自动控制原理一般概念

1、自动控制原理本课程是工科专业的重要专业基础课，其学习的目的是使同学们掌握自动控制系统的基本概念和自动控制系统分析、设计(校正)的基本方法，初步掌握系统实验技能，学会运用相关工具进行控制系统辅助分析设计的方法，为专业课的学习和进一步深造打下必要的理论基础，掌握必要的基本技能。课程目的本课程与数学、物理、电工原理、电子技术基础、计算机原理及应用等先修课程关系密切。要求同学们具备微分方程、复变函数、积分变换(特别是拉氏变换，z变换)等数学方面的有关知识。本课程的后续课为现代控制理论，计算机控制系统，过程控制等，本课程为其提供所必须的系统分析、设计的基本理论和基本方法。课程要求 第一章 自动控制的一般

2、概念 第二章 控制系统的数学模型 第三章 线性系统的时域分析法 第四章 线性系统的根轨迹法 第五章 线性系统的频域分析法 第六章 线性系统的校正方法 第七章 线性离散系统的分析与校正 第八章非线性控制系统分析自动化技术学科萌芽于18世纪，由于工业革命的发展,如何进一步降低人的劳动强度和提高设备的可靠性被提到了议程。1.1 控制理论的发展代表性成果1765年俄国人波尔佐诺夫发明了蒸汽锅炉水位调节器;1784年英国人瓦特发明蒸汽机离心飞锤式调速器。 自动控制的萌芽特点：简单的单一对象控制。2. 现代控制理论3. 大系统理论4. 智能控制理论1. 经典控制理论线性控制理论非线性控制理论采样控制理论1

3、.1 控制理论的发展1.1 控制理论的发展代表性成果 1945年美国人Bode出版了网络分析与放大器的设计，奠定了控制理论的基础;1942年哈里斯引入传递函数； 1948年伊万恩提出了根轨迹法； 1949年维纳关于经典控制的专著。1. 经典控制理论时期（1940-1960）特点：以传递函数为数学工具，采用频率域法，研究“单输入单输出”线性定常控制系统的分析和设计，而对复杂多变量系统、时变和非线性系统无能为力。研究单变量的系统，如：调节电压改变电机的速度；调整方向盘改变汽车的运动轨迹等。1.1 控制理论的发展代表性成果 Kalman的能控性观测性和最优滤波理论;庞特里亚金的极大值原理； 贝尔曼的

4、动态规划。2. 现代控制理论时期（20世纪50年代末-60年代初）特点：采用状态空间法（时域法），研究“对输入-多输出”、时变、非线性系统等高精度和高复杂度的控制问题。研究多变量的系统，如，汽车看成是一个具有两个输入（驾驶盘和加速踏板）和两个输出（方向和速度）的控制系统。空间技术的发展提出了许多复杂的控制问题，用于导弹、人造卫星和宇宙飞船上，对自动控制的精密性和经济性指标提出了极严格的要求。并推动了控制理论的发展。经典控制理论与现代控制理论比较项目经典控制理论现代控制理论研究对象线性定常系统（单输入、单输出）线性、非线性、定常、时变系统（多输入、多输出）描述方法传递函数（输入、输出描述）向量空

5、间（状态空间描述）研究办法根轨迹法和频率法状态空间法研究目标系统分析及给定输入、输出情况下的系统综合揭示系统的内在规律，实现在一定意义下的最优控制与设计1.1 控制理论的发展1.1 控制理论的发展3. 大系统控制时期（1970s-）各学科相互渗透，要分析的系统越来越大，越来越复杂。大系统控制理论是一种过程控制与信息处理相结合的动态系统工程理论，研究的对象具有规模庞大、结构复杂、功能综合、目标多样、因素众多等特点。它是一个多输入、多输出、多干扰、多变量的系统。 如：人体，我们就可以看作为一个大系统，其中有体温的控制、情感的控制、人体血液中各种成分的控制等等。1.1 控制理论的发展4. 智能控制时

6、期特点：人工智能、神经网络等的普遍研究和应用到自动控制之中。这是近年来新发展起来的一种控制技术，是人工智能在控制上的应用。它的指导思想是依据人的思维方式和处理问题的技巧，解决那些目前需要人的智能才能解决的复杂的控制问题。学派：结构派和功能派它是一门新兴的控制学科，有些问题尚存有争议，然而由于它实用性强，能运用人们的经验与技巧解决许多以往控制中难以解决的棘手问题（如建模等），因此得到了人们极大的重视。1.2 自动控制及自动控制系统控制：使对象达到预期的状态或性能的动作。 手动控制或称人工控制； 自动控制。 概述自动化（Automation 或 Automatization）1. 自动控制就是指在

7、脱离人的直接干预，利用控制装置（简称控制器）使被控对象（或生产过程等）的某一物理量（如温度、压力、PH值等）准确地按照预期的规律运行。2. 自动控制系统能自动对被控对象的被控量（或工作状态）进行控制的系统。3. 被控对象（又称受控对象）指工作状态需要加以控制的机械、装置或过程。4. 被控量表征被控对象工作状态且需要加以控制的物理量，也是自动控制系统的输出量。1.2 自动控制及自动控制系统 基本概念5. 给定值（又称为参考输入）希望被控量趋近的数值。又称为规定值。6. 扰动量（又分为内扰和外扰）引起被控量发生不期望的变化的各种内部或外部的变量。7. 控制器（又称调节器）组成控制系统的两大要素之一

8、（另一大要素即为被控对象），是起控制作用的设备或装置。8. 调节机构接受调节作用而去改变调节量的具体设备。9. 负反馈控制原理将系统的输出信号反馈至输入端，与给定的输入信号相减，所产生的偏差信号通过控制器变成控制变量去调节被控对象，达到减小偏差或消除偏差的目的。1.2 自动控制及自动控制系统 基本概念1.2 自动控制及自动控制系统 控制装置自动控制系统由被控对象和控制装置两部分组成。控制装置包含的主要单元： 测量单元用来测量被调量，并将被调量转换为与之成比例（或其它函数关系）的某种便于传送和综合的信号。由检测元件和变送器组成。 给定单元用来设定被调量的给定值，发生与测量信号同一类型的给定值信号

9、。 调节单元接受被调量和给定值信号，比较后的偏差信号发出一定规律的调节执行给执行器。由控制器或计算机装置组成。 执行器根据调节单元送来的调节指令去推动调节机构，改变调节量。控制就是根据被调量偏离给定值的情况，适当地动作调节机构，改变调节量，最后抵消扰动的影响，使被调量回复到给定值。1.2 自动控制及自动控制系统1.3 自动控制系统的方框图在研究自动控制系统时，为了便于分析并直观地表示系统中各个组成部分（环节）间的相互影响和信号的传递关系，一般习惯采用方框图（也称方块图）来表示。控制器执行机构受控对象测量、变送器给定值 r测量信号 偏差e干扰 nc1.3 自动控制系统的方框图 环节方框图中，系统

10、的每一个具有一定功能的组成部分称为环节。图形为方框，环节间信号的传递用带箭头的作用线来表示，箭头方向为作用方向。 输入信号箭头进入方框的信号。输入信号就是使系统这个元件发生变化的原因。 输出信号箭头离开方框的信号。在输入信号作用下，引起元件变化的结果。对于整个系统而言，系统的输出量即为被控量，而系统的输入量则有两个：一个是给定值的变化，另一个是干扰的输入。不同的干扰起作用也不同。一. 几个基本概念控制器执行机构受控对象测量、变送器给定值 r测量信号 偏差e干扰 nc1.3 自动控制系统的方框图一. 几个基本概念注意：作用线的箭头方向只表示信号的传递方向，而不表示实际工质的运动方向。例如：对于汽

11、包而言，输出量为水位，而引起液位变化的因素有两个，即给水流量的变化和蒸汽负荷的变化。而实际系统中，蒸汽是从汽包中流出。1.3 自动控制系统的方框图二. 广义对象方框图的应用可繁可简，其基本原则就是能清楚地表达所需研究的信号的传递关系和所研究环节的性能。在工程实际中，所测量的对象的特性，往往还包含检测元件、变送器和执行机构的特性，这时，对象的特性则称为“广义对象特性”。控制器广义对象给定值 r 偏差e干扰 n被控量13 自动控制系统的方框图三. 相加点与分支点 相加点r+e=rbb相加的两个信号（r和b）的量纲必须相同。 分支点一个信号送到两个地方（或多个两个地方）。ccc注意：分支是指信号的传

12、递，而不是能量或物质的分流，因此分支点以后的信号都等于分支点以前的信号。一、按信号的传递路径来分类 1、开环控制系统 系统的输出端与输入端不存在反馈回路，输出量对系统的控制作用不发生影响的系统。1.4 自动控制系统的分类特点：系统的被控量对系统的控制作用没有影响； 系统结构简单，控制精度取决于系统各组成环节元部件的精度； 对于干扰无法自动补偿，控制精度难以保证； 仅适用于输入/输出关系已知，且系统几乎不存在干扰的场合。例如：自动报警器、自动售货机、自动流水线等。控制器执行机构受控对象给定值 r干扰 n被控量1.4 自动控制系统的分类一. 按信号的传递路径来分类 1. 开环控制系统1.4 自动控

13、制系统的分类一. 按信号的传递路径来分类 1. 开环控制系统前馈控制：对于开环控制，如果存在可测的干扰信号，则可利用干扰信号产生控制作用，以补偿干扰对被控量的影响。补偿调节器执行机构受控对象给定值 r干扰 n被控量测量装置这种按照开环补偿原理建立起来的系统称为开环补偿系统，该控制称为前馈控制。特点： 是一种主动控制方式； 单纯的前馈控制一般难以满足控制要求； 控制精度受到原理的限制。 2. 闭环控制系统（反馈控制系统） 特点：系统输出信号与测量元件之间存在反馈回路。 “闭环”这个术语的含义，就是将输出信号通过测量元件反馈到系统的输入端，通过比较、控制来减小系统误差。1.4 自动控制系统的分类

14、2. 闭环控制系统（反馈控制系统） 1.4 自动控制系统的分类特点：统的输出量（被控量）对控制作用有直接影响；都是负反馈控制系统，按照偏差进行控制；不管由于干扰或由于系统结构参数的变化所引起的被控量偏离给定值，都会产生控制作用去消除该偏差。该系统从原理上提供了实现高质量控制的可能性。 常见的控制系统绝大多数均属于闭环控制系统。控制器执行机构受控对象测量、变送器给定值 r测量信号 偏差e干扰 n被控量 3. 复合控制系统 1.4 自动控制系统的分类由于反馈控制只是在偏差出现以后才产生控制作用，因此，系统在强干扰作用下，被控量有可能产生较大波动的控制过程。对于这种工作环境适宜采用按偏差调节和按干扰

15、补偿相结合的复合控制系统。控制器执行机构受控对象测量、变送器给定值 r测量信号 偏差e干扰 n被控量补偿器二、按系统的控制作用来分类 控制的任务：使被控对象的被控量等于给定值。即： 1、恒值控制系统（或称自动调节系统、自动镇定系统、定植控制系统） 特点：输入信号是一个恒定的数值，r(t)=const。 工业生产中的恒温、恒压等自动控制系统都属于这一类型，如汽包水位控制、过热汽温控制等。 2、过程控制系统（或称程序控制系统） 特点：输入信号是一个已知的函数，r(t)=f(t)。 系统的控制过程 按预定的程序进行，要求被控量能迅速准确地复现输入，如化工中的压力、温度、流量控制，电站汽轮机启动过程中

16、希望转速随时间成一定函数关系。 恒值控制系统可看成输入等于常值的过程控制系统。 271.4 自动控制系统的分类3、随动系统（或称伺服系统） 特点：输入信号是一个未知函数。要求控制系统的输出量跟随输入信号变化。 如：负荷控制、锅炉燃烧过程中的风量的控制等。1.4 自动控制系统的分类三、按系统传输信号的性质来分类 1、连续系统 特点：系统各部分的信号都是时间的连续函数。目前工业中普遍采用的常规仪表PID调节器控制的系统。 2、离散系统 特点：系统中存在一个或几个时间上离散的信号。系统中用脉冲开关或采样开关，将连续信号转变为离散信号。其中离散信号以脉冲形式传递的系统又叫脉冲控制系统，离散信号以数码形

17、式传递的系统又叫数字控制系统。1.4 自动控制系统的分类 1.4 自动控制系统的分类四、按描述系统的数学模型不同来分类 1、线性系统 特点：系统由线性元件构成，描述运动规律的数学模型为线性微分方程。运动方程一般形式： 式中：r(t)系统输入量； c(t)系统输出量 主要特点是具有叠加性和齐次性。1.4 自动控制系统的分类四、按描述系统的数学模型不同来分类 1、线性系统 主要特点是具有叠加性和齐次性。1.4 自动控制系统的分类系统r1(t)c1(t)系统r2(t)c2(t)系统ar1(t)br2(t)ac1(t)bc2(t)四、按描述系统的数学模型不同来分类 1、线性系统 线性定常系统描述系统运

18、动状态的微分方程（差分方程）的系数是不随时间变化的常数。 线性时变系统描述系统运动状态的微分方程（差分方程）的系数是时间的函数。 例如：331.4 自动控制系统的分类线性定常系统线性时变系统2、非线性系统特点：在构成系统的环节中有一个或一个以上的非线性环节。非线性的理论研究远不如线性系统那么完整，目前尚无通用的方法可以解决各类非线性系统。非线性系统不具备叠加性和均匀性。例如：1.4 自动控制系统的分类非线性定常系统非线性时变系统非线性定常静态系统线性系统和非线性系统的比较：r(t)和c(t)分别表示系统的输入和输出，判断各方程所描述的系统的类型（线性/非线性、定常/时变、动态/静态）。351.

19、4 自动控制系统的分类线性系统和非线性系统的比较：r(t)和c(t)分别表示系统的输入和输出，判断各方程所描述的系统的类型（线性/非线性、定常/时变、动态/静态）。361.4 自动控制系统的分类线性时变动态，时变因素t、e-t非线性时变动态，非线性因素：r2(t)，时变因素t1/2非线性定常动态，非线性因素：10非线性定常静态，非线性因素：e-r(t)非线性定常动态，非线性因素：第2、3、4项非线性定常静态，非线性因素：分段线性系统的要领：（1）线性系统的一般形式：1.4 自动控制系统的分类（2）方程中的每一项均与c(t)，r(t)或其各阶导数有关。（3）系统不能为他们的导数或c(t)，r(t

20、)。（4）ai和bi均为常数时为定常系统，否则为时变系统。（5）当方程中只含有c(t)，r(t)而不含其导数项时，为静态系统。（6）分段特性系统是非线性系统，因为动态是指全范围满足叠加性。其他的分类方法：按功能来分：温度控制系统、速度控制系统、位置控系统等。按元件组成分：机电系统、液压系统、生物系统等。1.4 自动控制系统的分类分类小结391.4 自动控制系统的分类控制系统的组成：输入部分、控制系统部分和输出部分。从物理角度上看，自动控制研究的是特定激励作用下的系统响应变化情况；从数学角度上看，研究的是输入与输出之间的映射关系。1.4 反馈控制系统的基本组成1. 温控系统人工控制1.4 反馈控制系统的基本组成控制目标：要求炉子的温度恒定在期望的数值上。控制过程：1.4 反馈控制系统的基本组成432.温控系统自动控制1.4 反馈控制系统的基本组成 控制目标：要求炉子的温度恒定在期望的数值上。 控制过程：1.4 反馈控制系统的基本组成一般的形式 输入信号系统控制目标的反映，是人的意志的具体体。控制系统主要完成对有关信号的变换、处理，发出控制量，驱动执行机构完成控制功能