第一章 自动控制原理自动控制的一般概念

1、自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 自动控制理论的一般概念自动控制理论的一般概念 第二章第二章 控制系统的数学模型控制系统的数学模型 第三章第三章 控制系统的时域分析法控制系统的时域分析法 第四章第四章 根轨迹法根轨迹法 第五章第五章 频率法频率法 第六章第六章 控制系统的校正控制系统的校正 第七章第七章 线性离散系统的分析与校正线性离散系统的分析与校正 第八章第八章 非线性系统的分析非线性系统的分析 第九章第九章 线性系统的状态空间分析与综合线性系统的状态空间分析与综合 第十章第十章 动态系统的最优控制方法动态系统的最优控制方法图1-1 人工操作的恒水位控制系统进水要求水位实际水位进水阀

2、出水阀水箱出水人工控制 图11所示是人工操作保持水位恒定的控制系统。 出水阀门的开度由下道生产工序的用水量大小来确定，这是一个随机过程。若要保持水位高度不变，就得根据用水量大小依靠人工操作不断地调节进水阀门的开度。 通过人工操作实现控制过程，我们称为人工控制。人工控制原则 在图11所示系统中，人工控制的过程是通过目视测量实际水位，再与所要求水位比较，根据要求水位和实际水位之间的误差去调节进水阀门的开度。其控制目的是尽量减小这个误差，以使水箱中的水位尽可能地保持在要求水位上。 为实现上述目的，人工控制的原则是按减小误差的方向来调节阀门的开度。自动控制 现在我们用一种装置完全代替图11所示系统中人

3、工操作的全部职能，则这个系统就可以不用人工操作而成为自动控制系统。 如图12所示是水箱水位自动控制系统的简化形式。图中用浮子代替人的眼睛，用于测量水位高低；用一套杠杆机构代替人的大脑和手，作为计算误差和执行阀门调节的装置。图12 简单的水位自动控制系统进水要求水位实际水位进水阀出水阀水箱出水连杆浮子系统的控制过程 杠杆一端和浮子链接，另一端则链接进水阀门，当用水量增大时，水位开始下降，浮子也随之降低，通过杠杆的作用，进水阀门往上提，其开度变大，水箱进水量增加，则水位回升至要求水位。反之，若用水量减少，水位上升，则浮子升高，进水阀门的开度变小，水箱进水量减少，水位则回升至要求水位。 整个过程在无

4、人工参与下自动进行。 17651765年，瓦特发明蒸汽机，用离心式调速器控制年，瓦特发明蒸汽机，用离心式调速器控制蒸气机蒸气机 19481948年，维纳年，维纳控制论或关于在动物和机器中控制论或关于在动物和机器中控制和通信的科学控制和通信的科学产生产生 40406060年代年代 经典控制理论（频域法为主）经典控制理论（频域法为主） 60607070年代年代 现代控制理论（时域法为主现代控制理论（时域法为主) ) 7070年代以后年代以后 大系统控制理论大系统控制理论自动控制：自动控制： 在没有人直接参与的情况下，采用在没有人直接参与的情况下，采用控制装置或机械使被控制对象达到预期控制装置或机械

5、使被控制对象达到预期的目标的目标 。发展简史：发展简史：自动控制研究的内容：自动控制研究的内容：研究对象研究对象数学工具数学工具 分析方法分析方法局限性局限性经典经典控制控制理论理论单单I/OI/O线性定常线性定常系统系统微分方程，微分方程，传递函数传递函数时域法时域法频域法频域法根轨迹法根轨迹法对复杂多变对复杂多变量系统、时量系统、时变和非线性变和非线性系统无能为系统无能为力力现代现代控制控制理论理论多输入多输入- -多多输出变系输出变系数，非线数，非线性等系统性等系统线性代数、线性代数、矩阵理论矩阵理论状态状态空间法空间法比较繁琐比较繁琐（但由于计（但由于计算机技术的算机技术的 迅速发展，

6、迅速发展，已克服已克服) ) 控制装置与被控对象之间只有顺向作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。用而没有反向联系的控制。温度计温度计 加热电阻丝加热电阻丝u220Vk炉温开环控制系统炉温开环控制系统开关闭合后，不同开关闭合后，不同的输入电压的输入电压u u对应于对应于不同的温度不同的温度t t。给定给定值值输出量输出量控制器控制器扰动扰动输出量输出量 受控对象受控对象控制装置控制装置(电源电源 )输入量输入量(温度温度)扰动量扰动量开关开关电炉恒电炉恒温箱温箱加热电加热电阻丝阻丝炉温开环控制系统方框图炉温开环控制系统方框图 被控制被控制对象对象控制方式控制方式： 按给定值

7、操纵。信号由给定值至输出量单向传按给定值操纵。信号由给定值至输出量单向传递。一定的给定值对应一定的输出量。系统的控制递。一定的给定值对应一定的输出量。系统的控制精度取决于系统事先的调整精度。对于工作过程中精度取决于系统事先的调整精度。对于工作过程中受到的扰动或特性参数的变化无法自动补偿。结构受到的扰动或特性参数的变化无法自动补偿。结构简单，成本低廉，多用于系统结构参数稳定和扰动简单，成本低廉，多用于系统结构参数稳定和扰动信号较弱的场合信号较弱的场合. .开环控制系统特点：开环控制系统特点： 信号从输入到输出无反馈信号从输入到输出无反馈, ,单向传递单向传递. . 结构简单结构简单. . 控制精

8、度不高控制精度不高, ,无法抑制扰动无法抑制扰动. .反馈控制任务：控制任务：保持工作机械恒速运行保持工作机械恒速运行. .控制过程：控制过程：fanuuun 典型闭环系统方框图典型闭环系统方框图特点特点: 输出影响输入，所以能削弱或抑制干输出影响输入，所以能削弱或抑制干扰；低精度元件可组成高精度系统；因为扰；低精度元件可组成高精度系统；因为可能发生超调，振荡，所以稳定性很重要可能发生超调，振荡，所以稳定性很重要 主主 反反 馈馈 与输出成正比或某种函数关系，但量纲与与输出成正比或某种函数关系，但量纲与 给定信号相同；给定信号相同；偏偏 差差 给定信号与主反馈信号之差的信号；给定信号与主反馈信

9、号之差的信号；控制单元控制单元 接受偏差信号，通过转换与运算，产生期接受偏差信号，通过转换与运算，产生期 望的控制量；望的控制量；扰扰 动动 对系统输出产生不利影响的信号；对系统输出产生不利影响的信号；反馈环节反馈环节 检测输出信号并转换与给定输入信号相同检测输出信号并转换与给定输入信号相同 量纲的信号量纲的信号。输出量输出量环节名称环节名称（或特性）（或特性）输入量输入量(a) (- -)(b)re=r-b b(c)c引出点引出点cc 扰动扰动被控量被控量偏差偏差信号信号 (- -) 参考参考 输入信号输入信号r(t) 调节器调节器(或控制器或控制器)u(t)受控系统受控系统e(t) c(t

10、)反馈信号反馈信号 控制量控制量 给定给定 控制控制 环节环节 放大放大 元件元件 执行执行 机构机构 受控受控 对象对象 反馈装置反馈装置 (测量元件测量元件) 它是把按偏差控制与按扰动控制结合起来，它是把按偏差控制与按扰动控制结合起来，对于主要扰动采用适当的补偿装置实现按扰动控对于主要扰动采用适当的补偿装置实现按扰动控制，同时再组成反馈控制系统实现按偏差控制，制，同时再组成反馈控制系统实现按偏差控制，以消除其余扰动产生的偏差。以消除其余扰动产生的偏差。 也称镇定系统。输出量以一定的精度等于也称镇定系统。输出量以一定的精度等于给定值，而给定值一般不变化或变化很缓慢，给定值，而给定值一般不变化

11、或变化很缓慢，扰动可随时变化的系统称为恒值系统，在生产扰动可随时变化的系统称为恒值系统，在生产过程中，这类系统非常多。例如，冶金部门的过程中，这类系统非常多。例如，冶金部门的恒温系统，石油部门的恒压系统等。恒温系统，石油部门的恒压系统等。恒值系统：恒值系统： 系统通过间隙传感器实时测量出密封间隙值并系统通过间隙传感器实时测量出密封间隙值并送入计算机，与设定值比较后，发出控制指令至电送入计算机，与设定值比较后，发出控制指令至电动机提升机构，调整密封板的位置，达到维持密封动机提升机构，调整密封板的位置，达到维持密封间隙值恒定的目的。间隙值恒定的目的。 输出量能以一定精度跟随给定值输出量能以一定精度

12、跟随给定值变化的系统称随动系统，又称为跟踪变化的系统称随动系统，又称为跟踪系统。系统。这类系统的特点是系统的给定这类系统的特点是系统的给定值变化规律完全取决于事先不能确定值变化规律完全取决于事先不能确定的时间函数。例如，火炮系统，卫星的时间函数。例如，火炮系统，卫星控制系统等。控制系统等。随动系统：随动系统：控制任务：控制任务：要求工作机械能够跟随指令机构同要求工作机械能够跟随指令机构同步转动步转动, ,即要使工作机械的角位置跟随给定指即要使工作机械的角位置跟随给定指令转角，亦即使：令转角，亦即使：oi 首先确定以下基本问题：首先确定以下基本问题：（1 1）受控对象）受控对象: : 工作机械；

13、工作机械；（2 2）被）被 控控 量量: : 角位置；角位置；（3 3）给定值）给定值: : 指令转角；指令转角；（4 4）测量元件）测量元件: : 通过两个相同的电位计测量转角，并转换通过两个相同的电位计测量转角，并转换为相应的电压；为相应的电压；（5 5）计算比较）计算比较: : 两个测量电位计的桥式连接，即完成了减两个测量电位计的桥式连接，即完成了减法运算，两电刷之间的电压代表了被控量对给定量的误差；法运算，两电刷之间的电压代表了被控量对给定量的误差；（6 6）执行机械）执行机械: : 电机减速装置。电机减速装置。系统的工作原理：系统的工作原理： 如果工作机械转角等于指令转角，则经如果工

14、作机械转角等于指令转角，则经事先整定，事先整定，即电机不动，系统处于平衡状态。当指令转角改变，随之即电机不动，系统处于平衡状态。当指令转角改变，随之改变，而工作机械仍处于原位，则从而使电动机拖动工作改变，而工作机械仍处于原位，则从而使电动机拖动工作机械朝所要求的方向快速偏转，直至电机停转，此时系统机械朝所要求的方向快速偏转，直至电机停转，此时系统在新的位置上处于与指令同步的平衡工作状态，即完成了在新的位置上处于与指令同步的平衡工作状态，即完成了跟随的任务。跟随的任务。 自动控制系统的被控制量如果是根自动控制系统的被控制量如果是根据预先编好的程序进行控制的系统称程据预先编好的程序进行控制的系统称

15、程序控制系统。序控制系统。例如，炼钢炉中的微机控例如，炼钢炉中的微机控制系统，洲际弹道导弹的程序控制系统制系统，洲际弹道导弹的程序控制系统等。等。程序控制系统：程序控制系统：稳定性稳定性 1 .对恒值系统，要求当系统受到扰动后，经过一定时间的调对恒值系统，要求当系统受到扰动后，经过一定时间的调整能够回到原来的期望值。整能够回到原来的期望值。 2 .对随动系统，被控制量始终跟踪参据量的变化。对随动系统，被控制量始终跟踪参据量的变化。快速性快速性对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称为动态性能。对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称为动态性能。 稳定高射炮射角随动系统，虽然炮身最终能跟踪目标，但如稳定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，而炮身行动迟缓，仍然抓不住目标。果目标变动迅速，而炮身行动迟缓，仍然抓不住目标。准确性准确性用稳态误差来表示。用稳态误差来表示。 在参考输入信号作用下，当系统达到稳态后，其稳态输出与在参考输入信号作用下，当系统达到稳态后，其稳态输出与参考输入所要求的期望输出之差叫做给定稳态误差。显然，这参考输入所要求的期望输出之差叫做给定稳态误差。显然，这种误差越小，表示系统的输出跟随参考输入的精度越高。种误差越小，表示系统的输出跟随参考输入的精度越高。. .稳定性：稳定性：是保证控制系统正