自动控制原理第六版胡寿松主编第二单元课件

1、控制工程基础控制工程基础 河海大学机电工程学院河海大学机电工程学院 实验楼实验楼A210 电话：电话：85191934 2 /35第一章第一章 自动控制的一般概念自动控制的一般概念 1-1 1-1 基本原理与方式基本原理与方式二二. .反馈控制原理反馈控制原理控制的本意控制的本意 : :为了达到某种目的对事物进行支配、管束、管为了达到某种目的对事物进行支配、管束、管制、管理、监督、镇压。制、管理、监督、镇压。CyberneticsCybernetics（自动控制理论），是由（自动控制理论），是由 WienerWiener参考希腊语参考希腊语kuberneteskubernetes所创，所创，k

2、uberneteskubernetes在希腊语中原在希腊语中原意为意为“导航员导航员”或者或者“驾驶员驾驶员” 。3 /35自动控制自动控制 : :在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（控制装置或控制器控制装置或控制器）, , 使机器、设备或生产过程使机器、设备或生产过程（被控对象被控对象）的某个工作状态或参数）的某个工作状态或参数（被控量）（被控量）自动自动地按照预定的规律运行。地按照预定的规律运行。4 /35例例.冲床冲床:利用模具冲出一定形状的钣金件利用模具冲出一定形状的钣金件位置控制位置控制, ,轮廓控制。轮廓控制。5 /35例例

3、.钢铁轧制钢铁轧制:轧出厚度一致的高精度铁板轧出厚度一致的高精度铁板温度控制温度控制, ,生铁成分控制生铁成分控制, ,厚度控制厚度控制, ,张力控张力控制制, ,等等。等等。例例.程控机床程控机床:自动进刀切削，加工出预期自动进刀切削，加工出预期的几何形状的几何形状直线、圆弧等各种差补控制，进给量控制直线、圆弧等各种差补控制，进给量控制, ,等等。等等。6 /35动态过程动态过程: : 观测恒温箱内的温度（被控观测恒温箱内的温度（被控制量）制量） 与要求的温度（给定值）进与要求的温度（给定值）进行比较得到温度偏差的大小行比较得到温度偏差的大小和方向和方向 根据偏差大小和方向调节调根据偏差大小

4、和方向调节调压器，控制加热电阻丝的电压器，控制加热电阻丝的电流以调节温度回复到要求值。流以调节温度回复到要求值。1.1.人工控制恒温箱人工控制恒温箱1237 /35实质实质: : 检测偏差再纠正偏差。检测偏差再纠正偏差。8 /35温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动执行电动温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动执行电动机，并通过传动机构拖动调压器动触头。当温度偏高时，机，并通过传动机构拖动调压器动触头。当温度偏高时，动触头向减小电流的方向运动动触头向减小电流的方向运动( (左左) )，反之加大电流，反之加大电流（右），直到温度达到给定值为止，此时，偏差（右），直到温度达到给定值为止，此时

5、，偏差 u=0, ,电电机停止转动。机停止转动。 动态过程动态过程 2.2.恒温箱自动控制系统恒温箱自动控制系统恒温箱实际温度由热电恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电压偶转换为对应的电压u2恒温箱期望温度由电恒温箱期望温度由电压压u1给定，并与实际给定，并与实际温度温度u2比较得到温度比较得到温度偏差信号偏差信号 u=u1-u29 /35()()()22()1sin21 cos21sin21sin222o dcmmo dco dco rmsmmVVdVVIRVVdV 10 /35实质实质: :检测偏差检测偏差, ,纠正偏差纠正偏差11 /353.3. 龙门刨床速度控制系统龙门刨床速度控制系统

6、原理：原理：当刨床正常工作时，对于给定的电压当刨床正常工作时，对于给定的电压 ，直流，直流电机电机SMSM有一确定的速度值有一确定的速度值 、相应的、相应的 、偏差、偏差电电压压 、 触发器控制电压触发器控制电压 ; ;2) 2) 当刨床负载增加时，当刨床负载增加时，3) 3) 当刨床负载减少时当刨床负载减少时, , 0untuu kutknuuun tknuuun 12 /35龙门刨床龙门刨床13 /3514 /351.1.控制作用：控制作用：由于存在输出量反馈，上述系统能在由于存在输出量反馈，上述系统能在存在无法预计扰动的情况下，自动减少系统的输出存在无法预计扰动的情况下，自动减少系统的输

7、出量与参考输入量（或者任意变化的希望的状态）之量与参考输入量（或者任意变化的希望的状态）之间的偏差，故称之为反馈控制间的偏差，故称之为反馈控制;2.2.反馈：反馈：建立在偏差基础上，其控制方式是建立在偏差基础上，其控制方式是“检测检测偏偏差再纠正偏差差再纠正偏差”。测量输出量并回送到输入端，与测量输出量并回送到输入端，与输输入量相比较，产生偏差信号的过程入量相比较，产生偏差信号的过程; ;3.3.负反馈：偏差信号越来越小的反馈负反馈：偏差信号越来越小的反馈; ;4.4.正反馈：偏差信号越来越大的反馈。正反馈：偏差信号越来越大的反馈。15 /35三反馈控制系统的基本组成三反馈控制系统的基本组成1

8、6 /35反馈反馈控制系统由以下典型环节组成控制系统由以下典型环节组成:17 /351.1.给定元件：产生给定信号或输入信号给定元件：产生给定信号或输入信号; ;2.2.反馈元件：测量被控制量（输出量），产生反馈信号，反馈反馈元件：测量被控制量（输出量），产生反馈信号，反馈信号通常为电信号信号通常为电信号; ;3.比较元件：对给定信号和反馈信号进行比较，产生偏差信号;4.放大元件：对偏差信号进行放大，使之有足够的能量驱动执行元件实现控制功能;5.执行元件：对受控对象进行操纵的元件，如电动机等;18 /356.6.校正元件：用以改善系统控制质量的装置。校正元件：用以改善系统控制质量的装置。控制系

9、统中比较元件、放大元件、执行元件和反馈元件等共控制系统中比较元件、放大元件、执行元件和反馈元件等共同起控制作用，统称为控制器。同起控制作用，统称为控制器。19 /35四四. 基本控制方式基本控制方式1.1.开环控制：开环控制：控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有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，其输出量不对系统的控制作用发生影反向联系的控制过程，其输出量不对系统的控制作用发生影响。响。优点优点：简单、稳定、可靠。若组成系统的元件特性和参数值：简单、稳定、可靠。若组成系统的元件特性和参数值比较稳定，且外界干扰较小，开环控制能够保持一定的精比较稳定，且外界干扰较小，开

10、环控制能够保持一定的精度。度。缺点缺点：精度通常较低、无自动纠偏能力。精度通常较低、无自动纠偏能力。20 /352. 闭环控制：闭环控制：控制装置与被控对象之间既有顺向作用，又有控制装置与被控对象之间既有顺向作用，又有反向联系的控制过程。反向联系的控制过程。优点优点：精度较高，对外部扰动和系统参数变化不敏感。精度较高，对外部扰动和系统参数变化不敏感。缺点缺点：存在稳定、振荡、超调等问题，系统性能分析和设计存在稳定、振荡、超调等问题，系统性能分析和设计麻烦，系统成本高麻烦，系统成本高。21 /353. 3. 复合控制复合控制 是开环控制与闭环控制相结合的一种控制方式，是在闭是开环控制与闭环控制相

11、结合的一种控制方式，是在闭环控制回路的基础上，附加一个输入信号或扰动作用的顺馈环控制回路的基础上，附加一个输入信号或扰动作用的顺馈通路，来提高系统的控制精度。通路，来提高系统的控制精度。(a)(a)按输入作用补偿按输入作用补偿22 /35 (b)(b)按扰动作用补偿按扰动作用补偿DOB(Disturbance Observer) 23 /351-3 1-3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类一一. . 按输入量的特征分类按输入量的特征分类二二. . 按系统中传递信号的性质分类按系统中传递信号的性质分类三三. . 线性系统和非线性系统线性系统和非线性系统四四. . 定常系统和时变系统定常系统和

12、时变系统24 /35一一. . 按输入量的特征分类按输入量的特征分类恒值控制系统：恒值控制系统：系统输入量为恒定值。控制任务是保证系统输入量为恒定值。控制任务是保证在任何扰动作用下系统的输出量为恒值。在任何扰动作用下系统的输出量为恒值。如：恒温箱控制、电网电压、频率控制等。如：恒温箱控制、电网电压、频率控制等。程序控制系统程序控制系统：输入量的变化规律预先确知，输入装置：输入量的变化规律预先确知，输入装置根据输入的变化规律，发出控制指令，使被控对象按照根据输入的变化规律，发出控制指令，使被控对象按照指令程序的要求而运动。指令程序的要求而运动。如：数控加工系统如：数控加工系统随动系统（伺服系统）

13、：随动系统（伺服系统）：输入量的变化规律不能预先确输入量的变化规律不能预先确知，其控制要求是输出量迅速、平稳地跟随输入量的变知，其控制要求是输出量迅速、平稳地跟随输入量的变化，并能排除各种干扰因素的影响，准确地复现输入信化，并能排除各种干扰因素的影响，准确地复现输入信号的变化规律。号的变化规律。如：仿形加工系统、火炮自动瞄准系统等。如：仿形加工系统、火炮自动瞄准系统等。25 /35二二. . 按系统中传递信号的性质分类按系统中传递信号的性质分类连续控制系统：连续控制系统：系统中各部分传递的信号为随时间连续变化的系统中各部分传递的信号为随时间连续变化的信号。连续控制系统通常采用微分方程描述。信号

14、。连续控制系统通常采用微分方程描述。离散（数字）控制系统：离散（数字）控制系统：系统中某一处或多处的信号为脉冲序列或数字系统中某一处或多处的信号为脉冲序列或数字量传递的系统。离散控制系统通常采用差分方程描量传递的系统。离散控制系统通常采用差分方程描述。述。26 /35三三. 线性系统和非线性系统线性系统和非线性系统线性控制系统：线性控制系统：由线性元件组成，输入输出间具有叠加性和均匀性性质，由线性元件组成，输入输出间具有叠加性和均匀性性质，以以线性微分方程线性微分方程来表述。来表述。非线性控制系统：非线性控制系统：系统中有非线性元件，输入输出间不具有叠加性和均匀性性系统中有非线性元件，输入输出

15、间不具有叠加性和均匀性性质。用质。用非线性微分方程非线性微分方程来表述。来表述。 1011110111( ).( ).nnnnnnmmmmmmdy tdy td y taaaa y tdtdtdtdx tdx td x tbbbb x tdtdtdt27 /35四四.定常系统和时变系统定常系统和时变系统28 /351-1-对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求一一. . 稳定性：稳定性：系统动态过程的振荡倾向及其恢复平衡状态系统动态过程的振荡倾向及其恢复平衡状态的能力。稳定的系统当输出量偏离平衡状态时，的能力。稳定的系统当输出量偏离平衡状态时，其输出能随时间的增长收敛并回到初始平衡状态。其输

16、出能随时间的增长收敛并回到初始平衡状态。稳定性是控制系统正常工作的先决条件。控制系稳定性是控制系统正常工作的先决条件。控制系统稳定性由系统结构所决定，与外界因素无关。统稳定性由系统结构所决定，与外界因素无关。稳定性由控制系统内部储能元件的能量不可能突稳定性由控制系统内部储能元件的能量不可能突变所产生的惯性滞后作用所导致。变所产生的惯性滞后作用所导致。29 /35二二. . 精确性：精确性：控制精度，以稳态误差来衡量。控制精度，以稳态误差来衡量。稳态误差稳态误差: :系统的调整（过渡）过程结束而趋于稳定状态时，系统的调整（过渡）过程结束而趋于稳定状态时，系统输出的实际值与给定量之间的差值。系统输

17、出的实际值与给定量之间的差值。三三. . 快速性：快速性：输出量和输入量产生偏差时，系统消除这种偏差的快慢程度。输出量和输入量产生偏差时，系统消除这种偏差的快慢程度。快速性表征系统的动态性能。快速性表征系统的动态性能。1. 1. 不同性质的控制系统，对稳定性、精确性和快速性要求不同性质的控制系统，对稳定性、精确性和快速性要求各有侧重各有侧重; ; 2. 2. 系统的稳定性、精确性、快速性相互制约，应根据实系统的稳定性、精确性、快速性相互制约，应根据实际需求合理选择。际需求合理选择。30 /35 1-5 1-5 自动控制系统的研究方法自动控制系统的研究方法 自动控制研究的三个基本问题：自动控制研

18、究的三个基本问题： 建立数学模型建立数学模型; ; 系统性能分析系统性能分析; ;控制器设计。控制器设计。二二. . 分析：分析： 在给定系统的条件下，将物理系统抽象成数学模型，在给定系统的条件下，将物理系统抽象成数学模型，然后用已经成熟的数学方法和先进的计算工具来定性或然后用已经成熟的数学方法和先进的计算工具来定性或定量地对系统进行动、静态的性能分析。定量地对系统进行动、静态的性能分析。三三. . 综合综合 在已知被控对象和给定性能指标的前提下，寻求控制在已知被控对象和给定性能指标的前提下，寻求控制规律，建立一个能使被控对象满足性能要求的系统。规律，建立一个能使被控对象满足性能要求的系统。四四. . 典型的外作用典型的外作用31 /351.1.正弦信号正弦信号sin()mmtTT正弦信号的振幅；初始相角；2振荡的角频率，其值为 =，振荡周期。( ) ttmTmmmmmmTtTtTTtTt 22cos2cos2