自动控制原理第一章绪论

自动控制原理第一章绪论第一页，共45页。控制（CONTROL）的含义----某个主体使某个客体按照一定的目的动作主体---人：人工控制；机器：自动控制客体---指一件物体，一套装置，一个物化过程，一个特定系统。物体--飞船，电炉。（飞船控制）装置--锅炉，汽机。（锅炉控制）过程--燃烧，传动。（燃烧控制）系统--电力，化工，冶金。（电力控制）1.1自动控制的基本原理与方式2第二页，共45页。自动控制:就是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备（称为控制器）操作被控对象（如机器、设备或生产过程）的某个状态或参数（称为被控量）使其按预先设定的规律自动运行。

如：飞机导航人造卫星制导导弹雷达技术

1.1.1自动控制技术及应用3第三页，共45页。人造地球卫星

控制其准确地进入预定轨道运行并回收

无人驾驶飞机按预定轨迹飞行

渐露锋芒地无人驾驶飞机4第四页，共45页。制导导弹

现代的高新技术让导弹长上了“眼睛”和“大脑”，利用负反馈控制原理去紧紧盯住目标.

雷达技术

雷达操作时，要注视和侦察整个天空的状况，天线就要不停地转动，用一个驱动马达使天线作360度的旋转，这样它就能在360度范围内进行“搜索”。5第五页，共45页。人工控制与自动控制煤气灶上油煎鸡蛋时的油温控制自行车速度控制汽车驾驶收音机音量调节电饭煲空调抽水马桶汽轮机转速控制导弹飞行控制声控光控路灯6第六页，共45页。自动控制技术应用于其他领域

由于计算机等技术的诞生和飞速发展，使得控制技术水平不断提高，已扩大到经济与社会生活的各个领域，如通信、交通、医学、环境保护、经济管理等领域，控制技术已成为现代社会不可缺少的重要组成部分。近年来，我国在自动化仪表、工业调节器、数字控制技术、航天工程、核动力工程等方面的研究和应用取得了长足进展。

7第七页，共45页。8第八页，共45页。1.1.2自动控制科学

自动控制理论就是研究自动控制共同规律的技术科学，它的发展初期是以反馈理论为基础的自动调节原理，随着工业生产和科学技术的发展，现已发展成为一门独立的学科——控制论。控制理论的发展过程一般可分为三个阶段：

（1）第一阶段。时间为20世纪40～60年代，称为“经典控制理论”时期。经典控制理论主要是解决单输入单输出、线性定常系统的分析和设计问题，主要采用传递函数、频率特性、根轨迹为基础的频域分析方法。这一时期的主要代表人物有伯德（H.W.Bode1905～）和伊文思（W.R.Evans）。伯德于1945年提出了简便而实用的伯德图法。1948年，伊文思提出了直观而又形象的根轨迹法。9第九页，共45页。（2）第二阶段。时间为20世纪60～70年代，称为“现代控制理论”时期。这个时期，由于计算机的飞速发展，推动了空间技术的发展。经典控制理论中的高阶常微分方程可转化为一阶微分方程组，用以描述系统的动态过程，即所谓状态空间法。这一时期的主要代表人物有庞特里亚金、贝尔曼（Bellman），及卡尔曼（R.E.Kalman，1930～）等人。庞特里亚金于1961年发表了极大值原理；贝尔曼在1957年提出了动态规化原则；1959年，卡尔曼和布西发表了关于线性滤波器和估计器的论文，即所谓著名的卡尔曼滤波。10第十页，共45页。（3）第三阶段。时间为本世纪70年代末至今。70年代末，控制理论向着“大系统理论”和“智能控制”方向发展。前者是控制理论在广度上的开拓，后者是控制理论在深度上的挖掘。“智能控制”是研究与模拟人类智能活动及其控制与信息传递过程的规律，研究具有某些仿人智能的工程控制与信息处理系统。自动控制科学研究也出现了许多分支，如自适应控制，混杂控制，模糊控制以及神经网络控制等。11第十一页，共45页。（1）系统。即为达到某一目的，由相互制约的各个部分按一定规律组成的、具有一定功能的整体。（2）自动控制系统。实现各种复杂的控制任务时，将被控对象和被控装置按照一定方式连接起来，组成一个有机总体，即自动控制系统。（3）被控对象。是指要求实现自动控制的机器、设备或生产过程。例如，汽车、飞机、炼钢、化工生产的锅炉等。（4）控制装置。是指对被控对象起控制作用的设备总体。它可以采用不同的原理和方式对被控对象进行控制。最基本的是反馈控制系统。1.1.3反馈控制原理12第十二页，共45页。在反馈控制系统中，被控装置对被控对象施加的控制作用，是取自被控量的反馈信息，用来不断修正被控量与输入量之间的偏差，从而实现对被控对象进行控制的任务。反馈控制的原理：13第十三页，共45页。例子14第十四页，共45页。在工业控制中，龙门刨床速度控制系统就是按照反馈控制原理进行工作的。放大器触发器整流器15第十五页，共45页。1.1.4反馈控制系统的基本组成反馈控制系统包含被控对象和被控装置。其中被控装置的主要元件有：（1）测量元件：检测被控制的物理量。（2）给定元件：给出与期望的被控制量相对应的系统输入量。（3）比较元件：把测量元件检测的被控量的实际值与给定元件给出的输入量进行比较，求出它们之间的偏差。（4）放大元件：偏差信号的放大，用以推动执行元件（5）执行元件：直接推动被控对象，使被控量发生变化。（6）校正元件：也叫补偿元件，以改善系统性能。

16第十六页，共45页。典型的反馈控制系统基本组成框：

信号从输入端到达输出端的传输通路称为前向通路；

系统输出量经测量元件反馈到输入端的传输通路称为主反馈通路。

前向通路与主反馈通路共同构成主回路。

此外还有局部反馈通路。

只包含一个主反馈通路的系统称为单回路系统，有两个或两个以上反馈通路的系统称为多回路系统。

17第十七页，共45页。1.1.5自动控制系统基本控制方式反馈控制方式是自动控制系统最基本的控制方式，也是应用最广泛的一种控制方式。此外还有开环控制方式、复合控制方式。目前新的控制方式：最优控制、自适应控制、模糊控制。18第十八页，共45页。反馈控制方式

按偏差进行控制，具有抑制扰动对被控量产生影响的能力和较高的控制精度。

使用元件多，结构复杂，系统的分析和设计麻烦，但应用广泛19第十九页，共45页。开环控制

开环控制是在控制器与被控对象之间只有正向控制作用而没有反馈控制作用，即系统的输出量对控制量没有影响。开环控制系统可以按给定量控制方式组成，也可以按扰动量控制方式组成。20第二十页，共45页。给定量控制的开环控制系统，其控制作用直接由系统的输入量产生，给定一个输入量，就有一个输出量与之对应，控制精度取决于所用元件及校准的精度。这种开环控制方式没有自动修正偏差的能力，抗扰动性较差。在精度要求不高或扰动小的情况下，也有使用。如自动售货机、自动洗衣机、红绿灯等。21第二十一页，共45页。按扰动控制的开环控制系统，利用可测量的扰动量，产生一种补偿作用，以减小或抵消扰动对输出量的影响。

这种按扰动控制的开环控制方式是直接从扰动取得信息，其抗扰动性好，控制精度高。22第二十二页，共45页。复合控制方式

按偏差控制和按扰动控制相结合的控制方式称为复合控制方式。23第二十三页，共45页。1.2自动控制系统示例

1、家用电冰箱温控系统2、锅炉液位控制系统3、龙门刨床速度控制系统24第二十四页，共45页。（1）控制器设定温度与冰箱比较，产生偏差值（2）当偏差电压达到使继电器接通时，压缩机工作（3）将蒸发器中高温低压气态制冷液送制冷却器散热，降温后的低温低压制冷液压缩成高压液态进入蒸发器，急速降压扩散成气体，吸收箱体内热量，使冰箱温度下降（4）箱体温度达到希望温度，此时继电器断开，压缩机停止工作。

25第二十五页，共45页。26第二十六页，共45页。2、锅炉液位控制系统27第二十七页，共45页。水压力变化或蒸汽负荷变化产生的扰动28第二十八页，共45页。3、龙门刨床速度控制系统负载速度29第二十九页，共45页。30第三十页，共45页。1.3自动控制系统的分类31第三十一页，共45页。32第三十二页，共45页。1、线性连续控制系统这类系统可以用线性微分方程描述，一般形式为：

系数a0，‥，an，b0,‥bn是常数时，称为定常系统；系数a0，‥，an，b0,‥bn随时间变化时，称为时变系统。线性定常连续系统按其输入量的变化规律又可分为恒值控制系统、随动系统和程序控制系统。

33第三十三页，共45页。(1)、恒值控制系统

这类控制系统的输入量是一个常值，要求被控量(输出量)亦等于一个常值，故又称为调节器。

由于扰动的影响，被控量会偏离输入量而出现偏差，控制系统根据偏差产生控制作用，克服扰动的影响，使被控量恢复到给定的值。恒值控制系统：

给定值不随时间变化

例：温控系统，压控系统、液位控制系统tr34第三十四页，共45页。(2)、随动系统

系统的输入量是预先未知的随时间任意变化的函数，要求被控量以尽可能小的误差跟随输入量的变化，故又称为跟踪系统。

随动控制系统：

给定值按需求随机变化例雷达跟踪，靠模加工系统tr35第三十五页，共45页。(3)、程序控制系统

这类控制系统的输入量是按预定规律随时间变化的函数，要求被控量迅速、准确地加以复现。程序控制系统：给定值按条件（时间或流程）变化例金属热处理，化学水处理tr36第三十六页，共45页。2、线性定常离散控制系统

离散系统是指系统的某处或多处的信号为脉冲序列或数码形式，因而信号在时间上是离散的。离散系统一般用差分方程描述，其一般形式可用下式表示：

37第三十七页，共45页。

连续时间控制系统

系统中的变量可随时变化，连续，不间断

例：重锤式转速控制系统

离散时间控制系统

系统中存在离散变量，它们只在固定时刻存在和变化

例：计算机控制系统

变量变量时间时间38第三十八页，共45页。3、非线性控制系统

实际物理系统中都含有不同程度的非线性元部件，如放大器和电磁元件的饱和特性，运动部件的死区、间隙和摩擦特性等。系统中只要有一个元部件的输入－输出特性是非线性的，这类系统就称为非线性控制系统。

对于非线性程度不大的情况，可在一定范围内进行线性化。

39第三十九页，共45页。经典控制理论中，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。[非线性系统方程的特点：（1）系数与变量无关（2）方程中含有变量及其导数的高次幂或乘积项下面是非线性系统的一些例子：40第四十页，共45页。1.4自动控制系统的基本要求1.4.1基本要求

1稳定性

一个控制系统能正常工作的首要条件是系统必须是稳定的。一个稳定的控制系统，其被控量偏离期望值的初始偏差应随时间的增长逐渐减小并趋于零，系统最后达到平衡状态。不稳定的系统有可能趋向振荡或不稳定，不稳定的系统无法实现预定的控制任务。41第四十一页，共45页。2.快速性

为了很好地完成控制任务，控制系统仅仅满足稳定性要求是不够的，还必须对其过渡过程的形式和快慢提出要求，即要求系统具有一定的响应速度。如：高射炮射角随动系统因此，对控制系统过渡过程的时间（即快速性）和最大振荡幅度（超调量）一般都有具体要求。

42第四十二页，共45页。3准确性

对于控制系统的准确性要求是控制系统设计中需要考虑的指标之一，要求系统准确性（稳态精度）高，一般采用稳态误差来表示。系统在输入信号的作用下，其响应经过暂态过程进入稳态后，系统的输出量与希望值之间的误差，