孟华自动控制原理ch1

1、 自动控制原理n主讲：电信学院自动化系 孟华n课时：64学时n实验：12学时n课程性质：必修课，考研课程n联络方式：e-mail: tel: 4706002-2615(o)第一章 自动控制的基本概念1-1 概述1-2 自动控制的基本方式1-3 自动控制系统中的常用术语1-4 自动控制系统的分类1-5 对控制系统的基本要求1-6 本门课程的主要内容1-1 概述自动控制自动控制-在没有人直接参与的情况下， 通过控制器使被控对象的某一 物理量（或工作状态）自动地 按照预定的规律运行。机器、设备或生产过程自动控制原理自动控制原理-自动控制技术的基础理论。自动控制系统自动控制系统- 为实现控制目的，由相

2、互 制约的各部分按一定规律 组成的具有特定功能的整体。 n经典控制理论 上世纪4050年代, 反馈控制、pid、传递函数n 现代控制理论 1960年以后，状态空间分析法，矩阵理论大系统理论 20世纪70年代, 自适应控制理论、鲁棒控制；主要处理动态、多输入多输出、结构复杂的系统智能控制 神经网络、模糊控制、专家系统 用于模型不确定、高度非线性、动态突变、复杂的信息模式等场合经典控制理论与现代控制理论比较： n经典控制理论 研究对象：单输入、单输出系统 数学模型与工具：微分方程传递函数 研究内容：确定模型，系统分析，系统设计n 现代控制理论 研究对象：多输入、多输出系统 数学模型与工具：状态方程

3、传递矩阵 研究内容：最优控制，系统辨识，自适应控制大系统理论研究对象：信息控制，决策系统研究内容：分析，模型化，综合理论基础：控制理论，运筹学，图论，模糊数学1-2 自动控制的基本原理一、自动控制系统组成一、自动控制系统组成热力系统自动控制流程图热力系统自动控制流程图人工控制人工控制自动控制系统方框图自动控制系统方框图系统组成：系统组成： 被控对象被控对象 测量元件测量元件 控制装置控制装置 执行机构执行机构二 、控制的基本方式n信号由给定值至被控量单向传递；n抗干扰能力差，不能保证控制精度。 用于自动化流水线控制，如包装机等执行执行被控对象被控对象计算计算给定值给定值干扰干扰被控量被控量开环

4、控制之一：按给定值操作1.开环控制开环控制之二：按干扰补偿执行执行被控对象被控对象计算计算干扰干扰被控量被控量测量测量n干扰经测量、计算、执行至被控量干扰经测量、计算、执行至被控量, ,单向传递单向传递n测量的是干扰，利用干扰产生控制作用，以补偿测量的是干扰，利用干扰产生控制作用，以补偿干扰的影响干扰的影响n只能对可测干扰进行补偿，不能保证控制精度。只能对可测干扰进行补偿，不能保证控制精度。 用于机械加工的恒速控制等用于机械加工的恒速控制等2.闭环控制比较、计算比较、计算执行执行被控对象被控对象测量测量给定值给定值干扰干扰被控量被控量闭环控制也称反馈控制，或按偏差调节。n测量的是被控量；n只要

5、被控量出现偏差，系统就自动纠偏；n控制精度高。凡是系统输出信号对控制作凡是系统输出信号对控制作用有直接影响的系统，都叫用有直接影响的系统，都叫做闭环系统。做闭环系统。闭环控制的不足：1 1）结构复杂、成本高；）结构复杂、成本高；2 2）由于反馈的存在，使控制系统可能）由于反馈的存在，使控制系统可能出现出现“振荡振荡”，有可能使系统失去，有可能使系统失去稳定而无法工作。稳定而无法工作。3.复合控制 闭环控制与开环控制相结合，在闭环的基闭环控制与开环控制相结合，在闭环的基础上增加一个干扰信号的补偿控制，以提高系础上增加一个干扰信号的补偿控制，以提高系统的抗干扰能力。统的抗干扰能力。比较、计算比较、

6、计算执行执行受控对象受控对象测量测量给定值给定值干扰干扰被控量被控量补偿装置补偿装置演示控制方式分析决策分析决策执行执行工作对象工作对象观察观察观察观察预期目标预期目标干扰干扰实际结果实际结果人工职能图人工职能图比较、计算比较、计算执行执行被控对象被控对象测量测量测量测量给定值给定值干扰干扰被控量被控量自动控制方框图自动控制方框图自动控制应具备三条基本功能：n测量n比较分析n执行参与控制的信号来自三条通道：给定值，干扰和被控量三、自动控制系统示例（一）温度控制系统v热电偶热电偶t煤气煤气混混合合器器空气空气urutu0u电动机电动机阀门阀门烘炉烘炉给定电位计给定电位计工件工件比较线路比较线路放

7、大器放大器电动机电动机放大器放大器（给定指令）（给定指令）工件工件环温环温（被控量）（被控量）ur（计算）（计算）烘炉烘炉（对象）（对象）热电偶热电偶uauttu烘炉温度控制系统功能方框图烘炉温度控制系统功能方框图（二）位置随动系统 rrucusuauaimc工作机械工作机械电位计电位计电动机电动机电位计式桥路电位计式桥路 电动机构电动机构 工作机械工作机械给定值给定值干扰力矩干扰力矩被控量被控量rsuauc（执行、对象）（执行、对象）原理图：原理图：方框图：方框图：控制任务：使工作机构跟随指令机构同控制任务：使工作机构跟随指令机构同步转动，即步转动，即c(t)=r(t)1-3 自动控制系统中

8、的常用术语控制环节控制环节gc被控对象被控对象g0反馈环节反馈环节h参考输入参考输入比较环节比较环节偏差偏差e控制量控制量u扰动扰动n输出输出c主反馈主反馈b1-4 自动控制系统的分类一、按输入信号特征分类（1）恒值控制系统（或定值控制系统） 输入信号是一个恒定的数值。输入信号是一个恒定的数值。 主要研究各种干扰对系统输出的影响主要研究各种干扰对系统输出的影响以及如何克服这些干扰，使输出量尽量保以及如何克服这些干扰，使输出量尽量保持在所设定的给定值上。持在所设定的给定值上。（2）程序控制系统（3）随动系统（伺服系统） 输入信号是一个已知的时间函数，输入信号是一个已知的时间函数，系统的控制过程按

9、预定的程序进行，要系统的控制过程按预定的程序进行，要求被控量能迅速准确地复现给定量。求被控量能迅速准确地复现给定量。 输入信号是一个未知函数，输入信号是一个未知函数，要求输出量跟随给定量变化。要求输出量跟随给定量变化。线性系统系统可以用线性微分方程或 差分方程描述。线性系统重要特性叠加性 均匀性xyoyxo线性系统中各元件特性均为直线，如线性系统中各元件特性均为直线，如二、按描述系统的数学模型不同分类 1.线性系统和非线性系统非线性系统描述系统的运动方程为非线性 微分方程或差分方程。系数随变量大小而变化不满足叠加原理非线性系统特点2. 定常系统和时变系统定常系统：参数不随时间变化时变系统；参数

10、是时间t 的函数1、连续系统系统中各元件的输入量和输出量均为时间t的连续函数；运动规律可用微分方程描述。2、离散系统系统中只要有一个地方的信号是脉冲序列或数字编码；运动规律可用差分方程描述。)(txto1t2t3t4tnt三、按三、按系统传输信号的性质分类其它分类方法其它分类方法n按按i/o信号数量分信号数量分：si/so , mi/mon按控制系统功能分按控制系统功能分：温度控制系统，速度：温度控制系统，速度控制系统，位置控制系统控制系统，位置控制系统n按系统元件组成分按系统元件组成分：机电系统，生物系：机电系统，生物系统，液压系统统，液压系统n按不同的控制理论分支设计的新按不同的控制理论分

11、支设计的新型控制系统分型控制系统分：最优控制系统，自适应控：最优控制系统，自适应控制系统，模糊控制系统，神经网络控制系统制系统，模糊控制系统，神经网络控制系统1-5 对控制系统的基本要求一、稳定性n系统稳定是系统正常工作的基本条件二、快速性n在稳定的前提下，希望控制过程进行得越快越好三、准确性n要求动态误差和稳态误差都越小越好 系统要求（或希望）的输出量与实际输出量之差称为误差； 动态误差是过渡过程中实际输出与期望值间的偏差； 稳态误差表示到达平衡状态（过渡过程结束）的精度。1-6 本门课程的主要内容n建立系统的数学模型n控制系统的分析法 时域分析 根轨迹法 频率特性法n控制系统的校正n离散控制系统n非线性控制系统 本门课程的意义及在专业中的位置 本课程是自动化学科的重要理论基础，专门研究自动控制系统中的基本概念、基本原理和基本方法，是一门理论性较强的课程。它主要讲授经典控制理论的基本概念、分