L1自动控制原理（谷风课堂）

1、自动控制原理自动控制原理Automatic Control绪论绪论1深思虑教材及参考书教材及参考书l教材教材l自动控制原理自动控制原理(第第3版版)，刘文定、谢克明编，刘文定、谢克明编， 电子工业出版社电子工业出版社 l参考书参考书lAutomatic Control Systems Benjamin C.Kuo，高等教育出版社高等教育出版社l自动控制原理自动控制原理，李素玲编，西安电子科技大学，李素玲编，西安电子科技大学出版社出版社l自动控制理论自动控制理论，夏德矜编，夏德矜编， 机械工业出版社机械工业出版社2深思虑概述概述l自动化（自动化（Automation 或或 Automatizat

2、ion ）l自动控制自动控制l在脱离人的直接干预，利用控制装置（简称控制器）在脱离人的直接干预，利用控制装置（简称控制器）使被控对象（或生产过程等）的某一物理量（如温使被控对象（或生产过程等）的某一物理量（如温度、压力、度、压力、PH值等）准确地按照预期的规律运行。值等）准确地按照预期的规律运行。l自动控制系统自动控制系统 l实现上述控制目的，由相互制约的各部分按一定规实现上述控制目的，由相互制约的各部分按一定规律组成的具有特定功能的整体。律组成的具有特定功能的整体。3深思虑控制理论的发展控制理论的发展l原始控制设备原始控制设备l没有理论指导没有理论指导l经典控制理论经典控制理论l单输入单输入

3、(SI)l现代控制理论现代控制理论l多输入输出（多输入输出（MIMO）l大系统理论大系统理论/复杂系统理论复杂系统理论l智能控制理论智能控制理论4深思虑控制理论的发展控制理论的发展l经典控制理论经典控制理论 l研究的主要对象是单输入、单输出研究的主要对象是单输入、单输出单变量系统。单变量系统。如：调节电压改变电机的速度；调整方向盘改变汽如：调节电压改变电机的速度；调整方向盘改变汽车的运动轨迹等。车的运动轨迹等。l现代控制理论现代控制理论 l研究的主要对象是多输入、多输出研究的主要对象是多输入、多输出多变量系统。多变量系统。如，汽车看成是一个具有两个输入（驾驶盘和加速如，汽车看成是一个具有两个输

4、入（驾驶盘和加速踏板）和两个输出（方向和速度）的控制系统。计踏板）和两个输出（方向和速度）的控制系统。计算机科学地发展，极大地促进了控制科学地发展。算机科学地发展，极大地促进了控制科学地发展。5深思虑经典控制理论经典控制理论现代控制理论现代控制理论研究对象研究对象线性定常系统（单输入、单输出）线性、非线性、定常、时变系统（多输入、多输出）描述方法描述方法传递函数（输入、输出描述）向量空间（状态空间描述）研究方法研究方法根轨迹法和频率法状态空间法研究目标研究目标系统分析及给定输入、输出情况下的系统综合揭示系统的内在规律，实现在一定意义下的最优控制与设计6深思虑输入输出控制系统l控制系统的组成：控

5、制系统的组成：输入部分、控制系统部分和输出部输入部分、控制系统部分和输出部分。分。l从物理角度上看，自动控制研究的是特定激励作用下从物理角度上看，自动控制研究的是特定激励作用下的系统响应变化情况；的系统响应变化情况；l从数学角度上看，研究的是输入与输出之间的映射关从数学角度上看，研究的是输入与输出之间的映射关系。系。控制系统的基本组成控制系统的基本组成7深思虑自动控制系统的分类自动控制系统的分类l按信号流向分类按信号流向分类l开环控制系统开环控制系统l特点：系统的输出端与输入端不存在反馈回路，特点：系统的输出端与输入端不存在反馈回路，输出量对系统的控制作用不发生影响的系统。输出量对系统的控制作

6、用不发生影响的系统。图纸程序指令（步进电机）微型计算机放大器执行机构工作机床切削刀具8深思虑自动控制系统的分类自动控制系统的分类l闭环控制系统（闭环控制系统（反馈控制系统反馈控制系统）l特点：系统输出信号与测量元件之间存在反馈回特点：系统输出信号与测量元件之间存在反馈回路。路。 “闭环闭环”这个术语的含义，就是将输出信号这个术语的含义，就是将输出信号通过测量元件反馈到系统的输入端，通过比较、通过测量元件反馈到系统的输入端，通过比较、控制来减小系统误差。控制来减小系统误差。位移微型计算机放大器执行机构工作机床切削刀具反馈测量元件图纸9深思虑自动控制系统的分类自动控制系统的分类l按输入信号分类按输

7、入信号分类l恒值控制系统（或称自动调节系统）恒值控制系统（或称自动调节系统）l特点：输入信号是一个恒定的数值。工业生产中的恒温、特点：输入信号是一个恒定的数值。工业生产中的恒温、恒压等自动控制系统都属于这一类型。恒压等自动控制系统都属于这一类型。 l恒值控制系统可看成输入等于常值的过程控制系统。恒值控制系统可看成输入等于常值的过程控制系统。l过程控制系统（或称程序控制系统）过程控制系统（或称程序控制系统）l特点：输入信号是一个已知的函数。系统的控制过程按预特点：输入信号是一个已知的函数。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输入，如化定的程序进行，要求被控量能迅速准确地复现

8、输入，如化工中的压力、温度、流量控制、数控机床等。工中的压力、温度、流量控制、数控机床等。10深思虑l随动系统（或称跟踪系统）随动系统（或称跟踪系统）l特点：输入信号是一个未知变量。要求控制系统的输出特点：输入信号是一个未知变量。要求控制系统的输出量能平稳地跟踪和复现输入信号变化。量能平稳地跟踪和复现输入信号变化。l如：火炮自动跟踪系统。如：火炮自动跟踪系统。 l该系统要求有较好的跟踪能力。该系统要求有较好的跟踪能力。 11深思虑自动控制系统的分类自动控制系统的分类l按输入信号数字特征来分类按输入信号数字特征来分类l连续系统连续系统l特点：系统各部分信号都是模拟的连续函数。目前特点：系统各部分

9、信号都是模拟的连续函数。目前工业中普遍采用的常规仪表工业中普遍采用的常规仪表PID调节器控制的系统。调节器控制的系统。l离散系统离散系统l特点：系统的某一处或几处信号以脉冲序列或数码特点：系统的某一处或几处信号以脉冲序列或数码形式传递的控制系统。系统中用脉冲开关或采样开形式传递的控制系统。系统中用脉冲开关或采样开关，将连续信号转变为离散信号。其中离散信号以关，将连续信号转变为离散信号。其中离散信号以脉冲形式传递的系统又叫脉冲控制系统，离散信号脉冲形式传递的系统又叫脉冲控制系统，离散信号以数码形式传递的系统又叫数字控制系统。以数码形式传递的系统又叫数字控制系统。12深思虑输入输出采样开关+_(

10、)e t( )e t保持器被控过程输入输出+_A DD A计算机放大器执行器被控对象反馈装置13深思虑自动控制系统的分类自动控制系统的分类l按数学模型分类按数学模型分类l线性系统线性系统l特点：系统由线性元件构成，描述运动规律的数学特点：系统由线性元件构成，描述运动规律的数学模型为线性微分方程。运动方程一般形式：模型为线性微分方程。运动方程一般形式： l式中：式中：r(t)系统输入量；系统输入量； c(t)系统输出量系统输出量l主要特点是具有叠加性和齐次性。主要特点是具有叠加性和齐次性。c(t)adtdc(t)adtc(t)dadtc(t)da011 -n1 -n1 -nnnnr(t)bdtd

11、r(t)bdtr(t)dbdtr(t)db011 -m1 -m1 -mmmm14深思虑l非线性系统非线性系统l特点：在构成系统的环节中有一个或一个以上的非特点：在构成系统的环节中有一个或一个以上的非线性环节。线性环节。l非线性的理论研究远不如线性系统那么完整，目前非线性的理论研究远不如线性系统那么完整，目前尚无通用的方法可以解决各类非线性系统。尚无通用的方法可以解决各类非线性系统。l近似处理。近似处理。15深思虑自动控制系统的分类自动控制系统的分类l其他分类方式其他分类方式l按系统数学模型参数特性分：定常系统和时变系统按系统数学模型参数特性分：定常系统和时变系统l按功能分：温度控制系统、速度控

12、制系统、位置控按功能分：温度控制系统、速度控制系统、位置控制系统等。制系统等。l按元件组成分：机电系统、液压系统、生物系统等。按元件组成分：机电系统、液压系统、生物系统等。16深思虑一般的形式 输入信号系统控制目标的反映，是人的意志的具体体现控制系统主要完成对有关信号的变换、处理，发出控制 量，驱动执行机构完成控制功能输出信号系统的控制结果，反映了被控对象的运行状态输入信号输出信号放大比较执行被控对象测量反馈控制系统的基本组成反馈控制系统的基本组成17深思虑一般组成： l被控对象系统所控制和操纵的对象，输出被控量l控制器接收变换和放大后的偏差信号，转化为被控制对象操作信号l放大变换环节将偏差信

13、号变换为适合控制器执行的信号l校正装置为改善系统动态和静态特性而附加的装置l反馈环节测量变送环节l给定环节产生输入控制信号的装置反馈控制系统的基本组成反馈控制系统的基本组成18深思虑控制系统性能的基本要求控制系统性能的基本要求l稳定性（稳）稳定性（稳）l能工作（即达到稳态），并在有一定的环境和参数能工作（即达到稳态），并在有一定的环境和参数变化时，还能有稳定变化时，还能有稳定“裕量裕量”l稳态精度（准）稳态精度（准）l系统进入稳态时，稳态值与预期的差别越小越好系统进入稳态时，稳态值与预期的差别越小越好l动态过程（好动态过程（好/快）快）l在输入信号到到达稳态的变化全过程，包括离预期在输入信号到到达稳态的变化全过程，包括离预期值的振荡和过渡时间。反例：高射炮射角随动系统，值的振荡和过渡时间。反例：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，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，仍然抓不住目标而炮身行动迟缓，仍然抓不住目标19深思虑课程主要任务课程主要任务l分析和设计反馈自动控制系统