自动控制原理 课件-第1章 自动控制系统概述

自动控制原理1自动控制原理

第1章自动控制系统概述2预期学习目标（1）能够解释控制系统的任务、组成及自动控制的基本概念。（2）能够正确描述开环控制和闭环控制的基本原理和特点。（3）能够正确描述控制系统对稳、准、快的基本性能要求。（4）能够列举开环控制系统和闭环控制系统的应用实例。3

1.1引言41.1引言

自动控制系统能够高效、精准地实现复杂过程的调控与优化，替代或辅助人工操作，减少人为误差，提升系统的稳定性、运行效率和控制精度。已广泛应用于航空航天、交通运输、智能制造、机器人等领域。5运载火箭伺服控制梦天实验舱精准对接自动驾驶汽车列车自主运行控制1.1引言第一阶段：经典控制理论的产生、发展和成熟。第二阶段：现代控制理论的兴起和发展。第三阶段：智能控制理论的发展阶段。6自动控制原理是研究控制系统的原理和方法，涵盖了控制理论的基础，主要基于经典控制理论，研究系统的基本组成、工作原理、分析方法和设计综合。自动控制理论是研究自动控制系统共同规律的技术科学，可用于对控制系统进行分析研究和优化设计。自动控制理论的发展大致可分为三个主要阶段：1.1引言7（1）经典控制理论出现时间:上世纪40~50年代研究对象：单输入单输出线性定常系统（SISO）研究背景:

二战时期军工技术基本方法：传递函数、时域分析法、根轨迹法和频率法（2）现代控制理论出现时间:

上世纪60~70年代研究对象：多输入多输出系统（MIMO）研究背景:

冷战时期空间技术，计算机技术基本方法：线性代数理论、状态空间分析法1.1引言8（3）智能控制理论出现时间:

90年代核心思想：模仿人类的思维方式，处理具有高度非线性和不确定性的复杂系统控制问题。典型方法：模糊控制、神经网络控制、强化学习等。目前，智能控制仍在快速发展中，比如基于深度学习的智能控制。由此可见，自动控制既是一门经典的、已臻成熟的学科领域，也是一门不断发展的、具有强大生命力的学科领域。

1.2自动控制系统的基本组成91.2自动控制系统的基本组成自动控制系统：是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的控制装置，使被控对象的工作状态自动地按照预定规律运行的系统，是由相互关联的元件按照一定的方式连接组成的有机整体。典型应用实例10自动感应烘手器示意图电梯示意图两个系统虽然都可以自动运行，但其自动控制过程存在本质区别：

自动感应烘手器运行过程中输出量不影响控制过程。

电梯运行过程中输出的电梯位置会反馈到输入端进行比较，作用到控制电路从而影响控制过程。1.2自动控制系统的基本组成

根据是否将输出量反馈到输入端对控制过程产生影响，可以将自动控制系统分为开环控制系统和闭环控制系统。11开环控制系统：是指输入量直接传输到控制器，并通过执行机构对被控对象产生控制作用，输出端与输入端之间只有顺向作用，不存在反馈回路，输出量对控制过程没有影响的系统。优点：结构简单、价格便宜缺点：精度较低，抗干扰能力较差自动感应烘手器开环控制原理框图开环控制系统原理框图适用于精度控制要求不高而系统自身元件又比较稳定的场合。1.2自动控制系统的基本组成12闭环控制系统：是指输出量通过检测装置反馈到输入端，与输入量比较后的偏差信号作用到控制器，控制器的输出驱使执行机构调节被控对象，从而使偏差不断减小的系统。优点：控制精度高、抗干扰能力强等缺点：结构比较复杂，价格较贵电梯位置闭环控制原理框图闭环控制系统原理框图适用于要求高精度和高可靠性的场合。1.2自动控制系统的基本组成13哪些是自动控制系统？哪些是开环控制系统？哪些是闭环控制系统？全部小太阳取暖器、洗衣机冰箱温度控制、电梯位置控制日常生活中还有哪些开环控制系统、闭环控制系统？1.2自动控制系统的基本组成14闭环控制系统一般由下述基本环节组成。（1）被控对象：是指要进行控制的设备或过程，相应地，所控制的某个物理量就是系统的被控制量或输出量。（2）检测装置：是指用来检测输出量的装置，可以根据输出量的类型选择相应的传感器（如温度传感器、位置传感器等）作为检测装置，输出量通过检测装置反馈到输入端。（3）控制器：是指根据输入量与检测装置反馈信号比较后的偏差，进行信号放大、校正等运算的环节，其输出通常称为控制量。（4）执行机构：是指直接作用于被控对象上的元件，常见的执行机构包括电机、液压缸等。闭环控制系统原理框图注：组成环节不唯一，有的也将设定输入量的环节称为给定环节，将控制器分为比较环节、放大环节、校正环节，有的将执行机构作为被控对象的一部分。1.2自动控制系统的基本组成15扩展思考：四足机器人是机器人领域的前沿热点，图a)所示为一款采用开环控制的小型四足机器人，打开电源开关，输入电压，驱动执行机构电机转动，四足机器人位置开始变化。图b)所示为用于循迹的四足机器人，思考应该如何改进优化四足机器人，使其能够准确的沿给定轨迹运动？

a）四足机器人开环控制

b）四足机器人循迹闭环控制

1.3自动控制系统的类型161.3.1恒值系统与随动系统17根据输入量的特征，可以将自动控制系统分为恒值系统和随动系统。（1）恒值系统恒值系统是指输入量为常值，要求被控量也为常值的系统。在工业控制中，如果被控量是温度、流量、压力、液位等生产过程参量时，这种控制系统称为过程控制系统，它们大多数都属于恒值控制系统。（2）随动系统随动系统是指输入量随时间不断变化，要求被控量以尽可能小的误差跟随输入量变化的系统。机械加工过程中机床的定位控制和加工轨迹控制是位置随动系统的典型实例，雷达跟踪系统、飞行器姿态控制等也都是位置随动系统的具体应用。1.3.1恒值系统与随动系统18恒值系统？

随动系统？航天科技智能交通日常生活1.3.2线性系统与非线性系统19根据主要元件的输入输出特性，可以将自动控制系统分为线性系统和非线性系统。（1）线性系统线性系统是由线性元件组成的系统，其运动方程式可以用如下线性微分方程描述。叠加性和齐次性是鉴别系统是否为线性系统的依据。若系统中各项系数为常数则称为定常系统（也称为时不变系统），若系数随时间变化则称为时变系统。该式描述的为连续时间线性系统，也是本课程中经典控制理论的研究对象，还有一类离散时间系统，属于计算机控制技术的范畴。1.3.2线性系统与非线性系统20（2）非线性系统若系统中包含非线性环节，则称为非线性系统，由非线性微分方程描述，即微分方程式的系数与变量有关。典型的非线性环节有继电器特性环节、饱和特性环节和不灵敏区环节等，如图所示。a）继电器特性

b）饱和特性

c）不灵敏区特性

典型非线性环节特性注：大多数实际系统都是非线性的，由于非线性系统分析较为复杂，对于非线性程度不太严重的系统，在一定范围内可以将非线性特性进行线性化处理，从而将非线性系统近似为线性系统来处理。1.3.3单变量系统与多变量系统21根据系统输入和输出变量的数目，自动控制系统分为单变量系统和多变量系统。本课程只讨论面向单输入单输出线性定常系统的经典控制理论。（1）单变量系统单变量系统，是指系统中仅有一个输入变量和一个输出变量的系统，也称为单输入单输出系统（SISO）。这种系统结构相对简单，是自动控制理论中基础且常见的系统类型。在许多简单的控制系统中，往往都是单变量系统。电加热炉单输入单输出控制系统（2）多变量系统多变量系统是指系统中具有多个输入变量或输出变量的系统，同时接收多个输入信号，并产生多个输出信号，也称为多输入多输出系统（MIMO）。在现代工业控制中一些复杂的过程控制系统通常是多变量系统，如图所示的电站锅炉温度、压力控制等。电站锅炉多输入多输出控制系统

1.4自动控制系统的基本性能要求与分析方法221.4.1自动控制系统的基本性能要求23自动控制系统的基本性能要求：（1）稳定性－－首要条件（2）快速性－－动态过程的响应速度（3）准确性－－稳态误差衡量1.4.1自动控制系统的基本性能要求24（1）稳定性－－首要条件稳定性是指受到扰动作用时，系统从偏离状态恢复到平衡状态的能力。稳定系统

b)不稳定系统

c)临界稳定扰动下稳定与不稳定系统的响应曲线如图所示，假设一个线性定常系统原本处于某一平衡状态，如果在扰动作用下系统偏离了原来的平衡状态，当扰动消失后，系统借助于自身的调节作用，系统输出量能够逐渐收敛恢复到原来的平衡状态，则称系统是稳定的。1.4.1自动控制系统的基本性能要求25（1）稳定性－－首要条件稳定性反映的是系统抵抗扰动并恢复平衡的能力，控制系统在实际运行中会受到外部冲击扰动，此时系统的响应可以描述为脉冲响应，阶跃响应和脉冲响应具有一致性，使得其能够模拟实际工程中的突发扰动，直接反映系统抗干扰能力。阶跃响应下系统稳定性的示意图如图所示。自动控制系统的稳定性示意图1.4.1自动控制系统的基本性能要求26（2）快速性－－动态过程的响应速度

稳定系统从一个平衡状态过渡到新的平衡状态的过程称为动态过程，也称为暂态过程、瞬态过程、过渡过程。

快速性反映了系统动态过程中输出量调节的快慢程度。快速性是对系统动态过程的定性分析。动态性能指标可以对动态过程的性能进行定量描述。动态性能指标包括上升时间、峰值时间、最大超调量、调节时间等，将在第3章时域分析中具体介绍。自动控制系统的快速性示意图1.4.1自动控制系统的基本性能要求27（3）准确性－－稳态误差衡量

准确性是指在动态过程结束，系统进入平衡状态后，输出量稳态值与给定量之间的偏差，表明了系统控制的准确程度，即控制精度。

自动控制系统的准确性示意图阶跃响应下系统准确性的示意图如图所示。准确性是对系统稳态过程的定性分析。偏差值称为稳态误差，定量表征系统的稳态性能指标。1.4.2自动控制系统的分析与设计方法28

自动控制系统的主要目标就是通过系统分析和控制器的设计，使得系统达到稳快准的性能要求。第一步：根据实际应用需求，确定期望的控制性能指标。第二步：建立控制系统数学模型。控制系统的数学模型包括微分方程、传递函数、动态结构图等，经典控制理论的分析主要基于传递函数模型。第三步：基于数学模型进行控制系统性能分析，分析方法包括时域分析法、根轨迹法、频域分析法。第四步：若系统的性能不符合预期，进行控制器设计与优化，更新系统数学模型，进一步分析性能，直至符合预期性能。经典控制理论中最常用的为PID控制器。

1.5自动控制系统应用实例291.5.1轨道交通领域应用实例——钢轨探伤车探头自动对中系统30钢轨探伤车通过超声波探伤发现钢轨内部的伤损以避免钢轨脱轨等重大事故的发生，探头与钢轨的对中情况直接影响着检测结果的准确性。自动对中系统结构示意图自动对中系统控制原理图在设计自动探头对中系统时，控制目标为探头中心与钢轨中心重合，受控变量为超声波探头的位置。控制原理：通过激光位移传感器测量其到钢轨的距离反馈到计算机，得到超声波探头当前位置和其与钢轨中心线的偏差。根据偏差值，即可设计控制算法得到相应的控制量，传至伺服电机，最终通过控制传动机构输出相应位移，实现超声波探头与钢轨中心线的自动对中。1.5.2航空航天领域应用实例——航天器姿态控制系统31航天器姿态控制系统能够确保航天器在太空中保持准确的方位，实现精确的轨道操作、有效载荷的正确对准，以及在复杂任务中的稳定运行，具有重要意义。在轨航天器姿态示意图航天器姿态闭环控制系统原理图控制原理：系统的输入为期望姿态，通过陀螺仪、星敏感器等传感器采集当前位姿反馈到输入端，期望位姿与当前位姿比较得到姿态差值，通过控制器与脉宽脉冲频率调制器作用于推进器，最终实现航天器姿态的精确控制。

1.6循序渐进设计实例——直流电机调速系统321.6循序渐进设计实例——直流电机调速系统33

直流电机是典型的机电一体化产品，具有结构简单、运行可靠和维护方便等特点，又具有运行效率高，调速性能好等诸多优点，已广泛应用于工业自动化、家用电器、无人机、机器人等多个领域。根据应用场景，所需转速、转矩等不同的要求，可以选用不同类型规格的直流电机。不同类型的直流电机实物示意图单闭环控制系统

双闭环控制系统直流电机可分为有刷直流电机和无刷直流电机，部分直流电机的实物示意图如图所示。小结—二阶欠阻尼控制系统的动态性能指标34闭环控制系统的核心是反馈，即通过检测装置将输出量返回到系统的输入端。有无反馈是闭环控制系统和开环控制系统的本质区别。从不同角度出发，自动控制系统可分为多种类型，本课程