山东大学自控原理课件

1、自动控制(z dn kn zh)原理主讲(zhjing)教师：杨西侠1共四十三页教育部副部长 吴启迪（2007年全国自动化教育年会） 自动化领域涉及的面非常广泛，除了实际工程应用之外，还包括基础研究、方法论直到哲学(zhxu)研究的内容，这对学生的培养过程就非常的全面；对激发学生的创新能力而言，这个领域可以发挥的作用非常巨大。自动控制是一个内涵非常丰富和美丽的架构。比如说反馈的概念，这个概念无处不在。另一个就是系统的概念，我想没有什么人能比我们学自动化的人更懂得2共四十三页什么是系统工程了。所以，当我们把这些东西与很多背景结合起来的时候，就深刻感觉到控制真正是一种方法论。近年来出现的复杂性、非

2、线性、混沌等问题，都是在这个领域迸发出来(ch li)的。我相信，用自动控制中这些丰富而美丽的概念和方法来激发我们的学生，一定可以产生很多创新。我们自豪地说，自动控制的理论是一种会激发创新的理论。3共四十三页第一章绪论(xln)主要内容：1.自动控制、自动控制系统的概念 2.自动控制的两种基本方式 3.自动控制系统的类型 4.自动控制系统的要求和分析设计(shj) 5.自动控制理论的发展概况4共四十三页第一章绪论(xln) 1-1 引言 1-2 自动控制的基本知识 1-3 自动控制系统的基本控制方式(fngsh) 1-4 自动控制系统的分类及基本组成 1-5 对控制系统的要求和分析设计 1-6

3、 自动控制理论的发展概况5共四十三页1-1 引言(ynyn)1.控制理论的基础观念 控制理论是建立在有可能发展一种一般方法来研究各式各样(g sh g yng)系统中控制过程这一基础上的理论。2.控制理论的研究对象 控制理论研究的对象可狭义地定义为这样一种信息系统，即根据期望的输出来改变输入，使系统的输出能有某种预期的效果。3.控制论与数学及自动化技术的关系6共四十三页1.2.1 自动控制问题的提出 一个简单的水箱(shuxing)液面，因生产和生活需要，希望液面高度h 维持恒定。当水的流入量与流出量平衡时，水箱的液面高度维持在预定的高度上。1.2 自动控制(z dn kn zh)的基本知识水

4、箱流出流入h 当水的流出量增大或流入量减小，平衡则被破坏，液面的高度不能自然地维持恒定。7共四十三页 这种出水量与进水量的不平衡现象必然(brn)要经常发生的。这使得这种“水位恒定的要求”变得难以实现了。 所谓控制就是强制性地改变某些物理量（如上例中的进水量），而使另外某些特定的物理量（如液面高度h）维持在某种特定的标准上。 人工控制的例子。水箱流出流入h 这种人为地强制性地改变进水量(shu lin)，而使液面高度维持恒定的过程，即是人工控制过程。8共四十三页1.2.2 自动控制的定义及基本职能(zhnng)元件 1.自动控制的定义 自动控制就是在没有人直接参与的情况下，利用控制器使被控对象

5、（或过程）的某些物理量（或状态）自动地按预先给定的规律去运行。水箱流出流入h控制器浮子(f zi) 当出水与进水的平衡被破坏时，水箱水位下降(或上升)，出现偏差。这偏差由浮子检测出来，自动控制器在偏差的作用下，控制阀门开大(或关小)，对偏差进行修正，从而保持液面高度不变。9共四十三页 2. 自动控制的基本职能元件 自动控制的实现,实际上是由自动控制装置来代替(dit)人的基本功能，从而实现自动控制的。画出以上人工控制与自动控制的功能方框图进行对照。水箱流出流入h水箱流出流入h控制器浮子 眼睛 浮子 大脑 自动控制器 肌肉、手 执行(zhxng)元件10共四十三页肌肉和阀门希望液位实际液位大 脑

6、水 箱眼 睛 比较两图可以看出，自动控制实现人工控制的功能，存在必不可少的三种(sn zhn)代替人的职能的基本元件：气 动阀 门希望液位实际液位浮 子控制器水 箱11共四十三页执 行元 件参考输入输出测量变送元件控制器对 象扰动输入 测量元件与变送器（代替眼睛）； 自动控制器（代替大脑）； 执行元件（代替肌肉、手）。 这些基本(jbn)元件与被控对象相连接，一起构成一个自动控制系统。下图是典型控制系统方框图。12共四十三页1.2.3 自动控制中的一些术语及方框图 1.常用术语 控制对象 控制器 系统 系统输出 操作量 参考输入 扰动 特性 2.系统方框图 将系统中各个部分都用一个方框来表示，

7、并注上文字或代号，根据各方框之间的信息传递关系，用有向线段把它们依次连接起来，并标明相应(xingyng)的信息。 突出了系统中各环节输入与输出的关系及各环节之间的相互影响，便于定性和定量分析。13共四十三页1.3.1 开环控制 开环控制是最简单的一种控制方式，我们可以给出开环控制的一般(ybn)定义： 定义：控制量与被控量之间只有顺向作用而没有反向联系。 开环控制系统的典型方框图如图所示。1.2 自动控制(kngzh)系统的基本控制(kngzh)方式控制器被控对象控制量被控量 交通指挥红绿灯，自动洗衣机，自动售货机，产品自动生产线，数控车床等等。14共四十三页电动机转速滑臂位置功率放大器电位

8、器1.按给定(i dn)控制 下图是一个直流电动机转速控制系统。 当调节电位器滑臂位置时，改变功率放大器的输入电压，从而(cng r)改变电动机的电枢电压，最终改变电动机的转速。以上的控制过程，用方框图简单直观地表示出来。 M功率放大器电动机负载电位器15共四十三页2.按扰动(rodng)控制 图示是一个按扰动控制的直流电动机转速控制系统。负载电压放大器M功率放大器+- R i+控制过程可用方框图表示(biosh)成如图示的形式。16共四十三页电动机转速给定不变功率放大器电位器+负载变化电压放大器检 测电 阻 把负载变化视为外部扰动输入(shr)，对输出转速产生的影响及控制补偿作用，分别沿箭头

9、的方向从输入(shr)端传送到输出端，作用的路径也是单向的，不闭合的。有时我们称按扰动控制为顺馈控制。17共四十三页 开环控制的特点： （1）结构简单、调整方便、成本低。 （2）给定一个输入，有相应的一个输出。 （3）在系统方框图中，作用信号是单方向传递的，形成开环。 （4）输出不影响输入。 （5）若系统有外界扰动时，系统输出量不可能有准确的数值，即开环控制精度不高，或抗干扰能力差。1.3.2 闭环控制 定义：凡是系统输出信号对控制作用有直接(zhji)影响的系统，都叫做闭环控制系统。18共四十三页 在控制系统中，控制装置对被控(bi kn)对象所施加的控制作用，若能取自被控量的反馈信息，即根

10、据实际输出来修正控制作用，实现对被控对象进行控制的任务，这种控制原理称为反馈控制原理。正是由于引入了反馈信息，使整个控制过程成为闭合的。因此，按反馈原理建立起来的控制系统，叫做闭环控制系统。在闭环控制系统中，其控制作用的基础是被控量与给定值之间的偏差。 人本身就是一个具有高度复杂控制能力的闭环系统。比如，人可以用手拿到放在桌上的书等物，体现了闭环控制的原理。 直流电动机转速闭环控制的例子。19共四十三页电动机转速给定位置功率放大器电位器+-负载扰动测速发动机ufureuaF测速发动机M功率放大器电动机负载电位器20共四十三页 闭环控制的特点： 控制作用不是直接来自给定输入(shr)，而是系统的

11、偏差信号，由偏差产生对系统被控量的控制； 系统被控量的反馈信息又反过来影响系统的偏差信号，即影响控制作用的大小。这种自成循环的控制作用，使信息的传递路径形成了一个闭合的环路，称为闭环。 提高了控制精度。 闭环控制系统的典型方框图如图所示。 控制器被控对象反馈元件输入输出+-偏差21共四十三页三.开环与闭环控制系统的比较 闭环系统的优点是采用(ciyng)了反馈，因而使系统的响应对外部干扰和内部系统的参数变化均相当不敏感。这样，对于给定的控制对象，有可能采用(ciyng)不太精密且成本较低的元件构成精密的控制系统。在开环情况下，就不可能做到这一点。 从稳定性的观点出发，开环控制系统比较容易建造，

12、因为对开环系统来说，不存在稳定性的问题。但是在闭环系统中，稳定性则始终是一个重要问题。因为闭环系统可能引起过调误差，从而导致系统做等幅振荡或变幅振荡。 工程上常采用的复合控制方法，就是把两者结合起来使用。22共四十三页 复合控制实质上是在闭环控制回路的基础上，附加一个输入信号（给定或扰动(rodng)）的顺馈通路，对该信号实行加强或补偿，以达到精确的控制效果。 常见的方式有以下两种： 1.附加给定输入补偿控制器被控对象补偿装置输入输出+- 通常，附加(fji)的补偿装置可提供一个顺馈控制信号，与原输入信号一起对被控对象进行控制，以提高系统的跟踪能力。23共四十三页2.附加扰动输入补偿 该种复合

13、控制方框图。附加的补偿装置所提供(tgng)的控制作用，主要起到对扰动影响“防患未然”的效果。控制器被控对象补偿装置输入输出+-+扰动24共四十三页1-4 自动控制系统的分类基本(jbn)组成1.4.1 按给定信号的特征划分 给定信号是系统的指令信息。它代表了系统希望的输出值，反映(fnyng)了控制系统要完成的基本任务和职能。 1.恒值控制系统：给定输入维持不变，希望输出维持在某一特定值上。 液位控制系统，直流电动机调速系统等等。 2.随动控制系统：给定信号上预先不知道的随时间任意变化的函数。控制系统能够使被控量以尽可能小的误差跟随给定值的变化。 跟踪卫星的雷达天线系统 3.程序控制系统：给

14、定值按预先给定的规律变化的控制系统。机械加工中的程序控制机床等等。25共四十三页1.4.2 按系统的数学描述(mio sh)划分 1.线性系统 当系统各元件输入输出特性是线性特性，系统的状态和性能可以用线性微分（或差分）方程来描述时，则称这种系统为线性系统。 所谓线性特性是指元件的静特性是一条过原点的直线，也称其为线性元件。因此，由线性元件组成的系统则必是线性系统。线性系统的一个突出特点就是满足叠加原理，可运用叠加原理的两个性质（可叠加性和齐次性），作为鉴别系统是否为线性系统的依据。线性系统r(t)c(t)r1(t) c1(t) r2(t) c2(t)r1(t) + r2(t) c1(t) +

15、 c2(t)ar1(t) ac1(t)26共四十三页线性定常系统(xtng)和线性时变系统(xtng)叠加原理(yunl) r1(t) c1(t) r2(t) c2(t) r1(t) + r2(t) c1(t) + c2(t) ar1(t) ac1(t)27共四十三页 yx0b-b yxa-a0-bb2.非线性系统 系统中只要存在(cnzi)一个非线性特性的元件，系统就由非线性方程来描述，这种系统称为非线性系统。yxka-a0M-Myxka-a028共四十三页1.4.3 按信号传递的连续性划分 1.连续(linx)系统 连续系统的特点是系统中各元件的输入信号和输出信号都是时间的连续函数。这类系

16、统的运动状态是用微分方程来描述的。 连续系统中各元件传输的信息在工程上称为模拟量，多数实际物理系统都属于这一类，其输入输出一般用r(t)和c(t)表示。r(t) t 0c(t) t 029共四十三页 2.离散系统 控制系统(kn zh x tn)中只要有一处的信号是脉冲序列或数码时，该系统即为离散系统。这种系统的状态和性能一般用差分方程来描述。实际物理系统中，信息的表现形式为离散信号的并不多见，往往是控制上的需要，人为地将连续信号离散化，我们称其为采样。c(t) t 0c(t)c*(t)c*(t) t 030共四十三页1.4.4 按系统的输入与输出信号的数量划分 1.单变量系统（SISO） 2

17、.多变量系统（MIMO）1.4.5 自动控制系统的基本组成 在形形色色的自动控制系统中，反馈控制是最基本的控制方式之一。一个典型的反馈控制系统总是(zn sh)由控制对象和各种结构不同的职能元件组成的。除控制对象外，其他各部分可统称为控制装置。每一部分各司其职，共同完成控制任务。下面给出这些职能元件的种类和各自的职能。31共四十三页输出输入放大元件+-测量变送元件给定元件执行元件串联校正元件+-对象反馈校正元件 给定元件(yunjin)：其职能是给出与期望的输出相对应的系统输入量，是一类产生系统控制指令的装置。 32共四十三页 测量元件：其职能是检测被控量，如果测出的物理量属于非电量，大多情况

18、下要把它转换成电量，以便利用电的手段加以处理。 比较元件：其职能是把测量元件检测到的实际输出值与给定元件给出的输入值进行比较，求出它们之间的偏差。 放大(fngd)元件：其职能是将过于微弱的偏差信号加以放大，以足够的功率来推动执行机构或被控对象。 执行元件：其职能是直接推动被控对象，使其被控量发生变化。 校正元件：为改善或提高系统的性能，在系统基本结构基础上附加参数可灵活调整的元件。工程上称为调节器。常用串联或反馈的方式连接在系统中。33共四十三页1.5 对控制系统的要求(yoqi)和分析设计1.5.1 对系统的要求 各类控制系统为达到理想的控制目的，必须具备以下(yxi)两个方面的性能 (基

19、本要求) ： （a）使系统的输出快速准确地按输入信号要求的期望输出值变化。 （b）使系统的输出尽量不受任何扰动的影响。 对自控系统性能的要求一般可归纳为三大性能指标： （1）稳定性：要求系统绝对稳定且有一定的稳定裕量。 （2）瞬态质量：要求系统瞬态响应过程具有一定的快速性和变化的平稳性。34共四十三页 在实际系统(xtng)中，由于总是存在着不同性质的储能元件。并且也由于能源功率的限制，使得系统(xtng)放大能力必然有限。因而使相应的运动加速度不会太大，速度和位移不会瞬间变化，而要经历一段时间，即系统(xtng)运动必然有一个渐变的过程。r(t) t 0c(t) t 0 （3）稳态误差：要求

20、系统最终的响应准确度，限制在工程允许(ynx)的范围之内，是系统控制精度的恒量。35共四十三页1.5.2 控制系统的分析和设计 1.系统分析 系统给定，在规定的工作(gngzu)条件下，对它进行分析研究，其中包括稳态性能和动态性能分析，看是否满足要求，以及分析某个参数变化时对上述性能指标的影响，决定如何合理地选取等。 2.系统的设计 系统设计的目的，是要寻找一个能够实现所要求性能的自动控制系统。因此，在系统应完成的任务和应具备的性能已知的条件下，根据被控对象的特点，构造出适合的控制器是设计的主要任务。应进行的步骤如下： （1）熟悉对系统性能的要求。 （2）根据要求的性能指标综合确定系统的数学模

21、型。36共四十三页 （3）若控制对象是已知的，根据确定的系统数学模型和已知部分的数学模型，求得控制器的数模和控制规律。 （4）按综合确定的数模进行系统分析，验证它在各种信号作用下是否满足要求。若不满足，及时修正。 （5）样机(yn j)设计制造和试验，验证设计结果。1-6 自动控制理论(lln)的发展概况 具有“自动”功能的装置的历史可追逆到公元前1411世纪在中国、埃及和巴比伦出现的自动计时漏壶。 公元4世纪，希腊柏拉图(Platon)首先使用了“控制论”一词。 运用反馈原理设计出来并成功应用的是英-瓦特(J.wate)于1788年发明的蒸汽机用的离心式飞锤调速器。37共四十三页 后来，英-

22、麦克斯韦(J.C.Maxwell)于1868年发表了“论调速器”一文，对它的稳定性进行了分析，指出控制系统的品质可用微分方程来描述，系统的稳定性可用特征方程根的位置(wi zhi)和形式来研究。当属最早的理论工作。 1875年英-劳斯(E.J.Routh)和德-赫尔维茨(A.Hurwitz)先后提出了根据代数方程系数判别系统稳定性的准则。 1892年俄-李雅普诺夫出版了专著“论运动稳定性的一般问题”，提出了用李雅普诺夫函数的正定性及其导数的负定性判别系统稳定性的准则，从而建立了动力学系统的一般稳定性理论。 1932年美籍瑞典-奈奎斯特(H.Nyquist)提出了根据频率响应判别反馈系统稳定性的准则。38共四十三页 1938年前苏联米哈依洛夫提出了图解分析方法判别系统稳定性的准则，把奈氏判据推广到条件稳定和条件不稳定系统的一般情况。 1948年美国维纳(N.wiener)出版了专著(zhunzh)控制论关于在动物和机器中控制和通信的科学，系统地论述了控制理论的一般原理和方法，推广了反馈的概念，为控制理论学科的发展奠定了基础。该书的出版标