自动控制原理-高国燊ch1

1、自动控制原理自动控制原理教材：高国燊教材：高国燊自动控制原理自动控制原理( (第三版第三版) ) 华南理工大学出版社华南理工大学出版社自动控制原理自动控制原理与其它课程的关系与其它课程的关系微积分微积分电机与拖动电机与拖动模拟电子技术模拟电子技术电路分析电路分析信号与系统信号与系统复变函数与积分变换复变函数与积分变换大学物理大学物理（力学、热力学）（力学、热力学）自动控制原理自动控制原理 各类控制系统课程各类控制系统课程1.胡寿松，胡寿松，自动控制原理自动控制原理(第第4版版)，科学出版社，科学出版社2.涂植英，涂植英，自动控制原理自动控制原理 (第二版第二版)，重庆大学出版社，重庆大学出版社

2、4.孙亮，孙亮， 自动控制原理自动控制原理，北京工业大学出版社，北京工业大学出版社参考书参考书主要教学环节主要教学环节1.课堂教学课堂教学 认真听课，积极思考，主动学习，理解基本概念、认真听课，积极思考，主动学习，理解基本概念、基本理论，掌握分析、设计简单自动控制系统的方法、基本理论，掌握分析、设计简单自动控制系统的方法、技巧。技巧。2.课后自学、独立完成作业课后自学、独立完成作业 培养自学能力和分析与处理问题的能力。培养自学能力和分析与处理问题的能力。考试方式：闭卷考试方式：闭卷总成绩总成绩=平时成绩平时成绩30+ 期末成绩期末成绩70%考试方式及成绩评定考试方式及成绩评定第一章第一章 绪论

3、绪论1.1 引言引言1.2 自动控制的基本概念自动控制的基本概念1.3 自动控制系统的组成自动控制系统的组成1.4 自动控制系统的分类自动控制系统的分类1.6 对自动控制系统的基本要求及本课程的研究内容对自动控制系统的基本要求及本课程的研究内容1.1 引言引言一、自动控制的定义及应用一、自动控制的定义及应用 自动控制技术在化工、造自动控制技术在化工、造纸、电力、汽车和钢铁等领域纸、电力、汽车和钢铁等领域起着越来越重要的作用。近几起着越来越重要的作用。近几十年来，计算机技术的发展与十年来，计算机技术的发展与应用，自动控制技术在许多高应用，自动控制技术在许多高科技领域科技领域( (航空航天、导弹制

4、导、航空航天、导弹制导、核动力核动力) )作用更大，且扩展到生作用更大，且扩展到生物、医学、环境、经济管理和物、医学、环境、经济管理和其他许多社会领域。其他许多社会领域。自动控制：自动控制： 在没有人直接参与的情况下，利用控制装置使被控在没有人直接参与的情况下，利用控制装置使被控对象自动地按照预定的规律运行。对象自动地按照预定的规律运行。锅炉设备的压力和温度自动保持恒定；锅炉设备的压力和温度自动保持恒定；数控机床按照预定的程序自动地切削工件；数控机床按照预定的程序自动地切削工件；导弹发射与制导系统，自动地使导弹攻击敌方目标；导弹发射与制导系统，自动地使导弹攻击敌方目标；无人驾驶飞机能按预定轨道

5、自动飞行；无人驾驶飞机能按预定轨道自动飞行；人造地球卫星能够发射到预定轨道并能准确回收；人造地球卫星能够发射到预定轨道并能准确回收；人造地球卫星人造地球卫星无人驾驶飞机无人驾驶飞机雷达技术雷达技术制导导弹制导导弹二、二、自动自动控制理论的发展控制理论的发展1. 经典控制理论经典控制理论( (自动自动控制原理控制原理) ) 控制理论的发展初期是以反馈理论为基础的自动调节控制理论的发展初期是以反馈理论为基础的自动调节原理，主要用于工业控制。第二次世界大战期间，为了设原理，主要用于工业控制。第二次世界大战期间，为了设计和制造飞机及船用自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达跟计和制造飞机及船用自动驾驶仪、火炮

6、定位系统、雷达跟踪系统等基于反馈原理的军用装备，进一步促进和完善了踪系统等基于反馈原理的军用装备，进一步促进和完善了自动控制理论的发展。自动控制理论的发展。两千年前我国发明的两千年前我国发明的指南指南车车，就是一种开环自动调节，就是一种开环自动调节系统。系统。公元公元1086 -1092年年(北宋北宋)，我，我国发明的国发明的水运仪象台水运仪象台，就是一，就是一种闭环自动调节系统。种闭环自动调节系统。 水运水运仪象台是集观测天象的浑仪、仪象台是集观测天象的浑仪、演示天象的浑象、计量时间的演示天象的浑象、计量时间的漏刻和报告时刻的机械装置于漏刻和报告时刻的机械装置于一体的大型综合性观测仪器。一体

7、的大型综合性观测仪器。随着科学技术与工业生产的发展，到随着科学技术与工业生产的发展，到十八世纪十八世纪，自动控制技术逐渐应用到现，自动控制技术逐渐应用到现代工业中。代工业中。1765年年瓦特瓦特(J.Watt)发明蒸汽发明蒸汽机，机，1788年年瓦特瓦特利用反馈原理发明蒸汽利用反馈原理发明蒸汽机用的离心调速器。机用的离心调速器。1868年年马克斯威尔马克斯威尔(J.C.Maxwell)发表发表论调节器论调节器，提出了低阶系统的稳定，提出了低阶系统的稳定性代数判据，解决了蒸汽机调速系统中性代数判据，解决了蒸汽机调速系统中出现的剧烈振荡的不稳定问题。出现的剧烈振荡的不稳定问题。1877年年劳斯劳斯

8、(Routh)、1895年年赫尔维茨赫尔维茨(Hurwitz)把马克斯韦把马克斯韦尔的思想扩展到高阶微分方程描述的更复杂的系统中，分别尔的思想扩展到高阶微分方程描述的更复杂的系统中，分别独立地提出了两个著名的稳定性判据独立地提出了两个著名的稳定性判据劳斯判据劳斯判据和和赫尔维茨赫尔维茨判据判据，基本上满足了二十世纪初期控制工程师的需要。，基本上满足了二十世纪初期控制工程师的需要。赫尔维茨赫尔维茨(Hurwitz)由于第二次世界大战需要控制系统具有准确跟踪与补偿能力，由于第二次世界大战需要控制系统具有准确跟踪与补偿能力，1932年年奈魁斯特奈魁斯特(H.Nyquist)提出了频域内研究系统的提出

9、了频域内研究系统的频率响频率响应法应法，为具有高质量的动态品质和静态准确度的军用控制系，为具有高质量的动态品质和静态准确度的军用控制系统提供了所需的分析工具。统提供了所需的分析工具。 奈魁斯特奈魁斯特(H.Nyquist)1945年年伯德伯德(H. W.Bode)提出了简便而实用的伯德图法提出了简便而实用的伯德图法(频率法频率法)；1948年年伊文思伊文思(W.R.Evans)提出了直观而又形象的根轨提出了直观而又形象的根轨迹法；迹法；20世纪世纪50年代年代 非线性系统理论和离散控制理论。非线性系统理论和离散控制理论。研究对象：单输入单输出研究对象：单输入单输出(SISO)、线性定常系统、线

10、性定常系统核心概念：输出反馈核心概念：输出反馈数学基础：微积分、积分变换数学基础：微积分、积分变换系统描述方法系统描述方法：传递函数：传递函数研究方法：研究方法：时域法、时域法、根轨迹法、频率特性法根轨迹法、频率特性法2.现代控制理论现代控制理论 由于经典控制理论只适用于单输入、单输出的线性定由于经典控制理论只适用于单输入、单输出的线性定常系统，只注重系统的外部描述而忽视系统的内部状态。常系统，只注重系统的外部描述而忽视系统的内部状态。因而在实际应用中有很大局限性。因而在实际应用中有很大局限性。 随着航天事业和计算机的发展，随着航天事业和计算机的发展，20世纪世纪60年代初，在年代初，在经典控

11、制理论的基础上，以线性代数理论和状态空间分析经典控制理论的基础上，以线性代数理论和状态空间分析法为基础的现代控制理论迅速发展起来。法为基础的现代控制理论迅速发展起来。五十年代后期，五十年代后期，贝尔曼贝尔曼(Bellman)等人提出了状态分析法，等人提出了状态分析法，在在1957年提出了动态规划。年提出了动态规划。1960年年卡尔曼卡尔曼(Kalman)成功地应用了状态空间法，提成功地应用了状态空间法，提出了可控性和可观测性的新概念。出了可控性和可观测性的新概念。卡尔曼卡尔曼1965年年罗森布洛克罗森布洛克(H.H.Rosenbrock)提出了寻求最优控制提出了寻求最优控制的动态规划方法。的动

12、态规划方法。1961年年庞特里亚金庞特里亚金(俄国人俄国人)证明了最优控制中的极大值原理。证明了最优控制中的极大值原理。庞特里亚金庞特里亚金( L.S.Pontryagin) 与此同时，关于与此同时，关于系统辨识系统辨识、最优控制最优控制、离散时间系统离散时间系统和和自适应控制自适应控制的发展大大丰富了现代控制理论的内容，形的发展大大丰富了现代控制理论的内容，形成若干分支。成若干分支。研究对象：多输入多输出研究对象：多输入多输出(MIMO)、非线性、时变系统、非线性、时变系统核心概念：状态反馈核心概念：状态反馈数学基础：线性代数、矩阵理论数学基础：线性代数、矩阵理论系统描述方法：状态空间表达式

13、系统描述方法：状态空间表达式研究方法：时域法研究方法：时域法1.2 自动控制的基本概念自动控制的基本概念一、人工控制与自动控制一、人工控制与自动控制人工控制的恒值水位系统人工控制的恒值水位系统水池水池 进水进水出水出水实际水位实际水位要求水位要求水位阀门阀门被控对象被控对象-水池水池被控量被控量-水池中的水位水池中的水位简单的水位自动控制系统简单的水位自动控制系统水池水池出水出水浮子浮子连杆连杆进水阀进水阀二、控制系统的两种基本形式二、控制系统的两种基本形式1.开环控制系统开环控制系统输入量输入量被控对象被控对象输出量输出量控制器控制器特点：特点：(1)只有正向作用，没有反馈作用；只有正向作用

14、，没有反馈作用；(2)结构简单，成本低，调试方便；结构简单，成本低，调试方便；(3)抗干扰能力差，控制精度不高。抗干扰能力差，控制精度不高。应用：自动售货机、自动洗衣机、自动流水线、包装机等应用：自动售货机、自动洗衣机、自动流水线、包装机等直流电动机转速开环控制系统直流电动机转速开环控制系统+电压电压放大器放大器功率功率放大器放大器+-+-+-+-+ERWuruaMCn电动机电动机负载负载给定量给定量ur电压电压放大器放大器功率功率放大器放大器输出量输出量n(对象对象)直流直流电动机电动机MC干扰干扰(控制装置控制装置)ua2.闭环控制系统闭环控制系统特点：特点： (1)既有正向作用，又有反馈

15、控制；既有正向作用，又有反馈控制；(2)系统具有纠正偏差的能力；系统具有纠正偏差的能力；(3)具有较高的控制精度和较强的抗干扰能力；具有较高的控制精度和较强的抗干扰能力；(4)包含元件多，结构复杂，成本相对较高。包含元件多，结构复杂，成本相对较高。 输入量输入量被控对象被控对象输出量输出量控制器控制器测量元件测量元件+-偏差量偏差量反馈量反馈量直流电动机转速闭环控制系统直流电动机转速闭环控制系统+电压电压放大器放大器功率功率放大器放大器+-+-+-+-+ERWuruaMCn电动机电动机负载负载uf+-+-u1ue测速发电机测速发电机开环与闭环控制系统的比较开环与闭环控制系统的比较开环控制系统：

16、开环控制系统： 1.结构简单、成本低廉结构简单、成本低廉； 2.调试方便；调试方便； 3.抗干扰能力差，控制精度不高。抗干扰能力差，控制精度不高。闭环控制系统：闭环控制系统： 1.系统具有纠正偏差的能力；系统具有纠正偏差的能力； 2.抗扰性好，控制精度高；抗扰性好，控制精度高； 3.包含元件多，结构复杂，价格高；包含元件多，结构复杂，价格高； 4.参数应选择适当参数应选择适当。开环闭环复合控制系统开环闭环复合控制系统(兼有两者的优点，精度很高兼有两者的优点，精度很高) 三、自动控制系统的特征和定义三、自动控制系统的特征和定义特征：特征：1.必须要有必须要有负反馈负反馈；2.由由偏差偏差产生控制

17、作用；产生控制作用；3.控制的作用是使被控量尽量接近期望值。控制的作用是使被控量尽量接近期望值。自动控制系统：自动控制系统： 为实现某种自动控制，需要把一些相互关为实现某种自动控制，需要把一些相互关联的部件按一定的模式组合起来，构成一联的部件按一定的模式组合起来，构成一个系统，来实现自动控制。个系统，来实现自动控制。1.3 自动控制系统的组成自动控制系统的组成一、基本组成一、基本组成串联串联校正元件校正元件放大放大元件元件执行执行元件元件并联并联校正元件校正元件反馈元件反馈元件输出输出r(t)c(t)输入输入信号信号+偏差偏差信号信号e主主反反馈馈信信号号测量反馈元件测量反馈元件主反馈主反馈局

18、部反馈局部反馈比较比较元件元件扰动扰动控制对象控制对象基本元部件基本元部件测量反馈元件：测量反馈元件： 测量被控制量并将其转换成与输入相同的物理量后，再测量被控制量并将其转换成与输入相同的物理量后，再反馈到输入端以作比较。反馈到输入端以作比较。 测速发电机、电位器、热电偶测速发电机、电位器、热电偶比较元件：比较元件： 用来比较输入信号与反馈信号，并产生反映两者差值的用来比较输入信号与反馈信号，并产生反映两者差值的偏差信号。偏差信号。 差动放大器、机械差动装置、电桥电路差动放大器、机械差动装置、电桥电路放大元件：放大元件： 将微弱的信号作线性放大，用来推动执行元件去控制被将微弱的信号作线性放大，

19、用来推动执行元件去控制被控对象。控对象。 电压放大级、功率放大级电压放大级、功率放大级执行元件：执行元件： 根据偏差信号的性质执行相应的控制作用，以便被使被根据偏差信号的性质执行相应的控制作用，以便被使被控量按期望值变化。控量按期望值变化。 阀、电动机、液压马达阀、电动机、液压马达校正环节：校正环节： 用于改善系统性能，校正环节可加于偏差信号与输出信号用于改善系统性能，校正环节可加于偏差信号与输出信号之间的通道内，也可加于某一局部反馈通道内。之间的通道内，也可加于某一局部反馈通道内。 由电阻、电容组成的无源或有源网络由电阻、电容组成的无源或有源网络控制对象：控制对象： 生产过程中需要进行控制的

20、工作机械或生产过程。生产过程中需要进行控制的工作机械或生产过程。被控量：被控量： 出现于被控对象中需要控制的物理量。出现于被控对象中需要控制的物理量。二、常用名词术语二、常用名词术语系统：由被控对象和自动控制装置按一定方式联接起来的，系统：由被控对象和自动控制装置按一定方式联接起来的，以完成某种以完成某种自动控制任务的有机整体。自动控制任务的有机整体。输入信号：输入信号：参考输入、给定值、期望值参考输入、给定值、期望值输出信号：输出信号：被控制量被控制量反馈信号：反馈信号：由系统的输出端送回到系统的输入端的信号。由系统的输出端送回到系统的输入端的信号。偏差信号：偏差信号：参考输入与主反馈之差。

21、参考输入与主反馈之差。误差信号：误差信号：输出量的实际值与期望值之差。输出量的实际值与期望值之差。在单位反馈下：误差信号偏差信号在单位反馈下：误差信号偏差信号扰动信号：扰动信号：一种对系统的输出产生不利影响的信号一种对系统的输出产生不利影响的信号。1.4 自动控制系统的分类自动控制系统的分类一、按参考输入信号分一、按参考输入信号分1.恒值控制系统恒值控制系统-输入信号为输入信号为常数常数 恒值恒值) 如温度、流量、如温度、流量、液位、液位、压力控制压力控制tr(t)2.程序控制系统程序控制系统-输入信号为预知的随时间变化函数输入信号为预知的随时间变化函数 如数控机床、热处理炉温控制如数控机床、

22、热处理炉温控制3.随动控制系统随动控制系统(伺服系统伺服系统)-输入信号是未知的随时间变输入信号是未知的随时间变化任意函数化任意函数 如火炮控制、雷达天线控制如火炮控制、雷达天线控制二、二、按系统数学性质分按系统数学性质分1.线性系统线性系统-可用线性微分方程可用线性微分方程(差分方程差分方程)描述。描述。2.非线性系统非线性系统-需需用非线性微分方程用非线性微分方程(或差分方程或差分方程)描述。描述。三、三、按系统传递的信号分按系统传递的信号分1.连续系统连续系统2.离散系统离散系统四、四、按时间信号分按时间信号分1.定常系统定常系统2.时变时变系统系统1.6 对自动控制系统的基本要求及本课程的研究内容对自动控制系统的基本要求及本课程的研究内容1.“稳稳”定性定性(stability)-基本要求基本要求 系统受到扰动后，重新恢复平衡状态的能力系统受到扰动后，重新恢复平衡状态的能力。 稳定性是对系统的稳定性是对系统的最最基本要求，不稳定的系统基本要求，不稳定的系统无法正常无法正常工作工作。稳定性，通常由系统的结构决定与外界因素无关。稳定性，通常由系统的结构决定与外界因素无关。 一、基本要求一、基本要求C( )C(t)t01321-衰减振荡衰减振荡2-等幅振荡等幅振荡3-发散发散2.