第一次课(授课内容)

1、4 4、自动控制研究的内容：、自动控制研究的内容：研究对象研究对象 数学工具数学工具 分析方法分析方法局限性局限性经典经典控制控制理论理论单单I/OI/O线性定常线性定常系统系统微分方程微分方程传递函数传递函数时域法时域法频域法频域法根轨迹法根轨迹法对复杂多变量对复杂多变量系统、时变和系统、时变和非线性系统无非线性系统无能为力能为力现代现代控制控制理论理论多输入多输入- -多多输出变系输出变系数，非线数，非线性等系统性等系统线性代数线性代数矩阵矩阵理论理论状态状态空间法空间法比较繁琐比较繁琐（但由于计（但由于计算机技术的算机技术的 迅速发展，迅速发展，已克服已克服) ) 二、自动控制系统的基本

2、概念控制系统可以由人工控制，也可以采用自动控制。控制系统可以由人工控制，也可以采用自动控制。 1、人工控制：、人工控制：进进水水水水池池要要求求水水位位实实际际水水位位出出水水 液位人工控制原理图液位人工控制原理图 液位控制系统液位控制系统若要求在出水量随意的条件下，保持水位高度不变：操作人员需先测实际水位，并在脑子中与要求的水位进行比较。若低于要求的水位，则需开大进水阀门。否则应关小进水阀门。若两者正好相等，则进水阀门不动。人工控制（续）人工控制（续） 根据系统原理图可画出其方框图如图所示。根据系统原理图可画出其方框图如图所示。 要要求求水水位位执执行行水水池池实实际际水水位位出出水水量量测

3、测量量 比比较较、计计算算水位人工控制系统方框图水位人工控制系统方框图人工控制（续）人工控制（续） 2、自动控制、自动控制机械机械水位自动控制系统原理图水位自动控制系统原理图1用一个浮球眼睛“观测”液位用一个杠杆系统人的手臂和大脑 当液位受干扰上升时，浮球上升，杠杆a端上升，b端下降，阀门的阀芯下降，使水槽的进水量减少，进水量的减少使液位下降，最终达到一个稳定的平衡点，实现控制的目的； 当液位受干扰下降时，调节过程相反，同样能使液位稳定在平衡点。自动控制自动控制1（续）（续） 水位自动控制系统方框图水位自动控制系统方框图12、自动控制、自动控制-仪表仪表 该水池若改为由自动控制装置代替操作人员

4、：由浮子测出实际水位，与要求的水位比较。然后得出偏差再由调节元件根据偏差的大小和正负产生控制信号。最后由执行元件根据信号产生控制作用。如图所示。进进水水浮浮子子实实际际水水位位出出水水 + +- -连连杆杆电电机机M M水位自动控制系统原理图水位自动控制系统原理图 浮子测水位，由连杆和电位器进行比较：浮子低则电位器上得到正电压，经放大后使电机向进水阀门开大的方向旋转；反之，当浮子高时，电位器上得到负电压，电机向阀门关小的方向旋转；若水位正好，则电位器上电压为零，电机不转，阀门不动。要求水位电电机机阀阀门门水水池池出出水水量量实实际际水水位位浮浮子子 电位器连杆比较 水位自动控制系统方框图水位自

5、动控制系统方框图自动控制（续）自动控制（续）3 3、控制系统中的常用术语、控制系统中的常用术语 （1）自动控制在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置使整个生产过程或工作机械自动的按预定规律运行、或使其某个参数按要求变化。（2）控制装置外加的设备或装置，亦叫控制器。（3）被控对象被控制的设备。（4）被控量表征被控对象工作状态的物理参量，也叫输出量。（5）给定量要求被控量所应保持的数值。也叫输入量或叫参考输入。（6）干扰量系统不希望的外作用，也叫扰动输入。如液位自动控制系统：如液位自动控制系统：进进 水水浮浮 子子实实际际水水位位出出 水水 + +- -连连杆杆电电 机机M M水位自动控制

6、系统原理图水位自动控制系统原理图干扰干扰信号信号 测量测量元件元件 输出量输出量 被控对象被控对象 比较元件比较元件 （9）自动控制系统：由被控对象和控制器按一定方式连接起来的、完成一定自动控制任务的总体。（7）反馈量：由系统输出端取出并反向送回系统输 入端的信号。反馈有主反馈和局部反馈之分。（8）偏差量：给定量与主反馈信号之差。自动控制系统的组成自动控制系统的组成 利用控制器操纵被控对象，使其被控量按技术要求变化。若r(t)给定量，c(t)被控量，则自控的任务之数学表达式为：使被控量满足c(t) r(t)。自控系统的组成如图所示。三、自动控制系统的基本组成三、自动控制系统的基本组成控制器控制

7、器给定元件：其职能是给出与期望的被控量相对应的系统输入量。一般为电位器。比较元件：其职能是把测量到的被控量实际值与给定元件给出的输入量进行比较，求出他们之间的偏差。常用的有差动放大器、机械差动装置、电桥电路、计算机等。测量元件：其职能是检测被控制量的物理量。如测速机、热电偶、自整角机、电位器、旋转变压器、浮子等。基本组成（续）基本组成（续）放大元件：其职能是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受控对象。如：晶体管、集成电路、晶闸管等组成的电压、功率放大器。执行元件：其职能是直接推动受控对象，使其被控量发生变化。如：阀门、电机、液压马达等。基本组成（续）基本组成（续）：从信号

8、传送看：c(t)经测量后回到输入端，构成闭环，具有反馈形式，且为负反馈。从控制作用的产生看：由偏差产生的控制作用使系统沿减小或消除偏差的方向运动偏差控制。校正元件：也叫补偿元件，它是结构或参数便于调整的元件。用串联或并联（反馈）的方式连接于系统中，以改善系统的性能。如：电阻、电容组成的无源或有源网络，还有计算机。基本组成（续）基本组成（续）由： 四部分组成。 被控变量被控变量标准信号标准信号输出信号输出信号操纵变量操纵变量 用下图表示控制系统的构成，这是通用的单输入单输出控制系统的框图。 这种方式是将表示各环节的方块根据信号流的关系排列起来，组成自动控制系统的方框图。 将被控变量检测并转换为标

9、准信号，当系统受到干扰影响时，检测信号与设定值之间就有偏差，因此，检测变送信号在中与设定值比较，其偏差按一定的控制规律预算，并输出信号驱动改变操纵变量，使的被控变量回复到设定值。进水进水排空阀排空阀加热器加热器安全阀安全阀蒸汽输出蒸汽输出 案例分析案例分析工业用电加热炉温度、液位控制系统工业用电加热炉温度、液位控制系统 通过对电加热炉工艺基本要求进行分析可知，该电加热炉锅炉的控制可分为两个问题： （1）电加热炉的恒温控制和液位的定值控制 （2）系统由检测变送单元、控制器、执行器和被控对象组成。 以电加热炉液位的定值控制为例，该系统的控制流程图如图所示。 操作人员以为操作指示，以改变为控制手段。

10、操作人员所进行的工作有三个方面：用观察高低，并通过神经系统告诉大脑；思考后得出偏差值，然后根据操作经验，决策后发出命令；根据大脑发出的命令，去改变阀门开度，以改变流出量Q，从而使液位保持在所需高度上。 锅炉液位定值控制系统的自动控制流程图如图所示。代替了代替了代替 下图给出了对应系统的带测点的系统流程图。 如果采用人工直接参与的控制系统： （1）对电加热炉的恒温控制系统来说，其组成是： 检测变送单元是温度计 控制器是大脑 执行器是加热器 被控对象是电加热炉 （2）对电加热液位定值控制系统来说，其组成是： 检测变送单元是人眼 控制器是人脑 执行器是人手 被控对象是电加热炉 如果采用自动控制系统：

11、 （1）对电加热炉的恒温自动控制系统来说，其组成是： 检测变送单元温度变送器 控制器是用计算机实现的运算处理装置 执行器是电加热器 被控对象是电加热炉 对电加热液位定值自动控制系统来说，其组成是： 检测变送单元是液位变送器 控制器采用计算机实现的运算处理装置 执行器是控制阀 被控对象是电加热炉 在以上的讨论中，只涉及了由具体装置或设备构成的控制系统，而没有涉及生产过程本身以及对生产过程的控制起主导作用的主体人的作用。 为了便于人了解被控对象的运行状态并进行人工的操作与调节，控制系统还必须提供人机界面。在任何一个控制系统中，人机界面都是必不可少的重要组成部分。一个完整的控制系统所有的组成部分如图

12、：包括了： 测量值的显示 计算参数的显示 人工操作设备（如按钮、调节手柄） 对运算处理装置进行设定和控制算法预置的设备等。 控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没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。有反向联系的控制。温度计温度计 加热电阻丝加热电阻丝u220Vk炉温开环控制系统炉温开环控制系统 开关闭合后，不开关闭合后，不同的输入电压同的输入电压u u对应于对应于不同的温度不同的温度t t。给定值给定值输出量输出量控制器控制器被控制被控制对象对象扰动扰动输出量输出量 受控对象受控对象控制装置控制装置 (电源电源 )输入量输入量( (温度温度) )扰动量扰动量开关开关电炉恒电

13、炉恒温箱温箱加热电加热电阻丝阻丝炉温开环控制系统方框图炉温开环控制系统方框图控制方式控制方式： 按给定值操纵。信号由给定值至输出量单向传按给定值操纵。信号由给定值至输出量单向传递。一定的给定值对应一定的输出量。系统的控制递。一定的给定值对应一定的输出量。系统的控制精度取决于系统事先的调整精度。对于工作过程中精度取决于系统事先的调整精度。对于工作过程中受到的扰动或特性参数的变化无法自动补偿。结构受到的扰动或特性参数的变化无法自动补偿。结构简单，成本低廉，多用于系统结构参数稳定和扰动简单，成本低廉，多用于系统结构参数稳定和扰动信号较弱的场合信号较弱的场合. .开环控制系统特点：开环控制系统特点：

14、信号从输入到输出无反馈信号从输入到输出无反馈, ,单向传递单向传递. . 结构简单结构简单. . 控制精度不高控制精度不高, ,无法抑制扰动无法抑制扰动. .反馈控制任务：控制任务：保持工作机械恒速运行保持工作机械恒速运行. .控制过程：控制过程：fanuuun 典型闭环系统方框图典型闭环系统方框图特点特点: 输出影响输入，所以能削弱或抑制干输出影响输入，所以能削弱或抑制干扰；低精度元件可组成高精度系统；因为扰；低精度元件可组成高精度系统；因为可能发生超调，振荡，所以稳定性很重要可能发生超调，振荡，所以稳定性很重要 主主 反反 馈馈 与输出成正比或某种函数关系，但量纲与给定信号相同；与输出成正

15、比或某种函数关系，但量纲与给定信号相同；偏偏 差差 给定信号与主反馈信号之差的信号；给定信号与主反馈信号之差的信号；控制单元控制单元 接受偏差信号，通过转换与运算，产生期望的控制量；接受偏差信号，通过转换与运算，产生期望的控制量；扰扰 动动 对系统输出产生不利影响的信号；对系统输出产生不利影响的信号；反馈环节反馈环节 检测输出信号并转换与给定输入信号相同量纲的信号。检测输出信号并转换与给定输入信号相同量纲的信号。输出量输出量环节名称环节名称（或特性）（或特性）输入量输入量(a) (- -)(b)re=r-b b(c)c引出点引出点cc 扰动扰动被控量被控量偏差偏差信号信号 (- -) 参考参考

16、 输入信号输入信号r(t) 调节器调节器(或控制器或控制器)u(t)受控系统受控系统e(t) c(t)反馈信号反馈信号 控制量控制量 给定给定 控制控制 环节环节 放大放大 元件元件 执行执行 机构机构 受控受控 对象对象 反馈装置反馈装置 (测量元件测量元件)扰动扰动(b) 方框图方框图(- -)utug 给定给定 装置装置 放大器放大器 电动机电动机 转速反转速反 馈装置馈装置 触发器触发器 晶阐管可晶阐管可 控整流器控整流器控控 制制 装装 置置受控对象受控对象nueudo 它是把按偏差控制与按扰动控制结合起来，对于主它是把按偏差控制与按扰动控制结合起来，对于主要扰动采用适当的补偿装置实

17、现按扰动控制，同时再组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，以消除其余扰动产生成反馈控制系统实现按偏差控制，以消除其余扰动产生的偏差。的偏差。按扰动按扰动补偿补偿ou 输入信号输入信号 (- -) 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R电动机速度复合控制系统方框图电动机速度复合控制系统方框图eutunMc五、五、 自动控制系统的分类自动控制系统的分类 开环控制系统 闭环控制系统 复合控制系统1、从信号传送的特点或系统结构特点分类 也称镇定系统。输出量以一定的精度等于也称镇定系统。输出量以一

18、定的精度等于给定值，而给定值一般不变化或变化很缓慢，给定值，而给定值一般不变化或变化很缓慢，扰动可随时变化的系统称为恒值系统，在生产扰动可随时变化的系统称为恒值系统，在生产过程中，这类系统非常多。例如，冶金部门的过程中，这类系统非常多。例如，冶金部门的恒温系统，石油部门的恒压系统等。恒温系统，石油部门的恒压系统等。恒值系统：恒值系统：2、从给定值得变化情况分类（特点分类） 系统通过间隙传感器实时测量出密封间隙值并送入计算系统通过间隙传感器实时测量出密封间隙值并送入计算机，与设定值比较后，发出控制指令至电动机提升机构，调机，与设定值比较后，发出控制指令至电动机提升机构，调整密封板的位置，达到维持

19、密封间隙值恒定的目的。整密封板的位置，达到维持密封间隙值恒定的目的。 输出量能以一定精度跟随给定值变化输出量能以一定精度跟随给定值变化的系统称随动系统，又称为跟踪系统。的系统称随动系统，又称为跟踪系统。这这类系统的特点是系统的给定值变化规律完类系统的特点是系统的给定值变化规律完全取决于事先不能确定的时间函数。例如，全取决于事先不能确定的时间函数。例如，火炮系统，卫星控制系统等。火炮系统，卫星控制系统等。随动系统：随动系统：控制任务：控制任务：要求工作机械能够跟随指令机构同要求工作机械能够跟随指令机构同步转动步转动, ,即要使工作机械的角位置跟随给定指即要使工作机械的角位置跟随给定指令转角，亦即

20、使：令转角，亦即使：oi 首先确定以下基本问题：首先确定以下基本问题：（1 1）受控对象）受控对象: : 工作机械；工作机械；（2 2）被）被 控控 量量: : 角位置；角位置；（3 3）指令转角）指令转角: : 给定值；给定值；（4 4）测量元件）测量元件: : 通过两个相同的电位计测量转角及，并转换为通过两个相同的电位计测量转角及，并转换为 相应的电压及；相应的电压及；（5 5）计算比较）计算比较: : 两个测量电位计的桥式连接，即完成了减法运算，两个测量电位计的桥式连接，即完成了减法运算， 两电刷之间的电压代表了被控量对给定量的误差；两电刷之间的电压代表了被控量对给定量的误差；（6 6）

21、执行机械）执行机械: : 电机减速装置。电机减速装置。系统的工作原理：系统的工作原理： 如果工作机械转角等于指令转角，则经事先整定，如果工作机械转角等于指令转角，则经事先整定，即电机不动，系统处于平衡状态。当指令转角改变，随之改变，而工即电机不动，系统处于平衡状态。当指令转角改变，随之改变，而工作机械仍处于原位，则从而使电动机拖动工作机械朝所要求的方向快作机械仍处于原位，则从而使电动机拖动工作机械朝所要求的方向快速偏转，直至电机停转，此时系统在新的位置上处于与指令同步的平速偏转，直至电机停转，此时系统在新的位置上处于与指令同步的平衡工作状态，即完成了跟随的任务。衡工作状态，即完成了跟随的任务。

22、 自动控制系统的被控制量如果是根据自动控制系统的被控制量如果是根据预先编好的程序进行控制的系统称程序控预先编好的程序进行控制的系统称程序控制系统。制系统。例如，炼钢炉中的微机控制系统，例如，炼钢炉中的微机控制系统，洲际弹道导弹的程序控制系统等。洲际弹道导弹的程序控制系统等。程序控制系统：程序控制系统：可分为线性控制系统和非线性控制系统可分为线性控制系统和非线性控制系统 线性系统的数学描述： 线性函数，如线性微分方程、线性差分方程、线性代数方程。线性系统具有齐次性和叠加性，其优点是数学处理简便，理论体系完整。 非线性控制系统： 用非线性方程描述的系统，不满足叠加原理。3、按数学描述分类可分为连续

23、控制系统和离散控制系统： 连续控制系统：系统中各变量均对时间连续。 离散控制系统：系统中一处或几处的变量为离散信号，如计算机控制系统或采样控制系统。0t t连续信号连续信号0t t离散信号离散信号4、按时间信号的性质分类 定常系统： 系统的参数不随时间变化的系统。描述其动态特性的微分方程或差分方程的系数为常数。 时变系统： 系统的参数随时间而变化。描述其动态特性的微分方程或差分方程的系数不为常数。 可分为定常系统与时变系统可分为定常系统与时变系统5、按系统参数是否随时间变化分类稳定性稳定性 被控制信号能跟踪已变化的输入信号，从一种状态到另一种状态，如果被控制信号能跟踪已变化的输入信号，从一种状态到另一种状态，如果能做到，我们就认为该系统是稳定的，这是对反馈控制系统提出的最基本要能做到，我们就认为该系统是稳定的，这是对反馈控制系统提出的最基本要求。求。 快速性快速性对过渡过程的形式和快慢提出要求，一