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第一章自动控制的一般概念第一章自动控制的一般概念1第1页，此课件共55页哦课程的性质和特点课程的性质和特点自动控制是一门技术学科，从方法论的角度来研自动控制是一门技术学科，从方法论的角度来研究系统的建立、分析与设计。究系统的建立、分析与设计。自动控制原理自动控制原理是本学科的专业基础课，是自动控是本学科的专业基础课，是自动控制理论的基础课程，该课程与其它课程的关系如下。制理论的基础课程，该课程与其它课程的关系如下。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）第2页，此课件共55页哦课程的性质和特点课程的性质和特点 自动控制理论已经发展为理论严密、自动控制理论已经发展为理论严密、系统完整、逻辑性很强的一门学科。从系统完整、逻辑性很强的一门学科。从基本反馈控制原理发展到：自适应控制、基本反馈控制原理发展到：自适应控制、优化控制、鲁棒控制、大系统控制、智优化控制、鲁棒控制、大系统控制、智能控制。能控制。第3页，此课件共55页哦课程的性质和特点课程的性质和特点 讨论的对象：讨论的对象：因果系统因果系统 、工程系统、工程系统 系统的广义性：系统的广义性：经济、社会、工程、生物、环境、医学经济、社会、工程、生物、环境、医学 课程特点：课程特点：研究系统的共性问题研究系统的共性问题 数学数学模型模型实际实际系统系统物理物理模型模型方法（系统组成方法（系统组成分析、设计）分析、设计）第4页，此课件共55页哦第5页，此课件共55页哦一、自动控制的基本原理与方式一、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 所谓自动控制，是指没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称被控量）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。如：飞机导航飞机导航飞机导航系统飞机导航系统飞机导航系统飞机导航系统第6页，此课件共55页哦哈勃望远镜特殊地卫星中巴资源卫星 人造地球卫星人造地球卫星控制其准确地进入预定轨道运行并回收控制其准确地进入预定轨道运行并回收一、自动控制的基本原理与方式一、自动控制的基本原理与方式第7页，此课件共55页哦无人驾驶飞机按预定轨迹飞行无人驾驶飞机按预定轨迹飞行渐露锋芒地无人驾驶飞机渐露锋芒地无人驾驶飞机一、自动控制的基本原理与方式一、自动控制的基本原理与方式第8页，此课件共55页哦制导导弹制导导弹 现代的高新技术让导弹长上了“眼睛”和“大脑”，利用负反馈控制原理去紧紧盯住目标我国研制的地空导弹一、自动控制的基本原理与方式一、自动控制的基本原理与方式第9页，此课件共55页哦雷达技术雷达技术 雷达操作时，天线就要不停地转动。天线的作用是把雷达中产雷达操作时，天线就要不停地转动。天线的作用是把雷达中产生的无线电波按照一定的方向向外发射出去，并把被反射回来的生的无线电波按照一定的方向向外发射出去，并把被反射回来的无线电波接收下来。正因为天线所起的作用好似人的眼睛一样，无线电波接收下来。正因为天线所起的作用好似人的眼睛一样，因此雷达要注视和侦察整个天空的状况，天线就要不停地转动，因此雷达要注视和侦察整个天空的状况，天线就要不停地转动，用一个驱动马达使天线作用一个驱动马达使天线作360360度的旋转，这样它就能在度的旋转，这样它就能在360360度范围度范围内进行内进行“搜索搜索”。一、自动控制的基本原理与方式一、自动控制的基本原理与方式第10页，此课件共55页哦自动控制技术应用于其他领域自动控制技术应用于其他领域 由由于于计计算算机机等等技技术术的的诞诞生生和和飞飞速速发发展展，使使得得控控制制技技术术水水平平不不断断提提高高，已已扩扩大大到到经经济济与与社社会会生生活活的的各各个个领领域域，如如通通信信、交交通通、医医学学、环环境境保保护护、经经济济管管理理等等领领域域，控控制技术已成为现代社会不可缺少的重要组成部分。制技术已成为现代社会不可缺少的重要组成部分。近近年年来来，我我国国在在自自动动化化仪仪表表、工工业业调调节节器器、数数字字控控制制技技术术、航航天天工工程程、核核动动力力工工程程等等方方面面的的研研究究和和应应用用取取得得了了长足进展。长足进展。一、自动控制的基本原理与方式一、自动控制的基本原理与方式第11页，此课件共55页哦工业自动生产线工业自动生产线第12页，此课件共55页哦现代化的工厂现代化的工厂第13页，此课件共55页哦(1)、最早的稳定性研究 J.C.Maxwell（麦克斯韦尔），1868年发表论调节器，研究调节器的微分方程，线性化处理，系统稳定性取决于微分方程的特征根是否都具有一对负的实部，针对二阶和三阶系统讨论了使特征根具有负实部时，特征多项式系列应满足的条件。(2)、系统稳定准则 由Hurwitz（霍尔维茨）和 E.J.Routh（劳斯）提出的劳斯霍尔维茨稳定判据。2 2、自动控制理论、自动控制理论一、自动控制的基本原理与方式一、自动控制的基本原理与方式第14页，此课件共55页哦 A.M.Lyapunov（李雅普诺夫）提出了李雅普诺夫第一法与第二法 H.Nyquist（奈魁斯特）提出奈氏判据，Bode(波德）提出了对数频率特性的方法。二战期间，军事科学的需要大大促进了反馈控制理论的发展。美国麻省理工学院雷达实验室的科学家们将反馈放大器理论、PID（比例-积分-微分）控制以及N.Wiener（维纳）的随机过程理论等结合在一起，形成了一整套被称为随动控制系统的设计方法。一、自动控制的基本原理与方式一、自动控制的基本原理与方式第15页，此课件共55页哦一、自动控制的基本原理与方式一、自动控制的基本原理与方式 (3)、根轨迹方法 W.R.Evans（伊万斯）提出的方法和规则是当系统参数变化时特征方程式根变化的几何轨迹。(4)、经典自动控制理论 以反馈控制原理为基础的自动控制理论已形成比较完整的体系。其特点相对言，生产技术水平较低，控制对象结构较简单，被控参数较单一，要求达到的预期效果（性能指标）也不高。主要研究对象为单输入，单输出的单变量系统（属于线性定常时不变系统）。第16页，此课件共55页哦(5)(5)、现代控制理论的发展、现代控制理论的发展 从从5050年代末期开始，控制系统设计问题的重点从设计许多可行系统中的年代末期开始，控制系统设计问题的重点从设计许多可行系统中的一种系统，转变到设计在某种意义上的一种最佳系统。一种系统，转变到设计在某种意义上的一种最佳系统。大约从大约从19601960年开始，数字计算机的出现为复杂系统的时域分析提年开始，数字计算机的出现为复杂系统的时域分析提供了可能性，利用状态变量、基于时域分析的现代控制理论应运而供了可能性，利用状态变量、基于时域分析的现代控制理论应运而生。生。从从19601960年到年到19801980年，确定性系统的最佳控制，随机系统的最佳控制，乃至复年，确定性系统的最佳控制，随机系统的最佳控制，乃至复杂系统的自适应和学习控制，都得到了充分的研究。杂系统的自适应和学习控制，都得到了充分的研究。从从19801980年到现在，现代控制理论的进展集中于鲁棒控制、年到现在，现代控制理论的进展集中于鲁棒控制、HH控制及其相关控制及其相关的课题。的课题。一、自动控制的基本原理与方式一、自动控制的基本原理与方式第17页，此课件共55页哦3 3、反馈控制原理、反馈控制原理 反馈控制是这样的一种控制过程，它能构在存在扰动的情况下，力图减小系统的输出量与参考输入量（也称参据量）之间的偏差，而其工作正是基于这一偏差基础之上的，这就是反馈控制的原理。如人取桌上书的过程（见下图）：一、自动控制的基本原理与方式一、自动控制的基本原理与方式第18页，此课件共55页哦系统方框图符号组成系统方框图符号组成：“”下图为反馈控制原理方框图下图为反馈控制原理方框图一、自动控制的基本原理与方式一、自动控制的基本原理与方式第19页，此课件共55页哦龙门刨床速度控制系统原理图 在工业控制中，龙门刨床速度控制系统就是按照反馈控制原理进行工作的。当负载波动时，必然会引起速度变化，由于龙门刨床不允许速度变化过大，因此必须对速度进行控制。一、自动控制的基本原理与方式一、自动控制的基本原理与方式第20页，此课件共55页哦注意：龙门刨床速度控制系统是一个有精差系统。速度 最终达到的稳态值与原始给定速度之间始终有一 个差值存在，这个差值是用来产生一个附加的电 动机电枢电压，以补偿因增加负载而引起的速度下降。这个差值的存在是保证系统正常工作所必需的，一般称为稳态误差。如果从结构上加以改进，可以消除这个稳态误差。一、自动控制的基本原理与方式一、自动控制的基本原理与方式第21页，此课件共55页哦4 4、反馈控制系统的基本组成、反馈控制系统的基本组成 反馈控制系统是由各种不同的元部件组成的。反馈控制系统是由各种不同的元部件组成的。a)a)测量元件：检测被控制的物理量。测量元件：检测被控制的物理量。b)b)给定元件：给出与期望的被控制量相对应的给定元件：给出与期望的被控制量相对应的系统输入量（即参据量）。系统输入量（即参据量）。c)c)比较元件：把测量元件检测的被控量的实际比较元件：把测量元件检测的被控量的实际值与给定元件给出的参据量进行比较，求出值与给定元件给出的参据量进行比较，求出 它们之间的偏差。它们之间的偏差。一、自动控制的基本原理与方式一、自动控制的基本原理与方式第22页，此课件共55页哦d)d)放大元件：偏差信号的放大，用以推动执行放大元件：偏差信号的放大，用以推动执行 元件。元件。e)e)执行元件：直接推动被控对象，使被控量发生执行元件：直接推动被控对象，使被控量发生 变化。变化。f)f)校正元件：也叫补偿元件以改善系统性能。校正元件：也叫补偿元件以改善系统性能。一、自动控制的基本原理与方式一、自动控制的基本原理与方式第23页，此课件共55页哦典型的反馈控制系统基本组成框图：典型的反馈控制系统基本组成框图：信号从输入端到达输出端的传输通路称为前向通路；系统输出量经测量元件反馈到输入端的传输通路称为主反馈通路。前向通路与主反馈通路共同构成主回路。此外，还有局部反馈通路。只包含一个主反馈通路的系统称为单回路系统，有两个或两个以上反馈通路的 系统称为多回路系统。一、自动控制的基本原理与方式一、自动控制的基本原理与方式第24页，此课件共55页哦5 5、自动控制系统基本控制方式、自动控制系统基本控制方式(1)、反馈控制方式 按偏差进行控制，具有抑制扰动对被控量产生影响的能力和较高的控制精度。一、自动控制的基本原理与方式一、自动控制的基本原理与方式第25页，此课件共55页哦(2)(2)、开环控制方式、开环控制方式 指控制装置与被控对象之间只有顺向作用而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过程。没有反向联系的控制过程。一、自动控制的基本原理与方式一、自动控制的基本原理与方式第26页，此课件共55页哦一、自动控制的基本原理与方式一、自动控制的基本原理与方式第27页，此课件共55页哦 有一开环调速系统如图所示。电位计的输出电压有一开环调速系统如图所示。电位计的输出电压有一开环调速系统如图所示。电位计的输出电压有一开环调速系统如图所示。电位计的输出电压UrUrUrUr经两极放大，经两极放大，经两极放大，经两极放大，使伺服电机上的端电压也随之改变。从而使负载具有所要求的使伺服电机上的端电压也随之改变。从而使负载具有所要求的使伺服电机上的端电压也随之改变。从而使负载具有所要求的使伺服电机上的端电压也随之改变。从而使负载具有所要求的转速。试说明该系统的给定值、被控量和干扰量，并画出方块转速。试说明该系统的给定值、被控量和干扰量，并画出方块转速。试说明该系统的给定值、被控量和干扰量，并画出方块转速。试说明该系统的给定值、被控量和干扰量，并画出方块图。图。图。图。一、自动控制的基本原理与方式一、自动控制的基本原理与方式第28页，此课件共55页哦下图为发电机电动机调速系统的方框图下图为发电机电动机调速系统的方框图一、自动控制的基本原理与方式一、自动控制的基本原理与方式第29页，此课件共55页哦 (3)(3)、复合控制方式、复合控制方式 按偏差控制和按扰动控制相结合的控制方式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。称为复合控制方式。一、自动控制的基本原理与方式一、自动控制的基本原理与方式第30页，此课件共55页哦二、自动控制系统示例二、自动控制系统示例 1、家用电冰箱温控系统 控制器设定温度与冰箱比较，产生偏差值，当偏差电压达到使继电器接通时，压缩机工作，将蒸发器中高温低压气态制冷液送制冷却器散热，降温后的低温低压制冷液压缩成高压液态进入蒸发器，急速降压扩散成气体，吸收箱体内热量，使冰箱温度下降，如此循环操作，使箱体温度达到希望温度，此时继电器断开，压缩机停止工作。第31页，此课件共55页哦下图为家用冰箱恒温系统的方框图下图为家用冰箱恒温系统的方框图二、自动控制系统示例二、自动控制系统示例第32页，此课件共55页哦 2 2、锅炉液位控制系统、锅炉液位控制系统 当蒸汽的耗汽量与锅炉进水量相等时，液位保持在正常标准值。当过锅炉给水量不变，而蒸汽负荷发生变化时，液位也相应发生变化；或者当蒸汽负荷不变，而给水管道水压发生变化时，引起锅炉液位发生变化。但只要实际液位高度与正常给定液位之间出现偏差时，调节器均应立即进行控制，去开大或者关小给水阀门，使液位恢复到给定值。二、自动控制系统示例二、自动控制系统示例第33页，此课件共55页哦下图为锅炉液位控制系统的方框图下图为锅炉液位控制系统的方框图二、自动控制系统示例二、自动控制系统示例第34页，此课件共55页哦 3 3、龙门刨床速度控制系统、龙门刨床速度控制系统 下图示为龙门刨床速度控制系统。当负载发生变化时，下图示为龙门刨床速度控制系统。当负载发生变化时，如和控制速度。如和控制速度。例如：例如：二、自动控制系统示例二、自动控制系统示例第35页，此课件共55页哦下图为龙门刨床速度控制系统的方框图二、自动控制系统示例二、自动控制系统示例第36页，此课件共55页哦 4 4、电炉温度控制系统、电炉温度控制系统 电阻丝通过晶闸管主电路加热，炉温期望值预先设定，炉温实际值由热电偶检测，并转换成电压，经放大、滤波后，由A/D转换后送入计算机，并与所设置的期望温度进行比较，产生偏差信号，计算机根据控制算法计算相应控制量，再经D/A转换成电流，通过触发器控制晶闸管导通角，从而改变电阻丝中电流大小，达到控制炉温的目的。二、自动控制系统示例二、自动控制系统示例第37页，此课件共55页哦下图为电炉温度控制系统的方框图二、自动控制系统示例二、自动控制系统示例第38页，此课件共55页哦三、自动控制系统的分类三、自动控制系统的分类 自动控制系统有多种分类方法，一般，为了全面反自动控制系统有多种分类方法，一般，为了全面反映自动控制系统的特点，常常将各种分类方法组合应用。映自动控制系统的特点，常常将各种分类方法组合应用。开环控制开环控制闭环控制闭环控制(反馈控制反馈控制)复合控制复合控制按控制方式分按控制方式分第39页，此课件共55页哦机械系统机械系统恒张力系统恒张力系统电气系统电气系统机电系统机电系统全自动照相机，全自动照相机，光机电结合光机电结合液压系统液压系统伺服液压缸，汽车伺服液压缸，汽车发动机，大型的仿真模拟台发动机，大型的仿真模拟台气动系统气动系统 生物系统生物系统按按元元件件类类型型分分三、自动控制系统的分类三、自动控制系统的分类第40页，此课件共55页哦按系统功用分温度控制系统压力控制系统位置控制系统 三、自动控制系统的分类三、自动控制系统的分类第41页，此课件共55页哦全自动蒸汽加热系统全自动蒸汽加热系统三、自动控制系统的分类三、自动控制系统的分类第42页，此课件共55页哦线性系统非线性系统连续系统定常系统时变系统确定性系统不确定性系统按系统性能分按系统性能分离散系统三、自动控制系统的分类三、自动控制系统的分类第43页，此课件共55页哦恒值控制系统随动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三、自动控制系统的分类三、自动控制系统的分类第44页，此课件共55页哦1 1、线形连续控制系统、线形连续控制系统 这类系统可以用线形微分方程式描述，其一般形式为：系数系数a a0 0，a an n，b b0 0,b bn n是常数时，称为定常系统；系数是常数时，称为定常系统；系数a a0 0，a an n，b b0 0,b bn n随时间变化时，称为时变系统。线性定常连续系统按其输入量的变化规律随时间变化时，称为时变系统。线性定常连续系统按其输入量的变化规律又可分为恒值控制系统、随动系统和程序控制系统。又可分为恒值控制系统、随动系统和程序控制系统。三、自动控制系统的分类三、自动控制系统的分类第45页，此课件共55页哦(1)(1)、恒值控制系统、恒值控制系统 这类控制系统的参据量是一个常值，要求被控量这类控制系统的参据量是一个常值，要求被控量亦等于一个常值，故又称为调节器。亦等于一个常值，故又称为调节器。在恒值控制系统中，参据量可以随生产条件的变化在恒值控制系统中，参据量可以随生产条件的变化而改变，但是，一经调整后，被控量就应与调整好的而改变，但是，一经调整后，被控量就应与调整好的参据量保持一致。在工业控制中，如果被控量是生产参据量保持一致。在工业控制中，如果被控量是生产过程参量时，这种控制系统则称为过程控制系统，它过程参量时，这种控制系统则称为过程控制系统，它们大多数属于恒值控制系统。们大多数属于恒值控制系统。三、自动控制系统的分类三、自动控制系统的分类第46页，此课件共55页哦(2)(2)、随动系统、随动系统 系统的参据量是预先未知的随时间任意变化的函系统的参据量是预先未知的随时间任意变化的函数，要求被控量以尽可能小的误差跟随参据量的变化，数，要求被控量以尽可能小的误差跟随参据量的变化，故又称为故又称为跟随系统跟随系统。在随动系统中。扰动的影响是次。在随动系统中。扰动的影响是次要的，系统分析、设计的重点是研究被控量跟随的快要的，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。速性和准确性。在随动系统中，如果被控量是机械位或其导数在随动系统中，如果被控量是机械位或其导数时，这类系统称之为时，这类系统称之为伺服系统伺服系统。三、自动控制系统的分类三、自动控制系统的分类第47页，此课件共55页哦(3)(3)、程序控制系统、程序控制系统 系统的参据量时按预定规律随时间变化的函数，系统的参据量时按预定规律随时间变化的函数，要求被控量迅速、准确地加以复现。程序控制系统和要求被控量迅速、准确地加以复现。程序控制系统和随动系统的参据量都是时间函数，不过前者是已知的随动系统的参据量都是时间函数，不过前者是已知的时间函数，后者是未知的任意时间函数，时间函数，后者是未知的任意时间函数，而恒值控制而恒值控制系统也可视为程序控制系统的特例。系统也可视为程序控制系统的特例。三、自动控制系统的分类三、自动控制系统的分类第48页，此课件共55页哦2 2、线性定常离散控制系统、线性定常离散控制系统 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形式，因而信号在时间上是离散的。离散系统一般用差分方程描述，其一般形式可用下式表示：三、自动控制系统的分类三、自动控制系统的分类第49页，此课件共55页哦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输出特性是非线性的，这类系统就称为非线性控制系统，实际物理系统中都含有不同程度的非线性元部件，如放大器和电磁元件的饱和特性，运动部件的死区、间隙和摩擦特性等。对于非线性程度不大的情况，可在一定范围内进行线性化。三、自动控制系统的分类三、自动控制系统的分类第50页，此课件共55页哦四、对自动控制系统的基本要求四、对自动控制系统的基本要求 1、基本要求的提法、基本要求的提法 可以归结为可以归结为稳稳定性（长期稳定性）、定性（长期稳定性）、准准确性确性（精度）和（精度）和快快速性（相对稳定性）。速性（相对稳定性）。稳稳 准准 快快 稳定性：稳定性：稳定性是对系统的基本要求，不稳定的系统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。稳定性，通常由系统的结构不能实现预定任务。稳定性，通常由系统的结构决定与外界因素无关。决定与外界因素无关。第51页，此课件共55页哦 快速性：对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称为动态性能。准确性：用稳态误差来表示。在参考输入信号作用下，当系统达到稳态后，其稳态输出与参考输入所要求的期望输出之差叫做给定稳态误差。四、对自动控制系统的基本要求四、对自动控制系统的基本要求第52页，此课件共55页哦稳定性示意图稳定性示意图第53页，此课件共55页哦2 2、典型的外作用、典型的外作用 为了便于用统一的方法研究和比较控制系统的性能，通常选用几种确定性函数作为典型外作用。可选作典型外作用的函数应具备以下条件：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，便于理论计算。四、对自动控制系统的基本要求四、对自动控制系统的基本要求第54页，此课件共55页哦(1)(1)、阶跃函数、阶跃函数 函数表达式为：在任意时刻t0出现的阶跃函数可表示为 四、对自动控制系统的基本要求四、对自动控制系统的基本要求第55页，此课件共55页哦