自动控制原理PPT

1、自动控制原理（Principles of Automatic Control）胡寿松第4版学时：51学时1课程主要内容：主要内容：自动控制的一般概念、控制系统的数学模型、线性系统的时域分析法、线性系统的根轨迹分析法、线性系统的频域分析法、线性系统的校正方法等。重点掌握：控制系统的数学建模；线性系统的时域分析及稳定性分析：劳斯判据；根轨迹画法；系统的频域特性：奈奎斯特判据，对数幅频、幅相曲线；线性系统的校正等。2第1章 自动控制的一般概念本章主要内容及重点自动控制的基本原理自动控制系统示例自动控制系统分类对自动控制系统的基本要求3本章主要内容 本章介绍了自动控制理论的应用领域、发展过程和分类。通

2、过一些控制系统实例讨论了手动控制、自动控制、自动控制系统的工作原理、方框图、系统分类等相关基本概念。 本章重点 掌握手动控制与自动控制；自动控制系统的基本工作原理与组成、方框图；开环控制与闭环控制的概念；系统输入量与输出量的相关基本概念；控制系统的类型以及对控制系统的基本要求。 4课程的性质和特点自动控制是一门技术学科，从方法论的角度来研究系统的建立、分析与设计。自动控制原理是本学科的技术基础课，（1）自动控制理论是基础课程 ，该课程与其它课程的关系。自动控制理论电机与拖动复变函数、拉普拉斯变换线性代数微积分（含微分方程）模拟电子技术电路理论大学物理（力学、热力学）信号与系统5（2）自动控制理

3、论已经发展为理论严密、系统完整、逻辑性很强的一门学科。从基本反馈控制原理发展到：自适应控制、优化控制、鲁棒控制、大系统控制、智能控制讨论的对象：因果系统 、工程系统系统的广义性：经济、社会、工程、生物、环境、医学 课程特点：研究系统的共性问题 实际系统物理模型数学模型方法（系统组成分析、设计）6自动控制的概念 所谓自动控制，是指在无人直接参与的情况下 ，利用控制器（外加的设备或装置），使被控对象（如机器、设备和生产过程）的某个物理量（即被控量）自动的按照预定的规律运行。自动控制的划分初期：以反馈理论为基础的反馈控制系统。主要用于工业控制。二战前后：以传递函数为基础的经典控制理论，研 究单入-单

4、出、线性定常系统的分析和设计问题。 1-1自动控制系统的基本原理与方式7主要研究方法有时域分析法、根轨迹法、频率特性法。主要用于新型武器研制方面，如火炮定位系统、船用自动驾驶仪。 20世纪5、60年代：以矩阵理论等近现代数学方法为基础的现代控制理论，不但研究多输入-多输出复杂系统的特性，还研究系统的内部特性，这些系统可以是线性、非线性、定常或时变的。 即研究具有高性能、高精度的多变量、多参数系统的最优控制问题。主要研究方法是以状态为基础的状态空间法。主要用于宇航技术方面，如各种高速、高性能的飞行器研制。8本课程只介绍经典控制理论的有关内容。 自动控制和人工控制的基本原理是相同的，它们都是建立在

5、“测量偏差，修正偏差”的基础上，并且为了测量偏差，必须把系统的实际输出反馈到输入端。 自动控制和人工控制的区别在于自动控制用控制器代替人完成控制。9自动控制的基本原理人工控制与自动控制：水箱水位保持恒定的供水系统眼手脑出水眼手脑出水眼手脑操作步骤：1.将给定水位记在脑中2.用眼睛和标尺测量水池实际水位3.给定水位与实际水位相比较、计算，得出误差值4.按照误差的大小正负，由大脑指挥手去正确调节进水阀门（按减小误差方向）10水位控制工作原理人工控制：眼、脑、手、水箱+阀门人脑手水箱系统眼实际液高期望液高11出水水位测量与传送执行器控制器期望液高工作步骤：1.将给定水位记在控制器中2.水位超过或低于

6、给定水位时，水位误差被检测出来，并由控制器控制执行器作用于进水阀，从而产生控制作用。3. 按减小误差的方向控制进水阀门12水位控制工作原理自动控制：传感器、控制器、执行器、水箱+阀门控制器执行器水箱系统传感器实际液高期望液高13反馈：将输出量通过一定的方式送回到输入端，并与输入信号比较产生偏差信号的过程，称为反馈。负反馈：输入信号-反馈信号（输出信号） 使输出偏差减小正反馈：输入信号+反馈信号反馈控制（闭环控制）：采用负反馈并利用偏差进行控制的过程，而且由于引入了被控量的反馈信息，整个控制过程成为闭合过程，故反馈控制也被称为闭环控制。 工程实践中，系统需要测量元件、比较元件和执行元件对被控量连

7、续的测量、反馈和比较，并按偏差进行控制。一、反馈控制原理14龙门刨床速度控制系统n 要求：工件加工过程中不允许刨床速度波动过大措施：利用速度反馈对刨床速度进行自动控制龙门刨床速度控制系统原理图SMTG-kFDKZCFu015龙门刨床速度控制系统原理：（详见P3图1-2）系统基本部件及功能：主（拖动）电动机SM 输入：电枢端电压 ua 输出：电动机速度 n测速发电机 TG+电位器 输入：电动机速度n 输出：与速度成正比的电压ut触发器CF+晶闸管整流器 KZ 输入：控制电压uk 输出：电枢端电压 ua16给定电位器 输出： uo放大器 FD 输入：工作原理： 设 直流电动机SM的励磁恒定、外部负

8、载 M t。调整过程如下：17被控对象电动机SM执行元件触发器和整流器测量元件测速发电机TG+电位器给定元件电位器系统方框图比较电路整流器放大器测速发电机触发器电动机18二、反馈控制系统的基本组成反馈控制系统：被控对象、控制装置 控制装置是由具有一定职能的各种基本元部件组成。元部件按职能分类：测量元件：检测被控物理量，若是非电量，需转换成电量。如测速发电机、热电偶给定元件：给出与期望的被控量相对应的输入量（参据量）。如电位器比较元件：将测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的参据量比较，求出偏差。如差动放大器、电桥电路放大元件：将比较元件给出的偏差放大，推动执行19测量元件串联校正反馈校正执

9、行元件放大元件被控对象局部反馈主反馈测量元件串联校正反馈校正执行元件放大元件被控对象局部反馈主反馈测量元件串联校正反馈校正执行元件放大元件被控对象局部反馈主反馈测量元件串联校正反馈校正执行元件放大元件被控对象局部反馈主反馈测量元件串联校正反馈校正执行元件放大元件被控对象局部反馈主反馈元件去控制被控对象。如晶体管、集成电路、晶闸管组成的电压、功率放大级执行元件：直接推动被控对象，使其被控量发生变化。如阀、电动机、马达校正元件：也称补偿元件，其结构或参数便于调整，以串联或反馈方式连接在系统中，改善系统性能。如电阻、电容组成的无源或有源网络反馈控制系统基本组成20一些基本概念和术语前向通路：从输入端

10、沿箭头方向到输出端的传输通路主反馈通路：输出量经过测量元件到达输入端的通路主回路：前向通路+主反馈通路内回路：局部前向通路+局部反馈通路单回路系统：只包含一个主反馈通路的系统多回路系统：包含两个或两个以上反馈通路的系统反馈控制系统受到的外部作用有用输入（参据量）：决定系统被控量的变化规律扰动：系统不希望的外作用，破坏有用输入对系统的控制。包括系统外部扰动、系统内部扰动21系统：自动控制系统是被控对象和自动控制装置按一定方式联结起来，以完成某种自动控制任务的有机整体。输入信号：指参据量，它是控制输出量变化规律的指令信号。输出信号：指被控对象中要求按统一规律变化的物理量，又称被控量，与输入量之间保

11、持一定函数关系。反馈信号：由系统输出端取出并反向送回系统输入端的信号。偏差信号：参据量与主反馈信号之差，简称偏差。误差信号：系统输出的实际值与期望值之差，简称误差。扰动信号：是一种不希望的，影响系统输出的不利因素。简称扰动或干扰。可来自系统内部，也可来自系统外部。“”：代表比较元件，表示比较环节。将被控量与参据量进行比较。22自动控制系统的基本控制方式 反馈控制（闭环控制） ：是自动控制系统最基本方式，应用也最广。此外还有开环控制和复合控制。闭环系统既有正向作用，又有反馈控制作用的控制系统；按偏差进行控制，控制精度与元件精度、控制方法、调整精度有关，控制精度较高；有抑制干扰的能力；结构、线路复

12、杂，成本较高，系统分析与设计较复杂。控制器被控对象输入量输出量比较测量电路23开环控制（顺序控制）： 只有正向作用，没有反馈作用； 控制精度取决于元器件的精度和系统调整精度； 没有抑制内、外干扰的能力； 系统结构简单、成本低。有两种方式：按给定量控制 控制作用由系统输入量产生。 精度取决于所用元件及校准精度，抗扰动能力差，无自动修正偏差能力；结构简单，调整方便，成本低。适于精度要求不高或扰动较小场合。控制器被控对象输入量控制量输出量24控制器控制对象扰动扰动控制对象扰动控制对象扰动控制对象扰动控制器控制对象扰动控制器控制对象扰动控制器控制器控制对象控制器控制对象控制器控制对象控制器扰动控制对象

13、控制器扰动控制对象控制器测量装置 按给定量控制 按扰动量控制 按扰动量控制 利用可测量的扰动量，产生补偿作用。 抗扰动性能好，控制精度较高，但只适于扰动可测场合。25复合控制方式：（1）按偏差控制+按扰动补偿控制（2）按偏差控制+按给定补偿控制电压放大电压放大功率放大SMTG负载26按偏差控制+按扰动控制其它新控制方式：最优控制、预测控制、自适应控制、模糊控制、神经网络控制等。电压放大器功率放大器电阻 R电动机测速发电机电压放大器MC27 1-2自动控制系统示例飞机-自动驾驶仪系统给定电位器反馈电位器28给定装置放大器舵机飞机 反馈电位器 垂直陀螺仪0c扰动俯仰角控制系统方块图飞机方块图291

14、-3自动控制系统分类分类方法按控制方式：开环控制、闭环控制、复合控制按元件类型：机械系统、电气系统、机电系统、液压系统、气动系统、生物系统等。按系统功能：温度、压力、位置按系统性能：线性与非线性、连续与离散、定常与时变线性：元件是线性的、系统运动方程可用线性微分方程或差分 方程描述 非线性：系统中含有至少一个非线性元件、系统运方程需用非 线性方程或差分方程描述。典型非线性：饱和、死区、继电器、传动间隙。 连续：系统各环节之间传递的信号均为时间的连续函数，一般 用微分方程描述。 离散：在信号传递过程中，至少有一处的信号是脉冲序列或数 字编码。5.按参考量变化规律：恒值、随动、程序控制30一、线性

15、连续控制系统由系数判定线性时变系统、线性定常系统。 是常数时，为定常系统。 随时间变化时，为时变系统。线性定常系统根据参考输入量变化又可分为：恒值控制系统、随动系统、程序控制系统31系统主要特点：（1）恒值控制系统 参考输入是个常值，要求被控量也等于常值。外部扰动的存在，被控量偏离参考量而出现偏差，控制系统根据偏差产生控制作用，以克服扰动的影响，使被控量恢复到给定的常值。典型系统：液位、温度、压力、流量控制（2）随动系统参考输入是预先未知的随时间任意变化的函数，要求被控量以尽可能小的误差跟随参考输入量变化。 典型系统：鱼雷飞行、炮瞄雷达、火炮自动瞄准、导弹制导。32（3）程序控制系统参考输入是

16、按预定规律随时间变化的函数，要求被控量迅速、准确地复现。典型系统：热处理炉控制系统、镜片固化炉温度控制、程序控制机床、灌装生产线、自动生产流水线。程序控制系统和随动系统参据量都是时间函数，不同在于前者为已知时间函数，后者为未知时间函数。恒值控制系统 可看作是程序控制系统特例。二、线性定常离散系统mn ， 为常系数。如炉温控制系统33三、非线性控制系统系统中含有至少一个非线性元件、系统运动方程需用非线性方程或差分方程描述。典型非线性：饱和、死区、继电器、传动间隙。341-4 对自动控制系统的基本要求1. 对自动控制系统基本要求稳、快、准即稳定性、快速性和准确性。“稳”与“快”是说明系统动态（过渡

17、过程）品质。系统的过渡过程产生的原因 ： 系统中储能元件的能量不可能突变。“准”是说明系统的稳态（静态）品质稳定性：是保证控制系统正常工作的先决条件。线性控制系统的稳定性由系统本身的结构与参数所决定的，与外部条件无关。35快速性：是系统在稳定的条件下，衡量系统过渡过程的形式和快慢，通常称为“系统动态性能”。包括过渡过程时间（快速性）、超调量（最大震荡幅度）准确性：是在系统过渡过程结束后，衡量系统输出（被控量）达到的稳态值与系统输出期望值之间的接近程度。 稳态误差（稳态值与期望值之间的误差）。在技术指标中一般都有具体要求。362. 典型外部输入信号（1）阶跃函数（信号）如电源电压突跳，一般将阶跃函数作用下的响应特征作为评价系统动态性能指标的依据。（2）斜坡函数（信号）如雷达-高射炮防空系统37（3）脉冲函数（信号）（4）正弦函数（信号）如舰船的消摆系统。系统在正弦函数作用下的响应即频率响应，是自动控制理论中研究控制系统性能的重要依据。381-5 自动控制理论概要一、对自动控制系统的要求稳定性要求快速性要求准确性要求二、自动控制理论研究的问题自动控制建模问题控制系统分析控制系统设计39三、控制系统建模问题描述方法 传递函数建立方法 理论推导、实验法四、自动控制系统分析分析基础 系统传递函数分析内容 稳定性、稳态、暂态分析工具 手工计算、计算机软件4