第1章自动控制原理ppt
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自动控制原理最全PPT
2021年6月10日
第一章 自动控制系统的基本概念
第一章 自动控制系统的基本概念
学习重点
❖ 了解自动控制系统的基本结构和特点及 其工作原理；
❖ 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及反馈控 制系统的作用；
❖ 学会分析自动控制系统的类型及本质特 征。
2021年6月10日
第一章 自动控制系统的基本概念
主要解决问题：单输入单输出（SISO）系统的控制问题。
主要方法：
以传函为数学模型，以拉氏变换数学工具， 时域分析法、根轨迹法、频率法。
主要研究对象：SISO，线性定常（LTI），非线性系统，离散
系统。
Linear Time
主要代表人物：伯德，奈奎斯特，伊文思。 Invariable
2021年6月10日
电机与拖动
线性代数
大学物理
自动控制原理
微积分
2021年6月10日
各类 专业课
线性系统
现代控 制理论
第一章 自动控制系统的基本概念
自动控制原理
基于数学模型
自动控制理论的发展历程
控制理论是研究有关自动控制共同规律的一门科学。 第一阶段：古典控制理论（20世纪40～60年代）
Classical Control Theory 第二阶段：现代控制理论（20世纪60～70年代）
第1章 自动控制系统的基本概念(4) 第2章 拉普拉斯变换及其应用（4） 第3章 自动控制系统的数学模型(10) 第4章 自动控制系统的时域分析(14) 第5章 自动控制系统的频域分析（14） 第6章 控制系统的校正及综合(10)
2021年6月10日
第一章 自动控制系统的基本概念
自动控制原理_胡寿松_第五版_第一章_绪论(简)改ppt
提高综合分析问题的能力。 本课程的基本任务: 获得自动控制系统的基本理论
掌握系统的基本分析方法
为设计自动控制系统打下一定的基础 为进一步的学习和研究控制理论创造条件
教学方式：讲授 学时：48 H 考核方式： 笔试70％ 平时30％：作业（20％），课堂（10％） 教材： 胡寿松主编，《自动控制原理基础教程》第三版，科学 出版社 参考书： 李友善主编，《自动控制原理》，国防科技出版社 高国燊主编，《自动控制原理》，华南理工大学出版社 文锋主编，《自动控制理论》，中国电力出版社 目标：学到真本事，考个好成绩！ 要求：认真听课，不能无故旷课、迟到；独立完成作业，能够提 出问题，讨论问题。 即：严肃认真，生动活泼！
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。
控制论是一门多学科性的技术科学。在理论研究中，广 泛的使用了各种数学工具：微积分，概率论，复变函数，泛 函，变分法，拓扑学等，实际上是数学的一个分支。
信号与系统（含 拉氏变换，傅氏 变换、z变换
复变函数
电路理论
模拟电子技术
电机与拖动
自动控制理论
线性代数 微积分（含微分方程）
大学物理（力学、热力学）
我们讨论的自控原理，仅仅是控制论的一个小部分，只讨论 了控制系统分析和设计的最一般的理论。属于经典控制部分。
Chapter 1: 主要介绍自动控制的基本概念，控制系统的常用术语及方框图表示； 主要内容： 1.自动控制、自动控制系统的概念 2.自动控制系统的基本方式 3.自动控制系统的类型 4.自动控制系统的要求和分析设计 chapter 2: 如何建立系统的数学模型（定量分析的基础），着重讨论对传递 函数的分析和基于方框图、梅逊公式的数学模型的简化方法；
掌握系统的基本分析方法
为设计自动控制系统打下一定的基础 为进一步的学习和研究控制理论创造条件
教学方式：讲授 学时：48 H 考核方式： 笔试70％ 平时30％：作业（20％），课堂（10％） 教材： 胡寿松主编，《自动控制原理基础教程》第三版，科学 出版社 参考书： 李友善主编，《自动控制原理》，国防科技出版社 高国燊主编，《自动控制原理》，华南理工大学出版社 文锋主编，《自动控制理论》，中国电力出版社 目标：学到真本事，考个好成绩！ 要求：认真听课，不能无故旷课、迟到；独立完成作业，能够提 出问题，讨论问题。 即：严肃认真，生动活泼！
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。
控制论是一门多学科性的技术科学。在理论研究中，广 泛的使用了各种数学工具：微积分，概率论，复变函数，泛 函，变分法，拓扑学等，实际上是数学的一个分支。
信号与系统（含 拉氏变换，傅氏 变换、z变换
复变函数
电路理论
模拟电子技术
电机与拖动
自动控制理论
线性代数 微积分（含微分方程）
大学物理（力学、热力学）
我们讨论的自控原理，仅仅是控制论的一个小部分，只讨论 了控制系统分析和设计的最一般的理论。属于经典控制部分。
Chapter 1: 主要介绍自动控制的基本概念，控制系统的常用术语及方框图表示； 主要内容： 1.自动控制、自动控制系统的概念 2.自动控制系统的基本方式 3.自动控制系统的类型 4.自动控制系统的要求和分析设计 chapter 2: 如何建立系统的数学模型（定量分析的基础），着重讨论对传递 函数的分析和基于方框图、梅逊公式的数学模型的简化方法；
自动控制原理课件
1.2.5 其它分类方法
•
• • • 自动控制系统还有其他的分类方法: (1)按系统的输入/输出信号的数量来分:有单输入/单输 出系统和多输入/多输出系统。 (2)按控制系统的功能来分：有温度控制系统、速度控 制系统、位置控制系统等。 (3)按系统元件组成来分：有机电系统、液压系统、生 物系统。 (4)按不同的控制理论分支设计的新型控制系统来分， 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等。 一个系统性能将用特定的品质指标来衡量其优劣, 如系统的稳定特性、动态响应和稳态特性。
直流电动机速度自动控制的原理结构 图如图1-1所示。图中，电位器电压为输 入信号。测速发电机是电动机转速的测量 元件。图1-1中，代表电动机转速变化的 测速发电机电压送到输入端与电位器电压 进行比较，两者的差值（又称偏差信号） 控制功率放大器（控制器），控制器的输 出控制电动机的转速，这就形成了电动机 转速自动控制系统。
« £U
ç µ » Î ÷ Æ
« £ ¦Ê ¹Â ·ó ÷ Å´Æ
ç¯ú µ¶»
电源变化、负载变化等引起转速变化， 称为扰动。电动机被称为被控对象， 转速称为被控量，当电动机受到扰动 后，转速（被控量）发生变化，经测 量元件（测速发电机）将转速信号 （又称为反馈信号）反馈到控制器 （功率放大器），使控制器的输出 （称为控制量）发生相应的变化，从 而可以自动地保持转速不变或使偏差 保持在允许的范围内。
y a1 y
( n)
(n1)
an1 y an y bou bu 1
( n)
(n1)
bn1u bnu
式中：u(t) —系统的输入量；y(t) —系统的输出量。 线性系统的主要特点是具有叠加性和齐次性，即当系 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)，则当输入为r(t)=a1r1(t)+a2r2(t)时，输出量为 c(t)=a1c1(t)+a2c2(t), 其中为a1、a2为常系数。
《自动控制原理教学课件》第1章绪论
通信技术研究所
:19
常用术语： （1）系统输出：被控变量 （2）给定值（参考输入）：系统的给定输入，由 控制者决定被控变量的期望值。 （3）扰动：系统不需要而又难于避免的输入，它 使得被控量偏离给定值。扰动即可来自系统内部又 可来自外部 （4）偏差：给定值－测量值
通信技术研究所
:20
ห้องสมุดไป่ตู้
前向通路：信号从输入端沿箭头方向到达输出端的 传输通路。 主反馈通路：系统输出量经测量装置反馈到输入端 的传输通路。
通信技术研究所
:33
练习
一、名词解释 1.自动控制 2.闭环控制 3.自动控制系统 二.填空 1.典型的自动控制系统由 、 、 、 、 组成。 2.对控制系统系统性能评价从三个方面进行，即 三个基本要求_______、_______ 、________ 。 3.系统中需要加以控制的目标装置，称__________ 。 4.__ __是系统能否正常工作的前提条件；_ _反映 系统在动态过程中系统跟踪控制信号或抑制扰动的能力； 稳态误差越小的系统，说明系统的_______ _越好。
通信技术研究所
:24
按描述系统的数学模型分类 （1）线性系统 （2）非线性 按控制系统传递信号性质 （1）连续系统 （2）离散系统 按系统参数是否随时间变化 （1）定常系统
d nc d n1c dc d mr d m1r dr an n an1 n1 a1 a0c bm m bm1 m1 b1 b0 r dt dt dt dt dt dt
通信技术研究所
:23
1.2.2 其他分类 按输入信号特征分类 （1）恒值系统(自稳定系统) c(t ) r (t ) , r (t ) 常数 控制任务： 分析设计重点：研究干扰对被控对象的影响， 克服扰动 （2）随动系统 控制任务： c(t ) r (t ) r (t ) 随机变化 分析设计重点：系统跟踪的快速性、准确性 （3）程序控制系统 控制任务： 预先规定时间函数变化
:19
常用术语： （1）系统输出：被控变量 （2）给定值（参考输入）：系统的给定输入，由 控制者决定被控变量的期望值。 （3）扰动：系统不需要而又难于避免的输入，它 使得被控量偏离给定值。扰动即可来自系统内部又 可来自外部 （4）偏差：给定值－测量值
通信技术研究所
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ห้องสมุดไป่ตู้
前向通路：信号从输入端沿箭头方向到达输出端的 传输通路。 主反馈通路：系统输出量经测量装置反馈到输入端 的传输通路。
通信技术研究所
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练习
一、名词解释 1.自动控制 2.闭环控制 3.自动控制系统 二.填空 1.典型的自动控制系统由 、 、 、 、 组成。 2.对控制系统系统性能评价从三个方面进行，即 三个基本要求_______、_______ 、________ 。 3.系统中需要加以控制的目标装置，称__________ 。 4.__ __是系统能否正常工作的前提条件；_ _反映 系统在动态过程中系统跟踪控制信号或抑制扰动的能力； 稳态误差越小的系统，说明系统的_______ _越好。
通信技术研究所
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按描述系统的数学模型分类 （1）线性系统 （2）非线性 按控制系统传递信号性质 （1）连续系统 （2）离散系统 按系统参数是否随时间变化 （1）定常系统
d nc d n1c dc d mr d m1r dr an n an1 n1 a1 a0c bm m bm1 m1 b1 b0 r dt dt dt dt dt dt
通信技术研究所
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1.2.2 其他分类 按输入信号特征分类 （1）恒值系统(自稳定系统) c(t ) r (t ) , r (t ) 常数 控制任务： 分析设计重点：研究干扰对被控对象的影响， 克服扰动 （2）随动系统 控制任务： c(t ) r (t ) r (t ) 随机变化 分析设计重点：系统跟踪的快速性、准确性 （3）程序控制系统 控制任务： 预先规定时间函数变化
第1章--自动控制原理课件
45
下面从系统特性角度分类。 一、按系统构成元件是否线性分类 1 线性控制系统 由线性元件构成的系统是线性控制系统。或者 说，如果系统满足叠加原理，则称其为线性系统。 2 非线性控制系统 在控制系统中，如果有一个以上的元件具有非 线性，则称这个系统为非线性控制系统。或者说， 如果不能应用叠加原理，则系统是非线性的。 严格地说，绝对的线性控制系统是不存在的。 为了简化，在一定条件下，可以对某些非线性特性 作线性化处理。这样，非线性控制系统就可以近似 为线性控制系统。
22
指出：被控对象、测量元件、比较机构、放大机构 和执行机构 该系统方框图：
23
三、方框图的画法： 用方框表示系统中的各个组成部件，在每个 方框中填入它所表示部件的名称或其功能函数的 表达式，而不必画出它们的具体结构。 根据信号在系统中的传递方向，用有向线段 依次把它们连接起来，就得到整个系统的框图。
3
经典控制理论（20世纪60年代以前）：主 要解决单输入单输出问题，所研究的系统多半 是线性定常系统。 现代控制理论：20世纪60年代， 随着高精 度数字计算机的诞生，为解决复杂控制系统提 供了实现上的可能性。现代控制理论涉及多变 量控制系统、最优控制理论、系统辨识与模式 识别、最优估计、自适应控制、自学习控制、 模糊控制、专家系统、神经元及其网络控制等 等。
4
第二节 自动控制系统的一般概念
一、自动控制技术及其应用
1 自动控制： 在没有人直接参与的条件下，通过 控制器使被控对象或过程自动地按 要求的规律运行。 2 自动控制系统： 能够完成自动控制功能的基本体 系，称为自动控制系统。 3 自动控制理论： 分析与综合自动控制系统的理论称 为自动控制理论。 4 应用： 自动控制技术已经应用在工程、军事和科 学技术等各个领域，包括：航空、航天、 航海、冶金、机械、能源、电子、生物、 医疗、化工、石油、建筑等。 5
下面从系统特性角度分类。 一、按系统构成元件是否线性分类 1 线性控制系统 由线性元件构成的系统是线性控制系统。或者 说，如果系统满足叠加原理，则称其为线性系统。 2 非线性控制系统 在控制系统中，如果有一个以上的元件具有非 线性，则称这个系统为非线性控制系统。或者说， 如果不能应用叠加原理，则系统是非线性的。 严格地说，绝对的线性控制系统是不存在的。 为了简化，在一定条件下，可以对某些非线性特性 作线性化处理。这样，非线性控制系统就可以近似 为线性控制系统。
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指出：被控对象、测量元件、比较机构、放大机构 和执行机构 该系统方框图：
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三、方框图的画法： 用方框表示系统中的各个组成部件，在每个 方框中填入它所表示部件的名称或其功能函数的 表达式，而不必画出它们的具体结构。 根据信号在系统中的传递方向，用有向线段 依次把它们连接起来，就得到整个系统的框图。
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经典控制理论（20世纪60年代以前）：主 要解决单输入单输出问题，所研究的系统多半 是线性定常系统。 现代控制理论：20世纪60年代， 随着高精 度数字计算机的诞生，为解决复杂控制系统提 供了实现上的可能性。现代控制理论涉及多变 量控制系统、最优控制理论、系统辨识与模式 识别、最优估计、自适应控制、自学习控制、 模糊控制、专家系统、神经元及其网络控制等 等。
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第二节 自动控制系统的一般概念
一、自动控制技术及其应用
1 自动控制： 在没有人直接参与的条件下，通过 控制器使被控对象或过程自动地按 要求的规律运行。 2 自动控制系统： 能够完成自动控制功能的基本体 系，称为自动控制系统。 3 自动控制理论： 分析与综合自动控制系统的理论称 为自动控制理论。 4 应用： 自动控制技术已经应用在工程、军事和科 学技术等各个领域，包括：航空、航天、 航海、冶金、机械、能源、电子、生物、 医疗、化工、石油、建筑等。 5
自控原理课件 第1章-自动控制系统概
2
第1章 自动控制系统概述
第1章 自动控制系统概述
1.1自动控制系统基础知识
3
第1章 自动控制系统概述
4
第1章 自动控制系统概述
开环控制系统是一种最简单的控制系统。下面举例 说明其结构特点和工作原理。 图1.1所示是一个电阻炉温度控制系统，希望电阻炉 的温度T c保持在允许范围内。在该系统中，可以通过调 整自耦变压器滑动端的位置来改变电阻炉的温度，并使 其保持在允许范围内。因而被控对象就是电阻炉，被控 量就是电阻炉的温度。自耦变压器滑动端的位置对应了 一个电压值uc，也就对应了一个电阻炉的温度Tc，改变 M c也就改变了T”在这个控制系统中，没有对电阻炉的实 际温度进行测量，就是说，实际温度Tc是多少不得而知 。当系统中出现外部扰动(如炉门开关频繁变化)或内部 扰动(如电源电压波动)时，了c将偏离“c所对应的数值， 5 结果温度可能比希望值偏高或偏低。
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第1章 自动控制系统概述
而放大器的输入电压为给定电压与反馈电压比 较后的偏差电压ΔU=Ug-Ufn, 其中Ug是由给定电 位器给定的，Ufn是由测速发电机TG输出电压 经电位器分压获得的。 Ufn的大小取决于转速 的高低。因此,测速发电机和电位器构成检测元 件和反馈单元；由于Ug和Ufn极性相反，所以构 成负反馈。
第1章 自动控制系统概述
6．检测元件 该装置用来检测被控制量，并将其转换成与 给定量相同的物理量。检测元件的精度和特性逐 渐影响控制系统的控制品质，它是构成自动控制 系统的关键部件。在此系统中是热电耦。
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第1章 自动控制系统概述
由图1.6可见．系统中作用量的被控制量如
下： 给定量：又称为控制量或参考输入量。它通 常由给定信号电压构成，或通过检测元件将非电 量转换成电压信号。如图1.6中的给定电压UsT。 输出量：又称为被控制量。它是控制对象的 输出，是自动控制的目标。如图1.6中的炉温T 。 反馈量：是通过检测元件将输出量转换成与 给定量性质相同且数量级相同的信号。图1.6中 的反馈量是由热电偶将炉温转换来的信号电压 UfT。
自动控制原理PPT课件
1.1 控制技术的发展及应用
控制概念的引入：
要求汽车沿道路中心线行驶（控制汽车的位置） 1 ）预期：道路中心位置 2 ）汽车当前位置相对预期位置的差 3 ）操纵方向盘改变汽车位置使差减小
某一装置 代替人
汽车自 动驾驶 系统
1.1 控制技术的发展及应用
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
控制概念的引入
•温度调节装置（控制房间的温度）
1 ）预期：要求的室内温度
闭环控制
1.3 开环控制和闭环控制
闭环控制
输入 误差
实际输出
控制器 对象
闭环控制
传感器
特点：系统的输出是由偏差控制的，被控量经过反馈影响偏差，产生 一个相应的控制作用去减小或消除偏差，使被控量与期望值趋与一致。
结果：控制结构复杂，成本高；
抗元件参数变化和外界干扰的能力强
闭环系统可能不稳定
1.3 开环控制和闭环控制
2 ）室内当前温度相对预期温度的差
温 度
3 ）打开或关闭加热开关改变室内温度使差减小
温度测量，比较功 能，自动打开、关 闭加热开关的装置
温度自 动控制 系统
1.1 控制技术的发展及应用
自动控制的概念
自动控制是指在没有人的直接参与的情况下，利用自 动控制装置（控制器）使工作对象（被控对象）自动地 按照预先规定的规律运行，或使它的某些物理量（被控 量）按预定的要求变化。
第一章基本要求及作业
1-1 什么是随动系统？
这类系统的参考量是预先未知的随时间任意变化的函数， 要求被控制量以尽可能小的误差跟随参考量的变化。
系统中：被控对象为指针，被控量为指针位移，输入电压为 给定输入量。
给定电压 电位器
放大器
电动机
自动控制原理完整版课件全套ppt教程
1.1 自动控制系统的基本概念
相关概念说明
1. 被控对象 2. 被控量 3. 控制器 4. 控制量
5. 参考输入量 6. 偏差信号
7. 反馈 8. 测量元件 9. 比较元件 10. 定值元件 11. 执行元件 12. 扰动信号
1.1 自动控制系统的基本概念
1.1 自动控制系统的基本概念
1.2 自动控制系统的组成与结构
6. 按照系统输入输出端口关系分类 单入单出控制系统 多入多出控制系统
图1-10 自动控制系统输入输出端口关系示意图
1.4 自动控制系统分析与设计的基本要求
1.4.1 自动控制系统分析与设计的基本要求
1. 稳定性 2. 准确性 3. 快速性
1.4 自动控制系统分析与设计的基本要求
1.4.1 自动控制系统分析与设计的基本要求
的高次幂或乘积项的函数。如 就是非线性函数。
dd 2( 2 y t)tx(t)dd (ty )ty(t)y2(t)x(t)
1.3 自动控制系统的分类
4. 按照系统参数是否随时间变化分类 定常控制系统 时变控制系统
5. 按照系统传输信号的分类
1.5 自动控制理论的内容与发展
自动控制理论根据其发展过程可以分为以下三个阶段：
3. 智能控制理论阶段
20世纪70年代至90年代
智能控制理论的研究以人工智能的研究为主要方 向，引导人们去探讨自然界更为深刻的运动机理。
高等教育 电气工程与自动化系列规划教材
自动控制原理
高等教育教材编审委员会 组编 主编 吴秀华 邹秋滢 郭南吴铠 主审 孟 华
1.2 自动控制系统的组成与结构
1.2 自动控制系统的组成与结构
1.3 自动控制系统的分类
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ax bx c d
2
2016/11/2
4
控制理论的内容
上个世纪三项科学革命：控制论、量 子论、相对论 控制论：
经典控制理论 现代控制理论（智能控制理论）
2016/11/2 5
导 读
自动化技术几乎渗透到国民经济的各个领域及社会生活的 各个方面，是当代发展最迅速、应用最广泛、最引人注目 的高科技，是推动新的技术革命和新的产业革命的关键技 术，在某种程度上说，自动化是现代化的同义词。自动控 制原理研究分析、设计自动控制系统的基本方法。
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第一章 自动控制的一般概念
• 实例（示意图）
人工（手动）控制：
（1）对象：储液系统 （2）目标：液位 （3）眼睛：观察 液位变化
（4）大脑：分析、比
较、判断 （5）手/脚：动作执行
2016/11/2 24
• 实例（示意图）
信号驱动设备
自动控制：
（1）对象：储液系统 （2）目标：液位 （3）传感器：检测
信号与系统 电路理论 电机与拖动 复变函数、拉普拉斯变换 模拟电子技术
自动控制理论
线性代数
大学物理（力学、热力学）
2016/11/2
微积分（含微分方程）
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课程学习要面临任务
• • • • 数学基础-宽而深（针对理论研究） 控制原理抽象 计算复杂且繁琐 绘图相对困难
计算机数学语言 MATLAB 数值解/解析解（数学运算）
2016/11/2 21
2016/11/2
22
参考资料
• • • • • • 自动控制原理（第五版） 胡寿松 自动控制原理实验指导 李秋红 自动控制原理的MATLAB实现 黄忠霖 控制数学问题的MATLAB求解 薜定宇 自动控制原理习题集 胡寿松 现代控制工程（第三版） 卢伯英
2016/11/2
2016/11/2 28
自动控制系统控制原理方框图
自动控制装置 偏差 控制器 输入量 广义对象 扰动量 控制量 控制动作
控制器
比较环节 测量值
执行装置 测量装置
控制 对象
பைடு நூலகம்
输出量
2016/11/2
29
元素：
（1）
（ 2）
：元件
：信号（物理量）及传递方向
（3）
（ 4）
：比较点（信号叠加）
：引出点（分支、信号强度）
2016/11/2 9
1.0 自动控制发展简史
中国古代自动化方面的成就：
• 公元前14世纪至前11世纪，中国、 埃及和巴比伦出现自动计时漏壶； • 公元130年，张衡发明水运浑象， 132年研制出自动测量地震的候风 地动仪； • 公元235年，马钧研制出用齿轮传 动自动指示方向的指南车，类似按 扰动补偿的自控系统；
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。 （连续控制系统、离散控制系统）
2016/11/2 19
2016/11/2
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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： （线性系统、自适应控制、最优控制、 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）
方框图
晶阐管可 控整流器
udo
电动机 受控对象
n
2016/11/2
33
2016/11/2
34
2016/11/2
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关键点：
• • • • • 工作原理 输入输出 被控对象 中间环节 信号传递
控制系统
(自动控制系统方块图的绘制)
2016/11/2 36
1.2 控制原理与方式
1.开环控制
开环控制系统是指无被控量反馈的控制系统,即 需要控制的是被控对象的某一量(被控量),而测量的 只是给定信号,被控量对于控制作用没有任何影响的 系统。结构如图所示。
2016/11/2 7
人造地球卫星 控制其准确地进入预定轨道运行并 回收
哈勃望远镜－特殊地卫星
2016/11/2
中巴资源卫星
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雷达技术
雷达操作时，天线就要不停地转动。天线的作用是 把雷达中产生的无线电波按照一定的方向向外发射出去， 并把被反射回来的无线电波接收下来。正因为天线所起 的作用好似人的眼睛一样，因此雷达要注视和侦察整个 天空的状况，天线就要不停地转动，用一个驱动马达使 天线作360度的旋转，这样它就能在360度范围内进行 “搜索”。
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没有理论指导使控制技术停滞了一个世纪！ • 飞球调节器有时使蒸汽机速度出现大幅度 振荡。其它自动控制系统也有类似现象。 • 由于当时还没有自控理论，所以不能从理 论上解释这一现象。为了解决这个问题， 盲目探索了大约一个世纪之久。
13 2016/11/2
《自动控制原理》国家精品课程
浙江工业大学自动化研究所
2016/11/2
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（3）.复合控制
补偿器
输入量
扰动 输出量
控制器
控制对象
扰动
补偿器
输入量 输出量
控制器
控制对象
2016/11/2
2016/11/2 14
经典控制理论的孕育
• 1877年，英国劳斯提出代数稳定判据。 • 1895年，德国赫尔维兹提出代数稳定判据。 • 1892年，俄国李雅普诺夫提出稳定性定义 和两个稳定判据。 • 1932年，美国奈奎斯特提出奈氏稳定判据。 • 二战中自动火炮、雷达、飞机以及通讯系 统的控制研究直接推动了经典控制的发展。
自动控制原理
Principles of Automatic Control
控制科学与工程系
引
控制理论：
言
自动化学科的重要理论基础
研究自动控制共同规律的技术科学
自动控制
自动控制系统
课程的性质和特点
• 自动控制是一门特殊的科学，从系统论和方法 论的角度来研究系统的建立、分析与设计。 • 《自动控制原理》是本学科的专业基础课，是 自动控制理论的基础课程，该课程与其它课程 的关系如下。
2016/11/2
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扰动
给定值
输出量
控制器
控制对象
按给定值操纵的开环 控制原理方框图
扰动
测量装置
输出量 按扰动补偿的开环 控制原理方框图
控制器
控制对象
2016/11/2
39
信号由给定值至被控量单向传递。这种控制
较简单,但有较大的缺陷,即对象或控制装置受到干
扰,或工作中特性参数发生变化,会直接影响被控量, 而无法自动补偿。因此,系统的控制精度难以保证。 从另一种意义理解,意味着对受控对象和其它控制 元件的技术要求较高。如数控线切割机进给系统、 包装机等多为开环控制。
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中国古代自动化方面的辉煌成就：
• 公元725年，一行、梁令瓒发明有自动报时机构的 水运浑象，其中使用了一个天衡装置，是一个按被 调量偏差调节的自动调节器； • 公元1086-1092年，苏颂和韩公廉建造具有“天衡” 自动调节和自动报时机构的水运仪象台； • 公元l135年，宋代王普记述“莲华漏”上使用浮 子—阀门式机构自动调节漏壶的水位； • 公元1637年，明代的《天工开物》一书中记载有 程序控制思想的提花织机结构图。
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开环控制和闭环控制方式各有优缺点 , 在实际 工程中应根据工程要求及具体情况来决定。如果 事先预知输入量的变化规律 , 又不存在外部和内部 参数的变化 , 则采用开环控制较好。如果对系统外 部干扰无法预测,系统内部参数又经常变化,为保证 控制精度 , 采用闭环控制则更为合适。 如果对系统 的性能要求比较高,为了解决闭环控制精度与稳定 性之间的矛盾,可以采用开环控制与闭环控制相结 合的复合控制系统。
扰动量 输入量 输出量
控制器
控制对象
?
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• 控制对象：要求实现自动控制的机器、 设备或生产过程。 • 控制器：对控制对象起控制作用的控制 装置总体。 • 输入量：作用于控制系统输入端，并可 使系统具有预定功能或预定输出的物理 量。 • 输出量：位于控制系统输出端，并要求 实现自动控制的物理量。 • 扰动量：破坏系统输入量和输出量之间 预定规律的信号。
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空间技术促使现代控制理论的产生
现代控制理论促进了空间技术的发展
• 二次世界大战结束后，各国大力发展空 间技术，经典控制理论不能满足需要， 需要研究新的控制理论。 • 现代控制理论在空间技术取得巨大成功， 促进了空间技术的发展。
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现代控制理论在工业过程控制方面遭遇 滑铁卢，促使了智能控制技术的诞生
自动控制理论的开端
• 1868年英国麦克斯韦尔的“论调速器”论文指 出： • 不应单独研究飞球调节器，必须从整个系统分 析控制的不稳定。 • 建立系统微分方程，分析微分方程解的稳定性， 从而分析实际系统是否会出现不稳定现象。这 样，控制系统稳定性的分析，变成了判别微分 方程的特征根的实部的正、负号问题。 • 麦克斯韦尔的这篇著名论文被公认为自动控制 理论的开端。 14
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飞球调节器 世界上公认的第一个自动控制系统
• 1788年瓦特发明飞球 调节器，进一步推
调节器轴
动蒸汽机的应用， 促进了工业的发展。
• 推动了社会进步是飞 球调节器公认为第一 个自动控制系统的最 主要原因！
2016/11/2
关 汽阀联结器 套环 开 汽轮机轴
图1.1 飞球调节器原理图
（5）+/- ：符号的意义（正、负反馈）