自动控制的一般概念

1、1自动控制原理自动控制原理天津大学精密仪器与光电子工程学院吴斌17楼东配楼206E_mail：2主要内容 学习经典控制经典控制的基本理论和基本方法，重点学习线性控制系统线性控制系统的基本理论和基本方法。主要内容包括：控制系统的数学模型、控制系统的时域分析法、控制系统的根轨迹法、控制系统的频域分析法、控制系统的常用校正方法等。 3所需知识1 电子学模拟部分 2 拉普拉斯变换 3 复变函数 4 MATLAB FOR WINDOWS 语言等 4教材及参考文献n1 胡寿松，自动控制原理，科学出版社，第4版，2001 ；n2 胡寿松，自动控制原理，科学出版社，第5版，2007；n3 自动控制原理，清华大

2、学出版社，吴麒主编；n4 自动控制原理，中国科学技术大学出版社，庞国仲编；n5 自动控制原理试题精选与答题技巧，哈尔滨工业大学出版社，王彤主编；n6 自动控制原理常见题型解析及模拟题，西北工业大学出版社，史忠科，卢京潮编著；n7 MATLAB 语言工具箱TOOLBOX实用指南，西北工业大学出版社，施阳 李俊等编著；n8 MATLAB 语言演算纸式的科学工程计算语言，中国科学技术大学出版社，张培强主编；n9 系统分析与仿真MATLAB语言及应用，国防科技大学出版社，黄文梅 杨勇等编著； 5教学安排讲课讲课48(44)课时，实验课时，实验8(+4)课时课时n第一章 自动控制的一般概念 （4课时）n

3、第二章 控制系统的数学模型 （8课时）n第三章 线性系统的时域分析法 （10课时）n第四章 线性系统的根轨迹法 （6课时）n第五章 线性系统的频域分析法 （10课时）n第六章 线性系统的校正方法 （10课时）6实验安排n实验一：控制系统时域、频域实验一：控制系统时域、频域MATLABMATLAB仿真实验仿真实验 （0 0课时）课时） 1、阶跃响应 2、脉冲响应 3、斜坡响应4、绘制Bode图 5、画Nyquist图，6、校正结果分析 n实验二：直流电机速度控制实验实验二：直流电机速度控制实验 （8 8课时）课时） 1、开环控制、闭环控制系统分析（4次大作业）2、控制系统的校正设计（ 1次大设计

4、）实验三：工业机器人控制实验实验三：工业机器人控制实验 （4 4课时）课时）1、机器人开环控制实验2、机器人闭环控制（测控系统）实验7作业和考试n课堂纪律课堂纪律n作业作业 （课后作业、大作业、设计）n答疑答疑n考试考试 期末成绩50%，平时成绩（作业、平时测验及课堂情况）40%，综合实验能力10% 8第一章第一章 自动控制的一般概念自动控制的一般概念11自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式1.1.什么是自动控制什么是自动控制? ? 指在没有人的直接参与下，利用外加设备或装置（控制装置或控制器）使机器、设备或生产过程（被控对象）的某个工作状态或参数（被控量）自动地按照预定的规律运行

5、。 91.1.什么是自动控制什么是自动控制? ?人工控制的恒温箱恒温箱的自动控制系统恒温控制、温度曲线控制、导弹自动寻敌系统、直流稳恒温控制、温度曲线控制、导弹自动寻敌系统、直流稳压电源、数控车床、飞机的自动驾驶、人造卫星控制等压电源、数控车床、飞机的自动驾驶、人造卫星控制等 102. 现代控制理论3. 大系统理论4. 智能控制理论采样控制理论非线性控制理论线性控制理论经典控制理论. 12.2.自动控制理论的发展自动控制理论的发展 自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学，其发展初期是以反馈理论为基础，并主要应用于工业控制。二战期间，由于军事武器装备竞争的需要，自动控制应用水平和自动控制理

6、论都获得了极大的发展，二战后，形成了完整的自动控制理论体系经典控制理论；60年代后，为适应宇航技术的发展，研究复杂系统的控制问题，进一步发展了现代控制理论。 111 1、经典控制理论、经典控制理论 1717世纪反馈调节器世纪反馈调节器18681868年系统稳定性代数判据（马克斯威年系统稳定性代数判据（马克斯威尔、数学家劳斯及赫尔维茨）尔、数学家劳斯及赫尔维茨）二战期间，奈奎斯特提出了二战期间，奈奎斯特提出了频率响应理论频率响应理论19481948年，万斯提出根轨迹法。年，万斯提出根轨迹法。特点：特点：以传递函数为基础，主要研究单输入以传递函数为基础，主要研究单输入单输出、线性定常系单输出、线性

7、定常系统的分析和设计问题。统的分析和设计问题。（单变量系统）（单变量系统）如：调节电压改变电机的速度；调整方向盘改变汽车 的运动轨迹等。2.2.自动控制理论的发展自动控制理论的发展122 2、现代控制理论、现代控制理论 发展于发展于2020世纪世纪6060年代初期。年代初期。 特点：特点：主要研究具有高性能、高精度的多变量变参数系统的最优控主要研究具有高性能、高精度的多变量变参数系统的最优控制问题。制问题。采用以状态分析为基础的时域方法。采用以状态分析为基础的时域方法。（多变量系统）（多变量系统）如：汽车看成是一个具有两个输入（驾驶盘和加速踏 板）和两个输出（方向和速度）的控制系统。2.2.自

8、动控制理论的发展自动控制理论的发展13经典控制理论与现代控制理论比较经典控制理论与现代控制理论比较 项目项目经典控制理论经典控制理论现代控制理论现代控制理论研究对象研究对象线性定常系统线性定常系统（单输入、单输出）（单输入、单输出）线性、非线性、定常、线性、非线性、定常、时变系统时变系统（多输入、多输出）（多输入、多输出）描述方法描述方法传递函数传递函数（输入、输出描述）（输入、输出描述）向量空间向量空间（状态空间描述）（状态空间描述）研究办法研究办法时域分析法、根轨迹时域分析法、根轨迹法和频率法法和频率法状态空间法状态空间法研究目标研究目标系统分析及给定输入、系统分析及给定输入、输出情况下的

9、系统综输出情况下的系统综合合揭示系统的内在规律，实揭示系统的内在规律，实现在一定意义下的最优控现在一定意义下的最优控制与设计制与设计14 3 3、大系统控制理论、大系统控制理论 大系统控制理论是一种过程控制与信息处理相结合的动大系统控制理论是一种过程控制与信息处理相结合的动态系统工程理论，研究的对象具有规模庞大、结构复杂、功态系统工程理论，研究的对象具有规模庞大、结构复杂、功能综合、目标多样、因素众多等特点。它是一个多输入、多能综合、目标多样、因素众多等特点。它是一个多输入、多输出、多干扰、多变量的系统。输出、多干扰、多变量的系统。 如：人体，我们就可以看作为一个大系统，其中有体温如：人体，我

10、们就可以看作为一个大系统，其中有体温的控制、情感的控制、人体血液中各种成分的控制等等。的控制、情感的控制、人体血液中各种成分的控制等等。 大系统控制理论目前仍处于发展阶段。大系统控制理论目前仍处于发展阶段。 2. 2. 自动控制理论的发展自动控制理论的发展154 4、智能控制、智能控制 发展于发展于2020世纪世纪8080年代，以人工智能理论为基础，研年代，以人工智能理论为基础，研究具有模糊性、不确定性、不完全性、偶然性的系统。究具有模糊性、不确定性、不完全性、偶然性的系统。 特点：特点：不基于精确的数学描述或模型，具有较好的容错不基于精确的数学描述或模型，具有较好的容错性能和初级的智能。性能

11、和初级的智能。 2.2.自动控制理论的发展自动控制理论的发展162.2.自动控制理论的发展自动控制理论的发展173.3.反馈控制原理反馈控制原理反馈：反馈：系统输出量送回到输入端，与输入信号相比较产生偏差信号的过程。利用反馈进行控制的系统称为反馈控制系统。在反馈控制系统中,控制装置对被控对象的控制作用，是取自被控量的反馈信息，用来不断修正被控量与输入量之间的偏差，从而实现对被控对象的控制任务，这就是反馈控制原理。反馈控制原理。 控制器 加热器 输入 T Tout 温度调节器：温度调节器： 反馈控制系统有着广泛的生物学基础。反馈控制系统有着广泛的生物学基础。反馈控制系统在工业控制和工程实践中有大

12、量成熟的应用。反馈控制系统在工业控制和工程实践中有大量成熟的应用。 183.1 3.1 反馈控制系统的基本原理框图反馈控制系统的基本原理框图 控制器 Gc 被控对象 G0 测量环节 H 输入量 r 输出量c 主反馈 b 偏差 e 扰动 n 输入量r（参考输入）：输入到控制系统的指令信号；主反馈b:与输出成正比或某种函数关系，量纲与输入相同；偏差e：等于参考输入与主反馈之差；控制环节Gc：接受偏差信号，通过转换与运算，产生所需的控制量；控制量u：来自控制环节，作用于控制对象的信号；193.1 3.1 反馈控制系统的基本原理框图反馈控制系统的基本原理框图 控制器 Gc 被控对象 G0 测量环节 H

13、 输入量 r 输出量c 主反馈 b 偏差 e 扰动 n 扰动n：不希望的影响输出的一些信号；被控对象G0：接受控制量，输出被控制量；输出c：反馈控制系统的被控制量；反馈环节H：将输出转换为主反馈信号的装置；比较环节：获得参考输入与主反馈信号之差； 203.1 3.1 反馈控制系统的基本原理框图反馈控制系统的基本原理框图 控制器 Gc 被控对象 G0 测量环节 H 输入量 r 输出量c 主反馈 b 偏差 e 扰动 n 控制系统方块图：控制系统方块图：将控制装置的各元件和被控对象用方块表将控制装置的各元件和被控对象用方块表示，系统中感兴趣的物理量（信号）用箭头表示，进入方块示，系统中感兴趣的物理量

14、（信号）用箭头表示，进入方块的箭头表示元件的输入量，离开方块的箭头表示元件输出量，的箭头表示元件的输入量，离开方块的箭头表示元件输出量，被控对象的输出量即为系统的输出量，位于最右端；系统的被控对象的输出量即为系统的输出量，位于最右端；系统的输入量为参据量，位于系统最左端。输入量为参据量，位于系统最左端。 213.2 3.2 反馈控制系统的基本组成反馈控制系统的基本组成控制系统包含被控对象和控制装置两大部分，控制装置是由具有一定功能的各种基本部件组成。不同的系统中结构完全不同的部件可以具有相同的功能。 串联补串联补偿元件偿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反馈补反馈补偿元件偿元

15、件测量测量元件元件输出量输出量局部反馈局部反馈223.2 3.2 反馈控制系统的基本组成反馈控制系统的基本组成串联补串联补偿元件偿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反馈补反馈补偿元件偿元件测量测量元件元件输出量输出量局部反馈局部反馈组成控制系统的组成控制系统的部件按功能分为部件按功能分为主要几种：主要几种： 测量元件：测量元件：检测被检测被控制的物理量；控制的物理量； 给定元件：给定元件：给定与给定与期望的系统输出量期望的系统输出量相对应的系统输入相对应的系统输入量；量； 比较元件：比较元件：求出测量元件得到的被控量实际值和给定元件给出的输入量之间的偏差；求出测量元件得到的被

16、控量实际值和给定元件给出的输入量之间的偏差； 放大元件：放大元件：放大偏差信号；放大偏差信号； 执行元件：执行元件：直接推动被控对象，使被控量发生变化；直接推动被控对象，使被控量发生变化； 校正元件：校正元件：即补偿元件，校正系统参数，改善系统性能即补偿元件，校正系统参数，改善系统性能；前向通路、主反馈回路、主回路、内回路、单回路系统、多回路系统、有用输入、扰动前向通路、主反馈回路、主回路、内回路、单回路系统、多回路系统、有用输入、扰动234.4.自动控制系统的基本控制方式自动控制系统的基本控制方式 反馈控制：反馈控制：基本控制方式，应用最广泛；基本控制方式，应用最广泛； 开环控制开环控制 复

17、合控制复合控制 4.1 4.1 反馈控制反馈控制 利用反馈信号，按偏差进行控制。利用反馈信号，按偏差进行控制。 特点：特点：控制精度较高，抗内外扰动能力强。控制精度较高，抗内外扰动能力强。 244.2 4.2 开环控制开环控制控制环节与被控对象间控制环节与被控对象间只有顺向作用没有反馈作用只有顺向作用没有反馈作用。特点：特点：输出量不对系统的控制作用产生影响，没有自动修正偏差的能力，抗扰动性输出量不对系统的控制作用产生影响，没有自动修正偏差的能力，抗扰动性较差。较差。 开环控制可以按给定量控制方式组成，也可以按扰动控制方式组成。开环控制可以按给定量控制方式组成，也可以按扰动控制方式组成。 按给

18、定量控制的开环系统：按给定量控制的开环系统：抗干扰能力差，结构简单、调整方便、成本低，在精抗干扰能力差，结构简单、调整方便、成本低，在精度要求不高或扰动影响较小的情况下使用。度要求不高或扰动影响较小的情况下使用。 按扰动控制的开环系统：按扰动控制的开环系统：利用可测量的扰动量，产生补偿作用，从而减小扰动对输利用可测量的扰动量，产生补偿作用，从而减小扰动对输出的影响。出的影响。 25按扰动控制的开环系统按扰动控制的开环系统 功放 K 压放 K1 U0 Ue Ub Ua R R0 I 负载 UdbeUUU0RIKUb1eaKUUIRIRUUad0IRRRIKKKUUd)(010RRRKK010KU

19、UdUdUd为反向电动势，与转速成正比；有为反向电动势，与转速成正比；有 当当时，有时，有 从而消除了负载对转速的影响。从而消除了负载对转速的影响。 264.3 4.3 复合控制复合控制 按偏差与按扰动相结合的控制方式。按偏差与按扰动相结合的控制方式。 按扰动控制较按偏差控制方式简单，但只适用于扰动可测量的场合，并且一个按扰动控制较按偏差控制方式简单，但只适用于扰动可测量的场合，并且一个补偿装置只能补偿一个扰动因素。比较合理的控制方式是将两种方式结合起来：补偿装置只能补偿一个扰动因素。比较合理的控制方式是将两种方式结合起来：对于主要扰动采用适当的补偿装置实现按扰动控制，同时，再组成反馈控制系对

20、于主要扰动采用适当的补偿装置实现按扰动控制，同时，再组成反馈控制系统实现按偏差控制，以消除其余干扰。统实现按偏差控制，以消除其余干扰。 电压放电压放大器大器功率放功率放大器大器电动机电动机测速发测速发电机电机电压放电压放大器大器电阻电阻RMcnu0ueui2712自动控制系统示例自动控制系统示例一、函数记录仪一、函数记录仪 28正确画框图是对实际系统进行分析的前提，绘制思路：正确画框图是对实际系统进行分析的前提，绘制思路：1.1. 确定系统输出量（被控量）确定系统输出量（被控量） 为系统的最终输出；为系统的最终输出；2.2. 确定被控对象确定被控对象 被控量的载体，为一独立装置；被控量的载体，

21、为一独立装置；3.3. 确定测量环节确定测量环节 系统通过测量元件测量被控量的环节；系统通过测量元件测量被控量的环节；4.4. 确定输入量确定输入量 与被控量相对应（注意：有时输入量会通过某环节转化为易于与被控量相对应（注意：有时输入量会通过某环节转化为易于比较的形式）；比较的形式）；5.5. 比较环节比较环节 测量环节的输出与输入量相比较；测量环节的输出与输入量相比较；6.6. 按系统信号传递的顺序确定其它环节按系统信号传递的顺序确定其它环节（控制器、执行器等）；也可从被控对象（控制器、执行器等）；也可从被控对象开始，开始， 考察各环节的控制量和输出量，从右到左逐一确定；考察各环节的控制量和

22、输出量，从右到左逐一确定； 在绘制的同时，应当时时记忆典型原理框图在绘制的同时，应当时时记忆典型原理框图 原理框图的绘制原理框图的绘制 29二、电阻炉微计算机温度控制系统二、电阻炉微计算机温度控制系统 D/A晶闸管触发器电阻炉电阻丝热电偶A/D放大滤波温度计算机30三、三、水温控制器水温控制器 ( (习题习题1-4)1-4) 温度控制器蒸汽阀门交换器温度测量流量测量热水温度流量扰动给定温度3113 自动控制系统的分类自动控制系统的分类按按控制方式：控制方式：1 1、开环控制、开环控制2 2、闭环控制、闭环控制3 3、复合控制、复合控制 按按元件类型：元件类型：1.1. 机械系统机械系统2.2.

23、 电气系统电气系统3.3. 机电系统机电系统4.4. 液压系统液压系统5.5. 气动系统气动系统 等等 按按系统性能系统性能可分为：线性系统和非线性系统；连续系统和离散系统；定常可分为：线性系统和非线性系统；连续系统和离散系统；定常系统和时变系统；确定性系统和不确定性系统。系统和时变系统；确定性系统和不确定性系统。 按按参据量变化规律参据量变化规律：恒值控制系统；随动控制系统；程序控制系统等。：恒值控制系统；随动控制系统；程序控制系统等。 一般，为了全面反映控制系统的特点，常常将多种分类方法组合使用。一般，为了全面反映控制系统的特点，常常将多种分类方法组合使用。 32线性连续控制系统线性连续控

24、制系统 )()()()()()()()(1111011110trbtrdtdbtrdtdbtrdtdbtcatcdtdatcdtdatcdtdammmmmmnnnnnn式中式中 )(tc是被控量，是被控量， )(tr是系统输入量。系数是系统输入量。系数0a1ana，0b1bnb，为常量时称为线性定常系统，为常量时称为线性定常系统，随时间变化时为时变系统随时间变化时为时变系统 （注意：只随时间变化）。（注意：只随时间变化）。 线性定常连续系统按其线性定常连续系统按其输入量的变化规律输入量的变化规律分为：分为： 1.1. 恒值恒值控制系统控制系统2.2. 随动随动控制系统控制系统3.3. 程序程序

25、控制系统控制系统 33恒值控制系统恒值控制系统 (调节器调节器) 输入量输入量为一为一常量常量，要求，要求输出量输出量等于等于常量常量（但可定期校准或更改输入（但可定期校准或更改输入量）量） 。恒值控制系统的任务是保证在任何扰动下系统的输出量为恒值。恒值控制系统的任务是保证在任何扰动下系统的输出量为恒值。系系统分析、设计的重点是研究各种干扰对被控对象的影响以及抗扰动的措施统分析、设计的重点是研究各种干扰对被控对象的影响以及抗扰动的措施。在恒值控制系统中，参据量可以随生产条件的变化改变，但在调整完成后，在恒值控制系统中，参据量可以随生产条件的变化改变，但在调整完成后，被控量应当及时与调整好的参据

26、量保持一致。在工业控制系统中，如果被控量应当及时与调整好的参据量保持一致。在工业控制系统中，如果被控被控量量是温度、流量、压力、液位等是温度、流量、压力、液位等生产过程参量生产过程参量时，称为时，称为过程控制系统过程控制系统。如：液位控制系统，直流电机调速系统，如：液位控制系统，直流电机调速系统，机床的位置控制，电力系统的电网机床的位置控制，电力系统的电网电压、频率控制等电压、频率控制等； 34随动控制系统随动控制系统 (跟踪系统跟踪系统) 输入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输入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输入量变化。差跟随输

27、入量变化。系统分析设计的重点是被控量跟随的快速性和准确性系统分析设计的重点是被控量跟随的快速性和准确性。液压仿形车床工作原理图液压仿形车床工作原理图如果被控量是机械位置或其导数（如速度、如果被控量是机械位置或其导数（如速度、加速度）时，则称为伺服系统。加速度）时，则称为伺服系统。如：自动火炮系统、雷达跟踪系统、自动如：自动火炮系统、雷达跟踪系统、自动导航系统、自动驾驶系统及自动测量仪等。导航系统、自动驾驶系统及自动测量仪等。35程序控制系统程序控制系统 输入量是按预定规律随时间变化的函数，要求被控量快速、准确复现。输入量是按预定规律随时间变化的函数，要求被控量快速、准确复现。如：温度曲线控制器

28、、仿真控制系统、数控机床。如：温度曲线控制器、仿真控制系统、数控机床。 程序控制系统程序控制系统随动系统具有一般性，程序系统和恒值系统是特例。随动系统具有一般性，程序系统和恒值系统是特例。 36其它控制系统其它控制系统 线性定常离散控制系统：线性定常离散控制系统： 系统中某处或多处的信号在时间上是离散的。系统中某处或多处的信号在时间上是离散的。非线性控制系统：非线性控制系统： 系统中有非线元件，用非线性微分（或差分方程）描述。系统中有非线元件，用非线性微分（或差分方程）描述。特点是方程特点是方程中的系数与输入输出变量有关，或者方程中含有变量或其导数的高次幂或中的系数与输入输出变量有关，或者方程

29、中含有变量或其导数的高次幂或乘积项。乘积项。 3714 对自动控制系统的基本要求对自动控制系统的基本要求基本要求是稳定性、快速性和准确性，即稳、快、准。基本要求是稳定性、快速性和准确性，即稳、快、准。稳定性：稳定性：保证系统正常工作的先决条件。被控量偏离期望值后，经过一个过渡保证系统正常工作的先决条件。被控量偏离期望值后，经过一个过渡过程，可以回到期望值状态。线性系统的稳定性由系统的结构参数决定，与外过程，可以回到期望值状态。线性系统的稳定性由系统的结构参数决定，与外界无关，不稳定系统多表现为振荡发散形式。界无关，不稳定系统多表现为振荡发散形式。快速性：快速性：系统过渡时间的长，短和过渡形式提

30、出要求。即系统的动态性能。系统过渡时间的长，短和过渡形式提出要求。即系统的动态性能。准确性：准确性：稳态误差大小提出要求，是表示系统控制精度的重要指标。稳态误差大小提出要求，是表示系统控制精度的重要指标。 38典型外作用函数典型外作用函数 工程实践中，为使用统一的方法研究和比较控制系统的性能，通常选工程实践中，为使用统一的方法研究和比较控制系统的性能，通常选用几种典型函数作为外部作用，要求是：用几种典型函数作为外部作用，要求是：1.1. 现场或实验室容易得到；现场或实验室容易得到；2.2. 作用性能能够代替实际工作条件下的性能；作用性能能够代替实际工作条件下的性能；3.3. 数学表达简单，便于

31、理论分析；数学表达简单，便于理论分析； 阶跃函数、斜坡函数、加速度函数、脉冲函数、正弦函数，以及伪随阶跃函数、斜坡函数、加速度函数、脉冲函数、正弦函数，以及伪随机函数等。机函数等。 39阶跃函数阶跃函数000)(tAttrA=1A=1时为单位阶跃函数，时为单位阶跃函数，0100)( 1ttttAf(t)0ssR1)(40斜坡函数斜坡函数000)(tAtttrA=1A=1时为单位斜坡函数，时为单位斜坡函数，000)( 1tttttAf(t)021)(ssR41加速度函数加速度函数02100)(2ttAttrA=1A=1时为单位加速度函数，时为单位加速度函数，02100)( 12tttttAf(t)031)(ssR42脉冲函数脉冲函数A=1A=1时为单位脉冲函数，时为单位脉冲函数，)( 1)( 1 )(00lim00ttttAtrt)( 1)( 1 1)(00lim00tttttrt正弦函数：正弦函数：)sin()(wtAtr，当，当A=1A=1时为单位正弦函数。时为单位正