控制系统导论

1、自动控制原理 主讲：电信学部控制科学与控制工程学院 潘学军 课时：64学时 课程性质：必修课 助课 参考书：自动控制原理 孟华 机械工业出版社第一章 控制系统导论1-1 概述1-2 自动控制的基本方式1-3 自动控制系统中的常用术语1-4 自动控制系统的分类1-5 对控制系统的基本要求1-6 本门课程的主要内容1-1 概述自动控制-在没有人直接参与的情况下， 通过控制器使被控对象的某一 物理量（或工作状态）自动地 按照预定的规律运行。机器、设备或生产过程自动控制原理-自动控制技术的基础理论。自动控制系统- 为实现控制目的，由相互制 约的各部分按一定规律组成的 具有特定功能的整体。 n经典控制理

2、论 20世纪40年代“经典控制理论(Classical control theory)”正式诞生，代表作是维纳（Wiener）1948年发表的控制论（Cybernetics or Control and Communication in the Animal and Machine）。经典控制理论以传递函数为数学工具，研究对象主要是单输入单输出线性的一类自动控制系统n 现代控制理论 20世纪60年代现代控制理论Modern control theory”以状态空间法为基础，主要研究多输入多输出、时变、非线性控制系统的分析和设计问题。n大系统理论 20世纪70年代, 自适应控制理论、鲁棒控制；主

3、要处理动态、多输入多输出、结构复杂的系统n智能控制 神经网络、模糊控制、专家系统 经典控制理论与现代控制理论比较： 经典控制理论 研究对象：单输入、单输出系统 数学模型与工具：微分方程传递函数 研究内容：确定模型，系统分析，系统设计 现代控制理论 研究对象：多输入、多输出系统 数学模型与工具：状态方程传递矩阵 研究内容：最优控制，系统辨识，自适应控制1-2 自动控制的基本方式一、自动控制系统组成一、自动控制系统组成热力系统自动控制流程图热力系统自动控制流程图人工控制人工控制自动控制系统方框图自动控制系统方框图系统组成：系统组成： 被控对象被控对象 测量元件测量元件 控制装置控制装置 执行机构执

4、行机构二 、控制的基本方式 信号由给定值至被控量单向传递； 抗干扰能力差，不能保证控制精度。 用于自动化流水线控制，如包装机等执行执行被控对象被控对象计算计算给定值给定值干扰干扰被控量被控量开环控制之一：按给定值操作1.开环控制开环控制之二：按干扰补偿执行执行被控对象被控对象计算计算干扰干扰被控量被控量测量测量n干扰经测量、计算、执行至被控量单向传递干扰经测量、计算、执行至被控量单向传递n测量的是干扰，利用干扰产生控制作用，以补偿干测量的是干扰，利用干扰产生控制作用，以补偿干扰的影响扰的影响 用于机械加工的恒速控制等2.闭环控制比较、计算比较、计算执行执行被控对象被控对象测量测量给定值给定值干

5、扰干扰被控量被控量闭环控制也称反馈控制，或按偏差调节。闭环控制也称反馈控制，或按偏差调节。 测量的是被控量； 只要被控量出现偏差，系统就自动纠偏； 控制精度高。系统输出对控制作用系统输出对控制作用有直接影响有直接影响-闭环系统闭环系统闭环控制的缺点：1）结构复杂、成本高；2）由于反馈的存在，使控制系统可能出现“振荡”。3.复合控制 闭环控制与补偿控制相结合闭环控制与补偿控制相结合 在闭环基础上增加一个干扰的补偿控制，在闭环基础上增加一个干扰的补偿控制， 提高系统抗干扰能力。提高系统抗干扰能力。比较、计算比较、计算执行执行受控对象受控对象测量测量给定值给定值干扰干扰被控量被控量补偿装置补偿装置分

6、析决策分析决策执行执行工作对象工作对象观察观察观察观察预期目标预期目标干扰干扰实际结果实际结果人工职能图人工职能图比较、计算比较、计算执行执行被控对象被控对象测量测量测量测量给定值给定值干扰干扰被控量被控量自动控制方框图自动控制方框图反馈控制应具备三条基本功能：n测量n比较分析n执行参与控制的信号来自三条通道：给定值，干扰和被控量三、自动控制系统示例（一）温度控制系统V热电偶热电偶T煤气煤气混混合合器器空气空气uruTu0u电动机电动机阀门阀门烘炉烘炉指定电位计指定电位计工件工件比较线路比较线路放大器放大器电动机电动机放大器放大器（给定指令）（给定指令）工工件件环环温温（被控量）（被控量）ur

7、（计算）（计算）烘炉烘炉（对象）（对象）热电偶热电偶uauTTu烘炉温度控制系统功能方框图烘炉温度控制系统功能方框图（二）位置随动系统 rrucusuauaimc工作机械工作机械电位计电位计电动机电动机电位计式桥路电位计式桥路 电动机构电动机构 工作机械工作机械给定值给定值干扰力矩干扰力矩被控量被控量rsuauc（执行、对象）（执行、对象）原理图：原理图：方框图：方框图：控制任务：使工作机构跟随指令机构同控制任务：使工作机构跟随指令机构同步转动，即步转动，即c(t)=r(t)（三）液位自动控制系统液位控制系统液位控制系统控制器控制器减速器减速器电动机电动机电位器电位器浮子浮子用水开关用水开关Q

8、2Q1cifSM1-3 自动控制系统中的常用术语控制环节控制环节Gc被控对象被控对象G0反馈环节反馈环节H参考输入参考输入比较环节比较环节偏差偏差e控制量控制量u扰动扰动n输出输出c主反馈主反馈b1-4 自动控制系统的分类一、按输入信号特征分类（1）恒值控制系统（或定值控制系统） 输入信号是一个恒定的数值。输入信号是一个恒定的数值。 主要研究各种干扰对系统输出的影响以及主要研究各种干扰对系统输出的影响以及如何克服这些干扰，使输出量尽量保持在所设如何克服这些干扰，使输出量尽量保持在所设定的给定值上。定的给定值上。（2）程序控制系统（3）随动系统（伺服系统） 输入信号是一个已知的时间函数，系统输入

9、信号是一个已知的时间函数，系统的控制过程按预定的程序进行，要求被控量的控制过程按预定的程序进行，要求被控量能迅速准确地复现给定量。能迅速准确地复现给定量。 输入信号是一个未知函数，要求输入信号是一个未知函数，要求输出量跟随给定量变化。输出量跟随给定量变化。线性系统线性系统可用线性微分方程或差分方程描述。可用线性微分方程或差分方程描述。线性系统重要特性叠加性,均匀性xyoyxo线性系统中各元件特性均为直线，如线性系统中各元件特性均为直线，如二、按描述系统的数学模型不同分类非线性系统非线性系统描述系统的运动方程为非线性微分描述系统的运动方程为非线性微分方程或差分方程。方程或差分方程。系数随变量大小

10、而变化不满足叠加原理非线性系统特点1.线性系统线性系统和非线性系统和非线性系统2.2.定常系统定常系统和时变系统和时变系统定常系统：参数不随时间变化定常系统：参数不随时间变化时变系统；参数是时间时变系统；参数是时间t t 的函数的函数1、连续系统系统中各元件的输入量和输出量均为时间t的连续函数；运动规律可用微分方程描述。2、离散系统系统中只要有一个地方的信号是脉冲序列或数字编码；运动规律可用差分方程描述。)(txto1t2t3t4tnt三、按三、按系统传输信号的性质分类其它分类方法其它分类方法 按按I/OI/O信号数量分信号数量分：SI/SO , MI/MO 按控制系统功能分按控制系统功能分：

11、温度控制系统，速度控：温度控制系统，速度控制系统，位置控制系统制系统，位置控制系统 按系统元件组成分按系统元件组成分：机电系统，生物系：机电系统，生物系统，液压系统统，液压系统 按不同的控制理论分支设计的新按不同的控制理论分支设计的新型控制系统分型控制系统分：最优控制系统，自适应控：最优控制系统，自适应控制系统，模糊控制系统，神经网络控制系统制系统，模糊控制系统，神经网络控制系统1-5 对控制系统的基本要求一、稳定性 系统稳定是系统正常工作的基本条件二、快速性 在稳定的前提下，希望控制过程进行得越快越好三、准确性 要求动态误差和稳态误差都越小越好 系统要求（或希望）的输出量与实际输出量之差称为误差； 动态误差是过渡过程中实际输出与期望值间的偏差； 稳态误差表示到达平衡状态（过渡过程结束）的精度。1-6 本门课程的主要内容 建立系统的数学模型 控制系统的分析法 时域分析 频率特性分析 控制系统的校正 离散控制系统 非线性控制系统理