自动控制原理河南工业大学课件

1、 主讲人：黄凤芝 Tel:E_mail: l课程性质 专业基础课l学时 72学时（60 理论+12 实验） 4学分l先修课程 高等数学、大学物理、积分变换、电路、数字电子技 术、模拟电子技术 教材介绍前言l自动控制技术应用自动控制技术几乎渗透到国民经济的各个领域及社会生活的各个方面，是当代发展最迅速、应用最广泛、最引人注目的高科技，是推动新的技术革命和新的产业革命的关键技术，在某种程度上说，自动化是现代化的同义词。雷达自动跟踪的导弹系统无人机人造地球卫星发射系统哈勃望远镜特殊地卫星交通系统汽车自动化生产线控制理论控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。 经典控制理论

2、经典控制理论现代控制理论（智能控制理论）现代控制理论（智能控制理论）以传递函数为基础，以传递函数为基础，研究单输入研究单输入-单输出单输出定常控制系统的分析定常控制系统的分析与设计问题与设计问题以状态空间法为基础，研以状态空间法为基础，研究多输入究多输入-多输出时变、多输出时变、非线性、高精度、高效能非线性、高精度、高效能控制系统的分析与设计问控制系统的分析与设计问题题发展概况1年 英国瓦特 飞球调节器 公认的第一个自动控制系统年 麦克斯韦尔“论调速器”公认为自动控制理论的开端1875年 英国劳斯提出代数稳定判据 劳斯稳定判据劳斯稳定判据1895年 德国赫尔维兹提出代数稳定判据1892年 俄国

3、李雅普诺夫提出稳定性定义和两个稳定判据1932年 美国奈奎斯特提出奈氏稳定判据奈氏稳定判据二战中自动火炮、雷达、飞机以及通讯系统的控制研究二战中自动火炮、雷达、飞机以及通讯系统的控制研究直接推动了经典控制的发展直接推动了经典控制的发展1948年，维纳出版控制论，形成完整的经典控制理论， 标志控制学科的诞生。发展概况2 二次世界大战结束后，各国大力发展空间技术，经典控制理论不能满足需要，需要研究新的控制理论。这个时期，众多的数学家、科学家投入自动控制理论的研究，如自动控制科学家从力学中引进了状态空间的概念。 随着电子计算机的应用，自动控制理论开始进入“现代控制理论”阶段。 现代控制理论在空间技术

4、取得巨大成功，但由于工业过程控制中普遍存在的不确定性和干扰，难以取得预期的效果。模拟人的控制技术智能控制。发展概况3本课程学习的内容l 基本内容基本内容控制论的基本理论、方法、控制论的基本理论、方法、特点、综合设计方法。特点、综合设计方法。l 研究对象研究对象自动控制系统，揭示自动控自动控制系统，揭示自动控制系统中存在的信息转换、传递和制系统中存在的信息转换、传递和反馈反馈。控制系统基本概念连续系统离散系统时域法复域法频域法快稳准第一章 控制系统导论第二章 控制系统的数学模型第三章 线性系统的时域分析法第四章 线性系统的根轨迹法第五章 线性系统的频域分析法第六章 线性系统的校正方法第七章 线性

5、离散系统的分析第一章 控制系统导论1-1 自动控制的基本原理1-2 自动控制系统示例1-3 自动控制系统的分类1-4 自动控制系统的基本要求1-5 自动控制系统的分析与设计工具1-1 自动控制的基本原理一、基本概念一、基本概念1.控制（控制（Control）：根据某种原理或方法，）：根据某种原理或方法，使特定对象（使特定对象（被控对象被控对象）的某些物理量（）的某些物理量（被被控量控量）按照预期规律变化的操纵过程。）按照预期规律变化的操纵过程。2.人工控制（人工控制（Manual Control）：由人直接）：由人直接或间接操作执行装置的控制方式。或间接操作执行装置的控制方式。3.自动控制自动

6、控制（Automatic Control）：）：是指在没有人直接参与的情况下，利用自动控制装置（或称为控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称为被控对象）的某个工作状态或参数（称为被控量）自动地按照预定的规律运行。4.自动控制系统自动控制系统 （Control System）：）：是由被控对象被控对象和自动控制装置自动控制装置按一定方式联结起来的，以完成某种自动控制任务的有机整体。自动控制系统控制原理方框图控制控制对象对象执行装置执行装置控制器控制器测量装置测量装置控制器控制器比较环节比较环节输入量输入量偏差偏差测量值测量值输出量输出量控制量控制量扰动量扰动量控制动作控制动作广义对象广

7、义对象自动控制装置自动控制装置元素：元素：（1 1） ：元件：元件（2 2） ：信号（物理量）及传递方向：信号（物理量）及传递方向（3 3） ：比较点（信号叠加）：比较点（信号叠加）（4 4） ：引出点（分支、信号强度）：引出点（分支、信号强度） （5 5）+/- +/- ：符号的意义（正、负反馈）：符号的意义（正、负反馈）二、控制系统中常用的名词术语二、控制系统中常用的名词术语输入量输入量:泛指对系统的输出量有直接影响的外界输入信号,既包括控制信号又包括扰动信号。其中控制信号又称控制量、参考输入、或给定值。输出量输出量: :是指反馈控制系统中被控制的物理量,它与输入信号之间有一定的函数关系。

8、反馈量反馈量: :将系统(或环节)的输出信号经变换、处理送到系统(或环节)的输入端的信号,称为反馈信号。若此信号是从系统输出端取出送入系统输入端,这种反馈信号称主反馈信号。而其它称为局部反馈信号。 偏差偏差: :控制输入信号与主反馈信号之差。控制输入信号与主反馈信号之差。误差误差: :它指系统输出量的实际值与希望值之它指系统输出量的实际值与希望值之差。系统希望值是理想化系统的输出，实际差。系统希望值是理想化系统的输出，实际上并不存在上并不存在, ,它只能用与控制输入信号具有它只能用与控制输入信号具有一定比例关系的信号来表示。在单位反馈情一定比例关系的信号来表示。在单位反馈情况下况下, ,希望值

9、就是系统的输入信号希望值就是系统的输入信号, ,误差信号误差信号等于偏差信号。等于偏差信号。扰动扰动量量: :除控制信号以外除控制信号以外, ,对系统的输出有影对系统的输出有影响的信号。响的信号。 三、反馈控制系统三、反馈控制系统1. 1.反馈控制系统的基本组成部分反馈控制系统的基本组成部分 输入量输入量串联校正串联校正元件元件放大放大元件元件执行执行元件元件被控被控对象对象扰动扰动并联并联校正元件校正元件反馈元件反馈元件输出量输出量比较比较元件元件e(t)偏差偏差信号信号主反馈信号主反馈信号b(t)测量反馈元件测量反馈元件主反馈主反馈局部反馈局部反馈( )c t( )r t给定给定元件元件被

10、控对象（被控过程）被控对象（被控过程）又称控制对象或受控对象，又称控制对象或受控对象，指需要对它的某个特定的量进行控制的设备或过程。指需要对它的某个特定的量进行控制的设备或过程。被控对象的输出变量是被控对象的输出变量是被控变量被控变量，常常记作输出信号，常常记作输出信号或输出量。或输出量。被控对象除了受到控制作用外，还受到外被控对象除了受到控制作用外，还受到外部扰动作用。部扰动作用。给定元件给定元件其作用是给出与期望的输出相对应的系其作用是给出与期望的输出相对应的系统输入量，是一类产生系统控制指令的装置。统输入量，是一类产生系统控制指令的装置。测量反馈元件测量反馈元件如传感器和测量仪表，感受或

11、测量如传感器和测量仪表，感受或测量被控变量被控变量的值并把它变换为与输入量同一物理量后，的值并把它变换为与输入量同一物理量后，再反馈到输入端以作比较。再反馈到输入端以作比较。比较元件比较元件比较输入信号与反馈信号，以产生反映比较输入信号与反馈信号，以产生反映两者差值的偏差信号。两者差值的偏差信号。放大元件放大元件将微弱的信号作线性放大。将微弱的信号作线性放大。校正元件校正元件也叫补偿元件，它是按某种函数规律变也叫补偿元件，它是按某种函数规律变换控制信号，以利于改善系统的动态品质或静态性换控制信号，以利于改善系统的动态品质或静态性能。能。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根据偏差

12、信号的性质执行相应的控制作用，以便使被控制量按期望值变化。如电动机、气用，以便使被控制量按期望值变化。如电动机、气动控制阀等。动控制阀等。 例子1.人取书输入信号眼睛大脑手、手臂眼睛+（书的位置）输出量（手的位置）方框图2.龙门刨床速度控制系统比较电路 放大器触发器晶闸管电动机n测试发电机 方框图四、自动控制系统的基本控制方式四、自动控制系统的基本控制方式 控制系统的类型很多，它们的结构类型和所完成的任务也各不相同。控制系统中最常见的两种控制方式是开环控制开环控制和闭环控制闭环控制，这两种控制的组合即为复合控制复合控制，相对应的控制系统称为开环控制系统、闭环控制系统和复合控制系统。 自动控制理

13、论主要研究自动控制理论主要研究闭环闭环控制系统控制系统 （1）反馈控制方式）反馈控制方式闭环控制闭环控制 闭环控制的定义是有被控制量反馈的控制,其原理框如图所示。从系统中信号流向看,系统的输出信号沿反馈通道又回到系统的输入端,构成闭合通道,故称闭环控制系统,或反馈控制系统。 前前/ /正向通道正向通道反反/ /负向通道负向通道这种控制方式,无论是由于干扰造成,还是由于结构参数的变化引起被控量出现偏差,系统就利用偏差利用偏差去纠正偏差,故这种控制方式为按偏差调节按偏差调节。 闭环控制系统的突出优点突出优点是利用偏差来纠正偏差,使系统达到较高的控制精度较高的控制精度。闭环控制的缺点缺点引入反馈增加

14、了系统的增加了系统的复杂性复杂性，如果闭环系统参数的选取不适当，系统可能会产生振荡，甚至系统失稳而无法正常工作，这是自动控制理论和系统设计必须解决的重要问题。（2）开环控制开环控制系统是指无被控量反馈无被控量反馈的控制系统,即需要控制的是被控对象的某一量(被控量),而测量的只是给定信号,被控量被控量对于控制作用没有任何影没有任何影响响的系统。结构如图所示。这种控制优点优点结构简单，系统稳定性好结构简单，系统稳定性好，调试方便，成本低。因此，在输入量和输出量之间的关系固定，且内部参数或外部负载等扰动因素不大，或这些扰动因素可以预测并进行补偿的前提下，应尽量采用开环控制系统.缺点抗干扰性能差。抗干

15、扰性能差。当对象或控制装置受到外部干扰,或工作中特性参数发生变化,会直接影响被控量,而无法自动补偿无法自动补偿。因此,系统的控制精度难以保证。控制精度难以保证。意味着对受控对意味着对受控对象和其它控制元件的象和其它控制元件的技术要求较高技术要求较高。（3）复合控制控制器控制对象扰动输出量输入量补偿器控制器控制对象扰动输出量输入量补偿器1-2 自动控制系统示例函数记录仪放大器变换器伺服电动机齿轮系绳轮记录笔测速发电机测量电路 _位移LL 函数记录仪方框图电阻炉微型计算机温度控制系统计算机控制量给定温度D/A变换器触发器晶闸管导通角电阻丝炉温热电偶A/D变换器放大滤波电流电流电流温度数值方框图锅炉

16、液位控制系统方框图给定值调节器调节阀锅炉测量变送器 _液位扰动+水耗汽量=给水量偏差值自动控制系统方块图的绘制关键工作原理工作原理输入量输入量输出量输出量被控对象被控对象中间环节中间环节信号传递信号传递1-3 自动控制系统的分类常用的自动控制系统分类方法常用的自动控制系统分类方法按控制方式来分按控制方式来分按描述系统的动态方程分按描述系统的动态方程分按系统参数是否随时间变化分按系统参数是否随时间变化分按系统输入信号的变化规律不同来分按系统输入信号的变化规律不同来分按信号的传递是否连续分按信号的传递是否连续分（1）开环控制系统）开环控制系统（2）闭环控制系统）闭环控制系统（3）复合控制系统）复合

17、控制系统1、按控制方式来分2.按描述系统的动态方程分（1）线性系统：组成系统的各环节的输入输出特性都是线性线性的，可用一个或一组线性线性微分方程微分方程来描述系统输入和输出之间输入和输出之间关系。线性系统的主要特征是具有齐次性齐次性和叠加性。叠加性。1011110111( )( )( )( )( )( )( )( )nnnnnnmmmmmmdddac tac tac ta c tdtdtdtdddbr tbr tbr tb r tdtdtdt其中， 为被控量， 为输入量( )c t( )r t011011, , , , , , , nnmmaaaabbbb为系数0110111111()()()

18、( )()()()( )nnmma c kna c knac ka c kb r kmbr kmbr kb r k( ), ( )r kc k为输入量和输出量的采样序列, ()m mnn为差分方程的次数（2）非线性系统：系统中只要有一个元器只要有一个元器件件的特性不能用不能用线性微分方程描述其输入和输入和输出关系输出关系,则称为非线性系统。非线性微分（或差分）方程描述其特性。非线性微分方程特点：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 2( )( ) ( )( )( )y ty t y ty tr t饱和非线性死区非线性间隙非线性继电器非线性3、按系统参数是否随时间变化分l（1

19、）定常系统定常系统：如果描述系统特性的微分方微分方程中各项系数都是与时间无关的常数程中各项系数都是与时间无关的常数, ,则称为定常系统。该类系统只要输入信号的形式不变,在不同时间输入下的输出响应形式是相同的。 l（2）时变系统时变系统：如果描述系统特性的微分方程中只要有一项系数是时间的函数系数是时间的函数,此系统称为时变系统。 4、按系统输入信号的变化规律不同来分 （）l（1）恒值控制系统：恒值控制系统：这类系统的输入信号为一常输入信号为一常数数，扰动使被控量偏离理想值而出现偏差，利用偏差利用偏差该系统可使被控量回复到理想值使被控量回复到理想值或接近理想值。上述的炉温闭环控制系统、锅炉液位控制

20、系统均属于此类系统。l（2）随动系统（跟踪系统）：随动系统（跟踪系统）：这类系统的输入量输入量是预先未知的随时间任意变化的函数未知的随时间任意变化的函数，要求被控量被控量以尽可能小的误差跟随输入量以尽可能小的误差跟随输入量的变化，又称为跟踪系统。重点研究被控量跟随的快速性和准确性。如函数记录仪，雷达天线的自动跟踪系统（3）程序控制系统：程序控制系统：这类系统 的输入量为输入量为按预定的规律随时间变化的函数按预定的规律随时间变化的函数，要求被控被控量迅速、准确地加以复现。量迅速、准确地加以复现。如机械加工中的数控机床工作台移动系统。 5、按信号的传递是否连续分（1）连续系统：连续系统：这类系统中

21、所有元件的信号所有元件的信号都是随时间连续变化随时间连续变化的,信号的大小均是可任意取值的模拟量模拟量,称为连续系统。（2）离散系统：离散系统：这类系统在信号传递过程中有一处或多处的信号是脉冲序列脉冲序列或数码形式数码形式。若系统采用了采样开关,将连续信号转变为离散的脉冲形式的信号,此类系统称为采样控制系采样控制系统或脉冲控制系统统或脉冲控制系统。若采用数字计算机或数字控制器,其离散信号是以数码形式传递的,此类系统称为数字控制系统数字控制系统。1-4 自动控制系统的基本要求一、基本要求 对于不同类型的控制系统，在系统结构和参数已知的情况下，研究的内容研究的内容都是系统在典典型输入信号下型输入信

22、号下，被控量变化的全过程被控量变化的全过程。 对每一类被控量变化的全过程提出的共同基本要求都是一样的，稳定性、快速性、准稳定性、快速性、准确性，即稳、快、准确性，即稳、快、准。（1）稳定性稳定工作是所有自动控制系统的最基本要求,是系统能否工作的前题。不稳定的系统根本无法完成控制任务。线性自控系统的稳定性是由系统结构和参数觉定的，与外界因素无关。稳定的控制系统，被控量偏离期望值初始偏差随时间的增长逐渐减小并趋于零；不稳定系统的初始偏差随时间增长而发散。单调过程单调过程衰减振荡衰减振荡 等幅振荡等幅振荡 渐扩振荡渐扩振荡 不稳定不稳定稳定稳定稳定稳定不稳定不稳定（2）快速性自动控制系统其动态过程多属于衰减振荡衰减振荡情况。控制系统的动态过程不仅要是稳定的，并且希望过渡过程时间过渡过程时间（又称调整时间调整时间）越短越好（快速性快速性），最大振荡幅度（用超调超调量衡量量衡量）越小越好，衰减得越快越好（用衰衰减比衡量减比衡量）。（3）准确性指系统在过渡过程结束后，偏差的最终值的偏差的最终值的大小，称为稳态误差大小，称为稳态误差，它是衡量系统稳态精度的重要指标。稳态误差稳态误差越小，表示系统的准确性越好，被控量（输出量）的期望值与实际值之间的差值就越小。二、典型外作用 为了能对不同的控制系统的性能用统一的标准来