胡寿松自控第一章教案.ppt

1、自动控制原理,2011年02月-2011年07月,2,教材及参考资料,教材 自动控制原理（第五、四版）,胡寿松著, 科学出版社； 参考资料 1、自动控制原理习题解析，胡寿松著， 科学出版社； 2、 Automatic Control System，高等教育出版社； 3、 图书馆其它自动控制原理教材及习题集； 4、 Internet 自动控制原理资料。,3,成绩考核,平时成绩（20%） - 出勤 - 作业 - 实验 - 期中考试 期末成绩（80%） - 闭卷考试,4,自动控制原理与其它课程的关系,电机与拖动,电子技术,线性代数,微积分（含微分方程）,复变函数、拉普拉斯变换,电路理论,大学物理（力

2、学、热力学）,电力电子技术,各类控制系统课程,5,自动控制原理讲授内容,自动控制的一般概念 控制系统的数学模型 线性系统的时域分析法 线性系统的根轨迹法,6,自动控制原理讲授内容,线性系统的频域分析法 线性系统的校正方法 线性离散系统的分析与校正 非线性控制系统分析,7,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,8,1-1 自动控制的基本原理与方式,自动控制技术及其应用 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）

3、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。,9,1-1 自动控制的基本原理与方式1. 自动控制技术及其应用,数控车床按照预定程序自动地切削工件； 化学反应炉的温度或压力自动地维持恒定； 雷达和计算机组成的导弹发射和制导系统，自动地将导弹引导到敌方目标； 无人驾驶飞机按照预定航迹自动升降和飞行； 人造卫星准确地进入预定轨道运行并回收等。 生物、医学、环境、经济管理.,10,1-1 自动控制的基本原理与方式2. 自动控制理论,自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。 经典控制理论（单输入-单输出（SISO） 现代控制理论 （多输入-多输出（MIMO） ） 智能控制理论 非线性

4、控制理论、等等.,11,1-1 自动控制的基本原理与方式2. 自动控制理论,12,1-1 自动控制的基本原理与方式2. 自动控制理论,自动控制理论的发展： 1788年，James Watt 为控制蒸汽机速度设计的离心调节器，是自动控制领域的第一项重大成果。 1884年：E. J. Routh 提出劳斯稳定性判据。 1892年：A. M. Lyapunov 提出李雅普诺夫稳定性理论。 1895年：A. Hurwiz提出赫尔维茨稳定性判据。,13,1-1 自动控制的基本原理与方式2. 自动控制理论,1932年：H. Nyquist提出奈奎斯特稳定性判据。 1945年：H. W. Bode提出反馈放

5、大器的一般设计方法。 1948年：Evans提出并完善了根轨迹法 1948年：N. Wiener发表控制论 1954年：钱学森在美国完成工程控制论,14,1-1 自动控制的基本原理与方式2. 自动控制理论,1956年：蓬特里亚金（Pontryagin）提出极大值原理 1957年：R. I. Bellman提出动态规划理论 1960年：R. E. Kalman提出卡尔曼滤波理论 1960年至今：确定性系统、随机系统的最优控制，复杂系统的自适应和学习控制，鲁棒控制等 目前：智能控制,15,1-1 自动控制的基本原理与方式3. 反馈控制原理,自动控制系统 将被控对象和自动控制装置按照一定的方式连接起

6、来而组成一个有机整体，称为自动控制系统。,16,1-1 自动控制的基本原理与方式3. 反馈控制原理,17,18,19,1-1 自动控制的基本原理与方式3. 反馈控制原理,20,1-1 自动控制的基本原理与方式3. 反馈控制原理,21,电炉温度反馈控制系统原理图,22,23,水箱处于平衡状态时，q1(t)=q2(t) 。假如h(t)发生变化，水位下降， h变大，通过浮子反馈到执行机构。机械杠杆带动活塞打开， q1(t)变大，使h 变小，浮子上浮，活塞也上升，直至达到新的平衡。,24,水箱液位-浮子-活塞系统原理方框图,25,水箱液位自动控制系统,控制器,减速器,电动机,电位器,浮子,用水开关,Q

7、2,Q1,c,if,SM,26,1-1 自动控制的基本原理与方式3. 反馈控制原理,什么是反馈？ -我们把取出输出量送回到输入端，并与输入信号相比较产生偏差信号的过程，称为反馈。 在反馈控制系统中，控制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，从而实现被控对象进行控制的任务，这就是反馈控制的原理。,27,1-1 自动控制的基本原理与方式3. 反馈控制原理,例：龙门刨床速度控制系统 要求：工件加工过程中不允许刨床速度波动过大 措施：利用速度反馈对刨床速度进行自动控制,FD,KZ,CF,28,1-1 自动控制的基本原理与方式3. 反馈控制原理,系统

8、基本部件及功能： 主（拖动）电动机SM 输入：电枢端电压 ua 输出：电动机速度 n 测速发电机 TG+电位器 输入：n 输出：ut 触发器CF+晶闸管整流器 KZ 输入：uk 输出： ua,29,1-1 自动控制的基本原理与方式4. 反馈控制系统的基本组成,给定值 SV Setpoint-Value 偏差值 DV Deviation-value 操作值 MV Manipulation-Value 过程变量值 PV Process-Value,30,1-1 自动控制的基本原理与方式4. 反馈控制系统的基本组成,31,1-1 自动控制的基本原理与方式4. 反馈控制系统的基本组成,测量元件; 给定

9、元件; 比较元件; 放大元件; 执行元件; 校正（补偿）元件;,32,1-1 自动控制的基本原理与方式4. 反馈控制系统的基本组成,测量元件： -检测被控制的物理量，如果这个物理量是非电量，一般要转换成电量。 例如: 测速发电机用于检测电动机轴的速度并转换为电压； 电位器、旋转变压器或自整角机用于检测角度并转换为电压； 热电偶用于检测温度并转换为电压等。,33,1-1 自动控制的基本原理与方式4. 反馈控制系统的基本组成,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）。 比较元件-把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的参据量进行比较，求出它们之间的偏差。 常用的比较元件有差动

10、放大器、机械差动装置、电桥电路等。,34,1-1 自动控制的基本原理与方式4. 反馈控制系统的基本组成,放大元件-将比较元件给出的偏差信号进行放大，用来推动执行元件去控制被控对象。 电压偏差信号，可用晶体管、集成电路、晶闸管等组成的电压放大级和功率放大级加以放大。 执行元件-直接推动被控对象，使其被控量发生变化。用来作为执行元件的有阀、电动机、液压马达等。,35,1-1 自动控制的基本原理与方式4. 反馈控制系统的基本组成,校正元件(补偿元件) -是结构或参数便于调整的元部件，用串连或反馈的方式连接在系统中，以改善系统的性能。 简单的校正元件是由电阻、电容等组成的无源或有源网络，复杂的则用计算

11、机实现校正功能。,36,1-1 自动控制的基本原理与方式4. 反馈控制系统的基本组成,相关概念： 前向通路; 主反馈通路; 主回路; 内回路; 单（多）回路系统;,自 动 控 制 原 理,2011年02月-2011年07月,38,1-1 自动控制的基本原理与方式5. 自动控制系统基本控制方式,开环控制方式 反馈控制方式 复合控制方式,39,1-1 自动控制的基本原理与方式5. 自动控制系统基本控制方式,开环控制（open-loop control）： 控制系统的输出量对系统没有控制作用。 特点： 输入量与输出量一一对应。 信号传递是单方向的，即只有输入量对输出量产生控制作用。 系统没有抗干扰能

12、力。,40,1-1 自动控制的基本原理与方式5. 自动控制系统基本控制方式,按给定值操纵的开环控制原理方框图,41,1-1 自动控制的基本原理与方式5. 自动控制系统基本控制方式,开环控制应用实例： 自动售货机； 自动洗衣机； 产品自动生产线； 数控车床； 交通红绿灯； .,42,1-1 自动控制的基本原理与方式5. 自动控制系统基本控制方式,按扰动补偿的开环控制原理方框图,43,1-1 自动控制的基本原理与方式5. 自动控制系统基本控制方式,反馈（闭环）控制 (feedback (close-loop) control ) 闭环控制把系统的输出量检测出来，经过物理量的转换，再反馈到系统的输入

13、端去与给定量进行比较（形成偏差），利用偏差量作为控制信号来纠正偏差。 特点： 输入量与输出量一一对应。 信号传递是双方向的：既有输入量对输出量的作用，又有输出量对输入量的作用。 系统具有抗干扰能力。,44,1-1 自动控制的基本原理与方式5. 自动控制系统基本控制方式,闭环控制典型原理方框图,45,1-1 自动控制的基本原理与方式5. 自动控制系统基本控制方式,按输入补偿的复合控制,46,1-1 自动控制的基本原理与方式5. 自动控制系统基本控制方式,按扰动补偿的复合控制原理方框图,47,复合控制方式,48,1-2 自动控制系统示例,函数记录仪 飞机自动驾驶仪系统 电阻炉微型计算机温度控制系统

14、 锅炉液位控制系统 。,49,1-2 自动控制系统示例 1. 函数记录仪,50,1-2 自动控制系统示例 1. 函数记录仪,51,1-2 自动控制系统示例 2.飞机自动驾驶仪系统,给定电位器,反馈电位器,52,俯仰角控制系统方块图,53,1-2 自动控制系统示例 3.锅炉液位控制系统,54,1-3 自动控制系统的分类,按控制方式-开环控制、反馈控制、复合控制等； 按元件类型-机械系统、电气系统、机电系统、液压系统、气动系统、生物系统等； 按系统功用-温度控制系统、压力控制系统、位置控制系统等； 按系统性能-线性系统和非线性系统、连续系统和离散系统、定常系统和时变系统、确定性系统和不确定性系统等

15、； 按参量变化规律-恒值控制系统、随动系统和程序控制系统等 。 . . . . . .,55,1-3 自动控制系统的分类 1. 线性连续控制系统,56,1-3 自动控制系统的分类 1. 线性连续控制系统,恒值控制系统 随动系统 程序控制系统,57,1-3 自动控制系统的分类 1. 线性连续控制系统,恒值控制系统 恒值控制系统的参量是一个常值。由于扰动的影响，被控量会偏离参考量而出现偏差，控制系统便根据偏差产生控制作用，以克服扰动的影响，使被控量恢复到给定的常值。此外，还有温度控制系统、压力控制系统、液位控制系统等。 在工业控制中，如果被控量是温度、流量、压力、液位等生产过程参量时，这种控制系统

16、则称为过程控制系统，它们大多都属于恒值控制系统。,58,1-3 自动控制系统的分类 1. 线性连续控制系统,随动系统 随动系统的参据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参据量的变化，故又称为跟踪系统。 在随动系统中，如果被控量是机械位置或其导数时，这类系统称之为饲服系统。,59,1-3 自动控制系统的分类 1. 线性连续控制系统,程序控制系统 程序控制系统的参据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。 程序控制系统和随动系统的参据量都是时间函数，不同之处在于前者是已知的时间函数，后者则是未知的任意时间函数，而恒值控制系统也可视为程序控制系统

17、的特例。,60,1-3 自动控制系统的分类 2. 线性定常离散控制系统,61,1-3 自动控制系统的分类 3. 非线性控制系统,62,1-4 对自动控制系统的基本要求 1. 自动控制系统基本要求,稳定性 快速性 准确性 鲁棒性,63,1-4 对自动控制系统的基本要求 2. 典型外作用,选取原则: （1）在现场及实验中容易产生 （2）系统在工程中经常遇到，并且是 最不利的外作用。 （3）数学表达式简单，便于理论分析。,64,1-4 对自动控制系统的基本要求 2. 典型外作用,阶跃函数 斜坡函数 加速度函数 脉冲函数 正弦函数,65,1-4 对自动控制系统的基本要求 2.1 典型外作用 (阶跃函数

18、),表示在t=0时刻出现了幅值为R的跳变，是最 不利的外作用。 R=1时的阶跃函数叫单位阶跃函数，用1(t)表示。,66,1-4 对自动控制系统的基本要求 2.1 典型外作用 (阶跃函数),67,1-4 对自动控制系统的基本要求 2.2 典型外作用 (斜坡函数),表示从t=0时刻，以恒速R变化。 如R=1,叫单位速度函数。,0,t,f(t),68,1-4 对自动控制系统的基本要求 2.2 典型外作用 (斜坡函数),69,1-4 对自动控制系统的基本要求 2.3 典型外作用 （加速度函数）,表示从t=0时刻开始，以恒加速度R变化。 R=1叫单位加速度函数。,70,1-4 对自动控制系统的基本要求 2.3 典型外作用 （加速度函数）,71,1-4 对自动控制系统的基本要求 2.4 典型外作用 (脉冲函数),脉冲函数是对对上述函数令趋于0，取极限得到的。,72,1-4 对自动控制系统的基本要求 2.4 典型外作用 (脉冲函数),脉冲函数数学表达式为 脉冲函数在现实中是不存在的，只是数学上的定义，在现实系统中常把作用时间很短，幅值很大而强度有限的一些外作用近似看作脉冲函数。当A=1时，称为单位脉冲函数，记作(t)。强度为A的脉冲函数r(t)表示成 r(t)=A(t),73,1-4 对自动控制系统的基本要求 2.4 典型外作用