自动控制原理

2023年2月6日第一章

自动控制系统的基本概念1自动控制原理

PrinciplesofAutomaticControl

主讲人：朱高伟2023年2月6日第一章

自动控制系统的基本概念自动控制原理电气自动化专业特点1、强弱电结合2、电工技术与电子技术相结合3、软件硬件相结合4、电力、电子、控制、计算机多学科综合的“宽口径”专业2023年2月6日第一章

自动控制系统的基本概念自动控制原理电气自动化专业就业方向1、电力系统高电压设备的设计、开发、生产、管理、运行、维护

输变电工程师、注册电气工程师2、电气技术方向

电气测量、控制技术、控制领域装置与系统的开发与设计工作。3、应用电子方向

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自动控制系统的基本概念自动控制原理电气自动化专业具体的就业方向1、电厂（包括各个公司，工厂的配电室）2、软件开发（特别是单片机或EDA等）3、PLC（大体是工控方向，搭建操作平台等）4、各个矿山，或金属冶炼场所（进行自动化设备的维护，操作等）5、去学校当老师6、做销售工作（卖自己专业相关的东西）7、公务员（每个专业都可以）8、xxx研究所9、产品设计，硬件电路设计10、自主创业（有了一定了经济和经验积累）2023年2月6日第一章

自动控制系统的基本概念自动控制原理电气自动化专业要求1、学好书本知识多关注业界资讯，相关行业，专业论坛2、加强动手能力二手市场、电子市场，淘，组装，DIY2023年2月6日第一章

自动控制系统的基本概念自动控制原理电力电气领域大型公司介绍电力系统单位：发电企业、供电企业、电气设备制造公司、电力设计院、电力规划院、电力建设、电力科研开发等部门五大国有发电集团：中国华能集团、中国大唐集团、中国华电集团、中国国电集团、中国电力投资集团两大电网公司：国家电网公司、南方电网公司电气设备制造企业：上海电气电站、新疆特变电工等外企：SIEMENS、ABB、SCHNEIDER、AREVA、VESTAS等

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自动控制系统的基本概念自动控制原理课程基本信息适用专业：电气自动化、测控技术及仪器 /电子信息工程、通信工程课程性质：技术基础课课程类型：必修课学时：讲课学时（56/4）

为什么要选电气自动化专业？

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自动控制系统的基本概念自动控制原理课程的主要内容第1章自动控制系统的基本概念(4)第2章拉普拉斯变换及其应用（4）第3章自动控制系统的数学模型(10)第4章自动控制系统的时域分析(14)第5章自动控制系统的频域分析（14）第6章控制系统的校正及综合(10)2023年2月6日第一章

自动控制系统的基本概念

自动控制原理

自动控制是一门技术学科，从方法论的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。理论性强、抽象、涉及数学知识多,所以上课要认真听讲。课程的性质和特点：考核方法：平时30分（作业、测验、考勤、纪律）考试70分2023年2月6日第一章

自动控制系统的基本概念自动控制原理自动控制原理电路理论电机与拖动大学物理信号与系统复变函数拉氏变换模拟电子技术线性代数微积分各类专业课线性系统现代控制理论本课程与其它课程的关系2023年2月6日第一章

自动控制系统的基本概念

自动控制原理第一阶段：古典控制理论（20世纪40～60年代）

ClassicalControlTheory第二阶段：现代控制理论（20世纪60～70年代）

ModernControlTheory

第三阶段：智能控制理论（20世纪70年代～今）

IntelligentControlTheory

自动控制理论的发展历程控制理论是研究有关自动控制共同规律的一门科学。基于数学模型

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自动控制系统的基本概念古典控制理论（20世纪40～60年代）主要解决问题：单输入单输出（SISO）系统的控制问题。主要方法：以传函为数学模型，以拉氏变换数学工具，时域分析法、根轨迹法、频率法。

主要研究对象：SISO，线性定常（LTI），非线性系统，离散系统。以传递函数为基础研究SISO系统的控制问题。

主要代表人物：伯德，奈奎斯特，伊文思。SingleInputSingleOutput

LinearTimeInvariable

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自动控制系统的基本概念以状态空间法为基础，研究MIMO、非线性、时变系统的分析和设计。现代控制理论（20世纪60～70代）解决问题：单输入单输出SISO、多入多出MIMO主要方法：状态空间法。采用状态方程作为数学模型研究对象：线性定常，时变，非线性系统，离散系统主要内容：最优控制理论，系统辩识，最优估计主要代表人物：卡尔曼，贝尔曼，庞科里亚金Multi-inputMulti-output

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自动控制系统的基本概念智能控制理论（20世纪70年代～今）以人工智能为基础主要方法：研究对象：研究具有模糊性，不确定性，不完全性，随机性的系统。主要内容：专家系统，模糊控制，学习控制….

以人工智能为基础研究具有模糊性、不确定性，不完全性和偶然性的系统。非模型解决问题：模型不完全确定，或模型未知。2023年2月6日第一章

自动控制系统的基本概念15第一章自动控制系统的基本概念电气自动化教研室朱高伟2023年2月6日第一章

自动控制系统的基本概念第一章自动控制系统的基本概念主要内容开环控制系统与闭环控制系统闭环控制系统的组成和基本环节自动控制系统的类型自动控制系统的性能指标小结2023年2月6日第一章

自动控制系统的基本概念第一章自动控制系统的基本概念学习重点了解自动控制系统的基本结构和特点及其工作原理；了解闭环控制系统的组成和基本环节；掌握反馈控制系统的基本要求及反馈控制系统的作用；学会分析自动控制系统的类型及本质特征。2023年2月6日第一章

自动控制系统的基本概念1.1开环控制系统和闭环控制系统自动控制自动控制是在没有人的直接干预下，利用物理装置对生产设备和工艺过程进行合理的控制，使被控制的物理量保持恒定或者按照一定的规律变化。2023年2月6日第一章

自动控制系统的基本概念1.1开环控制系统和闭环控制系统

人工控制自动控制电饭煲空调抽水马桶自动档汽车的驾驶全自动洗衣机轧钢厂加热炉温度的控制煤气灶蒸饭手排档汽车的驾驶自行车的速度控制收音机的音量调节。。。2023年2月6日第一章

自动控制系统的基本概念1.1开环控制系统和闭环控制系统系统

完成一定任务的一些元、部件的组合。自动控制系统为完成某一自动控制目标或控制任务所需要的所有元件、物理装置或设备的有机组合。2023年2月6日第一章

自动控制系统的基本概念工业系统根据有无反馈作用可分为：

开环控制系统闭环控制系统

1.1开环控制系统和闭环控制系统2023年2月6日第一章

自动控制系统的基本概念1-自耦变压器2-电阻炉（被控对象）

1.1.1开环控制系统例1-1.

温度控制系统T控制过程：输入,控制量输出,被控量系统组成：1.1开环控制系统和闭环控制系统控制目标：要求炉子的温度恒定在期望的数值上。2023年2月6日第一章

自动控制系统的基本概念被控量（输出量）output——系统要控制的物理量。被控对象plant——被控量所对应的控制装置或过程。工业炉扰动量disturbance——当输入不变时使得输出发生变化的量。如：环境温度、开门次数、电压波动。给定量或控制量（输入量）input——决定被控量的物理量。1.1开环控制系统和闭环控制系统专业术语2023年2月6日第一章

自动控制系统的基本概念1.1开环控制系统和闭环控制系统12扰动量给定量输出量

1-

执行器(自耦变压器)2-被控对象(电阻炉)图中：2023年2月6日第一章

自动控制系统的基本概念1.1开环控制系统和闭环控制系统

（1）开环控制

只有输入量对输出量产生控制作用，输出量不参与对系统的控制。开环控制是不是自动控制？开环控制举例！

（2）开环控制特点输入控制输出（输入量与输出量一一对应），结构简单输出不参与控制（信号传递是单方向的）系统没有抗干扰能力，控制精度不高。2023年2月6日第一章

自动控制系统的基本概念1.1开环控制系统和闭环控制系统2.闭环控制系统例1-2温度闭环控制系统（1）人工闭环控制~220V12uc人的功能用一些物理装置来实现反馈2023年2月6日第一章

自动控制系统的基本概念

控制目标：要求炉子的温度恒定在期望的数值上。控制过程：1.1开环控制系统和闭环控制系统2023年2月6日第一章

自动控制系统的基本概念1.1开环控制系统和闭环控制系统（2）自动闭环控制温度闭环控制系统图

1-热电偶2-加热器哪个量是系统的输入？2023年2月6日第一章

自动控制系统的基本概念1.1开环控制系统和闭环控制系统

图1-4闭环控制结构示意图

1-控制器2-控制对象3-检测装置前向通道反向通道2023年2月6日第一章

自动控制系统的基本概念（1）闭环控制（反馈控制）系统输出信号与测量元件之间存在反馈回路的系统叫闭环控制系统。闭环控制系统也叫反馈控制系统。“闭环”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。反馈信号与给定信号极性相反为负反馈，反之为正反馈。1.1开环控制系统和闭环控制系统2023年2月6日第一章

自动控制系统的基本概念1.1开环控制系统和闭环控制系统（2）闭环（反馈）控制特点输入控制输出（输入量与输出量一一对应）输出参与控制（信号双方向），反馈，结构复杂控制精度高，自动纠正偏差，具有抗干扰能力。2023年2月6日第一章

自动控制系统的基本概念Input(setpoint)----输入量、给定量、设定量Output----输出量、被控量Feedback----反馈

Disturbance----扰动量

Plant(object)----被控对象

Controller----控制器Sensor----检测装置、传感器Desired

Output

----理想输出，期望输出Ａctual

Output----实际输出1.1开环控制系统和闭环控制系统2023年2月6日第一章

自动控制系统的基本概念1.2闭环控制系统的组成和基本环节1.闭环控制系统的结构（示意）图

1-给定环节；2-比较环节；3-校正环节；4-放大环节；5-执行机构；6-被控对象；7-检测装置2023年2月6日第一章

自动控制系统的基本概念1.2闭环控制系统的组成和基本环节2.闭环控制系统的基本环节（1）检测环节或传感器

其职能是检测被控制的物理量，并将其转换为与给定量相同的物理量。如果这个物理量是非电量，一般转换为电量。例如：①测速发电机是用于检测电动机轴的速度并转换为电压；②自整角机等是用于检测角度并转换为电压；③热电偶是用于检测温度并转换为电压等。2023年2月6日第一章

自动控制系统的基本概念1.2闭环控制系统的组成和基本环节（２）给定环节其职能是给出与期望的被控量相对应的系统输入量。如：给定电位器。（３）比较环节将所检测的被控制量的实际值与给定环节给出的设定值进行比较，确定两者之间的偏差量。如：差动放大器、机械差动装置和电桥。2023年2月6日第一章

自动控制系统的基本概念1.2闭环控制系统的组成和基本环节（4）放大环节将比较环节给出的偏差进行放大，用来推动执行元件去控制被控对象。如：电压偏差信号，可用电子管、晶体管、集成电路、晶闸管等组成的电压放大器和功率放大器加以放大。2023年2月6日第一章

自动控制系统的基本概念1.2闭环控制系统的组成和基本环节（５）执行机构直接推动被控对象，使其被控量发生变化，达到所要求的数值。一般由传动装置和调节机构组成。如：阀、电动机、液压马达等。（６）被控对象要进行控制的设备或过程。电炉，电机。2023年2月6日第一章

自动控制系统的基本概念1.2闭环控制系统的组成和基本环节（７）校正环节（补偿环节）

其结构或参数便于调整，按某种规律对偏差信号进行运算，作用于执行机构，以改善系统性能。最简单的校正元件是由电阻、电容组成的无源或有源网络，复杂的则用电子计算机。

在控制系统中，常把比较环节、校正环节和放大装置和在一起称为控制器。2023年2月6日第一章

自动控制系统的基本概念1.2闭环控制系统的组成和基本环节闭环控制系统的结构（示意）图

1-给定环节；2-比较环节；3-校正环节；4-放大环节；5-执行机构；6-被控对象；7-检测装置要求精度要高控制器2023年2月6日第一章

自动控制系统的基本概念1.2闭环控制系统的组成和基本环节2023年2月6日第一章

自动控制系统的基本概念1.3自动控制系统类型1.按照组成系统元件的输入输出特性划分1）线性系统

linearsystem特点：a.系统由线性元件构成，系统的运动规律可用线性微分方程来描述。称为线性定常系统（ＬＴＩ）。线性微分方程中输出量及其各阶导数都是一次的，并且各系数与输入量无关。2023年2月6日第一章

自动控制系统的基本概念b.满足齐次性和叠加原理。(是判别是否为线性系统的根据)若系统方程中系数不是常数则称为线性时变系统。齐次性叠加原理1.3自动控制系统类型2023年2月6日第一章

自动控制系统的基本概念1.3自动控制系统类型2）非线性系统

nolinearsystem

在构成系统的环节中有一个或一个以上的非线性环节时，则称此系统为非线性系统。特点：由非线性微分方程描述的系统称为非线性系统。不满足齐次性和叠加原理.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，一直是控制理论界研究的热点.2023年2月6日第一章

自动控制系统的基本概念1.3自动控制系统类型理想饱和特性理想继电特性死区特性2023年2月6日第一章

自动控制系统的基本概念1.3自动控制系统类型2.按照系统传递信号的性质划分1）连续数据系统特点：系统各部分信号都是模拟的连续函数。目前工业中普遍采用的常规仪表PID调节器控制的系统。开环控制系统及闭环控制系统也是连续系统。2）离散数据系统特点：系统的一处或几处，信号是以脉冲序列或数码的形式传递。其中离散信号以脉冲形式传递的系统又叫脉冲控制系统，离散信号以数码形式传递的系统又叫数字控制系统。2023年2月6日第一章

自动控制系统的基本概念1.3自动控制系统类型2023年2月6日第一章

自动控制系统的基本概念1.3自动控制系统类型3.按照输入量的变化规律划分1）恒值系统（或自动调节系统）

特点：输入量是恒定不变。如恒温、恒压、恒速等。2）程序控制系统（或过程控制系统）特点：输入信号是一个已知的函数。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、数控机床，电梯等。恒值控制系统可看成输入等于常值的过程控制系统。2023年2月6日第一章

自动控制系统的基本概念1.3自动控制系统类型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：火炮自动跟踪系统、配钥匙等该系统要求有较好的跟踪能力。三系统具有共同特征：即输出跟随输入。这是控制系统的本质特征。2023年2月6日第一章

自动控制系统的基本概念1.3自动控制系统类型火炮自动跟踪系统——“火炮打飞机”2023年2月6日第一章

自动控制系统的基本概念从系统结构角度来划分：

开环控制系统和闭环控制系统。从系统输入输出量的个数来划分:

SISO系统和MIMO系统。从控制目的角度来划分：

温度控制系统、位置控制系统、速度控制系统等。1.3自动控制系统类型2023年2月6日第一章

自动控制系统的基本概念1.4自动控制系统的性能指标

稳（稳定性）、快（快速性）、准（准确性）

“稳”与“快”描述系统的暂态（过渡过程）品质。“准”描述系统的稳态（静态）品质。

对自动控制系统的基本要求暂态（动态）过程：被控量处于变化状态的过程。（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。）稳态（静态）过程：被控量处于相对稳定的状态。2023年2月6日第一章

自动控制系统的基本概念1.4自动控制系统的性能指标

当扰动作用（或给定值发生变化）时，输出量将偏离原来的稳态值，这时由于反馈的作用，通过系统内部的自动调节，系统可能回到或接近原来的稳态值（或跟随给定值）稳定下来（如图a），称这样的系统为稳定系统，反之，不稳定系统的输出（如图b）。稳定性是保证控制系统正常工作的必备条件。稳定性，通常由系统的结构决定与外界因素无关。1.稳-----稳定性，平稳性2023年2月6日第一章

自动控制系统的基本概念1.4自动控制系统的性能指标2.快----快速性，暂态性能指标

即指过渡过程的快速性。对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称为暂态（或动态）性能。

最大超调量调整时间2023年2月6日第一章

自动控制系统的基本概念1.4自动控制系统的性能指标3.准------准确性，稳态性能指标

用稳态误差表示。过渡过程结束后，系统的实际输出与期望输出之差即为稳态误差。显然，这种误差越小，表示系统的输出跟随参考输入的精度越高—跟踪能力，对扰动的抑制能力越强。2023年2月6日第一章

自动控制系统的基本概念1.4自动控制系统的性能指标有差系统（图a）若稳态误差不为零，则系统称为有差系统。无差系统（图b）

若稳态误差为零，则系统称为无差系统。(a)(b)2023年2月6日第一章

自动控制系统的基本概念1.4自动控制系统的性能指标例８：闭环调速系统，试分析该系统是有差还是误差的。2023年2月6日第一章

自动控制系统的基本概念1.4自动控制系统的性能指标2023年2月6日第一章

自动控制系统的基本概念小结1.开环控制系统结构简单、稳定性好，但不能自动补偿扰动对输出