华水大刘新宇老师的自控课件

1、12课程的性质和特点课程的性质和特点 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。研究系统的建立、分析与设计。 自动控制原理自动控制原理是本学科的专业基础课，是是本学科的专业基础课，是自动控制理论的基础课程，该课程与其它课程自动控制理论的基础课程，该课程与其它课程的关系如下。的关系如下。微积分（含微分方程微积分（含微分方程）电机与拖动电机与拖动模拟电子技术模拟电子技术线性代数线性代数电路理论电路理论信号与系统信号与系统自动控制理论自动控制理论复变函数、拉普拉斯变换复变函数、拉普拉斯变换大学物理（力学、热力学）大学物理（力学、热力学

2、）3课程的性质和特点课程的性质和特点 自动控制理论已经发展为理论严自动控制理论已经发展为理论严密、系统完整、逻辑性很强的一门学密、系统完整、逻辑性很强的一门学科。从基本反馈控制原理发展到：自科。从基本反馈控制原理发展到：自适应控制、优化控制、鲁棒控制、大适应控制、优化控制、鲁棒控制、大系统控制、智能控制。系统控制、智能控制。4课程的性质和特点课程的性质和特点 讨论的对象：讨论的对象： 因果系统因果系统 、工程系统、工程系统 系统的广义性：系统的广义性： 经济、社会、工程、生物、环境、医学经济、社会、工程、生物、环境、医学 课程特点：课程特点： 研究系统的共性问题研究系统的共性问题 数学数学模型

3、模型实际实际系统系统物理物理模型模型方法（系统组成方法（系统组成分析、设计）分析、设计）56一、自动控制的基本原理与方式一、自动控制的基本原理与方式 1 1、自动控制技术及其应用、自动控制技术及其应用 所谓自动控制，是指没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称被控量）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。78飞机导航控制系统9哈勃望远镜特殊地卫星中巴资源卫星 人造地球卫星人造地球卫星控制其准确地进入预定轨道运行并回收控制其准确地进入预定轨道运行并回收一、自动控制的基本原理与方式一、自动控制的基本原理与方式10无人驾驶飞

4、机按预定轨迹飞行无人驾驶飞机按预定轨迹飞行渐露锋芒地无人驾驶飞机渐露锋芒地无人驾驶飞机一、自动控制的基本原理与方式一、自动控制的基本原理与方式11制导导弹制导导弹 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我国研制的地空导弹一、自动控制的基本原理与方式一、自动控制的基本原理与方式12雷达技术雷达技术 雷达操作时，天线就要不停地转动。天线的作用是雷达操作时，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，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。正因为天线所起并把被反射回来的无线电波接

5、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空的状况，天线就要不停地转动，用一个驱动马达使天线作天线作360360度的旋转，这样它就能在度的旋转，这样它就能在360360度范围内进行度范围内进行“搜索搜索”。一、自动控制的基本原理与方式一、自动控制的基本原理与方式13双馈型风力发电机系统14自动控制技术应用于其他领域自动控制技术应用于其他领域 由于计算机等技术的诞生和飞速发展，使得控制由于计算机等技术的诞生和飞速发展，使得控制技术水平不断提高，已扩大到经济与社会生活的各个

6、技术水平不断提高，已扩大到经济与社会生活的各个领域，如通信、交通、医学、环境保护、经济管理等领域，如通信、交通、医学、环境保护、经济管理等领域，控制技术已成为现代社会不可缺少的重要组成领域，控制技术已成为现代社会不可缺少的重要组成部分。部分。 近年来，我国在自动化仪表、工业调节器、数字近年来，我国在自动化仪表、工业调节器、数字控制技术、航天工程、核动力工程等方面的研究和应控制技术、航天工程、核动力工程等方面的研究和应用取得了长足进展。用取得了长足进展。一、自动控制的基本原理与方式一、自动控制的基本原理与方式15 16现代化的工厂现代化的工厂17(1)、最早的稳定性研究 J.C.Maxwell（

7、麦克斯韦尔），1868年发表论调节器，研究调节器的微分方程，线性化处理，系统稳定性取决于微分方程的特征根是否都具有一对负的实部，针对二阶和三阶系统讨论了使特征根具有负实部时，特征多项式系列应满足的条件。(2)、系统稳定准则 由Hurwitz（霍尔维茨）和 E.J.Routh（劳斯）提出的劳斯霍尔维茨稳定判据。2 2、自动控制理论、自动控制理论一、自动控制的基本原理与方式一、自动控制的基本原理与方式18 A.M.Lyapunov（李雅普诺夫）提出了李雅普诺夫第一法与第二法 H.Nyquist（奈魁斯特）提出奈氏判据，Bode(波德）提出了对数频率特性的方法。 二战期间，军事科学的需要大大促进了反

8、馈控制理论的发展。美国麻省理工学院雷达实验室的科学家们将反馈放大器理论、 PID（比例-积分-微分）控制以及N.Wiener（维纳）的随机过程理论等结合在一起，形成了一整套被称为随动控制系统的设计方法。一、自动控制的基本原理与方式一、自动控制的基本原理与方式19一、自动控制的基本原理与方式一、自动控制的基本原理与方式 (3)、根轨迹方法 W.R.Evans（伊万斯）提出的方法和规则是当系统参数变化时特征方程式根变化的几何轨迹。 (4)、经典自动控制理论 以反馈控制原理为基础的自动控制理论已形成比较完整的体系。其特点相对言，生产技术水平较低，控制对象结构较简单，被控参数较单一，要求达到的预期效果

9、（性能指标）也不高。主要研究对象为单输入，单输出的单变量系统（属于线性定常时不变系统）。20(5)(5)、现代控制理论的发展、现代控制理论的发展 从从5050年代末期开始，控制系统设计问题的重点从设计许多可年代末期开始，控制系统设计问题的重点从设计许多可行系统中的一种系统，转变到设计在某种意义上的一种最佳系统。行系统中的一种系统，转变到设计在某种意义上的一种最佳系统。 大约从大约从19601960年开始，数字计算机的出现为复杂系统的时域分年开始，数字计算机的出现为复杂系统的时域分析提供了可能性，利用状态变量、基于时域分析的现代控制理论析提供了可能性，利用状态变量、基于时域分析的现代控制理论应运

10、而生。应运而生。 从从19601960年到年到19801980年，确定性系统的最佳控制，随机系统的最年，确定性系统的最佳控制，随机系统的最佳控制，乃至复杂系统的自适应和学习控制，都得到了充分的研佳控制，乃至复杂系统的自适应和学习控制，都得到了充分的研究。究。 从从19801980年到现在，现代控制理论的进展集中于鲁棒控制、年到现在，现代控制理论的进展集中于鲁棒控制、HH控制及其相关的课题。控制及其相关的课题。一、自动控制的基本原理与方式一、自动控制的基本原理与方式213 3、反馈控制原理、反馈控制原理 反馈控制是这样的一种控制过程，它能构在存在扰动的情况下，力图减小系统的输出量与参考输入量（也

11、称参据量）之间的偏差，而其工作正是基于这一偏差基础之上的，这就是反馈控制的原理。 如人取桌上书的过程（见下图）：眼睛大脑手臂、手眼睛输出量（手位置）输入信号（书位置）被控对象被控量测量元件一、自动控制的基本原理与方式一、自动控制的基本原理与方式22系统方框图符号组成系统方框图符号组成：“ ”下图为反馈控制原理方框图下图为反馈控制原理方框图一、自动控制的基本原理与方式一、自动控制的基本原理与方式23龙门刨床速度控制系统原理图 在工业控制中，龙门刨床速度控制系统就是按照反馈控制原理进行工作的。当负载波动时，必然会引起速度变化，由于龙门刨床不允许速度变化过大，因此必须对速度进行控制。一、自动控制的基

12、本原理与方式一、自动控制的基本原理与方式24注意： 龙门刨床速度控制系统是一个有精差系统。速度 最终达到的稳态值与原始给定速度之间始终有一 个差值存在，这个差值是用来产生一个附加的电 动机电枢电压，以补偿因增加负载而引起的速度下降。这个差值的存在是保证系统正常工作所必需的，一般称为稳态误差。如果从结构上加以改进，可以消除这个稳态误差。一、自动控制的基本原理与方式一、自动控制的基本原理与方式254 4、反馈控制系统的基本组成、反馈控制系统的基本组成 反馈控制系统是由各种不同的元部件组成的。反馈控制系统是由各种不同的元部件组成的。 a) a) 测量元件：检测被控制的物理量。测量元件：检测被控制的物

13、理量。 b) b) 给定元件：给出与期望的被控制量相对应给定元件：给出与期望的被控制量相对应的系统输入量（即参据量）。的系统输入量（即参据量）。 c) c) 比较元件：把测量元件检测的被控量的实比较元件：把测量元件检测的被控量的实际值与给定元件给出的参据量进行比较，求出际值与给定元件给出的参据量进行比较，求出 它们之间的偏差。它们之间的偏差。一、自动控制的基本原理与方式一、自动控制的基本原理与方式26d) d) 放大元件：偏差信号的放大，用以推动执行放大元件：偏差信号的放大，用以推动执行 元件。元件。e) e) 执行元件：直接推动被控对象，使被控量发生执行元件：直接推动被控对象，使被控量发生

14、变化。变化。f) f) 校正元件：也叫补偿元件以改善系统性能。校正元件：也叫补偿元件以改善系统性能。一、自动控制的基本原理与方式一、自动控制的基本原理与方式27典型的反馈控制系统基本组成框图：典型的反馈控制系统基本组成框图： 信号从输入端到达输出端的传输通路称为前向通路；系统输出量经测量元件反馈到输入端的传输通路称为主反馈通路。前向通路与主反馈通路共同构成主回路。此外，还有局部反馈通路。只包含一个主反馈通路的系统称为单回路系统，有两个或两个以上反馈通路的 系统称为多回路系统。串连补偿元件放大元件执行元件被控对象反馈补偿元件测量元件输输出出量量主主反反馈馈局局部部反反馈馈输输入入量量一、自动控制

15、的基本原理与方式一、自动控制的基本原理与方式285 5、自动控制系统基本控制方式、自动控制系统基本控制方式(1)、反馈控制方式 按偏差进行控制，具有抑制扰动对被控量产生影响的能力和较高的控制精度。一、自动控制的基本原理与方式一、自动控制的基本原理与方式29(2)(2) 开环控制方式开环控制方式 指控制装置与被控对象之间只有顺向作用而指控制装置与被控对象之间只有顺向作用而 没有反向联系的控制过程。没有反向联系的控制过程。一、自动控制的基本原理与方式一、自动控制的基本原理与方式30一、自动控制的基本原理与方式一、自动控制的基本原理与方式31一、自动控制的基本原理与方式一、自动控制的基本原理与方式3

16、2下图为发电机电动机调速系统的方框图下图为发电机电动机调速系统的方框图一、自动控制的基本原理与方式一、自动控制的基本原理与方式33 (3) (3)、复合控制方式、复合控制方式 按偏差控制和按扰动控制相结合的控制方式按偏差控制和按扰动控制相结合的控制方式 称为复合控制方式。称为复合控制方式。一、自动控制的基本原理与方式一、自动控制的基本原理与方式34二、自动控制系统示例二、自动控制系统示例 1、家用电冰箱温控系统 控制器设定温度与冰箱比较，产生偏差值，当偏差电压达到使继电器接通时，压缩机工作，将蒸发器中高温低压气态制冷液送制冷却器散热，降温后的低温低压制冷液压缩成高压液态进入蒸发器，急速降压扩散

17、成气体，吸收箱体内热量，使冰箱温度下降，如此循环操作，使箱体温度达到希望温度，此时继电器断开，压缩机停止工作。35下图为家用冰箱恒温系统的方框图下图为家用冰箱恒温系统的方框图二、自动控制系统示例二、自动控制系统示例36 2 2、锅炉液位控制系统、锅炉液位控制系统 当蒸汽的耗汽量与锅炉进水量相等时，液位保持在正常标准值。当过锅炉给水量不变，而蒸汽负荷发生变化时，液位也相应发生变化；或者当蒸汽负荷不变，而给水管道水压发生变化时，引起锅炉液位发生变化。但只要实际液位高度与正常给定液位之间出现偏差时，调节器均应立即进行控制，去开大或者关小给水阀门，使液位恢复到给定值。二、自动控制系统示例二、自动控制系

18、统示例37下图为锅炉液位控制系统的方框图下图为锅炉液位控制系统的方框图二、自动控制系统示例二、自动控制系统示例38 3 3、龙门刨床速度控制系统、龙门刨床速度控制系统 下图示为龙门刨床速度控制系统。当负载发生下图示为龙门刨床速度控制系统。当负载发生变化时，如和控制速度。变化时，如和控制速度。 例如：例如：nuuuuuunMaktt)(0二、自动控制系统示例二、自动控制系统示例39下图为龙门刨床速度控制系统的方框图二、自动控制系统示例二、自动控制系统示例40 4 4、电炉温度控制系统、电炉温度控制系统 电阻丝通过晶闸管主电路加热，炉温期望值预先设定，炉温实际值由热电偶检测，并转换成电压，经放大、

19、滤波后，由A/D转换后送入计算机，并与所设置的期望温度进行比较，产生偏差信号，计算机根据控制算法计算相应控制量，再经D/A转换成电流，通过触发器控制晶闸管导通角，从而改变电阻丝中电流大小，达到控制炉温的目的。二、自动控制系统示例二、自动控制系统示例41下图为电炉温度控制系统的方框图二、自动控制系统示例二、自动控制系统示例42三、自动控制系统的分类三、自动控制系统的分类 自动控制系统有多种分类方法，一般，为了全自动控制系统有多种分类方法，一般，为了全面反映自动控制系统的特点，常常将各种分类方面反映自动控制系统的特点，常常将各种分类方法组合应用。法组合应用。开环控制开环控制闭环控制闭环控制( (反

20、馈控制反馈控制) )复合控制复合控制43机械系统机械系统恒张力系统恒张力系统电气系统电气系统机电系统机电系统全自动照相机，全自动照相机， 光机电结合光机电结合液压系统液压系统伺服液压缸，汽伺服液压缸，汽车发动机，大型的仿真模拟台车发动机，大型的仿真模拟台气动系统气动系统 生物系统生物系统按按元元件件类类型型分分三、自动控制系统的分类三、自动控制系统的分类44按系统功用分三、自动控制系统的分类三、自动控制系统的分类45全自动蒸汽加热系统全自动蒸汽加热系统三、自动控制系统的分类三、自动控制系统的分类46三、自动控制系统的分类三、自动控制系统的分类47三、自动控制系统的分类三、自动控制系统的分类48

21、1 1、线形连续控制系统、线形连续控制系统 这类系统可以用线形微分方程式描述，其一般形式为：)()()()()()()()(1111011110trbtrdtdbtrdtdbtrdtdbtcatcdtdatcdtdatcdtdammmmmmnnnnnn 系数系数a a0 0， ， a an n，b b0 0, , b bn n是常数时，称为定常系统；系数是常数时，称为定常系统；系数a a0 0，a an n，b b0 0, , b bn n随时间变化时，称为时变系统。线性定常连续系统按其随时间变化时，称为时变系统。线性定常连续系统按其输入量的变化规律又可分为恒值控制系统、随动系统和程序控制系输

22、入量的变化规律又可分为恒值控制系统、随动系统和程序控制系统。统。三、自动控制系统的分类三、自动控制系统的分类49(1)(1)、恒值控制系统、恒值控制系统 这类控制系统的参据量是一个常值，要求这类控制系统的参据量是一个常值，要求被控量亦等于一个常值，故又称为调节器。被控量亦等于一个常值，故又称为调节器。 在恒值控制系统中，参据量可以随生产条在恒值控制系统中，参据量可以随生产条件的变化而改变，但是，一经调整后，被控量件的变化而改变，但是，一经调整后，被控量就应与调整好的参据量保持一致。在工业控制就应与调整好的参据量保持一致。在工业控制中，如果被控量是生产过程参量时，这种控制中，如果被控量是生产过程

23、参量时，这种控制系统则称为过程控制系统，它们大多数属于恒系统则称为过程控制系统，它们大多数属于恒值控制系统。值控制系统。三、自动控制系统的分类三、自动控制系统的分类50(2)(2)、随动系统、随动系统 系统的参据量是预先未知的随时间任意变化的系统的参据量是预先未知的随时间任意变化的函数，要求被控量以尽可能小的误差跟随参据量函数，要求被控量以尽可能小的误差跟随参据量的变化，故又称为的变化，故又称为跟随系统跟随系统。在随动系统中。扰。在随动系统中。扰动的影响是次要的，系统分析、设计的重点是研动的影响是次要的，系统分析、设计的重点是研究被控量跟随的快速性和准确性。究被控量跟随的快速性和准确性。 在随

24、动系统中，如果被控量是机械位或其导数在随动系统中，如果被控量是机械位或其导数时，这类系统称之为时，这类系统称之为伺服系统伺服系统。三、自动控制系统的分类三、自动控制系统的分类51(3)(3)、程序控制系统、程序控制系统 系统的参据量时按预定规律随时间变化的系统的参据量时按预定规律随时间变化的函数，要求被控量迅速、准确地加以复现。程函数，要求被控量迅速、准确地加以复现。程序控制系统和随动系统的参据量都是时间函数，序控制系统和随动系统的参据量都是时间函数，不过前者是已知的时间函数，后者是未知的任不过前者是已知的时间函数，后者是未知的任意时间函数，意时间函数，而恒值控制系统也可视为程序控而恒值控制系

25、统也可视为程序控制系统的特例。制系统的特例。三、自动控制系统的分类三、自动控制系统的分类522 2、线性定常离散控制系统、线性定常离散控制系统 离散系统是指系统的某处或多处的信号为脉冲序列或数码形式，因而信号在时间上是离散的。离散系统一般用差分方程描述，其一般形式可用下式表示： )() 1() 1()()() 1() 1()(110110krbkrbmkrbmkrbkcakcankcankcammnn 三、自动控制系统的分类三、自动控制系统的分类533 3、非线性控制系统、非线性控制系统 系统中只要有一个元部件的输入输出特性是非线性的，这类系统就称为非线性控制系统， 实际物理系统中都含有不同程

26、度的非线性元部件，如放大器和电磁元件的饱和特性，运动部件的死区、间隙和摩擦特性等。对于非线性程度不大的情况，可在一定范围内进行线性化。)()()()(2trytytyty 三、自动控制系统的分类三、自动控制系统的分类54四、对自动控制系统的基本要求四、对自动控制系统的基本要求 1、基本要求的提法、基本要求的提法 可以归结为可以归结为稳稳定性（长期稳定性）、定性（长期稳定性）、准准确确性（精度）和性（精度）和快快速性（相对稳定性）。速性（相对稳定性）。 稳稳 准准 快快 稳定性：稳定性： 稳定性是对系统的基本要求，不稳定的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。稳定性，通常由系系统不能实现预定任务。稳定性，通常由系统