武汉理工大学自动控制原理课件1

1、1自动控制理论陈启宏陈启宏 教授E-mail: 2教材与参考书l教材 胡寿松，自动控制原理自动控制原理 ，北京：科学出版社，2001l参考书p夏德钤，自动控制原理自动控制原理 ，北京：机械工业出版社p John J.Dazzo, Linear Control System Analysis and Design. 北京：清华大学出版社影印版 3考核方式n考试成绩：70%n平时成绩：30n考勤：10n作业：10n实验：104第一章第一章 自动控制的一般概念自动控制的一般概念一一. 自动控制的概念及应用自动控制的概念及应用n1.控制控制：是使某些物理量按指定的规律变化（包括保持恒：是使某些物理量按

2、指定的规律变化（包括保持恒定），以保证生产的安全性，经济性及产品质量等要求定），以保证生产的安全性，经济性及产品质量等要求的技术手段。的技术手段。n2.自动控制自动控制：就是应用自动化仪表或控制装置代替人，自：就是应用自动化仪表或控制装置代替人，自动地对机器设备或生产过程进行控制，使之达到预期的动地对机器设备或生产过程进行控制，使之达到预期的状态或性能状态或性能要求求。1-1 引言5n3. 自动控制的应用自动控制的应用 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

3、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 无人驾驶飞机按照预定航迹自动升降和飞行无人驾驶飞机按照预定航迹自动升降和飞行 人造卫星准确地进入预定轨道运行并回收人造卫星准确地进入预定轨道运行并回收 自动控制技术的应用范围已扩展到生物、医学、环自动控制技术的应用范围已扩展到生物、医学、环境、经济管理和其它许多社会生活领域中，自动控制已境、经济管理和其它许多社会生活领域中，自动控制已成为现代社会活动中不可缺少的重要组成部分。成为现代社会活动中不可缺少的重要组成部分。二二.自动控制理论的发展自动控制理论的发展 1.经典控制理论经典控制理论640405050年代形成年代形成 适用于适用于SIS

4、OSISO（单输入单输出）系统（单输入单输出）系统 基于：二战军工技术基于：二战军工技术目标：反馈控制系统的稳定目标：反馈控制系统的稳定 基本方法：传递函数，频率法，基本方法：传递函数，频率法，PIDPID调节器调节器 ( (频域频域) )2.现代控制理论现代控制理论60607070年代形成年代形成 适用于适用于MIMO MIMO （多输入多输出）系统（多输入多输出）系统 基于：基于： 冷战时期空间技术，计算机技术冷战时期空间技术，计算机技术目标：最优控制目标：最优控制基本方法：状态空间表达式基本方法：状态空间表达式71-2 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念一一.自动控制系统自动控

5、制系统 自动控制系统自动控制系统是指由是指由控制装置控制装置与与被控对象被控对象结合起结合起来的，能够对被控对象的一些物理量进行自动控来的，能够对被控对象的一些物理量进行自动控制的一个制的一个有机整体有机整体。n1.被控对象被控对象：要求实现自动控制的机器设备或生要求实现自动控制的机器设备或生产过程产过程n2.被控制量被控制量：指被控制系统所要控制的物理量，指被控制系统所要控制的物理量，一般指系统的输出量一般指系统的输出量8n3.给定值给定值：根据系统要求，被控制量需要达根据系统要求，被控制量需要达到的数值。到的数值。n4.扰动扰动：破坏控制量与被控制量之间正常函破坏控制量与被控制量之间正常函

6、数关系的因素，称为系统的扰动。数关系的因素，称为系统的扰动。 给定值和扰动通称为输入量。给定值和扰动通称为输入量。n5.控制装置控制装置：能够对被控对象起控制作用的能够对被控对象起控制作用的设备总称设备总称9二、自动控制理论 研究自动控制共同规律的技术科学。三、反馈控制原理 控制装置对被控对象施加的控制作用，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进行控制的任务。10反馈控制系统组成n给定元件：给出与系统输出量希望值相对应的系统输给定元件：给出与系统输出量希望值相对应的系统输入量。入量。n测量元件：测量系统输出量的实际值，并把输出量的测量元件：测量系统输

7、出量的实际值，并把输出量的量纲转化成与输入量相同。量纲转化成与输入量相同。n比较元件：比较系统的输入量和主反馈信号，并给出比较元件：比较系统的输入量和主反馈信号，并给出两者之间的偏差。两者之间的偏差。n放大元件：对微弱的偏差信号进行放大和变换，使之放大元件：对微弱的偏差信号进行放大和变换，使之具有足够的幅值和功率，以适应执行元件动作的要求。具有足够的幅值和功率，以适应执行元件动作的要求。n执行元件：根据放大后的偏差信号产生控制、动作，执行元件：根据放大后的偏差信号产生控制、动作，操作系统的输出量，使之按照输入量的变化规律而变操作系统的输出量，使之按照输入量的变化规律而变化。化。 11四、自动控

8、制系统基本控制方式1、开环控制方式 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。 特点：系统的输出量不会对系统的控制作用发生影响。12例例1.下面是一个具体的开环控制系统的例子，下面是一个具体的开环控制系统的例子， 直流电机转速控制系统。直流电机转速控制系统。电位器（产生给定电电位器（产生给定电压压ur）如果）如果010V转速转速01000转转方框图为：方框图为：电位器电位器电压电压放大器放大器可控硅可控硅功放功放直流直流电动机电动机Purukn扰动扰动ua132、闭环控制方式、闭环控制方式 输出量与输入量之间有反向联系，靠输入量输出量与输入量之间有反向联系，靠输入量与主反馈

9、信号之间的偏差对输出量进行控制。与主反馈信号之间的偏差对输出量进行控制。 反馈反馈：是把系统输出量全部或一部分回送是把系统输出量全部或一部分回送到输入端，以增强或减弱输入信号的效应。到输入端，以增强或减弱输入信号的效应。14例例2 引入闭环控制后的直流电机转速控制系统引入闭环控制后的直流电机转速控制系统电电压压放放大大器器可可控控硅硅功功放放M M负载负载G Gburuukuaun n 测速 测速 发电 发电 机 机15引入测速发电机，这时电压放大器的输入引入测速发电机，这时电压放大器的输入 ，如果外来，如果外来的电网电压波动使电机的转速的电网电压波动使电机的转速n ，则由测速发电机确定的，则

10、由测速发电机确定的则则 则则uk ，ua 则则n ，消除了偏差，控制转速稳定。，消除了偏差，控制转速稳定。负反馈。负反馈。bruuububruuu方框图方框图同开环系统相比，该系统由于干扰引起的转速误差要小得多。同开环系统相比，该系统由于干扰引起的转速误差要小得多。如果极性接错，这时电压放大器的输入如果极性接错，这时电压放大器的输入 ，如果外来的电，如果外来的电网电压波动使电机的转速网电压波动使电机的转速n ，则由测速发电机确定的，则由测速发电机确定的则则 则则uk ，ua 则则n ，则转速越来越大，电动机损坏，则转速越来越大，电动机损坏，失去控制。失去控制。正反馈。正反馈。bruuububr

11、uuu电位器电压放大器可控硅放大器直流电动机测速机Puruubuk-n扰动ua16正反馈不能用于控制系统，用途正反馈不能用于控制系统，用途振荡器（正弦信号发生器）振荡器（正弦信号发生器） 起增强输入信号作用起增强输入信号作用正反馈。正反馈。 起减弱输入信号作用起减弱输入信号作用负反馈。负反馈。 正反馈不能进行控制，会使系统的偏差越来越大。正反馈不能进行控制，会使系统的偏差越来越大。 只有负反馈控制系统才能完成自动控制的任务。只有负反馈控制系统才能完成自动控制的任务。 负反馈控制系统最大的特点：检测偏差，纠正偏差负反馈控制系统最大的特点：检测偏差，纠正偏差 按偏差控制按偏差控制例例3.我们在日常

12、生活中经常遇到的抽水马桶，也是一我们在日常生活中经常遇到的抽水马桶，也是一个典型的闭环控制系统。个典型的闭环控制系统。17 水箱原来处于一个平衡状态，水箱原来处于一个平衡状态，q1(t)=q2(t)=0。如果打开阀门，冲。如果打开阀门，冲水，冲好后关上阀门，水，冲好后关上阀门，h(t)发生变化，水位下降，发生变化，水位下降， h变大，通变大，通过浮子反馈到执行机构。机械杠杆带动活塞打开，过浮子反馈到执行机构。机械杠杆带动活塞打开， q1(t)变大，变大，使使h 变小，浮子上浮，活塞也上升，直至达到新的平衡。变小，浮子上浮，活塞也上升，直至达到新的平衡。阀阀门门活活塞塞浮浮子子水水h h( (t

13、 t) )q q1 1( (t t) )q q2 2( (t t) )18原理方框图：原理方框图： 机械杠杆活塞水箱浮子执行机构被控对象检测机构调节器比较器h0-h(t)q1(t)这就是负反馈控制系统，检测偏差，然后进行调这就是负反馈控制系统，检测偏差，然后进行调节，使偏差减小，最后直至消除偏差。节，使偏差减小，最后直至消除偏差。 按偏按偏差控制。差控制。 19n开环控制系统：开环控制系统： 1. 结构简单经济结构简单经济 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。n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.

14、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。n开环闭环复合控制系统（兼有两者的优点，开环闭环复合控制系统（兼有两者的优点，精度很高）精度很高） 五五.开环与闭环系统的比较开环与闭环系统的比较201-3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类 一一.分类分类n1. 按给定值的形式划分按给定值的形式划分 a.定值控制系统定值控制系统l输入量是恒定的常值输入量是恒定的常值l任务：在各种扰动作用下都能使输出量保持在恒定希望值附近任务：在各种扰动作用下都能使输出量保持在恒定希望值附近l例：恒温、水位、恒压

15、控制系统例：恒温、水位、恒压控制系统 b.随动系统随动系统（也叫伺服系统，跟踪系统）（也叫伺服系统，跟踪系统）l特点：系统的输入量是事先未知的任意时间函数。特点：系统的输入量是事先未知的任意时间函数。l任务：使输出量迅速、准确地跟随输入量的变化任务：使输出量迅速、准确地跟随输入量的变化l例：飞机和舰船的操舵系统，雷达自动跟踪系统。例：飞机和舰船的操舵系统，雷达自动跟踪系统。 c.程序控制系统程序控制系统l特点：输入量按照给定的程序变化特点：输入量按照给定的程序变化l任务任务：使输出量按预先给定的程序指令而动作：使输出量按预先给定的程序指令而动作l例：数控车床和机器人控制系统。例：数控车床和机器

16、人控制系统。定值控制系统实例：定值控制系统实例：炉温自动控制系统炉温自动控制系统21方框图方框图电位器电压及功率放大器直流执行电动机减速器调压器电炉热电偶Truruuann(t)Tcubu由于元件存在不灵敏区，只有偏差电压大到一定数值由于元件存在不灵敏区，只有偏差电压大到一定数值后电机才转动，进行控制，所以，控制精度只能保持后电机才转动，进行控制，所以，控制精度只能保持在设定值在设定值 50 C22n3.按系统的特性分类按系统的特性分类 a.线性系统线性系统(具有叠加性和齐次性，可以用线性微分方程具有叠加性和齐次性，可以用线性微分方程来描述来描述) b.非线性系统非线性系统（不适用叠加原理，用

17、非线性方程来描述）（不适用叠加原理，用非线性方程来描述）n4.按信号的形式分类按信号的形式分类 a.连续控制系统连续控制系统 b.离散控制系统离散控制系统231-4 对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求 尽管每个控制系统可能都有不同的特殊要求，但对每一类系统被控量变化全过程提出的共同要求都是一样的，而且可以归结为稳定性、快速性、准确性稳定性、快速性、准确性，即稳、准、快稳、准、快三个要求。一、基本要求一、基本要求24 理想的调节过程是：出现偏差后，执行机构突然动作，使输出量立即达到新的平衡状态，调节过程瞬时完成，实际上这是不可能的，因为什么呢？惯性！惯性！t01输入r(t)t01输入c(t

18、)12理想的调节过程实际 当一个控制系统的输入信号突然发生跳变时，这时输出量还处在原有的平衡状态，这样就出现了偏差，这个偏差控制输出量达到新的平衡，这就是一个调节过程。25整个调节过程分为两个阶段:na.过渡过程 反映系统的动态特性。（输出量处于激烈变化之中）nb.稳态过程 反映系统的稳态特性。（输出量稳定在新的平衡状态，并保持不变。） 阴影部分表示的是实际调节过程与理想调节过程的差异，差异越小，系统的调节质量越高。26n稳定性（稳定性（基本要求基本要求 ）：就是指系统重新恢复：就是指系统重新恢复平稳状态的能力，即过渡过程的收敛情况。平稳状态的能力，即过渡过程的收敛情况。n快速性快速性：指过渡

19、过程进行的时间长短。：指过渡过程进行的时间长短。n准确性准确性：指过渡过程结束后稳态误差越小越：指过渡过程结束后稳态误差越小越好。稳态误差：指过渡过程结束后，也就是好。稳态误差：指过渡过程结束后，也就是进入稳态过程后，希望的输出量与实际输出进入稳态过程后，希望的输出量与实际输出量之间的误差，是衡量系统稳态精度的重要量之间的误差，是衡量系统稳态精度的重要指标。指标。27n1.选取原则选取原则（1）在现场及实验中容易产生）在现场及实验中容易产生（2）系统在工程中经常遇到，并且是最不利的外作用。）系统在工程中经常遇到，并且是最不利的外作用。（3）数学表达式简单，便于理论分析。）数学表达式简单，便于理论分析。n2.阶跃函数阶跃函数（1）数学表达式）数学表达式 0,00,)(ttRtr二二.典型外作用：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恒量，为了能对不同的控制系统的性能用统一的标准来恒量，通常需要选择通常需要选择几种典型的外作用。的外作用。28（2）图形： 3.斜坡函数斜坡函数 （也叫速度函数）（也叫速度函数） R0 tr(t)29（1）数学表达式）数学表达式