自动控制系统（第3版） 课件 第1章绪论

自动控制系统

1.1引言1.2自动控制的定义和历史回顾1.3自动控制系统举例及术语定义1.4自动控制系统的基本控制方式1.5自动控制系统分类1.6自动控制系统的基本要求1.7自动控制原理课程的性质和内容1.8小结第1章

绪论

在当今天的社会生活与各行各业中，自动化技术无处不在．自动控制系统除在各工程领域广泛应用外，还被用于社会、经济和人文管理等各个领域，它为人类文明进步做出了重要贡献……因此，大多数工程技术人员和科学工作者现在都必须具备一定的自动控制系统知识。1.1引言1．自动控制的定义

所谓的自动控制技术是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置﹝称控制器Controller﹞，使机器﹑设备或生产过程﹙统称被控对象Plant或被控过程Process﹚的某个工作状态或参数﹙即被控量﹚自动地按照预定的规律运行．1.2自动控制的定义和历史回顾(1)中国张衡发明水运浑象，研制出自动测量地震的候风地动仪(132年)I.前期控制(EarlyControl)(1400B.C.-190)2．自动控制的发展历史(2)中国马钧研制出用齿轮传动的自动指示方向的指南车(235年)(3)英国J.Watt（瓦特）用离心式调速器控制蒸汽机的速度控制系统(1788年)(4)英国E.J.Routh（劳斯）建立Routh判据(Routh-HurwitzStabilityCriteria)(1875年)(5)英国J.M.Gray（格雷）设计出第一艘全自动蒸汽轮船“东方”号(GreatEastern)(1866年)II.经典控制前期(ThePre-classicalPeriod)(1900-1935)(1)美国福特(FordMotor)汽车公司建成最早的汽车装配流水线(1913)(2)美国N.Minorsky研制出用于船舶驾驶的伺服结构，提出PID控制方法(1922)(3)美国MIT的VannevarBush研制成第一台大型模拟计算机(DifferentialAnalyzer)(1928)V.Bush(4)美国H.S.Black（布莱克）提出放大器性能的负反馈方法(NegativeFeedbackAmplifier)(1927)H.S.Black(5)自动控制的基础为闭环控制。控制论的奠基人N.Wiener（维纳）给出的定义为：“Feedbackisamethodofcontrollingasystembyinsertingintoittheresultofitspastperformance”闭环控制系统的结构框图：III.经典控制(ClassicalControl)(1935-1950)(1)美国贝尔实验室的H.Bode（伯德）(1938)，以及Nyquist(1940)提出频率响应法(2)美国Taylor仪器公司的J.G.Ziegler（齐格勒）和N.B.Nichols（尼科尔斯）提出PID参数的最佳调整法(1942)(3)美国MIT的N.Wiener（维纳）研究随机过程的预测(1942)，提出Wiener滤波理论(1942)，发表《控制论》(Cybernetics)一书(1948)，标志着控制论学科的诞生。N.B.NicholsN.WienerN.Wiener,shownherein1954withYukWingLee(left)andAmarG.Bose,discussinganaspectofstatisticalcommunicationtheoryⅣ现代控制(ModernControl)(1950-)二次世界大战中火炮，雷达，飞机以及通讯系统的控制研究直接推动了经典控制的发展。五十年代后兴起的现代控制起源于冷战时期的军备竞赛，如导弹(发射，操纵，指导及跟踪)，卫星，航天器和星球大战，以及计算机技术的出现(英国科学家A.J.G.MacFarlane)。(２)世界第一颗人造地球卫星(Sputnik)由苏联发射成功(1957)Sputnik1wasthefirstartificialsatellitelaunchedintospace1957.Laika.Sputnik2(3)加拿大G.Zames提出H∞鲁棒控制设计方法(1981年)GorgeZames(4)美国“哥伦比亚”号航天飞机首次发射成功(1981年)（5）1997年7月4日，美国研制的探路者小车胜利完成了火星表面的实地探测，这个由地球上控制的小车仅重23磅，使得综合信息自动化技术达到了一个空前的高度．翼龙无人机

在现代科学技术的众多领域中，自动控制技术起着越来越重要的作用。提高了生产效率及劳动强度。所谓自动控制，就是在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（控制装置），使机器、设备或生产过程（控制对象）的某个工作状态或参数（被控量）自动地按照预定的规律运行。

如数控车床按预定程序自动切削，人造卫星准确进入预定轨道并回收等。1.3自动控制系统举例及术语定义1.3.1液位控制系统发电厂、石油化工等生产企业中的锅炉和反应器是常见的生产过程设备。为了保证锅炉正常运行，需维持锅炉液位为期望值锅炉液位反馈控制系统代表相加点，负号表示减法运算，正号表示加法运算；箭头表示信号流动方向．符号代表分支点，表示在该点上来自方框的信号将同时流向其他方框或相加点．1.3.2温度控制系统在冶金、电力、石油化工以及生物制药等行业中的许多工艺设备中的温度控制是相当普遍的1.3.3自动控制系统术语定义1、被控过程或设备（Processtobecontrolled，Plant）

指任何一个被控制的设备（如一种机械装置、一个加热炉、一个化学反应器、一架飞机），有时又称为被控对象．2.

被控变量﹑设定变量和操纵或控制变量1）被控变量是一种被测量和被控制的量值或状态（工业过程控制中用符号PV表示，（ParametersVariable），它也是控制系统的输出量．2）设定变量是指期望的被控变量值（工业过程控制中用符号SV或SP表示，（SetVariable、SetPoint），它相当于控制系统的参考输入量．3）操纵(控制)变量是由控制器改变的量值或状态（工业过程控制中用符号MV表示，ManipulatedVariable），它将影响被控变量的值，相当于控制量．3.

系统（Systems）指一些部件的组合，包含物理学、生物学和经济学等方面的系统．4.扰动（Disturbance）

是一种对系统的输出量控制产生不利影响的信号．5.反馈控制（FeedbackControl）存在扰动的情况下，力图减小系统的输出量与某种参考输入量之间的偏差，其工作原理基于这种偏差．1.4.1开环控制（Open-loopControl）开环控制是最基本的控制方式1.4自动控制系统的基本控制方式控制器被控对象输入量(SV)控制量(MV)输出量（PV）图1.6开环控制系统结构1）开环控制

只有输入量对输出量产生控制作用，输出量不参与对系统的控制。2）开环控制特点输入控制输出输出对输入没有影响系统没有抗干扰能力1.4.2闭环控制（Closed-loopFeedbackControl）在图1.5开环控制的基础上，加入测速发电机等电机转速测量单元构成如图1.7所示的闭环负反馈控制系统控制器被控对象输入量(SV)控制量(MV)偏差量测量元件／变送器反馈量闭环控制系统的特点

偏差控制，可以抑制内、外扰动对被控量产生的影响。精度高、结构复杂，设计、分析较麻烦。输出量（ＰV)1.4.3复合控制(Forward-feedbackControl)复合控制就是开环的前向补偿控制和闭环的偏差控制的结合，相当于前馈与反馈控制的结合，以提高控制精度，分为按扰动信号补偿的复合控制和按输入信号补偿的复合控制两种．1.按扰动信号补偿的复合控制，用于定值控制系统，如图1.9所示．2.按输入信号补偿的复合控制，用于随动控制系统．控制器被控对象输入量(SV)控制量(MV)偏差量测量元件／变送器反馈量输出量（ＰV)前馈控制前馈控制前馈控制前馈控制按照输入补偿的复合控制1.5.11.5自动控制系统分类线性系统非线性系统连续系统定常系统时变系统确定性系统不确定性系统按系统性能分离散系统1.5.2恒值控制系统随动系统程序控制系统按参考量变化规律分1.5.3按控制系统输入量和输出量类型及数量分数字输入与数字输出信号DI﹨DO模拟输入与模拟输出信号AI﹨AO单输入与单输出系统

SISO多输入与多输出系统

MIMO1.5.4按控制原理分1.经典控制器主要有比例控制（P），比例积分控制（PI），比例微分控制（PD），比例积分微分控制（PID）等．2.现代控制算法主要有最优控制、自适应控制、智能控制、自学习控制、解耦控制、鲁棒控制等．开环控制闭环控制(反馈控制)复合控制

按控制方式分按系统功用分温度、液位、流量、压力控制系统比值控制系统位置控制系统

1.稳定性（Stability）稳定性是控制系统工作的先决条件，不稳定的系统是不能工作的．线性系统的稳定性是由系统固有结构和参数决定的，与外界因素无关．被控量受扰动而偏离期望值后，经过一段时间如能恢复到原来的期望值状态，该系统是稳定的．2.暂态响应（TransientResponse）暂态响应或快速性指要求控制系统尽可能快地完成控制任务，系统受扰动后能快速恢复到期望状态．一般指过渡过程时间等．3.稳态响应（SteadyResponse）稳态响应是指过渡过程结束后的响应，可通过其来考察控制系统的准确性。一般用稳态误差（SteadyStateError）表示被控量达到的稳定值与期望值之间的差值，它是衡量系统控制精度的重要指标之一.1.6自动控制系统的基本要求

稳

准

快1.7自动控制原理课程性质和内容参考书胡寿松主编.自动控制原理（第4版）.北京：科学出版社.2001年谢红卫等译.ＭodernControlSystems（第9版）北京：高等教育出版社.2001年汪小帆等译.AutomaticControlSystems(第８版）.高