第一章自动控制系统的一般概念

1、电气工程与自动化学院电气工程与自动化学院Telor 87528027 QQ: :286790921l 内容丰富内容丰富l 知识点明确知识点明确l 需要记忆的公式少需要记忆的公式少l 提高课堂效率提高课堂效率l 作业独立完成作业独立完成l 问题不积累问题不积累 一、自动控制技术及其应用一、自动控制技术及其应用 几个基本概念几个基本概念l 掌握住对象，不使其任意活动或超出范围，或使掌握住对象，不使其任意活动或超出范围，或使其按照控制者的意愿活动。其按照控制者的意愿活动。l 在没有人在没有人参与的条件下，利用参与的条件下，利用使使按照预定的技术要求进行工作。按照预定的技术要

2、求进行工作。 利用外加设备或装置利用外加设备或装置(控制装置、控制器控制装置、控制器)，使，使机器、设备或生产过程机器、设备或生产过程(被控对象被控对象)的某个工作状态或参的某个工作状态或参数数(被控量被控量)自动地按预定的规律运行自动地按预定的规律运行(控制目标控制目标)。 l 什么是自动控制系统？什么是自动控制系统？ 为到达某一目的，由相互制约的各个部件按一定规律为到达某一目的，由相互制约的各个部件按一定规律组织成的具有一定功能的整体，一般由组织成的具有一定功能的整体，一般由和和组成。组成。 被控对象被控对象 ：指需要给以控制的机器、设备或生产过程。被指需要给以控制的机器、设备或生产过程。

3、被 控对象是控制系统的主体，例如火箭、锅炉、机器人、电控对象是控制系统的主体，例如火箭、锅炉、机器人、电 冰箱等。冰箱等。 控制装置控制装置 ：指对被控对象起控制作用的设备总体。指对被控对象起控制作用的设备总体。 被控量被控量 ：指被控对象中要求保持给定值、要按给定规律变指被控对象中要求保持给定值、要按给定规律变 化的物理量。被控量又称化的物理量。被控量又称输出量输出量、输出信号输出信号 。 给定值给定值 ：是作用于自动控制系统的输入端并作为控制依据是作用于自动控制系统的输入端并作为控制依据 的物理量。给定值又称的物理量。给定值又称输入信号输入信号、输入指令输入指令、参考输入参考输入。 应用领

4、域：应用领域：生物、医学、经济管理等人类活动的各个领域。生物、医学、经济管理等人类活动的各个领域。二、自动控制理论：二、自动控制理论：研究自动控制研究自动控制共同规律共同规律的技术科学。的技术科学。 问题问题4 4：如何使给定对象满足性能指标？如何使给定对象满足性能指标？ 问题问题3 3：给定对象是否满足性能指标要求？给定对象是否满足性能指标要求？ 问题问题2 2：如何描述控制目标？如何描述控制目标？ 问题问题1 1：如何描述一个对象？如何描述一个对象？ 反馈量反馈量 ：由被控量通过反馈元件所产生的信号，它是被控由被控量通过反馈元件所产生的信号，它是被控 量的函数。量的函数。 干扰量干扰量 ：

5、除给定值之外，凡能引起被控量变化的信号，都除给定值之外，凡能引起被控量变化的信号，都 是干扰。干扰又称是干扰。干扰又称扰动扰动。自动控制理论的发展：自动控制理论的发展： 经典经典( (古典古典) )控制理论控制理论 现代控制理论现代控制理论 智能控制理论智能控制理论 二战期间二战期间(20(20世纪世纪4040年代年代) )，为了设计和制造飞机及船用，为了设计和制造飞机及船用自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达跟踪系统以及其它基于反自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达跟踪系统以及其它基于反馈原理的军用装备，促进和完善了自动控制理论的发展。战馈原理的军用装备，促进和完善了自动控制理论的发展。战后已形成了完整

6、的自动控制理论体系，这就是以后已形成了完整的自动控制理论体系，这就是以传递函数传递函数为为基础的经典控制理论，它主要研究基础的经典控制理论，它主要研究单输入单输入单输出、线性定单输出、线性定常系统常系统的分析和设计问题。主要数学工具是的分析和设计问题。主要数学工具是，用频，用频率特性法及根轨迹法研究控制系统的动态特性的理论。率特性法及根轨迹法研究控制系统的动态特性的理论。 研究具有高性能、高精度的多变量变参数系统的最优研究具有高性能、高精度的多变量变参数系统的最优控制问题。以微分方程、线性代数及数值计算为主要数学控制问题。以微分方程、线性代数及数值计算为主要数学工具，用状态空间法研究系统状态运

7、动的理论。工具，用状态空间法研究系统状态运动的理论。正向以控制论、信息论、仿生学为基础的智能控制理论深入。正向以控制论、信息论、仿生学为基础的智能控制理论深入。 例例1 1：人用手拿物品。人用手拿物品。l 控制目标：控制目标：手拿到物品。手拿到物品。1.1.手手: :抓取物品。功能：抓取物品。功能：受控对象受控对象、执行部件执行部件。 2.2.大脑大脑: :协调眼、手工作。功能：比较物品与手之间的协调眼、手工作。功能：比较物品与手之间的 接近程度接近程度( (比较元件比较元件) )；控制手的动作；控制手的动作( (控制部件控制部件) )。3.3.眼睛眼睛: :观察物品与手的位置。功能：观察物品

8、与手的位置。功能：检测元件检测元件。l 相关部件：相关部件：物品物品 大大 脑脑 眼眼 睛睛位置位置 手臂、手手臂、手 眼眼 睛睛位置位置手手 例例2 2：龙门刨床速度控制系统。龙门刨床速度控制系统。l 控制目标：控制目标：刀架速度恒定。刀架速度恒定。l 相关部件：相关部件：放大器放大器 FD调节触调节触发器发器CF电动机电动机l 实现方式：实现方式：输入恒定电压输入恒定电压 ，电机速度，电机速度 恒定。恒定。0un转速转速n设定速度设定速度0u晶闸管整晶闸管整流装置流装置KZau 测测 速速发电机发电机tu1.1.电机电机( (SM) )。功能：。功能：执行部件执行部件。 2.2.测速机测速

9、机( (TG) )。功能：将速度信号转换为电信号，。功能：将速度信号转换为电信号，检测元件检测元件。3.3.放大器放大器( (FD) )。功能：比较、放大，。功能：比较、放大，比较元件比较元件。4. 调节触发器调节触发器( (CF) )。功能：电压放大。功能：电压放大。5. 晶闸管整流装置晶闸管整流装置( (KZ) )。功能：整流、功率放大，输出电枢。功能：整流、功率放大，输出电枢 电压电压 。au三、反馈控制原理三、反馈控制原理 反馈控制：反馈控制：将输出量送回到输入端，并用于控制。将输出量送回到输入端，并用于控制。 反馈：反馈：输出量送回到输入端，与输入信号输出量送回到输入端，与输入信号相

10、减相减，使偏，使偏 差越来越差越来越小小。 有静差系统：有静差系统：在稳态时被控量与设定值存在偏差。这个在稳态时被控量与设定值存在偏差。这个 误差称为误差称为。 按偏差控制按偏差控制( (误差控制误差控制) ) ：根据设定值根据设定值( (期望值期望值) )与输出值与输出值 ( (实际值实际值) )的偏差量，确定对象的动作。的偏差量，确定对象的动作。 正正反馈：反馈：输出量送回到输入端，与输入信号输出量送回到输入端，与输入信号相加相加，使偏，使偏 差越来越差越来越大大。 无静差系统：无静差系统：在稳态时被控量与设定值不存在偏差。在稳态时被控量与设定值不存在偏差。四、反馈控制系统的基本构成四、反

11、馈控制系统的基本构成l 给定元件：给定元件：设定被控量的期望值，产生系统输入量设定被控量的期望值，产生系统输入量( (参据量参据量) )。l 比较元件：比较元件：比较设定值与实际值，产生相应的偏差信号。比较设定值与实际值，产生相应的偏差信号。l 测量元件：测量元件：检测被控对象的输出量，将其转换为电信号。检测被控对象的输出量，将其转换为电信号。 也称为传感器、传感元件。也称为传感器、传感元件。l 放大元件：放大元件：对偏差信号进行放大，包括信号放大和功率放大。对偏差信号进行放大，包括信号放大和功率放大。l 校正元件：校正元件：为改善系统性能，连接在系统中的部件。也为改善系统性能，连接在系统中的

12、部件。也 叫补偿元件。可以有串联补偿、反馈补偿、顺馈补偿。叫补偿元件。可以有串联补偿、反馈补偿、顺馈补偿。l 执行元件：执行元件：直接使输出量产生变化的部件。直接使输出量产生变化的部件。l 反馈元件：反馈元件：将输出量引回到输入端的部件。将输出量引回到输入端的部件。典型反馈系统组成：典型反馈系统组成：系统系统输入量输入量放大元件放大元件输出量输出量执行元件执行元件补偿元件补偿元件反馈元件反馈元件被控对象被控对象典型反馈系统组成：典型反馈系统组成：系统系统主回路主回路主反馈主反馈内回路内回路局部反馈局部反馈输入量输入量输出量输出量补偿元件补偿元件放大元件放大元件被控对象被控对象执行元件执行元件反

13、馈元件反馈元件测量元件测量元件五、自动控制系统的基本控制方式五、自动控制系统的基本控制方式 反馈（闭环）控制方式反馈（闭环）控制方式 开环控制方式：开环控制方式：被控对象各部件的信号只沿着顺向传递，被控对象各部件的信号只沿着顺向传递， 输出量不会对系统的控制产生影响。输出量不会对系统的控制产生影响。 顺馈控制方式：顺馈控制方式：在干扰可测量的时候，将干扰量测量出在干扰可测量的时候，将干扰量测量出 来，送到输入端，产生干扰补偿信号，以减少干扰对系来，送到输入端，产生干扰补偿信号，以减少干扰对系 统的影响。本质：统的影响。本质：按扰动开环控制按扰动开环控制。输入量输入量放大元件放大元件输出量输出量

14、执行元件执行元件被控对象被控对象输入量输入量干扰测量干扰测量放大元件放大元件输出量输出量执行元件执行元件干扰输入干扰输入被控对象被控对象 复合控制方式：复合控制方式：将反馈控制与顺馈结合的控制方式。将反馈控制与顺馈结合的控制方式。输入量输入量干扰测量干扰测量放大元件放大元件输出量输出量执行元件执行元件干扰输入干扰输入补偿元件补偿元件反馈元件反馈元件被控对象被控对象一、函数记录仪一、函数记录仪 控制目标：控制目标：纪录笔按要求到达规定位置。纪录笔按要求到达规定位置。 控制量：控制量：纪录笔位置。纪录笔位置。 控制对象：控制对象：纪录笔。纪录笔。 记录笔运动原理：记录笔运动原理：给定一个电压信号，

15、设定位移量，在输入给定一个电压信号，设定位移量，在输入 作用下启动电机，带动齿轮、绳系，拖动纪录笔运动。作用下启动电机，带动齿轮、绳系，拖动纪录笔运动。 位置精度考虑：位置精度考虑：为了使纪录笔能准确到达指定位置，应将纪为了使纪录笔能准确到达指定位置，应将纪 录笔的位置测量出来，用来反馈。录笔的位置测量出来，用来反馈。 电机拖动考虑：电机拖动考虑：纪录笔有惯性，希望电机速度能按所需位移纪录笔有惯性，希望电机速度能按所需位移 量进行控制，所以将电机转速测量出来，用来反馈。量进行控制，所以将电机转速测量出来，用来反馈。输入量输入量输出量输出量 传动机构传动机构 放放 大大 器器 记录笔记录笔 伺服

16、电机伺服电机 位置测量位置测量 测速电机测速电机二、飞机自动驾驶仪系统二、飞机自动驾驶仪系统 控制目标：控制目标：按设定的规律，控制飞机的飞行姿态。按设定的规律，控制飞机的飞行姿态。 飞行姿态：飞行姿态：横向，巡航方向。纵向，飞机的升降。横向，巡航方向。纵向，飞机的升降。 舵机控制：舵机控制：位置伺服控制位置伺服控制( (内回路内回路) )。位移传感器测量。位移传感器测量。 纵向控制：纵向控制：给定一个电压信号，设定飞机爬升给定一个电压信号，设定飞机爬升( (俯冲俯冲) )的倾角的倾角 , ,该信号经过放大，控制升降舵的移动。升降舵的角度，该信号经过放大，控制升降舵的移动。升降舵的角度， 决定

17、了飞机爬升决定了飞机爬升( (俯冲俯冲) )的倾角的倾角 。 外回路：外回路：飞机倾角飞机倾角 的反馈控制。垂直陀螺仪测量。的反馈控制。垂直陀螺仪测量。 自动驾驶仪：自动驾驶仪：根据飞行要求，提供设定的电压信号。并与测根据飞行要求，提供设定的电压信号。并与测 量到的输出信号，产生相应的控制规律。量到的输出信号，产生相应的控制规律。 驾驾 驶驶 仪仪 放放 大大 器器 飞飞 机机 舵舵 机机 角度测量角度测量 位移传感器位移传感器0干扰干扰三、电阻炉微型计算机温度控制系统三、电阻炉微型计算机温度控制系统 控制目标：控制目标：电炉温度在设定的范围内。电炉温度在设定的范围内。 工作原理：工作原理：电

18、阻丝通过晶闸管主电路加热。温度依靠电阻丝电阻丝通过晶闸管主电路加热。温度依靠电阻丝 中的电流大小来调节。中的电流大小来调节。 温度检测：温度检测：热电偶。热电偶。 计算机控制器特点：计算机控制器特点：微型计算机采用数字量，按节拍工作。微型计算机采用数字量，按节拍工作。 控制器：控制器：微型计算机。微型计算机。设定温度设定温度微型计算机微型计算机炉温炉温A/D转换转换D/A转换转换晶闸管晶闸管电阻丝电阻丝热电偶热电偶四、锅炉液位控制系统四、锅炉液位控制系统 控制目标：控制目标：锅炉内水位在设定范围锅炉内水位在设定范围( (进水量与蒸发水量平衡进水量与蒸发水量平衡) )。 调节量：调节量：通过调节

19、进水阀门开赌的大小，改变进水量。通过调节进水阀门开赌的大小，改变进水量。 工作原理：工作原理：由液位测量装置（变送器）测出液位信号，与由液位测量装置（变送器）测出液位信号，与 设定值比较，若液位降低，则加大阀门开度，反之则减小。设定值比较，若液位降低，则加大阀门开度，反之则减小。设定水位设定水位调调 节节 器器水位水位锅锅 炉炉阀阀 门门液位测量液位测量干扰干扰按控制方式按控制方式按被控对象按被控对象按系统性能按系统性能按给定值变化规律按给定值变化规律按系统功用按系统功用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

20、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运动控制系统运动控制系统过程控制系统过程控制系统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确定确定/ /不确定系统不确定系统 参据量是一个常值，要求被控量也等于一个常值参据量是一个常值，要求被控量也等于一个常值( (不一不一定相等定相等) )，又称为，又称为调节器系统调节器系统或或自动调整系统自动调整系统。如前述锅炉如前述锅炉液位系统、

21、炉温调节系统。液位系统、炉温调节系统。 工业控制中，若被控量是工业控制中，若被控量是温度温度、压力压力、流量流量、液位液位等等生产过程参量时，这种控制系统称为生产过程参量时，这种控制系统称为系统，它们系统，它们多数属于恒值控制系统。多数属于恒值控制系统。 参据量是预先未知的随时间任意变化的函数，要求被参据量是预先未知的随时间任意变化的函数，要求被控量以尽可能小的误差跟随参据量的变化，故又称为控量以尽可能小的误差跟随参据量的变化，故又称为跟踪跟踪系统系统。如前述自动驾驶仪系统。如前述自动驾驶仪系统。若参据量是机械若参据量是机械位置位置或其或其导数导数时，这类系统称为时，这类系统称为。 控制输出量

22、，使之按设定的规律变化。如数控机床、控制输出量，使之按设定的规律变化。如数控机床、自动生产线。自动生产线。 恒值控制系统恒值控制系统( (调节器调节器) ) 随动系统随动系统( (伺服系统伺服系统) ) 程序控制系统程序控制系统 线性系统线性系统 组成系统的元器件的特性均为线性组成系统的元器件的特性均为线性( (或基本线性或基本线性) )，能用，能用线性常微分方程线性常微分方程描述其输入与输出关系的系统：描述其输入与输出关系的系统：10101111( )( )( )( )( )( )nnmnnnmmmmddday tay ta y tbu tdtdtdtdbu tb u tdt 当系数当系数

23、都是都是常数常数时，称为时，称为定常定常或或时时不变不变或或自治系统自治系统；当系数；当系数 至少有一个是至少有一个是随时间变化时，称为随时间变化时，称为时变时变或或非自治系统非自治系统。00(,;,)nmaa bb00(,;,)nmaa bb线性系统的主要特点是具有线性系统的主要特点是具有和和即有：若输入即有：若输入 时，输出为时，输出为 ；输入；输入 时，输出为时，输出为 。则输入为则输入为 时，输出为时，输出为 。1u1y1 122aua u1122a ya y2u2y 非线性控制系统非线性控制系统 严格地说，实际物理系统中都含有程度不同的非线性严格地说，实际物理系统中都含有程度不同的非

24、线性元部件，但只要非线性不严重，能用线性系统理论和方法元部件，但只要非线性不严重，能用线性系统理论和方法对待的系统均可称为线性系统。对待的系统均可称为线性系统。 系统中只要有一个元部件的输入系统中只要有一个元部件的输入 输出特性是非线性输出特性是非线性的系统，用非线性微分的系统，用非线性微分( (或差分或差分) )方程描述其特性方程描述其特性。 非线性方程的特点是系数与变量有关，或方程中含有非线性方程的特点是系数与变量有关，或方程中含有变量及其导数的高次幂或乘积项。如：变量及其导数的高次幂或乘积项。如：2( )( )( )( )( )( )y ty ty ty tytu t 连续系统：连续系统

25、：各部分的输入各部分的输入 输出信号都是连续函数的模拟量。输出信号都是连续函数的模拟量。 某处或多处的信号为脉冲系列或数码形式，因而信号某处或多处的信号为脉冲系列或数码形式，因而信号在时间上是离散的。连续信号经采样开关的采样就可以转在时间上是离散的。连续信号经采样开关的采样就可以转换成离散信号去进行控制的系统称为采样控制系统或脉冲换成离散信号去进行控制的系统称为采样控制系统或脉冲控制系统。控制系统。离散系统描述的特点：离散系统描述的特点：用差分方程来描述。用差分方程来描述。 离散系统离散系统 单变量系统：单变量系统：输入量和输出量各有一个，结构简单。输入量和输出量各有一个，结构简单。 多变量系

26、统：多变量系统：输入量和输出量多于一个，结构复杂。输入量和输出量多于一个，结构复杂。 确定系统：确定系统：结构和参数是确定的、已知的，系统输入信号结构和参数是确定的、已知的，系统输入信号 也是确定的，可用解析式或图表确切表示的系统。也是确定的，可用解析式或图表确切表示的系统。 不不确定系统：确定系统：当系统本身或作用于该系统的输入当系统本身或作用于该系统的输入 信号不确定的系统。信号不确定的系统。一、基本要求的提法一、基本要求的提法 稳定性是指系统在没有外加信号激励条件下，能否最稳定性是指系统在没有外加信号激励条件下，能否最终停留在一个固定的位置上。输出量偏离平衡状态后应终停留在一个固定的位置上。输出量偏离平衡状态后应该随着时间收敛并且最后回到初始的平衡状态。稳定性的该随着时间收敛并且最后回到初始的平衡状态。稳定性的要求是系统工作的要求是系统工作的首要