自动控原理第一章概论-课件

自动控制原理

1ppt课件第一章概论2ppt课件

现代社会和现代生活离不开对一些物理量的控制，包括实现对这种控制的自动化。例如公共电网上的电压是50周、220伏的交流电。电压偏离这些给定值，会引起电器工作的不正常，甚至损坏。为此，在发电厂就要设法控制电压、频率这两物理量为恒值，这要采用自动调压和自动调频装置。在工业生产中，如在化肥厂控制反应釜（塔）内温度和压力为恒值，使化学反应速度加快。在机械加工厂金属切削机床上，经常是控制工件或刀具的转速为恒值，使产品的质量、产量能提高。什么是自动化？3ppt课件

而各种现代火炮的俯仰角和方位角都是自动控制的。现代生活中，空调器保持室内温度为恒值、卫生洁具水箱的水位也保持为恒值。其它如冰箱、洗衣机无不进行一些物理量的控制为恒值，而洗衣机更把洗衣、漂洗和脱水等操作自动按程序进行。保持室内温度为恒值、卫生洁具水箱的水位也保持为恒值。其它如冰箱、洗衣机无不进行一些物理量的控制为恒值，而洗衣机更把洗衣、漂洗和脱水等操作自动按程序进行。4ppt课件什么是自动化？

(a)手动控制漫画(b)自动控制

水温的手动控制和自动控制的示意图5ppt课件

图中水温的操作员要用手（通过感觉）来测试水的温度，并将此温度与他要求的值（给定值）相比较（通过大脑）。同时他要决定（通过大脑）：他的手应该朝哪个方向旋转加温用的蒸汽阀门和旋转多大的角度。采用自动控制时上述功能都有各种的元件和仪表来代替。例如，温度测量元件、控制记录仪表和调节阀等。6ppt课件防空导弹制导1-目标跟踪雷达2-导弹导引雷达3-计算机雷达4-导弹发射架7ppt课件

各种现代火炮的俯仰角和方位角都是自动控制的，特别用双雷达控制的防空导弹可以自动跟踪高空的飞行目标进行命中爆炸。8ppt课件自动化技术的应用

在现代科学技术的众多领域中，自动控制技术着越来越重要的作用。随着电子计算机技术的发展和应用，在宇航、机器人控制、导弹制导以及核动力等高新技术领域中，自动控制技术更具有特别重要的作用。不仅如此，自动控制技术的应用范围现已扩展到生物、医学、环境、经济管理和其他许多社会生活领域中，自动控制已成为现代社会活动中不可缺少的重要组成部分。9ppt课件控制理论在发展社会生产力中的作用1.军事、航天领域火炮、雷达、跟踪系统；人造卫星、宇宙飞船。10ppt课件工业生产过程轧钢过程化工水泥制造造纸11ppt课件现代农业生产疫情检测自动灌概农产品质量检测12ppt课件自动化技术发展简史人类在长期的生产和生活中，为了减轻自己的劳动强度，逐渐利用自然界的动力，如：风力、水力等代替人力和畜力。以及用自动装置代替人的部分复杂的脑力活动和对自然界动力的控制。13ppt课件一、古代自动装置公元前14世纪至公元前11世纪，在中国和巴比伦出现了自动计时装置－－刻漏，为人类研制和使用自动装置之始。三国时期，使用了自动指示方向的指南车。公元一世纪古埃及和希腊的发明家创造了教堂庙门的自动开启和铜祭司自动洒圣水等设备。中国的天文学家张衡发明了对天体运行自动仿真的浑天仪和自动检测地震的地动仪。14ppt课件

指南车

指南车是一种马拉的双轮独辕车，车箱上立一个伸臂的木人。车箱内装有能自动离合的齿轮系。当车子转弯偏离正南方向时车辕前端就顺此方向移动，而后端则向反方向移动，并将传动齿轮放落，使车轮的传动带动木人下的大齿轮向相反方向转动，恰好抵消车子转弯产生的影响（图2.3）

齿轮系车身木人方向车辆转弯中国古代用来指示方向的一种具有能自动离合的齿轮系装置的车辆。15ppt课件指南车复原模型16ppt课件指南车原理17ppt课件

铜壶滴漏

中国古代的自动计时（测量时间）装置，又称刻漏或漏刻。

这种计时装置最初只有两个壶，由上壶滴水到下面的受水壶，液面使浮箭升起以示刻度（即时间）（图2.6之右）。保持上壶的水位恒定是滴漏计时准确的关键。这个问题后来是用互相衔接的多极（3-5极）水壶来解决的。

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根据宋朝杨军的《六经图》（公元1155）转述：莲华漏（图2.6之左）由4个壶组成。天地壶、平水壶逐级向平水小壶供水。平水小壶上有溢水口，可使多余的水泄入减水桶以保持水面恒定。在莲华漏中还采用一个浮子式阀门作为自动切断阀。当受水壶的水位升至满刻度时，浮子式阀门就会自动阻塞上级平水壶的出水小孔，切断水滴（见图2.6上平水壶前的一个小鸟式装置）。19ppt课件铜壶滴漏20ppt课件饮酒速度自动调节，

计里鼓车

图2.8饮酒速度自动调节

图2.9、2.10计里鼓车(复原模型)及原理

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候风地动仪图图2.12候风地动仪图(复原模型)及剖面图22ppt课件水运仪象台公元1088年，中国苏颂等人把浑仪（天文观测仪器）、浑象（天文表演仪器）和自动计时装置结合在一起建成了水运仪象台。

23ppt课件水运仪象台枢轮和天衡装置示意图24ppt课件

公元2世纪，中国东汉的天文学家张衡创制的一种天文表演仪器。它是一种用漏水推动的水运浑象，和现在的天球仪相似，可以用来实现天体运行的自动仿真。图2.11张衡水力天文仪器中齿轮系推想图漏水转浑天仪25ppt课件二、近代自动装置

17世纪以来，在欧洲的一些国家相继出现了多种自动装置，如1642年法国物理学家帕斯卡（Pascal)发明了加法器。

1657年荷兰人惠更斯（Huygens）发明了钟表。

1765年俄国机械师波尔祖诺夫发明了锅炉水位保持恒定的浮子式阀门水位调节器。

1788年瓦特（Watt）发明了离心式调速器，并把它与蒸汽机的阀门连接起来，构成蒸汽机转速的闭环自动调速系统，这项发明对第一次工业革命和控制理论后来的发展具有重要的影响。26ppt课件自动化技术形成时期（18世纪末至20世纪30年代）公元1788年J.瓦特将离心式调速器与蒸汽机的阀门连接起来，构成蒸汽机转速的闭环自动调速系统（图2.16）27ppt课件

对象和调节器形成调节系统蒸汽源蒸汽机(对象)负荷离心式调速器(调节器)进汽阀转速测量28ppt课件

18世纪以前，自动控制系统发展的特点是凭借发明者的直觉、聪明和经验，往往是就事论事，不同控制系统之间没有多少联系，没有理论上的指导。

随着技术的发展，控制系统的应用增多，人们发现，不同的控制系统有一些共同的问题要解决，如：系统的稳定性、控制精度，过渡过程。因此，需要发展一门专门的理论来研究自动控制系统的一些共性的问题－－自动控制理论。

1868年，英国人麦克期韦尔（Maxwell）用微分方程建立了一类调节器的数学模型，将自动控制系统与数学联系起来。

29ppt课件自从数学分析方法引入控制系统后，对自动控制系统的研究成为一门严谨的科学，极大地推动了自动控制理论和自动控制技术的发展。数学分析方法的引入，抛开了以前对某一具体的实物进行研究的方法，而是用数学语言来描述某一个控制系统，即建立数学模型，进而对数学模型研究。30ppt课件

在实际应用中，有各种各样不同的控制系统，如水位、流量、压力、温度、转速等。在控制理论中则抛开事物的具体物理含义而进行抽象化，只要它们的数学模型相同，我们就可以认为它们具相同的运动规律，因此自动控制理论具有广泛的指导意义，是自动化专业必修的基础课。

请注意：

在本课中所讨论的数学模型即是用数学语言描述的控制系统，分析这些数学模型，就是在进行系统分析。

所以要学好本课，我们要复习好相关的数学知识，特别是微分方程、复变函数、积分变换、线性代数等。31ppt课件

控制理论及应用在当时科技发达的国家，如美国、欧洲的发展情况与俄罗斯的发展经历了不同的途径。在美国Bode（伯德）、Nyquist（奈奎斯特）等采用带宽等频域指标来分析控制系统的运动规律，建立了控制系统的频域分析法。在俄罗斯的科学家则倾向于用微分方程来描述控制系统－－时域分析法。32ppt课件自动控制技术发展时期（20世纪40－50年代）

在第二次世界大战期间，自动控制理论及应用得到了很大的发展，由于战争的需要，用反馈控制方法设计和建造飞机自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达天线控制等军用系统，这使人们更加关注对自动控制系统的研究，同时也产生了许多新见解和分析方法。在拉普拉斯（Laplace）变换的基础上，传递函数（TransferFunction）的概念引入成为重要的分析工具。使频域分析法在控制领域中得到了广泛的应用。在这一时期还发展了S平面法、根轨迹分析法。此外，劳斯（Rounth）、霍尔维茨（Hurwitz）提出了在S平面上系统稳定性判据。奈奎斯特提出了系统频域稳定判据。33ppt课件

上述理论上的发展，形成了完善的经典控制理论体系。

1945年美国数学家维纳（Wiener）出版了《控制论》一书，为控制论奠定的基础。

1954年中国科学家钱学森全面总结和提高了经典控制理论，出版了很有影响的《工程控制论》一书。34ppt课件自动控制技术的普及应用（20世纪50年代－－）

随着计算机技术的发展和应用，计算机引入了自动控制领域，为自动控制系统提供了前所未有的运算速度和精度，同时也为多变量控制系统提供了条件，并发展了离散系统控制理论。人造卫星和空间时代的到来，为导弹和空间探测器设计复杂、高精度、多变量、多输入、多输出的控制系统成为现实的需要。

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1956年前苏联数学家庞特里亚金提出了极大值原理，同年美国数学家贝尔曼（Bellman）创立了动态规划为解决最优控制问题提供了理论工具。

1960年美国数学家卡尔曼（Kalman）引入了状态空间法（Statespacemathod），这些新概念和新方法标志着现代控制理论的诞生。

现代控制理论形成后，形成了多个分支：

1、系统辨识：根据系统输入、输出数据为系统建立数学模型的理论和方法。

2、自适应控制：能在控制对象数学模型变动和系统外界信息不完备的情况下改变反馈控制器的特性，以保持良好的工作品质。

3、遥测、遥控、遥感

4、综合自动化：柔性制造系统（FMS）和无人车间。

5、人工智能、大系统理论等。36ppt课件自动防空火力控制系统

在第二次世界大战期间，为了防空火力控制系统和飞机自动导航系统等军事技术问题，各国科学家设计出各种精密的自动调节装置，开创了防空火力系统和控制这一新的科学领域（图2.19和图2.20）。37ppt课件智能化的仪表YS-80及所属的可编程序智能控制器SLPC

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国产巨型“银河Ⅱ”电子数字计算机

封里彩图为国产巨型“银河Ⅲ”电子数字计算机

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综合自动化

20世纪50年代末到60年代初，开始出现电子数字计算机控制的化工厂，60年代末在制造工业中出现了许多自动生产线，工业生产开始由局部自动化向综合（全盘）自动化方向发展。70年代出现用专用机床组成的无人工厂，80年代初才出现用柔性制造系统组成的无人工厂（图2.25和图2.26）。

无人加工车间

图2.2540ppt课件

无人组装车间41ppt课件

智能和水下机器人

42ppt课件本章重点：1.自动控制概念；2.控制系统的组成和术语；3.控制系统的基本分类；4.对控制系统的基本要求。43ppt课件1、自动控制的概念

自动控制，指在无人直接参与的情况下，利用控制装置（控制器）自动地、有目的地控制机器或生产过程，使被控对象(如位移、速度、温度，电力系统中电压、电流、功率等物理量或某些化合物的成分等)，依照预定的规律进行运动或变化。这种能对被控制对象的工作状态进行控制的系统称为自动控制系统。它一般由控制器和被控对象组成。44ppt课件液位控制系统控制器减速器电动机电位器浮子用水开关Q2Q1cifSM45ppt课件液位控制系统工作原理

经过适当的调试，使电位器的活动臂位于中间位置时，电动机的输入电压为0伏，电动机停止转动，当控制阀门保持一定的开启度，使水箱中的进水量Q1与出水量Q2相等，从而使水位保持在希望的高度上。

当流入水量或流出水量发生变化，水箱中液位也会发生变化，通过浮子带动电位器的滑臂移动，改变电动机的输入电压，使电动机正向或反向转动。

如当液面上升时，浮子升高，带动电位器的滑臂位置从中间点往下移，给电动机提供一个负值电压，使电动机反转，通过减速器减小阀门的开启度，使进水量Q1小于出水量Q2，从而使水位下降，浮子也随之下降，直到电位器的滑臂回到中间点的位置。系统重新处于平衡状态，液面恢复给定的高度。

反之，若水箱的液位下降，则系统会自动增大阀门的开启度，加大进水量，使液位上升到给定的高度。46ppt课件2、控制系统的组成和术语：1.为达到某一目的，由相互制约、相互联系的各个部件按照一定规律构成且具有独立功能的整体称为系统。2.自动控制系统是由被控对象和控制器按照一定方式连接起来，能完成一定自动控制任务的总体。47ppt课件

3.自动控制系统的系统输出量称为被控制量。

4.输入量：

给定输入（或称参考输入、希望值等）：指对系统输出量的要求值。

扰动输入：指对系统输出量有不利影响的输入量。

如，液位控制系统中：被控对象：阀门被控量：液位执行元件：减速器控制器：电动机给定元件：电位器48ppt课件反馈控制系统

5.反馈：将检测出来的输出量送回到系统的输入端，并与输入信号相比较，产生偏差的过程称为反馈。若反馈信号与输入信号相减，则称为负反馈；反之，若二信号相加，则称为正反馈。49ppt课件6、开环控制系统

输出量对输入量没有影响的系统叫开环控制系统。开环控制系统比较简单，给定的一个输入，便有一个相应输出，但输出量不可能有准确的数值，尤其是当系统有外界扰动时，变化更大。开环控制精度不高的重要原因是：没有根据系统的实际输出修正输入值。50ppt课件7、闭环控制系统

输出量对输入量有影响的系统叫闭环控制系统。自动控制理论中研究的系统都是闭环控制系统。51ppt课件8、反馈控制系统的基本组成一个控制系统是由各种功能不同的部件组成，主要有：1.测量元件：其职能是检测被控制的物理量，温度控制系统中：温度传感器；压力控制系统中：压力传感器；速度控制系统中：速度传感器等。2.给定元件：给出与期望被控量相对应的系统输入量，如：电位器。3.比较元件：求出给定值与反馈值之间的偏差。4.放大元件：由放大器组成的放大电路，可用晶体管、集成电路、晶闸管等组成。5.执行元件：直接推动被控对象。如液位控制系统中的阀门；速度控制系统中的功率放大器；温度控制系统中的发热材料。6.校正元件或称为补偿元件，用以改善系统的性能。52ppt课件9、方框图

R欧姆定律：U＝RIIU

控制系统多种多样，控制原理不讨论具体的实物系统，而是将控制系统的共同规律抽象出来进行研究。为了方便起见，常用方框图来表示一个控制系统。用方框表示被控对象和各元件功能，系统中的物理量如：电压、电流、温度、压力、速度等用带箭头的直线表示。如图所示：进入方框的箭头表示输入量，离开方框的箭头表示输出量。

用方框中的函数关系表示输入－输出关系53ppt课件

在方框图中信号从输入端沿箭头方向到达输出端的传输通道称为前向通路。系统输出量经测量元件反馈到输入端的传输通路称主反馈通路。前向通路与主反馈通路共同构成主回路。在主回路内还可以有局部反馈通路和由它们构成的内回路。只包含一个主反馈通路的系统称单回路系统。有两个或两个以上反馈通路的系统称为多回路系统。54ppt课件10、输入作用、扰动作用作用到反馈控制系统上的外界作用有两种，一种是有用输入；一种是扰动。

输入作用决定系统被控量的变化规律，是系统运行的控制量。

扰动作用是系统不希望的外作用，它破坏输入作用对系统的控制。扰动的种类很多，在实际系统中，扰动总是不可避免的，如：电源电压的波动；环境温度、压力的变化、飞行中气流的变化。航海中的波浪、半导体器件的零漂等。反馈系统的作用之一就是要使扰动对系统的影响减小到最低。55ppt课件参考输入r：输入到控制系统的指令信号；

主反馈b：与输出成正比或成某种函数关系，但量纲与参考输入相同的信号；

偏差e：参考输入与主反馈之差的信号，偏差有时也称为误差；

控制环节Gc：接受偏差信号，通过转换与运算，产生控制量；

控制量u：控制环节的输出，作用于被控对象的信号；

扰动n：不希望的、影响输出的信号；

被控对象Go：它接受控制量并输出被控制量；

输出c：系统被控制量；

反馈环节H：将输出转换为主反馈信号的装置；

比较环节：相当于偏差检测器，它的输出量等于两输出量的代数和。箭头上

的符号表示输入在此相加或相减。

56ppt课件11、控制系统的分类

控制系统分类的方法有很多种，本书将系统分为：一、线性连续控制系统：当组成系统的各元件的输入/输出关系特性是线性特性，系统的状态和性能可以用线性微分方程或线性差分方程来描述时，则称这种系统为线性系统。线性系统的特点：可以运用叠加原理。57ppt课件线性连续控制系统的一般表达式58ppt课件

上式中：

c(t)是被控量（输出量）

r(t)是输入量

a0、a1、a2…an；b0、b1、b2…bm是系数

当系数为常数时，称为线性定常系统；

当系数随时间变化时，称为时变系统。……

59ppt课件二线性定常离散控制系统离散控制系统是指系统的某处或多处的信号为脉冲序列或者说系统的某处或多处的信号不是时间的连续函数。如计算机控制系统，控制信号是数字脉冲量。离散系统要用差分方程描述

a0c(k+n)+a1c(k+n-1)+…+an-1c(k+1)+anc(k)=b0r(k+m)+b1r(k+m-1)+…+bm-1r(k+1)+bmr(k)式中：

a0、a1…an；b0、b1、bm是系数，n为差分方程的次数r(k)、c(k)分别为输入和输出采样序列60ppt课件三、非线性控制系统

系统中只要有一个元件的输入－输出特性是非线性的，这类系统就称为非线性控制系统。非线性系统用非线性微分方程或非线性差分方程描述。

非线性系统不满足叠加原理，61ppt课件典型非线性环节输入输出特性1.死区特性死区非线性特性的数学表达式为62ppt课件2.饱和特性饱和非线性特性的数学表达式63ppt课件3.继电器特性a)c)b)d)理想继电器有死区的继电器有回环的继电器有死区和回环的继电器64ppt课件4.间隙特性图为磁滞回路的输入、输出特性，它的数学表达式为65ppt课件

从严格的意义上讲，实际上不存在绝对的线性系统，各种物理系统都含有程度不同的非线性元件，如：放大器的死区、饱和特性，铁磁元件的磁滞特性，运动部件的间隙、摩擦等。

对于非线性系统，在数学上处理较困难，目前尚无统一的方法来研究不同形式的非线性系统。

在实际研究中，对于非线性程度不太严重的元件，可一定范围内作线性化处理，将非线性问题转化成线性问题。

如：三极管放大电路分析所用的小信号分析法。

66ppt课件12.对自动控制控制系统的基本要求：(1)稳定性：稳定性是对控制系统最基本的要求。所谓系统稳定，一般指当系统受到扰动作用后，系统的被控制量偏离了原来的平衡状态，但当扰动撤离后，经过若干时间，系统若仍能返回到原来的平衡状态，则称系统是稳定的。(2)准确性：给定稳态误差和扰动稳态误差越小，表示稳态精度也越高。(3)快速性：控制系统不仅要稳定和并有较高的精度，而且还要求系统的响应具有一定的快速性，对于某些系统来说，这是一个十分重要的性能指标。有关系统响应速度定量的性能指标，一般可以用上升时间﹑调整时间和峰值时间来表示。67ppt课件13、对自动控制系统的基本要求

系统的响应与信号形式有关，输入信号不同，系统的响应不同。为了便于用统一的方法研究和比较控制系统的性能，常选用几种典型的输入作用。68ppt课件1.阶跃信号（StepFunction）

阶跃信号含宽频带谐波分量，产生容易，是最常用系统性能测试信号。时间r（t）R-----单位阶跃函数69ppt课件2.斜坡信号（RampFunction）

斜坡信号也称为等速度信号，适于测试匀速系统。时间tr（t）Rttg（）=R-----单位阶跃函数70ppt课件3.抛物线信号（ParabolicFunction）