间变量的函数。时变：系统方程的系数是时间变

11、量的函数。时变：系统方程的系数是时间变量的函数。5、按系统时间变量特征分、按系统时间变量特征分：连续系统中所有的信号都是时间连续系统中所有的信号都是时间 t 的连续函数（模拟量）。的连续函数（模拟量）。离散：系统中有信号是时间离散：系统中有信号是时间 t 的离散函数。的离散函数。 理想的控制系统，被控量与给定值对应相等。理想的控制系统，被控量与给定值对应相等。机械质量、惯量和电路储能元件的存在，能源功率的限制机械质量、惯量和电路储能元件的存在，能源功率的限制 实际系统在给定值变化时，被控量不可能立实际系统在给定值变化时，被控量不可能立 即随给定值变化即随给定值变化 ，需经过一个，需经过一个动态

12、过程动态过程。动态过程：系统受到外信号（给定值或干扰）动态过程：系统受到外信号（给定值或干扰） 作用后，被控量随时间变化的过程。作用后，被控量随时间变化的过程。动态过程反映系统内在性能的好坏。动态过程反映系统内在性能的好坏。评价指标评价指标：稳定性：稳定性 快速性快速性 准确性准确性1-4 1-4 对控制系统的性能要求对控制系统的性能要求 系统受外作用力后系统受外作用力后,其动态过程的振其动态过程的振荡倾向和系统恢复平衡的能力。荡倾向和系统恢复平衡的能力。1、稳定性、稳定性稳定性：稳定性： 如果系统受外作用力经过一段时间如果系统受外作用力经过一段时间，其被控量达到某一稳定状态，则系统，其被控量

13、达到某一稳定状态，则系统是稳定的。是稳定的。否则为不稳定的。否则为不稳定的。稳定系统的动态过程稳定系统的动态过程r(t)t0c(t)1r(t)c(t)不稳定系统的动态过程不稳定系统的动态过程(a) 给定信号作用给定信号作用c(t)(b) 扰动信号作用扰动信号作用d(t)t0c(t)r(t)t0c(t)r(t)c(t)d(t) 不稳定的系统是无法正常工作的。不稳定的系统是无法正常工作的。 通过动态过程时间长短表征。时间通过动态过程时间长短表征。时间越短，表明快速性越好，反之亦然。越短，表明快速性越好，反之亦然。2、快速性、快速性r(t)t0c(t)r(t)c1(t)c2(t) 快速性表明了系统输出对输入响应快速性表明了系统输出对输入响应的快慢程度的快慢程度 由输入给定值与输出响应的终值由输入给定值与输出响应的终值之间的差值之间的差值ess大小表征。大小表征。3、准确性、准确性r(t)t0c(t)r(t)c(t)ess 稳定性、快速性和准确性往往是互稳定性、快速性