自动控制第一章(教学版)

自动控制原理

主讲：摆玉龙第一章概论

1自动控制与自动控制系统

2自动控制方式

3控制系统类型4闭环系统的组成及性能要求退出11自动控制与自动控制系统自动控制是指在没有人直接参与的情况下,利用外加的设备或装置(称控制装置或控制器),使机器、设备或生产过程(统称被控对象)的某个工作状态或参数(即被控量)自动地按照预定的规律运行。系统是指按照某些规律结合在一起的物体(元部件)的组合,它们相互作用、相互依存,并能完成一定的任务。Automation:Thecontrolofaprocessbyautomaticmeans.2

Controlsystem:Aninterconnectionofcomponentsformingasystemconfigurationthatwillprovideadesiredresponse.自动控制理论发展史自动控制技术的应用可以追溯到18世纪(1788年)瓦特(Watt)利用小球离心调速器使蒸汽机转速保持恒定的开创性的突破，以及19世纪(1868年)麦克斯韦（Maxwell）对轮船摆动（稳定性）的研究。但在初期，自动控制技术的应用进展很缓慢。自动控制技术的真正发展是在20世纪。3自动控制理论通常可分为经典控制理论、现代控制理论和智能控制理论。1)经典控制理论经典控制理论产生并发展于20世纪40～60年代。

2)现代控制理论现代控制理论于20世纪60年代中期发展成熟。

3)智能控制理论智能控制理论是20世纪70年代后，控制理论向广度和深度发展的结果。4智能控制系统是指具有某些仿人智能的工程控制与信息处理系统，其中最典型的就是智能机器人。对自动控制理论的具体描述可表示为图1-1。5图1-1对自动控制理论的具体描述67自动控制：在无人直接参加的情况下，利用控制装置使被控对象和过程自动地按预定规律变化的控制过程。自动控制系统：是由控制装置和被控对象所组成，它们以某种相互依赖的的方式组合成为一个有机整体，并对被控对象进行自动控制。控制器：对被控对象起控制作用装置的总体.被控对象：要求实现自动控制的机器，设备或生产过程。控制器：对被控对象起控制作用装置的总体，称做控制装置或控制器。输出量：表现于控制对象或系统输出端，并要求实现自动控制的物理量。输入量：作用于控制对象或系统输入端，并可使系统具有预定功能或预定输出的物理量。扰动：所有妨碍控制量对被控量按要求进行正常控制的因素，称为干扰量或扰动量。退出1.1自动控制系统基本概念8输出不影响输入，对输出不需要测量，通常容易实现；组成系统的元部件精度高，系统的精度才能高；系统的稳定性不是主要问题；开环控制：开环控制是指控制器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。退出主要特点：控制方式：按给定值操纵。信号由给定值至输出量单向传递。一定的给定值对应一定的输出量。系统的控制精度取决于系统事先的调整精度。对于工作过程中受到的扰动或特性参数的变化无法自动补偿。结构简单，成本低廉，多用于系统结构参数稳定和扰动信号较弱的场合,如自动售货机，自动报警器，自动流水线等。

控制器被控制对象给定值输出量按给定值控制的原理方框图2自动控制方式91.2开环控制详析1.开环控制系统(OpenloopControlSystem)

Asystemthatutilizesadevicetocontroltheprocesswithoutusingfeedback.Thustheoutputhasnoeffectuponthesignaltotheprocess

若系统的输出量不被引回来对系统的控制部分产生影响，则这样的系统称为开环控制系统。

10图1-2数控加工机床示意图图1-2就是一个由步进电机驱动的数控加工机床,也是一个没有反馈环节的开环控制系统。11图1-3为数控加工机床开环控制方框图。此系统的输入量为加工程序指令，输出量为机床工作台的位移，系统的控制对象为工作台，执行机构为步进电动机和传动机构。由图可见，系统无反馈环节，输出量并不返回来影响控制部分，因此是开环控制。12图1-3数控加工机床开环控制方框图13按扰动补偿

。这种控制方式的原理是：利用对扰动信号的测量产生控制作用，以补偿扰动对输出量的影响。由于扰动信号经测量装置，控制器至被控对象的输出量是单向传递的，故属于开环控制方式。对于不可测扰动以及被控对象及各功能部件内部参数变化给输出量造成的影响，系统自身无法控制。因此，控制精度有限，常用于工作机械的恒速控制（如稳定刀具转速）以及电源系统的稳压，稳频控制。退出控制器被控制对象扰动输出量按扰动补偿的原理方框图测量装置142.闭环控制系统(ClosedloopControlSystem)

Asystemsthatuseameasurementoftheoutputandcomparesitwiththedesiredoutput.

若系统输出量通过反馈环节返回来作用于控制部分，形成闭合环路，则这样的系统称为闭环控制系统，又称为反馈控制系统(FeedbackControlSystem)。15输出影响输入，所以能削弱或抑制干扰；低精度元件可组成高精度系统；因为可能发生超调，振荡，所以稳定性很重要。闭环控制：是指控制器与控制对象之间既有顺向作用又有反向

联系的控制过程。退出主要特点：控制方式：反馈控制，反馈按反馈极性的不同分成两种形式：正反馈，负反馈。我们所讲述的反馈系统如果无特殊说明，一般都指负反馈。控制器被控制对象输入量输出量闭环控制典型方框图扰动16图1-4电炉箱恒温自动控制系统17图1-5电炉箱自动控制方框图18图1-6炉温自动调节过程19

闭环系统的组成及性能要求退出闭环系统举例:

电压电流放大电机放大执行电机减速器被控对象反馈元件1恒值系统比较元件放大元件执行元件20退出闭环系统举例:

自整角机电机放大机执行电机减速器发射架反馈元件2恒值系统比较元件放大元件执行元件放大器及串联校正被控对象21退出闭环系统举例:放大整形计算机D/ASCR电阻炉反馈元件3恒值系统比较元件放大整形电路功率放大器A/D被控对象测量元件80C196单片机22退出闭环系统的组成:由上述举例表明，尽管控制系统不同，复杂各异，但基本组成是类同的，即闭环系统的基本组成为：(1)比较元件；(2)放大元件；(3)执行元件；(4)校正元件；(5)被控对象；(6)测量元件。放大整形串联校正变换放大执行元件被控对象测量元件并联校正--232425261.3自动控制系统的组成（总结）现以图1-4和图1-5所示的恒温控制系统来说明自动控制系统的组成和有关术语。27为了表明自动控制系统的组成以及信号的传递情况，通常把系统各个环节用框图表示，并用箭头标明各作用量的传递情况，图1-7便是图1-4所示系统的方框图。方框图可以把系统的组成简单明了地表达出来，而不必画出具体线路。28图1-7自动控制系统的方框图29

由图1-7可看出，一般自动控制系统包括：(1)给定元件（CommandElement）：由它调节给定信号（UsT），以调节输出量的大小。(2)检测元件（DetectingElement）：由它检测输出量（如炉温T）的大小，并反馈到输入端。(3)比较环节（ComparingElement）：在此处，反馈信号与给定信号进行叠加，信号的极性以“+”或“-”表示。

30(4)放大元件（AmplifyingElement）：

由于偏差信号一般很小，因此要经过电压放大及功率放大，以驱动执行元件。(5)执行元件（ExecutiveElement）：驱动被控制对象的环节。(6)控制对象（ControlledPlant）：亦称被调对象。(7)反馈环节（FeedbackElement）：由它将输出量引出，再回送到控制部分。31

由图1-7可见，系统中的各种作用量和被控制量包括:(1)输入量（InputVariable）：又称控制量或参考输入量（ReferenceInputVariable），所以输入量的角标常用i(或r)表示。(2)输出量（OutputVariable）：又称被控制量（ControlledVariable）,所以输出量角标常用o(或c)表示。(3)反馈量（FeedbackVariable）：通过检测元件将输出量转变成与给定信号性质相同且数量级相同的信号。

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(4)扰动量（DisturbanceVariable）:又称干扰或“噪声”（Noise），所以扰动量的角标常以d（或n）表示。(5)中间变量(SemifinisbedVariable)：系统中各环节之间的作用量。

331.4自动控制系统的分类自动控制系统可以从不同的角度来进行分类，常见的有以下几种。1.按输入量变化的规律分类按输入量变化的规律可分为以下三类:1)恒值控制系统(FixedSet-PointControlSystem)恒值控制系统的特点是：系统的输入量是恒量，并且要求系统的输出量相应地保持恒定。34常见的如：稳压电源；恒温系统；湿度控制系统；电机调速系统；陀螺稳定平台。2)随动控制系统（Follow-UpControlSystem）随动控制系统又称伺服系统（Serve-System），其特点是：输入量是随机变化着的，并且要求系统的输出量能跟随输入量的变化而作出相应的变化。

常见的有：火炮方位、俯仰控制系统；导弹发射架控制系统；雷达天线控制系统；仿型铣床；记录仪表随动系统；机器人运动控制系统;硬盘磁头位置控制系统。353)程序控制系统(ProgrammeControlSystem)程序控制系统的特点是：输入量按照一定的时间函数变化，并且要求输出量随之变化。例如数控伺服系统以及一些自动化生产线等。

36随动系统实例137随动系统实例238随动系统实例339随动系统实例440随动系统实例541定值控制系统实例142定值控制系统实例243定值控制系统实例344陀螺仪装入运载火箭452.按系统传输信号对时间的关系分类:自动控制系统按系统传输信号对时间的关系可分为两类:1)连续控制系统（ContinuousControlSystem）本书重点连续控制系统的特点是：各元件的输入量与输出量都是连续量（模拟量），因此它又称为模拟控制系统（AnalogueControlSystem）。图1-4所示的恒温控制系统就是连续控制系统。连续控制系统的运动规律通常可用微分方程来描述。462)离散控制系统(DiscreteControlSystem)离散控制系统又称采样数据控制系统.它的特点是：系统中有的信号是脉冲序列，或采样数据量、数字量。473.按系统的输出量和输入量间的关系分类:自动控制系统按系统的输出量和输入量间的关系可分为两类。1)线性系统(LinearSystem)线性系统的特点是：系统全部由线性元件组成，它的输出量与输入量间的关系用线性微分方程来描述。482)非线性系统(NonLinearSystem)

非线性系统的特点是：系统中存在有非线性元件，如具有死区、出现饱和、含有库仑摩擦等非线性特性的元件，它的输出量与输入量间的关系要用非线性微分方程来描述。494.按系统中的参数对时间的变化情况分类自动控制系统按系统中的参数对时间的变化情况可分为两类。1)定常系统（Time-InvariantSystem）定常系统(又称时不变系统),其特点是：系统的全部参数不随时间变化，它的输出量与输入量间的关系用定常微分方程来描述。502)时变系统(Time-VaryingSystem)时变系统的特点是：系统中有的参数是时间t的函数，它随时间变化而变。5152

控制系统类型(总结)退出自动控制系统有多种分类方法。例如，按信号传递路径，可分为开环，闭环等控制系统；按系统使用的能源可分为机械，电气，液压和气动控制系统。此外，还可以按系统的功用和性能进行分类。按系统功用分类，主要可分为以下三类：恒值系统：也称镇定系统。输出量以一定的精度等于给定值，而给定值一般不变化或变化很缓慢，扰动可随时变化的系统称为恒值系统，在生产过程中，这类系统非常多。例如，冶金部门的恒温系统，石油部门的恒压系统等。随动系统：输出量能以一定精度跟随给定值变化的系统称随动系统，又称为跟踪系统。这类系统的特点是系统的给定值变化规律完全取决于事先不能确定的时间函数。例如，火炮系统，卫星控制系统等。程序控制系统：自动控制系统的被控制量如果是根据预先编好的程序进行控制的系统称程序控制系。例如，炼钢炉中的微机控制系统，洲际弹道导弹的程序控制系统等。53退出按系统性能分类，主要可分为以下三类：

定常系统和时变系统：控制系统的参数如果在工作过程中不随时间而变化，那么这类系统称为定常系统。如果系统在工作期间其参数变化不能忽略其对系统工作的影响，则这种系统成为时变系统。不包括非线性的时变系统称为线性时变系统。线性系统的特点，可以应用叠加原理。用非线性方程描述的时变系统成为非线性时变系统。连续系统和断续系统：如果系统中传递的信号都是时间的连续函数，则称为连续系统，系统中只要有一个传递的信号是时间上断续的信号，则称为断续系统，或采样系统,或离散系统。例如，图1-1和图1-2所示的系统一般可认为是连续系统，而计算机控制系统一定是断续系统。有差和无差系统：若系统在给定输入量或扰动输入量的作用下，存在稳态误差则称为有差系统；不存在稳态误差的系统，则称为无差系统。541.5对自动控制系统的基本要求对每一类系统,被控制量变化全过程提出的共同基本要求都是一样的,且可以归结为稳定性﹑快速性和准确性.

1.稳定性稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件。一个稳定的控制系统，其被控量偏离期望值的初始偏差应随时间的增长逐渐减小或趋于零。55稳定性的曲线化（自控理论的特点）收敛（稳定）等幅振荡（临界稳定）发散（不稳定）56

2.快速性为了很好地完成控制任务，控制系统仅仅满足稳定性要求是不够的，还必须对其过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称为动态性能。

3.准确性理想情况下，当过渡过程结束后，被控量达到的稳态值（即平衡状态）应与期望值一致。57时间tr上升峰值时间tpAB超调量B调节时间ts快速性与准确性的描述58退出对控制系统的一般要求

为了实现自动控制的基本任务，必须对系统在控制过程中表现出来的行为提出要求。对控制系统的基本要求，通常是通过系统对特定输入信号的响应来满足的。例如，用单位阶跃信号的过渡过程及稳态的一些特征值来表示。

稳定性

被控制信号能跟踪已变化的输入信号，从一种状态到另一种状态，如果能做到，我们就认为该系统是稳定的，这是对反馈控制系统提出的最基本要求。

精度要求以输入阶跃信号为例，单位阶跃响应如图1-7所示。精度要求一般以稳态误差表示，既实际输出C（t）与期望值之差是否进入允许误差区△,.

超调量它是说明系统阻尼性即振荡性的，阻尼大则振荡小。对于稳定系统而言，第一次超调量为输出最大超调量，取其为性能指标之一，即：

59退出

过度过程时间ts

系统达到给定△区所需的时间。这个指标反映系统的惯性，即响应速度。上升时间tr

从原始状态开始，第一次达到单位阶跃响应的时间，对系统要求概括一句话为：稳定好，动作快，精度高。单位阶跃响应仿真MATLAB模型仿真输出1+△1-△

ts

tp

tr

601.6自动控制系统实例要分析一个实际的自动控制系统，首先要了解它的工作原理，然后画出组成系统的方框图。在画方框图之前，必须明确以下问题：(1)哪个是控制对象？被控量是什么？影响被控量的主扰动量是什么？(2)哪个是执行元件？61(3)测量被控量的元件有哪些？有哪些反馈环节？(4)输入量由哪个元件给定？反馈量与给定量如何进行比较？(5)此外还有哪些元件（环节）?它们系统中处于什么地位？起什么作用？621.轧钢计算机控制系统轧钢计算机控制系统的工作原理如图1-8所示。被控对象：轧辊。被控量：轧辊的输出量——厚度和张力。干扰量：主要是元件参数的变化而引起的干扰力矩。测量元件：厚度传感器和张力传感器。给定量：厚度给定、张力给定，是人们设计的希望值。计算装置：数字计算机。执行元件：电动机。63图1-8轧钢计算机控制系统的原理图64图1-9轧钢计算机控制系统的原理方框图652.机床台控制系统机床台控制系统的工作原理如图1-10所示。被控对象：工作台。被控量：工作台的输出量——位移xo。干扰量：主要是元件参数的变化而引起的干扰力矩。测量元件：角位移测量装置和测速机。

66图1-10机床台控制系统的原理图67图1-11机床台控制系统的原理方框图68给定量：xi，是设计者要把零件的毛胚加工成理想的那个模线。计算装置：控制器，用来把三个输入信号比较后得到的差值输出给放大变换器，进而控制电动机的转动。执行元件：电动机，用来拖动工作台按理想的模线运动。机床台控制系统的原理方框图如图1-11所示。693.液位控制系统工作原理如图1-12所示。被控对象：液体储罐。被控量：液体储罐的输出量——液位xo。扰动量：主要是Q2的变化。给定量：液体储罐中液位的希望高度xi。测量元件：液位变送器。计算装置：调节器。执行元件：调节阀。液位控制系统的原理方框图如图1-13所示。70图1-12液位控制系统的原理图71图1-13液位控制系统的原理方框图724.转速、电流双闭环直流调速系统转速、电流双闭环直流调速系统原理图如图1-14所示。系统的方框图如图1-15所示。73图1-14转速、电流双闭环直流调速系统原理图74图1-15转速、电流双闭环直流调速系统方框图75由图1-14可见，该系统有两个反馈回路，构成两个闭环回路，故称双闭环。其中,一个是由电流调节器ACR和电流检测-反馈环节构成的电流环；另一个是由速度调节器ASR和转速检测-反馈环节构成的速度环。由于速度环包围电流环，因此称电流环为内环（又称副环），称速度