自动控制原理第一章 (2)课件.ppt

自动控制原理第一章1第1页，此课件共32页哦第一章绪论第一章绪论 1-1 1-1 引言引言 1-2 1-2 自动控制的基本知识自动控制的基本知识 1-3 1-3 自动控制系统的基本控制方式自动控制系统的基本控制方式 1-4 1-4 自动控制系统的分类及基本组成自动控制系统的分类及基本组成 1-5 1-5 对控制系统的要求和分析设计对控制系统的要求和分析设计 1-6 1-6 自动控制理论的发展概况自动控制理论的发展概况2第2页，此课件共32页哦1-1 1-1 引言引言1.控制理论的基础观念控制理论的基础观念 控制理论是建立在有可能发展一种一般方法来研究各式各控制理论是建立在有可能发展一种一般方法来研究各式各样系统中控制过程这一基础上的理论。样系统中控制过程这一基础上的理论。2.控制理论的研究对象控制理论的研究对象 控制理论研究的对象可狭义地定义为这样一种信息系统，控制理论研究的对象可狭义地定义为这样一种信息系统，即根据期望的输出来改变输入，使系统的输出能有某种预期的即根据期望的输出来改变输入，使系统的输出能有某种预期的效果。效果。3.控制论与数学及自动化技术的关系控制论与数学及自动化技术的关系3第3页，此课件共32页哦1.2.1 自动控制问题的提出自动控制问题的提出 一一个个简简单单的的水水箱箱液液面面，因因生生产产和和生生活活需需要要，希希望望液液面面高高度度h 维维持持恒恒定定。当当水水的的流流入入量量与与流流出出量量平平衡衡时时，水水箱箱的液面高度维持在预定的高度上。的液面高度维持在预定的高度上。1.2 自动控制的基本知识自动控制的基本知识水箱水箱流出流出流入流入h 当水的流出量增当水的流出量增大或流入量减小，大或流入量减小，平衡则被破坏，液平衡则被破坏，液面的高度不能自然面的高度不能自然地维持恒定。地维持恒定。4第4页，此课件共32页哦 这种出水量与进水量的不平衡现象必然要经常发生的。这种出水量与进水量的不平衡现象必然要经常发生的。这使得这种这使得这种“水位恒定的要求水位恒定的要求”变得难以实现了。变得难以实现了。所所谓谓控控制制就就是是强强制制性性地地改改变变某某些些物物理理量量（如如上上例例中中的的进进水水量量），而而使使另另外外某某些些特特定定的的物物理理量量（如如液液面面高高度度h）维持在某种特定的标准上。维持在某种特定的标准上。人工控制的例子。人工控制的例子。水箱水箱流出流出流入流入h 这这种种人人为为地地强强制制性性地地改改变变进进水水量量，而而使使液液面面高高度度维维持持恒恒定定的的过过程程，即即是是人人工工控制过程。控制过程。5第5页，此课件共32页哦1.2.2 自动控制的定义及基本职能元件自动控制的定义及基本职能元件 1.1.自动控制的定义自动控制的定义 自自动动控控制制就就是是在在没没有有人人直直接接参参与与的的情情况况下下，利利用用控控制制器器使使被被控控对对象象（或或过过程程）的的某某些些物物理理量量（或或状状态态）自自动动地地按预先给定的规律去运行。按预先给定的规律去运行。水水箱箱流出流出流入流入h控制器控制器浮子浮子 当当出出水水与与进进水水的的平平衡衡被被破破坏坏时时，水水箱箱水水位位下下降降(或或上上升升)，出出现现偏偏差差。这这偏偏差差由由浮浮子子检检测测出出来来，自自动动控控制制器器在在偏偏差差的的作作用用下下，控控制制阀阀门门开开大大(或或关关小小)，对对偏偏差差进进行行修修正正，从而保持液面高度不变。从而保持液面高度不变。6第6页，此课件共32页哦 2.2.自动控制的基本职能元件自动控制的基本职能元件 自动控制的实现自动控制的实现,实际上是由自动控制装置来代替人的基本实际上是由自动控制装置来代替人的基本功能，从而实现自动控制的。画出以上人工控制与自动控制的功功能，从而实现自动控制的。画出以上人工控制与自动控制的功能方框图进行对照。能方框图进行对照。水箱水箱流出流出流入流入h水箱水箱流出流出流入流入h控制器控制器浮子浮子 眼睛眼睛 浮子浮子 大脑大脑 自动控制器自动控制器 肌肉、手肌肉、手 执行元件执行元件7第7页，此课件共32页哦肌肉和肌肉和阀门阀门希望液位希望液位实际液位实际液位大大 脑脑水水 箱箱眼眼 睛睛 比较两图可以看出，自动控制实现人工控制的功能，存比较两图可以看出，自动控制实现人工控制的功能，存在必不可少的三种代替人的职能的基本元件：在必不可少的三种代替人的职能的基本元件：气气 动动阀阀 门门希望液位希望液位实际液位实际液位浮浮 子子控制器控制器水水 箱箱8第8页，此课件共32页哦执执 行行元元 件件参考输入参考输入输出输出测量变测量变送元件送元件控制器控制器对对 象象扰动输入扰动输入 测量元件与变送器（代替眼睛）；测量元件与变送器（代替眼睛）；自动控制器（代替大脑）；自动控制器（代替大脑）；执行元件（代替肌肉、手）。执行元件（代替肌肉、手）。这些基本元件与被控对象相连接，一起构成一个自动这些基本元件与被控对象相连接，一起构成一个自动控制系统。下图是典型控制系统方框图控制系统。下图是典型控制系统方框图。9第9页，此课件共32页哦1.2.3 自动控制中的一些术语及方框图自动控制中的一些术语及方框图 1.1.常用术语常用术语 控制对象控制对象 控制器控制器 系统系统 系统输出系统输出 操作量操作量 参考输入参考输入 扰动扰动 特性特性 2.2.系统方框图系统方框图 将系统中各个部分都用一个方框来表示，并注上文将系统中各个部分都用一个方框来表示，并注上文字或代号，根据各方框之间的信息传递关系，用有向线字或代号，根据各方框之间的信息传递关系，用有向线段把它们依次连接起来，并标明相应的信息。段把它们依次连接起来，并标明相应的信息。突出了系统中各环节输入与输出的关系及各环节之突出了系统中各环节输入与输出的关系及各环节之间的相互影响，便于定性和定量分析。间的相互影响，便于定性和定量分析。10第10页，此课件共32页哦1.3.1 开环控制开环控制 开环控制是最简单的一种控制方式，我们可以给出开环控开环控制是最简单的一种控制方式，我们可以给出开环控制的一般定义：制的一般定义：定义：控制量与被控量之间只有顺向作用而没有反向联定义：控制量与被控量之间只有顺向作用而没有反向联系。系。开环控制系统的典型方框图如图所示。开环控制系统的典型方框图如图所示。1.2 自动控制系统的基本控制方式自动控制系统的基本控制方式控制器控制器被控对象被控对象控制量控制量被控量被控量 交通指挥红绿灯，自动洗衣机，自动售货机，产品自动交通指挥红绿灯，自动洗衣机，自动售货机，产品自动生产线，数控车床等等。生产线，数控车床等等。11第11页，此课件共32页哦电动机电动机转速转速滑臂位置滑臂位置功率功率放大器放大器电位器电位器1.1.按给定控制按给定控制 下图是一个直流电动机转速控制系统。下图是一个直流电动机转速控制系统。当调节电位器滑臂位置时，改变功率放大器的输入电压，从而改变当调节电位器滑臂位置时，改变功率放大器的输入电压，从而改变电动机的电枢电压，最终改变电动机的转速。以上的控制过程，用方框电动机的电枢电压，最终改变电动机的转速。以上的控制过程，用方框图简单直观地表示出来。图简单直观地表示出来。M功率功率放大器放大器电动机电动机负载负载电电位位器器12第12页，此课件共32页哦2.2.按扰动控制按扰动控制 图示是一个按扰动控制的直流电动机转速控制系统。图示是一个按扰动控制的直流电动机转速控制系统。负载负载电压电压放大器放大器M功率功率放大器放大器+-R i+控制过程可用方框图表示成如图示的形式。控制过程可用方框图表示成如图示的形式。13第13页，此课件共32页哦电动机电动机转速转速给定给定不变不变功率功率放大器放大器电位器电位器+负载负载变化变化电压电压放大器放大器检检 测测电电 阻阻 把负载变化视为外部扰动输入，对输出转速产生的影把负载变化视为外部扰动输入，对输出转速产生的影响及控制补偿作用，分别沿箭头的方向从输入端传送到输响及控制补偿作用，分别沿箭头的方向从输入端传送到输出端，作用的路径也是单向的，不闭合的。有时我们称按出端，作用的路径也是单向的，不闭合的。有时我们称按扰动控制为顺馈控制。扰动控制为顺馈控制。14第14页，此课件共32页哦 开环控制的特点：开环控制的特点：（1 1）结构简单、调整方便、成本低。）结构简单、调整方便、成本低。（2 2）给定一个输入，有相应的一个输出。）给定一个输入，有相应的一个输出。（3 3）在系统方框图中，作用信号是单方向传递的，形成）在系统方框图中，作用信号是单方向传递的，形成开环。开环。（4 4）输出不影响输入。）输出不影响输入。（5 5）若系统有外界扰动时，系统输出量不可能有准确的数）若系统有外界扰动时，系统输出量不可能有准确的数值，即开环控制精度不高，或抗干扰能力差。值，即开环控制精度不高，或抗干扰能力差。1.3.2 闭环控制闭环控制 定义：凡是系统输出信号对控制作用有直接影响的系统，定义：凡是系统输出信号对控制作用有直接影响的系统，都叫做闭环控制系统。都叫做闭环控制系统。15第15页，此课件共32页哦 在控制系统中，控制装置对被控对象所施加的在控制系统中，控制装置对被控对象所施加的控制作用，控制作用，若能取自被控量的反馈信息，即根据实际输出来修正控制作若能取自被控量的反馈信息，即根据实际输出来修正控制作用，实现对被控对象进行控制的任务，这种控制原理称为反用，实现对被控对象进行控制的任务，这种控制原理称为反馈控制原理。正是由于引入了反馈信息，使整个控制过程成馈控制原理。正是由于引入了反馈信息，使整个控制过程成为闭合的。因此，按反馈原理建立起来的控制系统，叫做闭为闭合的。因此，按反馈原理建立起来的控制系统，叫做闭环控制系统。在闭环控制系统中，其控制作用的基础是被控环控制系统。在闭环控制系统中，其控制作用的基础是被控量与给定值之间的偏差。量与给定值之间的偏差。人本身就是一个具有高度复杂控制能力的闭环系统。比如，人本身就是一个具有高度复杂控制能力的闭环系统。比如，人可以用手拿到放在桌上的书等物，体现了闭环控制的原理。人可以用手拿到放在桌上的书等物，体现了闭环控制的原理。直流电动机转速闭环控制的例子。直流电动机转速闭环控制的例子。16第16页，此课件共32页哦电动机电动机转速转速给定给定位置位置功率功率放大器放大器电位器电位器+-负载负载扰动扰动测速发动机测速发动机ufureuaF测速发动机测速发动机M功率功率放大器放大器电动机电动机负载负载电电位位器器17第17页，此课件共32页哦 闭环控制的特点：闭环控制的特点：控制作用不是直接来自给定输入，而是系统的偏差信号，控制作用不是直接来自给定输入，而是系统的偏差信号，由偏差产生对系统被控量的控制；由偏差产生对系统被控量的控制；系统被控量的反馈信息又反过来影响系统的偏差信号，系统被控量的反馈信息又反过来影响系统的偏差信号，即影响控制作用的大小。这种自成循环的控制作用，使信息的即影响控制作用的大小。这种自成循环的控制作用，使信息的传递路径形成了一个闭合的环路，称为闭环。传递路径形成了一个闭合的环路，称为闭环。提高了控制精度。提高了控制精度。闭环控制系统的典型方框图如图所示。闭环控制系统的典型方框图如图所示。控制器控制器被控对象被控对象反馈元件反馈元件输入输入输出输出+-偏差偏差18第18页，此课件共32页哦三三.开环与闭环控制系统的比较开环与闭环控制系统的比较 闭环系统的优点是采用了反馈，因而使系统的响应对外闭环系统的优点是采用了反馈，因而使系统的响应对外部干扰和内部系统的参数变化均相当不敏感。这样，对于给部干扰和内部系统的参数变化均相当不敏感。这样，对于给定的控制对象，有可能采用不太精密且成本较低的元件构成定的控制对象，有可能采用不太精密且成本较低的元件构成精密的控制系统。在开环情况下，就不可能做到这一点。精密的控制系统。在开环情况下，就不可能做到这一点。从稳定性的观点出发，开环控制系统比较容易建造，从稳定性的观点出发，开环控制系统比较容易建造，因为对开环系统来说，不存在稳定性的问题。但是在闭因为对开环系统来说，不存在稳定性的问题。但是在闭环系统中，稳定性则始终是一个重要问题。因为闭环系环系统中，稳定性则始终是一个重要问题。因为闭环系统可能引起过调误差，从而导致系统做等幅振荡或变幅统可能引起过调误差，从而导致系统做等幅振荡或变幅振荡。振荡。工程上常采用的复合控制方法，就是把两者结合起来工程上常采用的复合控制方法，就是把两者结合起来使用。使用。19第19页，此课件共32页哦 复合控制实质上是在闭环控制回路的基础复合控制实质上是在闭环控制回路的基础上，附加上，附加一个输入信号（给定或扰动）的顺馈通路，对该信号实行一个输入信号（给定或扰动）的顺馈通路，对该信号实行加强或补偿，以达到精确的控制效果。加强或补偿，以达到精确的控制效果。常见的方式有以下两种：常见的方式有以下两种：1.附加给定输入补偿附加给定输入补偿控制器控制器被控对象被控对象补偿装置补偿装置输入输入输出输出+-通常，附加的补偿装置可提供一个顺馈控制信号，与原输入信通常，附加的补偿装置可提供一个顺馈控制信号，与原输入信号一起对被控对象进行控制，以提高系统的跟踪能力。号一起对被控对象进行控制，以提高系统的跟踪能力。20第20页，此课件共32页哦2.附加扰动输入补偿附加扰动输入补偿 该种复合控制方框图。附加的补偿装置所提供的控制作该种复合控制方框图。附加的补偿装置所提供的控制作用，主要起到对扰动影响用，主要起到对扰动影响“防患未然防患未然”的效果。的效果。控制器控制器被控对象被控对象补偿装置补偿装置输入输入输出输出+-+扰动扰动21第21页，此课件共32页哦1-4 自动控制系统的分类基本组成自动控制系统的分类基本组成1.4.1 按给定信号的特征划分按给定信号的特征划分 给定信号是系统的指令信息。它代表了系统希望的输出值，给定信号是系统的指令信息。它代表了系统希望的输出值，反映了控制系统要完成的基本任务和职能。反映了控制系统要完成的基本任务和职能。1.1.恒值控制系统恒值控制系统：给定输入维持不变，希望输出维持在某给定输入维持不变，希望输出维持在某一特定值上。一特定值上。液位控制系统，直流电动机调速系统液位控制系统，直流电动机调速系统等等。等等。2.2.随动控制系统随动控制系统：给定信号上预先不知道的随时间任意变给定信号上预先不知道的随时间任意变化的函数。控制系统能够使被控量以尽可能小的误差跟随给定化的函数。控制系统能够使被控量以尽可能小的误差跟随给定值的变化。值的变化。跟踪卫星的雷达天线系统跟踪卫星的雷达天线系统 3.3.程序控制系统程序控制系统：给定值按预先给定的规律变化的控给定值按预先给定的规律变化的控制系统。制系统。机械加工中的程序控制机床机械加工中的程序控制机床等等。等等。22第22页，此课件共32页哦1.4.2 按系统的数学描述划分按系统的数学描述划分 1.1.线性系统线性系统 当系统各元件输入输出特性是线性特性，系统的状态和当系统各元件输入输出特性是线性特性，系统的状态和性能可以用线性微分（或差分）方程来描述时，则称这种系性能可以用线性微分（或差分）方程来描述时，则称这种系统为线性系统。统为线性系统。所谓线性特性是指元件的静特性是一条过原点的直线，也所谓线性特性是指元件的静特性是一条过原点的直线，也称其为线性元件。因此，由线性元件组成的系统则必是线性系称其为线性元件。因此，由线性元件组成的系统则必是线性系统。线性系统的一个突出特点就是满足统。线性系统的一个突出特点就是满足叠加原理叠加原理，可运用叠，可运用叠加原理的两个性质（加原理的两个性质（可叠加性和齐次性可叠加性和齐次性），作为鉴别系统），作为鉴别系统是否为线性系统的依据。是否为线性系统的依据。线性系统线性系统r(t)c(t)r1(t)c1(t)r2(t)c2(t)r1(t)+r2(t)c1(t)+c2(t)ar1(t)ac1(t)23第23页，此课件共32页哦线性定常系统和线性时变系统线性定常系统和线性时变系统叠加原理叠加原理叠加原理叠加原理 r1(t)c1(t)r2(t)c2(t)r1(t)+r2(t)c1(t)+c2(t)ar1(t)ac1(t)24第24页，此课件共32页哦 yx0b-b yxa-a0-bb2.2.非线性系统非线性系统 系统中只要存在一个非线性特性的元件，系统就由非系统中只要存在一个非线性特性的元件，系统就由非线性方程来描述，这种系统称为非线性系统。线性方程来描述，这种系统称为非线性系统。yxka-a0M-Myxka-a025第25页，此课件共32页哦1.4.3 按信号传递的连续性划分按信号传递的连续性划分 1.连续系统连续系统 连续系统的特点是系统中各元件的输入信号和输出连续系统的特点是系统中各元件的输入信号和输出信号都是时间的连续函数。这类系统的运动状态是用微信号都是时间的连续函数。这类系统的运动状态是用微分方程来描述的。分方程来描述的。连续系统中各元件传输的信息在工程上称为模拟量，连续系统中各元件传输的信息在工程上称为模拟量，多数实际物理系统都属于这一类，其输入输出一般用多数实际物理系统都属于这一类，其输入输出一般用r(t)和和c(t)表示。表示。r(t)t 0c(t)t 026第26页，此课件共32页哦 2.离散系统离散系统 控制系统中只要有一处的信号是脉冲序列或数码时，该系控制系统中只要有一处的信号是脉冲序列或数码时，该系统即为离散系统。这种系统的状态和性能一般用差分方程来描统即为离散系统。这种系统的状态和性能一般用差分方程来描述。实际物理系统中，信息的表现形式为离散信号的并不多见，述。实际物理系统中，信息的表现形式为离散信号的并不多见，往往是控制上的需要，人为地将连续信号离散化，我们称其为往往是控制上的需要，人为地将连续信号离散化，我们称其为采样。采样。c(t)t 0c(t)c*(t)c*(t)t 027第27页，此课件共32页哦1.4.4 按系统的输入与输出信号的数量划分按系统的输入与输出信号的数量划分 1.1.单变量系统单变量系统（SISO）2.2.多变量系统多变量系统（MIMO）1.4.5 自动控制系统的基本组成自动控制系统的基本组成 在形形色色的自动控制系统中，反馈控制是最基本在形形色色的自动控制系统中，反馈控制是最基本的控制方式之一。一个典型的反馈控制系统总是由控制的控制方式之一。一个典型的反馈控制系统总是由控制对象和各种结构不同的职能元件组成的。除控制对象外，对象和各种结构不同的职能元件组成的。除控制对象外，其他各部分可统称为控制装置。每一部分各司其职，共其他各部分可统称为控制装置。每一部分各司其职，共同完成控制任务。下面给出这些职能元件的种类和各自同完成控制任务。下面给出这些职能元件的种类和各自的职能。的职能。28第28页，此课件共32页哦输输出出输输入入放大放大元件元件+-测量变送测量变送元件元件给定给定元件元件执行执行元件元件串联串联校正校正元件元件+-对对象象反馈校正反馈校正元件元件 给定元件：给定元件：其职能是给出与期望的输出相对应的系统其职能是给出与期望的输出相对应的系统输入量，是一类产生系统控制指令的装置。输入量，是一类产生系统控制指令的装置。29第29页，此课件共32页哦 测量元件：测量元件：其职能是检测被控量，如果测出的物理量其职能是检测被控量，如果测出的物理量属于非电量，大多情况下要把它转换成电量，以便利用电属于非电量，大多情况下要把它转换成电量，以便利用电的手段加以处理。的手段加以处理。比较元件：比较元件：其职能是把测量元件检测到的实际输出值其职能是把测量元件检测到的实际输出值与给定元件给出的输入值进行比较，求出它们之间的偏差。与给定元件给出的输入值进行比较，求出它们之间的偏差。放大元件：放大元件：放大元件：放大元件：其职能是将过于微弱的偏差信号加以放大，其职能是将过于微弱的偏差信号加以放大，以足够的功率来推动执行机构或被控对象。以足够的功率来推动执行机构或被控对象。执行元件：执行元件：其职能是直接推动被控对象，使其被控量发其职能是直接推动被控对象，使其被控量发生变化。生变化。校正元件：校正元件：为改善或提高系统的性能，在系统基本结为改善或提高系统的性能，在系统基本结构基础上附加参数可灵活调整的元件。工程上称为调节器。构基础上附加参数可灵活调整的元件。工程上称为调节器。常用串联或反馈的方式连接在系统中。常用串联或反馈的方式连接在系统中。30第30页，此课件共32页哦1.5 对控制系统的要求和分析设计对控制系统的要求和分析设计1.5.1 1.5.1 对系统的要求对系统的要求 各类控制系统为达到理想的控制目的，必须具备以下各类控制系统为达到理想的控制目的，必须具备以下两个方面的性能两个方面的性能 (基本要求基本要求)：（a a）使系统的输出快速准确地按输入信号要求的期望输）使系统的输出快速准确地按输入信号要求的期望输出值变化。出值变化。（b b）使系统的输出尽量不受任何扰动的影响。）使系统的输出尽量不受任何扰动的影响。对自控系统性能的要求一般可归纳为三大性能指标：对自控系统性能的要求一般可归纳为三大性能指标：（1 1）稳定性：）稳定性：要求系统绝对稳定且有一定的稳定裕量。要求系统绝对稳定且有一定的稳定裕量。（2 2）瞬态质量：）瞬态质量：要求系统瞬态响应过程具有一定的快速要求系统瞬态响应过程具有一定的快速性和变化的平稳性。性和变化的平稳性。31第31页，此课件共32页哦 在实际系统中，由于总是存在着不同性质的储能元件。并在实际系统中，由于总是存在着不同性质的储能元件。并且也由于能源功率的限制，使得系统放大能力必然有限。因而且也由于能源功率的限制，使得系统放大能力必然有限。因而使相应的运动加速度不会太大，速度和位移不会瞬间变化，而使相应的运动加速度不会太大，速度和位移不会瞬间变化，而要经历一段时间，即系统运动必然有一个渐变的过程。要经历一段时间，即系统运动必然有一个渐变的过程。r(t)t 0c(t)t 0 （3 3）稳态误差：）稳态误差：要求系统最终的响应准确度，限制在要求系统最终的响应准确度，限制在工程允许的范围之内，是系统控制精度的恒量。工程允许的范围之内，是系统控制精度的恒量。32第32页，此课件共32页哦