自动控制理论 第一章

2010-12-15 安徽工业大学电气信息学院
自动控制系统应用举例 例1 工业加热炉的控制 生产工艺过程要求控制炉温为设定值（例如600℃ 生产工艺过程要求控制炉温为设定值（例如600℃左 ），并且在各种扰动 如电源电压波动、 并且在各种扰动（ 右），并且在各种扰动（如电源电压波动、热负荷变 化等）作用下只允许很下的偏差（例如1 ）。这时 化等）作用下只允许很下的偏差（例如1℃ ）。这时 受控对象为热处理炉，被控量为炉温。 受控对象为热处理炉，被控量为炉温。如果不用自动 控制而由人工操作，控制精度很难保证， 控制而由人工操作，控制精度很难保证，产品质量也 将受到影响。 将受到影响。
自 动 控 制 原理
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参考书
• 自动控制原理 国防工业出版社 李友善 • 自动控制原理学习与考研指导 科学出版社 梅晓榕 • 自动控制原理试题精选与答题技巧 哈尔滨工业大学出版社 王彤
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• 讲课内容：第一章～第五章，第七章。 讲课内容：第一章～第五章，第七章。 • 课时安排：一，3；二，8；三，10；四，6；五， 课时安排： 10； 10；七，8； 10； • 学习方法：比较抽象的技术基础课，以数学、物理 学习方法：比较抽象的技术基础课，以数学、 及有关学科为其理论基础，运用信息的传递、 及有关学科为其理论基础，运用信息的传递、处理 与反馈进行控制这一正确的思维方法与观点， 与反馈进行控制这一正确的思维方法与观点，在数 理基础学科与专业课程之间架起一道桥梁， 理基础学科与专业课程之间架起一道桥梁，将两者 紧密结合起来。在学习本课程前，应有良好的数学、 紧密结合起来。在学习本课程前，应有良好的数学、 力学、电学的基础， 力学、电学的基础，有一定的机械等其它学科的知 不必过分追求数学论证的严密性， 识。不必过分追求数学论证的严密性，但一定要充 分注意数学结论的准确性与物理概念的明晰性。 分注意数学结论的准确性与物理概念的明晰性。要 重视实验，要重视习题，独立完成作业， 重视实验，要重视习题，独立完成作业，有助于对 基本概念的理解与基本方法的运用。。 基本概念的理解与基本方法的运用。。 • 作业：随堂布置，认真、及时地完成课后作业，检 作业：随堂布置，认真、及时地完成课后作业， 查所学内容； 查所学内容； • 考试：闭卷考试（13周） 考试：闭卷考试（13周
一.自动控制系统 1 、自动控制的应用 自动控制：在没有人直接参与的情况下， 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（称为控制装置或控制器），使机器、 ），使机器 设备或装置（称为控制装置或控制器），使机器、设 备或生产过程（通称被控对象） 备或生产过程（通称被控对象）的某个工作状态或参 即被控量） 数（即被控量）自动地按照预定的规律运行 。 自动控制系统： 自动控制系统：能够对被控制对象的工作状态进行自 动控制的系统。包括被控对象和控制装置。 动控制的系统。包括被控对象和控制装置。 自动控制的目的：提高产品质量；提高劳动生产率； 自动控制的目的：提高产品质量；提高劳动生产率； 改善劳动条件，减轻劳动强度；提高生活质量等。 改善劳动条件，减轻劳动强度；提高生活质量等。
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3、1868年J.C.Maxwell基于线性常微分方程描述，从理 1868年J.C.Maxwell基于线性常微分方程描述 基于线性常微分方程描述， 论上给出了系统稳定的条件。此后劳斯（Routh） 论上给出了系统稳定的条件。此后劳斯（Routh）于 1877年和赫尔维茨 Huiwitz） 1895年分别提出了用 1877年和赫尔维茨（Huiwitz）于1895年分别提出了用 年和赫尔维茨（ 于高阶线性系统的稳定性判据。 于高阶线性系统的稳定性判据。 4、1892年Lyapunov发表了专著《论运动稳定性的一般 1892年Lyapunov发表了专著 发表了专著《 问题》 问题》，用严格的数学分析方法全面论述了稳定性问 题。 5、1932年顺应时代需要，Nyqiust提出了稳定性的频域 1932年顺应时代需要 Nyqiust提出了稳定性的频域 年顺应时代需要， 方法。它不仅可以判断系统的稳定性，解决了Black负 方法。它不仅可以判断系统的稳定性，解决了Black负 反馈放大器的稳定性问题； 反馈放大器的稳定性问题；而且还可以用来分析系统 的 稳定裕量。 稳定裕量。 6、1940年Bode引入了对数坐标系，使频率法更适合于 1940年Bode引入了对数坐标系 引入了对数坐标系， 2010-12-15 安徽工业大学电气信息学院 工程运用。 工程运用。
1、一千多年前：铜壶滴漏计时器、指南针、各种天文 一千多年前：铜壶滴漏计时器、指南针、 仪器
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2、1769年J.Watt用离心式飞锤调速器构建了蒸汽机转 1769年J.Watt用离心式飞锤调速器构建了蒸汽机转 速自动控制系统， 速自动控制系统，在锅炉压力和负荷变化的条件下将 蒸汽机转速维持在一定的范围内。
注重系统的输入输 研究系统输入、输出及内部 研究系统输入、 系统变量 出关系； 变量的运动关系； 出关系； 变量的运动关系；
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自动控制的发展史
自动控制思想及其实践历史悠久。 自动控制思想及其实践历史悠久。它是人类在认识世界和改造世 界的过程中产生的， 界的过程中产生的，并随着社会的发展和科学水平的进步而不断 发展。 发展。
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结论： 如果系统中存在干扰, 结论 ： 如果系统中存在干扰 , 或者由于控制元器件 老化, 均会导致系统输出发生变化, 老化 , 均会导致系统输出发生变化 , 使输出值偏离 预期值。 预期值 。 开环控制系统一般适用于干扰不强或可预 测、 并且控制精度要求不高的场合。 并且控制精度要求不高的场合。
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§1-2 自动控制系统的基本形式
1 开环控制（开环控制有何特点） 开环控制（开环控制有何特点）
控制装置与被控制对象之间只有正向作用而没有反向联系的控 制过程；每个输入量对应的有一输出量，在开环系统中， 制过程；每个输入量对应的有一输出量，在开环系统中，不需 要对输出量进行测量。 要对输出量进行测量。 开环控制的特点： 开环控制的特点： 输出不影响输入，对输出不需要测量，通常较容易实现； （1）输出不影响输入，对输出不需要测量，通常较容易实现； 组成系统的元、部件精度高，系统的精度才能高； （2）组成系统的元、部件精度高，系统的精度才能高； 系统的稳定性不是主要问题。 （3）系统的稳定性不是主要问题。 开环系统存在的问题： 开环系统存在的问题： 要求元、部件的精度要高； （1）要求元、部件的精度要高； 当存在变化规律无法预测的干扰时，不容易实现。 （2）当存在变化规律无法预测的干扰时，不容易实现。
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2 自动控制理论
自动控制理论是研究自动控制技术的基础理论， 自动控制理论是研究自动控制技术的基础理论，是 理论性较强的工程学科。注重工程应用， 理论性较强的工程学科。注重工程应用，在专业术 语上不是非常严谨的理论。 语上不是非常严谨的理论。
经典控制理论 现代控制理论 20世纪60年代，达 20世纪 年代 世纪60年代， 20世纪 年代 开始发展； 20世纪60年代，开始发展； 世纪60年代， 时间分界 到完善； 到完善； 数学工具 研究对象 常微分方程， 一阶微分方程组， 常微分方程，传递 一阶微分方程组，状态空间 函数； 方程(传递函数阵) 函数； 方程(传递函数阵) 单输入单输出系统， 多输入多输出系统，定常和 单输入单输出系统， 多输入多输出系统， 定常系统； 定常系统； 时变系统2010-2-15 安徽工业大学电气信息学院
本课程与其它课程的关系： 本课程与其它课程的关系：
信号与系统 电路理论 电机与拖动 大学物理 复变函数 拉氏变换 模拟电子技术 线性代数
自动控制理论
现代控 制理论
微积分
各 类 专业课
线性系统
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§1-1 自动控制的一般概念
～220V
1）开环控制 ）
uc
2
1
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2）闭环控制 ）
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例2 液位控制系统 控制器
Q1
浮子
电位器
c
用水开关 SM
减速器 电动机
Q2
if
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问题的提出 （1）受控系统的性能难合人意 （2）存在各种扰动阻碍系统的被控量按照预定的规 律变化 系统的输入信号=有用的输入信号+ 系统的输入信号=有用的输入信号+扰动
反馈量与输入信号相减———负反馈 反馈量与输入信号相加———正反馈
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{
采用正反馈形式的系统一般不能改进系统性能, 采用正反馈形式的系统一般不能改进系统性能, 而且容易 使系统性能变坏; 而具有负反馈形式的系统, 使系统性能变坏; 而具有负反馈形式的系统, 它能抑制系 统回路中存在的内扰和外扰的影响， 统回路中存在的内扰和外扰的影响，使系统输出趋于给定 输入量, 最终达到自动控制的目的。通常而言, 输入量, 最终达到自动控制的目的。通常而言, 反馈控制 就是指负反馈控制。 就是指负反馈控制。 总结：采用闭环控制的系统，由于增加了反馈通道, 总结 ： 采用闭环控制的系统 ， 由于增加了反馈通道 , 可以较 好地抑制系统各环节中可能存在的扰动和由于器件的老化 而引起的结构和参数的不确定性， 而引起的结构和参数的不确定性 ， 使系统的控制精度得到 了极大的提高。 了极大的提高。 日常生活过程中的控制系统例子