1、1,自动控制原理,河池学院物电系,2,自动控制原理教材,1.自动控制原理 科学出版社 胡寿松(推荐教材)2.控制理论基础 科学出版社 王显正等3.自动控制系统 高教出版社 汪小帆等4.Automatic Control SystemBenjamin C. Kuo（高教出版社 ）,3,例1.1 热力系统 通过调节蒸汽阀门，使流出的热水 保持一定的温度。如果由手工控制，就要求控制者观测温度计的指示值，调节阀门开关的开度。调节方法为：如果温度计的指示值高于期望值，则关小阀门，降低热水温度；否则，开大阀门，升高热水温度，从而使流出的热水保持设定的温度。,11 概述,4,例1.2 直流电动机速度控制系统
2、控制目标是使电动机稳定在要求的转速上运行。从图中可见，对应滑动电阻器的触点的某一位置，有一给定电压，经过放大器放大为，即为电动机电枢电压。在没有任何扰动的情况下，对应滑动电阻器的触点的某一位置，则有一电机转速与之对应。,5,当电动机轴上的机械负载发生变化时，通过电动机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁转矩将自动调整，以适应负载的变化，保持新的平衡。,转矩平衡过程,例：,设外加电枢电压 U 一定，T=T2 (平衡)，此时， 若T2突然增加，则调整过程为,达到新的平衡点(Ia 、 P入) 。,T2 ,n,Ia ,T ,E,6,上述两个系统都是由人工控制的，可以看出，人在控制过程中起三个作用： （1
3、）观测：用眼睛去观测温度计和转速表的指示值；（2）比较与决策：人脑把观测得到的数据与要求的数据相比较，并进行判断，根据给定的控制规律给出控制量；（3）执行：根据控制量用手具体调节，如调节阀门开度、改变触点位置。 人工控制的缺点：精度不高，速度慢，有些场合人不能参与（高温，有放射性）,7,在自动控制中，用控制装置代替人来完成上述功能。例如，自动控制热力系统如图1.4所示。,8,直流电动机自动调速系统如图1.5所示。因此所谓自动控制是在没有人参与的情况下，利用控制装置使被控制对象和过程自动地按预定规律变化的控制过程。具有自动控制功能的系统称为自动控制系统。,9,控制器：对被控对象起控制作用装置的总
4、体. 被控对象：要求实现自动控制的机器，设备或生产过程。 被控量：被控对象的工作状态. 输出量：表现于控制对象或系统输出端，并要求实现自动控制的物理量。 输入量：作用于控制对象或系统输入端，并可使系统具有预定功能或预定输出的物理量。 扰动：所有妨碍控制量对被控量按要求进行正常控制的因素，称为干扰量或扰动量。,10,一.控制系统的发展史自动控制成为一门科学是从1945发展起来的。 开始多用于工业：压力、温度、流量、位移、湿度、粘度自动控制 后来进入军事领域：飞机自动驾驶、火炮自动跟踪、导弹、卫星、宇宙飞船自动控制 目前渗透到更多领域：大系统、交通管理、图书管理等 生物学系统：生物控制论、人造器官
5、。 经济系统：模拟经济管理过程、经济控制论 五个阶段:,12 自动控制理论的发展,11,12 自动控制理论的发展,3. 现代控制理论 4. 大系统理论 5. 智能控制理论,1.胚胎萌芽期,12,1.胚胎萌芽期（1945年以前） 十八世纪以后，蒸汽机的使用提出了调速稳定问题1765年俄国人波尔祖诺夫发明了锅炉水位调节器1784年英国人瓦特发明了调速器，蒸汽机离心式调速器1877年产生了古氏判据和劳斯稳定判据1892俄国李雅普诺夫“论运动稳定性的一般问题”论文 十九世纪前半叶，动力使用了发电机、电动机促进了水利、水电站的遥控和程控的发展以及电压、电流的自动调节技术的发展 十九世纪末，二十世纪初，使
6、用内燃机促进了飞机、汽车、船舶、机器制造业和石油工业的发展，产生了伺服控制和过程控制 二十世纪初第二次世界大战，军事工业发展很快飞机、雷达、火炮上的伺服机构，总结了自动调节技术及反馈放大器技术，搭起了经典控制理论的架子，但还没有形成学科。,13,1788年英国Watt发明的控制蒸汽机速度的离心式调速器,15,16,2、经典控制理论 （1940-1960）1945年美国人Bode “网络分析与放大器的设计”，奠定了控制理论的基础。 1945年美籍奥地利理论生物学家贝塔朗菲提出了系统论 1948年美国数学家维纳提出了著名的控制论形成了完整的经典控制理论（以传递函数为基础）。 研究的主要对象是单输入
7、、单输出单变量系统。 如：调节电压改变电机的速度；调整方向盘改变汽车 的运动轨迹等。,17,18,19,3、现代控制理论 （ 50年代末-60年代初）空间技术的发展提出了许多复杂控制问题，用于导弹、人造卫星和宇宙飞船上。 匈牙利数学家Kalman “控制系统的一般理论”奠定了现代控制理论的基础 研究的主要对象是多输入、多输出多变量系统。 如，汽车看成是一个具有两个输入（驾驶盘和加速踏板）和两个输出（方向和速度）的控制系统。 计算机科学地发展，极大地促进了控制科学地发展,20,经典控制理论与现代控制理论比较,21,12 自动控制理论的发展,4、大系统控制理论（ 70年代）大系统控制理论是一种过程
8、控制与信息处理相结合的动态系统工程理论，研究的对象具有规模庞大、结构复杂、功能综合、目标多样、因素众多等特点。它是一个多输入、多输出、多干扰、多变量的系统。如：人体，我们就可以看作为一个大系统，其中有体温的控制、情感的控制、人体血液中各种成分的控制等等。大系统控制理论目前仍处于发展阶段。,22,12 自动控制理论的发展,5、智能控制 这是近年来新发展起来的一种控制技术，是人工智能在控制上的应用。它的指导思想是依据人的思维方式和处理问题的技巧，解决那些目前需要人的智能才能解决的复杂的控制问题。 学派：结构派和功能派 它是一门新兴的控制学科，有些问题尚存有争议，然而由于它实用性强，能运用人们的经验
9、与技巧解决许多以往控制中难以解决的棘手问题（如建模等），因此得到了人们极大的重视。,23,结构派(仿生学派或生理学派)。从仿生学的观点,基于脑的生理结构原型,从脑的微观结构神经细胞的模拟出发,致力于研究神经网络、脑模型的硬件结构系统。因此,它受到进展缓慢的脑生理研究的牵制。但是,近年来,人工神经网络研究深入发展形成高潮。功能派(计算机派或心理学派)。把计算机科学与心理学相结合,充分发挥计算机软件的潜力,通过知识表达和推理,模拟人的智能活动和思维过程,摆脱了脑生理原型研究的牵制,取得了显著的进展。特别是专家系统的研究和开发,使人工智能从实验室走出来,进入了实用化的知识工程领域,已成为当前人工智能
10、发展的主流。从方法论的观点看来,结构派采用“白箱”方法,功能派采用“黑箱”方法,但是结构是功能的基础,功能是结构的表现。因此,在人工智能研究中,结构和功能研究应相互促进,“白箱”方法与“黑箱”方法应相互结合,取长补短,才能取得更大的进展。,24,13 自动控制系统的分类,一、按信号的传递路径来分类 1、开环控制系统特点：系统的输出端与输入端不存在反馈回路，输出量对系统的控制作用不发生影响的系统。,25,13 自动控制系统的分类,2、闭环控制系统（反馈控制系统）特点：系统输出信号与测量元件之间存在反馈回路。 “闭环”这个术语的含义，就是将输出信号通过测量元件反馈到系统的输入端，通过比较、控制来减
11、小系统误差。,26,3.开环控制与反馈控制的比较,开环 优点 :结构简单，成本低廉，工作稳定，当输入信号和扰动能预先知道时，控制效果较好。,缺点：不能自动修正被控制量的偏离，系统的元件参数变化以及外来的未知扰动对控制精度影响较大。,闭环优点：具有自动修正被控制量出现偏离的能力，可以修正元件参数变化以及外界扰动引起的误差，控制精度高。,缺点：被控量可能出现振荡，甚至发散。,27,13 自动控制系统的分类,二、按系统的控制作用来分类1、恒值控制系统（或称自动调节系统、自动镇定系统）特点：输入信号是一个恒定的数值。工业生产中的恒 温、恒压等自动控制系统都属于这一类型。2、过程控制系统（或称程序控制系
12、统）特点：输入信号是一个已知的函数。系统的控制过程 按 预定的程序进行，要求被控量能迅速准确地复现输入，如化 工中的压力、温度、流量控制。恒值控制系统可看成输入等于常值的过程控制系统。,28,13 自动控制系统的分类,3、随动系统（或称伺服系统）特点：输入信号是一个未知函数。要求控制系统的 输出量跟随输入信号变化。如：火炮自动跟踪系统。该系统要求有较好的跟踪能力。,29,13 自动控制系统的分类,三、按系统传输信号的性质来分类1、连续系统特点：系统各部分信号都是模拟的连续函数。目前工业中普遍采用的常规仪表PID调节器控制的系统。2、离散系统特点：系统的某一处或几处信号以脉冲序列或数码形式传递的
13、控制系统。系统中用脉冲开关或采样开关，将连续信号转变为离散信号。其中离散信号以脉冲形式传递的系统又叫脉冲控制系统，离散信号以数码形式传递的系统又叫数字控制系统。,30,13 自动控制系统的分类,31,13 自动控制系统的分类,四、按描述系统的数学模型不同来分类1、线性系统特点：系统由线性元件构成，描述运动规律的数学模型为线性微分方程。运动方程一般形式：式中：r(t)系统输入量； c(t)系统输出量主要特点是具有叠加性和齐次性。,32,13 自动控制系统的分类,2、非线性系统特点：在构成系统的环节中有一个或一个以上的非线性 环节。非线性的理论研究远不如线性系统那么完整，目前尚无 通用的方法可以解
14、决各类非线性系统。其他的分类方法：按功能来分： 温度控制系统、速度控制系统、位置控系统等。按元件组成分：机电系统、液压系统、生物系统等。,33,13 自动控制系统的分类,分类小结,34,14 反馈控制系统的基本组成,1. 温控系统人工控制,35,14 反馈控制系统的基本组成,控制目标：要求炉子的温度恒定在期望的数值上。控制过程：,36,14 反馈控制系统的基本组成,2.温控系统自动控制,37,14 反馈控制系统的基本组成,控制目标：要求炉子的温度恒定在期望的数值上。控制过程：,38,表示电路、程序、工艺流程等内在联系的图形。方框内表示各独立部分的性能、作用等，方框之间用线连接起来，表示各部分之
15、间的相互关系。简称框图。也叫方块 图。,元部件 方框（块）图 信号（物理量）及传递方向中的符号 比较点引出点表示负反馈,39,14 反馈控制系统的基本组成,一般的形式 输入信号系统控制目标的反映，是人的意志的具体体现。 控制系统主要完成对有关信号的变换、处理，发出控制量，驱动执行机构完成控制功能。 输出信号系统的控制结果，反映了被控对象的运行状。,40,14 反馈控制系统的基本组成,火炮自动跟踪系统“火炮打飞机”,41,14 反馈控制系统的基本组成,3. 典型的反馈控制系统的结构图,42,43,校正（补偿）元件：结构和参数便于调整的元件，用串联或反馈的方式连接在系统中，以改善系统的性能。,44
16、,被控对象（或过程）又称控制对象或受控对象，指需要 对它的某个特定的量进行控制的设备或过程。被控对象的输出变量是被控变量。被控对象除了受到控制作用外，还受到外部扰动作用。 给定元件其作用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。 测量反馈元件如传感器和测量仪表，感受或测量被控变量的值并把它变换为与输入量同一物理量后，再反馈到输入端以作比较。 比较元件比较输入信号与反馈信号，以产生反映两者差值的偏差信号。 放大元件将微弱的信号作线性放大。 校正元件也叫补偿元件，它是按某种函数规律变换控制信号，以利于改善系统的动态品质或静态性能。 执行元件根据偏差信号的性质执行相应的控制
17、作用，以便使被控制量按期望值变化。如电动机、气动控制阀等。,45,1.5 对控制系统性能的基本要求,1.5.1 稳定性 稳定性是控制系统最基本的性质。所谓稳定性是指控制系统偏离平衡状态后，自动恢复到平衡状态的能力。 当系统受到扰动后，其状态偏离了平衡状态，在随后所有时间内，如果系统的输出响应能够最终回到原先的平衡状态，则系统是稳定的；反之，如果系统的输出响应逐渐增加趋于无穷，或者进入振荡状态，则系统是不稳定的。 判别系统是否稳定的问题，称为绝对稳定性分析。事实上，对于稳定或者不稳定的系统，还需要进一步分析系统稳定或者不稳定的程度，称为相对稳定性分析。,46,1.5.2 暂态性能（快速性）对于稳
18、定的系统，虽然理论上能够到达平衡状态，但还要求能够快速到达，而且，在调节过程中，要求系统输出超过给定的稳态值的最大偏差，即所谓的超调量不要太大，要求调节的时间比较短。这些性能称为暂态性能 1.5.3 稳态性能（准确性）系统给定值与系统稳态输出的误差称为稳态误差。系统的暂态性能和稳态性能常常是矛盾的。由于控制统的功能要求不同，所以对系统暂态性能和稳态性能的要求往往有所侧重。,47,48,1.6 控制系统的典型信号,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。可选用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）控制系统的这种函数作
19、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。,49,1.6 控制系统的典型信号,典型信号：1. 脉冲信号,50,2.阶跃信号电源电压的波动、负载的突然增大或减小，飞机飞行中遇到的常值阵风扰动等都可视为阶跃信号（函数）,第四节 对控制系统的要求及典型信号,51,3.斜坡信号雷达高射炮防空系统，当雷达跟踪的目标以恒速率飞行，便可视为该系统工作为斜坡信号,第四节 对控制系统的要求及典型信号,52,第四节 对控制系统的要求及典型信号,4. 正弦信号 舰船在海里的波动等可视为正弦信号,53,54,55,56,57,58,59,1788年英国Watt发明的控制蒸汽机速度的离心式调速器,60,1913年美国建成最早的 汽车装配流水线,1952年美国MIT研制出第一台数控机床,61,1954年第一台工业机器人,1981年美国“哥伦比亚”号航天飞机首次发射成功,62,装配机器人,汽车自动焊接生产线,自动控制系统（应用举例）,63,自动立体仓库,自动控制系统（应用举例）,64,注塑机,自动搬运车,自动控制系统（应用举例）,65,机器人足球比赛,自动控制系统（应用举例）,月球车,66,机器人干活,机器人跳舞,自动控制系统（应用举例）,
