第一章-自动控制的一般概念

1、自动控制原理 讲 述 人 ：付克昌 联系方式：航空港校区金工楼102室 Email： 教师课件：网络教学平台-自动控制原理 用户名：学号 初始密码：学号,课程性质：学科基础、必修。 学时安排：自动控制原理（64学时，理论教学56学时，实验8学时）、现代控制理论（32学时（24+8） 作业：知识型作业，工程应用型作业和计算机仿真作业。 成绩评定： 期末卷面：60%（闭卷考试） 平时表现：考勤、课堂表现5%、作业10%、实验25%,课程导论,本课程与其它课程的关系,课程导论,教材： 胡寿松主编 自动控制原理基础教程（第3版） 科学出版社 参考书： Richard C.Dorf 现代控制系统（第8版

2、） 高教出版社 王划一主编 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（第2版） 科学出版社 黄忠霖著 控制系统MATLAB计算及仿真 国防工业出版社 刘坤主编 MATLAB自动控制原理习题精解国防工业出版社,本课程主要学习资料,本课程研究的主要内容,课程导论,第一章 控制系统导论,1-1 自动控制的基本原理 1-2 自动控制系统示例 1-3 自动控制系统的分类 1-4 自动控制系统的基本要求 1-5 自动控制系统的分析与设计工具（自学）,本章主要内容,本章学习要求,1、明确什么叫自动控制、自动控制系统、负反馈原理等基本概念 2、正确理解三种控制方式，特别是闭环控制 3、掌握

3、绘制系统方块图的方法 4、了解系统的分类，特别是线性与非线性系统区别 5、明确对自动控制系统的要求：稳、准、快,第一章 控制系统导论,一、例: 液位控制系统,人工控制,将水位的要求值0 （期望水位）牢记在大脑中；-用脑 测量实际液面的高度h1 -用眼 希望液面高度0与实际液面高度1相比较 -用脑 按比较的结果，即液面高度偏差的正、负去决定控制动作 -用手,1.1 自动控制的基本原理,液位控制,人工控制中有三种职能作用：测量、比较和执行,图2 液面人工控制系统的方块图,问题:,1.人工控制存在哪些问题? 2.自动控制中这三种职能作用是由哪些部件完成? 3.自动控制是怎么实现的?,自动控制,二、基

4、本概念,1. 自动控制 P1,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运行。,被控对象 - 被控制的具体的机器、设备或生产过程，是系统的主体。 控制装置 - 除去被控对象以外的具有测量、计算、放大和执行功能的部分。,注意,2. 自动控制系统 P1,为实现各种复杂的控制任务，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。,一些基本术语（变量、通道）,被控量（输出量）：指被控对象的输出。 控制量：指控制器施加给广义对象的控制信号。 输入：指输入到控制系统中的信号,

5、包括参考输入和扰动。 参考输入：指系统给定的输入信号（给定量）。 扰动：指外界或系统内部影响系统输出的干扰信号。 偏差：参考输入与反馈信号（测量值）之间的差值。 前向通道：指从输入端沿箭头方向到输出端的传输通道。 反向通道：指从输出端到输入端的反方向通道。,3.方块图（原理框图）,工作原理 输入输出 被控对象 中间环节 信号传递 (自动控制系统方块图的绘制),控制系统,关键点：,4.反馈控制原理 P2,反馈控制实质：按偏差进行控制的过程,反馈：指取出输出量送回到输入端并与输入量相比 较产生偏差的过程。,反馈方式：正反馈和负反馈。,反馈控制: 将系统的输出量反送到输入端，与输入量相比较产生偏差；

6、根据偏差调整控制量；根据控制量驱动执行器操作，实现控制目标。,负反馈指偏差越来越小，控制目的是减小或消除偏差,1给定元件：产生给定量或输入量、期望量。 2测量元件：测量输出量，产生反馈量。为便于传输，反馈量通常为电量。 3比较元件：对输入量和反馈量进行比较，产生偏差。 4放大元件：对偏差进行放大，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：直接对被控对象进行操纵的元件，如电动机、液压马达等。 6. 校正元件：用以改善系统控制质量的装置。,三 、反馈控制系统的基本组成 P5,1、转台速度控制- -开环控制,(b)框图模型,四 、自动控制系统基本控制方式 P5,开环控制系统（Open

7、-loop control system）:,在没有反馈的情况下，利用执行机构直接控制被控对象的控制系统。,1）按给定量控制：信号由给定量至输出量单向传递。,2）按扰动控制（顺馈）：通过对扰动量的测量产生控制作用，以补偿扰动对输出量的影响。,2、转台速度控制- -反馈控制,对输出量进行测量，将此测量信号反馈，并与预期的输入量进行比较，产生偏差，按偏差大小实施控制，使系统变量之间保持预定关系的控制系统。 整个控制过程成为闭合过程，因此反馈控制系统也称闭环控制系统。,综上所述闭环控制系统的工作原理：,检测输出量的实际值； 将输出量的实际值与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

8、差，使得输出量维持期望的输出。,反馈控制系统（Close-loop control system）:,水温调节系统工作原理图,3、水温调节系统- -复合控制,复合控制：,例：炉温控制系统,分类方法很多，一般组合应用。例如：,按控制方式分：,开环控制 闭环控制 复合控制,1.3 自动控制系统的分类,思考？,开环控制、闭环控制、复合控制在结构、工作机理、性能、成本上有何差别,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,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

9、：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：,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。,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

10、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，其运动状态一般用差分方程来描述。,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，给定输入量是单一的，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。,1、稳定性：基本要求 要求系统要稳定,1.4.1 基本要求：“稳、准、快”

11、,输入信号,响 应,1.4 自动控制系统的基本要求,2、准确性：稳态要求,不稳定系统，没有必要讨论准确性,偏差：0,偏差：0.5,系统响应达到稳态时，输出跟踪精度要高,不稳定系统，没有必要讨论快速性,缓慢收敛，稳定,快速收敛，稳定,3、快速性：动态要求 系统阶跃响应的过渡过程平稳，快速,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

12、程允许的范围内。,R=1时，称为单位阶跃信号，用1(t )表示 或用(t )表示,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。,1.4.2 典型外作用,1、阶跃信号 (Step Signal),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。,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,抛物线信号：为匀加速信号，适于测试 匀加速系统,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

13、测试系统抗冲击能力,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,本章教学要求,1、明确什么叫自动控制，正确理解被控对象、被控量、控制装置和自动控制系统等概念； 2、正确理解三种控制方式，特别是闭环控制； 3、初步掌握由系统原理图画方块图的方法，并能正确判断系统的控制方式； 4、明确系统常用分类方法； 5、明确对自动控制系统的基本要求，正确理解三大性能指标的含义。,作业：习题：1-1、1-2,实验室介绍-控制原理实验室 6111,实际运行情况： 自动控制原理课程实验、 Matlab仿真类实验,实验室介绍-运动控制实验

14、室 6112,倒立摆控制系统是一个复杂的、不稳定的、非线性系统 对象：倒立摆（单级、二级） 检测元件：光电编码器 执行器：伺服电机 控制器：运动控制卡 实际运行情况： 演示实验、毕业设计,运动控制实验室 6112,实验室介绍-运动控制实验室 6112,实验室介绍-过程控制实验室 6110,是工业现场控制的缩影 对象： 液位控制：线性（单容水箱、双容水箱，非线性（圆形水箱）； 温度控制：（锅炉） 检测元件：流量计、压力传感器 执行器：电磁阀、变频器 控制器：仪表、DDC、 PLC、现场总线,实验室介绍-过程控制实验室 6110,实验室介绍-过程控制实验室 6110,实际运行情况：过程控制类实验、

15、毕业设计,实验室介绍-电气工程实验室 6108,实验室介绍-电气工程实验室 6108,实际运行情况： 电力拖动、运动控制系统、自动控制系统、电力系统工程基础、 电力电子技术等课程实验、毕业设计,实验室介绍-电气工程实验室 6108,实际运行情况： 电力系统继电保护、配电网自动化等课程实验、毕业设计,实验室介绍-机器人创新实验室6106,实际运行情况： 机器人竞赛类： 国际FIRA、ROBOCUP 足球机器人竞赛、机器人灭火竞赛、 机器人足球竞赛、机器人创新竞赛等。 专业课程教学： 面向对象程序设计、运动控制系统、智能控制、机器人工程、 机器人设计制作、大学生科技创新设计、毕业设计等。,实验室介

16、绍-机器人创新实验室6106,控制理论与技术发展简况,300BC 古希腊人发明的浮球调节装置; 800AD 古代阿拉伯人利用浮球进行水钟控制; 1086AD 苏颂发明的水运仪象台。,Temple Door,Water Clock,水运仪象台,控制理论与技术发展简况,1788 英国 J. Watt 用离心式调速机构控制蒸汽机的速度; 1840 英国 G.B.Ariy首次用微分方程研究控制系统讨论了反馈系统的不稳定; 1868 英国 J.C.Maxwell 发表了“On Governors” 一文,系统分析了反馈控制系统的稳定性问题； 1877 E.J.Routh和A.Hurwitz 1895年分

17、别建立了“Routh-Hurwitz Stability Criteria； 1892 俄国 A.M.Lyapunov 完成博士论文“论运动稳定性的一般问题”。,控制理论与技术发展简况,1927年 美国H.S. Black提出放大器性能的负反馈方法 (Negative Feedback Amplifier) 1932 美国H.Nyquist提出了基于极坐标图的频率域的稳定性判据; 1938 美国H.W.Bode引入了对数坐标系,使控制系统的频率域响应 方法更适于工程应用; 1948 美国W.R.Evans 提出了根轨迹法; 1948 美国 N.Wiener 出版了“Cybernetics, or Control and Communication in the Animal and the Machine”(控制论 或关于在动物与机器中控制和通讯的科学)，首先提出了控制论 这个词,这部著作被认为是经典控制理论的辉煌总结。,控制理论与技术发展简况,经典控制理论：,一个函数：传递函数 两种方法：频率响应法，根轨迹法,建立在Nyquist的频率法和Evans的根轨迹法上的理论，通常称为经典(古典)控制理论。,经典控制理论的三个局限性：,1.限于线性定常系统(Linear time-invariant system); 2.限于标量系统或单回路反馈系统， 即：单输入单输出