自动控制原理基础

1、自动控制理论概述自动控制理论概述西安航空职业技术学院西安航空职业技术学院 张亚维张亚维主要内容主要内容5. 控制系统举例控制系统举例 4.对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求3. 基本控制方式基本控制方式1.自动控制的应用与发展自动控制的应用与发展 小结小结2. 自动控制基本概念自动控制基本概念教学目标：教学目标：v 1.了解自动控制的发展v 2.掌握反馈控制系统的组成及原理v 3.了解控制系统系统方框图的构成要素v 4.掌握开闭环控制系统特性1.自动控制的应用与发展自动控制的应用与发展人造地球卫星的发射成人造地球卫星的发射成功与安全返回。功与安全返回。导弹的准确击中目标，雷达系统的准确跟

2、踪目标：导弹的准确击中目标，雷达系统的准确跟踪目标：交通系统：v安全、快捷、舒适、准点安全、快捷、舒适、准点钢铁生产钢铁生产制造系统：数控机床数控机床加工生产线加工生产线自动码垛机器人自动码垛机器人自动包装机器人自动包装机器人家用电器：v电扇：控制转速电扇：控制转速v电冰箱、空调、电饭煲：电冰箱、空调、电饭煲：控制温度控制温度v洗衣机：洗衣机：控制水位、强弱、时间等控制水位、强弱、时间等 智能建筑：通信通信电梯电梯供水供水通风通风空调空调安防安防抄表抄表拉提琴拉提琴灵巧手灵巧手排排 爆爆步行步行吹笛吹笛足球比赛足球比赛机器人： 自动控制的应用领域自动控制的应用领域v军事工业军事工业v航空航天航

3、空航天v制造业制造业v机器人机器人v流程工业流程工业v电子工业电子工业v家用电器家用电器v交通系统，楼宇系统，经济系统，社会系统交通系统，楼宇系统，经济系统，社会系统 v 4050年代年代 经典控制理论经典控制理论 （频域法或复频域法）（频域法或复频域法）核心：传递函数，稳定性、稳定裕度等核心：传递函数，稳定性、稳定裕度等特点：图形方法，直观简便，设置参数少，特点：图形方法，直观简便，设置参数少， （以简单控制结构获取相对满意的性能）（以简单控制结构获取相对满意的性能）v 适用范围：单输入单输出（适用范围：单输入单输出（SISO）系统）系统数学基础：复变函数，积分变换数学基础：复变函数，积分变

4、换SISO: Single Input and Single Outputv 60 70年代年代 现代控制理论（状态空间法）现代控制理论（状态空间法）核心：状态变量的能控、能观性，核心：状态变量的能控、能观性， 系统性能的最优化系统性能的最优化特点：时域法，统一处理特点：时域法，统一处理SISO、MIMO系统，系统， 有完整的理论体系有完整的理论体系v 数学基础：线性代数，矩阵理论数学基础：线性代数，矩阵理论缺点：对系统的数学模型精度要求高，缺点：对系统的数学模型精度要求高， 实际性能达不到设计的最优，实际性能达不到设计的最优， 所需状态反馈难以直接实现所需状态反馈难以直接实现MIMO: Mu

5、lti-Input and Multi-Outputv自动控制理论经典控制理论经典控制理论现代控制理论现代控制理论非线性控制系统非线性控制系统线性控制系统线性控制系统连续控制系统连续控制系统离散控制系统离散控制系统2 自动控制的基本概念自动控制的基本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。 自动控制系统是在人工调节的基础上产生和发展起来的，自动控制系统是在人工调节的基础上产生和发展起来的，其主要装置包括其主要装置包括测量元件与变送器、自动控制器、执行器测量元件与变送器、自动控制器、执行器，分，分别代替了人的眼、脑、手三个器官。别代替了人的眼、

6、脑、手三个器官。 要求观察思考调节变换显示记录调节给定值执行机构检测仪表记录仪显示器调节器控制器控制器变送器变送器执行器执行器人人工工控控制制自自动动控控制制 测量及变送器测量及变送器测量出被测参数的大小并将它转化为一种特定、统一的信号输出。测量出被测参数的大小并将它转化为一种特定、统一的信号输出。 控制器控制器将给定值与测量信号进行比较，求出偏差将给定值与测量信号进行比较，求出偏差, 按照预先的控制律计算按照预先的控制律计算并将结果作为控制信号送给执行机构。并将结果作为控制信号送给执行机构。 执行器执行器接受控制器的控制信号，驱动被控对象，使被控变量发生变化。接受控制器的控制信号，驱动被控对

7、象，使被控变量发生变化。控制系统中的基本概念控制系统中的基本概念 v(1) 自动控制自动控制在无人直接参与的情况下，利用控制装置使被控制对象和过程自动地按预定规律变化的控制过程。v(2) 被控对象被控对象被控制的机器或生产过程。v(3) 被控量被控量表征被控对象工作状态的物理参量，也叫输出量。v(4) 给定量给定量作用与控制对象/系统的输出端，并可使系统具有预定功能或预定输出的物理量。v(5) 扰动扰动所有影响控制量对被控量按照要求进行正常控制的因素。如水箱自动控制系统：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水箱自动控制系统原理图水箱自动控制系统原

8、理图干扰干扰信号信号 测量测量元件元件 输出量输出量 受控对象受控对象 比较元件比较元件 自动控制系统自动控制系统给定量给定量控制器控制器被控量被控量干扰量干扰量自控系统自控系统受控对象受控对象(6) 反馈量反馈量：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。(7) 偏差量偏差量：给定量与主反馈信号之差。(8) 自动控制系统自动控制系统：由受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。自动控制系统的组成自动控制系统的组成1、自动控制系统由被控对象和自动控制装置两个基本部分组成。2、实现自动控制作用所需要的自动控制装置 测量单元（测量变送器、检测变

9、送器） 控制单元（控制器、调节器） 执行单元（执行机构，包括执行器和调节机构） 3、自动控制系统中的各装置是通过信号的传递和转换相互联系起来的。 自动控制的任务自动控制的任务利用控制器操纵受控对象，使其被控量按利用控制器操纵受控对象，使其被控量按技术要求变化。若技术要求变化。若r(t)给定量，给定量，c(t)被控量，则自控的任被控量，则自控的任务之数学表达式为：使被控量满足务之数学表达式为：使被控量满足c(t) r(t)。自控系统的组。自控系统的组成如图所示。成如图所示。串 联 校 正放 大执 行受 控 对 象反 馈 校 正测 量输入量输入量输出量输出量自动控制系统的组成自动控制系统的组成给定

10、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。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。基本组成基本组成执行元件：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。校正元件：也叫补偿元件，它是结构或参数便 于调整的元

11、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。v自控系统的特点自控系统的特点：从信号传送看：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。v(1)能直观地表达自动控制系统中各设备之间相互作用与信号传递关系的示意图称为自动控制系统的原理方框图。v(2)方框图的四个要素自动控制系统原理方框图(a)信号线：用箭头表示信号“x”的传递方向的连接线。(b)汇交点 (相加点、综合点)：表示两个信号“x1”与“x2”的代数和。(c)分支点(引出点

12、)：表示把信号“x”分两路取出。(d)环节：方框图中的一个方框。方框图中各符号的意义 元部件元部件 方框（块）图方框（块）图 信号（物理量）及传递方向信号（物理量）及传递方向 中的符号中的符号 比较点比较点 引出点引出点 表示负反馈表示负反馈3 基本控制方式基本控制方式按照控制方式和策略，系统可分为开环控制系统和闭环控制系统两大类。开环控制系统开环控制系统闭环控制系统闭环控制系统 按干扰补偿的开环控制系统按干扰补偿的开环控制系统计算计算控制对象控制对象测测量量被控量被控量执行执行干扰干扰 按给定值操纵的开环控制系统按给定值操纵的开环控制系统计算计算控制对象控制对象给定值给定值（控制装置）（控制

13、装置）被控量被控量执行执行干扰干扰直流电机调速开环控制系统开环控制系统特点：特点：无反馈环节无反馈环节优点：优点：结构简单，系统稳定性好，成本也低结构简单，系统稳定性好，成本也低缺点：缺点：当控制过程受到各种扰动因素影响时，将会直当控制过程受到各种扰动因素影响时，将会直接影响输出量，而系统不能自动进行补偿。特别是当无接影响输出量，而系统不能自动进行补偿。特别是当无法预计的扰动因素使输出量产生的偏差超过允许的限度法预计的扰动因素使输出量产生的偏差超过允许的限度时时 ，开环控制系统便无法满足技术要求，开环控制系统便无法满足技术要求适用场合：适用场合：在输出量和输入量之间的关系固定，且内在输出量和输

14、入量之间的关系固定，且内部参数或外部负载等扰动因素不大，或这些扰动因素产部参数或外部负载等扰动因素不大，或这些扰动因素产生的误差可以预计确定并能进行补偿，应尽量采用开环生的误差可以预计确定并能进行补偿，应尽量采用开环控制系统，控制系统，比如自动化流水线、自动洗衣机等。比如自动化流水线、自动洗衣机等。 闭环控制系统闭环控制系统 系统输出量对控制作用有直接影响系统输出量对控制作用有直接影响 ； 实现了按偏差控制；实现了按偏差控制； 也称为反馈控制；也称为反馈控制； 闭环控制系统由前向通道（控制器和控制对象）和闭环控制系统由前向通道（控制器和控制对象）和反馈通道（反馈装置）构成；反馈通道（反馈装置）

15、构成； 反馈控制：正反馈和负反馈；反馈控制：正反馈和负反馈； 具有正反馈形式的系统一般不能改进系统性能，而具有正反馈形式的系统一般不能改进系统性能，而且容易使系统性能变坏且容易使系统性能变坏 ； 通常而言，反馈控制就是指负反馈控制。通常而言，反馈控制就是指负反馈控制。 闭环系统必须考虑稳定性问题闭环系统必须考虑稳定性问题闭环直流调速系统特点：有反馈环节优点：可以自动进行补偿，可以达到很高的控制精度可以自动进行补偿，可以达到很高的控制精度。缺点：要增加检测、反馈比较，调节器等部件，会使系统系统 复杂复杂、成本提高。而且闭环控制会带来副作用，使系统的稳定性变差稳定性变差，甚至造成不稳定。这是采用闭

16、环控制时必须重视并要加以解决的问题。适用场合：使用开环控制不能满足控制要求时就可采用闭使用开环控制不能满足控制要求时就可采用闭环控制环控制与开环控制系统相比，闭环控制系统的最大特点是检测偏与开环控制系统相比，闭环控制系统的最大特点是检测偏差、纠正偏差差、纠正偏差 ；从系统结构上看，闭环系统具有反向通道；从系统结构上看，闭环系统具有反向通道； 从功能上看，闭环系统具有如下特点：从功能上看，闭环系统具有如下特点： 由于增加了反馈通道，系统的控制精度得到了提高，由于增加了反馈通道，系统的控制精度得到了提高，若采用开环控制，要达到同样的精度，则需要高精度若采用开环控制，要达到同样的精度，则需要高精度的

17、控制器，从而大大增加了成本；的控制器，从而大大增加了成本；由于存在系统的反馈，可以较好地抑制系统各环节中由于存在系统的反馈，可以较好地抑制系统各环节中可能存在的扰动和由于器件的老化而引起的结构和参可能存在的扰动和由于器件的老化而引起的结构和参数的不确定性；数的不确定性；反馈环节的存在可以较好地改善系统的动态性能。反馈环节的存在可以较好地改善系统的动态性能。 闭环系统与开环系统的区别闭环系统与开环系统的区别4 对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求对自动控制系统的要求，在时域中一般可归纳为三大性能指标：（1）稳定性保证系统正常工作的先决条件。（2）快速性为了很好完成控制任务，还必须对其过渡过程

18、的形式和快慢提出要求。（3）准确性要求系统最终的响应准确度。上述要求，简称稳、快、准。不同的系统对稳、快、准的要求一般是不同的。对同一系统的稳、快、准是相互制约的。“稳”与“快”是说明系统动态（过渡过程）品质。 “准”是说明系统的稳态（静态）品质。 对自动控制系统的要求，在时域中一般可归纳为三大性能指标：（1）稳定性保证系统正常工作的先决条件。（2）快速性为了很好完成控制任务，还必须对其过渡过程的形式和快慢提出要求。（3）准确性要求系统最终的响应准确度。上述要求，简称稳、快、准。不同的系统对稳、快、准的要求一般是不同的。对同一系统的稳、快、准是相互制约的。“稳”与“快”是说明系统动态（过渡过程

19、）品质。 “准”是说明系统的稳态（静态）品质。 v飞机上的自动驾驶仪是一种能保持或改变飞机飞行状态的自动装置。它可以稳定飞行的 姿态、高度和航迹，可以操纵飞机爬高、下滑和转弯，如同飞行员操纵飞机一样。v自动驾驶仪控制飞机飞行是通过控制飞机的三个操纵面一 升降舵、方向舵和副翼的偏转来改变舵面的空气动力特性，以形成围绕飞机质心的旋转转 矩，从而改变飞机的飞行姿态和轨迹。v现以比例式自动驾驶仪稳定飞机俯仰角为例，说明其 控制原理。图所示为自动驾驶仪系统稳定俯仰角的原理示意图。5 控制系统举例控制系统举例垂直陀螺仪作为测量元件用以检测飞机的俯仰角，当飞机垂直陀螺仪作为测量元件用以检测飞机的俯仰角，当飞

20、机以给定俯仰角水平飞行以给定俯仰角水平飞行 时，陀螺仪电位器没有电压输出；时，陀螺仪电位器没有电压输出；如果飞机受到扰动，使俯仰角向下偏离期望值，陀螺仪电如果飞机受到扰动，使俯仰角向下偏离期望值，陀螺仪电位位 器输出与俯仰角偏差成正比的信号，经放大后驱动舵机，器输出与俯仰角偏差成正比的信号，经放大后驱动舵机，一方面推动升降舵面向上偏转，产生一方面推动升降舵面向上偏转，产生 使飞机抬头的转矩使飞机抬头的转矩以减小俯仰角偏差；以减小俯仰角偏差；与此同时，带动馈电位器滑臂，输出与舵偏与此同时，带动馈电位器滑臂，输出与舵偏 角成正比的电角成正比的电压，并反馈到输入端。随着俯仰角偏差的减小，陀螺仪电位压，并反馈到输入端。随着俯仰角偏差的减小，陀螺仪电位器输出信号越来越器输出信号越来越 小，舵偏角也随之减小，直到俯仰角回到小，舵偏角也随之减小，直到俯仰角回到期望值，这时舵面也恢复到原来的状态。期望值，这时舵面也恢复到原来的状态。 下图所示为