自动控制原理及其应用第一章

第二节 自动控制系统的分类
随动系统： 系统给定值按照事先不知道的时间函
数变化，并要求被控量跟随给定值变化。
如：火炮自动 跟踪系统、轮 舵位置控制系 统等。
第二节 自动控制系统的分类
程序控制系统：
系统的给定值按照一定的时间函数
变化，并要求被控量随之变化。
例如：
机械手
第二节 自动控制系统的分类
自动化生产线：
复杂飞行控制与 飞行管理系统
空
空
导
弹
稳
定
控
地空导弹稳定控制
制
第四节 自动控制理论发展简述
卫 星 控 制
月 球 车 控 制
机器人控制
返回
机构
阀门
h(t)
水箱
浮球
第一节 自动控制与自动控制系统
二、自动控制系统的基本构成及控制方式
1．开环控制
开环控制：控制装置与受控对象之间只 有顺向作用而无反向联系.
输入
控制装置 被控对象
信号传递
输出
开环控制 结构和控制简单，抗扰 的特点： 能力差，控制精度低。
第一节 自动控制与自动控制系统
例 转台速度开环控制系统
预期 速度
偏差 驱动
- 装置
直流电 动机
转台
速度反馈
检测装置
实际 转速
第一节 自动控制与自动控制系统
例 位置随动系统
系统组成： 输入 输出 工作过程：
电位器
齿轮 负载
θ r θ c θ m 电机
ue
θr=θc ud=0 θr=θc ud≠0
百度文库
电机静止 电机转动
电源
ud 驱动
θ电θr c动△-机θ电带位动器齿u系轮e统放转大结动器构,ud调图节电动θc机,使θmθ齿r=轮θcθc
第四节 自动控制理论发展简述
四十年代由于第二次世界大战需要控制系统具有 准确跟踪与补偿能力，美国贝尔实验室的奈奎斯特 和伯德提出了频域内研究系统的频率响应法。
Im
奈
G(jω)
奎
γ ωc
0 Re
φ (ω )
斯 特 曲
线
（W.R.Ewans）提出 了复数域内研究系统的 根轨迹法。
L(ω ) dB
+20
温度测量
第一节 自动控制与自动控制系统
为 了 方 便 地 分 析控系制器统 性 能 ， 一 般 用 框图来表示系统的结构，水温自动控制系 统可用框图表示为： 水温
预期 温度 输入
偏差
_ 控制器
实际温度
执行机构 阀门 温度检测
实际 温度 水箱
输出
第一节 自动控制与自动控制系统
例 液位自动控制系统 系统组成：
开环 自动 调节 系统
第四节 自动控制理论发展简述
二. 随着科学技术与生产的发展，到十八世纪 自动控制技术逐渐应用到现代工业中。
其中最卓越的代表 是英国人瓦特 （J.Watt）
1788年他发明的蒸汽机离 心调速器加速了第一次工
业革命的步伐。
第四节 自动控制理论发展简述
三.十九世纪，经典控制理论逐渐形成和发展
三、准确性
由输入给定值与输出响应的终值之
间的差值ess大小表征。
反映了系统的稳态精度。
若系统最终的
r(t)
误差为零，称为 无差系统。
c(t) c(t)
ess
r(t)
否则为有差
系统。
0
t
第三节 对控制系统性能的要求
稳定性、快速性和准确性往往是互 相制约的。在设计与调试的过程中,若过 分强调某方面的性能,则可能会使其他方 面的性能受到影响.
第一章 概述
第一章 概述
第一节 自动控制与自动控制系统 第二节 自动控制系统的分类 第三节 对控制系统性能的要求 第四节 自动控制理论发展简述
第一章 概述
第一节 自动控制与自动控制系统
一、自动控制的基本概念 二、控制系统的基本构成
及控制方式
第一节 自动控制与自动控制系统
一、自动控制的基本概念 自动控制是人类在认识世界和发明创新 的过程中发展起来的一门重要的科学技术。
第二节 自动控制系统的分类
自动控制系统应用实例
第二节 自动控制系统的分类
自动控制系统应用实例
第一章 概 述
第三节 对控制系统性能的要求
常见的评价系统优劣的性能指标是 从动态过程中定义出来的。对系统性能 的基本要求有三个方面。
一、稳定性 二、快速性 三、准确性
第三节 对控制系统性能的要求
一、稳定性
但有顺向作用，还有反向联系。
输入
偏差
- 控制装置 被控对象
输出
信号传递 反馈信号
检测装置
闭环控制又称为反馈控制或按偏差控制。 闭环控制的特点：
有较高的控制精度和较强的抗扰能力。
第一节 自动控制与自动控制系统
例 转台速度闭环控制系统
系统中增加了测 速发电机作为反 馈装置
通过闭环调节消 除干扰。
系统结构图:
过 动 旋C磁 多 泛速功装转D现应盘系系度率置。机这代用驱统统设放控、装动种.组工置大制计置器转作成信和转算中等台：：号驱 台机广许在通 系统结构图:
速度设置 驱动装置
转台 n
电机
给定速度 驱动
装置
直流电 动机
实际转速
转台
第一节 自动控制与自动控制系统
2．闭环控制
闭环控制: 控制装置与受控对象之间，不
1959年创建了卡尔曼滤波理 论；在控制系统的研究中首次成 功地应用了状态空间法，并提出 了可控性和可观测性的新概念。
庞 特 里 亚
1961年提出了极 小（大）值原理。 发展了最优化理论。
金
卡尔曼
在自适应控制理论和应用方
面作出了贡献。
朗道
第四节 自动控制理论发展简述
20世纪70年代末，控制理论向着“大 系统理论”、 “智能控制理论”和“复杂 系统理论”的方向发展。
输入 输出 工作原理： 调节长度 L
进水 阀门
杠杆机构调节 阀门的开度
调节进水量以控 制液位的高度。
杆杠 L
h 浮球
水箱 出水
第一节 自动控制与自动控制系统
不同的被控
对 构 象成液 系和 了位统控不控结制同制构装的
置 控
制 系 统框。图：自 动 控
制系统一般有两
种基本控制方式.
输出 h
L 输入
hr(t) 杠杆
而且在动态过程r(中t) 的震荡也不能过于
0 强烈.
t
第三节 对控制系统性能的要求
二、快速性
通过动态过程时间长短表征快速性。
过渡过程时 间越短，表明 快速性越好。
反之亦然。
快速性表明了 系统输出对输入 响应的快慢程度
r(t)
c(t)
c1(t)
r(t)
c2(t)
0
t2
t1 t
过渡过程
第三节 对控制系统性能的要求
自动控制技术是推动新的技术革命和新的 产业革命的关键技术。
是当代发展迅速，应用广泛，最引人瞩目 的高技术之一
依靠它，人类可以从笨重，重复性的劳动 中解放出来，从事更富创造性的工作。
第一节 自动控制与自动控制系统
自动控制技术得到了广泛的应用： 人造卫星 航天飞机 机器人 工业控制
自动控制技术的应用范畴：
示意图
被控量 被控对象
自动控制系统
检测元件
被控对象: 机器、设备、生产过程等 控制装置: 控制器、检测元件等
自动控制原理的主要任务： 分析和设计自动控制系统的性能。
第一节 自动控制与自动控制系统
例 水温人工控制系统
系统的构成：
工作过程： 蒸手汽动通调过节
热阀传门导的器开件度把，
阀门 蒸汽
热导器件
冷水 仪表
二次大战中 火炮，雷达，飞 机以及通讯系统 研究推动了经典 控制的发展。
美国H.S. Black提出 放大器性能的负反馈 方法(1927)
第四节 自动控制理论发展简述
在贝尔实验室火炮 控制系统研究小组工 作的C. Shannon提 出继电器逻辑自动化 理论(1938)。
美国MIT的Vannevar Bush研制成第一台 大型模拟计算机(1928)
近年来，在非线性系统理论、离散事 件系统以及专家系统、模糊控制和人工神 经网络控制等方面均有不同程度的发展。
现代控制理论已经应用在工业、农 业、交通运输及国防建设等各个领域。
第四节 自动控制理论发展简述
大系统控制
第四节 自动控制理论发展简述
计算机实现分散控制和集中监视系统
第四节 自动控制理论发展简述
热从量而传调递节给蒸水汽,
水箱
水温
水的的流温量度,来与控蒸制 排水 汽水的的流温量度成. 正
被控制量
热水
比. 人工难以实现稳定的高质量控制.
第一节 自动控制与自动控制系统
例 水温自动控制系统
系统中增加了：
工作原理：
电机
控制器
加入给定信号 检测实际温度 产生控制信号
通过电机调 节阀门的开度 从而调节蒸汽 流量。
第一节 自动控制与自动控制系统
例 直流调速系统
系统组成： 输入 电枢电压 输出 反馈电压
e=un-uf ud=Ke
系统闭环调整过程：
控制装置 un 电机 发电机
uf ud
n 负载
n uf
e ud n
un
系统结构图：
e -
放大器
ud 电动机
n
uf
测速机
第一节 自动控制与自动控制系统
3．复合控制
复合控制= 反馈控制 + 前馈补偿控制
-20dB/dec
0
ωc
-20
伯 德 ω图
p2 -63.4
90
p3
jω
153.4
p1 0 σ
第四节 自动控制理论发展简述
建立在劳斯稳定判据的时域法、奈 奎斯特的频率响应法和伊万斯的根轨迹 法基础上的理论，称为经典控制理论。
1948年出版了《控制论—关于 在动物和机器中控制与通讯的科 学》，书中论述了控制理论的一 般方法，推广了反馈的概念。
控制论之父 韦纳
钱学森
将控制理论应用于工程实践，1954 年出版了《工程控制论》。
第四节 自动控制理论发展简述
五十年代后兴起的现代控制起源于冷战 时期的军备竞赛，如导弹，卫星，航天器 和星球大战。
随着计算机技术的发展和航天等高科 技的推动，又产生了基于状态空间模型的 现代控制理论。
第四节 自动控制理论发展简述
稳扰定动性信：号系作统用受下外作用力不后稳,其定动的态系过统程是
的的振不荡稳倾定向系和统系:统恢复无平法衡正的常能工力作。的。
系d(统t) 受 外 作 用 力 经 过c(一t) 段 时c间(t)， 其 被控量达到某一稳
一个能在生产 实r(t际) 中应用的系统, 不c(t仅) 应c具(t)有稳定性,
定状态，则系统是 稳0定否d的则(t)。为不稳定的。t
航天工程、机电工程、冶炼化工、军工、农 业工程、生物工程、家用电气、经济管理等
自动控制原理是研究自动控制技术的基本
理论，学习这样一门理论首先要搞清楚一些
基本自概动念生。产线
计算机集成制造系统
第一节 自动控制与自动控制系统
自动控制：
在无人直接参与下，利用控制装置控
制被控对象的过程。
自动控制
给定值 控制器
输出
描函变述数量系系或系的统统是统函中的离数数各数散学。部学的模分模信型的型号的信是。系号线数都性是的常时或数间非或的线是连性时续的间。
第二节 自动控制系统的分类
四、恒值系统、随动系统和程序控制系统
恒值系统： 系统的给定值为一定值，而控制任
务就是克服扰动，使被控量保持恒值。
例如：电机速度 控制、恒温、恒 压、水位控制系 统等。
怎样根据工作任务的不同,分析和设计 自动控制系统，使其对三方面的性能有所 侧重 ，并兼顾其它正是自控原理课程要解 决的问题。
第一章 概 述
第四节 自动控制理论发展简述 一.两千年前中国自动控制技术的萌芽
张衡研制出自动测量地 震的候风地动仪(132
年)
马钧研制出用 齿轮传动自动 指示方向的指 南车(235年)
复合控制具有两种基本形式.
按扰动前馈补偿
扰动
前馈通道前馈通按道输入前馈补偿
给定值
+
- 控制器
被控制量
受控对象
反馈控制
检测元件
第一章 概 述
第二节 自动控制系统的分类
自动控制系统的分类方法较多，自 动控制系统一般结构为：
二三一、定连线常续性系统和时离非变散线系性统系统
输入
- 控制装置 被控对象
反馈信号 检测装置
劳斯 、18赫6尔8年维马茨克（斯18韦75解~决18了95蒸）汽 机调速系统中出现的剧烈振荡的 不性稳代定数问判题据，。提赫 （出尔Hu维了rw茨简itz单）的稳定
r(t)
把马克斯韦的思想扩展到更
c(t)
复杂的系统中，提出了著名
劳斯稳定判据和赫尔维茨稳
定判据。
0
t
第四节 自动控制理论发展简述
四. 二十世纪，经典控制理论广泛应 用，现代控制理论形成和发展