1、1自动控制原理自动控制原理武汉大学 王泉德QQ:3718910842课程任务课程任务n学习自动控制系统的基本理论；n掌握分析和综合自动控制系统的基本方法；n具有初步的系统实验基本技能；n为自动控制系统设计打好基础。3课程特点课程特点n理论性很强，同时注重结合工程实践。微积分（含微分方程）微积分（含微分方程）电机与拖动电机与拖动模拟电子技术模拟电子技术线性代数线性代数电路理论电路理论信号与系统信号与系统自动控制理论自动控制理论复变函数、拉普拉斯变换复变函数、拉普拉斯变换大学物理（力学、热力学）大学物理（力学、热力学）4课程要求课程要求n听听n记记n做做5第一章第一章 自动控制的一般概念自动控制的
2、一般概念6本章内容提要本章内容提要n1.1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式n1.2 自动控制系统示例自动控制系统示例n1.3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类n1.4 对自动控制系统的基本要求对自动控制系统的基本要求71.1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式1 1 自动控制技术及其应用自动控制技术及其应用自动控制自动控制：在没有人直接参与的情：在没有人直接参与的情况下，通过控制况下，通过控制器，使被控对象或器，使被控对象或过程自动地按预定的规律运行。过程自动地按预定的规律运行。应用应用：工业、农业、交通、国防、：工业、农业、交通、国防、宇航、社会。宇航、社
3、会。优点优点：节省人力；节省人力；提高系统的精度；提高系统的精度；可以完成人工控制系统可以完成人工控制系统无法完成的工作。无法完成的工作。82 2 自动控制理论自动控制理论自动控制技术的基础理论自动控制技术的基础理论,分析或设计自动控制系统的主要方法分析或设计自动控制系统的主要方法和依据。和依据。1.1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式n经典控制理论经典控制理论（2020世纪世纪4040年代开始）：以年代开始）：以拉氏变换和传递拉氏变换和传递函数函数为基础，在复频域内研究单输入为基础，在复频域内研究单输入-单输出单输出(SISOSISO)线性定线性定常系统的分析设计方法常系统的
4、分析设计方法；n现代控制理论现代控制理论（2020世纪世纪6060年代开始）：以年代开始）：以状态空间法状态空间法为基为基础，在时域内研究多输入础，在时域内研究多输入-多输出（多输出（MIMOMIMO）系统的分析和设）系统的分析和设计方法；计方法；n智能控制理论智能控制理论（2020世纪世纪7070年代开始）：以年代开始）：以模糊控制和神经模糊控制和神经网络网络为基础，研究多变量复杂大系统的分析设计方法。为基础，研究多变量复杂大系统的分析设计方法。93 3 反馈控制原理反馈控制原理 自动控制系统自动控制系统:为实现各种控制任务为实现各种控制任务,将被控对象将被控对象和控制装置按照一定的方式连接
5、起来的一个有机总和控制装置按照一定的方式连接起来的一个有机总体体.反馈控制反馈控制:在自动控制系统中将被控量以负反馈在自动控制系统中将被控量以负反馈的形式与输入量进行比较的形式与输入量进行比较,并利用偏差来不断消除并利用偏差来不断消除偏差的控制过程偏差的控制过程.1.1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式103 3 反馈控制原理反馈控制原理例：人取书本的过程例：人取书本的过程眼睛眼睛大脑大脑手臂、手手臂、手眼睛眼睛输入信号输入信号（书位置）（书位置）输出量输出量（手位置）（手位置）1.1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式11例：电压控制系统例：电压控制系统系统要求
6、：保持系统要求：保持发电机输出电压发电机输出电压U不变（在发电不变（在发电机转速机转速n不变条不变条件下，当负载变件下，当负载变化时，化时，U会会变化）变化）人工控制：调节人工控制：调节R R,使使i if f变化变化,保持保持U U稳定。稳定。自动控制：图中虚线框内所示。自动控制：图中虚线框内所示。SD执行电机执行电机 UU0V负负载载发电机发电机ufifRUISD1.1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式12电压控制系统方块图电压控制系统方块图0U 给定值给定值 U被控制量被控制量放大器放大器SD执行执行机构机构R电位计电位计发电机发电机+-0UUufiU控制器控制器对象对象
7、1.1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式134 4 反馈控制系统的基本组成反馈控制系统的基本组成测量元件测量元件：测量被控量并转换成相应的电量，如速：测量被控量并转换成相应的电量，如速 度、位移、压力传感器；度、位移、压力传感器；1.1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式144 4 反馈控制系统的基本组成反馈控制系统的基本组成给定元件给定元件：给出与期望的被控量相对应的系统输入量：给出与期望的被控量相对应的系统输入量（参据量）；（参据量）；1.1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式154 4 反馈控制系统的基本组成反馈控制系统的基本组成比较元件比较元
8、件：将被控量与给定值加以比较，形成：将被控量与给定值加以比较，形成 偏差信号；偏差信号；1.1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式164 4 反馈控制系统的基本组成反馈控制系统的基本组成放大元件放大元件：将偏差信号进行前置或功率放大，从而推：将偏差信号进行前置或功率放大，从而推 动执行机构或被控对象。动执行机构或被控对象。1.1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式174 4 反馈控制系统的基本组成反馈控制系统的基本组成执行元件执行元件：直接推动被控对象，以改变被控量；：直接推动被控对象，以改变被控量；1.1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式184 4
9、 反馈控制系统的基本组成反馈控制系统的基本组成校正元件校正元件：改善系统的静态性能。：改善系统的静态性能。1.1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式19注意：注意：在实际系统中，一个元件常兼有两种或两在实际系统中，一个元件常兼有两种或两种以上的职能；种以上的职能；元件不一定都是电气元件，有时可以是机械、元件不一定都是电气元件，有时可以是机械、气动、液压等元件，从而可以构成机械、气动、液压气动、液压等元件，从而可以构成机械、气动、液压等控制系统，但其工作原理都是一致的。等控制系统，但其工作原理都是一致的。1.1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式205 5 自动控制系
10、统基本控制方式自动控制系统基本控制方式 开环控制方式开环控制方式：控制作用直接由系统的输入量产生：控制作用直接由系统的输入量产生1.1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式例：转台速度开环控制系统例：转台速度开环控制系统在在CD机、计算机磁盘驱机、计算机磁盘驱动器等现代装置中应用动器等现代装置中应用.211.1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式预期速度预期速度实际转速实际转速直流电动机直流电动机转台转台放大器放大器转台速度开环控制系统结构图转台速度开环控制系统结构图:22 按扰动控制方式：利用可测量的扰动量，产生按扰动控制方式：利用可测量的扰动量，产生一种补偿作用，
11、以减小或抵消扰动对输出量的影响，一种补偿作用，以减小或抵消扰动对输出量的影响，也叫顺馈控制（只适合扰动可测量的场合）；也叫顺馈控制（只适合扰动可测量的场合）；开环控制系统的组成：开环控制系统的组成：按给定量控制方式：控制作用直接由系统的输按给定量控制方式：控制作用直接由系统的输入量产生，控制精度完全取决于所用的元件及校入量产生，控制精度完全取决于所用的元件及校准的精度；准的精度；1.1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式23 结构简单；结构简单；误差不能靠系统本身来克服；误差不能靠系统本身来克服；开环系统的特点：开环系统的特点：不存在稳定性问题。不存在稳定性问题。系统的控制精度取
12、决于各元件的精度及参系统的控制精度取决于各元件的精度及参数的稳定性；数的稳定性；1.1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式24 闭环控制方式（反馈控制方式）闭环控制方式（反馈控制方式）控制装置与受控对象之间，不但有顺向作用，控制装置与受控对象之间，不但有顺向作用，而且还有而且还有反向联系反向联系。按反馈控制原理构成的闭环系统按反馈控制原理构成的闭环系统,是一种重要、是一种重要、广泛应用的控制系统。自动控制理论主要的研究广泛应用的控制系统。自动控制理论主要的研究对象对象,也是用这种控制方式组成的系统。也是用这种控制方式组成的系统。1.1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与
13、方式251.1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式测速机测速机偏差偏差反馈量反馈量预期速度预期速度实际转速实际转速直流电动机直流电动机转台转台放大器放大器_ 当实际速度受扰动的影响发生变化时当实际速度受扰动的影响发生变化时，通过系统的调节，从而消除扰动对速度，通过系统的调节，从而消除扰动对速度的影响。的影响。转台速度闭环控制系统结构图转台速度闭环控制系统结构图261.1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式例例 转速负反馈直流电动机调速系统转速负反馈直流电动机调速系统直流电机直流电机测速发电机测速发电机电源和放电源和放 大装置大装置负载负载系统组成：系统组成：UnUf
14、给定电压给定电压反馈电压反馈电压e=Un-Uf 转速取决转速取决于给定电压于给定电压与反馈电压与反馈电压的差值。的差值。27 调速系统结构图调速系统结构图unufeudn_直流电动机直流电动机放大器放大器测速机测速机 由电网电压波动，负载变化以及其他由电网电压波动，负载变化以及其他部分的参数变化所引起的转速变化，都可部分的参数变化所引起的转速变化，都可以通过系统的自动调整加以抑制。以通过系统的自动调整加以抑制。nUf eUd n28 稳定性是个重要问题。稳定性是个重要问题。能抑制内部或外部扰动对系统的影响，可用能抑制内部或外部扰动对系统的影响，可用低成本元件构成高精度系统；低成本元件构成高精度
15、系统；闭环系统的特点：闭环系统的特点：利用偏差消除偏差；利用偏差消除偏差；1.1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式29复合控制方式复合控制方式n对于主要扰动采用适当的装置实现对于主要扰动采用适当的装置实现按扰动控制按扰动控制；n组成反馈控制系统实现组成反馈控制系统实现按偏差控制按偏差控制,以消除其余扰动以消除其余扰动产生的偏差；产生的偏差；n按偏差控制和按扰动控制相结合的控制方式称为复合按偏差控制和按扰动控制相结合的控制方式称为复合控制方式。控制方式。1.1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式前馈补偿控制前馈补偿控制复合控制：复合控制：反馈控制反馈控制+30被控量
16、控制器被控对象给定量检测装置补偿装置被控量控制器被控对象给定量检测装置补偿装置扰动量按输入补偿按输入补偿按扰动补偿按扰动补偿31 电压电压放大器放大器电阻电阻R R 功率功率放大器放大器 测速测速发电机发电机电动机电动机 电压电压放大器放大器-u u0 0u ut tu ue eMcn n电动机速度复合控制系统电动机速度复合控制系统1.1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式321.2 自动控制系统示例自动控制系统示例1 1、函数记录仪、函数记录仪33函数记录仪方块图函数记录仪方块图放大器放大器变换器变换器 伺服伺服电动机电动机齿轮系齿轮系 绳轮绳轮记录笔记录笔 测速测速发电机发电
17、机测量测量电路电路位移位移u ur r-uu up p342 2、飞机、飞机-自动驾驶仪系统自动驾驶仪系统俯仰角控制俯仰角控制系统方块图系统方块图给定装置给定装置放大器放大器舵机舵机飞机飞机扰动扰动反馈电位器反馈电位器垂直陀螺仪垂直陀螺仪-0353 3、电阻炉温度微机控制系统、电阻炉温度微机控制系统微型计算机微型计算机364 4、无人驾驶飞机、无人驾驶飞机按预定轨迹飞行375 5、我国研制的地空导弹、我国研制的地空导弹制导导弹制导导弹瞄准目标瞄准目标386 6、雷达技术、雷达技术 搜索目标搜索目标397 7、人造地球卫星、人造地球卫星哈勃望远镜特殊卫星中巴资源卫星控制其准确地进入预定轨道运行并
18、回收控制其准确地进入预定轨道运行并回收401.3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类开环控制开环控制闭环控制闭环控制复合控制复合控制按控制按控制方式分方式分机械系统机械系统电气系统电气系统机电系统机电系统液压系统液压系统气动系统气动系统 生物系统生物系统按元件按元件类型分类型分按系统按系统性能分性能分线性系统线性系统非线性系统非线性系统连续系统连续系统定常系统定常系统时变系统时变系统确定性系统确定性系统不确定性系统不确定性系统离散系统离散系统恒值控制系统恒值控制系统随动系统随动系统程序控制系统程序控制系统按参据量按参据量变化规律分变化规律分411.3.1 线性连续控制系统线性连续控制系统式中
19、式中,c(t)是被控量是被控量,r(t)是输入量是输入量.l系数系数a0 0,a1 1,an n,b0 0,b1 1,bm m是常数时是常数时,称为定常系统称为定常系统;l系数系数a0 0,a1 1,an n,b0 0,b1 1,bm m随时间变化时随时间变化时,称为时变系统称为时变系统.l线性定常连续系统按其输入量的变化规律不同又可分为恒值线性定常连续系统按其输入量的变化规律不同又可分为恒值控制系统、随动系统和程序控制系统控制系统、随动系统和程序控制系统.线性连续控制系统可以用线性微分方程式描述线性连续控制系统可以用线性微分方程式描述,其一般形式为其一般形式为)()()()()()()()(
20、1111011110trbtrdtdbtrdtdbtrdtdbtcatcdtdatcdtdatcdtdammmmmmnnnnnn(1-1)(1-1)42 随动系统随动系统输入信号是时间的任意函数，其变化规律事先不知道。系统要求输入信号是时间的任意函数，其变化规律事先不知道。系统要求输出量以尽可能小的误差跟随输入信号的变化输出量以尽可能小的误差跟随输入信号的变化。系统分析、设计。系统分析、设计的重点是研究被控量跟随的快速性和准确性。的重点是研究被控量跟随的快速性和准确性。程序控制系统程序控制系统这类控制系统的输入信号是按预定规律随时间变化的函数这类控制系统的输入信号是按预定规律随时间变化的函数,
21、要求要求被被控量迅速、准确地复现控量迅速、准确地复现.例：机械加工使用的数字程序控制机床例：机械加工使用的数字程序控制机床 恒值控制系统恒值控制系统输入信号是恒定常值，被控量也是一个与之对应的常值，当外界输入信号是恒定常值，被控量也是一个与之对应的常值，当外界有扰动时，有扰动时，系统要求被控量保持为一个不变的常值系统要求被控量保持为一个不变的常值。如电压控制。如电压控制系统。对系统的要求是稳定性和稳态误差。系统。对系统的要求是稳定性和稳态误差。431.3.2 线性定常离散系统线性定常离散系统 离散系统是指系统的某处或多处的信号为脉冲序列或数码离散系统是指系统的某处或多处的信号为脉冲序列或数码形
22、式形式,因而信号在时间上是离散的因而信号在时间上是离散的.一般一般,在离散系统中既有连续的模拟信号在离散系统中既有连续的模拟信号,也有离散的数字也有离散的数字信号信号.因此因此,离散系统要用差分方程来描述离散系统要用差分方程来描述.线性差分方程的一线性差分方程的一般形式为般形式为工业计算机控制系统就是典型的离散系统工业计算机控制系统就是典型的离散系统.式中式中,n n为差分方程的次数为差分方程的次数,a0 0,a1 1,an n,b0 0,b1 1,bm m为为常系数常系数,r(k),),c(k)分别为输入和输出采样序列分别为输入和输出采样序列.nm)()1()1()()()1()1()(11
23、0110krbkrbmkrbmkrbkcakcankcankcammnn(1-2)(1-2)441.3.3 非线性控制系统非线性控制系统 系统中只要有一个元部件的输入系统中只要有一个元部件的输入-输出特性是非线性的输出特性是非线性的,这这类系统就称为非线性系统类系统就称为非线性系统.这时这时,要用非线性微分要用非线性微分(或差分或差分)方程方程来描述其特性来描述其特性.严格地说严格地说,实际的控制系统都是非线性系统实际的控制系统都是非线性系统.但对于非线性但对于非线性程度不太严重的元部件程度不太严重的元部件,可采用在一定范围内线性化的方法可采用在一定范围内线性化的方法,从从而将非线性系统近似为
24、线性控制系统而将非线性系统近似为线性控制系统.非线性方程的特点是系数与变量有关非线性方程的特点是系数与变量有关,或者方程中含有变或者方程中含有变量及其导数的高次幂或乘积项量及其导数的高次幂或乘积项,例如例如ttrtytrtytytytycos)()()()()()()(2 由于非线性方程在数学处理上较困难由于非线性方程在数学处理上较困难,目前对不同类型的目前对不同类型的非线性系统的研究还没有统一的方法非线性系统的研究还没有统一的方法.451.4 对自动控制系统的基本要求对自动控制系统的基本要求稳稳定性定性快快速性速性准准确性确性46 稳定性稳定性 稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件稳定性是
25、保证控制系统正常工作的先决条件.一个稳一个稳定的控制系统定的控制系统,其其被控量偏离期望值的初始偏差应随时间被控量偏离期望值的初始偏差应随时间的增长逐渐减小或趋于零的增长逐渐减小或趋于零.线性自动控制系统的稳定性是由系统的结构所决定线性自动控制系统的稳定性是由系统的结构所决定,与外界因素无关与外界因素无关.47 快速性快速性 控制系统不仅要稳定控制系统不仅要稳定,还必须对其还必须对其过渡过程的形式和快过渡过程的形式和快慢提出要求慢提出要求,一般称为动态性能一般称为动态性能,其中包括过渡过程时间其中包括过渡过程时间(即即快速性快速性)和最大振荡幅度和最大振荡幅度(即超调量即超调量).).48 准
26、确性准确性 理想情况下理想情况下,当过渡过程结束后当过渡过程结束后,被控量达到的被控量达到的稳态值稳态值(即即平衡状态平衡状态)应与期望值一致应与期望值一致.但实际上但实际上,由于系统结构、外作用由于系统结构、外作用形式以及摩擦、间隙等非线性因素的影响形式以及摩擦、间隙等非线性因素的影响,被控量的稳态值与被控量的稳态值与期望值之间会有误差存在期望值之间会有误差存在,称为稳态误差称为稳态误差.稳态误差又称稳态性能稳态误差又称稳态性能,是衡是衡量控制系统控制精度的重要标志量控制系统控制精度的重要标志,在技术指标中一般都有具体要求在技术指标中一般都有具体要求.49典型输入（外作用）典型输入（外作用）
27、为了便于用统一的方法研究和比较控制系统的性能为了便于用统一的方法研究和比较控制系统的性能,通常通常选用几种确定性函数作为典型输入。它们应具备以下条件选用几种确定性函数作为典型输入。它们应具备以下条件:这种函数在现场或实验室中容易得到这种函数在现场或实验室中容易得到;控制系统在这种函数作用下的性能应代表在实际工作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条件下的性能;这种函数的数学表达式简单便于理论计算这种函数的数学表达式简单便于理论计算50典型外作用典型外作用 阶跃函数阶跃函数 其数学表达式为其数学表达式为000)(tRttft0)(tfR幅值幅值 R=1 1的阶跃函数称为单位
28、阶跃函的阶跃函数称为单位阶跃函数数,用用1 1(t)表示表示;幅值为幅值为 R 的阶跃函数便的阶跃函数便可表示为可表示为 ,在任意时刻在任意时刻 t0 0 出现的出现的阶跃函数可表示为阶跃函数可表示为)(1 tR)(10ttR51 斜坡函数斜坡函数 其数学表达式为其数学表达式为000)(tRtttf表示在表示在 t=0 0 时刻开始时刻开始,以恒定速率以恒定速率R随时随时间而变化的函数间而变化的函数,即斜坡函数。即斜坡函数。t0)(tfR52 脉冲函数脉冲函数 其数学定义为其数学定义为式中式中,(,(A/t0 0)1()1(t)-1()-1(t-t0 0)是由两个阶跃函数合成的脉冲函数是由两个
29、阶跃函数合成的脉冲函数,其面积其面积 A=(A/t0 0)t0 0。当宽度当宽度 t0 0 趋于零时趋于零时,脉动函数的极限便是脉动函数的极限便是脉冲函数脉冲函数,它是一个宽度为零、幅值为无穷大、面积为它是一个宽度为零、幅值为无穷大、面积为A的极限的极限脉冲。脉冲。)(1)(1lim)(0000ttttAtft00tAt00tAt0t00tAt0t0t)(t53 脉冲函数的的强度通常用其面积表示脉冲函数的的强度通常用其面积表示.面积面积 A=1=1 的脉冲函数称为单位脉冲函数或的脉冲函数称为单位脉冲函数或 函数函数;强度为强度为A的脉的脉冲函数可表示为冲函数可表示为 .在在t0 0时刻出现的单位脉冲函数时刻出现的单位脉冲函数则表示为则表示为 .)(tA)(0tt54 正弦函数正弦函数 其数学表达式为其数学表达式为式中式中,A为正弦函数的振幅为正弦函数的振幅,为正弦函数角频率为正弦函数角频率,为初始角为初始角.f2)sin()(tAtf55作业作业1-1,1-5,1-6；
