自动控制原理 第十六讲 控制器的结构
自动控制原理结构图
x5 = a25 x2 + a45 x4
a32
a43
a44
x1
a12 x2
a23
a34
x3
a45 x4
x5
a24
a25
41
自动控制原理结构图
2.信号流图的基本元素 (1) 节点：用来表示变量，用符号“ O ”表示，并在
近旁标出所代表的变量。
2-5 典型环节及其传递函数
1.比例环节
（杠杆，齿轮系，电位器，变压器等）
运动方程式 c(t) = K r(t)
K
传递函数
G(s) = K
1
C(s) = G(s) R(s) = K/s
c(t) = K1(t)
可见，当输入量r(t)=1(t)时，输出量c(t)成比例变化0 。
自动控制原理结构图
c(t) r(t)
－
+
流入量Q 水箱
h
7
自动控制原理结构图
A
4.微分环节 微分方程式为：c(t) T dr(t)
dt
传递函数为： G(s)=Ts
1 r(t)
单位阶跃响应：C(s)Ts 1 T
s
0
t
c(t) = T(t)
c(t)
由于阶跃信号在时刻t = 0有一跃变，
T
其他时刻均不变化，所以微分环节对
阶跃输入的响应只在t = 0时刻产生一
12
nt s
i ndt()
式中，β=cos－1 。响应曲线是按指数衰减振荡的，故称
振荡环节。
j
s1
jd
n
c(t) 1
n
0
t 0 s2
11
自动控制原理结构图
自动控制原理控制系统的结构图
比较点后移
R(s)
G(s)
比较点前移
＋
Q(s)
C(s)
R(s)
＋
C(s) G(s)
比较点后移
Q(s)
R(s)
＋
C(s) G(s)
Q(s)
C(s) R(s)G(s) Q(s)
[R(s) Q(s) ]G(s) G(s)
R(s)
C(s) G(s)
＋
Q(s)
G(s)
C(s) [R(s) Q(s)]G(s)
R(s)G(s) Q(s)G(1s6 )
（5）引出点旳移动（前移、后移）
引出点前移
R(s)
G(s)
分支点（引出点）前移
C(s) C(s)
引出点后移
R(s)
G(s)
R(s)
分支点（引出点）后移
R(s)
G(s)
C(s)
G(s)
C(s)
C(s) R(s)G(s)
G(s) R(s)
C(s) R(s)
将 C(s) E(s)G(s) 代入上式，消去G(s)即得：
E(s) R(s)
1
H
1 (s)G(s)
1
1 开环传递函数
31
N(s)
+ E(s)
++
C(s)
R(s)
G1(s)
G2 (s)
-
B(s)
H(s)
（1）
打开反馈
C(s) R(s)
1
G(s) H (s)G(s)
前向通路传递函数 1 开环传递函数
注意：进行相加减旳量，必须具有相同旳量纲。
X1 +
+
X1+X2 R1(s)
pid控制器的基本结构
pid控制器的基本结构PID控制器的基本结构PID控制器是一种经典的控制器，广泛应用于工业自动化系统中。
它是由比例（P）、积分（I）和微分（D）三个部分组成的控制器。
PID控制器通过测量实际输出与期望输出之间的误差，并根据误差的大小来调整控制信号，以实现系统的稳定控制。
1. 比例（P）控制比例控制是PID控制器的基本组成部分之一。
它根据误差的大小，按比例调整控制信号。
比例控制器的输出与误差成正比，误差越大，输出信号就越大。
比例控制的作用是快速响应系统，减小误差，但它无法消除稳态误差。
2. 积分（I）控制积分控制是PID控制器的另一个重要组成部分。
它根据误差的积分值来调整控制信号。
积分控制器的输出与误差的积分成正比，可以消除稳态误差。
当误差持续存在时，积分控制器会不断增加控制信号，直到误差消失为止。
然而，积分控制器容易引起系统的超调和震荡。
3. 微分（D）控制微分控制是PID控制器的最后一个组成部分。
它根据误差的变化率来调整控制信号。
微分控制器的输出与误差的微分成正比，可以提高系统的稳定性和响应速度。
微分控制器可以减小系统的超调和震荡，但它对噪声和干扰敏感。
PID控制器通过组合比例、积分和微分控制来实现对系统的精确控制。
比例控制反应快速，但容易产生超调；积分控制消除稳态误差，但容易引起震荡；微分控制提高系统的稳定性，但对噪声敏感。
通过调整PID控制器中各个参数的大小，可以使系统的响应速度、稳定性和精度达到最佳状态。
PID控制器在工业自动化领域有着广泛的应用。
例如，在温度控制系统中，PID控制器可以根据实际温度和设定温度之间的误差来控制加热器的功率，以使系统保持稳定的温度；在机器人控制系统中，PID控制器可以根据机器人当前位置和目标位置之间的误差来控制机器人的运动，以实现精确的定位和轨迹跟踪。
PID控制器是一种经典的控制器，具有简单、可靠、易于实现的特点。
它通过比例、积分和微分控制来实现对系统的精确控制，可以应用于各种工业自动化系统中。
自动控制原理及DCS结构共72页文档
11、用道德的示范来造就一个人，显然比用法律来约束他更有价值。—— 希腊
12、法律是无私的，对谁都一视同仁。在每件事上，她都不徇私情。—— 托马斯
13、公正的法律限制不了好的自由，因为好人不会去做法律不允许的事 情。——弗劳德
14、法律是为了保护无辜而制定的。——爱略特 15、像房子一样，法律和法律都是相互依存的。——伯克
25、学习是劳动，是ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ满思想的劳动。——乌申斯基
谢谢！
21、要知道对好事的称颂过于夸大，也会招来人们的反感轻蔑和嫉妒。——培根 22、业精于勤，荒于嬉；行成于思，毁于随。——韩愈
23、一切节省，归根到底都归结为时间的节省。——马克思 24、意志命运往往背道而驰，决心到最后会全部推倒。——莎士比亚
自动控制原理 控制系统的结构图
12
（1）串联连接
R( s )
U (s) 1
G (s) 1
G (s) 2
C( s )
R(s)
C(s)
G(s)
（a）
（b）
特点：前一环节的输出量就是后一环节的输入量
U1(s) G1(s)R(s) C(s) G2 (s)U1(s) G2 (s)G1(s)R(s)
注意：进行相加减的量，必须具有相同的量纲。
X1 +
+
X1+X2 R1(s)
-
R1(s)R2(s)
X1
X2
R2(s)
X3
X1-X2 +X3 -
X2
4
(4) 引出点（分支点、测量点） 表示信号测量或引出的位置
R(s)
G (s) 1
X(s)
G (s) 2
C(s)
X(s) 引出点示意图
注意：同一位置引出的信号大小和性质完全一样
G(s)
分支点（引出点）前移
C(s) C(s)
引出点后移
R(s)
G(s)
R(s)
分支点（引出点）后移
R(s)
G(s)
C(s)
G(s)
C(s)
C(s) R(s)G(s)
G(s) R(s)
C(s) R(s)
C(s) R(s)
G1(s)G2
(s)
G(s)
结论：
n
G(s) Gi (s) n为相串联的环节数 i 1
串联环节的等效传递函数等于所有传递函数的乘积
13
（2）并联连接
G1 (s)
自动控制原理--系统的结构图
R(s)
C(s)
G(s)
(-)
B(s)
R(s) G(s)
B(s) G(s)
C(s) (-)
•相 加 点 的 移 动
3. 交换或合并相加点
C(s)=E1(s)+V2(s) = R(s)-V1(s)+V2(s) = R(s)+V2(s)-V1(s)
V2(s)
R(s)
E1(s)
C(s)
(-) V1(s)
系统动态结构图
定义：将系统中所有的环节用方框图表示， 图中标明其传递函数，并且按照在系统中各 环节之间的联系，将方框图连接起来。
系统动态结构图的绘制步骤：
● (1)首先按照系统的结构和工作原理，分解出各环 节并写出它的传递函数。
● (2)绘出各环节的动态方框图，方框图中标明它的 传递函数，并以箭头和字母符号表明其输入量和输 出量，按照信号的传递方向把各方框图依次连接起 来，就构成了系统结构图。
C(s)
G(s)
R(s)
1 G(s)H(s)
• 例2.9
R(s) G1(s)
G2(s)
(-)
G3(s)
(-)
C(s) G6(s)
G4(s) G5(s)
G 236 (G 2 G 3 )G 6
G 54 G 5 G 4
G
1
G 236 G 236G 54
G1
● 比较点和引出点的移动： 等效原则：前向通道和反馈通道传递函数都不变。
G4
(a)
(b)
•其 它 等 价 法 则
1. 等效为单位反馈系统
R(s)
C(s)
G(s)
(-)
H(s)
R(s) 1
自动控自动控制原理
自动控自动控制原理自动控制原理介绍自动控制原理是控制工程的基础，主要研究如何通过控制器对系统进行控制，使其达到预期的状态或性能。
在现代工业、交通、航空等领域，自动控制技术的应用广泛，并且不断推动着社会的发展。
控制系统的组成1.传感器：–用于采集系统输入信号或反馈信号。
–将现实世界的物理量转化为可处理的电信号。
–常见的传感器有温度传感器、压力传感器等。
2.执行器：–用于控制系统的输出。
–将控制系统产生的电信号转化为电能、机械能等。
–常见的执行器有电动机、气缸等。
3.控制器：–根据输入信号和反馈信号，计算输出信号。
–通过控制输入信号来实现对输出信号的调节。
–常见的控制器有比例控制器、积分控制器、微分控制器等。
4.过程系统：–被控制的实际物理系统。
–输入信号通过执行器作用于过程系统，产生输出信号。
–常见的过程系统有水位控制系统、温度控制系统等。
5.控制策略：–控制器根据输入信号和反馈信号执行的算法。
–目的是使过程系统的输出信号与参考信号接近。
–常见的控制策略有比例控制、积分控制、微分控制等。
控制系统的基本原理1.反馈原理：–控制系统中最为重要的原理之一。
–通过采集系统的反馈信号，与输入信号进行比较，调节输出信号。
–反馈可以使系统对外界的扰动具有较强的鲁棒性和稳定性。
2.控制对象的建模：–将实际的控制对象进行数学建模，以便于分析和设计控制器。
–常见的控制对象模型有惯性模型、二阶系统模型等。
3.控制器的设计和调参：–根据实际需求和控制对象的特性，设计合适的控制器结构和参数。
–通过调参，使控制系统具备良好的动态响应和稳定性。
4.稳定性与稳态性能分析：–对控制系统进行稳定性和稳态性能的分析，确保系统的可靠性和性能。
–通过数学方法和仿真实验等手段进行分析。
应用领域1.工业自动化：–在工业生产中，通过自动控制系统实现工艺过程的自动化和优化。
–提高生产效率、降低生产成本和资源消耗。
2.航空航天：–自动驾驶飞行、飞行控制系统、导航系统等。
自动控制原理控制系统的结构图
I1(s)
I2 (s)
CR1s
7
i2
C
i
i1 R1
ui
R2
uo
（3）
I(s) I1(s) I2 (s)
I2 (s)
I (s)
I1(s)
（4）U o (s) R2 I (s)
I (s)
Uo (s)
R2
8
（1）Ui (s)
（3）
- Uo(s)
I2 (s)
（2）
1
I1(s)
I1(s)
I2 (s)
－ Uo (s)
（d）
将图（b）和(c)组合起来即得到图(d)，图(d)为该 一阶RC网络的方框图。
11
2.3.3 系统结构图的等效变换和简化
为了由系统的方框图方便地写出它的闭环传递函 数，通常需要对方框图进行等效变换。
方框图的等效变换必须遵守一个原则，即： 变换前后各变量之间的传递函数保持不变
在控制系统中，任何复杂系统的方框图都主要由 串联、并联和反馈三种基本形式连接而成。
u
o
idt c
对其进行拉氏变换得：
I (s)
U
o
(s)
U
i (s)
I (s) sC
U R
o
(s)
(1) (2)
10
I (s)
U
o
(s)
U
i (s)
I (s) sC
U R
o
(s)
(1) (2)
Ui (s)
I(s)
（b）
Uo (s)
I(s)
（c）
Uo (s)
Ui (s)
I(s)
Uo (s)
自动控制原理(全套课件)
自动控制原理（全套课件）一、引言自动控制原理是自动化领域的一门重要学科，它主要研究如何利用各种控制方法，使系统在受到扰动时，能够自动地、准确地、快速地恢复到平衡状态。
本课件将详细介绍自动控制的基本概念、控制系统的类型、数学模型、稳定性分析、控制器设计等内容，帮助学员全面掌握自动控制原理的基本理论和方法。
二、控制系统的基本概念1. 自动控制自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用控制器使被控对象按照预定规律运行的过程。
自动控制的核心在于控制器的设计，它能够根据被控对象的运行状态，自动地调整控制量，使系统达到预期的性能指标。
2. 控制系统控制系统是由被控对象、控制器、传感器和执行器等组成的闭环系统。
被控对象是指需要控制的物理过程或设备，控制器负责产生控制信号，传感器用于测量被控对象的运行状态，执行器则根据控制信号对被控对象进行操作。
三、控制系统的类型1. 按控制方式分类（1）开环控制系统：控制器不依赖于被控对象的运行状态，直接产生控制信号。
开环控制系统简单，但抗干扰能力较差。
（2）闭环控制系统：控制器依赖于被控对象的运行状态，通过反馈环节产生控制信号。
闭环控制系统抗干扰能力强，但设计复杂。
2. 按控制信号分类（1）连续控制系统：控制信号是连续变化的，如模拟控制系统。
（2）离散控制系统：控制信号是离散变化的，如数字控制系统。
四、控制系统的数学模型1. 微分方程模型微分方程模型是描述控制系统动态性能的一种数学模型，它反映了系统输入、输出之间的微分关系。
通过求解微分方程，可以得到系统在不同时刻的输出值。
2. 传递函数模型传递函数模型是描述控制系统稳态性能的一种数学模型，它反映了系统输入、输出之间的频率响应关系。
传递函数可以通过拉普拉斯变换得到，它是控制系统分析、设计的重要工具。
五、控制系统的稳定性分析1. 李雅普诺夫稳定性分析：通过构造李雅普诺夫函数，分析系统的稳定性。
2. 根轨迹分析：通过分析系统特征根的轨迹，判断系统的稳定性。
自动控制原理-控制系统的结构图共35页文档
61、辍学如磨刀之石，不见其损，日 有所亏 。 62、奇文共欣赞，疑义相与析。
63、暧暧远人村，依依墟里烟，狗吠 深巷中 ，鸡鸣 桑树颠 。 64、一生复能几，倏如流电惊。 65、少无适俗韵，性本爱丘山。快，这是不可能的，因为人类必须具备一种能应付逆境的态度。——卢梭
▪
27、只有把抱怨环境的心情，化为上进的力量，才是成功的保证。——罗曼·罗兰
▪
28、知之者不如好之者，好之者不如乐之者。——孔子
▪
29、勇猛、大胆和坚定的决心能够抵得上武器的精良。——达·芬奇
▪
30、意志是一个强壮的盲人，倚靠在明眼的跛子肩上。——叔本华
谢谢！
35
自动控制原理 控制系统的结构图
R1
CR1s
I (s)
（4） I(s)
Uo (s)
R2
I1(s)
Ui (s)
- Uo(s)
1
I1(s)
I2 (s)
I (s)
Uo (s)
R1
CR1s
R2
I1(s)
9
练习
R
画出RC电路的方框（结构）图。 ui i C
uo
解： 利用基尔霍夫电压定律及电容
元件特性可得：
（a） 一阶RC网络
i
ui
◎对多回路结构，可由里向外进行变换，直至变 换为一个等效的方框，即得到所求的传递函数。
26
基本概念及术语
控制器
N( s)
被控 对象
+ E( s)
++
C(s)
R( s)
G1 ( s )
G2 (s)
反馈信号
B( s)
C(s) H( s)
反馈控制系统方块图
(1)前向通路传递函数－－－假设N(s)=0
C(s)与误差E(s)之比,(打开反馈后,C(s)与R(s)之比)
在控制系统中，任何复杂系统的方框图都主要由 串联、并联和反馈三种基本形式连接而成。
其他变化（比较点的移动、引出点的移动）以此三 种基本形式的等效法则为基础。
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（1）串联连接
R( s)
U (s) 1
G (s) 1
G (s) 2
C( s)
R(s)
C(s)
G(s)
（a）
（b）
特点：前一环节的输出量就是后一环节的输入量
C1 (s)
R(s)
C(s)
R( s)
自动控制原理课件全分解
使箱温增大到给定温度。
人 工 控 制 精 度 不 高 ， 人的反应不够快，不少 恶劣的场合人无法参与 直接控制。自动控制系 统可以解决以上问题。 下图为一恒温自动控制 系统原理框图。
2024/4/1
《自动控制原理》第一章
14
篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
12
篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
1.1.1自动控制的基本原理
所谓控制系统（Control System）就是通过执行 规定的功能来实现某一给定目标的一些相互关联 单元的组合。由人直接或间接操作执行装置的控 制方式称为手动控制（Manual Control）；而无需 人去直接或间接操纵执行机构，利用控制装置控 制被控制量自动地按预定的规律变化的过程则称 为自动控制（Automatic Control）。
2024/4/1
《自动控制原理》第一章
13
示例——恒温控制系统 篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统
由温度计测出恒温箱的实际温度与恒温箱内要求达到的 温度进行比较，得出偏差，根据偏差的大小和正负进行 控制。当恒温箱温度高于所要求的温度时，移动调压器 可动触头减小外施电压，使箱温减小到要求的温度；若 箱温低于给定温度，则移动调压器触头增大外施电压，
历史回顾
18世纪，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。在控制理论发展初期，做出过 重大贡献的众多学者中有迈纳斯基、黑曾和奈魁斯特。
自动控制原理课件 全分解共37页文档
谢谢！
36、自己的鞋子，自己知道紧在哪里。——西班牙
37、我们唯一不会改正的缺点是软弱。——拉罗什福科
xiexie! 38、我这个人走得很慢，但是我从不后退。——亚伯拉罕·林肯
39、勿问成功的秘诀为何，且尽全力做你应该做的事吧。——美华纳
40、学而不思则罔，思而不学则殆。——孔子
自动控制原理课件 全分解
21、没有人陪你走一辈子，所以你要 适应孤 独，没 有人会 帮你一 辈子， 所以你 要奋斗 一生。 22、当眼泪流尽的时候，留下的应该 是坚强 。 23、要改变命运，首先改变自己。
24、勇气很有理由被当作人类德性之 首，因 为这种 德性保 证了所 有其余 的德性 。--温 斯顿． 丘吉尔 。 25、梯子的梯阶从来不是用来搁脚的 ，它只 是让人 们的脚 放上一 段时间 ，以便 让别一 只脚能 够再往 上登。
自动控制原理 控制系统的结构图共35页文档
16、业余生活要有意义，不要越轨。——华盛顿 17、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。——罗素·贝克 18、最大的挑战和突破在于用人，而用人最大的突破在于信任人。——马云 19、自己活着，就是为了使别人过得更美好。——雷锋 20、要掌握书，莫被书掌握；要为生而读，莫为读而生。——布尔沃
自动控制原理 控制系统的结构图
1、战鼓一响，法律无声。——英国 2、任何法律的根本；不，不成文法本 身就是 讲道理 ……法 律，也 ----即 明示道 理。— —爱·科 克
3、法律是最保险的头盔。——爱·科 克 4、一个国家如果纲纪不正，其国风一 定颓败 。—— 塞内加 5、法律不克
END
自动控制原理控制器设计知识点总结
自动控制原理控制器设计知识点总结自动控制原理是现代工程领域中的基础学科之一，它研究利用一定的数学方法和工程技术手段，对系统进行连续的、自动的调节和控制，以达到预期的目标。
在自动控制系统中，控制器是一个非常重要的组成部分，它根据输入信号和系统反馈来产生输出信号，控制系统的性能很大程度上取决于控制器的设计。
本文将对自动控制原理中控制器设计的几个重要知识点进行总结。
一、PID控制器PID控制器是最常见和常用的一种控制器，它由比例（P）、积分（I）和微分（D）三个控制环节组成。
比例环节根据偏差信号的大小来产生控制输出，积分环节根据偏差信号的累计值来产生控制输出，微分环节根据偏差信号的变化率来产生控制输出。
PID控制器能够根据系统的动态特性进行精确调节，具有简单、稳定和鲁棒性好的优点，广泛应用于温度、压力、流量等工业过程中。
二、反馈控制在自动控制系统中，反馈控制是一种常用的控制方式。
它通过监测系统的输出，并将输出信号与给定的目标值进行比较，计算出偏差信号，再根据偏差信号来调节控制输入，使得实际输出逐渐接近目标值。
反馈控制可以有效地消除系统的干扰和扰动，提高系统的稳定性和鲁棒性。
常见的反馈控制方式有比例反馈控制、速度反馈控制和位置反馈控制等。
三、校正控制校正控制是对系统误差进行修正的一种控制方式。
当系统输出与期望输出之间存在误差时，校正控制会自动调整控制输入来消除误差。
校正控制可以分为开环校正和闭环校正两种方式。
开环校正是在设定信号的基础上根据经验或模型进行调整，而闭环校正是在反馈信号的基础上进行调整。
校正控制能够提高系统的精度和准确性，常用于工业生产中对产品的质量控制。
四、模糊控制模糊控制是一种基于模糊逻辑的控制方法，它能够有效地处理系统模型不确定性和非线性等问题。
模糊控制通过将定性的语言规则转化为数学形式，建立模糊推理系统，并根据输入信号和输出信号之间的关系来决策控制输出。
模糊控制具有较强的自适应能力和鲁棒性，适用于各种复杂的工程控制系统。
控制系统结构
控制系统结构控制系统结构是指用于描述控制系统中组成部分之间互相联系和相互作用的方法和方式。
一个好的控制系统结构应当直观、清晰明了、易于实现和维护，并且具有良好的可扩展性和灵活性，能够为控制系统的设计、调试和运行提供一定的便利和支持。
1. 控制系统结构的组成部分控制系统结构通常由下列几个方面组成：1.1 控制对象控制对象是指需要被控制的物理量或部件，也就是控制系统想要控制的东西。
例如，机械加工中需要控制的加工参数、化工过程中需要控制的温度、压力等。
1.2 控制器控制器是指通过处理控制信号和反馈信号，将控制对象的状态控制在规定范围内的设备。
控制器通常包括硬件电路和软件程序两个部分，其中硬件电路主要用于控制信号的处理和转换，软件程序主要用于控制算法的实现和调整。
1.3 传感器传感器是指将控制对象的实际状态转换为数字量或模拟量的设备。
传感器通常包括温度传感器、压力传感器、角度传感器等，用于将控制对象的实际状态转换为数字量或模拟量，并通过数模转换器转换为控制器能够接受的信号。
1.4 执行机构执行机构是指控制对象的操作部件。
例如，机械加工中的传动部件、化工过程中的阀门、航空飞行中的马达等。
执行机构根据控制信号的大小和方向，改变控制对象的状态，使其达到期望的目标。
2. 控制系统结构的类型根据控制系统的性质和应用要求的不同，控制系统结构可以分为许多类型。
下面列出一些常见的控制系统结构类型。
2.1 开环控制结构开环控制结构是指在控制系统中，控制器的输出信号仅仅依赖于控制对象和用户的输入，而不受控制对象实际状态的影响。
这种结构容易实现和维护，但是由于没有反馈控制，所以对控制对象的变化比较敏感，同时控制精度也相对较低。
因此，该结构适用于对控制精度要求不高的场合。
2.2 闭环控制结构闭环控制结构是指控制系统中存在反馈环路，控制器的输出信号不仅依赖于用户的输入，还受到控制对象的反馈信号的影响。
该结构可以有效地缓解控制对象的变化对控制系统造成的影响，提高控制精度和稳定性，广泛应用于工业自动化领域。
自动控制原理 控制系统的结构图共35页文档
16、业余生活要有意义，不要越轨。——华盛顿 17、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。——罗素·贝克 18、最大的挑战和突破在于用人，而用人最大的突破在于信任人。——马云 19、自己活着，就是为了使别人过得更美好。——雷锋 20、要掌握书，莫被书掌握；要为生而读，莫为读而生。——布尔沃
自动பைடு நூலகம்制原理 控制系统的结构图
1、战鼓一响，法律无声。——英国 2、任何法律的根本；不，不成文法本 身就是 讲道理 ……法 律，也 ----即 明示道 理。— —爱·科 克
3、法律是最保险的头盔。——爱·科 克 4、一个国家如果纲纪不正，其国风一 定颓败 。—— 塞内加 5、法律不能使人人平等，但是在法律 面前人 人是平 等的。 ——波 洛克
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第十六课自动控制原理
一、增加开环零点对根轨迹的影响 由绘制根轨迹的法则知，增加一个开环零点， 由绘制根轨迹的法则知，增加一个开环零点，对系统的根轨迹有以 下影响： 下影响： 1、改变了根轨迹在实轴上的分布。 改变了根轨迹在实轴上的分布。 2、改变了根轨迹渐近线的条数、倾角及截距。 改变了根轨迹渐近线的条数、倾角及截距。 3、若增加的开环零点和某个极点重合或距离很近，构成开环偶极 若增加的开环零点和某个极点重合或距离很近， 则两者相互抵消。因此， 子，则两者相互抵消。因此，可加入一个零点来抵消有损于系统性 能的极点。 能的极点。 4、根轨迹曲线将向左偏移，有利于改善系统的动态性能，而且， 根轨迹曲线将向左偏移，有利于改善系统的动态性能，而且， 所加的零点越靠近虚轴，则影响越大。 所加的零点越靠近虚轴，则影响越大。 二、增加开环极点对根轨迹的影响 增加一个开环极点，对系统根轨迹有以下影响： 增加一个开环极点，对系统根轨迹有以下影响：
原系统根轨 迹
增加极点后的 轨迹
增加零点后的轨 迹
图4-18 增加零点或极点效应
例2 单位反馈系统的开环传递函数为 Kg GK ( s ) = 2 s ( s + 10) 试用根轨迹法讨论增加开环零点对系统稳定性的影响。 试用根轨迹法讨论增加开环零点对系统稳定性的影响。 此系统由个开环极点： 无开环零点。 解 此系统由个开环极 p1 = p2 = 0 ， = −10 ，无开环零点 无开环零点 p3 按根轨迹法则得出的根轨迹概略图如图4 19所示 所示。 按根轨迹法则得出的根轨迹概略图如图4-19所示
1、改变根轨迹在实轴上的分布。 改变根轨迹在实轴上的分布。 改变根轨迹渐近线的条数、倾角和截距。 2、 2、改变根轨迹渐近线的条数、倾角和截距。 改变根轨迹的分支数。 3、 3、改变根轨迹的分支数。 根轨迹曲线将向右偏移，不利于改善系统的动态性能， 根 4、根轨迹曲线将向右偏移，不利于改善系统的动态性能，而 所增加的极点越靠近虚轴，这种影响就越大。 且，所增加的极点越靠近虚轴，这种影响就越大。
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Lecture16-Controller Structures
K.J.Åström
1.Introduction
2.Feedback and Feedforward
3.Linear Schemes
4.Nonlinear Schemes
5.Gain Scheduling and Adaptation
6.Summary
Theme:Building complex control systems.
Bottom Up Design
•A way to view systems
•A number of building blocks
•Ideas to combine them
•What are the building blocks of control?
•What principles can be used to select and combine them?•The danger:Can it be done better?•Commissioning:Close loops one by one.
Top Down Design of Control Systems
•Model complete system
•Design an integrated system
•System concepts
–State feedback
–Observers
–Model predictive control
•Commissioning:Needs careful consideration.
Feedforward
+Reduce effects of disturbances that can be measured +Improve response to reference signals
+No risk for instability
-Requires good models
Combination of Feedback and Feedforward
Model Following-2DOF
Filters
T ypicalfilters
•Low pass
•High pass
•Band pass
•Notch
•Body bendingfilters
T ypical applications
•Reduce disturbances
•Improve robustness(high frequency roll-off)
•Smooth reference signals
When is Cascade Control Useful?
Key idea:make tight feedback around essential places where there are essential perturbations(disturbances or uncertain-ties)
Guidelines:
•Well defined relation between primary and secondary
variables
•Essential disturbances and process variations in inner loop •Inner loop faster
•Tight feedback(high gain and high bandwidth)in inner
loop
Attenuation of Disturbances with Specific
Character
Idea:Exploit model of distur-
bances(internal model principle)
•Constant disturbances(Inte-
gral Action)
•Sinusoidal disturbances
•Periodic disturbances
A disturbance observer is an alternative.
k i
t
e(s)ds−k d
d y f
k i
t
e(s)ds−k p
t
t−L
u(s)ds
A simple form of the Smith predictor
Model Predictive Control
•Beautifully simple
•Are there some snags?
–Cancellations may degrade performance
–Does not work if process is unstable
–Less general than state feedback
•Widely used in process industries
c K.J.Åström August,20015
State Feedback and Observers
•Use model to estimate variables that are not directly measurable
•States are the variables required to account for
storage of
mass,momentum and energy •Estimate the state
•Feedback from full state deviation •Feedforward to generate u m and y m
Limiters
Limiters are often used
•T o avoid saturation
•An element in circuits for windup protection •T o protect equipment to rapid changes
A simple amplitude limiter
Jump and Rate
Limiter
1
2
3
4
−10
1
vlim=2, alim=0.5Commonly used in the power industry for load changes to save boilers.
Ratio Control
Arrangement to obtain two flows that are proportional to each other,e.g.oil and air in boilers
y A The scheme B is preferable!Why?
Control of Fuel and Air in a Boiler
An elegant solution
Oil Power
Air
Fuzzy Control
•A nonlinear state feedback
–How do we get the states?
–What does the nonlinearity look like?
–Rules and interpolation
–Why so few rules
–When is it useful
•Excellent to automate successful manual operations •Intuitive
•A lot of controversy:The No Model Myth
•Fuzzy control is more useful than its detractors claim but less useful than the propagandists claim
•Neuro-fuzzy
Gain Scheduling
Example of scheduling variables
•Production rate
•Machine speed
•Mach number and dynamic pressure
•Room occupancy
Adaptation
•Certainty Equivalence
•Many control and estimation schemes
•Dual control
–Control should be directing as well as investigating!。