自动控制原理第一章自动控制的一般概念

自动控制原理洛阳理工学院电气工程与自动化系2014.2课程简介1、类别：必修考试课专业基础课考研课2、总学时：80，（理论学时70,实验学时10）

3、先修课程：高数、复变函数、积分变换、线性

代数、电路理论、模拟技术、电机拖动等4、本学期讲述内容：1-8章5、课程结构第一章

自动控制的一般概念1-1自动控制的基本原理与方式1-2自动控制系统示例1-3自动控制系统的分类1-4对自动控制系统的基本要求1-1自动控制的基本原理与方式自动

不需要人的介入控制达到人想要达到的某种目的自动控制在脱离人的直接干预下，利用控制装置，使被控对象按照预定的规律运行。自动控制系统将被控的对象和实现控制功能的控制装置组合起来称为自动控制系统

最初的闭环自动控制装置是1788年瓦特（J.Watt）发明的飞锤调速器的研究。四个阶段：经典控制理论阶段现代控制理论阶段大系统控制理论阶段智能控制阶段

自动控制科学经典控制理论现代控制理论被控对象

（也称被控过程、被控系统）

通常是一个设备，多数由一些机器零件有机地组合在一起，完

成特定的操作。被控参数（也称为系统输出）

体现系统控制目的的物理量。（水位、速度等）控制参数

由控制器改变的量，对被控参数有较好的调节能力。（阀门开度、电枢电压等）系统输入

作用于被控对象或系统输入端，并可使系统具有预定功能或预定

输出的物理量。（给定水位，电位器滑杆位置）扰动

是一种对系统的输出量产生影响的信号。（水箱出水、负载等）术语和定义反馈控制原理例：水位人工控制系统控制目的：水箱的水位保持不变人工控制：眼睛观察水位，大脑发命令，手调节阀反馈控制原理水位自动控制系统控制目的：水箱的水位保持不变实用例子：茶水炉、锅炉、储料罐影响水位的因素：物料的流入（主动控制） 物料的流出（负载变化）入出不平衡时水位发生变化自动控制：仪器测量水位（浮子） 仪器发命令（控制器）仪器调节阀（气动阀门）水箱称为被控对象，所有仪器合称为控制装置。

电动机速度自动控制系统一控制目的：

电动机的速度保持不变影响电动机速度的因素：

电机的电枢电压决定电机的转速，负载大小问题：

负载变化会改变转速

电机及负载称为被控对象实用例子：

机床（纺纱机、车床等），传送带电动机速度自动控制系统二控制目的：

电动机的速度保持不变与系统一不同之处：

检测电动机的速度希望解决的问题：

当负载发生变化时，速度不变自动控制：

测量速度，进行比较，改变电位器位置优点：

当负载发生变化时，速度改变，能自动调节速度与系统一不同之处

：

加入了测量速度，并送到输入端回顾电动机速度自动控制系统一开环控制：输出量对输入量(控制作用)没有影响的系统。电动机速度控制系统二与系统一的区别是：对系统输出进行了测量，而且将测量的输出送到输入端，并与参考输入形成偏差，通过偏差进行控制。开环控制和闭环控制电位器功率放大器电动机电枢电压电位器电压电位器滑杆位置转速电位器电压转速电位器转速给定值电枢电压滑杆位置电位器测速发电机控制器电动机功率放大器负反馈：反馈的加入，使偏差越来越小。正反馈：反馈的加入，使偏差越来越大。（振荡发生器）最大的特点： 消除偏差； 使系统对参数不敏感。将输出量反送到输入端，与输入端形成偏差称之为反馈闭环控制

将输出量与参考输入量进行比较，并且将它们的偏差作为控制手段，以保持两者之间预定关系的系统。也称为反馈控制系统。控制系统中主要采用负反馈。

开环控制和闭环控制开环控制和闭环控制的比较性能开环控制闭环控制有无反馈无有精度低高稳定性不改变稳定性可能改变稳定性经济型成本低成本高实例交通红绿灯电机速度系统一水位控制电机速度系统二温度控制

开环控制和闭环控制反馈控制系统的基本组成将组成系统的元部件按职能分类主要有：测量元件、给定元件、比较元件、

放大元件、执行元件、校正元件自动控制系统基本控制方式闭环控制系统复合控制系统开环控制系统被控参数参考输入控制器执行器被控对象被控对象偏差被控参数参考输入控制器执行器测量仪表控制器偏差被控参数测量仪表参考输入扰动信号执行器被控对象补偿装置1-2自动控制系统示例功率放大SM负载++++u0nua电动机速度控制系统电动机速度开环控制系统电动机速度控制系统+++++电压放大u0nuaueut功率放大负载SMTG电动机速度闭环控制系统按扰动控制的速度控制系统负载功率放大放大电压SM+++++u0nuaucubR函数记录仪原理示意图RQRWΔuLtur变换器放大器绳轮电机测速机减速器1-2自动控制系统示例飞机示意图给定电位器反馈电位器给定装置放大器舵机飞机

反馈电位器

垂直陀螺仪θ0θc扰动俯仰角控制系统方块图飞机方块图胰岛素注射控制系统

控制系统在生物医学领域获得了广泛应用，出现了药物自动注射系统。由于微型葡萄糖传感器尚不成熟，胰岛素注射控制系统采样开环控制。电机电压胰岛素注射速率预编程信号发生器电机泵和阀门u(t)I(t)

随着科学技术的发展，今后更复杂的注射控制系统应该可以根据测得的血糖水平实施闭环注射控制。1、确立控制目标设计一个能调节糖尿病人血糖浓度的系统2、确定控制变量血糖浓度3、确定控制系统设计指标使病人的血糖浓度严格逼近健康人的血糖浓度4、确定系统结构、选择执行机构

放大器电机泵和阀门人体、血液和胰腺实际血糖浓度微型葡萄糖传感器预期血糖浓度血糖浓度测量值胰岛素注射速度液位控制系统控制器减速器电动机电位器浮子用水开关Q2Q1cifSM1.3自动控制系统的分类1.按结构分开环控制系统闭环控制系统复合控制系统2.按输入信号的变化规律分恒值控制：参考输入为一个恒定的值。如：水位控制、速度控制等程序控制：参考输入为一个已知的时间函数。如：全自动洗衣机、热处理过程等随动控制：参考输入为一个随机变化的函数。如：火炮跟踪系统等3.按系统中传递信号的特点分连续系统：系统中传递的信号都是时间轴上连续的信号。离散系统：系统中某一处或几处信号为脉冲序列或时间轴上不连续的信号。典型的如计算机控制系统。线性系统: 组成系统的所有元件或子系统都是线性的。非线性系统：系统中至少有一个元件或子系统是非线性的。4.按系统特点分1.3自动控制系统的分类5.按系统输入输出数量分单输入单输出（经典控制理论）多输入多输出（现代控制理论）6.按系统功能分温度控制、速度控制、位置控制7.按组成元件的特点分机械系统、电气系统、液压系统、生物系统、经济系统8.按控制规律分古典控制、现代控制系统、模糊系统、神经网络系统1.3自动控制系统的分类随动系统实例1随动系统实例2随动系统实例3定值控制系统实例1定值控制系统实例2定值控制系统实例3陀螺仪装入运载火箭为全面反映自动控制系统特点，常将上述分类组合应用分为：线性连续控制系统1.3自动控制系统的分类系数是否为常数分：定常系统，时变系统。线性定常离散控制系统(差分方程描述）

a0c(k+n)+a1c(k+n-1)+……+an-1c(k+1)+anc(k)=b0r(k+m)+b1r(k+m-1)+……+bm-1r(k+1)+bmr(k)

非线性控制系统（常作线性化处理）特点：系数与变量有关。

1.基本要求建立控制系统的目的：保证系统输出具有控制输入指定的数值保证系统输出尽量不受扰动的影响对系统的具体要求：稳、准、快（1）系统稳定性（2）系统动态快速性（3）系统稳态的准确性2.典型外作用(1)阶跃函数(2)斜坡函数(3)脉冲函数(4)正弦函数1.4对自动控制系统的基本要求tpc(t)t0u(t)u(t)理想系统的响应

可以归结为稳定性（长期稳定性）、准确性（精度）和快速性（相对稳定性）。

稳准快稳定性1对恒值系统，要求当系统受到扰动后，经过一定时间的调整能够回到原来的期望值。tpc(t)t0r(t)2对随动系统，被控制量始终跟踪输入量的变化。

准确性-----

用稳态误差来表示。在参考输入信号作用下，当系统达到稳态后，其稳态输出与参考输入所要求的期望输出之差叫做给定稳态误差。c(t)t0r(t)tpc(t)t0r(t)快速性控制系统不仅要稳定和并有较高的精度，而且还要求系统的响应具有一定的快速性。2.典型的外作用选作典型外作用应具备的条件：1、这种函数在现场或实验室易得到；2、控制系统在这种函数作用下的性能应代表在

实际工作条件下的性能；3、数学表达式简单，便于理论计算。

目前常用的有：阶跃函数、斜坡函数、脉冲函数、正弦函数等。(1)阶跃函数（StepFunction）

表示一个在t=0时刻出现的，幅值为A的阶跃变化函数，如图所示。A=1-----单位阶跃函数（2）斜坡函数

数学表达式为:

斜坡函数从t=0时刻开始，随时间以恒定速度增加。如图所示。A=1时斜坡函数称作单位斜坡函数。

（3）脉冲函数（PulseFunction）脉冲函数的定义：是