北理工自动化课件1

1-5 控制系统的典型输入信号
1、阶跃函数
0 x(t ) A 1(t ) A 单位阶跃函数： A
A t0
t0
1
t0
A
0
A t0
t


0
t
t0
0
t

0
t0
t
A t0
A A A 1t 1t t 0 t t0 t0 t0
2、理想脉冲函数（或冲击函数）
5. 控制系统方框图

用方框和箭头表示的控制系统元件作用图
r(t)
e(t)
校正 装置 放大 元件
扰动
被控 对象
给定 装置
u(t)
控制量
偏差 (-) 参考 信号 输入信号
执行 器
c(t)
被控量
控制器 (或调节器) 反馈装置 测量变送器
广义被控系统
反馈信号
•方框图中的几种表示法：
输入量 环节名称 输出量 (或特性)

4.自动控制理论研究简史

经典控制理论：20世纪40-50年
起源：二战军工技术的需求 目标：反馈控制系统的稳定性 方法：微分方程、传递函数、根轨迹、频域分析 应用系统:单输入单输出系统（SISO）

现代控制理论：20世纪60年代
起源：冷战时期，空间技术发展的需求 目标：最优控制
自动控制技术已经成为现代社会中的不可缺少的一部分比人工作的更好更快更准把人从繁重危险的任务中解放出来完成人无法完成的工作工业生产军事装备航空航天生物医学经济运行社会管理日常生活等诸多领域都有自动控制系统自动控制原理这门课程就是来研究这些自动控制装置或系统的基本工作规律和原理主要以丽字头的丽京丽斯丽高丽嘉丽宫及美林香槟小镇誉天下棕榈滩组成温榆广场是其主要商业配套英国学校等国际学校是其主要的教育资源


2）随动控制系统
给定输入是随机时间变化的函数（未知） 例：函数记录仪、火炮、自动跟踪系统 在随动系统中，如果被控量是机械位置或其导数时，称为伺服 系统


3）程序控制系统
给定输入是预知的时间函数 例：机床加工系统


2 线性定常离散控制系统
线性差分方程描述
r(k)和c(k)分别为输入和输出采样序列 例：工业计算机控制系统
自动控制系统示例
§1-3自动控制系统分类
1.
线性定常连续系统
线性微分方程描述
特点：
各变量及其导数以一次幂形式出现，且无交叉相乘——线性
各系数ai(i=0,1,…,n), bj(j=0,1,…,m)都是常数 系统中各信号随着时间连续变化 ——定常 ——连续

1）恒值控制系统
给定输入为常数，系统克服扰动影响 例：液位控制系统、温度控制系统等工业系统

要求能够针对具体系统进行控制原理的分析 如何正确的画出系统方块图（方框图）？ 典型的控制系统由哪几部分组成？ 控制系统的输入，输出？ 广义被控对象？控制装置？被控量？
如何区分线性与非线性系统 开环控制系统与闭环控制系统各自的特点？

控制系统的基本结构



控制系统的分类


自动控制系统的性能指标？
Qo
人工控制原理方块图：
Hs
给定值
Qo 扰动
手
e
H
测量值
脑
u
Qi
水槽
H
实际液位
眼
自动控制原理方块图：
Hs
给定值
e
控制器
Qo 扰动
Qi
水槽
u
执行器
H
实际液位
H
测量值
变送器
3.反馈控制原理
反馈
通过测量变换装置将系统或元件的输出量反送到输入 端，与输入信号相比较。反送到输入端的信号称为反馈信 号。
负反馈
1959年第一台工业机器人
机器人足球比赛
月球车
大 型 化 工 企 业 自 动 控 制 装 置
3.自控系统与自控原理

自动控制原理是分析各种自动控制装置的 统一理论，是其内在的共通规律

自动控制装置不需要人参与就能完成任务
“自动控制”是自动化系统的核心
自动控制技术的两个方面：
① 人手（脚）的延伸——动力方面的自动化技术：工业化 ② 人脑的延伸——信息处理方面的自动化技术: 信息化
6.基本控制方式
1）开环控制
按给定值进行控制
按干扰进行控制（即前馈控制， 对干扰进行补偿）
2）闭环控制（反馈控制）
3）复合控制
闭环控制 开环控制（按干扰进行控制）
6.基本控制方式
1）开环控制：不存在输出到输入的反馈，输出量不参
与控制 按给定值进行控制
按干扰进行控制（即前馈控制，对干扰进行补偿）
扰动必须可测！
f
c
0
TG ——测速 发电机
uf
ue
压放
uf
Mc
TG
负载
ug
n
功放
测速发电机
电机
3）复合控制系统
例
+
ug
+
i f cons
+
ue
压放
+
+
功放
+
ua
M
n
Mc
负载
uf
压放
i
+
TG
方块图：
ug
ue
压放
ub
压放 功放
R
Mc
负载
n
电机
uf
测速发电机
为何要采用复合控制？ 1) 反馈控制只有当转速发生偏差时才进行控制，反应较慢 2) 按扰动进行补偿的开环控制只要负载发生变化就能进行控制 反应较快 3) 主要扰动(可测量)——按扰动补偿的开环控制 其余扰动(不可测量)——反馈控制
§1-2 自动控制的基本原理
【例】 水箱系统
入口流量Qi取决于阀门开度u，出口流量与液位H和出口阀门有关 问题：如何使得实际液位 H 控制在期望液位不变
期望液位： Hs
1.人工控制
眼：测量实际液位H ——检测过程。
脑：将实际液位H和期望液位Hs比较，根据两者偏差 正负及大小作出决策。——比较、分析、决策过程。
非线性系统
定常系统——系统结构和参数不随时间变化 时变系统
连续系统——系统中各部分信号均随时间连续变化
离散系统 确定性系统——本课程只涉及确定性系统 不确定性系统
§1-4 对控制系统性能的基本要求
A 100% B
A
超调量σ% =
峰值时间tp 上 升 时间tr
B
“稳，快，准”
调节时间ts
1.稳定性（最基本要求）
r
(+)
e=r-b 或 r
(-)
e=r-b
(-)
c c
引出点 c
b
b
(a)
(b)
(c)
+ RP1
R1
R0
ug R0 -ut++ ucRP2 +
(a) 原理图
udo
M
TG
扰动
给定 装置
ug
ue (- ) ut
放大器
触发器 控制装置 转速反 馈装置
晶阐管可 控整流器
udo
电动机 被控对象
n
(b) 方框图
方法：状态空间方程 应用系统:多输入多输出系统（MIMO）

智能控制理论：20世纪80年代
起源：智能技术和计算机技术的迅速发展
目标：智能控制
方法：专家系统、模糊控制技术、神经网络、智
能进化算法等等

重要的人物：
1948，维纳《控制论》
1954，钱学森《工程控制论》
自动控制理论的发展历程
几个概念
输入变量：扰动输入d，给定输入r（参考输入）
输出变量c， 反馈，反馈通道，前向通道，闭环
被控制量c： 在控制系统中．按规定的任务需要加以控 制的物理量。 控制量u： 作为被控制量的控制指令而加给系统的输 入量．也称控制输入。 扰动量d： 干扰或破坏系统按预定规律运行的输入量， 也称扰动输入。 自动控制系统的特点 反馈（偏差、闭环）控制系统 存在反馈，输出量参与控制；基于偏差进行控制
0 x( t ) A ( t )
且
t0 t0



x( t )dt A
A
单位脉冲函数：
A 1
A t0
0
t
等价于：
t0 0
0
t0
t
3、斜坡函数（或速度阶跃函数）
0 x( t ) A t ( t ) At t0 t0
4、抛物线函数（或加速度阶跃函数）
0 1 x( t ) A t 2 ( t ) 1 2 2 At 2 t0 t0
5、正弦函数
x(t ) sint
1-6 自动控制系统的分析与设计工具


Matlab
草稿纸式编程语言


良好的人机界面
结论可做一定等级的理论依据

Simulink工具箱
小结

控制系统的基本原理：反馈控制原理

在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置， 使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动 地按照预定规律运行。 被控变量 锅炉温度控制、化工过程流量、温度、液位的控制 ……

自动控制系统

实现某一控制目标的所有物理部件的有机组合体。
2.自动控制技术的直观认识
我们身边的自动控制系统与装置

1769，瓦特，飞球调节器调节蒸汽机流量 1868，麦克斯韦，猎振现象 1877/1895, 劳思/赫尔维茨稳定性判据


1932，乃奎斯特，频域稳定性分析
1948，维纳，《控制论》 1956，苏联，庞特里亚金，极大值原理 1956，贝尔曼，动态规划 1960，卡尔曼，最优滤波器 1954，钱学森，《工程控制论》 20世纪80年代至今，智能控制技术
例
+
+
ug
i f cons
+
功放
+
ua M
n
Mc
负载
M ——电动机
ug
Mc
负载
功放
电机
n
例
+
ug
+
i f cons
+
功放
+
ua
ue
R
M
n
Mc
负载
i
ub
+
压放
压放
ug
ub
R
功放
Mc
负载
ue
n
电机
2）闭环控制系统 存在输出到输入的反馈，输出量参与控制 + + i cons 例2：电机系统 ug + + M n ue 压放 功放 ua M 期望转速： n 负载
冰箱 电热水器
空调
现代生活离不开自动控制！
自动控制技术发展过程中的例子
1788年英国Watt发明的控制蒸汽机速度的离心式调速器
自动控制技术发展过程中的例子
1952年美国MIT研制出第 一台数控机床
1913年美国建成最早的
汽车装配流水线
自动控制技术发展过程中的例子
1981年美国“哥伦比亚”号 航天飞机首次发射成功
3 非线性控制
系数与变量有关

按控制方式：开环控制、闭环控制、复合控制 按元件类型：机械、电气、机电、气动…… 按系统功用：压力控制系统、温度控制系统、速度控制系统…… 按参据量的变化规律：恒值控制系统、随动控制系统、程序控制系统 按系统性能：线性系统——系统中所有元件特性都是线性的

2.快速性

动态性能:调节时间、上升时间 对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称为动态性 能。 稳定高射炮射角随动系统，虽然炮身最终能跟踪目标， 但如果目标变动迅速，而炮身行动迟缓，仍然抓不住 目标。

3. 准确性

稳态性能：稳态误差 在参考输入信号作用下，当系统达到稳态后，其稳态 输出与参考输入所要求的期望输出之差叫做给定稳态 误差。显然，这种误差越小，表示系统的输出跟随参 考输入的精度越高。
手：执行大脑命令，调节阀门开度。——执行过程。
人工控制原理方块图
Hs
给定值
e
脑
Qo 扰动
u
手
Qi
水槽
H
实际液位
H
测量值
眼
2. 自动控制
变送器(眼）：测量实际液位H并进行物理转换。 控制器（大脑）： 也叫调节器，将测量值mv和给 定值sv相比较，根据两者的偏差进行运算，输出控 制信号u。 执行器（手）：也叫调节阀，改变阀门开度。
反馈信号与输人信号相减，其差为偏差信号
负反馈控制原理
将系统的输出信号引回输入端，与输入信号相减，形成 偏差信号。然后根据偏差信号产生相应的控制作用，力图 消除或减少偏差的过程。
4.自动控制系统结构
d
扰动输入
r
给定输入
e
b
控制器
u
执行器
被控对象
c
输出
测量值
测量变送器
自动控制系统的构成： 自动控制装置 + 被控对象 广义被控对象 + 控制器

系统在扰动消失后，由初始偏差状态恢复 到平衡状态的能力。
１、稳定
２、不稳定
稳定性： (1) 对恒值系统，要求当系统受到扰动后，经 过一定时间的调整能够回到原来的期望值。 (2) 对随动系统，被控制量始终跟踪参据量的 变化。 稳定性是对系统的基本要求，不稳定的系统 不能实现预定任务。线性系统稳定性，通常由 系统的结构决定与外界因素无关。

自动控制技术已经成为现代社会中的不可缺 少的一部分
比人工作的更好、更快、更准 把人从繁重危险的任务中解放出来 完成人无法完成的工作

工业生产、军事装备、航空航天、生物医学、 经济运行、社会管理、日常生活等诸多领域 都有自动控制系统 自动控制原理这门课程就是来研究这些自动 控制装置或系统的基本工作规律和原理
信息控制类专业最重要的专业基础课之一
自动控制原理
盛立 信息与控制工程学院自动化系
第一章 自动控制系统的基本概念

1-1 认识自动控制的概念 1-2 自动控制的基本原理 1-3 自动控制系统分类 1-4 控制系统性能要求
§1-1自动控制技术介绍
1. 基本概念

被控对象 控制装置
自动控制