第1章绪论课件.ppt

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1、第第1章章 绪论绪论 自动控制原理自动控制原理(Principles of Automatic Control）第第1章章 绪论绪论n课程编号：课程编号：0230220302302203n课程类别：专业必修课课程类别：专业必修课 n总学时：总学时：6464n总学分：总学分：4 4n考核方式：考试考核方式：考试n考试方式：闭卷考试方式：闭卷n总评成绩：以百分制计算，其中平时成绩总评成绩：以百分制计算，其中平时成绩（包括考勤、作业和测验）（包括考勤、作业和测验）占占20%20%；期末考；期末考试卷面成绩占试卷面成绩占80%80%。第第1章章 绪论绪论第第1章章 绪论绪论自动控制的一般概念自动控制的

2、一般概念第第1章章 绪论绪论课程的体系结构一般概念系统模型性能指标时域法复域法频域法课程的体系结构 第一章第一章 绪论绪论 Chapter 1 Introduction第第1章章 绪论绪论 季节自然系统季节自然系统 第第1章章 绪论绪论 体温控制系统体温控制系统 心跳控制系统心跳控制系统 眼球聚焦系统眼球聚焦系统 新陈代谢系统新陈代谢系统 血液系统血液系统 呼吸系统呼吸系统 肾肝肺系统肾肝肺系统 这些系统持续的自动控制这些系统持续的自动控制是我们保持健康的基本条件是我们保持健康的基本条件 这些系统是在我们非有意这些系统是在我们非有意识干预的情况下自动运行的识干预的情况下自动运行的 第第1章章

3、绪论绪论第第1章章 绪论绪论最先进的加工中心最先进的加工中心为什么要有自动控制为什么要有自动控制? ?n提高劳动生产率提高劳动生产率(加工中心加工中心,生产线生产线,CIMS)自动化生产线自动化生产线第第1章章 绪论绪论导弹的控制导弹的控制h 使导弹与目标间距离h（t) 逐渐减小并趋于零。保卫国防保卫国防(导弹导弹,潜水艇潜水艇)巨浪2洲际导弹东风-41洲际弹道导弹第第1章章 绪论绪论人造卫星，神舟飞船人造卫星，神舟飞船探索未知世界探索未知世界(宇宙飞船宇宙飞船,航天飞机航天飞机)第第1章章 绪论绪论2012.06.18 神九天宫实现自动交会对接神九天宫实现自动交会对接 第第1章章 绪论绪论电

4、动汽车电动汽车改善生活质量改善生活质量(电冰箱，汽车，新能源电冰箱，汽车，新能源)第第1章章 绪论绪论第第1章章 绪论绪论第第1章章 绪论绪论，是指在无人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置，使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行 ，是由控制器、被控对象等部件为了一定的目的有机的地联接成的一个进行自动控制的整体。1.1 1.1 自动控制系统的一般概念自动控制系统的一般概念第第1章章 绪论绪论自动控制理论自动控制理论 自动控制理论自动控制理论是是自动化学科的重要理论基础。自动化学科的重要理论基础。 自动控制理论自动控制理论是研究自动控制共同规律的（技术）是研究自动控

5、制共同规律的（技术）科学。科学。专门研究有关自动控制系统分析和设计中专门研究有关自动控制系统分析和设计中的基本概念、基本原理和基本方法。的基本概念、基本原理和基本方法。“自动控制原理”课程研究控制系统的组成与结构，系统与元件的数学模型，信号之间的作用与关系，分析系统的性能，改善系统的性能。第第1章章 绪论绪论大脑手与阀F2水池 眼睛希望液面高度h0实际液面高度h1人工控制与自动控制人工控制与自动控制 第第1章章 绪论绪论人在参与控制中起了以下三方面的作用。人在参与控制中起了以下三方面的作用。 (1) 测量实际液面高度测量实际液面高度h1用眼睛。用眼睛。(2) 将测得的实际液面高度将测得的实际液

6、面高度h1与希望液面的高度与希望液面的高度h0相比较相比较用脑。用脑。(3) 根据比较的结果，即按照偏差的正负去决定根据比较的结果，即按照偏差的正负去决定阀的开度阀的开度用手。用手。显然，如果用自动控制去代替上述的人工控制，那么在自动控制系统中必须具有上述三种职能机构，即测量机构、比较机构和执行机构。 第第1章章 绪论绪论液位自动控制系统液位自动控制系统 电动机 阀门L2阀门L1 减速器电位器浮子及连杆进水量Q2 出水量Q1给定液位h0电位器电动机水箱给定阻值Q1h1浮子连杆阀门L1Uan1减速器n2Q2被控对象被控对象h0:给定高度给定高度h1:实际高度实际高度控制器控制器比较比较装置装置干

7、扰干扰第第1章章 绪论绪论(1) (leading-out point)(1) (leading-out point)：信号的引出，箭头表示信号的传：信号的引出，箭头表示信号的传递方向。递方向。引出点(2) (2) 比较点比较点(summing junction)(summing junction) ：它表示两个或两个以上的信：它表示两个或两个以上的信号在该处进行的运算，号在该处进行的运算，“”表示信号的相减，表示信号的相减，“+”+”表示信表示信号相加。号相加。(3) (3) 输入信号输入信号(input signal)(input signal)置于方框的左端，方框的右端为置于方框的左端，

8、方框的右端为其输出量，方框内填入部件名称。其输出量，方框内填入部件名称。比较点部件框图执行元件参考输入控制变量被控制量扰动量被控对象控制器测量元件偏差控制系统的框图控制系统的框图第第1章章 绪论绪论给定装置比较装置串联校正装置比较、放大装置执行装置被控对象反馈校正装置测量与变送局部反馈系统主反馈干扰输入值 被控量检测被控量，将检测值转换为便于处理的信号，再将该信号输入比较装置。控制系统中所要控制的对象直接对被控对象作用，以改变被控量的值将给定量与测量值进行运算得到偏差量 设定与被控量相对应的给定量在系统中添加的用以改善系统的控制性能的装置元件的作用元件的作用第第1章章 绪论绪论（1 1）输入信

9、号输入信号:泛指对系统的输出量有直接影响的外泛指对系统的输出量有直接影响的外界输入信号界输入信号,既包括控制信号又包括扰动信号。其中控既包括控制信号又包括扰动信号。其中控制信号又称控制量、参考输入、或给定值。制信号又称控制量、参考输入、或给定值。（2 2）输出信号输出信号(输出量输出量):是指反馈控制系统中被控制是指反馈控制系统中被控制的物理量的物理量,它与输入信号之间有一定的函数关系。它与输入信号之间有一定的函数关系。（3 3）反馈信号反馈信号:将系统将系统(或环节或环节)的输出信号经变换、的输出信号经变换、处理送到系统处理送到系统(或环节或环节)的输入端的信号的输入端的信号,称为反馈信号。

10、称为反馈信号。若此信号是从系统输出端取出送入系统输入端若此信号是从系统输出端取出送入系统输入端,这种反这种反馈信号称主反馈信号。而其它称为局部反馈信号。馈信号称主反馈信号。而其它称为局部反馈信号。（4 4）偏差信号偏差信号:控制输入信号与主反馈信号之差。控制输入信号与主反馈信号之差。控制系统中常用的术语控制系统中常用的术语第第1章章 绪论绪论（5 5）误差信号误差信号: :它指系统输出量的实际值与希望值它指系统输出量的实际值与希望值之差。系统希望值是理想化系统的输出，实际上之差。系统希望值是理想化系统的输出，实际上并不存在并不存在, ,它只能用与控制输入信号具有一定比例它只能用与控制输入信号具

11、有一定比例关系的信号来表示。在单位反馈情况下关系的信号来表示。在单位反馈情况下, ,希望值就希望值就是系统的输入信号是系统的输入信号, ,误差信号等于偏差信号。误差信号等于偏差信号。（6 6）扰动信号扰动信号：除控制信号以外：除控制信号以外, ,对系统的输出有对系统的输出有影响的信号。影响的信号。（7 7）被控对象被控对象: :它是控制系统所控制和操纵的对象它是控制系统所控制和操纵的对象, ,它接受控制量并输出被控制量。它接受控制量并输出被控制量。（8 8）控制器控制器: :接收变换和放大后的偏差信号接收变换和放大后的偏差信号, ,转换转换为对被控对象进行操作的控制信号。为对被控对象进行操作的

12、控制信号。第第1章章 绪论绪论(9)(9)放大变换环节放大变换环节: :将偏差信号变换为适合控制器将偏差信号变换为适合控制器执行的信号。它根据控制的形式、幅值及功率执行的信号。它根据控制的形式、幅值及功率来放大变换。来放大变换。(10)(10)校正装置校正装置: :为改善系统动态和静态特性而附加为改善系统动态和静态特性而附加的装置。如果校正装置串联在系统的前向通道的装置。如果校正装置串联在系统的前向通道中中, ,称为串联校正装置称为串联校正装置; ;如果校正装置接成反馈如果校正装置接成反馈形式形式, ,称为并联校正装置称为并联校正装置, ,又称局部反馈校正。又称局部反馈校正。(11)(11)反

13、馈环节反馈环节: :它用来测量被控量的实际值它用来测量被控量的实际值, ,并经并经过信号处理过信号处理, ,转换为与被控制量有一定函数关系转换为与被控制量有一定函数关系, ,且与输入信号同一物理量的信号。反馈环节一且与输入信号同一物理量的信号。反馈环节一般也称为测量变送环节。般也称为测量变送环节。(12)(12)给定环节给定环节: :产生输入控制信号的装置。产生输入控制信号的装置。 第第1章章 绪论绪论1.2 1.2 自动控制系统的分类自动控制系统的分类信息传递路径信息传递路径输入信号输入信号元件特性元件特性信号形式信号形式开开环环系系统统闭闭环环系系统统定定值值系系统统伺伺服服系系统统程程序

14、序系系统统线线性性系系统统非非线线性性系系统统连连续续系系统统离离散散系系统统第第1章章 绪论绪论如果系统的输出量没有与其参考输入相比较，即系如果系统的输出量没有与其参考输入相比较，即系统的输出与输入量间不存在反馈的通道，这种控制统的输出与输入量间不存在反馈的通道，这种控制方式叫做开环控制方式叫做开环控制(open-loop control)(open-loop control)。例子例子: :调速电风扇，数控车床调速电风扇，数控车床控制控制装置装置输入量输入量被控制量被控制量干扰量干扰量被控被控对象对象1.2.1 开环系统和闭环系统开环系统和闭环系统 第第1章章 绪论绪论开环直流调速系统开环

15、直流调速系统第第1章章 绪论绪论(1)(1)被控量对于控制作用没有任何影响，输出不被控量对于控制作用没有任何影响，输出不影响输入。对输出不需测量，通常较易实现。影响输入。对输出不需测量，通常较易实现。(2)(2)结构简单、所用的元器件少、成本低，系统结构简单、所用的元器件少、成本低，系统一般也容易稳定。一般也容易稳定。(3)(3)组成系统的元件精度高，系统精度才能高组成系统的元件精度高，系统精度才能高, ,成成本也随之增加。本也随之增加。(4)(4)系统没有自行消除或减小误差的功能。系统没有自行消除或减小误差的功能。 第第1章章 绪论绪论2.2.闭环闭环( (反馈反馈) )系统系统输入量输入量

16、 被控制量被控制量被控被控对象对象控制装控制装置置测量元件测量元件第第1章章 绪论绪论（负）反馈控制（负）反馈控制 ( (feedback control)feedback control)原理原理 反馈控制原理反馈控制原理 ：在自动控制系统中，控：在自动控制系统中，控制装置对制装置对被控对象被控对象施加的控制作用，是取施加的控制作用，是取自被控量的反馈信息，用来不断修正被控自被控量的反馈信息，用来不断修正被控量与输入量之间的偏差，从而实现对被控量与输入量之间的偏差，从而实现对被控对象进行控制的任务。对象进行控制的任务。例子例子: :电冰箱电冰箱, ,闭环直流调速系统闭环直流调速系统 第第1章

17、章 绪论绪论闭环直流调速系统闭环直流调速系统nUUUUUUnuTdkfngfnL)(第第1章章 绪论绪论（1 1）输出影响输入，通过闭环控制系统的作用，能）输出影响输入，通过闭环控制系统的作用，能自动地消除或削弱干扰信号对被控制量的影响，自动地消除或削弱干扰信号对被控制量的影响，使系统达到较高的控制精度。使系统达到较高的控制精度。故闭环控制系统具故闭环控制系统具有良好的抗扰动性能有良好的抗扰动性能(anti-interference (anti-interference function)function)。 （2 2）无论是由于干扰造成无论是由于干扰造成, ,还是由于结构参数的变还是由于结构

18、参数的变化引起被控量出现偏差化引起被控量出现偏差, ,系统就利用偏差去纠正系统就利用偏差去纠正偏差偏差, ,故这种控制方式为故这种控制方式为按偏差调节按偏差调节。（3 3）利用低精度元件可组成高精度系统。）利用低精度元件可组成高精度系统。（4 4）与开环控制系统比较与开环控制系统比较, ,闭环系统的结构比较复闭环系统的结构比较复杂杂, ,构造比较困难。构造比较困难。第第1章章 绪论绪论1.2.2 定值、伺服和程序控制系统定值、伺服和程序控制系统第第1章章 绪论绪论n给定值为常值的控制给定值为常值的控制系统称为定值控制系系统称为定值控制系统。统。n这种系统的任务是保这种系统的任务是保证无论在任何

19、扰动下，证无论在任何扰动下，使被控参数使被控参数( (输出输出) )保保持恒定的、希望的数持恒定的、希望的数值。在过程控制系统值。在过程控制系统中，一般都要求将过中，一般都要求将过程参数程参数( (如温度、压力、如温度、压力、流量、液位和成分等流量、液位和成分等) )维持在工艺给定的状维持在工艺给定的状态。态。龙门刨床的切削阶段龙门刨床的切削阶段第第1章章 绪论绪论n给定值给定值( (参考输入参考输入) )随时间任意变化的控制系随时间任意变化的控制系统称为伺服系统统称为伺服系统(servo control)(servo control)。n这种系统的任务是在各种情况下保证系统的这种系统的任务是

20、在各种情况下保证系统的输出以一定精度跟随参考输入的变化而变化，输出以一定精度跟随参考输入的变化而变化，所以这种系统又称为跟踪系统。导弹发射架所以这种系统又称为跟踪系统。导弹发射架控制系统、雷达天线控制系统以及轮舵位置控制系统、雷达天线控制系统以及轮舵位置控制系统等都是典型的伺服系统。控制系统等都是典型的伺服系统。n当被控量为位置或角度时，伺服系统又称为当被控量为位置或角度时，伺服系统又称为随动系统。随动系统。第第1章章 绪论绪论随动系统实例随动系统实例第第1章章 绪论绪论3. 3. 程序控制系统程序控制系统n若给定值随时间变化有一定的规若给定值随时间变化有一定的规律，且为事先给定了的时间函数，

21、律，且为事先给定了的时间函数，则称这种系统为程序控制系统。则称这种系统为程序控制系统。如耐火材料生产中的炉温程序升如耐火材料生产中的炉温程序升温、间隙生产的化学反应器温度温、间隙生产的化学反应器温度控制以及机械加工中的数控机床控制以及机械加工中的数控机床等均属于此类系统。等均属于此类系统。n实际上，程序控制系统是随动系实际上，程序控制系统是随动系统的一种特殊情况，其分析研究统的一种特殊情况，其分析研究方法也和随动系统相同。方法也和随动系统相同。第第1章章 绪论绪论n按照描述系统的数学表达式的特性不同来分类，按照描述系统的数学表达式的特性不同来分类，控制系统可以分为线性控制系统和非线性控制控制系

22、统可以分为线性控制系统和非线性控制系统系统( (或线性系统和非线性系统或线性系统和非线性系统) )两类。两类。第第1章章 绪论绪论1. 1. 线性控制系统线性控制系统n若组成控制系统的元件都具有线性特征，则称若组成控制系统的元件都具有线性特征，则称这种系统为线性控制系统这种系统为线性控制系统(linear control (linear control system)system)。这种系统的输入与输出间的关系，。这种系统的输入与输出间的关系，一般用微分方程一般用微分方程(differential equation)(differential equation)、传递函数传递函数(transf

23、er function)(transfer function)来描述，也可来描述，也可以用状态空间以用状态空间(state space)(state space)表达式来表示。表达式来表示。线性系统的主要特点是具有齐次线性系统的主要特点是具有齐次(odd)(odd)性和适性和适用叠加原理用叠加原理(principle of superposition)(principle of superposition)。第第1章章 绪论绪论n如果线性系统中的参数不随时间而变化，则称如果线性系统中的参数不随时间而变化，则称为线性定常系统为线性定常系统(linear time-invariant system

24、)，反之，则称为线性时变系统，反之，则称为线性时变系统(linear time-varying system)。rcccuudtduRCdtudLC22第第1章章 绪论绪论2. 2. 非线性控制系统非线性控制系统n在控制系统中，至少有一个元件具有非线性在控制系统中，至少有一个元件具有非线性特征，则称该系统为非线性控制系统特征，则称该系统为非线性控制系统(nonlinear control system)(nonlinear control system)。非线性系统。非线性系统一般不具有齐次性，也不适用叠加原理，而一般不具有齐次性，也不适用叠加原理，而且它的输出响应且它的输出响应(output

25、 response)(output response)与其初始与其初始状态状态(initial state)(initial state)有很大的关系。有很大的关系。第第1章章 绪论绪论n严格地说，绝对的线性特征控制严格地说，绝对的线性特征控制( (或元件或元件) )是不是不存在的，因为所有的物理系统和元件在不同的存在的，因为所有的物理系统和元件在不同的程度上都具有非线性特性。为了简化对系统的程度上都具有非线性特性。为了简化对系统的分析和设计，在一定条件下，可以对某些非线分析和设计，在一定条件下，可以对某些非线性特性作线性化处理。这样，非线性系统就近性特性作线性化处理。这样，非线性系统就近似为

26、线性系统，从而可以用分析线性系统的理似为线性系统，从而可以用分析线性系统的理论和方法对它进行研究。论和方法对它进行研究。第第1章章 绪论绪论n按照系统传输信号对时间的关系不同来分类，按照系统传输信号对时间的关系不同来分类，控制系统可以分为连续控制系统和离散控制系控制系统可以分为连续控制系统和离散控制系统。统。第第1章章 绪论绪论第第1章章 绪论绪论n在控制系统各部分的信号中只要有一个是时间在控制系统各部分的信号中只要有一个是时间t t的的离散信号离散信号(discrete signal)(discrete signal)，则称这种系统为离，则称这种系统为离散控制系统。显然，脉冲散控制系统。显然

27、，脉冲(pulse)(pulse)和数码和数码(code)(code)都都属于离散信号。如图属于离散信号。如图1-91-9所示的计算机控制系统就所示的计算机控制系统就是一种常见的离散控制系统是一种常见的离散控制系统(discrete control (discrete control system)system)。离散控制系统的运动状态或特性一般用。离散控制系统的运动状态或特性一般用差分方程来描述，其分析研究方法也不同于连续差分方程来描述，其分析研究方法也不同于连续系统。系统。第第1章章 绪论绪论经典控制理论（经典控制理论（18世纪起）世纪起）大系统理论、智能控制理论大系统理论、智能控制理论现

28、代控制理论（现代控制理论（20世纪世纪60年代）年代）1.3 自动控制理论的发展概况自动控制理论的发展概况第第1章章 绪论绪论经典控制理论主要用于工业控制现代控制理论现代控制理论，主要研究多输入和多输出、时变，主要研究多输入和多输出、时变和非线性等控制系统的分析与设计问题，有线性系和非线性等控制系统的分析与设计问题，有线性系统理论、最优控制理论、最佳滤波、自适应控制、统理论、最优控制理论、最佳滤波、自适应控制、系统辩识、随机控制等。主要代表有：系统辩识、随机控制等。主要代表有：Kalman 的的滤波器，滤波器，Pontryagin的极大值原理，的极大值原理，Bellman 的的 动态规划和动态

29、规划和Lyapunov 的稳定性理论。的稳定性理论。发展初期发展初期20世纪世纪60年代年代现代控制理论广泛应用于工农业、国防及日常生活 经典控制理论经典控制理论，主要以传递函数为数学工具，采，主要以传递函数为数学工具，采用频率方法，研究单输入用频率方法，研究单输入单输出的线性定常系统单输出的线性定常系统的分析和设计问题，并在工程上比较成功地解决了的分析和设计问题，并在工程上比较成功地解决了如恒值控制系统与随动控制系统的设计与实践问题。如恒值控制系统与随动控制系统的设计与实践问题。著名的控制科学家有：著名的控制科学家有：Evans, Nyquist, Bode,Wiener.第第1章章 绪论绪

30、论n新中国控制领域的开拓者新中国控制领域的开拓者钱学森钱学森n代表作代表作工程控制论（工程控制论（Engineering Cybernetics,1954）中国人对于控制理论的贡献中国人对于控制理论的贡献第第1章章 绪论绪论大系统理论大系统理论和和智能控制理论智能控制理论，称为第三代控制，称为第三代控制理论。理论。大系统的特征是：规模庞大系统的特征是：规模庞大、结构复杂（环节较多、大、结构复杂（环节较多、层次较多或关系复杂）、层次较多或关系复杂）、目标多样、影响因素众多，目标多样、影响因素众多，且常带有随机性的系统。且常带有随机性的系统。现代控制理论与运筹学相现代控制理论与运筹学相结合的产物。

31、结合的产物。大系统理论大系统理论智能控制智能控制智能控制技术是在向人智能控制技术是在向人脑学习的过程中不断发脑学习的过程中不断发展起来的展起来的,人脑是一个超人脑是一个超级智能控制系统级智能控制系统,具有实具有实时推理、决策、学习和时推理、决策、学习和记忆等功能记忆等功能,能适应各种能适应各种复杂的控制环境。复杂的控制环境。第第1章章 绪论绪论自动控制系统的任务：自动控制系统的任务：被控量和给定值，在任何时候都相等或保持一个固定的比例关系，没有任何偏差，而且不受干扰的影响 1. 4 自动控制系统的性能要求自动控制系统的性能要求 第第1章章 绪论绪论tc(t)r(t)0(a)tc(t)r(t)0

32、(b)tc(t)r(t)0(c)tc(t)r(t)0(d)系统的动态过程系统的动态过程，也称为过渡过程过渡过程，是指系统受到外加信号(给定值或干扰)作用后，被控量随时间变化的全过程第第1章章 绪论绪论反映系统控制性能优劣的指标，工程上常常从稳定性稳定性、快速性快速性、准确性准确性三个方面来评价 稳定性稳定性 控制系统动态过程的振荡倾向和重新恢复平衡工作状态的能力，是评价系统能否正常工作的重要性能指标 快速性快速性 控制系统过渡过程的时间长短，是评价稳定系统暂态性能的指标 准确性准确性 控制系统过渡过程结束后，或系统受干扰重新恢复平衡状态时，最终保持的精度，是反映过渡过程后期性能的指标第第1章章

33、 绪论绪论本本 章章 小小 结结第第1章章 绪论绪论Words and Phrases(1)n被控制量被控制量 controlled variable n输出量输出量 output variablen闭环控制系统闭环控制系统 closed loop control systemn参考输入参考输入 reference inputn给定量给定量 input variablen反馈环节反馈环节 feedback unitn干扰干扰 disturbancen环节环节 element,loopn开环控制系统开环控制系统 open-loop control systemn抗扰动抗扰动 disturbanc

34、e rejectionn控制信号控制信号 control signal第第1章章 绪论绪论Words and Phrases(2)n线性控制系统线性控制系统 linear control systemn非线性控制系统非线性控制系统 nonlinear control systemn离散控制系统离散控制系统 discrete-time control systemn连续控制系统连续控制系统 continuous-time control systemn定量的定量的 quantitativen定性的定性的 qualitativen动态性能动态性能 dynamic propertiesn稳定性稳定性 stabilityn稳态误差稳态误差 stead-state errorn稳态精度稳态精度 stead-state accuracy