自控B第一章引言

1、1自动控制原理自动控制原理 授课教师：贾蓉授课教师：贾蓉 联系方式：联系方式： 电话电话: 659569 2 本课程安排：总学时： 64 h 课堂学时： 56h 实验学时： 8h 本课程考核：考试课平时加实验成绩30%考试成绩70%3n控制系统的基本概念控制系统的基本概念 n控制过程及性能要求；控制过程及性能要求；第一章 概述 4控制的任务可概括为：使被控对象的被控量等于给定值。控制的任务可概括为：使被控对象的被控量等于给定值。 第一节第一节 自动控制与自动控制系统自动控制与自动控制系统是指要求实现自动控制的机器、设备或生产过程。是指要求实现自动控制的机器、设备或生产过程。又称调节器、控制装置

2、，由控制元件组成，它接又称调节器、控制装置，由控制元件组成，它接受指令信号，输出控制作用信号于被控对象。受指令信号，输出控制作用信号于被控对象。表征被控对象工作状态的物理参量表征被控对象工作状态的物理参量(或状态参量或状态参量)，如转速、压，如转速、压力、温度、电压、位移等。力、温度、电压、位移等。 对这些物理参量的要求值称为对这些物理参量的要求值称为给定值或希望值给定值或希望值（或参考输入）（或参考输入）控制器控制器给定值给定值 检测元件检测元件 受控对象受控对象被控量被控量5下面通过具体例子来说明自动控制和自动控制系统的概念下面通过具体例子来说明自动控制和自动控制系统的概念控制器控制器气动

3、阀门气动阀门流入流入Q1Q1浮子浮子水箱水箱流出流出 Q2Q2H H水位自动控制系统水位自动控制系统控制任务：控制任务：维持水箱内水位恒定；维持水箱内水位恒定；受控对象：受控对象：水箱、供水系统；水箱、供水系统；被控量：被控量：水箱内水位的高度；水箱内水位的高度；自动控制自动控制6 7在上图中，除被控对象外的其余部分统称为控制装置，具备以下三种职能部件。u测量元件：用以测量被控量或干扰量。u比较元件：将被控量与给定值进行比较。u执行元件：根据比较后的偏差，产生执行作用，去操纵被控对象参与控制的信号来自三条通道，即给定值、干扰量、被控量。8给定值：给定值：控制器刻度盘指针标定控制器刻度盘指针标定

4、的预定水位高度；的预定水位高度；测量装置：测量装置：浮子；浮子；比较装置：比较装置：控制器刻度盘；控制器刻度盘；干扰：干扰：水的流出量和流入量的水的流出量和流入量的变化都将破坏水位保持变化都将破坏水位保持恒定；恒定；9结论：结论：10自动控制的基本方式被控量被控量H比较比较执行执行测量测量被控对象被控对象干扰干扰测量测量给定值给定值H自动控制方框图11n开环控制开环控制n按给定值操纵的开环控制；按给定值操纵的开环控制；n按干扰补偿的开环控制；按干扰补偿的开环控制；n按偏差调节的闭环控制按偏差调节的闭环控制下面根据不同的信号源分析自动控制的几种基本控制方式下面根据不同的信号源分析自动控制的几种基

5、本控制方式12一、按给定值操纵的开环控制一、按给定值操纵的开环控制计算计算执行执行受控对象受控对象给定值给定值干扰干扰被控量被控量按给定值操纵的系统原理方块图按给定值操纵的系统原理方块图13炉温控制系统炉温控制系统原理方框图14按给定值操纵的开环控制按给定值操纵的开环控制特点：特点：控制装置只接受给定值来控制控制装置只接受给定值来控制受控对象的被控量。受控对象的被控量。优点：控制系统结构简单，相对来优点：控制系统结构简单，相对来说成本低。说成本低。缺点：缺点：对可能出现的被控量偏离给定值的偏差没有任何修正能力，抗干扰能力差，控制精度不高。15二、按干扰补偿的开环控制定义：利用干扰信号产生控制作

6、用，以定义：利用干扰信号产生控制作用，以及时补偿干扰对被控量的直接影响。及时补偿干扰对被控量的直接影响。计算计算测量测量受控对象受控对象执行执行干扰干扰被控量被控量特点特点：只能对可测干扰进行补偿，不可测干扰以及受控对象、：只能对可测干扰进行补偿，不可测干扰以及受控对象、各功能部件内部参数变化对被控量的影响，系统自身无法控各功能部件内部参数变化对被控量的影响，系统自身无法控制。制。适用于：存在强干扰且变化比较剧烈的场合。适用于：存在强干扰且变化比较剧烈的场合。16水位高度控制系统原理图水位高度控制系统原理方框图17三、按偏差调节的闭环控制特点：通过计算被控量和给定值的差值来控制被控对象。特点：

7、通过计算被控量和给定值的差值来控制被控对象。优点：可以自动调节由于干扰和内部参数的变化优点：可以自动调节由于干扰和内部参数的变化 而引起的变动。而引起的变动。计算比较计算比较给定值给定值E执行执行被控对象被控对象干扰干扰被控量被控量测量测量按偏差调节的系统原理方块图按偏差调节的系统原理方块图18上图中，反馈回来的信号与给定值相减，即上图中，反馈回来的信号与给定值相减，即根据偏差进行控制，称为负反馈，反之称为根据偏差进行控制，称为负反馈，反之称为正反馈。正反馈。这种控制方式控制精度较高，因为无论是干这种控制方式控制精度较高，因为无论是干扰的作用，还是系统结构参数的变化，只要扰的作用，还是系统结构

8、参数的变化，只要被控量偏离给定值，系统就会自行纠偏。但被控量偏离给定值，系统就会自行纠偏。但是如果参数匹配得不好，会造成被控量的较是如果参数匹配得不好，会造成被控量的较大摆动，甚至系统无法正常工作。大摆动，甚至系统无法正常工作。19烘烘炉炉温温度度控控制制系系统统20 函函数数记记录录仪仪原原理理 21四、复合控制复合控制就是开环控制和闭环控制相结合的一种控制。是在闭环控制回路复合控制就是开环控制和闭环控制相结合的一种控制。是在闭环控制回路的基础上，附加了一个输入信号或扰动作用的顺馈通路，来提高系统的控的基础上，附加了一个输入信号或扰动作用的顺馈通路，来提高系统的控制精度。制精度。控制装置被控

9、对象 CR补偿装置a.按输入作用补偿b.按扰动作用补偿n控制装置被控对象 CR补偿装置22第二节自动控制系统的分类第二节自动控制系统的分类一、线性系统和非线性系统一、线性系统和非线性系统 自动控制系统的分类方法较多，常自动控制系统的分类方法较多，常见的有以下几种见的有以下几种 由线性微分方程或线性差分方程所由线性微分方程或线性差分方程所描述的系统称为线性系统；由非线性方描述的系统称为线性系统；由非线性方程所描述的系统称为非线性系统。程所描述的系统称为非线性系统。23二、定常系统和时变系统二、定常系统和时变系统定常系统定常系统: 若系统微分方程的系数为常数，则若系统微分方程的系数为常数，则称之为

10、线性定常系统。此类系统为本书称之为线性定常系统。此类系统为本书主要讨论对象。主要讨论对象。 系统数学模型微分方程的系数不是系统数学模型微分方程的系数不是时间变量的函数。时间变量的函数。否则称为时变系统。否则称为时变系统。24三、连续系统和离散系统三、连续系统和离散系统连续系统：连续系统： 系统中各部分的信号都是时间的连续系统中各部分的信号都是时间的连续函数即模拟量。函数即模拟量。离散系统：离散系统： 系统中有一处或多处信号为时间的系统中有一处或多处信号为时间的离散函数，如脉冲或数码信号。离散函数，如脉冲或数码信号。 若系统中既有模拟量也有离散信号，若系统中既有模拟量也有离散信号，则又可称之为采

11、样系统。则又可称之为采样系统。25四、恒值系统、随动系统和四、恒值系统、随动系统和 程序控制系统程序控制系统 系统的给定值为一定值，而控制任系统的给定值为一定值，而控制任务就是克服扰动，使被控量保持恒值。务就是克服扰动，使被控量保持恒值。 例如：电机速度控制、恒温、恒压、例如：电机速度控制、恒温、恒压、 水位控制系统等。水位控制系统等。 恒值系统：恒值系统： 26随动系统：随动系统： 系统给定值按照事先不知道的时系统给定值按照事先不知道的时间函数变化，并要求被控量跟随给定间函数变化，并要求被控量跟随给定值变化。值变化。程序控制系统：程序控制系统： 系统的给定值按照一定的时间函系统的给定值按照一

12、定的时间函数变化，并要求被控量随之变化。数变化，并要求被控量随之变化。27 28第三节对控制系统的性能要求n定义：通常将系统受到给定值或干扰信号作用后，定义：通常将系统受到给定值或干扰信号作用后， 控制被控量变化的全过程称为系统的动态过程。控制被控量变化的全过程称为系统的动态过程。工程上常从稳、快、准三个方面来评价控制系统。工程上常从稳、快、准三个方面来评价控制系统。 稳稳 指动态过程的平稳性指动态过程的平稳性 快快 指动态过程的快速性指动态过程的快速性 准准 指动态过程的最终精度指动态过程的最终精度29稳稳 指动态过程的平稳性指动态过程的平稳性控制系统动态过程曲线如上图，系统在外作用作用下，

13、输出逐渐与期望值一致，则系统稳定的，如曲线所示；反之，输出如曲线所示，则系统是不稳定的。30快快 指动态过程的快速性指动态过程的快速性快速性即动态过程进行的时间的长短。过程时间越短，说明系统快速性越好，反之说明系统响应迟钝。如曲线所示。稳和快反映了系统过渡过程的性能的好坏。既快又稳，表明系稳和快反映了系统过渡过程的性能的好坏。既快又稳，表明系统的动态精度高；统的动态精度高；31准准 是指系统在动态过程结束后，其被控量（或反馈量）是指系统在动态过程结束后，其被控量（或反馈量）对给定值的偏差而言，这一偏差称为稳态误差，是衡量稳态对给定值的偏差而言，这一偏差称为稳态误差，是衡量稳态精度的指标，反映了

14、系统后期稳态的性能。精度的指标，反映了系统后期稳态的性能。以上分析的稳、快、准三方面的性能指标由于被控对象的具以上分析的稳、快、准三方面的性能指标由于被控对象的具体情况不同，各系统要求有所侧重。而且同一个系统的稳、体情况不同，各系统要求有所侧重。而且同一个系统的稳、快、准的要求是相互制约的。快、准的要求是相互制约的。32 自动控制理论研究的是如何按受控对自动控制理论研究的是如何按受控对象和环境特征，通过能动地采集和运用信象和环境特征，通过能动地采集和运用信息，施加控制作用使系统在不确定的条件息，施加控制作用使系统在不确定的条件下正常运行并具有预定功能。它是研究自下正常运行并具有预定功能。它是研

15、究自动控制共同规律的技术科学，其主要内容动控制共同规律的技术科学，其主要内容涉及受控对象、环境特征、控制目标和控涉及受控对象、环境特征、控制目标和控制手段以及它们之间的相互作用。制手段以及它们之间的相互作用。第四节第四节 自动控制理论发展简述自动控制理论发展简述33 具有具有“自动自动”功能的装置自古有之，瓦特发功能的装置自古有之，瓦特发明的蒸汽机上的离心调速器是比较自觉地运用反明的蒸汽机上的离心调速器是比较自觉地运用反馈原理进行设计并取得成功的首例。馈原理进行设计并取得成功的首例。第四节第四节 自动控制理论发展简述自动控制理论发展简述转速高转速高减小阀门开度减小阀门开度蒸汽量减小蒸汽量减小减

16、速减速蒸汽阀门蒸汽阀门发动机转速发动机转速34从从20世纪世纪20年代到年代到40年代形成了以时域法，频率法和根轨迹年代形成了以时域法，频率法和根轨迹法为支柱的法为支柱的“古典古典”控制理论。控制理论。35 n燃料问题燃料问题n多步骤多步骤,每步安排每步安排n输入输入 输出输出 中间状态中间状态n航天飞机的着陆航天飞机的着陆n所有的状态都能控到希望值所有的状态都能控到希望值?n对于实际不测量的状态对于实际不测量的状态,可否通过输出数据可否通过输出数据的检测来观测的检测来观测n如何从干扰中提取信号如何从干扰中提取信号 60年代以来，随着计算机技术的发展和航天等高科技的年代以来，随着计算机技术的发

17、展和航天等高科技的推动，又产生了基于状态空间模型的所谓推动，又产生了基于状态空间模型的所谓“现代现代”控制理论。控制理论。36第四节第四节 自动控制理论发展简述自动控制理论发展简述 当对象或环境特性变化时，为了使系统当对象或环境特性变化时，为了使系统能自行调节，以跟踪这种变化并保持良好的能自行调节，以跟踪这种变化并保持良好的品质，又出现了自适应控制。品质，又出现了自适应控制。真正优良的设计必须允许模型的结构和参数真正优良的设计必须允许模型的结构和参数不精确并可能在一定范围内变化，即具有鲁棒不精确并可能在一定范围内变化，即具有鲁棒性。这是当前的重要前沿课题之一。性。这是当前的重要前沿课题之一。 随着自动化技术的发展，人们力求使设计随着自动化技术的发展，人们力求使设计的控制系统达到最优的性能指标，为了使系统在的控制系统达到最优的性能指标，为了使系统在一定的约束条件下，其某项性能指标达到最优而一定的约束条件下，其某项性能指标达到最优而实行的控制称为最优控制。实行的控制称为最优控制