自动控制原理课件 第1章

1-2 自动控制系统示例
函数记录仪原理图
函数记录仪方框图
电阻炉温度微机控制系统
锅炉液位控制系统原理图
锅炉液位控制系统方框图
1-3 自动控制系统的分类
线性定常连续系统包括： 恒值控制系统 随动系统，包括伺服系统 程序控制系统
（2）线性定常离散控制系统（m≤n）
a 0 c(k n) a1c(k n 1) a n1c(k 1) a n c(k ) =b0 r (k m) b1 r (k m 1) b m1 r (k 1) b m r (k )
经典控制理论逐渐发展成熟而形成为独立学科。频 率 分析法和根轨迹分析法，构成了经典控制理论的基础。 在此期间，也产生了一些非线性系统的分析方法，如相 平面法和描述函数法等，以及采样系统的分析方法。
数学工具：主要是线性微分方程和基于拉普拉斯变换的
传递函数。 研究对象：基本是单输入－单输出系统。 目标：反馈控制系统的稳定
t dr (t ) c(t ) = 3r (t ) 6 5 r ( )d dt
线性 定常 系统 非线性 定常 系统
c(t ) = r (t )
2
非线性 时变 系统
d 3c(t ) d 2c(t ) dc(t ) 3 6 8c(t ) = r (t ) 3 2 dt dt dt
线性 定常 系统
dc (t ) dr (t ) t c(t ) = r (t ) 3 dt dt
线性 时变 系统 非线性 时变 系统
c(t ) = r (t ) cost 5
+
+
ug
i f = cons
+
功放
+
ua
ue
R
M
n
Mc
负载
i
ub
+
压放
压放
Mc
ub ug
R
功放
负载
电机
ue
n
2、闭环（反馈）控制方式
存在输出到输入的反馈，输出量参与控制 +
+
例：电机系统
i f = cons
ug
+ ue
uf
M
+
压放 功放
期望转速：
n0
ua M
n
Mc
负载
TG ——测速 发电机
TG 负载 n 电机
3.大系统和智能控制时期
（ 20世纪70年代）
各学科相互渗透，要分析的系统越来越大，越来越复杂。 70年代——至今，基于人脑的思维、学习、推理、决策功 能研究与发展的，是当前控制理论学科研究的前沿领域。 主要研究方向：自适应控制理论、模糊控制理论、人工神 经元网络、浑沌理论研究等。 主要研究成果：各种自动设计系统，神经计算机，机器人 控制系统，模式识别，人工推理机等。
检测偏差用以消除偏差。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。
测量元件
放大元件
给定元件
比较元件
执行元件
校正元件
自动控制系统基本控制方式
1、开环控制方式
不存在输出到输入的反馈，输出量不参与控制 （1）按给定值进行控制
0
单位阶跃函数：
0
A
0
A=1
t
3、斜坡函数（或速度阶跃函数）
0 x(t ) = A t (t ) = At t<0 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 At 2 2 t<0 t0
5、正弦函数
x(t ) = sin t
小结
开环控制系统结构简单、稳定性好，但不能 自动补偿扰动对输出量的影响。当系统扰动 量产生的偏差可以预先进行补偿或影响不大 时，采用开环控制是有利的。当扰动量无法 预计或控制系统的精度达不到预期要求时， 则应采用闭环控制。 闭环控制系统具有反馈环节，它能依靠反馈 环节进行自动调节，以克服扰动对系统的影 响。闭环控制可以提高系统的精度，但是闭 环使系统的稳定性变差，需要重视并加以解 决。
r：输入采样序列。 c：输出采样序列 总结：（1）、（2）线性系统具有齐次性、叠加性。
（3）非线性控制系统（系数与变量有关或者方程中含 有变量及其导数的高次幂或乘积项）
d 2 y (t ) dy(t ) y (t ) y 2 (t ) = r (t ) dt 2 dt
1-4 对自动控制系统的基本要求
c
ug
ue
压放
uf
功放 测速发电机
闭环控制：
闭环控制特点：控制量与输出量之间既有前 向通路，又有反馈通路。可以由输出量影响 控制量产生调节作用。 是本课程研究重点。如温度自动控制系统， 检测输出温度，产生控制信号，调节输出温 度为要求值；雷达跟踪系统，根据飞机运动 得到飞机的位置信号，控制雷达的方位角和 俯仰角以跟踪飞机的飞行。
第一章
自动控制的一般概念
1-1 自动控制的基本原理与方式 1-2 自动控制系统示例 1-3 自动控制系统的分类
1-4 对自动控制系统的基本要求
1-5 控制系统的典型输入信号
1-1 自动控制的基本原理
1.1.1 自动控制技术及其应用 自动控制
自动控制是在没有人的直接干预下，利用物 理装置对生产设备和工艺过程进行合理的控制， 使被控制的物理量保持恒定，或者按照一定的规 律变化。 例如锅炉温度控制、化工过程流量、温度、 液位的控制，等等。
4.正在发展的各个领域
自适应控制 大系统理论 鲁棒控制 非线性控制（微分几何，混沌，变结构）
反馈控制又称为闭环控制
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： 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：
超调量σ% = A 100% B
A
峰值时间tp
B
“稳，快，准”
上升 时间tr 调节时间ts
1 稳定性（最基本要求）
稳定性：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。
自动控制来自百度文库统
自动控制系统是为实现某一控制目标所需 要的所有物理部件的有机组合体。
自动控制技术的应用
• 开始多用于工业：压力、温度、流量、位移、 湿度、粘度自动控制 • 后来进入军事领域：飞机自动驾驶、火炮自动 跟踪、导弹、卫星、宇宙飞船自动控制 • 目前渗透到更多领域：大系统、交通管理、图 书管理等 • 生物学系统：生物控制论、人造器官 • 经济系统：模拟经济管理过程、经济控制论
自动控制系统通常由给定环节、检测环节、比较 环节、放大元件、被控对象、和反馈环节等部件 组成。系统的作用量和被控量有：给定量、反馈 量、扰动量、输出量和各中间变量。 结构图（又称方框图、方块图）可直观地表达系 统各环节（或各部件）间的连接关系，可以表达 各种作用量和中间变量的作用点和信号传递情况 以及它们对输出量的影响。
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
稳态误差
无差系统 有差系统
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。
1.思考题 原理图、方框图（1-1）
控制器
Q1
浮子 电位器
c
用水开关
减速器 电动机
SM
Q2
if
液位自动控制系统
Q2
给定 液位
浮子
杠杆
电位器
伺服电动机 与减速器
阀门
Q1
实际 液位
水箱
2.判断系统类型（1-10）r入、c出
d r (t ) c(t ) = 5 r (t ) t dt 2
2 2
（2）按干扰进行控制（即前馈控制，对干扰进行补偿）
——比较环节（叠加点）
扰动必须可测！
例 按给定值进行控制
+
+
i f = cons
ug
+
功放
+
n
ua M
Mc
负载
Mc
负载
M ——电动机
ug
功放 电机
n
控制装置与受控对象之间只有顺向作用而无反向联系。
方法二：按干扰进行控制（即前馈控制，对干扰进行补偿）
自动控制技术的应用

数控车床按照规定程序自动地切削工件； 化学反应炉自动地维持温度或压力的恒定； 导弹发射和制导系统自动地把导弹引向敌方目标； 人造地球卫星准确地进入预定轨道并回收 ……
自动控制成为一门科学是从1945发展起来的
1. 经典控制理论时期（1940-1960） 第二次世界大战时期开始：
在不同输入量作用下，对系统的输出量的 要求，揭示出反馈控制系统的本质特征： 输出跟随输入。 对自动控制系统的性能指标要求有：
稳定性——系统能工作的首要条件； 快速性——用系统在暂态过程中的响应 速度和被控量的波动程度描述； 准确性——用稳态误差来衡量。
第一章 作业
1.思考题（1-1） 讨论液位自动控制系统原理图，方 框图 2.判断系统类型（1-10）
复合控制系统
偏差 扰动
常用术语
控制系统（Control system） 参考输入、给定输入、希望输入（Desired Input） 偏差信号（Error signal） 控制器（Controller） 控制量，也称操作量 （Control signal） 控制对象（Control plant） 扰动（Interaction） 系统输出，也称被控量（System output）
1-5 控制系统的典型输入信号
1、理想脉冲函数（或冲击函数）
0 t0 x(t ) = A (t ) = t=0
且



x(t )dt = A
A
0 t
单位脉冲函数： 等价于：
A t0
A=1
t0 0
t0 时刻的脉冲函数： (t t0 )
2、阶跃函数
t<0 x(t ) = A 1(t ) = A t 0
典型成果：雷达—高炮跟踪系统，轧钢机控制系统，液
压伺服系统等。
2. 现代控制理论时期（20世纪50年代末-60年代初）
50年代——70年代，空间技术与军事技术的发展提出了 许多复杂控制问题，用于导弹、人造卫星和宇宙飞船上 Kalman “控制系统的一般理论”奠定了现代控制理论 的基础 数学工具：主要是状态空间法 研究对象：研究对象更为广泛。如线性系统与非线性系统、 定常系统与时变系统、多输入－多输出系统、变量耦合 系统等。 目标：最优控制 典型成果：空间技术、军事技术、多方面的工业技术 我国：火箭发射控制技术 ，人口模型与中国人口控制