第一章-自动控制概论培训资料

自动控制原理教材：

1.《自动控制原理》第五版，胡寿松，科学出版社，2007年；2.《自动控制原理习题解析》胡寿松，科学出版社，2007年；自动控制理论经典控制理论现代控制理论非线性控制系统第二章第三章第四章第五章第六章第七章第十章线性控制系统连续控制系统离散控制系统第八章第九章

60~70年代

现代控制理论（状态空间法）

核心：状态变量的能控、能观性，

系统性能的最优化

特点：时域法，统一处理SISO、MIMO系统，

有完整的理论体系

数学基础：线性代数，矩阵理论

缺点：对系统的数学模型精度要求高，

实际性能达不到设计的最优，

所需状态反馈难以直接实现MIMO:Multi-InputandMulti-Output70年代~现在

多种新型控制理论多变量频域控制理论

①经典SISO→MIMO；

②基于互质分解的全新的频域优化理论鲁棒控制（robustcontrol）

鲁棒性（robustness）：系统存在模型误差或受到扰动时仍能保持良好性能的能力

鲁棒控制：使系统具有良好鲁棒性的控制70年代~现在

多种新型控制理论智能控制（intelligentcontrol）

控制系统具有拟人智能（学习、记忆、判断、推理等）大系统控制、复杂系统控制等

被控系统具有高维数、强关联、多约束、多目标、不确定性、分散性、非线性、大时滞、难建模等特征，如电力系统、城市交通系统、网络系统、制造系统、经济系统等本课程的体系结构内容：经典控制理论

建模、分析、综合范围：线性定常SISO系统

（包括连续与离散）与非线性系统重点：基本概念、基本理论、基本方法高等数学——微分方程、拉氏变换、富

氏变换及复变函数等电路——电路理论及运算方法、暂

态过程分析电子技术——运算放大器元件及参数

计算电机——工作原理及机械特性Matlab——编程实现需要的基础知识第一章自动控制的一般概念什么是自动控制?

无须人的直接参与，通过控制装置，使机器、设备、生产过程等按照预定的规律运行，完成要求的任务，就叫自动控制。应用领域：控制无处不在军事/国防：导弹、雷达系统交通系统：制造系统：数控机床加工生产线钢铁生产：家用电器：机器人上述各种设备能够不需要人的参与而实现“自动控制”的奥秘是什么？张三book李四book用手拿书：

可见，手和书的位置间的“偏差”信息影响着拿书过程的顺利完成那么，大脑是如何获得这个“偏差”信息的呢？分析拿书这个动作完成的过程：当人试图去拿书时，大脑送出一个信号命令去执行这个任务。这时，眼睛将不断地观测书和手的位置，并将这个信息送入大脑；然后，由大脑根据手的位置与书的位置间的距离（偏差）大小，发出命令，控制手臂向减少这个距离的方向移动（使偏差减小）。只要偏差存在，上述过程就要反复进行，一旦手拿到了书，偏差减少为0，大脑就命令手停止运动，人便完成了手拿书的过程。由于李四被蒙住了眼睛，自然他就无法知道自己的手和书之间的距离（偏差）是多少，因此也就无法快速准确地拿到书了。手书位置大脑眼睛眼睛手位置用手拿书的模拟框图：“偏差”信息手拿书的过程是通过眼睛、大脑和手来实现的。其中，书和手的位置是通过眼睛测量到的，这个测量信息经过大脑判断后，发出命令，让手向书的位置移动（使手的位置和书的位置一致），最终实现拿起书的目的。因此，人的大脑能够获得手和书的位置间的“偏差”信息，是由于“手的位置”信息通过眼睛传给了大脑。手动控制热水箱温度的实验：操作员用手指测量热水箱的温度：当手指感到的温度高于给定的目标温度（设定值）时，操作员就用另一只手关闭阀门，使得蒸汽量减少；如果……低于目标温度，则打开阀门，使蒸汽量增加在这个实验中，人的大脑根据水箱的实际温度与目标温度间的“偏差”，做出判断并命令手进行相应的操作-----关闭/打开阀门，从而使热水箱的温度保持在目标值上（即使“偏差”减小）。可见，水箱的实际温度和目标值间的“偏差”信息影响着“手动控制温度”的顺利完成。那么，操作员的大脑又是如何获得这个“偏差”信息的呢？手动控制温度的模拟框图：目标温度大脑手阀门热水箱手水箱温度“偏差”信息Q：上述两个产生“偏差”信息的过程是否相同？可以看出，操作员通过“手指”测量水箱的温度，然后，大脑将“手指”测量到的温度值与目标温度值进行比较、判断，并发出命令，最后，手执行大脑发出的命令（打开或关闭阀门）。因此，操作员之所以能够获得水箱温度与目标温度的“偏差”，是由于“水箱温度”的信息通过操作员的手指传给了大脑。温度自动控制系统：手指大脑手和阀门目标温度比较装置热水箱水箱温度控制装置执行装置检测装置偏差比较装置将检测装置测量到的水箱实际温度与目标温度相比较，并将比较的结果----“偏差”信息传递给“控制装置“。所以，“比较装置”能否生产“偏差”信息关键在于是否能够获得水箱的实际温度值。也就是说，水箱的实际温度是否通过某种“检测装置”被传回到“比较装置”中，是获得“偏差”的关键。反馈!用一些设备模仿和代替人的智能系统方框图中各符号的意义：元部件信号（物理量）及传递方向比较点引出点表示负/正反馈-/+系统指由相互关联、相互制约、相互作用的一些部分组成的具有某种功能的有机整体。输入量（输入信号）、输出量（输出信号）反馈是指将输出量送回到系统的输入端并与目标值（输入量）进行比较的过程。严格地说，反馈是指系统作用的结果反过来对系统功能特性的影响。反馈的结果通过输出量和输入量的偏差对输出量进行控制，使得偏差越来越小－－负反馈；将输出量与输入量相加来影响系统的输出（激励）－－正反馈

人工控制：控制系统可以由人工控制，也可以采用自动控制。图1－1水位人工控制原理图

如图1－1

所示，水位保持系统。第一章自动控制概论若要求在出水量随意的条件下，保持水位高度不变：操作人员需先测实际水位，并在脑子中与要求的水位进行比较。若低于要求的水位，则需开大进水阀门。否则应关小进水阀门。若两者正好相等，则进水阀门不动。人工控制（续）

第一章自动控制概论根据系统原理图可画出其方框图如图1－2所示。

图1－2水位人工控制系统方框图人工控制（续）

第一章自动控制概论自动控制：该水池若改为由自动控制装置代替操作人员：由浮子测出实际水位，与要求的水位比较。然后得出偏差再由调节元件根据偏差的大小和正负产生控制信号。最后由执行元件根据信号产生控制作用。如图1-3所示。图1－3水位自动控制系统原理图第一章自动控制概论在此：浮子测水位，由连杆和电位器进行比较：浮子低则电位器上得到正电压，经放大后使电机向进水阀门开大的方向旋转；反之，当浮子高时，电位器上得到负电压，电机向阀门关小的方向旋转；若水位正好，则电位器上电压为零，电机不转，阀门不动。图1－4水位自动控制系统方框图自动控制（续）第一章自动控制概论3、控制系统中的常用术语

(1)自动控制—在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置使整个生产过程或工作机械自动的按预定规律运行、或使其某个参数按要求变化。(2)控制装置—外加的设备或装置，亦叫控制器。(3)受控对象—被控制的机器或物体。(4)被控量—表征被控对象工作状态的物理参量，也叫输出量。(4)给定量—要求被控量所应保持的数值。也叫输入量或叫参考输入。(5)干扰量—系统不希望的外作用，也叫扰动输入。第一章自动控制概论如水位自动控制系统：图1－3水位自动控制系统原理图干扰信号

测量元件

输出量

受控对象

比较元件

第一章自动控制概论(9)

自动控制系统：由受控对象和控制器按一定方式连接起来的、完成一定自动控制任务的总体。如图1－5所示。图1－5自动控制系统给定量控制器被控量干扰量自控系统受控对象(7)反馈量：由系统输出端取出并反向送回系统输入端的信号。反馈有主反馈和局部反馈之分。(8)偏差量：给定量与主反馈信号之差。第一章自动控制概论输入量输出量图1－6自动控制系统的组成自动控制的任务—利用控制器操纵受控对象，使其被控量按技术要求变化。若r(t)—给定量，c(t)—被控量，则自控的任务之数学表达式为：使被控量满足c(t)≈r(t)。自控系统的组成如1-6图所示。自动控制系统的基本组成第一章自动控制概论<1>给定元件：其职能是给出与期望的被控量相对应的系统输入量。一般为电位器。<2>比较元件：其职能是把测量到的被控量实际值与给定元件给出的输入量进行比较，求出他们之间的偏差。常用的有差动放大器、机械差动装置、电桥电路、计算机等。<3>测量元件：其职能是检测被控制量的物理量。如测速机、热电偶、自整角机、电位器、旋转变压器、浮子等。基本组成（续）第一章自动控制概论<4>放大元件：其职能是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受控