第一章--10.9自动控制原理

1、1自动控制原理自动控制原理Automatic Control Principle张伟张伟20122012年年9 9月月2胡寿松胡寿松 自动控制原理自动控制原理 科学出版社科学出版社胡寿松胡寿松 自动控制原理习题集自动控制原理习题集 科学出版社科学出版社王建辉王建辉 自动控制原理自动控制原理 清华大学出版社清华大学出版社吴吴 麒麒 自动控制原理自动控制原理 清华大学出版社清华大学出版社梅晓榕梅晓榕 自动控制原理自动控制原理科学出版社科学出版社梅晓榕梅晓榕 自动控制原理学习与考研指导自动控制原理学习与考研指导科科 学出版社学出版社参考书参考书3控制理论发展史控制理论发展史主要采用传递函数、频率特性

2、、根轨迹等频主要采用传递函数、频率特性、根轨迹等频域分析方法来解决单输入单输出系统的控制域分析方法来解决单输入单输出系统的控制问题。包括伯德提出的伯德图法，伊文思的问题。包括伯德提出的伯德图法，伊文思的根轨迹法。根轨迹法。 1948年年 维纳的著作维纳的著作控制论控制论和钱学森的和钱学森的工程控制论工程控制论是这一阶段的代表作是这一阶段的代表作4，主要采用状态空间法解决多输人多输出主要采用状态空间法解决多输人多输出的线性、非线性，定常、时变系统。其代表的线性、非线性，定常、时变系统。其代表性成果包括庞特里亚金的极大值原理、贝尔性成果包括庞特里亚金的极大值原理、贝尔曼的动态规划、卡尔曼和布西提出

3、的卡尔曼曼的动态规划、卡尔曼和布西提出的卡尔曼滤波器滤波器。控制理论发展史控制理论发展史5控制理论发展史控制理论发展史，控制理控制理论在广度上向论在广度上向“大系统理论大系统理论”开拓，深度上向开拓，深度上向“智能控制智能控制方向挖掘，以神经网络和模糊方向挖掘，以神经网络和模糊控制为代表的智能控制理论是现代控制理论的控制为代表的智能控制理论是现代控制理论的研究热点研究热点 6自动控制理论的发展史上的著名事件自动控制理论的发展史上的著名事件v人类对控制系统的基本原理（反馈）早有认识，并人类对控制系统的基本原理（反馈）早有认识，并利用它创造许多装置。如利用它创造许多装置。如2000年前，罗马人：水

4、位年前，罗马人：水位控制系统（淋浴）控制系统（淋浴） ，神庙（开关门）英雄装置。中，神庙（开关门）英雄装置。中国能工巧匠（技师、工程师国能工巧匠（技师、工程师 、科学家、科学家 ）：苏颂的）：苏颂的水运仪象台，张衡的地震方向测定仪。水运仪象台，张衡的地震方向测定仪。v1786年年，James Watt 为控制蒸汽机速度设计的离心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调节器，是自动控制领域的第一项重大成果。7瓦特瓦特8瓦特的蒸汽机瓦特的蒸汽机9离心调速器工作原理离心调速器工作原理10工作原理：进入蒸汽缸中的蒸汽量，可根据蒸汽进入蒸汽缸中的蒸汽量，可根据蒸汽机的希望转速与

5、实际转速的差值自动地进行调整。机的希望转速与实际转速的差值自动地进行调整。它的工作原理是：根据希望的转速，设置输入量它的工作原理是：根据希望的转速，设置输入量( (控制量控制量) )。如果实际转速降低到希望的转速值以下，。如果实际转速降低到希望的转速值以下，则调速器的离心力下降，从而使控制阀上升，进入则调速器的离心力下降，从而使控制阀上升，进入蒸汽机的蒸汽量增加，于是蒸汽机转速随之增加，蒸汽机的蒸汽量增加，于是蒸汽机转速随之增加，直至上升到希望的转速值时为止。反之，若蒸汽机直至上升到希望的转速值时为止。反之，若蒸汽机的转速增加到超过希望的转速值，调速器的离心力的转速增加到超过希望的转速值，调速

6、器的离心力便会增加，造成控制阀向下移动。这样就减少了进便会增加，造成控制阀向下移动。这样就减少了进入蒸汽机的蒸汽量，蒸汽机的转速也就随之下降，入蒸汽机的蒸汽量，蒸汽机的转速也就随之下降，直到下降至希望的转速时为止。直到下降至希望的转速时为止。 11v1868年，英国年，英国J.C 麦克斯韦首先解释了瓦特速度控麦克斯韦首先解释了瓦特速度控制系统中出现的不稳定问题。制系统中出现的不稳定问题。1877年年 劳斯劳斯 ，1892年李雅普诺夫年李雅普诺夫 分别独立地得出了劳斯判据和李雅普分别独立地得出了劳斯判据和李雅普诺夫稳定判据。诺夫稳定判据。v1922年，年，Minorsky研制出船舶操纵自动控制器

7、，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并证明了从系统的微分方程确定系统的稳定性的方法。法。v1932年，年，Nyquist提出了一种根据系统的开环频率提出了一种根据系统的开环频率响应响应(对稳态正弦输入对稳态正弦输入)，确定闭环系统，确定闭环系统稳定性的方稳定性的方法法。12v1934年，年，Hezen提出了用于位置控制系统的伺服提出了用于位置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。号的机电伺服机构。v19世纪世纪40年代，频率响应法为闭环控制系统提供年代，频率响应法为闭环控制系统提供

8、了一种可行方法，了一种可行方法，Evans提出并完善了根轨迹法。提出并完善了根轨迹法。v1948年年,美国数学家美国数学家N.Wiener出版出版Cybernetics是一个控制科学里程碑。是一个控制科学里程碑。控制论控制论的副标题是的副标题是关于人、动物及其通讯的科学。关于人、动物及其通讯的科学。1319世纪世纪50年代末，控制计问题的重点从设计许多可行年代末，控制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系统中的一种系统，转到设计在某种意义上的最佳系统。统。19世纪世纪60年代，数字计算机的出现为复杂系统的基于年代，数字计算机的出现为复杂系统的基于时域分析的现

9、代控制理论提供了可能。时域分析的现代控制理论提供了可能。从从19601980，确定性系统、随机系统的最佳控制，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。及复杂系统的自适应和学习控制，都得到充分的研究。从从1980现在，智能控制理论集中于现在，智能控制理论集中于3C（Computer计计算机、算机、Control控制、控制、Communication通信）通信）控制系统及其控制系统及其相关课题。相关课题。14第一章第一章 控制系统导论控制系统导论v1-1 自动控制的基本原理自动控制的基本原理v1-2 自动控制系统示例自动控制系统示例v1-3 自动控制系统的分

10、类自动控制系统的分类v1-4 对自动控制系统的基本要求对自动控制系统的基本要求151-1自动控制的基本原理自动控制的基本原理v自动控制技术及其应用自动控制技术及其应用v自动控制的基本概念自动控制的基本概念v自动控制系统的基本控制方式自动控制系统的基本控制方式v反馈控制系统的原理及结构反馈控制系统的原理及结构16是指在无人直接参加的情况下，利用外是指在无人直接参加的情况下，利用外加的设备或装置（加的设备或装置（称控制装置或控制器称控制装置或控制器）使机器、）使机器、设备或生产过程（设备或生产过程（称被控对象称被控对象）的某个工作状态）的某个工作状态或参数（或参数（称被控量称被控量）自动地按照预定

11、规律运行。）自动地按照预定规律运行。第一章控制系统导论第一章控制系统导论1.自动控制技术及其应用自动控制技术及其应用17自动控制自动控制：在无人直接参加的情况下，利用在无人直接参加的情况下，利用外加的设备或装置（外加的设备或装置（控制器控制器）使机器、设备或）使机器、设备或生产过程（生产过程（被控对象被控对象）的某个工作状态或参数）的某个工作状态或参数（被控量被控量）自动地按预定规律运行。）自动地按预定规律运行。被控对象：被控对象：控制系统要进行控制的受控客体控制系统要进行控制的受控客体被控量：被控量：控制对象要实现的量控制对象要实现的量2. 2. 自动控制的基本概念自动控制的基本概念18自动

12、控制理论：自动控制理论：研究自动控制共同规律的技术研究自动控制共同规律的技术科学。科学。自动控制系统：自动控制系统：是由控制装置和被控对象所组是由控制装置和被控对象所组成，它们按照一定的方式连接起来，组成一个成，它们按照一定的方式连接起来，组成一个有机总体。有机总体。2. 2. 自动控制的基本概念自动控制的基本概念19(- -)utug扰动扰动 给定给定 装置装置 放大器放大器 电动机电动机 转速反转速反 馈装置馈装置 触发器触发器 晶阐管可晶阐管可 控整流器控整流器控控 制制 装装 置置受控对象受控对象n(b) 方框图方框图ueudoRP1ugR0R0R1-utRP2- -+- -+ TGM

13、udouc(a) 原理图原理图+20v反馈控制反馈控制采用负反馈采用负反馈(正反馈较少正反馈较少)并并利用偏差进行控制的过程。利用偏差进行控制的过程。v由于引入了被反馈量的反馈信息，整个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，因此反馈控制也控制过程成为闭合的，因此反馈控制也称为称为闭环控制闭环控制 。3.反馈控制系统的组成反馈控制系统的组成21图图1.5 1.5 闭环控系统基本组成框图闭环控系统基本组成框图被控量被控量 反馈控制系统的基本组成反馈控制系统的基本组成串连校串连校正装置正装置放大装放大装置置执行执行机构机构被控被控对象对象反馈校正装置反馈校正装置测量装置测量装置给定装

14、给定装置置22给定装置：给定装置：产生给定值或输入信号（量）（即参考产生给定值或输入信号（量）（即参考量或期望值）量或期望值）测量装置：测量装置：测量被控制的物理量（被控量），用于测量被控制的物理量（被控量），用于产生反馈信号。各种传感器：测速发电机、电位产生反馈信号。各种传感器：测速发电机、电位计、热电偶等。计、热电偶等。比较装置：比较装置：把测量元件检测的实际值（被控量）与把测量元件检测的实际值（被控量）与给定元件给出的参考量进行比较，求出它们之间给定元件给出的参考量进行比较，求出它们之间的偏差。如差动放大器、自整角机。的偏差。如差动放大器、自整角机。反馈控制系统的基本组成反馈控制系统的基

15、本组成23放大装置：放大装置：将比较元件给出的偏差进行放大，用来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，如放大器、晶推动执行元件。去控制被控对象，如放大器、晶闸管。闸管。执行机构：执行机构：直接推动被控对象，使其被控量发生变直接推动被控对象，使其被控量发生变化。如步进电机，继电器开关。化。如步进电机，继电器开关。补偿装置：补偿装置：它是结构或参数便于调整的元件或机构，它是结构或参数便于调整的元件或机构，用串联或反馈的方式连接在系统中，以改善控制用串联或反馈的方式连接在系统中，以改善控制系统性能。系统性能。工业应用的控制系统：电动、汽（气）动、液动。工业应用的控制系统：电

16、动、汽（气）动、液动。反馈控制系统的基本组成反馈控制系统的基本组成24输出量输出量 环节名称环节名称( (或特性或特性) )输入量输入量(a) (- -)(b)re=r-b b(c)c引出点引出点cc 被控量被控量偏差偏差信号信号 (- -) 参考参考 输入信号输入信号r(t) 调节器调节器(或控制器或控制器)u(t)受控系统受控系统e(t) c(t)反馈信号反馈信号 控制量控制量 扰动扰动 给定给定 控制控制 环节环节 放大放大 元件元件 执行执行 机构机构 受控受控 对象对象 反馈装置反馈装置 (测量元件测量元件)25v用用“”号代表比较装置，号代表比较装置，“”号代表两者符号号代表两者符

17、号相反。相反。v前向通路：前向通路：信号沿箭头方向从输入端到达输出端信号沿箭头方向从输入端到达输出端的传输通路称；的传输通路称；v主反馈通路：主反馈通路：系统输出量经测量装置反馈到输入系统输出量经测量装置反馈到输入端的传输通路称。端的传输通路称。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。v局部反馈通路以及由它构成的局部反馈通路以及由它构成的内回路内回路。 反馈控制系统的基本组成反馈控制系统的基本组成264. 4. 自动控制系统的控制方式自动控制系统的控制方式开环控制方式：开环控制方式：开环控制是指控制器与被控对开环控制是指控制器与被控对象之间只有顺向作用而没有反向

18、联系的控制过象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制过程。分为按给定控制的开环控制系统和按扰动程。分为按给定控制的开环控制系统和按扰动控制的开环控制系统控制的开环控制系统主要控制方式有主要控制方式有：开环控制、反馈控制和复合开环控制、反馈控制和复合控制控制27控制器被控制对象给定值输出量按给定值控制的原理方框图按给定控制的开环控制系统按给定控制的开环控制系统28功率功率放大放大SM负载负载+u0nua电动机电动机速度控制系统速度控制系统电动机电动机速度速度开环开环控制系统控制系统(补充补充)29u信号由给定值至输出量单向传递。一定的给定信号由给定值至输出量单向传递。一定的给定值对应一定的输出量。

19、值对应一定的输出量。u系统的控制精度取决于系统事先的调整精度。系统的控制精度取决于系统事先的调整精度。u对于工作过程中受到的扰动或特性参数的变化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。无法自动补偿。 控制形式控制形式：30u输出不影响输入，对输出不需要测量，容易输出不影响输入，对输出不需要测量，容易实现；实现；u对构成系统的元部件精度要求高，只有元部对构成系统的元部件精度要求高，只有元部件精度高，系统的精度才能高；件精度高，系统的精度才能高；u系统的稳定性不是主要问题系统的稳定性不是主要问题u结构简单，成本低廉，多用于系统结构参数结构简单，成本低廉，多用于系统结构参数稳定和扰动信

20、号较弱的场合稳定和扰动信号较弱的场合主要特点主要特点：31扰动扰动输出输出量量控制器控制器被控制被控制对象对象测量装置测量装置按扰动补偿按扰动补偿的原理方框图的原理方框图按扰动控制的开环控制方式：按扰动控制的开环控制方式：32按扰动控制的速度控制系统按扰动控制的速度控制系统(P6)负载负载功率功率放大放大放大放大电压电压SM+u0nuaucubRi33 控制形式控制形式：利用对扰动信号的测量产生控制作：利用对扰动信号的测量产生控制作用，以补偿扰动对输出量的影响。由于扰动信号经用，以补偿扰动对输出量的影响。由于扰动信号经测量装置，控制器至被控对象的输出量是单向传递测量装置，控制器至被控对象的输出

21、量是单向传递的，故属于开环控制方式。系统自身无法控制。的，故属于开环控制方式。系统自身无法控制。 特点特点：对于不可测扰动以及被控对象及各功能：对于不可测扰动以及被控对象及各功能部件内部参数变化给输出量造成的影响不能控制，部件内部参数变化给输出量造成的影响不能控制，控制精度较低控制精度较低 应用应用：常用于工作机械的恒速控制（如稳定刀：常用于工作机械的恒速控制（如稳定刀具转速）以及电源系统的稳压，稳频控制。具转速）以及电源系统的稳压，稳频控制。34反馈控制方式：反馈控制方式：反馈：反馈：取出输出量送回输入端并与输入信号相比取出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较产生偏差信号的

22、过程负反馈控制原理负反馈控制原理 ：利用反馈产生偏差，并利利用反馈产生偏差，并利用偏差进行控制直至最后消除偏差用偏差进行控制直至最后消除偏差分类：分类：正反馈和负反馈正反馈和负反馈35输输入入量量输出输出量量反馈控制反馈控制典型方框图典型方框图控制器控制器被控制被控制对象对象扰动扰动反馈控制方式：反馈控制方式：测量装置测量装置36特点：特点：按偏差进行控制，输出影响输入，所以能按偏差进行控制，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；削弱或抑制干扰；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37闭环与开环控

23、制系统的比较闭环与开环控制系统的比较 v开环控制：开环控制：顺向作用，没有反向的联系，没有修正顺向作用，没有反向的联系，没有修正偏差能力，抗扰动性较差。结构简单、调整方便、偏差能力，抗扰动性较差。结构简单、调整方便、成本低。在精度要求不高或扰动影响较小的场合，成本低。在精度要求不高或扰动影响较小的场合，这种控制方式有一定的实用价值（步进电机，水泵，这种控制方式有一定的实用价值（步进电机，水泵，风扇）。风扇）。 v闭环控制：闭环控制：为偏差控制，可以抑制内（系统参数变为偏差控制，可以抑制内（系统参数变化）、外扰动（负载变化）对被控制量产生的影响，化）、外扰动（负载变化）对被控制量产生的影响，因此

24、，控制精度高。但是结构复杂，成本高（价格因此，控制精度高。但是结构复杂，成本高（价格成倍增加）；系统设计、分析麻烦。成倍增加）；系统设计、分析麻烦。 38控制方式：控制方式：按偏差控制和按扰动控制相结合的一按偏差控制和按扰动控制相结合的一种控制方式种控制方式优点：优点：构成高精度控制系统的一种有效控制方式，构成高精度控制系统的一种有效控制方式， 使控制系统具有良好的控制性能。使控制系统具有良好的控制性能。复合控制方式：复合控制方式：分类：分类：u按输入前馈补偿的复合控制按输入前馈补偿的复合控制u按干扰前馈补偿的复合控制按干扰前馈补偿的复合控制39图图1.4 输入补偿的复合控制系统框图输入补偿的

25、复合控制系统框图输入量输入量控制器控制器控制对象控制对象测量元件测量元件输出量输出量反馈回路反馈回路被控量被控量干扰量干扰量前馈补偿前馈补偿按输入顺馈补偿的复合控制方式：按输入顺馈补偿的复合控制方式：40图图1.3 干扰补偿的复合控制系统框图干扰补偿的复合控制系统框图输入量输入量控制器控制器控制对象控制对象测量元件测量元件输出量输出量反馈回路反馈回路被控量被控量干扰量干扰量前馈补偿前馈补偿按扰动前馈补偿的复合控制方式按扰动前馈补偿的复合控制方式41电动机速度电动机速度复合复合控制系统控制系统(P7)+电压电压放大放大+u0nuaueutRi电压电压放大放大功率功率放大放大负载负载SMTG42按

26、扰动前馈补偿的复合控制方式按扰动前馈补偿的复合控制方式实例实例-电动机控制电动机控制电压放大器电压放大器电动机电动机扰动扰动Mc功率放大器功率放大器电压放大器电压放大器电阻电阻R测速发电机测速发电机输入量输入量输出量输出量43函数记录仪原理示意图函数记录仪原理示意图(P8)RQRWuLtur变换器变换器放大器放大器绳轮绳轮电机电机测速机测速机减速器减速器1.2 自动控制系统示例自动控制系统示例44函数记录仪方块图(P8)451.2 自动控制系统示例自动控制系统示例飞机飞机自动驾驶仪系统自动驾驶仪系统46给给定定装装置置放放大大器器舵机舵机飞机飞机 反馈电反馈电位器位器 垂直垂直陀螺仪陀螺仪0扰

27、动扰动俯仰角控制系统方块图俯仰角控制系统方块图飞机方块图飞机方块图47电阻炉微型计算机温度控制系统48锅炉液位控制系统锅炉液位控制系统49液位控制系统液位控制系统(P19)控制器控制器减速器减速器电动机电动机电位器电位器浮子浮子用水开关用水开关Q2Q1cifSM50仓库大门终点开闭控制系统(P19)51发电机自动调压系统发电机自动调压系统(P20)SMGK负负载载uffi+fiG负负载载K+110V110VU521.3自动控制系统的分类自动控制系统的分类u按控制方式分类按控制方式分类 开环控制、闭环控制、复合控制开环控制、闭环控制、复合控制u按系统性能分类按系统性能分类 线性系统和非线性系统线

28、性系统和非线性系统 定常系统和时变系统定常系统和时变系统 连续系统和离散系统连续系统和离散系统53u按系统的功能分类按系统的功能分类 温度控制系统、位置控制系统温度控制系统、位置控制系统 压力控制系统压力控制系统 、调速系统、调速系统54)()()()()()()()(1111011110trbtrdtdbtrdtdbtrdtdbtcatcdtdatcdtdatcdtdammmmmmnnnnnn 1.3.11.3.1线性连续系统线性连续系统式中式中c(t)-c(t)-系统输出量系统输出量r(t)-r(t)-是系统输入量，是系统输入量，系数是常数时，称为系数是常数时，称为定常系统；定常系统；系数

29、随时间变化时，称为系数随时间变化时，称为时变系统时变系统。55恒值控制系统：也称调节器。输出量以一定的精度等于给定值，而给定值一般不变化或变化很缓慢，扰动可随时变化的系统称为恒值系统，随动系统：这类系统的特点是系统的给定值变化规律完全取决于事先不能确定的时间函数。输出量能以一定精度跟随给定值变化，又称为跟踪系统。程序控制系统：自动控制系统的参据量是按预定规律随时间变化的函数，被控制量要迅速、准确地加以复现。按输入输出分类按输入输出分类561.3.2线性定常离散控制系统线性定常离散控制系统 系统中只要有一个传递的信号是时间上断续的信号，则称为离散系统。计算机控制系统一定是离散系统。离散系统用差分

30、方程描述：。为输入和输出采样序列)(),()()1()1()()()1()1()(110110kckrkrbkrbmkrbmkrbkcakcankcankcammnn57 古典控制理论中，采用的是单输入单输出描述方法。主要是针对线性定常系统，对于非线性系统和时变系统，解决问题的能力是极其有限的。非线性系统：非线性系统：如果不能应用叠加原理，则系统是非线性的。 下面是非线性系统的一些例子：0,0)1(,sin)(322222222xxdtdxdtxdxdtdxxdtxdtAxdtdxdtxd581.4对控制系统的一般要求 为了实现自动控制的基本任务，必须对系统在控制过程中表现出来的行为为了实现自动控制的基本