第一章_自动控制的一般概念

1、1,讲 述 人 ：孙继卫 联系地址：信息系办公室（3423） 电 话自动控制原理,2,教学参考资料,参考教材： 胡寿松主编自动控制原理（第5版）科学出版社 参考书： 李友善主编 自动控制原理 国防工业出版社 胡寿松主编 自动控制原理习题集科学出版社 夏德钤、翁贻方编著 自动控制理论 机械工业出版社 高国燊，余文烋编著 自动控制原理华南理工大学出版社,3,课程性质：专业基础课、自动化类专业的核心课程。 学时安排：自动控制原理（4学分/60学时） 上课周次：1-13周 成绩评定：考试70%（闭卷考试）、考勤10%、作业10%、提问10%,课程导论,4,本课程与其它课程的关

2、系,课程导论,5,课程学习要面临,数学基础宽而深 控制原理抽象 计算复杂且繁琐,6,自动控制理论,二十世纪三项科学革命：控制论、量子论、相对论 控制论：研究自动控制技术的基础理论。 经典控制理论（古典控制理论） 现代控制理论（智能控制理论）,7,经典控制理论(古典控制理论),以传递函数为基础，研究单输入-单输出定常控制系统的分析与设计问题。 线性控制系统分析：时域分析、稳定性与稳态误差分析、根轨迹分析、频域分析。 非线性控制系统分析：相平面分析、描述函数分析。,8,9,现代控制理论,以状态空间法为基础，研究多输入-多输出时变、非线性、高精度、高效能控制系统的分析与设计问题： （自适应控制、最优

3、控制、鲁棒控制、最佳估计、容错控制、系统辨识、集散控制、大系统复杂系统） 智能控制（专家系统、模糊控制、神经网络、遗传算法）,10,11,12,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 自动控制系统分类 1.3 自动控制系统示例 1.4 对自动控制系统的基本要求,13,本章重点：,了解自动控制的一些基本概念； 了解闭环控制系统的组成和基本环节； 掌握反馈控制系统的基本要求； 学会分析系统工作原理并绘制原理方块图。,14,1.1自动控制的基本原理与方式,自动控制理论与技术的广泛应用： 航空航天和运输 信息和网络 机器人与智能机器 生物和医药 材料和加工 环境科学、经济

4、和金融 ,15,飞机导航系统,制导导弹,导弹长上了“眼睛”和“大脑”，去紧紧盯住目标。,16,哈勃望远镜特殊地卫星,中巴资源卫星,控制其准确地进入预定轨道运行并回收,人造地球卫星,17,自动灌概,农业生产过程,18,问题： 什么是自动控制？ 为什么要做自动控制？ 如何实现自动控制？ 有哪些种类的自动控制系统？等等,19,问题：人工控制过程如何？ 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。,例1.恒温箱,1. 自动控制与自动控制系统,20,例2.液位

5、控制,问题1：人工控制过程如何？,问题2：能否用些装置代替工人工作？,比较： 人工和自动控制系统的工作原理相似点： 眼睛测量装置（传感器） 头脑自动控制器 肌体执行机构,21,自动控制 (Automatic control) 在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称自动控制装置）,使机器、设备或生产过程（统称被控对象）的工作状态或参数（称为被控量）自动地按照预定的规律运行。,自动控制系统 (Control system) 将被控对象和控制装置按照一定的方式连接起来，组成一个有机总体，即自动控制系统。,22,2.反馈控制原理,什么是反馈？ -我们把输出量送回到输入端，并与输入信号相比较

6、产生偏差信号的过程，称为反馈。,反馈控制系统的工作原理： 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。,23,2.反馈控制原理,人本身就是一个具有高度复杂控制能力的反馈控制系统。,人取书的反馈控制系统方块图,24,25,开环控制 按给定值控制的开环控制 按干扰补偿的开环控制 按偏差调节的闭环控制 复合控制,下面根据不同的信号源来分析自动控制的几种基本控制方式,3. 自动控制系统基本控制方式,26,开环控制系统（Open-loop control system）:,用执行机构直接控制被控对象

7、（过程）的控制系统。,1）按给定量控制：信号由给定值向输出量单向传递。,2）按扰动补偿（顺馈）：通过对扰动信号的测量产生控制作用，以补偿扰动对输出量的影响。,27,例1：转台速度控制,(b)框图模型,开环控制系统采用控制器或控制执行机构来实现期望的响应,28,闭环控制系统（Closed-loop control system）:,按反馈控制原理构成的闭环系统,是一种重要的并被广泛应用的控制系统。是自动控制理论主要的研究对象。,29,温度偏差信号经电压、功率放大后，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，直到温度达到给定值为止，此时

8、，偏差u=0,电机停止转动。,实施过程,例2：恒温箱,30,系统原理方块图,实质 检测偏差纠正偏差,31,例3 引入反馈后的直流电机转速控制系统,32,方框图,33,正反馈用于控制系统的内回路,负反馈,正反馈,减弱输入信号作用,检测偏差，纠正偏差 按偏差控制,增强输入信号作用,使系统的偏差越来越大(振荡),34,1）输出影响输入，所以能削弱或抑制干扰； 2）低精度元件可组成高精度系统； 3）因为可能发生超调，振荡，所以稳定性很重要。,闭环控制,1）输出不影响输入，对输出不需要测量，通常易实现； 2）组成系统的元部件精度高，系统的精度才能高； 3）系统的稳定性不是主要问题。,开环控制,开环控制与

9、闭环控制的比较：,35,复合控制方式：,复合控制就是开环控制和闭环控制相结合的一种控制。在闭环控制回路的基础上，附加了一个输入信号或扰动作用的顺馈通路。,36,元部件 方框（块）图 信号（物理量）及传递方向中的符号 比较点 引出点 表示负反馈,方框图中各符号的意义,4. 控制系统的组成,37,38,3比较元件： 对给定信号和反馈信号进行比较，产生偏差信号。 4放大元件： 对偏差信号进行放大，使之有足够的能量驱动执行元件实现控制功能。 5执行元件： 直接对受控对象进行操纵的元件，如电动机、液压马达等。,39,控制系统中比较元件、放大元件、执行元件和反馈元件等共同起控制作用，统称为自动控制装置。

10、实际的控制系统中，扰动总是不可避免的。 扰动分为内部扰动和外部扰动。,6.校正元件： 用以改善系统控制质量的装置。 校正元件分为串联和并联两种。,40,分类方法很多，一般组合应用。例如：,按控制方式分：,开环控制 闭环（反馈）控制 复合控制,1.2 自动控制系统的分类,按元件类型分：,机械系统、电气系统等,按系统功用分：,温度控制、位置控制等,41,1、按信号传递路径划分,1）开环控制 2）闭环控制 3）复合控制,2、按给定信号的特征划分,1）恒值控制系统 2）随动控制系统 3）程序控制系统,例如：液位控制系统 例如：火炮自动瞄准系统 例如：机床数控加工系统,控制系统中通常如何分类？,控制理论

11、研究的重点是信息的传递和转换，因此以系统信息为出发点进行分类，如下：,42,3、按系统数学模型,1）线性系统 2）非线性系统,线性系统：系统各元件输入输出特性是线性的，系统的状态和性能可以用线性微分（或差分）方程来描述，其突出特点是：满足叠加原理。,非线性系统：系统中只要存在一个非线性的元件，系统就用非线性方程来描述，通常在一定条件下线性化处理。,43,4、按信号传递的连续性划分,1）连续系统 2）离散系统,连续系统：特点是系统中各元件的输入输出信号都是时间连续的函数（工程上称为模拟量），其运动状态一般用微分方程来描述。,离散系统：系统中总有至少一处信号是脉冲序列（采样序列）或数码形式，其运动

12、状态一般用差分方程来描述。,44,5、按系统输入输出信号的数量划分,1）单变量系统（SISO） 2）多变量系统（MIMO）,单变量系统：从系统外部变量来说的，给定输入是单一的，响应也是单一的。是经典控制理论的主要研究对象，以传递函数为基本数学工具，讨论线性定常系统的分析和设计问题。,多变量系统：系统有多个输入量和多个输出量，是现代控制理论的主要研究对象，以状态空间法为数学基础，讨论多变量、变参数、非线性、高精度等控制系统的分析和设计问题。,45,1、家用电冰箱温控系统 2、函数记录仪,1.3 自动控制系统示例,46,被控对象：,冰箱,被控量：,输入量：,控制器设定值（代表温度的期望值）,扰动量

13、：,开门时的外界温度,请问1：,冰箱内温度,1. 家用电冰箱温控系统,47,请问2：工作原理？画出系统方块图？,工作原理:闭环控制方式 控制器设定温度与冰箱内温度比较，产生偏差值，当偏差电压达到使继电器接通时，压缩机工作，将蒸发器中高温低压气态制冷液送至冷却器散热，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，如此循环操作，使箱体温度达到希望温度，此时继电器断开，压缩机停止工作。方块图如下：,48,2.函数记录仪,49,函数记录仪方框图,50,51,定义：通常将系统受到给定值或干扰信号作用后，控制被控量变化的全过程称为系统的动态过程。,工程

14、上常从稳、快、准三个方面来评价控制系统。 稳： 指动态过程的平稳性。 快： 指动态过程的快速性。 准： 指动态过程的最终精度。,1.4 对自动控制系统的基本要求,1.4.1 基本要求：“稳、快、准”,52,稳：指动态过程的平稳性,控制系统动态过程曲线,如上图所示，系统在外力作用下，输出逐渐与期望值一致，则系统是稳定的，如曲线所示；反之，输出如曲线所示，则系统是不稳定的。,53,快：指动态过程的快速性,快速性即动态过程进行的时间的长短。过程时间越短，说明系统快速性越好，反之说明系统响应迟钝，如曲线所示。,稳和快反映了系统动态过程性能的好坏。既快又稳，表明系统的动态精度高。,54,准： 指系统在动

15、态过程结束后，其被控量（或反馈量）与给定值的偏差，这一偏差称为稳态误差，是衡量稳态精度的指标，反映了系统后期稳态的性能。,不稳定系统，没有必要讨论准确性,偏差：0,偏差：0.5,55,注意： “稳、准、快”相互制约，不同性质的系统，对稳、准和快的要求各有侧重，如：恒值系统对“稳、准”要求严格，随动系统对“快”要求严格，具体设计时要折中考虑。,综上所述，对自动控制系统的要求，在时域中一般可归纳为：,要求系统绝对稳定且有一定的稳定裕量；瞬态响应过程具有一定的快速和平稳性；系统最终响应的准确度在工程允许的范围内。,56,为了能对不同的控制系统的性能用统一的标准来恒量，通常需要选择几种典型的外作用。,

16、1.4.2 典型外作用,选取原则： （1）在现场及实验中容易产生 （2）控制系统在这种函数作用下的性能应代表实际工作条件下的性能。 （3）数学表达式简单，便于理论分析。,57,1、阶跃信号 (Step Signal),R=1时，称为单位阶跃信号，用1(t )表示 或用(t )表示,典型信号,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。,58,2、斜坡信号(Ramp Signal),当R=1时，则称为单位斜坡信号,斜坡信号：为匀速信号，适于测试匀速系统。,典型信号,59,3、加速度信号（抛物线信号(Parabolic Signal)）,当R=1时，则称为单位加速度信号,抛物线

17、信号：为匀加速信号，适于测试 匀加速系统,典型信号,60,4、脉冲信号(Impulse Signal),当面积R=1时就得理想的单位脉冲信号(亦称(t ) 函数)。,脉冲信号：可用于测试系统抗冲击能力,典型信号,61,5、正弦信号(Sin Signal),A为幅值,T为周期， =2/T为角频率,正弦信号：为单频率信号，适于测试系统频率特性,典型信号,62,自动控制系统分析与设计工具,63,本课程研究的主要内容,控制系统的分析： 1）建立系统的数学模型； 2）分析系统性能：“稳”、“准”、“快”； 3）分析参数变化对性能指标的影响。,控制系统的设计： 1）性能要求（系统性能，约束条件）：想要什么样的系统，达到什么样的指标； 2）控制器的结构和参数设计与整定； 3）性能校核（计算，仿真，实验）：系统的实现和分析。,掌握控制理论的基本思想，能进行一般应用问题的设计； 初步具备控制系统设计的能力。,教学目标：,64,控制理论三大任务,1、建立数学模型 ch