1、1自动控制理论自动控制理论 2第一章第一章 概述（概述（ Introduction）重点内容重点内容：v自动控制的基本概念和基本原理自动控制的基本概念和基本原理v自动控制系统的组成和分类自动控制系统的组成和分类v对自动控制系统的基本要求对自动控制系统的基本要求31.1 自动控制和自动控制系统自动控制和自动控制系统一、自动控制的基本概念一、自动控制的基本概念 所谓自动控制，是指在所谓自动控制，是指在无人直接参与无人直接参与的情况下，利用的情况下，利用控制装置控制装置操纵操纵受控对象受控对象，使，使被控量被控量等于等于给定值给定值或或按输入信按输入信号的变化规律去变化号的变化规律去变化的过程。的过
2、程。用来操纵受控对象的设用来操纵受控对象的设备（校正器备（校正器+放大器放大器+执执行器）。行器）。一般为传感器一般为传感器l 无人直接参与：指人在远方进行无人直接参与：指人在远方进行远程操作远程操作（遥操作），而（遥操作），而 不是在对象跟前不是在对象跟前就地操作就地操作 。l 控制装置：是控制装置：是控制器控制器和和检测（反馈）元件检测（反馈）元件的总称。的总称。 4l控制对象：控制系统要进行控制的控制对象：控制系统要进行控制的受控客体受控客体。 如冰箱、空调、洗衣机、电梯、飞机、汽车、潜艇、如冰箱、空调、洗衣机、电梯、飞机、汽车、潜艇、电厂锅炉、电厂锅炉、 酿酒过程等各种设备、机器或生产
3、过程。酿酒过程等各种设备、机器或生产过程。l 被控量：控制对象要实现的量，是表征对象特征的被控量：控制对象要实现的量，是表征对象特征的关键参关键参数数。如冰箱温度、电机的转速、飞机姿态角、船的航行轨。如冰箱温度、电机的转速、飞机姿态角、船的航行轨迹迹 、电网的电压、电网的电压 、生产过程中的压力、流量、生产过程中的压力、流量 、温度、温度 、湿、湿度等。度等。 5自动控制系统如图自动控制系统如图1-1，几个重要的信号量如下：，几个重要的信号量如下：二、五个重要的信号量二、五个重要的信号量 控制器控制器受控对象受控对象检测元件检测元件e(t)r(t)c(t)b(t)d(t)图图1 -1 自动控制
4、示意图自动控制示意图6 5. 偏差量（误差量）偏差量（误差量）e(t)：e(t)=r(t)-b(t)1. 被控量（输出量）被控量（输出量）：表征受控对象特征的关键参数。：表征受控对象特征的关键参数。 实际输出量实际输出量 c(t)；理想输出量；理想输出量 c0(t)。2. 给定量（控制量、输入量）给定量（控制量、输入量）r(t)：要求被控量达到理想值：要求被控量达到理想值时，所需对应的参考输入值。即：时，所需对应的参考输入值。即： r(t) c0(t)。3. 扰动量（干扰量）扰动量（干扰量）d(t)：影响被控两量变化的主要干扰因：影响被控两量变化的主要干扰因素。素。4. 反馈量反馈量b(t)：
5、检测元件的输出值。与：检测元件的输出值。与c(t)对应且与对应且与r(t)同性质。同性质。即：即： b(t) c (t)。7v自动控制系统工作原理说明自动控制系统工作原理说明 水温人工控制系统：水温人工控制系统： 控制任务：保持冷水进水量一定，通过手动调节阀对蒸汽控制任务：保持冷水进水量一定，通过手动调节阀对蒸汽进汽量的调节，保证热水温度不变。进汽量的调节，保证热水温度不变。 受控对象受控对象水箱；被控量水箱；被控量出水（热水）温度出水（热水）温度v自动控制系统自动控制系统 定义：由控制装置定义：由控制装置+受控对象构成的能完成自受控对象构成的能完成自动控制任务的整体。动控制任务的整体。 人的
6、作用人的作用感受水温感受水温检测检测大脑反映大脑反映比较比较手动调节手动调节执行执行8 水温自动控制系统：水温自动控制系统：检测检测温度传感器；比较温度传感器；比较控制器；控制器；执行执行伺服电机伺服电机+调速器调速器原理框图如下：原理框图如下： T= T0- Tf控控制制器器电动电动阀门阀门温度传温度传感器感器T给定给定温度温度T0实际实际温度温度TTfd(t)图图1 - 2 水温自动控制原理框图水温自动控制原理框图执行执行机构机构水水箱箱9三、自动控制系统的控制方式及基本结构三、自动控制系统的控制方式及基本结构控制方式控制方式开环控制开环控制闭环控制闭环控制 复合控制复合控制两种基本控制方
7、式两种基本控制方式 开环控制（开环控制（Open-loop Control） （1）定义：控制装置与受控对象之间）定义：控制装置与受控对象之间只有顺向作用而无反只有顺向作用而无反向联系向联系时的控制方式，称为开环控制。时的控制方式，称为开环控制。（2）结构：）结构：控制器控制器受控对象受控对象r(t)c(t)d(t)图图1 - 3 开环控制系统图开环控制系统图10（3）特点特点：系统结构和控制过程简单，但无抗干扰能力，控制：系统结构和控制过程简单，但无抗干扰能力，控制精度较低。一般只用于对控制性能要求不高的场合。精度较低。一般只用于对控制性能要求不高的场合。 开环系统的开环系统的输出量与输入量
8、间不存在反馈的通道输出量与输入量间不存在反馈的通道，不需要，不需要对输出量进行测量，也不需要将输出量反馈到系统输入端与输对输出量进行测量，也不需要将输出量反馈到系统输入端与输入量进行比较。因此，开环控制系统又称无反馈控制系统。入量进行比较。因此，开环控制系统又称无反馈控制系统。 如：打印机、复印机、简单生产线、自动洗衣机、自动售如：打印机、复印机、简单生产线、自动洗衣机、自动售货机、自动打包机等。转台的速度控制。货机、自动打包机等。转台的速度控制。2. 闭环控制闭环控制（Closed-loop Control） （1）定义定义：控制装置与受控对象之间，不但有顺向作用，而：控制装置与受控对象之间
9、，不但有顺向作用，而且还有反向联系，即且还有反向联系，即被控量对控制过程有影响被控量对控制过程有影响时的控制方式时的控制方式称为闭环控制。称为闭环控制。（2）组成组成：三大部分，七个环节。如下图：三大部分，七个环节。如下图1-4。11图图1 - 4 闭环自动控制系统组成框图闭环自动控制系统组成框图校正校正器器执行执行机构机构检测检测环节环节e(t)给定给定环节环节C(t)b(t)d(t)放放大大器器受控受控对象对象r(t)控制器控制器给定电给定电源部分源部分控制装置部分控制装置部分受控对受控对象部分象部分比较环节比较环节123456712说明：说明：v用用“ ”号代表比较装置。号代表比较装置。
10、v“”号代表信号极性为负，其余信号为正。号代表信号极性为负，其余信号为正。v信号沿箭头方向从输入端到达输出端的传输通路称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前向通路路；系统输出量经检测装置反馈到输入端的传输通路称；系统输出量经检测装置反馈到输入端的传输通路称反反馈通路馈通路；前向通路与主反馈通路共同构成；前向通路与主反馈通路共同构成主回路主回路。v此外，还有其它前向通道和局部反馈通路以及由它构成的此外，还有其它前向通道和局部反馈通路以及由它构成的内回路。内回路。 13各各环节功能环节功能如下：如下：给定电源：给出与理想的输出值相对应的输入量。给定电源：给出与理想的输出值相对应的输
11、入量。比较环节（运算环节、综合环节）：对输入其中的信号进行代比较环节（运算环节、综合环节）：对输入其中的信号进行代数运算，并将运算结果输出。即：数运算，并将运算结果输出。即： e(t)=r(t)-b(t)。常用的如常用的如差动差动放大器放大器、自整角机等。、自整角机等。校正器（校正环节）：改善系统性能。校正器（校正环节）：改善系统性能。放大器：对微弱的偏差信号进行放大，以推动执行机构工作。放大器：对微弱的偏差信号进行放大，以推动执行机构工作。如放大器如放大器、晶闸管。、晶闸管。执行机构：带动受控对象工作。一般为执行机构：带动受控对象工作。一般为伺服电动机伺服电动机、液压马达、液压马达等动力设备
12、。等动力设备。检测环节检测环节(反馈环节反馈环节)：一般为传感器。其作用是：一般为传感器。其作用是检测检测输出量，并输出量，并将其将其变换变换成与输入量同性质的信号，然后成与输入量同性质的信号，然后反馈反馈到输入端。一般到输入端。一般为为各种传感器，各种传感器，如测速发电机、电位计、热电偶等。如测速发电机、电位计、热电偶等。 14（3）特点特点：抗干扰能力强，控制精度较高，但系统结构和控制：抗干扰能力强，控制精度较高，但系统结构和控制过程复杂，稳定性的问题是系统分析和设计的一个核心问题。一过程复杂，稳定性的问题是系统分析和设计的一个核心问题。一般用于对控制性能要求较高的大中型工业系统和精密的仪
13、器、设般用于对控制性能要求较高的大中型工业系统和精密的仪器、设备。如：电冰箱、空调器、复杂的生产线、精密的自动化仪表等。备。如：电冰箱、空调器、复杂的生产线、精密的自动化仪表等。转台速度的闭环控制。转台速度的闭环控制。 两点说明：两点说明：u 从控制作用的产生原理看，闭环控制也叫从控制作用的产生原理看，闭环控制也叫偏差控制偏差控制；从系；从系统的组成结构来看，闭环控制也叫统的组成结构来看，闭环控制也叫反馈控制反馈控制。u 由于引入了被控量的反馈信息，整个控制过程成为闭合的，由于引入了被控量的反馈信息，整个控制过程成为闭合的，因此反馈控制也称为因此反馈控制也称为闭环控制闭环控制 。反馈反馈把检测
14、出的输出量送回输入端，并与输入信号相比较把检测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（一般为产生偏差信号的过程，称为反馈（一般为负反馈负反馈） 。受控对象：被操作完成控制任务的设备、仪器或生产过程。受控对象：被操作完成控制任务的设备、仪器或生产过程。15闭环与开环控制系统的比较闭环与开环控制系统的比较 v开环控制：顺向作用，没有反向的联系，没有修正偏差能力，开环控制：顺向作用，没有反向的联系，没有修正偏差能力，抗扰动性较差。结构简单、调整方便、成本低。在精度要求抗扰动性较差。结构简单、调整方便、成本低。在精度要求不高或扰动影响较小的场合，这种控制方式还有一定的实用
15、不高或扰动影响较小的场合，这种控制方式还有一定的实用价值（步进电机，水泵，风扇）。价值（步进电机，水泵，风扇）。 v闭环控制：为偏差控制，可以抑制内（系统参数变化）、外闭环控制：为偏差控制，可以抑制内（系统参数变化）、外扰动（负载变化）对被控制量产生的影响，因此，控制精度扰动（负载变化）对被控制量产生的影响，因此，控制精度高。但是结构复杂，成本高（价格成倍增加，车床、洗衣机、高。但是结构复杂，成本高（价格成倍增加，车床、洗衣机、小轿车）；系统设计、分析麻烦。小轿车）；系统设计、分析麻烦。 163. 复合控制系统复合控制系统（Compound Control System）定义：开环控制和闭环控
16、制相结合的一种控制方式定义：开环控制和闭环控制相结合的一种控制方式v构成高精度控制系统的一种有效控制方式，使控制系统具构成高精度控制系统的一种有效控制方式，使控制系统具有良好的控制性能。有良好的控制性能。v复合控制的两种基本形式：复合控制的两种基本形式： （1）按输入前馈补偿的复合控制）按输入前馈补偿的复合控制 （2）按干扰前馈补偿的复合控制）按干扰前馈补偿的复合控制 结构见下图。结构见下图。17图图1.5 干扰补偿的复合控制系统框图干扰补偿的复合控制系统框图输入量输入量控制器控制器控制对象控制对象测量元件测量元件输出量输出量反馈回路反馈回路被控量被控量干扰量干扰量前馈补偿前馈补偿18前馈补偿
17、前馈补偿输出量输出量被控量被控量图图1.6 输入补偿的复合控制系统框图输入补偿的复合控制系统框图输入量输入量控制器控制器控制对象控制对象测量元件测量元件反馈回路反馈回路干扰量干扰量191.2 自动控制系统的分类自动控制系统的分类 常用的有四种分类方法。常用的有四种分类方法。 按照数学模型分为类：按照数学模型分为类： （1）线性线性系统与系统与非线性非线性系统系统l线性系统：由线性元件组成，满足线性系统：由线性元件组成，满足齐次性齐次性和和叠加性叠加性。而非线。而非线性系统不满足这两个特性。性系统不满足这两个特性。l 齐次性和叠加性：齐次性和叠加性： 如图，设如图，设f(t)为一线性系统，则有：
18、为一线性系统，则有： 若：若：r1(t) c1(t)，r2(t) c2(t) 则：则： r1(t) + r2(t) c1(t)+ c2(t) 叠加性叠加性 ar1(t) a c1(t)齐次性齐次性f(t)r(t)c(t)20（2）定常定常系统和系统和时变时变系统系统数学模型的数学模型的系数是常数系数是常数数学模型的系数至少有数学模型的系数至少有一处是时间的函数一处是时间的函数2. 按系统按系统内部的信号特征内部的信号特征分为：分为：连续连续系统和系统和离散离散系统系统系统中的所有信号系统中的所有信号在时间上是连续的在时间上是连续的系统中至少有一处的信号系统中至少有一处的信号在时间上是不连续的在
19、时间上是不连续的213. 按系统按系统内部的信号特征内部的信号特征分为：分为：连续连续系统和系统和离散离散系统系统系统中的所有信号系统中的所有信号在时间上是连续的在时间上是连续的系统中至少有一处的信号系统中至少有一处的信号在时间上是不连续的在时间上是不连续的4. 按系统按系统输入信号特征输入信号特征分为：分为： 恒值恒值系统、系统、随动随动系统和系统和程控程控系统系统r(t)为常数，为常数，要求要求c(t)也为也为常数。常数。r(t)为随机函数（未为随机函数（未知），要求知），要求c(t)也也随之变化。随之变化。r(t)为时间的已知函为时间的已知函数，要求数，要求c(t)也随之也随之变化。变化
20、。221.3 对自动控制系统的基本要求对自动控制系统的基本要求v过渡过程：在输入量作用下，系统的输出变量由初过渡过程：在输入量作用下，系统的输出变量由初始状态达到最终稳态的过程。始状态达到最终稳态的过程。v稳态过程：过渡过程结束后的输出响应。稳态过程：过渡过程结束后的输出响应。v自动控制系统性能的基本要求（三个方面）自动控制系统性能的基本要求（三个方面） l稳定性稳定性 Stability稳稳l动态性能动态性能（快速性）（快速性）快快 Dynamic Performance Specificationl稳态性能稳态性能 （准确性或控制精度）（准确性或控制精度）准准 Steady-state E
21、rror23v稳定性稳定性: : 稳定性是指系统受到外作用后，其动态过程的振荡稳定性是指系统受到外作用后，其动态过程的振荡倾向和系统恢复平衡的能力。如果系统受外作用力后，经过倾向和系统恢复平衡的能力。如果系统受外作用力后，经过一段时间的过渡，其被控量可以达到某一稳定状态，则称系一段时间的过渡，其被控量可以达到某一稳定状态，则称系统是稳定的，否则称为不稳定的统是稳定的，否则称为不稳定的 。 稳定性是对系统的基本要求，不稳定的系统不能实现预稳定性是对系统的基本要求，不稳定的系统不能实现预定任务。定任务。稳定性，通常由系统的结构决定与外界因素无关。稳定性，通常由系统的结构决定与外界因素无关。收敛收敛
22、24图图1-7 不稳定不稳定系统的动态过程系统的动态过程 发散发散25v动态性能动态性能：描述系统过渡过程表现出来的性能，用描述系统过渡过程表现出来的性能，用平稳平稳性性和和快速性快速性衡量。如：上升时间、峰值时间、调整时间、超调量衡量。如：上升时间、峰值时间、调整时间、超调量v 稳态性能：稳态性能：系统过渡过程结束进入稳态后表现出来的性能，系统过渡过程结束进入稳态后表现出来的性能，用用稳态误差稳态误差ess来衡量。来衡量。过度过程的振过度过程的振荡的程度荡的程度过渡过程的过渡过程的快慢快慢输出的实际值偏离期输出的实际值偏离期望值的偏差。反映系望值的偏差。反映系统的统的控制精度控制精度。若若e
23、ss=0无差无差系统系统若若ess0有差有差系统系统26 1、液位控制系统、液位控制系统 图图1.81.8（a a）是一个液位控制系统原理图。）是一个液位控制系统原理图。在这里，自动控制器通过比较实际液位与在这里，自动控制器通过比较实际液位与希望液位，并通过调整气动阀门的开度，希望液位，并通过调整气动阀门的开度，对误差进行修正，从而保持液位不变。对误差进行修正，从而保持液位不变。 图图1.81.8（b b）是该控制系统的方框图。）是该控制系统的方框图。控制系统举例控制系统举例27H H注注入入控控制制器器（比比较较、放放大大）Q Q1 1浮浮子子流流出出Q Q2 2（I I） 原原理理图图气气
24、动动阀阀门门图图1.8 （a） 液位控制系统液位控制系统28 希望液位实实际际液液位位放放大大元元件件气气动动阀阀门门水水 箱箱浮浮 子子控制器 注入（II） 控制系统方块图图图1.8 （b） 液位控制系统液位控制系统比较元件比较元件29希望液位实实际际液液位位肌肌肉肉、手手阀阀 门门水水 箱箱眼眼 睛睛（III） 相对应的人工操纵系统方块图 脑控制器：比控制器：比较较 、计算、计算执行（汽动或执行（汽动或电动阀门）电动阀门）测量（液位传感器）测量（液位传感器）30 2 2、发电机调速系统、发电机调速系统 发电机发电机- -电动机调速系统如图下所示。电动机调速系统如图下所示。其工作原理是操纵者
25、转动操纵电位计的手其工作原理是操纵者转动操纵电位计的手柄，可使电位计的输出电压柄，可使电位计的输出电压UrUr改变大小和改变大小和方向。经前置放大器和直流发电机两方向。经前置放大器和直流发电机两j j级放级放大，使加在伺服电机上的端电压也随之改大，使加在伺服电机上的端电压也随之改变大小和方向。从而使负载具有所要求的变大小和方向。从而使负载具有所要求的转速转速31图图1.6c发发电电机机- 电电动动机机调调速速系系统统操操纵纵电电位位计计发发电电机机伺伺服服电电机机减减速速器器负负载载 r给给定定值值Ur前前置置放放大大器器功功放放执执行行元元件件被被控控量量W m+E- E rUr操操纵纵电电
26、位位计计 R1R2R3R4放放大大器器直直流流发发电电机机伺伺服服电电机机W dW m 发发电电机机- 电电动动机机调调速速系系统统减减速速器器负负载载+E- E rUr操操纵纵电电位位计计 R1R2R3R4放放大大器器直直流流发发电电机机伺伺服服电电机机W dW m 发发电电机机- 电电动动机机调调速速系系统统减减速速器器负负载载321.4 自动控制理论的发展简述自动控制理论的发展简述v古典（经典）控制理论、古典（经典）控制理论、自动控制原理自动控制原理（理论）（理论） （17871960） 特点特点：以：以传递函数传递函数为基础研究单输入单输出定常控制系为基础研究单输入单输出定常控制系统的
27、分析与设计问题。这些理论由于其发展较早，现已臻统的分析与设计问题。这些理论由于其发展较早，现已臻成熟。成熟。v 现代（近代）控制理论现代（近代）控制理论（19601980） 特点特点： 以状态空间法为基础，研究多输入多输出控制系统以状态空间法为基础，研究多输入多输出控制系统的分析与设计问题。系统具有高精度和高效能的特点。的分析与设计问题。系统具有高精度和高效能的特点。 如：如： 最优控制最优控制 、自适应控制、自适应控制、 计算机控制、系统辨识计算机控制、系统辨识33v智能控制理论（智能控制理论（1980） 特点特点：以人工智能为基础，研究复杂对象（车间、工厂、：以人工智能为基础，研究复杂对象
28、（车间、工厂、集团）、复杂任务、复杂环境下的复杂控制系统。是控集团）、复杂任务、复杂环境下的复杂控制系统。是控制论、仿生学、运筹学等的有机结合。制论、仿生学、运筹学等的有机结合。 如：各种智能机器人的出现和应用。如：各种智能机器人的出现和应用。代表人物代表人物：国外的有国外的有：美国数学家：美国数学家N.维纳维纳、英国机械师、英国机械师J.瓦特、美国贝尔瓦特、美国贝尔实验室的两位数学家英国的实验室的两位数学家英国的劳斯劳斯和德国的胡尔维茨、美国电信和德国的胡尔维茨、美国电信工程师工程师N.奈奎斯特奈奎斯特、伯德伯德、数学家、数学家伊文斯伊文斯等。等。国内的有国内的有：钱学森、宋健、顾毓秀等。：
29、钱学森、宋健、顾毓秀等。34控制系统的计算机辅助设计控制系统的计算机辅助设计v控制系统的计算机辅助设计发展概况控制系统的计算机辅助设计发展概况 第一阶段：第一阶段：6070年代，采用一个或者几个控制系统计算程年代，采用一个或者几个控制系统计算程序组成的控制系统计算机辅助设计软件包。序组成的控制系统计算机辅助设计软件包。 第二阶段：第二阶段：7080年代，功能齐全的用于多变量系统设计年代，功能齐全的用于多变量系统设计的计算机辅助设计软件包。的计算机辅助设计软件包。 第三阶段：第三阶段：80中期开始，产生中期开始，产生仿真软件仿真软件MATLABMATLAB控制系统计控制系统计算机辅助设计仿真系统
30、。算机辅助设计仿真系统。v控制系统计算机辅助设计的主要内容控制系统计算机辅助设计的主要内容 计算机辅助建立系统模型计算机辅助建立系统模型 数学模型表示方式之间的相互转换数学模型表示方式之间的相互转换 计算机辅助分析和设计控制系统计算机辅助分析和设计控制系统提问与解答环节Questions And Answers谢谢聆听 学习就是为了达到一定目的而努力去干, 是为一个目标去战胜各种困难的过程,这个过程会充满压力、痛苦和挫折Learning Is To Achieve A Certain Goal And Work Hard, Is A Process To Overcome Various Difficulties For A Goal
