第一章自动控制概论

1、郑州轻工业学院电气信息工程学院郑州轻工业学院电气信息工程学院 自自 动动 化化 教教 研室研室自动控制原理自动控制原理高等数学高等数学积分变换积分变换自动控制理论自动控制理论现代控制理论现代控制理论其它专业课程其它专业课程1 1、 是一门专业基础课是一门专业基础课2 2、理论实践相结合、理论实践相结合理论性非常强理论性非常强,但又和实际应用紧密结合但又和实际应用紧密结合3 3、内容广泛、内容广泛自动控制理论课程特点自动控制理论课程特点学习自动控制理论的重要性学习自动控制理论的重要性3 3、本课程能为解决实际控制问题提供理论和方法、本课程能为解决实际控制问题提供理论和方法1 1、本课程是自动化专

2、业承上启下的课程、本课程是自动化专业承上启下的课程2 2、自动控制技术是应用非常广泛的技术、自动控制技术是应用非常广泛的技术电机控制、自动化生产线、火炮雷达控制、家用电机控制、自动化生产线、火炮雷达控制、家用电器、机械、冶金、石油、化工、电力电子、航电器、机械、冶金、石油、化工、电力电子、航空、航海、航天、核反应堆等。空、航海、航天、核反应堆等。4 4、学分较多、学分较多本课程学习方法本课程学习方法1 1、打好基础、打好基础高等数学（微积分）、积分变换（拉氏变换）高等数学（微积分）、积分变换（拉氏变换）2 2、做好预习、做好预习3 3、听好课、听好课讲课的速度较快、了解课程内容讲课的速度较快、

3、了解课程内容掌握基本理论和基本方法掌握基本理论和基本方法4 4、做好习题、做好习题应用学到的基本理论和基本方法解决实际问题应用学到的基本理论和基本方法解决实际问题第一章 自动控制概论 1.1 引引 言言 1.2 自动控制系统的分类自动控制系统的分类 1.3 对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求自动控制自动控制：1.1.1 自动控制理论及应用自动控制理论及应用 在无人直接参与的情况下，利用控制装置，使工作在无人直接参与的情况下，利用控制装置，使工作机械、或生产过程机械、或生产过程（被控对象）（被控对象）的某一个物理量的某一个物理量（被控量）（被控量）按预定的规律按预定的规律（给定量）（给定量

4、）运行。运行。自动控制系统自动控制系统： 指能够对被控对象的工作状态自动控制的系统指能够对被控对象的工作状态自动控制的系统,它它 由被控对象和控制装置组成由被控对象和控制装置组成1.1 引引 言言动画动画1动画动画21.1.2 自动控制理论发展简史自动控制理论发展简史 经典控制理论经典控制理论 ( 19( 19世纪初世纪初 ) ) 时域法时域法 复域法复域法 (根轨迹法根轨迹法) 频域法频域法 现代控制理论现代控制理论 ( 20( 20世纪世纪6060年代年代 ) ) 线性系统线性系统 自适应控制自适应控制 最优控制最优控制 鲁棒控制鲁棒控制 最佳估计最佳估计 容错控制容错控制 系统辨识系统辨

5、识 集散控制集散控制 大系统复杂系统大系统复杂系统 智能控制理论智能控制理论 ( 20( 20世纪世纪7070年代年代 ) ) 专家系统专家系统 模糊控制模糊控制 神经网络神经网络 遗传算法遗传算法 房间房间交换设备交换设备压缩机压缩机控制板控制板传感器传感器控制对象控制对象执行机构执行机构测量元件测量元件控制单元控制单元一、举例：家用空调控制器控制系统一、举例：家用空调控制器控制系统功能：房间温度控制在人体比较舒适的范围功能：房间温度控制在人体比较舒适的范围 （对象、物理量、控制设备）（对象、物理量、控制设备）系统组成：系统组成：温度设定温度设定比较单元比较单元控制单元控制单元执行机构执行机

6、构控制对象控制对象测量元件测量元件控制器控制器控制对象控制对象反馈反馈比较比较控制指令控制指令家用空调系统框图的简化家用空调系统框图的简化控制系统的组成控制系统的组成 被控对象被控对象 控制系统控制系统 测量元件测量元件 比较元件比较元件 控制装置控制装置 放大元件放大元件 执行机构执行机构 校正装置校正装置 给定元件给定元件分类分类运动控制系统运动控制系统过程控制系统过程控制系统线性线性/ /非线性系统非线性系统连续连续/ /离散性系统离散性系统定常定常/ /时变性系统时变性系统单输入单输出单输入单输出/ /多输入多输出系统多输入多输出系统集中参数集中参数/ /分布参数系统分布参数系统按被控

7、对象分按被控对象分按使用的数学方法分按使用的数学方法分按输入信号特征分按输入信号特征分按系统功用分按系统功用分恒值系统恒值系统 随动系统随动系统程序控制系统程序控制系统按控制方式分按控制方式分按给定值操纵的开环控制按给定值操纵的开环控制按干扰补偿的开环控制按干扰补偿的开环控制按偏差调节的闭环控制按偏差调节的闭环控制复合控制：闭环反馈为主，开环补偿为辅复合控制：闭环反馈为主，开环补偿为辅温度控制系统温度控制系统压力控制系统压力控制系统位置控制系统位置控制系统1.2自动控制系统的分类自动控制系统的分类基本控制方式基本控制方式 1. 1. 开环控制开环控制 2. 2. 闭环控制闭环控制 3. 3.

8、复合控制复合控制 1.2.1按控制方式分类按控制方式分类温度计温度计 加热电阻丝加热电阻丝调压器调压器u(a) 原理图原理图220V输出量输出量 (手柄位置手柄位置)输入量输入量 调压器调压器 加热加热 电阻丝电阻丝 电炉电炉 恒温箱恒温箱 受控对象受控对象( (温度温度) )扰动量扰动量(b) 方块图方块图控制装置控制装置扰动扰动输出量输出量输入量输入量控制装置控制装置受控对象受控对象开环控制系统的方框图开环控制系统的方框图 1. 1.开环控制系统开环控制系统动画动画MugudoVGT+- -(a) 原理图原理图给定信号给定信号( (电压电压) )触发触发 器器电动机电动机受控对象受控对象输

9、出量输出量( (转速转速) ) 扰动量扰动量(b) 方块图方块图控制装置控制装置 晶闸管可晶闸管可 控整流器控整流器o按给定开环控制按给定开环控制 +-+ugudoMiuin(a) 原理图原理图R 放大放大 器器 负载负载 给定信号给定信号ug被控量被控量 扰动扰动inui(b) 方块图方块图 电压电压 放大放大 电阻电阻 R 触发触发 器器 晶阐管可晶阐管可 控整流器控整流器 电动电动 机机o按干扰补偿开环控制按干扰补偿开环控制方框图中各符号的意义方框图中各符号的意义 元部件元部件 方框（块）图方框（块）图 信号（物理量）及传递方向信号（物理量）及传递方向 中的符号中的符号 比较点比较点 引

10、出点引出点 表示负反馈表示负反馈开环控制系统的特点开环控制系统的特点 控制装置与受控对象之间只有正向作用，控制装置与受控对象之间只有正向作用，没有反向联系；没有反向联系； 控制精度取决于元器件的精度和系统调整控制精度取决于元器件的精度和系统调整精度；精度； 没有抑制内、外干扰的能力；没有抑制内、外干扰的能力； 系统结构简单、成本低。系统结构简单、成本低。2.闭环控制系统闭环控制系统 负反馈原理负反馈原理_将系统的输出信号引回输入将系统的输出信号引回输入端，与输入信号比较，利用所得的偏差信端，与输入信号比较，利用所得的偏差信号进行控制，达到减小偏差、消除偏差的号进行控制，达到减小偏差、消除偏差的

11、目的。目的。 _ 构成闭环控制系统的核心 闭环闭环(反馈反馈)控制系统的特点：控制系统的特点： (1) 系统内部存在反馈，信号流动构成闭回路系统内部存在反馈，信号流动构成闭回路 (2) 偏差起调节作用偏差起调节作用 例例 1 1 炉温控制系统炉温控制系统 炉温控制系统方框图炉温控制系统方框图(- -)utug扰动扰动 给定给定 装置装置 放大器放大器 电动机电动机 转速反转速反 馈装置馈装置 触发器触发器 晶阐管可晶阐管可 控整流器控整流器控控 制制 装装 置置受控对象受控对象n(b) 方框图方框图ueudoRP1ugR0R0R1-utRP2- -+- -+ TGMudouc(a) 原理图原理

12、图+电动机转速闭环控制系统电动机转速闭环控制系统 例例 函数记录仪函数记录仪 函数记录仪方框图函数记录仪方框图 动画动画闭控制系统的特点闭控制系统的特点 既有正向作用，又有反馈作用既有正向作用，又有反馈作用 控制精度与元件精度、控制方法、调整精控制精度与元件精度、控制方法、调整精度度 有关，控制精度较高；有关，控制精度较高； 有抑制干扰的能力；有抑制干扰的能力； 结构复杂，成本相对较高。结构复杂，成本相对较高。复合控制系统复合控制系统 对系统提出较高要求时使用对系统提出较高要求时使用 开环控制和闭环控制的组合开环控制和闭环控制的组合 有两种形式有两种形式 (1)按输入作用补偿 (2)按扰动作用

13、补偿 udoMR iugutTG(a) 原理图原理图 负载负载放大器放大器 放大器放大器+n扰动扰动(ML)uiugut(- -)(b) 方块图方块图 扰动检扰动检 测装置测装置 晶阐管可晶阐管可 控整流器控整流器 转速反转速反 馈装置馈装置 电动电动 机机 放大器放大器 放大器放大器 触发器触发器电动机转速复合控制系统电动机转速复合控制系统按干扰作用补偿按干扰作用补偿按偏差按偏差作用补偿作用补偿热处理炉温度控制系统热处理炉温度控制系统ugTiu (- -) ufQTo 给定给定 装置装置 放大器放大器 电动机、传动电动机、传动 装置和阀门装置和阀门 热处理炉热处理炉 放大器放大器 热电偶热电

14、偶(b) 方框图方框图(a) 原理图原理图M uufug 给定电位计给定电位计+- - 电动机电动机 煤气煤气空气空气阀门阀门热处理炉热处理炉工件工件热电偶热电偶放大器放大器混合混合 器器放大器放大器uaQTo复合控制系统典型方框图复合控制系统典型方框图控制装置控制装置被控对象被控对象测量装置测量装置补偿装置补偿装置(-)(-)输入信号输入信号输出信号输出信号扰扰动动(b)按扰动作用补偿按扰动作用补偿 被控量被控量 输入信号输入信号 (- -) 补偿装置补偿装置 控制装置控制装置 受控对象受控对象(a)按输入作用补偿按输入作用补偿控制系统的组成控制系统的组成1.2.2按输入信号特征分类按输入信

15、号特征分类 1、恒值控制系统、恒值控制系统 特征：输入信号为常数特征：输入信号为常数 典型系统：液位、温度、压力、流量控制典型系统：液位、温度、压力、流量控制 2、随动控制系统、随动控制系统 特征：输入信号未知的随时间变化任意函数特征：输入信号未知的随时间变化任意函数 典型系统：鱼雷飞行、炮瞄雷达、火炮自动瞄准、典型系统：鱼雷飞行、炮瞄雷达、火炮自动瞄准、 导弹制导。导弹制导。 3、程序控制系统、程序控制系统 特征：输入信号为预知的随时间变化函数特征：输入信号为预知的随时间变化函数 典型系统：热处理炉控制系统、程序控制机床、灌装生产线、典型系统：热处理炉控制系统、程序控制机床、灌装生产线、自动

16、生产流水线。自动生产流水线。1.2.3 按使用的数学方法分类按使用的数学方法分类连续系统连续系统/离散系统离散系统 连续系统连续系统 系统传递的信号为时间的连续函数，用系统传递的信号为时间的连续函数，用微分方程描述。微分方程描述。 离散系统离散系统 信号传递中至少有一处信号是脉冲序列信号传递中至少有一处信号是脉冲序列或数字编码。用差分方程描述。或数字编码。用差分方程描述。线性系统线性系统/非线性系统非线性系统 线性系统线性系统 用线性微分方程或差分方程描述，满足叠加用线性微分方程或差分方程描述，满足叠加原理原理。叠加原理包括叠加性和齐次性。叠加原理包括叠加性和齐次性。非线性系统非线性系统 用非

17、线性微分方程或差分方程描述。特点是，用非线性微分方程或差分方程描述。特点是，方程中含有变量及其导数的高次幂或乘积项，不方程中含有变量及其导数的高次幂或乘积项，不满足叠加原理。满足叠加原理。（第七章介绍）例如例如0212yyyy 02yyy 定常系统定常系统/时变系统时变系统 定常系统：定常系统： 描述系统的数学方程中的系数为常数；描述系统的数学方程中的系数为常数； 定常系统结构和参数不随时间变化。定常系统结构和参数不随时间变化。 时变系统时变系统: 描述系统的数学方程中的系数随时间描述系统的数学方程中的系数随时间变化。变化。单输入单输出系统单输入单输出系统 输入输出信号变量仅有一个。输入输出信

18、号变量仅有一个。多输入多输出系统多输入多输出系统 输入输出信号变量多于一个。输入输出信号变量多于一个。集中参数集中参数/ /和分布参数和分布参数集中参数系统集中参数系统能用常微分方程描述的系统。能用常微分方程描述的系统。分布参数系统分布参数系统至少有一个环节需要用偏微分方程至少有一个环节需要用偏微分方程 描述的系统。描述的系统。单输入单输出单输入单输出/ /多输入多输出系统多输入多输出系统1.3对自动控制系统的基本要求对自动控制系统的基本要求1. 稳：稳：（基本要求）（基本要求） 要求系统稳定要求系统稳定 2. 准：准：（稳态要求）（稳态要求） 系统响应达到稳态时，系统响应达到稳态时， 输出跟

19、输出跟 踪精度要高踪精度要高 3. 快：快：（动态要求）（动态要求） 系统阶跃响应的过渡过程要平稳，系统阶跃响应的过渡过程要平稳， 快速快速稳定性：稳定性： 系统受到干扰后偏离原来的工作状系统受到干扰后偏离原来的工作状态，扰动消失后，态，扰动消失后， 能自动回到原工作状能自动回到原工作状态，这样的系统是稳定的。反之，当干态，这样的系统是稳定的。反之，当干扰消除后，系统的输出趋于无穷或进入扰消除后，系统的输出趋于无穷或进入振荡状态，则称系统是不稳定的。稳定振荡状态，则称系统是不稳定的。稳定性是保证系统能正常工作的前提。性是保证系统能正常工作的前提。动态性能动态性能 指系统过渡过程的快速性和振荡性。由于指系统过渡过程的快速性和振荡性。由于控制系统的惯性，系统的输出跟随输入的变