郑州大学自动控制原理第一章课件

自动控制原理

2015.711一、《自动控制原理》

与其它课程的关系自动控制原理电机与拖动电子技术线性代数微积分（含微分方程）复变函数、拉普拉斯变换电路理论大学物理（力学、热力学）电力电子技术各类控制系统课程2一、《自动控制原理》

与其它课程的关系自动控制电机二、自动控制学科的特点1应用广泛小至电子表，大至人造卫星，几乎包括各个领域。开始多用于工业：压力、温度、流量、位移、湿度、粘度自动控制后来进入军事领域：飞机自动驾驶、火炮自动跟踪、导弹、卫星、宇宙飞船自动控制目前渗透到更多领域：大系统、交通管理、图书管理等生物学系统：生物控制论、波斯顿假肢、人造器官经济系统：模拟经济管理过程、经济控制论3二、自动控制学科的特点1应用广泛32日益重要

很难想象现代生活和生产过程没有自动控制装置如何能够继续？你敢让大型发电机组用人工控制来运行吗?你愿意使用不能自动控制温度的电冰箱吗？

42日益重要

很难想象现代生活和生产过程没有自动控3发展迅速从离心重锤式的简单自动机械到具有每秒运行上亿次的CPU的智能机器人，自动控制学科发展日新月异。越来越复杂和越来越精确的控制要求以及高度发展的现代科技(如计算机)是促进自动控制学科飞速发展的重要原因。53发展迅速5

三、自动控制理论的内容自动控制理论经典控制理论(19世纪中叶--20世纪50年代)线性非线性根轨迹法频域法

时域法描述函数法相平面法采样控制Z变换法现代控制理论(60年代以来)状态反馈控制最优控制智能控制预测控制自适应控制模糊控制大系统多层分散控制6

四、自动控制理论的基本问题控制系统的分析典型信号下的响应(阶跃响应)数学模型(传递函数,状态方程，频率特性)性能指标(稳态误差,超调量等)控制系统的设计性能要求(性能指标,约束条件)控制器的结构和参数设计和整定性能校核(计算,仿真,实验)7四、自动控制理论的基本问题控制系统的分析7第一章自动控制概论

8第一章自动控制概论81.1

引言1.2自动控制系统举例及术语1.3闭环控制和开环控制1.4自动控制系统的基本组成和分类1.5对自动控制系统的基本要求991.1引言四个阶段:胚胎萌芽期经典控制理论时期、现代控制理论时期、大系统和智能控制时期

一.控制系统的发展史101.1引言一.控制系统的发展史101.胚胎萌芽期

十八世纪以后，蒸汽机的使用提出了调速稳定等问题十九世纪前半叶，动力使用了发电机、电动机促进了水利、水电站的遥控和程控的发展以及电压、电流的自动调节技术的发展。十九世纪末，二十世纪初，使用内燃机促进了飞机、汽车、船舶、机器制造业和石油工业的发展，产生了伺服控制和过程控制。

1765年俄国人波尔祖诺夫发明了锅炉水位调节器；

1784年英国人瓦特发明了调速器，蒸汽机离心式调速器；二十世纪初第二次世界大战，军事工业发展很快飞机、雷达、火炮上的伺服机构，总结了自动调节技术及反馈放大器技术，搭起了经典控制理论的架子，但还没有形成学科。111.胚胎萌芽期十八世纪以后，蒸汽机的使用提出了调速稳定等2.经典控制理论时期1884年：E.J.Routh提出劳斯稳定性判据。1895年：A.Hurwifz提出赫尔维茨稳定性判据。1932年：H.Nyquist提出奈奎斯特稳定性判据。1945年：H.W.Bode提出反馈放大器的一般设计方法。1948年：Evans提出并完善了根轨迹法1948年：N.Wiener发表《控制论》1954年：钱学森在美国完成《工程控制论》主要内容：对单输入单输出系统进行分析，采用频率法、根轨迹法、相平面法、描述函数法；讨论系统稳定性的代数和几何判据以及校正网络等。122.经典控制理论时期1884年：E.J.Routh提出4.大系统和智能控制时期

各学科相互渗透，要分析的系统越来越大，越来越复杂。例如人工智能、智能机器人等。

空间技术的发展提出了许多复杂控制问题，用于导弹、人造卫星和宇宙飞船上。Kalman“控制系统的一般理论”奠定了现代控制理论的基础，解决多输入、多输出、时变参数、高精度复杂系统的控制问题。3.现代控制理论时期134.大系统和智能控制时期各学科相互渗透，要分析的系研究对象数学工具常用分析方法局限性经典控制理论单输入-单输出线性定常系统微分方程，传递函数时域分析法，频域分析法,根轨迹分析法对复杂多变量系统、时变和非线性系统无能为力现代控制理论多输入-多输出变系数，非线性等系统线性代数、矩阵理论状态空间法比较繁琐（但由于计算机技术的的迅速发展，这一局限性已克服)经典控制理论与现代控制理论的比较14研究对象数学工具常用分析方法局限性经典控制理论单输入-单输出二.自动控制要解决的基本问题

自动控制是使一个或一些被控制的物理量按照另一个物理量即控制量的变化而变化或保持恒定，一般地说如何使控制量按照给定量的变化规律变化，就是一个控制系统要解决的基本问题。15二.自动控制要解决的基本问题自动控制是使一个或三.自动控制技术的作用1.生产自动化，提高劳动生产率，减轻劳动强度。2.自动控制使工作具有高度的准确性，大大地提高了武器的命中率和战斗力，（例如火炮自动跟踪系统必须采用计算机控制才能打下高速高空飞行的飞机。）3.某些人们不能直接参与工作的场合就更离不开自动控制技术了，例如原子能的生产、火炮或导弹的制导等等。16三.自动控制技术的作用1.生产自动化，提高劳动生产率，减轻1.2自动控制系统举例及术语171.2自动控制系统举例及术语17

举例：1.热力系统温度控制

18举例：1.热力系统温度控制18热力系统的自动反馈控制

19热力系统的自动反馈控制19控制器：比较、放大的作用温度测量装置：温度传感器控制阀：执行机构被控对象：加热炉

ϣҺʵ¼ÊҺλ·§

¿ØÖÆÆ÷放大元件控制阀加热炉温度测量装置控制器实际温度希望温度控制系统方块图20控制器：比较、放大的作用ϣҺʵ¼ÊҺλ2.水箱液位控制系统212.水箱液位控制系统21控制器：比较、放大的作用浮子：液面高度的测量元件气动阀门：执行机构被控对象：水箱

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¿ØÖÆÆ÷放大元件气动阀门水箱浮子控制器实际液位希望液位注入（Ⅱ）控制系统方块图22控制器：比较、放大的作用ϣҺʵ¼ÊҺλ2对象

是一个设备，它是由一些机器零件有机地组合在一起的，其作用是完成一个特定的动作。在下面的讨论中，称任何被控物体（如加热炉、化学反应器或宇宙飞船）为对象。3过程

称任何被控制的运行状态为过程，其具体例子如化学过程、经济学过程、生物学过程。4系统

完成一定任务的一些元部件的组合。1自动控制

在无人直接参与的情况下，通过控制器使被控对象或过程自动地按照预定要求进行。232对象3过程4系统1自动控制235

扰动6

反馈控制

扰动是一种对系统的输出产生不利影响的信号。如果扰动产生在系统内部称为内扰；扰动产生在系统外部，则称为外扰。外扰是系统的输入量。

反馈控制是这样一种控制过程，它能够在存在扰动的情况下，力图减小系统的输出量与参考输入量（也称参考量）（或者任意变化的希望的状态）之间的偏差。245扰动6反馈控制扰动是一种对系统的输出

反馈控制系统是一种能对输出量与参考输入量进行比较，并力图保持两者之间的既定关系的系统，它利用输出量与输入量的偏差来进行控制。应当指出，反馈控制系统不限于工程范畴，在各种非工程范畴内，诸如经济学和生物学中，也存在着反馈控制系统。7反馈控制系统25反馈控制系统是一种能对输出量与参考输入量进行比

随动系统是一种反馈控制系统，在这种系统中，输出量往往是机械位移、速度或者加速度。因此，随动系统这个术语，与位置（或速度或加速度）控制系统是同义语。8随动系统9过程控制

在工业生产过程中，诸如对压力、温度、湿度、流量、频率以及原料、燃料成分比例等方面的控制，称为过程控制。26随动系统是一种反馈控制系统，在这种系统中，一.开环控制例:电炉温度控制系统分析控制组成(a)原理图温度计

加热电阻丝u~220Vk

输入量控制装置被控对象输出量1.3闭环控制与开环控制27一.开环控制例:电炉温度控制系统分析控制组成(a)原理图输出量输入量

开关

加热电阻丝

电炉

恒温箱

受控对象(温度)扰动量控制装置温度计

加热电阻丝u~220Vk28输出量输入量开关加热电炉受控对象(温度)扰动量

开环控制

控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制。29开环控制29控制器被控制对象给定值输出量

控制的原理方框图控制方式：◆按给定值操纵。◆信号由给定值至输出量单向传递。◆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。30控制器被控制给定值输出量控制的原理方框图控制方式：◆例:直流电动机转速开环控制系统。31例:直流电动机转速开环控制系统。31二、闭环控制32二、闭环控制32控制过程：控制任务：保持电机恒速运行.

nuf

△uua

n33控制过程：控制任务：保持电机恒速运行.nu反馈：

输出量送回至输入端并与输入信号比较的过程负反馈：

反馈的信号与输入信号相减而使偏差越来越小34反馈：34

闭环控制:是指控制器与控制对象之间既有顺向作用有反向联系的控制过程。输入量输出量闭环控制典型方框图扰动输出影响输入，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。

特点：控制器被控制对象-35闭环控制:是指控制器与控制对象之间既有顺向输入量输出量闭环

三.开环控制与反馈控制的比较

开环:

结构简单，成本低廉，工作稳定，当输入信号和扰动能预先知道时，控制效果较好。

不能自动修正被控制量的偏离，系统的元件参数变化以及外来的未知扰动对控制精度影响较大。闭环:

具有自动修正被控制量出现偏离的能力，可以修正元件参数变化及外界扰动引起的误差，控制精度高。

缺点：被控量可能出现振荡，甚至发散。36三.开环控制与反馈控制的比较不能自一、闭环系统的组成

:(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。1.4自动控制系统的基本组成和分类变换放大串联校正变换放大执行元件被控对象测量元件反馈校正--37一、闭环系统的组成:(1)比较元件；(2)放大元件；(3)用“○”号代表比较元件，“—”号代表两者符号相反，“+”号代表两者符号相同。信号沿箭头方向从输入端到达输出端的传输通路称前向通道；系统输出量经测量元件反馈到输入端的传输通路称主反馈通道。前向通路与主反馈通路共同构成主回路。此外，还有局部反馈通路以及由它构成的内回路。有关概念38用“○”号代表比较元件，有关概念38测量元件：

------检测被控制的物理量，如果这个物理量是非电量，一般要转换成电量。

例如:

测速发电机用于检测电动机轴的速度并转换为电压；

电位器、旋转变压器或自整角机用于检测角度并转换为电压；

热电偶用于检测温度并转换为电压等。39测量元件：39给定元件------给出与期望的被控量相对应的系统输入量（即参考量）。比较元件------把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的参考量进行比较，求出它们之间的偏差。

常用的比较元件有差动放大器、机械差动装置、电桥电路等。40给定元件------给出与期望的被控量相对应的系统输入量（即放大元件------将比较元件给出的偏差信号进行放大，用来推动执行元件去控制被控对象。

电压偏差信号，可用晶体管、集成电路、晶闸管等组成的电压放大级和功率放大级加以放大。执行元件------直接推动被控对象，使其被控量发生变化。用来作为执行元件的有阀、电动机、液压马达等。41放大元件------将比较元件给出的偏差信号进行放大，用来推校正元件(补偿元件)------是结构或参数便于调整的元部件，用串连或反馈的方式连接在系统中，以改善系统的性能。简单的校正元件是由电阻、电容等组成的无源或有源网络，复杂的则用计算机实现校正功能。42校正元件(补偿元件)------是结构或参数便于调整的元部二.自动控制系统的分类开环控制闭环控制(反馈控制)复合控制按控制方式分43二.自动控制系统的分类按控制方式分43按输入补偿的复合控制44按输入补偿的复合控制44按扰动补偿的复合控制原理方框图45按扰动补偿的复合控制原理方框图45机械系统电气系统机电系统——全自动照相机，光机电结合液压系统——伺服液压缸，汽车发动机，大型的仿真模拟台气动系统生物系统按元件类型分46机械系统按46按系统功用分

温度控制系统

压力控制系统

位置控制系统47按系统功用分温度控制系统压力控制系统位置控制系统线性系统非线性系统连续系统定常系统时变系统按系统性能分离散系统48线性系统非线性系统连续系统定常系统时变系