自动控制第一章

自动控制原理朱颖zhuyinglz@163.com高等数学积分变换自动控制理论现代控制理论其它专业课程

1、是一门专业基础课

2、理论实践相结合理论性非常强,但又和实际应用紧密结合

3、内容广泛自动控制理论课程特点学习自动控制理论的重要性3、本课程能为解决实际控制问题提供理论和方法1、本课程是自动化专业承上启下的课程2、自动控制技术是应用非常广泛的技术

电机控制、自动化生产线、火炮雷达控制、家用电器、机械、冶金、石油、化工、电力电子、航空、航海、航天、核反应堆等。4、学分较多本门课程的性质:1.重要的技术基础课，阐述有关自动控制技术的基础理论——经典控制论，研究“控制论”在工程中的应用。基本内容——控制论的基本理论、方法、特点、综合设计方法。研究对象——自动控制系统，揭示自动控制系统中存在的信息转换、传递和反馈。2.学习目的：①自动化发展的需要②与信息科学、系统科学关系紧密③掌握控制系统分析与设计的基本方法本课程学习方法1、打好基础高等数学、积分变换、电路原理、电子技术2、做好预习3、听好课讲课的速度较快、了解课程内容掌握基本理论和基本方法4、做好习题应用学到的基本理论和基本方法解决实际问题什么是自动控制系统？示例——水池水位控制

1.人工控制被控对象：水池被控量：水池的水位观测实际水位，将期望的水位值与实际水位相比较，两者之差为误差。根据误差的大小和方向调节进水阀门的开度，即当实际水位高于要求值时，关小进水阀门开度，否则加大阀门开度以改变进水量，从而改变水池水位，使之与要求值保持一致。

人脑：记住水位的期望值；人眼：观察水池的实际水位；测量（测量反馈机构）人脑：将水池的期望值-实际值；比较（比较机构）人手：调节进水阀门的开度，执行控制作用。执行（执行机构）是一个反复观察测量、比较、调整执行的过程，力图将水池水位的期望值与实际值之间的差值减为0。2.自动控制当实际水位低于要求水位时，电位器输出电压值为正，且其大小反映了实际水位与水位要求值的差值，放大器输出信号将有正的变化，电动机带动减速器使进水阀门开度增加，直到实际水位重新与水位要求值相等时为止。电位计+连杆—人脑：记住水位的期望值；浮子—人眼：观察水池的实际水位；电位计+连杆—人脑：反映误差（=水位的期望值-实际值）；电动机—人手：调节进水阀门开度，执行控制作用。是一个反复观察测量、比较、调整执行的过程，力图将水池水位的期望值与实际值间的差值减为0，即误差为0。控制过程：测量（测量反馈机构）—浮子比较（比较机构）—电位计+连杆执行（执行机构）—电动机在水位自动控制系统中：被控对象：水池；输出量：水位的实际值；给定输入量：水位的期望值；扰动输入量：如放大器的漂移（对系统的输出起反作用的输入量）；1.1引言1.2自动控制系统的组成1.3控制系统的主要类型及控制方式1.4对控制系统的基本要求第1章自动控制系统概论1.1引言一、控制系统基本概念a.控制（Control）：根据某种原理或方法，使特定对象（被控对象）的某些物理量（被控量）按照预期规律变化的操纵过程。b.人工控制（ManualControl）：由人直接或间接操作执行装置的控制方式。1.自动控制（AutomaticControl）：是指在没有人直接参与的情况下，利用自动控制装置（简称为控制器），使被控对象（生产装置、机器设备或其他过程）的某些物理量（称为被控量或输出量）自动地按预定的规律运行或变化。2.自动控制理论：实现自动控制技术的理论叫自动控制理论，是研究有关自动控制共同规律的一门技术科学。

3.自动控制系统：能够对被控对象的工作状态进行控制的系统。

自动控制理论分为经典控制理论、现代控制理论、大系统理论与智能控制理论三大部分。二、自动控制理论的发展状态

形成时期理论基础分析方法研究对象主要问题数学工具30-50年代经典控制理论时域、复域、频域SISO系统的分析和综合（稳定性）微分方程、拉氏变换、复变函数60-70年代现代控制理论状态空间、时域MIMO最优化问题矩阵理论线性代数70年代至今大系统理论、智能控制时域、复域、频域法、模糊集法多因素、多层次、复杂对象数学百科全书经典控制理论(19世纪初)

时域法复域法(根轨迹法)

频域法

现代控制理论(20世纪60年代)

线性系统自适应控制最优控制鲁棒控制最佳估计容错控制系统辨识集散控制大系统复杂系统

智能控制理论(20世纪70年代)

专家系统模糊控制神经网络遗传算法

1.2自动控制系统的组成一、控制系统的组成被控对象控制系统测量元件比较元件

控制装置

放大元件（自动化装置）执行机构校正装置给定元件1.被控对象：要求实现自动控制的机器、设备或生产过程；2.被控变量:被控对象内要求自动控制的物理量，也称为输出量；3.控制量（操纵变量）：作为被控量的控制信号，作用于自动控制系统的输入量，或消除干扰的影响，实现控制作用的参数；4.输入量：在控制系统中，影响系统输出量的外界输入；5.输入量分为：给定输入量（给定信号）和扰动输入量（扰动信号）；6.执行机构：直接作用于被控对象，使得被控量达到要求的装置；7.测量元件(检测装置):用来检测被控量将其转换成与给定值相同的物理量。8.控制装置：即控制器，对被控对象起控制作用装置的总称；9.放大元件:将微弱的信号作线性放大；10.校正元件：按某种函数规律变换控制信号，并能反映两者差值的偏差信号以利于改善系统的动态品质或静态性能。校正环节可加于偏差信号与输出信号之间的通道内，也可加于某一局部反馈通道内。前者称为串联校正，后者称为并联校正或反馈校正。二、控制系统的方块图信号：在方框图中用带箭头的直线表示；具有方向性，单向性；正(前)向通路：信号从输入端沿箭头方向到达系统输出端的传输道；反馈回路：信号从输出端沿箭头方向到达系统输入端的传输通道；方框图中各符号的意义元部件

方框（块）图信号（物理量）及传递方向中的符号比较点引出点表示负反馈三、自动控制系统的基本控制方式开环控制是指控制装置与被控制对象之间只有正向作用而没有反向联系的控制过程。开环控制系统的特点：（1）系统输出量对控制作用无影响（2）无反馈环节（3）出现干扰靠人工消除（4）无法实现高精度控制开环控制

举例1：

开环调速系统（不考虑测速反馈）工作原理：给定电压ug经放大后得到电枢电压ua，改变ug可得不同的转速n，该系统只有输入量ug对输出量n的单向控制作用。输出端和输入端之间不存在反馈回路。

+_电压放大器功率放大器Mc负载n电动机+_+_+电位器开环系统的优点——结构简单，系统稳定性好，调试方便，成本低。因此，在输入量和输出量之间的关系固定，且内部参数或外部负载等扰动因素不大，或这些扰动因素可以预测并进行补偿的前提下，应尽量采用开环控制系统。开环控制的缺点——当控制过程中受到来自系统外部的各种扰动因素，如负载变化、电源电压波动等，以及来自系统内部的扰动因素，如元件参数变化等，都将会直接影响到输出量，而控制系统不能自动进行补偿，抗干扰性能差。因此，开环系统对元器件的精度要求较高。图.开环控制系统的方框图

闭环控制闭环控制指控制装置与被控对象之间既有正向的作用，又有反向联系的控制过程。若将系统的输出量反馈到其输入端，与参考输入进行比较，则构成闭环系统。把取出的输出量送回输入端，并与输入信号相比较产生偏差信号的过程，称为反馈。通过反馈使偏差增大的正反馈，用“+”表示通过反馈使偏差减小的负反馈，用“-”表示举例2：闭环调速系统（考虑测速反馈）+_电压放大器功率放大器Mc负载n电动机+_+_uf电位器测速发电机+

ug偏差U=ug-uf-

直流电动机转速闭环控制系统方块图设上述系统原已在某个给定电压ug相对于的转速n状态下运行，若一旦受到某些干扰（如负载转矩突然增大）而引起转速下降时，系统就会自动地产生相应的调整过程。偏差始终存在正反馈不能进行控制，会使系统的偏差越来越大。Mc↑→n↓→uf↓→=（ug

-uf）↑→ua↑→n↑n电

压放大器输入量Mc扰动输出量功

率放大器直

流电动机＋ugua测

速发电机uf－图2.闭环控制系统方块图闭环控制的优点——抑制扰动能力强，与开环控制相比，对参数变化不敏感，并能获得满意的动态特性和控制精度。闭环控制的缺点——引入反馈增加了系统的复杂性，如果闭环系统参数的选取不适当，系统可能会产生振荡，甚至系统失稳而无法正常工作，这是自动控制理论和系统设计必须解决的重要问题。自动控制理论主要研究闭环控制系统

炉温控制系统的理想温度由电压ur给出，热电偶检测箱温输出电压uf，偏差电压ue=ur-uf，经电压和功率放大后控制电机的速度和转向，从而改变调压器滑动触头的位置，改变炉温控制系统的外施电压达到恒定炉温的目的。例3.炉温控制系统温度Tc下降，Tc↓→uf↓→

ue=ur-

uf↑→ua↑→电机向增大调压器输出电压的方向加速旋转→Tc↑→uf↑，直到Tc

=Tr，ue=0。原理：即当恒温箱内温度偏高时，使调压器降压，反之升压，直到温度达到给定值为止。此时偏差电压ue=0，电机停转。炉温自动控制系统方框图放大器电机减速器调压器电炉热电偶+-ufueurTcua给定装置Tr扰动1.3控制系统的主要类型及控制方式一、按描述元件的动态方程：1．线性系统和非线性系统（1）线性系统：用线性微分方程或线性差分方程描述的系统。重要性质：满足叠加性和齐次性当系统输入为、时，系统为、，则系统总的输出为——叠加性当输入为，则输出——齐次性（2）非线性系统：用非线性微分方程或差分方程描述的系统。重要性质：不满足叠加性和齐次性注意：任何的物理系统都是非线性的，但是在一定条件下可以将某些非线性特性线性化，近似地用线性微分方程去描述，这样就可以按照线性系统来处理。

2．按信号的传递是否连续（1）连续系统：系统中各元件的输入量和输出量均为时间t的连续函数。连续系统的运动规律可用微分方程描述，系统中各部分信号都是模拟量。（2）离散系统：系统中某一处或几处的信号是以脉冲系列或数码的形式传递的系统。离散系统的运动规律可以用差分方程来描述。计算机控制系统就是典型的离散系统。3．按系统的参数是否随时间变化分类（1）定常系统：系统中的参数不随时间变化；（2）时变系统：系统中的参数是时间的函数；4.按给定值特征分类（1）定(恒)值控制系统：

给定值不变，要求系统输出量以一定的精度接近给定希望值的系统。如生产过程中的温度、压力、流量、液位高度、电动机转速等自动控制系统属于恒值系统。（2）随动控制系统：

给定值随时间变化的未知函数，要求输出跟随给定值的变化。如跟随卫星的雷达天线系统。（3）程序控制系统：

给定值随时间变化的已知函数。如程控机床。

1.4对控制系统的基本要求要提高控制质量，就必须对自动控制系统的性能提出一定的具体要求。尽管自动控制系统有不同的类型，对每个系统都有不同的特殊要求。但总的说来，都是希望设计的控制过程尽量接近理想的控制过程。工程上常常从稳、准、快三个方面来评价自动控制系统的总体精度。

1.稳——指控制系统的稳定性和平稳性。稳定性——指系统重新恢复平衡状态的能力，它是自动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至稳态值或趋于零。

平稳性——指过渡过程振荡的振幅与频率。即被控量围绕给定值摆动的幅度和摆动的次数。好的过渡过程摆动的幅度要小，摆动的次数要少。2.快速性——即过渡过程继续的时间长短。过渡过程越短，说明系统快速性越好，过渡过程持续时间越长，说明系统响应迟钝，难以实现快速变化的指令信号。3.准确性——是指系统在过渡过程结束后，偏差的最终值的大小，称为稳态误差，它是衡量系统稳态精度的重要指标。稳态误差越小，表示系统的准确性越好，被控量（输出量）的期望值与实际值之间的差值就越小。

由于被控对象的具体情况不同，各系统对稳、快、准的要求各有侧重。而且对同一系统，稳、快、准的要求常常是相互制约的。过分提高过程的快速性，可能会引起系统强烈的振荡，而过分追求稳定性，又可能使系统反应迟缓，最终导致准确性变坏。如何分析和解决这些矛盾，将是本学科研究的主要内容。

对于偏差始终存在的系统准确性：希望放大环节的放大系数大平稳性：希望放大环节的放大系数小1.自动控制的一般概念

基本控制方式控制系统的基本组成控制系统的分类对控制系统的要求课程研究的内容

2.要求掌握的知识点

负反馈控制系统的特点及原理由系统工作原理图绘制方框图