自动控制工程 Chapter1

1、控制工程基础主讲人：蔡晨晓主讲人：蔡晨晓E-mail：南京理工大学自动化学院南京理工大学自动化学院教材及参考文献1. 胡寿松，胡寿松，自动控制原理自动控制原理（第六版），科学出版（第六版），科学出版社，社，2013年年3月月2. 胡寿松，胡寿松，自动控制原理基础教程自动控制原理基础教程（第三版），（第三版），科学出版社，科学出版社，2013年年3月月课程主要内容第一章 自动控制的一般概念第一章 自动控制的一般概念1-1 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、自动控制技术自动控制技术v自动控制自动控制是指在是指在没有人直接参与没有人直接参与的情况下，利用的情况下，利用外加的设备和装

2、置（称外加的设备和装置（称控制装置控制装置或或控制器控制器），使），使机器、设备或生产过程（统称机器、设备或生产过程（统称被控对象被控对象）的某个）的某个工作状态或参数（即工作状态或参数（即被控量被控量）自动地按照预定的）自动地按照预定的规律运行。规律运行。v自动控制系统自动控制系统被控对象被控对象控制装置控制装置被控量：被控量：即被控对象的输出量，是要求严格加以控即被控对象的输出量，是要求严格加以控制的物理量；制的物理量；控制装置：控制装置：对被控对象施加控制作用的机构的总体。对被控对象施加控制作用的机构的总体。第一章 自动控制的一般概念2、自动控制科学自动控制科学v自动控制科学是研究自动控

3、制共同规律的技术科学。自动控制科学是研究自动控制共同规律的技术科学。v自动控制理论是关于自动控制系统组成、分析和设计自动控制理论是关于自动控制系统组成、分析和设计的理论，其任务是研究自动控制系统中变量的运动规的理论，其任务是研究自动控制系统中变量的运动规律和改变这种运动规律的可能性与途径，为建立高性律和改变这种运动规律的可能性与途径，为建立高性能的自动控制系统提供必要的理论依据。能的自动控制系统提供必要的理论依据。v发展初期是以发展初期是以反馈理论反馈理论为基础的自动调节原理；为基础的自动调节原理；v二战之后形成以二战之后形成以传递函数传递函数为基础的经典控制理论，主为基础的经典控制理论，主要

4、研究要研究单输入单输入- -单输出、线性定常系统单输出、线性定常系统的分析和设计的分析和设计问题；问题；v20世纪世纪60年代之后发展了现代控制理论，主要研究具年代之后发展了现代控制理论，主要研究具有高性能、高精度的有高性能、高精度的多变量变参数多变量变参数系统的最优控制问系统的最优控制问题，主要采用的方法是以状态为基础的题，主要采用的方法是以状态为基础的状态空间法状态空间法。第一章 自动控制的一般概念3、反馈反馈(feedback)控制原理控制原理v在反馈控制系统中，控制装置对被控对象施加的在反馈控制系统中，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，用来不断控制作用，是取自被

5、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。控对象进行控制的任务。v反馈控制的实质是一个按偏差进行的控制过程。反馈控制的实质是一个按偏差进行的控制过程。 关键：利用手和书之间的差距，来缩小两者之间关键：利用手和书之间的差距，来缩小两者之间的差距。的差距。第一章 自动控制的一般概念3、反馈控制原理反馈控制原理电炉温度人工控制系统方块图电炉温度人工控制系统方块图 人工控制调节过程：人工控制调节过程：观测电炉内温度；观测电炉内温度；与要求的温度进行比较，与要求的温度进行比较，得到温度偏差的大小和方得到温度偏差的大小

6、和方向；向；根据偏差大小和方向调节根据偏差大小和方向调节调压器，控制加热电阻丝调压器，控制加热电阻丝的电流以调节温度回复到的电流以调节温度回复到要求值。要求值。第一章 自动控制的一般概念3、反馈控制原理反馈控制原理电炉温度自动控制系统方块图电炉温度自动控制系统方块图第一章 自动控制的一般概念3、反馈控制原理反馈控制原理v用测量元件用测量元件检测检测被控制的物理量（输出量）的实被控制的物理量（输出量）的实际值；际值；v将输出量的实际值与给定值（输入量）进行将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比较比较得出偏差；得出偏差；v用偏差值产生用偏差值产生控制调节控制调节作用去消除偏差，使得输作用去消除偏

7、差，使得输出量维持在期望输出。出量维持在期望输出。v反馈控制系统必须具备反馈控制系统必须具备测量测量、比较比较和和执行执行三个基三个基本功能。本功能。第一章 自动控制的一般概念控制系统方块图控制系统方块图(block diagram)v方块：方块：被控对象和控制装置的各元部件（硬件）；被控对象和控制装置的各元部件（硬件）；v信号线：信号线：系统中感兴趣的物理量（信号），用箭头表系统中感兴趣的物理量（信号），用箭头表示其流向；示其流向； 用用进入方块进入方块的箭头表示各元部件的的箭头表示各元部件的输入量输入量，用，用离离开方块开方块的箭头表示其的箭头表示其输出量输出量； 被控对象的输出量便是系统

8、的输出量，即被控量，被控对象的输出量便是系统的输出量，即被控量，一般置于方块图的最右端，系统的输入量一般置一般置于方块图的最右端，系统的输入量一般置于系统方块图的左端。于系统方块图的左端。v：代表比较元件，：代表比较元件，“”表示负反馈，表示负反馈，“+”表示正反馈。表示正反馈。第一章 自动控制的一般概念4、反馈控制系统的基本组成反馈控制系统的基本组成控制装置控制装置第一章 自动控制的一般概念4、反馈控制系统的基本组成反馈控制系统的基本组成v被控对象：被控对象：要求实现自动控制的机器、设备或生产过要求实现自动控制的机器、设备或生产过程；程；v测量元件：测量元件：检测被控制的物理量；检测被控制的

9、物理量；v给定元件：给定元件：给出与期望的被控量相对应的系统输入量；给出与期望的被控量相对应的系统输入量；v比较元件：比较元件：把测量元件检测的被控量实际值与给定元把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的输入量进行比较，求出它们之间的偏差；件给出的输入量进行比较，求出它们之间的偏差；v放大元件：放大元件：将比较元件给出的偏差信号进行放大，用将比较元件给出的偏差信号进行放大，用来推动执行元件去控制被控对象；来推动执行元件去控制被控对象；v执行元件：执行元件：直接推动被控对象，使其被控量发生变化；直接推动被控对象，使其被控量发生变化；v校正元件：校正元件：也叫补偿元件，它是结构或参数便于调整也

10、叫补偿元件，它是结构或参数便于调整的元部件，用串联或反馈连接在系统中，以改善系统的元部件，用串联或反馈连接在系统中，以改善系统的性能。的性能。第一章 自动控制的一般概念5、自动控制系统基本控制方式自动控制系统基本控制方式v开环控制方式开环控制方式控制装置与被控对象之间控制装置与被控对象之间只有顺向作用只有顺向作用而没有反而没有反向联系的控制过程，其向联系的控制过程，其特点特点是系统的输出量不会是系统的输出量不会对系统的控制作用发生影响。对系统的控制作用发生影响。v反馈控制方式反馈控制方式将输出量的测量值与期望的输出值相比较，将输出量的测量值与期望的输出值相比较，产生产生偏差信号偏差信号并将偏差

11、信号作用于执行机构的控制过并将偏差信号作用于执行机构的控制过程，其程，其特点特点是不论什么原因使被控量偏离期望值是不论什么原因使被控量偏离期望值而出现偏差时，必定会产生一个相应的控制作用而出现偏差时，必定会产生一个相应的控制作用去减小或消除这个偏差，使被控量与期望值趋于去减小或消除这个偏差，使被控量与期望值趋于一致。一致。第一章 自动控制的一般概念开环控制方式开环控制方式1、按按给定值控制给定值控制的开环控制系统的开环控制系统2、按按干扰控制干扰控制的开环控制系统的开环控制系统干扰信号：不需要的输入干扰信号：不需要的输入信号，它影响系统输出。信号，它影响系统输出。p 只适用于扰动是可测量的场合

12、，且一个补偿装置只只适用于扰动是可测量的场合，且一个补偿装置只能补偿一种扰动因素。能补偿一种扰动因素。第一章 自动控制的一般概念开环控制方式开环控制方式v开环控制方式开环控制方式特点特点： 结构简单结构简单, ,调整方便，成本低；调整方便，成本低； 精度不高（控制精度完全取决于所用元件及校准精度不高（控制精度完全取决于所用元件及校准的精度）；的精度）； 抗干扰能力差。抗干扰能力差。v开环控制的应用：交通灯、洗衣机、自动售货机开环控制的应用：交通灯、洗衣机、自动售货机等等第一章 自动控制的一般概念反馈控制方式反馈控制方式v反馈原理反馈原理按偏差进行的控制过程按偏差进行的控制过程v反馈控制方式反馈

13、控制方式特点特点： 结构复杂；结构复杂； 精度高，抗干扰能力强；精度高，抗干扰能力强； 有反馈通道，要有测量元件。有反馈通道，要有测量元件。第一章 自动控制的一般概念复合控制方式复合控制方式1、按按输入输入补偿的复合控制补偿的复合控制2、按按扰动扰动（可测）补偿的复合控制（可测）补偿的复合控制 按偏差的反馈控制和按扰动按偏差的反馈控制和按扰动的补偿控制相结合的控制方式的补偿控制相结合的控制方式第一章 自动控制的一般概念1-2 自动控制系统示例自动控制系统示例 分析控制系统的基本步骤：分析控制系统的基本步骤：v应了解生产工艺过程的特点及其对控制提出的要应了解生产工艺过程的特点及其对控制提出的要求

14、；求；v根据控制的目的和任务，确定控制系统的被控对根据控制的目的和任务，确定控制系统的被控对象和被控量；象和被控量；v根据信号的传递、加工处理和控制的关系，逐步根据信号的传递、加工处理和控制的关系，逐步地确定出控制系统的其余部分，并绘制系统的方地确定出控制系统的其余部分，并绘制系统的方块图。块图。第一章 自动控制的一般概念函数记录仪函数记录仪函数记录仪方块图函数记录仪方块图第一章 自动控制的一般概念电阻炉微型计算机温度控制系统方块图电阻炉微型计算机温度控制系统方块图电阻炉微型计算机温度控制系统电阻炉微型计算机温度控制系统第一章 自动控制的一般概念锅炉液位控制系统方块图锅炉液位控制系统方块图锅炉

15、液位控制系统锅炉液位控制系统第一章 自动控制的一般概念1-3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类v 按按数学模型数学模型分分线性系统线性系统与与非线性系统非线性系统线性系统由线性微分方程、线性差分方程或线性代线性系统由线性微分方程、线性差分方程或线性代数方程描述（满足叠加性和齐次性）；数方程描述（满足叠加性和齐次性）；系统中只要有一个元部件的输入系统中只要有一个元部件的输入- -输出特性是非线输出特性是非线性的，就为非线性系统；性的，就为非线性系统；实际物理系统中都含有程度不同的非线性元部件，实际物理系统中都含有程度不同的非线性元部件，可采用在一定范围内线性化的方法，将非线性控制可采用在一定

16、范围内线性化的方法，将非线性控制系统近似为线性化控制系统。系统近似为线性化控制系统。第一章 自动控制的一般概念1-3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类v 按按信号的性质信号的性质分分连续系统连续系统与与离散（数字）系统离散（数字）系统 连续系统中各部分传递的信号都是随时间连续变连续系统中各部分传递的信号都是随时间连续变化的信号；化的信号；连续系统通常采用微分方程描述。连续系统通常采用微分方程描述。 离散系统中某一处或多处的信号为脉冲序列或数离散系统中某一处或多处的信号为脉冲序列或数码形式，即信号在时间上是离散的；码形式，即信号在时间上是离散的；离散系统通离散系统通常采用差分方程描述。常采用

17、差分方程描述。 连续信号经过采样开关的采样就可转换为离散信连续信号经过采样开关的采样就可转换为离散信号。一般离散系统中既有连续的模拟信号，也有号。一般离散系统中既有连续的模拟信号，也有离散的数字信号。离散的数字信号。 第一章 自动控制的一般概念线性定常连续系统线性定常连续系统)()()()()()()()(1111011110trbtrdtdbtrdtdbtrdtdbtcatcdtdatcdtdatcdtdammmmmmnnnnnn 式中：式中：c(t) 是被控量，是被控量，r(t) 是输入量。是输入量。 定常系统又称为定常系统又称为时不变系统时不变系统，其特点是：描述系，其特点是：描述系统运

18、动的微分或差分方程的系数均为常数。统运动的微分或差分方程的系数均为常数。 线性系统的线性系统的叠加原理叠加原理表明：两个外作用同时加于表明：两个外作用同时加于系统所产生的总输出，等于各个外作用单独作用系统所产生的总输出，等于各个外作用单独作用时分别产生的输出之和，且外作用的数值增大若时分别产生的输出之和，且外作用的数值增大若干倍时，其输出亦增大同样的倍数。干倍时，其输出亦增大同样的倍数。第一章 自动控制的一般概念1-3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类v按按输入量的变化规律输入量的变化规律分分 1、恒值控制恒值控制系统系统 系统输入量为系统输入量为恒定值恒定值； 控制的控制的基本任务基本任

19、务是保证在任何扰动作用下系统的是保证在任何扰动作用下系统的输出量保持为恒定的期望值；输出量保持为恒定的期望值； 系统分析、设计的重点是研究各种扰动对被控对系统分析、设计的重点是研究各种扰动对被控对象的影响以及抗扰动的措施。象的影响以及抗扰动的措施。 如：电阻炉温度控制系统、锅炉液位控制系统等如：电阻炉温度控制系统、锅炉液位控制系统等第一章 自动控制的一般概念1-3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类v按按输入量的变化规律输入量的变化规律分分 2、随动随动系统系统 系统输入量系统输入量随时间任意变化，不能预先确知随时间任意变化，不能预先确知； 控制的控制的基本任务基本任务是使系统的输出量以要求

20、的精度是使系统的输出量以要求的精度迅速、平稳地跟随输入量变化，并能排除各种干迅速、平稳地跟随输入量变化，并能排除各种干扰因素的影响。扰因素的影响。 系统分析、设计的重点是研究被控量跟随的快速系统分析、设计的重点是研究被控量跟随的快速性和准确性。性和准确性。 如：函数记录仪、雷达跟踪系统等如：函数记录仪、雷达跟踪系统等第一章 自动控制的一般概念1-3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类v按按输入量的变化规律输入量的变化规律分分 3、程序控制程序控制系统系统 系统输入量系统输入量按预定规律随时间变化按预定规律随时间变化； 控制的控制的基本任务基本任务是要求被控量迅速、准确地复现是要求被控量迅速、

21、准确地复现输入量；输入量； 如：数控加工系统等如：数控加工系统等第一章 自动控制的一般概念1-3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类按按时间时间概念分：概念分：定常系统、时变系统定常系统、时变系统 按按输入输出信号的数量输入输出信号的数量分：分：单输入单输出系统、单输入单输出系统、多输入多输出系统多输入多输出系统按按控制方式控制方式分：分：开环控制系统、闭环控制系统、开环控制系统、闭环控制系统、复合控制系统复合控制系统按按系统功用系统功用分类：分类：温度控制系统、压力控制系统、温度控制系统、压力控制系统、位置控制系统位置控制系统 按按元件类型元件类型分类：分类：机械系统、电气系统、机电系机械

22、系统、电气系统、机电系统、气动系统、液压系统、生物系统统、气动系统、液压系统、生物系统第一章 自动控制的一般概念1-4 自动控制系统的基本要求自动控制系统的基本要求v 基本要求：基本要求：稳定性稳定性、快速性快速性、准确性准确性 1）稳定性稳定性 稳定性是指动态过程的振荡倾向和系统的重新稳定性是指动态过程的振荡倾向和系统的重新恢复平衡状态的能力。恢复平衡状态的能力。 稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件。稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件。 稳定的控制系统，其被控量偏离期望值的初始稳定的控制系统，其被控量偏离期望值的初始偏差应随时间的增长逐渐减小或趋于零。偏差应随时间的增长逐渐减小或趋于

23、零。 线性自动控制系统的稳定性是由系统结构所决线性自动控制系统的稳定性是由系统结构所决定的，与外界因素无关。定的，与外界因素无关。第一章 自动控制的一般概念1-4 自动控制系统的基本要求自动控制系统的基本要求2）快速性快速性 控制系统中一般含有控制系统中一般含有储能元件或惯性元件储能元件或惯性元件，由于，由于储能元件的能量不可能突变，而惯性元件使控制储能元件的能量不可能突变，而惯性元件使控制动作不能及时准确地产生，因此当系统受到扰动动作不能及时准确地产生，因此当系统受到扰动或有输入时，控制过程不会立即完成，而是有一或有输入时，控制过程不会立即完成，而是有一定的定的延缓和调节过程延缓和调节过程，

24、这使得被控量恢复期望值，这使得被控量恢复期望值或跟踪输入量有一个时间过程，称为过渡过程。或跟踪输入量有一个时间过程，称为过渡过程。 过渡过程性能（动态性能）包括过渡过程性能（动态性能）包括快速性快速性和和平稳性平稳性，即对控制系统过渡过程的时间（即快速性）和最即对控制系统过渡过程的时间（即快速性）和最大振荡幅度（即超调量）一般都有具体要求。大振荡幅度（即超调量）一般都有具体要求。第一章 自动控制的一般概念1-4 自动控制系统的基本要求自动控制系统的基本要求3）准确性准确性 稳态误差是在系统过渡过程结束后，期望的稳态稳态误差是在系统过渡过程结束后，期望的稳态输出量与实际的稳态输出量（即平衡状态）之差。输出