自控1_2讲——使用版

1、 自动控制原理自动控制原理大连理工大学城市学院大连理工大学城市学院2012年年3月月自动控制原理自动控制原理参考教材参考教材1 自动控制原理自动控制原理 胡寿松胡寿松 顾树生、王建辉顾树生、王建辉 孟华孟华2 Modern Control Engineering课程考核课程考核n72学时（学时（ 64 +8），），4.5学分，必修课学分，必修课 实验实验（10%） 小测验小测验（10%） 期中考试（期中考试（10%） 期末期末70%：闭卷考试：闭卷考试平时平时30 %：3交通工具自动控制到底有什么用？自动控制到底有什么用？ 4机电设备机电设备自动控制到底有什么用？ 5航天科技航天科技自动控制到

2、底有什么用？ 中巴资源卫星 哈勃望远镜特殊地卫星 制导导弹6学完这门课程后，你可以获得什么知识或者能力？n1. 1. 什么是自动控制？什么是自动控制？ 定义，基础理论定义，基础理论n2. 2. 自动控制具有什么好处和特点自动控制具有什么好处和特点 分析方法分析方法n3. 3. 如何实现自动控制？如何实现自动控制？ 设计与实现设计与实现7课程内容课程内容n第第1章章 引论引论n第第2章章 线性系统的数学模型线性系统的数学模型n第第3章章 控制系统的时域分析控制系统的时域分析n第第4章章 根轨迹法根轨迹法n第第5章章 控制系统的频域分析控制系统的频域分析n第第8章章 采样控制系统采样控制系统8 引

3、言：自动控制理论发展概述引言：自动控制理论发展概述 1.1 1.1 开环控制和闭环控制开环控制和闭环控制 1.2 1.2 自动控制的组成及术语自动控制的组成及术语 1.3 1.3 自动控制系统的类型自动控制系统的类型 1.4 1.4 自动控制系统性能的基本要求自动控制系统性能的基本要求 1.5 1.5 常用的典型的输入信号常用的典型的输入信号 1.6 1.6 控制系统实例控制系统实例 第一章第一章 引论引论 9引言：引言： 自动控制理论发展概述自动控制理论发展概述-发展简史n经典控制理论经典控制理论 ( 20世纪初世纪初 ) n 时域法时域法n 复域法复域法 (根轨迹法根轨迹法)n 频域法频域

4、法 n现代控制理论现代控制理论 ( 20世纪世纪60-70年代年代 )n 线性系统线性系统 自适应控制自适应控制n 最优控制最优控制 鲁棒控制鲁棒控制n 最佳估计最佳估计 容错控制容错控制n 系统辨识系统辨识 集散控制集散控制 n n智能控制理论智能控制理论 ( 20世纪世纪80年代年代 )n 专家系统专家系统 大系统复杂系统大系统复杂系统n 模糊控制模糊控制n 神经网络神经网络n 遗传算法遗传算法101. 1. 自动化的发展历史自动化的发展历史公元前我国的自动计时漏壶公元132年张衡研制的候风地动仪11公元235年马钧研制出能自动指示方向的指南车 121788年英国Watt发明的控制蒸汽机速

5、度的离心式调速器 131954年第一台工业机器人 1981年美国“哥伦比亚”号航天飞机首次发射成功14 例：储水槽的液位人工控制例：储水槽的液位人工控制控制任务：储水槽液位稳定不变控制任务：储水槽液位稳定不变一、引出问题：什么是自动控制一、引出问题：什么是自动控制人人工工直直接接参参与与15人工直接人工直接参与参与 和和 自动控制H H注注入入控控制制器器（比比较较、放放大大）Q Q1 1浮浮子子流流出出Q Q2 2（I I） 原原理理图图气气动动阀阀门门16 1. 1.控制过程控制过程自动控制过程方块图：自动控制过程方块图：17 2 2. .自动控制自动控制 Automation18 在无人

6、直接参与的情况下，利用控制装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置，使工作机械或生产过程（被控对象）（被控对象）的某一个或多个物理量的某一个或多个物理量（被控量）（被控量）准确准确地按照预定的要求规律变化。地按照预定的要求规律变化。 自动控制的目的自动控制的目的n提高劳动生产率和产品质量；提高劳动生产率和产品质量；n改善劳动条件，减轻劳动强度；改善劳动条件，减轻劳动强度；n提高生活质量等。提高生活质量等。 19国国 防防：人造卫星：人造卫星等等； 工工 业业：起重机，数控车床：起重机，数控车床等等；人体系统人体系统：体温、心跳、眼球等体温、心跳、眼球等；日常生活日常生活：

7、冰箱温度、风扇、电梯：冰箱温度、风扇、电梯等。等。 自动控制的应用自动控制的应用20 3 自动控制系统自动控制系统 Automatic control system21n为了实现各种复杂的控制任务，将被控对为了实现各种复杂的控制任务，将被控对象和控制装置按照一定的方式连接起来，象和控制装置按照一定的方式连接起来，组成一个有机总体的系统。组成一个有机总体的系统。n通过控制器使被控对象按照预定的规律运通过控制器使被控对象按照预定的规律运行的系统行的系统。n作用：是研究自动控制作用：是研究自动控制系统组成系统组成，进行系统，进行系统分分 析设计析设计的一般性理论；的一般性理论；n 是研究自动控制过程

8、是研究自动控制过程共同规律共同规律的技术学科的技术学科n特点：理性，数学基础特点：理性，数学基础二、课程的作用及特点二、课程的作用及特点22电力电子技电力电子技术、模拟电路术、模拟电路数字电路数字电路单片机、计算单片机、计算机控制技术、机控制技术、电路、电路、PLC电机与拖动、电机与拖动、电气控制电气控制普通物理、普通物理、高等数学高等数学检测技术、检测技术、信号处理信号处理整个系统的设整个系统的设计与校正计与校正自动控制原理自动控制原理学习自动控制需了解哪些课程？学习自动控制需了解哪些课程？ 23n 1. 开环控制开环控制 n 2. 闭环控制闭环控制n 3. 复合控制复合控制 1.1 1.1

9、 系统的系统的控制控制方式方式自动控制系统基本控制方式自动控制系统基本控制方式241. 1. 开环控制（系统）开环控制（系统） 无被控量反馈的控制系统无被控量反馈的控制系统 Open loop control 系统输出端和输入端之间不存在反馈回路，系统输出端和输入端之间不存在反馈回路， 输出量对系统的控制作用没有影响。输出量对系统的控制作用没有影响。被控对象被控对象25开环控制系统特点开环控制系统特点控制简单，成本低；控制简单，成本低；无法自动补偿，抗干扰能力差；无法自动补偿，抗干扰能力差；控制精度难以保证。控制精度难以保证。26用于自动化流水线控制，如包装机等。用于自动化流水线控制，如包装机

10、等。生活中的开环控制实例生活中的开环控制实例272. 闭环控制（反馈控制）（系统）闭环控制（反馈控制）（系统）系统的输出信号沿反馈通道又回到系统的输入端。系统的输出信号沿反馈通道又回到系统的输入端。-closed loop control (feedback control) 系统输出端与输入端存在反馈回路，即输出量对系统输出端与输入端存在反馈回路，即输出量对控制作用有直接影响的系统。控制作用有直接影响的系统。28闭环控制系统特点闭环控制系统特点输出信号反馈到输入端输出信号反馈到输入端闭合闭合结构复杂，成本提高；结构复杂，成本提高；利用偏差实现动态调节；利用偏差实现动态调节；控制精度高。控制精

11、度高。由于反馈的存在，使系统可能出现由于反馈的存在，使系统可能出现“振荡振荡”；29 反馈控制原理反馈控制原理n在反馈控制系统中，控制器对被控对象施加在反馈控制系统中，控制器对被控对象施加的控制作用，是取自的控制作用，是取自被控量的反馈信息被控量的反馈信息；n而反馈信息则用来不断的修正而反馈信息则用来不断的修正被控量与输入被控量与输入量之间的偏差量之间的偏差，从而实现对被控对象进行控，从而实现对被控对象进行控制的目的制的目的。n 偏差控制偏差控制30生活中的生活中的开环和闭环控制开环和闭环控制实例对比实例对比31开环控制和闭环控制特点对比开环控制和闭环控制特点对比闭环控制 开环控制特点对比精度

12、要求有无反馈抗干扰能力 适用场合 有有无无高高低低差差强强系统结构参数系统结构参数稳定，扰动信稳定，扰动信号较弱号较弱 没有要求没有要求32干扰补偿的复合控制系统方框图干扰补偿的复合控制系统方框图输入量输入量控制器控制器控制对象控制对象测量元件测量元件输出量输出量反馈回路反馈回路被控量被控量干扰量干扰量前馈补偿前馈补偿开环控制和闭环控制相结合的系统。开环控制和闭环控制相结合的系统。 33 3 3. .复合控制复合控制( (系统系统) ) 4. 4. 控制方式选择控制方式选择n预知输入量的变化规律，预知输入量的变化规律， 干扰参数变化少干扰参数变化少n高精度、有干扰高精度、有干扰n复合开环、闭环

13、控制复合开环、闭环控制开环开环闭环闭环复合复合34 例例:人取书的反馈控制过程方框图人取书的反馈控制过程方框图以此例思考系统的组成 351. 1. 控制任务：控制任务： 例例: :人取书的反馈控制过程的组成人取书的反馈控制过程的组成2. 2. 被控量：被控量：5. 5. 测量反馈测量反馈：3. 3. 被控对象：被控对象：人手的位置达到书的位置人手的位置达到书的位置人手的位置人手的位置人手或者手臂人手或者手臂人的大脑人的大脑 根据控制系统的原理，绘制方框图。根据控制系统的原理，绘制方框图。36 1.2 1.2 自控系统的组成及术语自控系统的组成及术语一、组成一、组成4. 4. 控制器：控制器：眼

14、睛眼睛人取书的反馈控制过程的方块图人取书的反馈控制过程的方块图被控对象被控对象 被控量被控量测量元件测量元件37给定量给定量控制器控制器 1.2 1.2 自控系统的组成及术语自控系统的组成及术语一、组成一、组成给定环节串联校正放大，变换控制器被控对象并联校正反馈环节参考输入干扰输出比较环节38组成要素组成要素1 1 被控对象被控对象：控制系统所控制和操纵的对象。：控制系统所控制和操纵的对象。2 2 控制器：控制器：偏差信号偏差信号 控制信号控制信号3 3 放大变换环节：偏差信号放大变换环节：偏差信号 控制器控制器4 4 校正装置：为改善系统的特性而附加的装置。校正装置：为改善系统的特性而附加的

15、装置。5 5 反馈环节反馈环节：测被控量：测被控量 处理处理 反馈信号反馈信号6 6 给定环节：给定环节：产生输入控制信号。产生输入控制信号。7 7 比较环节：比较环节：输入给定与反馈信号比较。输入给定与反馈信号比较。转换、计算转换、计算变换变换39二、术语二、术语1 输入信号输入信号：泛指对系统的输出量有直接影响的：泛指对系统的输出量有直接影响的 外界输入信号。（包括给定和干扰）外界输入信号。（包括给定和干扰）2 2 输出信号输出信号（输出量）：被控的物理量。（输出量）：被控的物理量。3 3 反馈信号反馈信号：输出信号变换处理反馈到输入端的：输出信号变换处理反馈到输入端的 信号。信号。4 4

16、 偏差信号偏差信号 =输入信号输入信号 - - 主反馈信号。主反馈信号。5 5 误差信号误差信号 =输出实际值输出实际值 - -期望值。期望值。6 6 扰动信号扰动信号：除控制信号外，对系统的输出有影：除控制信号外，对系统的输出有影 响的信号。响的信号。40开环控制开环控制反馈控制反馈控制( (闭环控制闭环控制) )复合控制复合控制按按信信号号流流向向 1-3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类41自动控制系统的分类自动控制系统的分类1 按按自动控制系统的分类自动控制系统的分类2恒值控制系统（自动恒值控制系统（自动镇定镇定系统）系统） 随动系统随动系统（自动（自动跟踪跟踪系统）系统）程序控制

17、系统程序控制系统42自动控制系统的分类自动控制系统的分类3按系统中是否含有非按系统中是否含有非线性元件线性元件线性系统线性系统 非线性系统非线性系统按系统参数是否按系统参数是否随时间变化随时间变化定常系统定常系统 时变系统时变系统按信号的按信号的连续性连续性连续系统连续系统 离散系统离散系统按输入输出按输入输出变量的多少变量的多少单变量系统单变量系统 多变量系统多变量系统431.4 自控系统性能的基本要求自控系统性能的基本要求一、引出问题一、引出问题：保温箱、空调保温箱、空调的温度变化的温度变化较好较好最好最好不好不好44（a）（b）（c）图1-13通电后自动控制热水器的水温输出信号变化曲线如

18、何评价系统如何评价系统的性能好坏？的性能好坏？1.4 1.4 自控系统性能的基本要求自控系统性能的基本要求稳稳 准准 快快 动态要求动态要求基本要求基本要求精度精度要求要求45二、性能的要求：二、性能的要求：1 1 稳定性稳定性（稳）（稳）-系统正常工作的系统正常工作的首要条件首要条件。 稳定系统稳定系统：输出量的过渡过程衰减变化最终与期望：输出量的过渡过程衰减变化最终与期望值一致（接近）。值一致（接近）。 不稳定系统不稳定系统：输出量的过渡过程持续振荡。：输出量的过渡过程持续振荡。462 2 稳态精度稳态精度（准）（准）：指系统过渡到新的平衡工作状态：指系统过渡到新的平衡工作状态 以后（干扰

19、恢复后）最终保持的精度。以后（干扰恢复后）最终保持的精度。3 3 动态过程动态过程（快、好）（快、好）：指系统的被控量在输入信号作：指系统的被控量在输入信号作 用下随时间变化的全过程。用下随时间变化的全过程。1.5 1.5 常用的典型输入信号常用的典型输入信号1 阶跃函数阶跃函数：r(t)tAr(t)=0, t0当A=1时，称为单位阶跃函数，记为1(t)幅值为A时，也表示为A(t)或A(t-t0)当t=t0时r(t-t0)=0, tt047t02 斜坡函数（等速度函数）斜坡函数（等速度函数）：r(t)tAr(t)=0, t0当A=1时，称为单位斜坡函数1.5 1.5 常用的典型输入信号常用的典型输入信号481.5 1.5 常用的典型输入信号常用的典型输入信号3 抛物线函数（等加速度函数）：抛物线函数（等加速度函数）：r(t)t当A=1时，称为单位抛物线函数21,02Att r(t)=0, 0t 491.5 1.5 常用的典型输入信号常用的典型输入信号4 脉冲函数脉冲函数：r(t)t,0At r(t)=0, 0t 0,t当A=1时， 称为单位脉冲函数记为00,0( ),0ttt50( )1t dt( )r t dtA1.5 1.5