自动控制原理第一章绪论.ppt

1、1、自动控制原理，任课老师：马宝萍，2，3，哈佛大学图书馆训练，1 .现在睡觉做梦现在学习就能实现梦想。 我什么都没做就度过了今天。 昨天死去的人们希望的明天。 学习不是人生的一切，但学习是无法征服的。 那么，你能做什么呢？ 4 .今天不想去，明天跑步。 5 .现在睡觉的唾液变成明天流下来的眼泪。 4、第1章绪论，主要内容1.1引言1.2自动控制的基本知识1.3自动控制系统的分类1.4自动控制系统的基本构成1.5对控制系统的要求1.6自动控制理论的发展概况，5、自动控制的起源，图1.(a)18世纪80年代开发的离心调速器点燃英国工业革命1788年离心调速器功率，1.1引言，6，波音777飞机，

2、磁盘驱动器，发展到今天，自动控制应用于很多领域，7，当今时代， 自动控制发挥的作用越来越重要：空间飞机的导航和控制系统制造业中控制系统工业过程控制系统通信系统的控制、自动控制发展、8、控制论的提出维纳叶控制论，或是关于动物和机械中控制和通信的科学，1948年美国数学家，控制论的创始人，没有控制论的建立和发展，可以说没有比今天更先进的自动化技术了。 9、金学森的工程控制论英文版(Engineering Cybernetics )，1954年出版。 工程控制论在研究控制论这一科学中被定义为可以直接用于控制系统工程设置修订的部分.金学森指出了控制论在系统科学体系中的地位，为复杂巨大系统的建模、分析、

3、运输和控制问题提供了理论基础和方法论依据怎么学好这门课程？ 1 .认真掌握基本原理2 .多看参考书，多做练习题，利用Matlab软件分析实例进行计算机辅助分析。11、古典教材、胡寿松主编、自动控制原理、第四版、科学出版社、2001。 绪方胜彦萩、吕伯英等翻译，现代控制工程，第四版，电子工业出版社。 Richard C.Dorf等萩，谢红卫等翻译，现代控制系统，第8版，高等教育出版社。 12、推荐阅读、控论、维纳萩.工程控论、金学森萩.信息爆炸时代的控制、动力学和系统未来方向专家小组报告、2002年6月30日、13、网络资源、国防科学技术大学生自动控制原理精品课程网站、14、控制水流入量和流出量

4、均衡1.2自动控制和自动控制系统在水流出量增大或流入量减少时失去平衡，液面高度不能自然保持一定。 16、控制是指强制改变某物理量(在上述例子中为入水量)，将其他某特定的物理量(例如液面高度h )维持在某特定的基准。 手动控制形象：这种强制性地改变进水量，使液面高度保持一定的过程，即手动控制过程。17、1.2.2自动控制的定义和基本功能元素1 .自动控制的定义自动控制使用控制器来根据预定规则自动运行受控对象(或过程)的特定物理量(或状态)，即使没有直接参与者。 浮子在水和供水失去平衡时，水箱水位下降(或上升)，出现偏差。该偏差由浮子检测，自动控制器根据偏差控制阀的开大(或闭小)，修正偏差，使液面

5、高度保持一定。 18、2 .自动控制的基本功能部件自动控制的实现，实际上是由自动控制装置代替人的基本功能来实现自动控制。 描绘以上手动控制和自动控制的功能框图进行对照。 眼浮子脑自动控制器肌肉，手动执行器，19，将两图比较，自动控制实现人工控制的功能，存在着不可或缺的三种代替人工功能的基本要素：20，测量要素和信号发生器(代替眼睛)； 自动控制器(代替大脑)致动器(代替肌肉、手)。 这些基本要素与被控制对象连接，构成自动控制系统。 下图是典型控制系统的框图。21，1.2.3自动控制的一些术语和框图1 .一般术语控制(受控)对象受控制的设备或过程(例如水箱)受控制量c(y )是表示设备或过程的操

6、作状况或状态的需要严格控制的物理量(液位等)规定值(参考输入) r的被控制量应保持的期待值(液位高度等)控制量(操作量) u引起被控制量的变化，能够用作调整机构的残奥仪表(例如阀开度)干扰d引起被控制量的变化的主要原因(包括内乱、干扰) 22、自动控制系统的任务是使对象的被控制量等于规定值，c(t)=r(t )、23、2 .系统框图、24、控制器、设定温度Td(t )、实际的方向、比较器汽车方向控制系统的原理图，27，3 .反馈和反馈控制的概念，反馈系统的输出经校准测量变换元件返回系统的输入端，这一过程称为反馈。 如果反馈信号和规定值信号的极性相反，则称为负反馈，如果极性相同，则称为正反馈。

7、由前向通道、反馈通道形成闭环，称为闭环控制系统。 因为有反馈，也被称为“反馈控制系统”。 反馈控制是自动控制系统最基本的控制方式，也是应用最广泛的控制系统。28、1.3自动控制系统的分类、常用的自动控制系统分类方法是根据系统输入信号的变化规律根据系统传输信号的性质描述系统的数学模型根据其他分类方法、29、1.3.1信号的传输路径进行分类， 1开环控制系统定义：指系统的输出端和输入的工业上使用的数字程序控制机床：图纸、位移、程序、指令、放大器、执行机构、微型计算机、切削工具、机床、30、直流电动机转速控制系统、 在系统框图中，作用信号单向传输(3)控制器无法克服干扰，自动补偿偏差的开环控制适用于

8、输入输出关系已知、系统无干扰(或干扰弱)的情况。33、2闭环控制系统定义：系统中存在信号的闭环，或者输入端和输出端之间存在反馈的系统称为闭环控制系统或反馈控制系统。 测量元件、图纸、位移、放大器、执行机构、微型计算机、切削工具、机床、微型计算机控制机床(闭环系统)、34、直流电动机闭环控制的缺点： (1)结构复杂，成本高；(2)只有在偏差出现后才产生控制作用，而36，3复合控制系统复合控制是闭环控制和开环控制相结合的方式。 追加闭环控制等外加干扰信号的补偿控制，提高控制系统的抗干扰性。 37、可增加干扰信号的补偿控制作用以在干扰影响被控制量的同时，立即提供控制作用来消除该不利影响。 净闭环控制

9、先等待该不良影响反映到被控制信号中，然后才产生控制作用，对干扰的反应慢。 两者的结合能够得到高精度的控制，并且提高抗噪性。 38、1.3.2按预定信号进行分类，1、定值控制系统的输入信号是一定的数值。 定值控制系统主要考虑各种噪声对系统输出的影响，以及如何克服这些噪声并尽可能保持输入和输出的期望值。 (例如液位控制、马达转速控制) c(t)=r(t)=const. 2，程序控制系统的输入信号是已知的时间函数，系统的控制过程要求按照预定程序进行，被控制量能够迅速且准确地再现。 (例：数控机床加工系统)定值控制系统也可视为程序控制系统的特例。 c(t)=r(t )，r(t )是已知的时间函数。 诸

10、如39、3和跟踪控制系统(或称为伺服系统)之类的系统特征是输入信号是未知的函数，要求输出跟踪预定量的变化，且也被称为跟踪控制。 (例如火炮自动跟踪系统、显示记录修正、跟踪卫星的雷达天线控制系统等) c(t)=r(t )，r(t )是未知时间函数。 按描述40、1.3.3系统的数学模型分类，1、线性系统由线性要素组成的系统称为线性系统。 其运动方程式是线性微分方程式。 如果各系数为常数，则称为线性稳态系统。 其运动方程式的一般形式是在：式中，u(t )系的输入量y(t )系的输出量。 当系统的输入分别为r1(t )和r2(t )时，对应的输出分别为c1(t )和c2(t )，且输入为r(t)=a

11、1r1(t，即，41、2，非线性系统是系统典型的非线性特性包括饱和特性、死区特性、间隙特性、继电器特性、滞后特性等。 如图1图16所示。 非线性特性可以分为非本质非线性和本质非线性两种。 42、图1-16中非线性元件的静态特性示例43，严格来说，所有物理系统的特性都是非线性的。 但是，为了研究问题的便利性，很多系统可以在一定条件下，在一定范围内，近似地视为线性系统进行分析研究，其误差多处于工业生产的允许范围内。 非线性理论研究没有线性系统那么完整和成熟，一般只能近似的定性描述和数值修正。 44、1.3.4在信号传输的连续性中1 .连续系统各部的信号都是时间变量的连续函数的情况下，称为连续系统，

12、其运动状态和特性一般可用微分方程式记述。 由连续系统中的每个设备传输的信息在工艺上称为模拟量，并且其输入和输出一般用r(t )和c(t )来表示。 采用普通控制仪表的系统就是这种类型。 如果在这种系统上应用离散系统数字或数字控制器，则在这种系统中的一些或某些位置的信号以脉冲序列或数字形式传输，这样的系统称为离散系统。 离散系统的运动状态一般用差分方程描述。 在实际的物理系统中，控制上的需要很多，人为地使连续信号离散化，这称为采样。，46，输出，输入，输入，A/D，计算机，D/A，放大器，执行器，被控制对象，反馈装置，图1-的(2)控制系统的功能，有温度控制系统，速度控制系统，位置控制系统等。

13、(3)按系统组件构成：有机电子系统、液压系统、生物系统。 (4)不同控制理论分支所建立的新控制系统有最优控制系统、自适应控制系统、预测控制系统、模糊控制系统、神经网络控制系统等。 48、1.4自动控制系统的基本配置典型的反馈控制系统总是由要被控制的对象和各种结构的不同功能单元组成。 控制对象以外的各部分可以统称为控制装置。 49、预定组件：其功能是提供对应于预期输出的系统输入量，并生成系统控制指令的装置。 测定元件：具有检测被控制量的功能，如果测定的物理量为非充电量，则变换为电量，多用电气手段处理。 比较元件：将测量元件检测出的实际输出值与规定元件提供的输入值进行比较，求出它们的偏差的功能。

14、50、放大元件：放大过于微弱的偏差信号，以充分的功率推进执行元件和被控制对象的功能。 执行机构：其功能是直接按下被控制对象，改变被控制量。 校准组件：为了提高或改善系统性能，在系统的基本结构中添加关残奥仪表，使其灵活调整的组件。 工程上称为调节器。 一般的串联或反馈方式与系统相连。 51、对1.5控制系统的基本要求是，当自动控制系统受到干扰或预定值发生变化时，被控制量发生变化，偏离预定值。 由于系统的自动控制作用，经过一定的过渡过程，被控制量恢复到原来的稳定值或稳定到新的规定值。 变化过程中的被控制量的转变过程称为动态过程(即随时变化的过程)，被控制量处于平衡状态称为静态或稳态。 52、常见的

15、被控量变化的动态过程如下。 (a )单调过程、(b )衰减振荡过程、(c )等幅振荡过程、(d )渐增振荡过程、过程控制系统中的动态过程多为图(b )。 53、理想状况：控制系统的动态过程不仅稳定，过渡过程时间(也称调整时间)越短越好，振幅越小越好，衰减越快越好。 如上所述，对一个自动控制的性能要求可以归纳为三个方面：稳定性、高速性、准确性。 (1)稳定性。 自动控制系统最基本的要求是系统必须稳定，不稳定的控制系统不能发挥作用。 通常，系统是绝对稳定的，需要一定的稳定馀量。 1.5.1对系统的要求，54，(2)快速性。 以系统稳定为前提，最好尽早进行控制过程(过渡过程)，但如果要求过渡过程时间短，则动态误差(偏差)可能过大。 合理的设定修订必须考虑到两方面的要求。 (3)准确性。 即，动态误差和稳态误差都要求越小越好。 如果有高速性和矛盾，必须考虑两方面的要求。 在不同类型的系统中，对这三个方面的指标要求不同，例如，恒值系统对稳定性和准确性要求严格，跟踪系统对快速性