自动控制原理简明教程课件

1、自动控制原理 学习要求,2011年9月,课程性质： 核心必修课 课程特点： 理论实践结合 学习方法： 掌握基本原理，多练习（作业、习题）,自动控制原理学习要求,学习注意： 作一定的笔记； 作业按时交，每星期交一次； 实验前预习，实验后写报告。 评分方法： 平时40%（作业、实验） 期末考试 60%,课程的性质和特点 自动控制是一门基础性的技术学科，从方法论的角度来研究系统的建立、分析与设计。经典（古典），现代。 自动控制原理是本学科的技术基础课 （1）自动控制理论的基础课程，该课程与其它课程的关系。,（2）自动控制理论已经发展为理论严密、系统完整、逻辑性很强的一门学科。已从基本反馈控制原理发展

2、到：自适应控制、优化控制、鲁棒控制、大系统控制、智能控制 研究的对象：因果系统、工程系统 系统的广义性：经济、社会、工程、生物、环境、医学 特点：研究系统的共性问题,频域法,主要内容：自动控制的一般概念、物理系统的数学模型、控制系统的一般分析方法、系统的设计或校正以及线性离散系统的初步知识,时域分析法 根轨迹法 频域分析法,主要的学习目的和任务： 掌握关于自动控制系统的基本概念、基本理论和基本方法；初步掌握控制系统的数学模型建立、系统分析和综合方法以及线性离散系统的分析和研究方法。,教材： 自动控制原理简明教材，胡寿松，科学出版社 参考书目： 自动控制原理（第四版） 胡寿松 科学出版社 控制工

3、程导论周雪琴，张洪才编，西北工业大学出版社 自动控制原理(上下册)，黄家英编著，东南大学出版社 自动控制理论，邹伯敏编著，机械工业出版社 现代控制工程，绪方胜彦著，卢伯英等译，科学出版社,第一章 自动控制的一般概念,1.1 自动控制的基本原理与方式 1.2 自动控制系统示例 1.3 自动控制系统的分类 1.4 对自动控制系统的基本要求,自动控制,在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律（给定量）运行。,1.1 自动控制的基本原理与方式,如：数控加工中心、焊接机器人、温度控制系

4、统等。,自动控制系统,实现上述自动控制的目的，由相互联系和制约的各部件组成的具有特定功能的整体。,1.1.1 自动控制技术及其应用,指南车复原模型,历史的回顾,1.1.2 自动控制理论发展概述,指南车 原理,指南车是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。 其结构为马拉的双轮独辕车，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。,指南车后视图,18世纪，James Watt 为控制蒸汽机速度设计的离心调节

5、器，是自动控制领域的第一项重大成果。,1932年，Nyquist提出了一种根据系统的开环频率响应(对稳态正弦输入)，确定闭环系统稳定性的方法。 1934年，Hezen提出了用于位置控制系统的伺服机构的概念，讨论了可以精确跟踪变化的输入信号的机电伺服机构。 19世纪40年代，频率响应法为闭环控制系统提供了一种可行方法，Evans提出并完善了根轨迹法。 19世纪50年代末，控制系统设计问题的重点从设计许多可行系统中的一种系统，转到设计在某种意义上的最佳系统。,20世纪60年代，数字计算机的出现为复杂系统的基于时域分析的现代控制理论提供了可能。 从1960年到1980，确定性系统、随机系统的最佳控制

6、，及复杂系统的自适应和学习控制，都得到充分的研究。 从1980年到现在，现代控制理论进展集中于鲁棒控制、H控制及其相关课题。,胚胎萌芽期（1945年以前） 2. 经典控制理论时期（1940-1960） 1945年美国人Bode “网络分析与放大器的设计”，奠定了控制理论的基础，50年代趋于成熟。 主要内容：对单输入单输出系统进行分析，采用频率法、根轨迹法、相平面法、描述函数法；讨论系统稳定性的代数和几何判据以及校正网络等。 3. 现代控制理论时期（50年代末-60年代初） 空间技术的发展提出了许多复杂控制问题，用于导弹、人造卫星和宇宙飞船上, Kalman “控制系统的一般理论”奠定了现代控制

7、理论的基础。解决多输入、多输出、时变参数、高精度复杂系统的控制问题。 4. 大系统和智能控制时期 （70年代） 各学科相互渗透，要分析的系统越来越大，越来越复杂。例人工智能、模拟人的人脑功能、机器人等。,四个阶段,发展方向：智能控制技术,自动控制成为一门科学是从1945发展起来的。 开始多用于工业：压力、温度、流量、位移、湿度、粘度自动控制 后来进入军事领域：飞机自动驾驶、火炮自动跟踪、导弹、卫星、宇宙飞船自动控制 目前渗透到更多领域：大系统、交通管理、图书管理等 生物学系统：生物控制论、波斯顿假肢、人造器官 经济系统：模拟经济管理过程、经济控制论,专家系统、模糊控制、神经网络、预测控制,美国

8、MIT的Servomechanism Laboratory研制出第一台数控机床(1952)。,美国George Devol研制出第一台工业机器人样机(1954)。,中国批准863高技术计划，包括自动化领域的计算机集成制造系统和智能机器人两个主题(1986)。,日本SONY公司二足步行机械人SDR-4X(2002),日本安川公司娱乐机械狗(2001),世界第一颗人造地球卫星(Sputnik)由前苏联发射成功(1957)。,前苏联东方-号飞船载着加加林进入人造地球卫星轨道，人类宇航时代开始了(1961)。,前苏联发射“月球”9号探测器，首次在月面软着陆成功(1966)，三年后(1969)，美国“阿

9、波罗”11号把宇航员N. A. Armstrong 送上月球。,第一台火星探测器Sojourner在火星表面软着陆(1996)。,旅行者Voyager 一号，二号开始走出太阳系，对茫茫太空进行探索。,现代化的化工厂,动态过程 观测恒温箱内的温度（被控制量） 与要求的温度（给定值）进行比较得到温度偏差的大小和方向 根据偏差大小和方向调节调压器，控制加热电阻丝的电流以调节温度回复到要求值。,实质检测偏差再纠正偏差。,人工控制恒温箱,1.1.3 反馈控制原理,温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动执行电动机，并通过传动机构拖动调压器动触头。 当温度偏高时，动触头向减小电流的方向运动，反之加大电流，

10、直到温度达到给定值为止，此时，偏差u=0,电机停止转动。 实质 检测偏差，纠正偏差。,动态过程,恒温箱自动控制系统,检测输出量（被控制量）的实际值； 将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比较得出偏差； 用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得输出量维持期望的输出。,可见，控制系统的工作原理,为了表明自动控制系统的组成以及信号的传递情况， 通常把系统各个环节用框图表示， 并用箭头标明各作用量的传递情况，下图便是电炉箱恒温自动控制系统的方框图。,方框图可以把系统的组成简单明了地表达出来， 而不必画出具体线路。, 给定量（参考输入）：人为给定的并且要求系统输出量参照变化的外部指令信号，位于系统的输

11、入端。给定量与期望的输出量之间一般存在着物理量纲转换关系。给定量可以是常值，也可以是随时间变化的已知函数或未知函数。 被控量（输出量） ：位于系统的输出端，被控对象中某个需要被控制的物理量，它与给定量之间存在一定函数关系。 干扰（扰动信号）：由某些因素（外部和内部）引起的、对系统被控量产生不利影响的信号。,常用名词术语, 反馈：把取出的输出量送回输入端，并与输入信号相比较产生偏差信号的过程。若是从系统输出端到系统输入端，这种反馈称为主反馈；而其他反馈称为局部反馈。若反馈的信号与输入信号相减，使产生的偏差越来越小，则称为负反馈；反之，则称为正反馈。 前向通道： 系统的给定量端（输入）到被控量端（

12、输出）所经过的通路。 偏差： 给定量与反馈量之差。 误差： 系统输出量的实际值与期望值之差。系统期望值是理想化系统的输出，实际中很难达到。在单位反馈情况下，期望值就是系统的给定量，则误差就等于偏差。 系统： 一些部件的组合，能完成一定的任务。系统的概念可以应用于抽象的动态现象。,将系统的输出信号引回输入端，与输入信号相比较，利用所得的偏差信号进行控制，达到减小偏差、消除偏差的目的。 构成闭环控制系统的核心 闭环(反馈)控制系统的特点 (1) 系统内部存在反馈，信号流动构成闭回路； (2) 偏差起调节作用。,负反馈原理,由于存在输出量反馈，使系统能在存在无法预计扰动的情况下，自动减少系统的输出量

13、与参考输入量（或者任意变化的希望的状态）之间的偏差，故称之为反馈控制。,反馈本质测量偏差，利用偏差，减少（乃至消除）偏差,(1) 给定元件：给出与期望的被控量相对应的系统输入量（即参据量）（如电位器）。 (2) 测量元件：由传感器与反馈网络组合而成，测量被控制的物理量（如速度）并将其转换为与给定量量纲相同的物理量（如测速发电机）。 (3) 比较元件：将所检测的被控量实际值与给定元件给出的参据量进行比较，确定两者间的偏差。 (4) 放大元件：对微弱的偏差信号进行放大，以驱动执行元件。 (5) 执行元件：直接驱动被控对象，使其被控量发生变化（如阀、电动机、马达）。 (6) 校正元件（补偿元件）：用

14、于改善控制系统的性能和品质。 (7) 被控对象：是指系统中被控制的设备或过程（如电机、电炉）。,1.1.4 反馈控制系统的基本组成,控制装置由具有一定职能的各种基本元件组成：,工作原理：根据被控量的反馈信息，即实际输出量，来修正控制装置对被控对象的控制作用，实现控制任务。,反馈控制系统原理框图,1.1.5 自动控制系统的基本控制方式,1. 反馈控制方式,反馈控制系统举例,闭环温度控制系统,闭环转速控制系统,工作原理：在控制器和被控对象之间只有正向控制而没有反馈控制，即系统的输出量对控制量没有影响。,开环控制系统原理框图,2. 开环控制方式,开环控制系统举例,开环温度控制系统,开环转速控制系统,

15、反馈控制系统的特点: 偏差控制，可以抑制内、外扰动对被控制量产生的影响。精度高、结构复杂，设计、分析麻烦。,开环控制系统的特点： 顺向作用，没有反向的联系，没有修正偏差能力，抗扰动性较差。结构简单、调整方便、成本低。,工作原理：闭环控制与开环控制相结合的一种自动控制系统。在闭环控制的基础上，附加一个正馈通道，对干扰信号进行补偿，以达到精确的控制效果。,复合控制系统原理框图,3. 复合控制方式,1.2 自动控制示例,例：函数记录仪,函数记录仪方框图,自动控制系统的分类方法很多，可以从不同的角度对其进行分类。,1.3 自动控制系统的分类,按系统结构分类 按系统输入信号分类 按系统数学模型分类 按系

16、统参数特性分类 按系统时间变量特性分类 其他分类方法,（1）开环控制系统 （2）反馈控制系统 （3）复合控制系统,1. 按系统结构分类,（1）恒值控制系统 系统的输入信号是某一恒定的常值，要求系统能够克服干扰的影响，使输出量在这一常值附近微小变化。 例：连续生产过程中的恒温、恒压、恒速等自动控制系统。 （2）程序控制系统 系统的输入信号是某一已知的时间函数（不是常数），要求系统按照该时间函数进行顺序操作。 例：数控机床按给定程序加工一个工件、家用洗衣机等。,2. 按系统输入信号分类,（3）随动控制系统（或称伺服控制系统） 系统的输入信号是一个未知的随时间任意变化的函数，要求输出量能够精确地跟随

17、输入信号变化，称为随动控制系统。 随动控制系统中的被控量是机械位置或其导数时，称为伺服控制系统。 例：导弹自动跟踪系统等。,（1）线性系统 系统的运动规律可以用一个或一组线性微分方程来描述。 线性系统的运动方程一般形式为 式中， 为输入量， 为输出量。,3. 按系统数学模型分类,叠加性：当同时存在几个输入量时，线性系统的输出量等于各输入量单独作用时所产生的输出量之和。即若当系统的输入分别为 和 时，对应的输出分别为 和 ，则当 和 同时作用时，输出量为 。 齐次性：当输入量增大或缩小 (为实数)倍时，线性系统的输出量也增大或缩小相同倍数。即若系统的输入为 时，对应的输出为 ，则当输入量为 时，

18、输出量为 。,线性系统的两个重要特性,（2）非线性系统 特点：系统某一环节具有非线性特性，不满足叠加原理。 典型的非线性特性：继电器特性、死区特性、饱和特性、间隙特性等。,典型的非线性特性,（1）定常系统 系统参数在系统运行过程中相对于时间是不变的。许多物理系统在所观察的时间范围内，可以认为参数是定常的，它的微小变化可以忽略不计。 （2）时变系统 系统中的参数是时间的函数。在工程上的大部分系统属于这类系统。,4. 按系统参数特性分类,（1）连续时间系统 控制系统各环节的输入量和输出量均为时间的连续函数。 例：工业生产中普遍采用的常规仪表控制系统。 （2）离散时间系统 控制系统中有一处或一处以上

19、的信号是脉冲序列或数字编码 ，又称为采样控制系统。,采样控制系统方框图,5. 按系统时间变量特性分类,随着数字计算机技术的飞速发展，计算机作为控制器已经广泛引入控制系统中。计算机控制系统就是通过A/D转换器，将采样信号转换为数字信号进行运算、处理，得到的结果再经过D/A转换器转换为模拟信号，用以驱动执行机构。,计算机控制系统方框图,按控制系统的输入、输出数量分类，有单输入单输出系统和多输入多输出系统；,6. 其他分类方法,单入-单出 SISO（Single Input Single Output） 例： 电加热炉温度控制系统,多入-多出 MIMO（Multiple -） 例： 锅炉燃烧控制系统

20、,按控制系统的功能分类，有温度控制系统、位置控制系统、速度控制系统等； 按组成系统的部件分类，有机械系统、电力系统、液压系统等； 按控制理论分类，有PID控制系统、最优控制系统、预测控制系统、模糊控制系统等。,对于线性定常系统，性能指标主要包括三个方面内容：稳定性、快速性、准确性。,1.4 自动控制系统的基本要求,1.4.1 基本要求的提法,即：稳（基本要求） 准（稳态要求） 快（动态要求）,1. 稳定性 一个控制系统能正常工作的首要条件，不稳定的系统不能实现预定任务。 稳定系统：当系统受到外部干扰后，输出会偏离正常工作状态，但是当干扰消失后，系统能够回复到原来的工作状态，系统的输出不产生上述等幅振荡、发散振荡或单调增长运动。,对恒值系统，要求当系统受到扰动后，经过一定时间的调整能够回到原来的期望值。 对随动系统，被控制量始终跟踪参据量的变化。 线性系统的稳定性由系统的结构决定，与外界因素无关。,用稳态误差来表示，记为 。在参考输入信号作用下，当系统达到稳态后，其稳态