自动控制原理一般概念讲解

13
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。
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）
微积分（含微分方程）
课程学习要面临
数学基础宽而深
控制原理抽象 计算复杂且繁琐 绘图困难
计算机数学语言 MATLAB 数值解/解析解（数学运算）
ax2 bx c d
控制理论的内容
扰动量 输入量 输出量
控制器
控制对象
?
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
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
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
（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
1.3 自动控制系统的组成及术语
典型反馈控制系统的原理如图所示
(1)被控对象:它是控制系统所控制和操纵的对象, 它接受控制量并输出被控制量。
(2)控制器:接收变换和放大后的偏差信号,转换为 对被控对象进行操作的控制信号。
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。
切割机进给系统、包装机等多为开环控制。
2.反馈控制 —— 闭环控制（核心）
闭环控制的定义是有被控制量反馈的控制,其 原理框如图所示。从系统中信号流向看,系统的输 出信号沿反馈通道又回到系统的输入端,构成闭合 通道,故称闭环控制系统,或反馈控制系统。
前/正向通道
反/负向通道
这种控制方式,无论是由于干扰造成,还是由于 结构参数的变化引起被控量出现偏差,系统就利用 偏差去纠正偏差,故这种控制方式为按偏差调节。 闭环控制系统的突出优点是利用偏差来纠正 偏差,使系统达到较高的控制精度。但与开环控制 系统比较,闭环系统的结构比较复杂,构造比较困难。 需要指出的是,由于闭环控制存在反馈信号,利用偏 差进行控制,如果设计得不好,将会使系统无法正常 和稳定地工作。另外,控制系统的精度与系统的稳 定性之间也常常存在矛盾。
自动控制原理
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
自动控制技术应用
自动控制系统
课程的性质和特点
自动控制是一门技术学科，从方法论的角度来 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。
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。
11
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！
关 汽阀联结器 套环 开 汽轮机轴
图1.1 飞球调节器原理图
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。
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
实例（示意图）
自动控制：
信号驱动设备
（1）对象：储液系统 （2）目标：液位 （3）传感器：检测
传 感 器
液位变化
(3)放大变换环节 :将偏差信号变换为适合控制器 执行的信号。它根据控制的形式、幅值及功率来 放大变换。
(4)校正装置:为改善系统动态和静态特性而附加 的装置。如果校正装置串联在系统的前向通道中, 称为串联校正装置;如果校正装置接成反馈形式, 称为并联校正装置,又称局部反馈校正。
(5)反馈环节 :它用来测量被控量的实际值 ,并经 过信号处理,转换为与被控制量有一定函数关系, 且与输入信号同一物理量的信号。反馈环节一般 也称为测量变送环节。 (6)给定环节:产生输入控制信号的装置。
控制系统
(自动控制系统方块图的绘制)
1.2 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。
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
本章主要讲什么内容?
从介绍自动控制的发展历史入手，引出自动控制理论分 析、设计自动控制系统的基本思想，然后介绍自动控制的 基本概念，以及对自动控制系统的基本要求，使读者对自 动控制理论的总的目标有个大致的了解。
飞机导航系统
制导导弹 现代的高新技术让 导弹长上了“眼睛”和 “大脑”，利用负反馈 控制原理去紧紧盯住目 标
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；
10
• 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
经典控制理论的孕育
• 1875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。
18
经典控制理论(古典控制理论)
以传递函数为基础，研究单输入---单输 出定常控制系统的分析与设计问题：
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）
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）
（4）控制器：控制功能
（5）执行器：完成控制
信号
动作
控制原理框图（控制理念）
大脑 （控制器） 手脚 （执行器） 眼睛 （传感器） 控制器 执行装置 测量装置 控制 对象 对象
1.1 自动控制的概念
自动控制：是指没有人直接参与的情况下，利 用控制装置（称控制器），使整个生产过程或 工作机械（称被控对象）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。 自动控制系统：能够实现自动控制任务的系统， 由控制器与控制对象组成。
的信号。
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
输出量
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）
（5）+/- ：符号的意义（正、负反馈）
二十世纪三项科学革命：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）
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。
15
经典控制理论的形成
● 1948年，维纳出版《控制论》，形成完整的经 典控制理论，标志控制学科的诞生。 维纳成为控制论的创始人！ ●维纳《控制论》是关于怎样把机械元件和电气元 件组合成稳定的并且具有特定性能的系统的科学。 这门新科学的一个非常突出的特点就是完全不考 虑能量、热量和效率等因素，可是，在其他各门 自然科学中，这些因素是十分重要的。 ● 控制论所讨论的主要问题是一个系统的各个不同 部分之间的相互作用的定性性质，以及整个系统 的总体运 动状态。
控制系统中常用的名词术语
(1)输入信号:泛指对系统的输出量有直接影响的外 界输入信号 , 既包括控制信号又包括扰动信号。其 中控制信号又称控制量、参考输入、或给定值。 (2)输出信号:是指反馈控制系统中被控制的物理量 , 它与输入信号之间有一定的函数关系。 (3)反馈信号:将系统(或环节)的输出信号经变换、 处理送到系统 ( 或环节 ) 的输入端的信号 , 称为反馈 信号。若此信号是从系统输出端取出送入系统输入 端 , 这种反馈信号称主反馈信号。而其它称为局部 反馈信号。
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
中巴资源卫星
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”。
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。
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
• 现代控制理论在空间技术取得巨大成功， 但由于工业过程控制中普遍存在的不确定 性和干扰，难以取得预期的效果。模拟人 的控制技术——智能控制，虽然不能实现 精确的控制，但对各种复杂系统能够做到 比较满意的控制。
炉温控制系统方框图
+ RP1 R0 ug R0 -ut -
R1
+ uc
TG
udo
M
+
RP2
+
直流电机调 速系统 给定 装置 扰动
ug
ue (- ) ut
放大器
触发器 控制装置 转速反 馈装置
方框图
晶阐管可 控整流器
udo
电动机 受控对象
n
关键点：
工作原理 输入输出
被控对象
中间环节 信号传递
(4)偏差信号:控制输入信号与主反馈信号之差。
(5) 误差信号 : 它指系统输出量的实际值与希望值 之差。系统希望值是理想化系统的输出，实际上 并不存在,它只能用与控制输入信号具有一定比例 关系的信号来表示。在单位反馈情况下 ,希望值就 是系统的输入信号,误差信号等于偏差信号。 (6)扰动信号:除控制信号以外,对系统的输出有影 响的信号。