自动控制原理(梅杨)1

1、第一章第一章 自动控制的一般概念自动控制的一般概念 1-1 自动控制的自动控制的基本原理基本原理与方式与方式 1-2 自动控制系统示例自动控制系统示例 1-3 自动控制系统的自动控制系统的分类分类 1-4 对自动控制系统的基本要求对自动控制系统的基本要求 1-5 自动控制系统的自动控制系统的分析与设计分析与设计工具工具 无人直接参与无人直接参与 机器、设备或生产过程的工作状态或参与机器、设备或生产过程的工作状态或参与 自动实现某种规律运行自动实现某种规律运行 经典控制：单输入、单输出经典控制：单输入、单输出 现代控制：多输入、多输出现代控制：多输入、多输出 反馈（控制思想的精髓，知己知彼）反馈

2、（控制思想的精髓，知己知彼）1-1 自动控制的自动控制的基本原理基本原理与方式与方式 1 1、自动控制技术及其应用、自动控制技术及其应用 所谓所谓自动控制自动控制，是指没有人直接参与的，是指没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称被控量）的某个工作状态或参数（即（统称被控量）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。被控量）自动地按照预定的规律运行。 如：如： 飞机导航飞机导航哈勃望远镜特殊地卫星哈勃望远镜特殊地卫星中巴资源卫星中巴资源卫星人造地球卫

3、星人造地球卫星控制其准确地进入预定轨道运行并回收控制其准确地进入预定轨道运行并回收无人驾驶飞机按预定轨迹飞行渐露锋芒地无人驾驶飞机渐露锋芒地无人驾驶飞机制导导弹制导导弹 现代的高新技术让导弹长上了现代的高新技术让导弹长上了“眼睛眼睛”和和“大脑大脑”，利用负反馈控制原理去紧紧盯住目标，利用负反馈控制原理去紧紧盯住目标我国研制的地空导弹我国研制的地空导弹雷达技术雷达技术 雷达操作时，天线就要不停地转动。天线的作用是雷达操作时，天线就要不停地转动。天线的作用是把雷达中产生的无线电波按照一定的方向向外发射出去，把雷达中产生的无线电波按照一定的方向向外发射出去，并把被反射回来的无线电波接收下来。正因为

4、天线所起并把被反射回来的无线电波接收下来。正因为天线所起的作用好似人的眼睛一样，因此雷达要注视和侦察整个的作用好似人的眼睛一样，因此雷达要注视和侦察整个天空的状况，天线就要不停地转动，用一个驱动马达使天空的状况，天线就要不停地转动，用一个驱动马达使天线作天线作360360度的旋转，这样它就能在度的旋转，这样它就能在360360度范围内进行度范围内进行“搜索搜索”。自动控制技术应用于其他领域自动控制技术应用于其他领域 由于计算机等技术的诞生和飞速发展，使得控制由于计算机等技术的诞生和飞速发展，使得控制技术水平不断提高，已扩大到经济与社会生活的各技术水平不断提高，已扩大到经济与社会生活的各个领域，

5、如通信、交通、医学、环境保护、经济管个领域，如通信、交通、医学、环境保护、经济管理等领域，控制技术已成为现代社会不可缺少的重理等领域，控制技术已成为现代社会不可缺少的重要组成部分。要组成部分。 近年来，我国在自动化仪表、工业调节器、数字近年来，我国在自动化仪表、工业调节器、数字控制技术、航天工程、核动力工程等方面的研究和控制技术、航天工程、核动力工程等方面的研究和应用取得了长足进展。应用取得了长足进展。(1)(1)、最早的稳定性研究、最早的稳定性研究 J.C.MaxwellJ.C.Maxwell（麦克斯韦尔）（麦克斯韦尔），18681868年发表年发表论论调节器调节器，研究调节器的微分方程，线

6、性化处，研究调节器的微分方程，线性化处理，系统稳定性取决于微分方程的特征根是否理，系统稳定性取决于微分方程的特征根是否都具有一对负的实部，针对二阶和三阶系统讨都具有一对负的实部，针对二阶和三阶系统讨论了使特征根具有负实部时，特征多项式系列论了使特征根具有负实部时，特征多项式系列应满足的条件。应满足的条件。(2)(2)、系统稳定准则、系统稳定准则 由由HurwitzHurwitz（霍尔维茨）（霍尔维茨）和和 E.J.RouthE.J.Routh（劳斯）（劳斯）提出的劳斯霍尔维茨稳定判据。提出的劳斯霍尔维茨稳定判据。2 2、自动控制理论、自动控制理论 A.M.Lyapunov（李雅普诺夫）提（李雅

7、普诺夫）提出了李雅普诺夫第一法与第二法出了李雅普诺夫第一法与第二法 H.Nyquist提出奈氏判据，提出奈氏判据，Bode提提出了对数频率特性的方法。出了对数频率特性的方法。 二战期间，军事科学的需要大大促进二战期间，军事科学的需要大大促进了反馈控制理论的发展。美国麻省理工了反馈控制理论的发展。美国麻省理工学院雷达实验室的科学家们将反馈放大学院雷达实验室的科学家们将反馈放大器理论、器理论、 PID（比例（比例-积分积分-微分）控制微分）控制以及以及N.Wiener的随机过程理论等结合的随机过程理论等结合在一起，形成了一整套被称为随动控制在一起，形成了一整套被称为随动控制系统的设计方法。系统的设

8、计方法。 (3)(3)、根轨迹方法、根轨迹方法 W.R.Evans提出的方法和规则是当系统提出的方法和规则是当系统参数变化时特征方程式根变化的几何轨迹。参数变化时特征方程式根变化的几何轨迹。 (4)(4)、经典自动控制理论、经典自动控制理论 以反馈控制原理为基础的自动控制理论以反馈控制原理为基础的自动控制理论已形成比较完整的体系。其特点相对言，生已形成比较完整的体系。其特点相对言，生产技术水平较低，控制对象结构较简单，被产技术水平较低，控制对象结构较简单，被控参数较单一，要求达到的预期效果（性能控参数较单一，要求达到的预期效果（性能指标）也不高。主要研究对象为单输入，单指标）也不高。主要研究对

9、象为单输入，单输出的单变量系统（属于线性定常时不变系输出的单变量系统（属于线性定常时不变系统）。统）。(5)(5)、现代控制理论的发展、现代控制理论的发展 从从50年代末期开始，控制系统设计问题的年代末期开始，控制系统设计问题的重点从设计许多可行系统中的一种系统，转变重点从设计许多可行系统中的一种系统，转变到设计在某种意义上的一种最佳系统。到设计在某种意义上的一种最佳系统。 大约从大约从1960年开始，数字计算机的出现为年开始，数字计算机的出现为复杂系统的时域分析提供了可能性，利用状态复杂系统的时域分析提供了可能性，利用状态变量、基于时域分析的现代控制理论应运而生。变量、基于时域分析的现代控制

10、理论应运而生。 从从1960年到年到1980年，确定性系统的最佳年，确定性系统的最佳控制，随机系统的最佳控制，乃至复杂系统的控制，随机系统的最佳控制，乃至复杂系统的自适应和学习控制，都得到了充分的研究。自适应和学习控制，都得到了充分的研究。 从从1980年到现在，现代控制理论的进展集年到现在，现代控制理论的进展集中于鲁棒控制、中于鲁棒控制、H控制及其相关的课题。控制及其相关的课题。反馈控制是这样的一种控制过程，它能在存在扰动的情况下，力图减小系统的输出量与参考输入量（也称参据量）之间的偏差，而其工作正是基于这一偏差基础之上的，这就是反馈控制的原理。反馈控制又称闭环控制反馈控制又称闭环控制3 3

11、、反馈控制原理、反馈控制原理系统方框图符号组成系统方框图符号组成：“ ”下图为反馈控制原理方框图下图为反馈控制原理方框图方框图被控制量 手的 位置 扰动 误差信号 控制信号 参考输入 书的位置 被控对象（手）测量元件（眼睛）控制器（大脑）例、人用手去拿书例、人用手去拿书龙门刨床速度控制系统原理图龙门刨床速度控制系统原理图 在工业控制中，龙门刨床速度控制系统就是按照在工业控制中，龙门刨床速度控制系统就是按照反馈控制原理进行工作的。当负载波动时，必然会引反馈控制原理进行工作的。当负载波动时，必然会引起速度变化，由于龙门刨床不允许速度变化过大，因起速度变化，由于龙门刨床不允许速度变化过大，因此必须对

12、速度进行控制。此必须对速度进行控制。龙门刨速度自动控制过程龙门刨速度自动控制过程M-负载n-电机速度u-测速电机偏差电压u0-给定电压注意：注意： 龙门刨床速度控制系统是一个有精龙门刨床速度控制系统是一个有精差系统。速度最终达到的稳态值与原始给差系统。速度最终达到的稳态值与原始给定速度之间始终有一个差值存在，这个差定速度之间始终有一个差值存在，这个差值是用来产生一个附加的电动机电枢电压，值是用来产生一个附加的电动机电枢电压，以补偿因增加负载而引起的速度下降。这以补偿因增加负载而引起的速度下降。这个差值的存在是保证系统正常工作所必需个差值的存在是保证系统正常工作所必需的，一般称为的，一般称为稳态

13、误差稳态误差。如果从结构上加。如果从结构上加以改进，可以消除这个稳态误差。以改进，可以消除这个稳态误差。4、反馈控制系统的基本组成 反馈控制系统是由各种不同的元部件组成的。 a) 测量元件：检测被控制的物理量。 b) 给定元件：给出与期望的被控制量相对应的系统输入量（即参据量）。 c) 比较元件：把测量元件检测的被控量的实际值与给定元件给出的参据量进行比较，求出它们之间的偏差。d) d) 放大元件：偏差信号的放大，用以推放大元件：偏差信号的放大，用以推动执行元件。动执行元件。e) e) 执行元件：直接推动被控对象，使被执行元件：直接推动被控对象，使被控量发生变化。控量发生变化。f) f) 校正

14、元件：也叫补偿元件以改善系统校正元件：也叫补偿元件以改善系统性能性能。典型的反馈控制系统基本组成框图： 信号从输入端到达输出端的传输通路称为前向通路；信号从输入端到达输出端的传输通路称为前向通路；系统输出量经测量元件反馈到输入端的传输通路称为主系统输出量经测量元件反馈到输入端的传输通路称为主反馈通路。前向通路与主反馈通路共同构成主回路。此反馈通路。前向通路与主反馈通路共同构成主回路。此外，还有局部反馈通路。只包含一个主反馈通路的系统外，还有局部反馈通路。只包含一个主反馈通路的系统称为单回路系统，有两个或两个以上反馈通路的称为单回路系统，有两个或两个以上反馈通路的 系统系统称为多回路系统。称为多

15、回路系统。串连补偿元件放大元件执行元件被控对象反馈补偿元件测量元件输输出出量量主主反反馈馈局局部部反反馈馈输输入入量量5、自动控制系统基本控制方式 (1)、反馈控制方式、反馈控制方式(闭环控制系统闭环控制系统) 按偏差进行控制，具有抑制扰动对被控按偏差进行控制，具有抑制扰动对被控量产生影响的能力和较高的控制精度。量产生影响的能力和较高的控制精度。(2)(2)、开环控制方式、开环控制方式( (按给定控制、按扰动控制按给定控制、按扰动控制) ) 指控制装置与被控对象之间只有顺向作用而指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过程。没有反向联系的控制过程。下图为发电机电动机调速系统的

16、方框图下图为发电机电动机调速系统的方框图 (3) (3)、复合控制方式、复合控制方式 按偏差控制和按扰动控制相结合的控制方式按偏差控制和按扰动控制相结合的控制方式 称为复合控制方式。称为复合控制方式。1-2 自动控制系统示例 1 函数记录仪函数记录仪通常由衰减器、测量元件、放大元件、伺服电动机-测速机组、齿轮系及绳轮等组成。测量元件由电位器RQ和RM组成的桥式测量电路，记录笔就固定在电位器RM的滑臂上，因此，测量电路输出电压up与记录笔位移成正比。当有慢变的输入电压ur时，在放大元件输入口得到偏压 ，经放大后驱动伺服电机，并通过齿轮系及绳轮带动记录笔移动。同时使偏差电压减小。当偏差电压为0时，

17、电机停止转动，记录笔也静止不动。如果输入电压随时间连续变化，记录笔便描绘出随时间连续变化的相应曲线。pruuu2.飞机示意图飞机示意图反馈电位器反馈电位器给定电位器给定电位器给给定定装装置置放放大大器器舵机舵机飞机飞机 反馈电反馈电位器位器 垂直垂直陀螺仪陀螺仪0c扰动扰动俯仰角控制系统方块图俯仰角控制系统方块图飞机方块图飞机方块图 3 3 电炉温度控制系统电炉温度控制系统 电阻丝通过晶闸管主电路加热，炉温期望值预先设定，电阻丝通过晶闸管主电路加热，炉温期望值预先设定，炉温实际值由热电偶检测，并转换成电压，经放大、滤波炉温实际值由热电偶检测，并转换成电压，经放大、滤波后，由后，由A/DA/D转

18、换后送入计算机，并与所设置的期望温度进转换后送入计算机，并与所设置的期望温度进行比较，产生偏差信号，计算机根据控制算法计算相应控行比较，产生偏差信号，计算机根据控制算法计算相应控制量，再经制量，再经D/AD/A转换成电流，通过触发器控制晶闸管导通转换成电流，通过触发器控制晶闸管导通角，从而改变电阻丝中电流大小，达到控制炉温的目的。角，从而改变电阻丝中电流大小，达到控制炉温的目的。下图为电炉温度控制系统的方框图下图为电炉温度控制系统的方框图 4 4、锅炉液位控制系统、锅炉液位控制系统 当蒸汽的耗汽量与锅炉进水量相等时，液位保持在当蒸汽的耗汽量与锅炉进水量相等时，液位保持在正常标准值。当过锅炉给水

19、量不变，而蒸汽负荷发生正常标准值。当过锅炉给水量不变，而蒸汽负荷发生变化时，液位也相应发生变化；或者当蒸汽负荷不变，变化时，液位也相应发生变化；或者当蒸汽负荷不变，而给水管道水压发生变化时，引起锅炉液位发生变化。而给水管道水压发生变化时，引起锅炉液位发生变化。但但只要实际液位高度只要实际液位高度与正常给定液位之间与正常给定液位之间出现偏差时，调节器出现偏差时，调节器均应立即进行控制，均应立即进行控制，去开大或者关小给水去开大或者关小给水阀门，使液位恢复到阀门，使液位恢复到给定值。给定值。下图为锅炉液位控制系统的方框图 自动控制系统有多种分类方法，一般，为了全面反映自动控制系统的特点，常常将各种

20、分类方法组合应用。开环控制开环控制闭环控制闭环控制( (反馈控制反馈控制) )复合控制复合控制1-3 自动控制系统的分类机械系统机械系统恒张力系统恒张力系统电气系统电气系统机电系统机电系统全自动照相机，全自动照相机， 光机电结合光机电结合液压系统液压系统伺服液压缸，汽伺服液压缸，汽车发动机，大型的仿真模拟台车发动机，大型的仿真模拟台气动系统气动系统 生物系统生物系统按按元元件件类类型型分分按系统功用分按系统功用分1、线形连续控制系统 这类系统可以用线形微分方程式描述，其这类系统可以用线形微分方程式描述，其一般形式为：一般形式为：)()()()()()()()(1111011110trbtrdt

21、dbtrdtdbtrdtdbtcatcdtdatcdtdatcdtdammmmmmnnnnnn 系数系数a a0 0， ， a an n，b b0 0, , b bn n是常数时，称为定常系统；系数是常数时，称为定常系统；系数a a0 0，a an n，b b0 0, , b bn n随时间变化时，称为时变系统。线性定常连续系统按其随时间变化时，称为时变系统。线性定常连续系统按其输入量的变化规律又可分为恒值控制系统、随动系统和程序控制系输入量的变化规律又可分为恒值控制系统、随动系统和程序控制系统。统。(1)、恒值控制系统 这类控制系统的参据量是一个常值，要求被控量亦等于一个常值，故又称为调节器

22、。 在恒值控制系统中，参据量可以随生产条件的变化而改变，但是，一经调整后，被控量就应与调整好的参据量保持一致。在工业控制中，如果被控量是生产过程参量时，这种控制系统则称为过程控制系统，它们大多数属于恒值控制系统。(2)、随动系统 系统的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，故又称为跟随系统。在随动系统中。扰动的影响是次要的，系统分析、设计的重点是研究被控量跟随的快速性和准确性。 在随动系统中，如果被控量是机械位或其导数时，这类系统称之为伺服系统。(3)、程序控制系统 系统的参据量时按预定规律随时间变化的函数，要求被控量迅速、准确地加以复现。程序控制

23、系统和随动系统的参据量都是时间函数，不过前者是已知的时间函数，后者是未知的任意时间函数，而恒值控制系统也可视为程序控制系统的特例。2、线性定常离散控制系统)() 1() 1()()() 1() 1()(110110krbkrbmkrbmkrbkcakcankcankcammnn 离散系统是指系统的某处或多处的信号为离散系统是指系统的某处或多处的信号为脉冲序列或数码形式，因而信号在时间上是脉冲序列或数码形式，因而信号在时间上是离散的。离散系统一般用差分方程描述，其离散的。离散系统一般用差分方程描述，其一般形式可用下式表示：一般形式可用下式表示： 3、非线性控制系统 系统中只要有一个元部件的输入输

24、系统中只要有一个元部件的输入输出特性是非线性的，这类系统就称为非线性出特性是非线性的，这类系统就称为非线性控制系统，控制系统， 实际物理系统中都含有不同程度的非实际物理系统中都含有不同程度的非线性元部件，如放大器和电磁元件的饱和特线性元部件，如放大器和电磁元件的饱和特性，运动部件的死区、间隙和摩擦特性等。性，运动部件的死区、间隙和摩擦特性等。对于非线性程度不大的情况，可在一定范围对于非线性程度不大的情况，可在一定范围内进行线性化。内进行线性化。)()()()(2trytytyty 1-4 对自动控制系统的基本要求 1、基本要求的提法 可以归结为稳定性（长期稳定性）、准确性（精度）和快速性（相对

25、稳定性）。 稳稳 准准 快快 稳定性：稳定性： 稳定性是对系统的基本要求，不稳定的稳定性是对系统的基本要求，不稳定的系统不能实现预定任务。稳定性，通常由系系统不能实现预定任务。稳定性，通常由系统的结构决定与外界因素无关。统的结构决定与外界因素无关。 快速性：快速性： 对过渡过程的形式和快慢提出要求，对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称为动态性能。一般称为动态性能。 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。期望输出之差叫做给定稳态误差。2、典型的外作用 为了便于用统一的方法研究和比较控制系统的为了便于用统一的方法研究和比较控制系统的性能，通常选用几种确定性函数作为典型外作用。性能，通常选用