自动控制原理概述 PPT

自动控制原理第1章引论目录引论§1引言§2开环控制和闭环控制§1.3自动控制系统的组成及术语§1.4自动控制系统的类型§1.5自动控制系统性能的基本要求§1.6自动控制课程的主要任务§1.7自动控制系统实例第1章引论一、自动控制理论发展简史经典控制理论(19世纪初)

时域方法频域方法复域方法根轨迹法现代控制理论(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§1.1引言

研究单输入—单输出线性定常系统的分析和设计问题；理论基础是描述系统输入—输出关系的传递函数；研究多输入—多输出、线性或非线性、定常或时变系统的分析和设计问题；采用时域分析方法。第1章引论二、自动控制理论研究自动控制过程共同规律的技术学科三、人工控制与自动控制1、控制概念控制——就是使某个对象（被控对象）中的物理量按照一定的目标来动作。第1章引论

3、自动控制在没有人直接参与的情况下,利用控制装置使被控对象中某一物理量或数个物理量准确地按照预定的规律变化。

二者都是建立在“测量偏差，修正偏差”的基础上的。2、人工控制指在人的直接参与下,通过观察、分析，使生产设备或装置（被控对象）按照预定的程序运行，或使其某些物理量（被控变量）按预定规律变化。四、实际系统举例例题1恒温箱系统的人工控制和自动控制（1）目的使恒温箱内温度保持在某一给定的温度范围（期望值）（2）控制手段控制加热源的通、断（一）人工控制（3）控制过程a测量（4）人工控制过程方框图b决策c执行第1章引论（二）恒温箱自动控制系统若电热偶测出的实际温度低→送到控制器与期望值比较→结果为负→进行放大变换→执行机构工作，增加电压→箱内温度升高控制原理第1章引论恒温箱自动控制系统信号流程方框图第1章引论例题2水池水位系统的人工控制和自动控制（一）人工控制（1）目的使水池内的水保持在一定的水位（期望值）（2）控制手段改变进水阀门的开度控制进水量（3）控制过程a测量（4）人工控制过程方框图b决策c执行第1章引论（二）自动控制系统若出水量增加→实际水位下降→送到控制器与期望值比较→结果为负→执行机构工作，打开阀门进水→水池内水位升高控制原理第1章引论水位自动控制系统信号流程方框图第1章引论例3炉温控制系统第1章引论炉温控制系统方框图第1章引论五、方框图第1章引论方框图中各符号的意义元部件（环节）

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§1.2开环控制和闭环控制一、开环控制

开环控制系统是指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系统。

简单地说，就是没有被控量反馈的控制系统方框图为第1章引论（4）控制精度较低。开环控制系统的特点（1）控制装置只按照给定的输入量对被控对象进行单向控制。（2）无反馈作用。（3）结构简单。例如，采用电加热器控制房间温度的方框示意图二、闭环控制(反馈控制)闭环控制是指在控制装置和被控对象之间，除有正向作用外，还存在着反馈作用。例如，采用电加热器控制房间温度的方框示意图第1章引论闭环控制系统的特点（1）系统的控制精度较高（2）抗干扰能力强。（3）结构比较复杂,构造比较困难。（4）存在稳定性问题。系统元件参数配合不当，易产生震荡，会使系统不能正常工作。返回闭环控制系统方框图为第1章引论§1.3自动控制系统的组成及术语典型反馈控制系统的原理如图所示第1章引论

(1)被控对象

(2)控制器

(3)放大变换环节

(4)校正装置

(5)反馈环节

(6)给定环节第1章引论控制系统中常用的名词术语(1)输入信号(又称控制量、参考输入、或给定值)(2)输出信号(输出量)

(3)反馈信号(分主反馈信号和局部反馈信号)

(4)偏差信号第1章引论(5)误差信号

(6)扰动信号

(7)前向通道

(8)主反馈通道返回第1章引论1、控制概念控制——就是使某个对象（被控对象）中的物理量按照一定的目标来动作。课程回顾(1)2、人工控制指在人的直接参与下,通过观察、分析，使生产设备或装置（被控对象）按照预定的程序运行，或使其某些物理量（被控变量）按预定规律变化。3、自动控制在没有人直接参与的情况下,利用控制装置使被控对象中某一物理量或数个物理量准确地按照预定的规律变化。

“测量偏差，修正偏差”第1章引论4、方框图中各符号的意义元部件（环节）

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课程回顾(2)5、开环控制

开环控制系统是指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系统。

简单地说，就是没有被控量反馈的控制系统课程回顾(3)（4）控制精度较低。特点：（1）控制装置只按照给定的输入量对被控对象进行单向控制。（2）无反馈作用。（3）结构简单。6、闭环控制(反馈控制)闭环控制是指在控制装置和被控对象之间，除有正向作用外，还存在着反馈作用。课程回顾(4)特点：（1）系统的控制精度较高（2）抗干扰能力强。（3）结构比较复杂,构造比较困难。（4）存在稳定性问题。系统元件参数配合不当，易产生震荡，会使系统不能正常工作。§1.4自动控制系统的类型一、按信号流向划分1、开环控制系统2、闭环控制系统二、按系统输入信号划分1、恒值调节系统(自动调节系统)

特点：输入量为一恒值。

任务：尽量排除各种干扰因素的影响，使输出量维持在给定值(期望值)。重点：研究怎样克服实际系统所存在的干扰。

2、随动系统(跟踪系统)

特点：输入量是一个事先无法确定的任意变化的量。任务：要求系统的输出量能迅速平稳地复现或跟踪输入信号的变化。重点：系统跟踪的快速性、准确性。第1章引论3、程序控制系统

特点：输入信号按照事先确定的运动规律变化。

任务：将预知信号的运动规律编成程序装在输入装置中（即控制输入信号是事先确定的程序信号），使被控对象的被控量按照要求的程序动作。三、线性系统和非线性系统1、线性系统如果系统的运动规律可以用线性微分方程来描述，则该系统为线性系统。线性系统的主要特征：具有齐次性和叠加性。齐次性：当输入量增大或减小k倍时，系统的输出量也按同一倍数增大或减小。齐次性：当输入量增大或减小k倍时，系统的输出量也按同一倍数增大或减小。叠加性：当系统同时存在几个输入量时，其输出量等于各输入量单独作用时所引起的输出量的和。2、非线性系统四、定常系统和时变系统

1、定常系统2、时变系统五、连续系统和离散系统1、连续系统2、离散系统六、单输入单输出系统与多输入多输出系统1、单输入单输出系统(单变量系统)2、多输入多输出系统(多变量系统)§1.5自动控制系统性能的基本要求对控制系统的基本要求：稳、准、快（好）。一、稳定性(稳)1、自动控制系统正常工作的前提条件系统必须是稳定的2、稳定的物理意义一个控制系统的输出量对给定的输入量的偏离值，应该随时间的增加逐渐趋于零，或者稳定在某一微小变化范围内。这一微小变化范围称为稳定裕量。二、准确性(准)

三、快速性（快）或动态过程(好)

准确性是指系统的过渡过程结束，达到新的平衡状态以后，其输出量与给定的输入量（期望值）之间的偏差值达到所要求的精度范围，故又称稳态精度。快速性是指当系统的输出量与给定的输入量之间产生误差时，系统消除这一误差的快慢速度。返回稳态精度与控制系统的结构、参数及输入信号形式有关。衡量快速性（或动态过程）的品质好坏，常采用单位阶跃信号作用下过渡过程中的超调量（最大震荡幅度），调节时间等指标。一、阶跃函数(恒值控制)它的数学表达式为：§1.6自控系统典型的外输入信号典型的外输入信号应满足以下条件（1）这种函数在现场或实验室中容易得到；（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）这种函数的数学表达式简单，便于计算。第1章引论

它表示一个在t=0时出现的，幅值为A的阶跃变化函数。在实际系统中，这意味着t=0时突然加到系统上的一个幅值不变的外作用。第1章引论A=1的函数称为单位阶跃函数，记作1(t)。因此，幅值为A的阶跃函数也可表示为

出现在时刻的阶跃函数，表示为

二、斜坡函数（等速度函数）

它的数学表达式为

斜坡函数从t=0时刻开始，随时间以恒定速度增加。A=1时斜坡函数称作单位斜坡函数。斜坡函数等于阶跃函数对时间的积分，反之，阶跃函数等于斜坡函数对时间的导数。它的数学表达式为

当A=1时，称为单位抛物线函数。

抛物线函数是斜坡函数对时间的积分。反之，斜坡函数等于抛物线函数对时间的导数。

三、抛物线函数（等加速度函数）（随动系统）

四、脉冲函数（冲击试验）其面积为A。即

面积A表示脉冲函数的强度。的脉冲函数称为单位脉冲函数，记作，即

第1章引论于是强度为A的脉冲函数可表示为

表示在时刻出现的单位脉冲函数，即

单位脉冲函数是单位阶跃函数的导数

五、正弦函数（频率特性、频谱特性）

它的数学表达式为

式中A为振幅，ω为角频率，正弦函数为周期函数。

返回§1.7自动控制系统实例一、造纸机分部传动控制系统

二