1、自动控制原理,任课教师：钱伟 副教授 单位：电气工程及自动化学院自动化系 办公室：D218 Email：,第一章 控制系统的一般概念 第二章 控制系统的数学模型 第三章 控制系统的时域分析 第四章 根轨迹法 第五章 线性系统频率响应分析 第六章 线性控制系统的校正,自 动 控 制 原 理,END,主要参考书目,现代控制工程美 katsuhiko 著 卢伯英 译 电子工业出版社,反馈控制系统分析与设计MATLAB语言应用薛定宇 著 清华大学出版社,自动控制原理- 5版（普通高等教育“十一五”国家级规划教材），胡寿松主编，科学出版社，2007.6,自动控制原理习题集胡寿松 主编 国防工业出版社,自
2、动控制原理学习网站,南京航空航天大学自动控制原理哈尔滨工业大学自动控制原理西北工业大学自动控制原理,自 动 控 制 原 理,1-1 引言 1-2 自动控制系统的基本概念 1-3 自动控制系统的分类 1-4 对自动控制系统的基本要求,第一章 自动控制的一般概念,第一章 自动控制的一般概念,本 次 课 主 要 内 容,了解自动控制原理在自动化专业知识体系中的重要性。 了解自动控制理论的简单历史。 熟悉课程的定义、研究内容、对象、任务和目的（重点1）。 控制系统的典型结构及举例。 对控制系统研究的第一步-建立系统的职能框图（重点2）。 自动控制原理的基本概念。,自动控制原理 = 单输入单输出线性时不
3、变“自动控制系统”自动控制原理,1-1 引 言,系统：由一些元部件按一定要求连接并具有某一特定功能的整体。,自动控制：在没有人直接干预的情况下，通过控制装置使被控对象或过程自动按照预定的规律运行，使之具有一定的状态和性能。,自动控制系统：是指由控制装置与被控对象结合起来的，能够对被控对象的一些物理量（被控制量）进行自动控制的一个有机整体。,一、自 动 控 制,自动控制系统的功能和组成是多种多样的，其结构有简单也有复杂。它可以只控制一个被控量，也可以控制多个被控量，这些被控量可以是物理量，也可以是更广泛的信息量。,造纸机分部传动控制系统,含有大量水分的纸张经过第一压榨棍后，去掉了一部分含水量，然
4、后再进入第二压榨棍，再榨去一部分水分。第一和第二压榨棍分别由各自的电动机拖动，显然两个压榨棍的转速必须协调，否则将会拉断纸页或出现叠堆。,自动控制系统中压榨棍拖动电动机M的转速由测速发电机TG检测出来，并转换为速度反馈电压Uf。参考电压Ur，与反馈电压Uf相比较得偏差电压 Ur-Uf，经过放大去控制拖动电机的转速，达到两个压榨棍的转速协调.,谷物湿度控制系统,谷物含水量直接影响面粉产量，谷物在混合成磨料前要先湿润，存在一个谷物出粉最多的湿度，谷物湿度可通过加水来调整。实际中输入谷物的水分，谷物流量和水压均是变化不定的，为努力消除扰动的影响，可在上部加一水箱以保证供水压力不变，可以加一个送料漏斗
5、以维持谷物流量基本不变。,剩下就是谷物水分控制，首先测量输入谷物水分含量，构成顺馈控制部分，同时测量输出谷物水分含量，构成反馈部分，调节器将两个传感器来的信号与要求的湿度信号结合起来，给出正确水流量所必须的自动阀门整定值。,烘烤炉温度控制系统,若工件数量增加，烘炉的负荷加大，而煤气流量一时没变，则炉温下降，导致偏差电压U0，故电机将阀门开大，增加煤气供给量，从而使炉温回升，直到重新等于给定值为止。 若负荷减小或煤气压力突然加大，则炉温升高，偏差电压U0，故电机自动关小阀门，减小供气量，从而使炉温回降，直到等于给定值为止。,控制的任务是保持炉温恒定。而炉温既受工件数量以及环境温度的影响，又受煤气
6、流量的控制。故调整煤气流量便可控制炉温。,飞行器控制系统,飞行器是六自由度运动体，包含角运动和线运动，一般分别称为绕质心运动和质心运动。绕质心运动参数(如姿态角度、角速度)的测量主要利用惯性器件，质心运动参数(如位置、速度、加速度)的测量有惯性测量方法和依靠外界参照信息的无线电测量、光学测量方法几类。 导航，是指利用敏感器件测量飞行器的运动参数，并将测量的信息直接或经过变换、计算来表征飞行器在某种坐标系的角度、速度和位置等状态量。而由测量、传递、变换、计算几个环节组成并给出飞行器初始状态和飞行运动参数的系统则称为导航系统。制导系统的主要功能是利用导航系统提供的飞行器运动参数，对质心运动进行控制
7、，使飞行器从某一飞行状态达到期望的终端条件，保证飞行器以足够的精度命中目标。,控制系统的主要任务是：消除或减小干扰和影响的后果，保证在各种条件下的飞行稳定性；控制飞行器准确、可靠地完成飞行动作，最后飞向目标。,智能建筑,智能建筑，是把现代建筑技术和信息技术有机地结合起来，设计和建造安全、舒适、高效、节能、方便灵活的现代化建筑。 智能建筑通过综合布线系统与各种信息终端来“感知”建筑物内各个空间的信息，经过计算机处理作出相应对策，使建筑物具有某种“智能”。建筑物的使用者和管理者可以对大楼的供热、供水、空调、电气、电梯、照明、音乐、防火、防盗、电话、传真、闭路电视 (或卫星电视 )、计算机通信、购物
8、、保健等设施实现按需控制，对建筑物的关键部位或特殊部位进行监控并提供与互联网的有效连接。智能建筑包含三大基本要素，即楼宇自动化(简称BA)系统、通信自动化(简称CA)系统和办公自动化(简称OA)系统，三者是有机结合在一起，成为智能建筑“3A”结构。,(a) 手动控制 (b) 自动控制图2.2 水温的手动控制和自动控制的示意图,从实例看自动控制,人工完成,手动控制职能框图（注意这个框图的特点）,水箱（被控对象）的水温（被控制量）的操作员（人工控制器）要用手（测量环节-感觉传感器）来测试水的温度，并将此温度与他要求的值（给定值）相比较（比较环节-大脑）得到温度的偏差（偏差量）。同时他要决定（控制装
9、置-大脑）：他的手（执行器）应该朝哪个方向旋转加温用的蒸汽阀门（执行机构）和旋转多大的角度（控制量）。采用自动控制时上述功能都有各种的元件和仪表来代替。例如，温度测量元件、控制记录仪表和调节阀等。,调节记录仪,自动控制职能框图（注意这个框图的特点）,现在再来看一个控制理论中最典型的例子：倒立摆系统。,自动控制倒立摆！,人工倒立摆系统,思 考,人工倒立摆系统：对于简单的一级倒立摆系统人工还可以玩一玩，如果是惯性非常小的倒立摆呢？如果是二级倒立摆呢？如果是三级、四级、多级倒立摆呢？如果是运动中的倒立摆呢？如果是多自由度、万向节式的倒立摆呢？如果是倾斜控制式的倒立摆呢？如果是多极倒立摆中的每一级都要
10、按任意设定的规律来控制时又会如何呢？如果,在许多复杂的或快速作用的系统中，系统的响应对操作人员来说可能太快了，或对操作人员的技能要求可能高的不合理；又如某些要自行毁灭的系统，如导弹等，都需要排除人这个“元件”。在一些工业控制中，虽然人能够参与控制，但常常从经济的角度考虑，需要减少人工监视和控制，所以常利用某些设备来代替操作人员去完成同样的功能。事实上，在大多数情况下，自动控制系统比人工控制系统能更好地完成预期的作用，甚至能够进一步去完成操作人员不可能完成的任务。现在，让我们从课程的定义开始吧！,系统,社会系统 地球系统 宇宙系统 工程系统 生物系统 医学系统 环境系统 经济系统,工程控制论,人
11、工控制 自动控制 半自动控制,自动控制理论,经典控制理论 现代控制理论 先进控制理论（智能）,开环控制理论 闭环控制理论 复合控制理论 非线性控制理论 离散时间控制理论,自动控制原理学习的重点,二、自动控制原理,（1）自动控制理论：研究自动控制系统分析和设计的一般理论。 （2）自动控制原理：研究单输入、单输出、集中参数、线性、时不变自动控制系统（的数学模型系统）分析和设计的一般理论。,1. 定义,三、自动控制原理的定义及性质,2. 研究对象 单输入、单输出、集中参数、线性、时不变自动控制系统（数学模型）。,3.研究内容： （1）系统的分析：已知系统的结构和参数，分析和评价系统的稳态和动态性能以
12、及抗干扰能力的优劣。 （2）系统的设计：按照给定的任务（控制任务）设计一个满足稳态和动态性能要求及抗干扰性能要求的控制系统，并确定其结构和参数。,4. 学习的目的： （1）学会并掌握分析评价研究对象规律的理论和方法； （2）学会并掌握构建一个符合要求的新的自动控制系统的思路和可能性。,分析是基础、设计是重点、满足要求才是目标。,四、自动控制系统与控制理论的发展历史,现代控制理论的发展,经典控制理论发展,控制理论的发展分为：,经典控制：控制理论的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理，主要用于工业控制。第二次世界大战期间，为了设计和制造飞机及船用自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达跟踪系统等基于反
13、馈原理的军用装备，进一步促进和完善了自动控制理论的发展。,I. 经典控制(Classical Control)(1935-1950),(1) 美国贝尔实验室的H. Bode(1938)，以及Nyquist(1940)提出频率响应法,(2) 美国Taylor仪器公司的J. G. Ziegler和N. B. Nichols提出PID参数的最佳调整法(1942),(3) 美国MIT的N. Wiener研究随机过程的预测(1942)，提出Wiener滤波理论(1942)，发表控制论(Cybernetics)一书(1948)，标志着控制论学科的诞生。,N.B. Nichols,N. Wiener,(4)
14、 在贝尔实验室Bode领导的火炮控制系统研究小组工作的C. Shannon提出继电器逻辑自动化理论(1938)，随后，发表专著通信的数字理论(The Mathematical Theory of Communication)，奠定了信息论的基础(1948),C. E. Shannon,(5) MIT Radiation Laboratory在研究SCR-584雷达控制系统的过程中，创立了Nichols Chart Design Method，R. S. Philips的工作On Noise in Servomechanisms，以及Hurwicz (1947)的数字控制系统(Sampled D
15、ata System),(6) 美国W. Evans提出根轨迹法(Root Locus Method) (1948)，以单输入线性系统为对象的经典控制研究工作完成。,(7) 多本有关经典控制的经典名著相继出版，包括Ed. S. Smith的Automatic Control Engineering (1942)，H. Bode的Network Analysis and Feedback Amplifier(1945)，以及钱学森的工程控制论(Engineering Cybernetics) (1954),经典控制理论数学工具,线性微分方程和基于拉普拉斯变换的传递函数。,研究对象,单输入单输出的
16、线性定常系统。,三大分析方法：,时域分析法,根轨迹分析法,经典控制理论的局限性：,主要用于线性定常系统。,只用于单输入单输出系统。,数学描述是一种外部描述，只讨论系统的输入与输出之间的关系。而忽视系统内在特性。,频率特性分析法,四、自动控制系统与控制理论的发展历史,现代控制理论：由于经典控制理论只适用于单输入、单输出的线性定常系统，只注重系统的外部描述而忽视系统的内部状态。因而在实际应用中有很大局限性。随着航天事业和计算机的发展，20世纪60年代初，在经典控制理论的基础上，以线性代数理论和状态空间分析法为基础的现代控制理论迅速发展起来。,在数学工具、理论基础和研究方法上不仅能提供系统的外部信息
17、（输出量和输入量），而且还能提供系统内部状态变量的信息。它无论对线性系统或非线性系统，定常系统或时变系统，单变量系统或多变量系统，都是一种有效的分析方法。,现代控制理论数学工具,线性代数,状态空间分析法（矩阵运算）,研究对象,线性系统,非线性系统,时变系统,定常系统,多输入-多输出系统,现代控制(Modern Control) (1950- ),二次世界大战中火炮，雷达，飞机以及通讯系统的控制研究直接推动了经典控制的发展。五十年代后兴起的现代控制起源于冷战时期的军备竞赛，如导弹(发射，操纵，指导及跟踪)，卫星，航天器和星球大战，以及计算机技术的出现。,(2) 美国R. Bellman发表著名的
18、Dynamic Programming，建立最优控制的基础(1957),(3) 国际自动控制联合会(IFAC)成立(1957)，中国为发起国之一，第一届学术会议于莫斯科召开(1960),(1) 苏联L.S. Pontryagin发表“最优过程数学理论”，提出极大值原理(Maximum Principle)(1956),L.S. Pontryagin,(4) 美国MIT的Servomechanism Laboratory研制出第一台数控机床(1952),(5) 世界第一颗人造地球卫星(Sputnik)由苏联发射成功(1957),1957. Laika. Sputnik 2,(6) 美国Georg
19、e Devol研制出第一台工业机器人样机(1954)，两年后，被称为机器人之父的Joseph Engelberger创立了第一家机器人公司，Unimation,(7) 美籍匈牙利人R. E. Kalman发表“On the General Theory of Control Systems”等论文，引入状态空间法分析系统，提出能控性，能观测性，最佳调节器和kalman 滤波等概念，奠定了现代控制理论的基础(1960),R.E. Kalman,(8) 苏联东方-号飞船载着加加林进入人造地球卫星轨道，人类宇航时代开始了(1961),宇宙哥伦布-加加林,A stamp issued by Russi
20、a to memorize Y. Gagarin,Capsule used in first manned orbit of earth,In 1961, the first human to pilot a spacecraft, Yuri Gagarin, was launched by the Soviet Union aboard Vostok I.,(9) 苏联发射“月球”9号探测器，首次在月面软着陆成功(1966)，三年后(1969)，美国“阿波罗”11号把宇航员N. A. Armstrong送上月球。,N.A. Armstrong,阿姆斯壮(美国宇航员,1969年7月登陆月球,成
21、为第一个登上月球的地球人),(10) 美国的M. E. Merchant提出计算机集成制造的概念(1969),(11) 美国ARPA计算机网络初步建成(1971),(12) 日本Fanuc公司研制出由加工中心和工业机器人组成的柔性制造单元(1976),(13) 美国“哥伦比亚”号航天飞机首次发射成功(1981年),(15) 第一台火星探测器Sojourner在火星表面软着陆(1996),(16) 旅行者Voyager 一号，二号开始走出太阳系， 对茫茫太空进行探索,四、自动控制系统与控制理论的发展历史,现代控制理论应用中出现的新问题：,现代控制理论依赖于控制对象的数学模型,现代控制理论应用热点
22、：,对于被控对象的不确定性：模型含有未建摸动 态部分，加上工业生产过程的干扰十分复杂，它的统计特性往往未知或不确定。因此很多被控对象的数学模型很难得到，所以其应用受到限制。,鲁棒控制,非线性控制,自适应控制,预测控制,内模控制,多变量解耦控制,四、自动控制系统与控制理论的发展历史,智能控制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。智能控制的概念和原理主要是针对被控对象、环境、控制目标或任务的复杂性提出来的，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。被控对象的复杂性体现为：模型的不确定性，高度非线性，分布式的传感器和执行器
23、，动态突变，多时间标度，复杂的信息模式，庞大的数据量，以及严格的特性指标等。智能控制是驱动智能机器自主地实现其目标的过程，对自主机器人的控制就是典型的例子。,四、自动控制系统与控制理论的发展历史,智能控制发展,当对象数学模型难以建立的系统：往往采用智能控制。,主要研究方向：,模糊控制,专家系统,人工神经网络控制,目前自动化技术的另一个研究热点：,计算机集成综合自动化系统：是将控制理论、运筹学与智能控制三者结合，它是一个集管理与控制为一体的计算机集成综合自动化系统。,目前控制理论存在的问题：,理论研究与应用研究之间严重脱节，一方面理论研究不完善，另一方面生产技术发展跟不上。,一、自动控制系统的一
24、般结构,表示比较元件或比较点， 它的输出量等于各输入量的代数和，各输入量若为“”号可以不标，若为“”号必须在箭头旁标注负号。,引出点，表示信号在此分两路，两路信号相同，不存在分流问题。,方框表示它所代表部分的名称和功能，而不画出具体结构，用方框之间带箭头的直线说明各部分之间的信号传递。,操作量,控制量,偏差量,反馈量,1-2 自动控制系统的基本概念,二、自动控制系统的元素1.被控对象：（要求实现自动控制的机器设备或生产过程）2.被控制量：（指被控制系统所要控制的物理量，一般指系统的输出量）,3.给定值：（根据生产要求，被控制量需要达到的数值） 4.扰动：（破坏控制量与被控制量之间正常函数关系的
25、因素，称为系统的扰动。如扰动来自外部，叫做外扰，如果扰动来自内部，如系统中各元件参数的变化，称为内扰） 给定值和扰动通称为输入量。 5.控制装置：（能够对被控对象起控制作用的设备总称）,1.定义：输出量与输入量之间没有反向联系，只靠输入量对输出量单向控制的系统叫开环控制系统。,开环控制又可称为前馈控制，因为控制作用是由输入信号直接向前输送，而不是由输出信号回输到输入信号来进行控制的，故称为前馈控制。,三、开环控制系统,例1.下面是一个具体的开环控制系统的例子，直流电机转速控制系统。,原理方框图为：,四、闭环控制系统 1定义：输出量与输入量之间有反向联系，靠输入量与主反馈信号之间的偏差对输出量进
26、行控制的系统叫闭环控制系统。 反馈：是把系统输出量全部或一部分回送到输入端，以增强或减弱输入信号的效应。,前向通道,主反馈通道,比较元件,偏差量,主反馈量,控制变量,操作变量,被控量,给定元件,例2 引入闭环控制后的直流电机转速控制系统,原理方框图,正反馈不能用于控制系统，用途振荡器（正弦信号发生器）,起增强输入信号作用正反馈。起减弱输入信号作用负反馈。正反馈不能进行控制，会使系统的偏差越来越大。只有负反馈控制系统才能完成自动控制的任务。负反馈控制系统最大的特点：,检测偏差，纠正偏差 按偏差控制,水箱原来处于一个平衡状态，q1(t)=q2(t)=0。如果打开阀门，冲水，冲好后关上阀门，h(t)
27、发生变化，水位下降， h变大，通过浮子反馈到执行机构。机械杠杆带动活塞打开， q1(t)变大，使h 变小，浮子上浮，活塞也上升，直至达到新的平衡。,例3.我们在日常生活中经常遇到的抽水马桶，也是一个典型的闭环控制系统。,原理方框图：,这就是负反馈控制系统，检测偏差，然后进行调节，使偏差减小，最后直至消除偏差。 按偏差控制。,硅钢热处理炉炉温定值自动控制系统,恒定电压,电位器,减速器,调压器,希望值Tr：680C,实际值Tc,ub=kTc,u= ur- ub,电炉炉温自动控制系统的任务是控制炉温维持在680附近，以满足硅钢热处理的要求。炉子的温度由毫伏级的给定电压ur控制的，其设置与炉温的希望值
28、Tr相对应，热电偶用来测量炉温的实际值Tc，它的输出ub正比于炉温，即ub=kTc，ub是毫伏级电压信号，k是比例系数。ub仅反馈到系统的输入端，与给定电压ur进行比较，得到偏差信号u= ur- ub要求的炉温与实际炉温的偏差。u=0，系统处于平衡状态。,若由于扰动使实际的炉温低于希望值，则 u= ur- ub0，该电压经电压放大和功率放大后驱动直流电机，电机经减速器带动调压变压器的滑臂，向增加加热电流的方向移动，于是反馈电压ub增加， u下降，直至炉温达到给定值为止，此时u= 0，电机停转，系统重新处于平衡状态，从而完成了自动调节炉温的任务，若由于干扰使实际的炉温高于希望值，整个调节过程反方
29、向进行。,方框图,主反馈：直接取自系统输出端，经过测量和变换，又引入到系统输入端的信号叫主反馈信号，相应的反馈叫主反馈。 局部反馈：对应内回路。 前向通道：从系统输入端到输出量之间的通道称为前向通道。 主反馈通道：从输出量到主反馈信号之间的通道称为主反馈通道。 单位反馈系统：主反馈信号等于输出量的系统叫单位反馈系统。 非单位反馈系统：主反馈信号不等于输出量的系统叫非单位反馈系统。,五、重要概念,前向通道,主反馈通道,比较元件,偏差量,主反馈量,控制变量,操作变量,被控量,给定元件,主回路：主反馈闭合了除系统输入信号和干扰信号以外的其它所有信号，所形成的闭合回路称为主回路。 给定元件：给出与系统
30、输出量希望值相对应的系统输入量。 测量元件：测量系统输出量的实际值，并把输出量的量纲转化成与输入量相同。 比较元件：比较系统的输入量和主反馈信号，并给出两者之间的偏差。 放大元件：对微弱的偏差信号进行放大和变换，使之具有足够的幅值和功率，以适应执行元件动作的要求。 执行元件：根据放大后的偏差信号产生控制、动作，操作系统的输出量，使之按照输入量的变化规律而变化。,开环控制系统：1.结构简单经济2.调试方便3.抗干扰能力差，控制精度不高。 闭环控制系统：1.系统具有纠正偏差的能力。2.抗扰性好，控制精度高。3.包含元件多，结构复杂，价格高。 4.参数应选择适当。 开环闭环复合控制系统（兼有两者的优
31、点，精度很高）,六、开环与闭环系统的比较,1-3 自动控制系统的分类,一、根据结构划分,负反馈系统前馈控制系统复合控制系统,二、按给定值的形式划分,恒值控制系统随动控制系统,1-3 自动控制系统的分类,三、按系统的特性分类,线性系统(满足叠加原理，具有叠加性和均匀性，可以用线性微分方程来描述)非线性系统（不适用叠加原理，用非线性微分方程来描述）,本书主要研究线性定常系统。,四、按信号的形式分类,连续控制系统,离散控制系统,计算机控制系统是典型的离散控制系统。,1-3 自动控制系统的分类,控制系统的基本要求：,闭环系统稳定是前提,1-4 对自动控制系统的基本要求,闭环系统稳定是前提,1-4 对自
32、动控制系统的基本要求,1、2、5最终趋于平衡状态，这类系统是稳定的。3振荡发散，4 单调发散。这类系统的过渡过程随时间的推移而发散，无法正常工作，不稳定（还有一种等幅振荡）。稳定性是对控制系统的最基本要求。,曲线1要反复振荡才能达到稳态值，过渡过程持续时间很长。曲线2要经长时间的缓慢爬升才能到稳定值，系统响应迟钝，过渡过程时间也很长，快速性都不好，而曲线5快速趋于稳定，即稳且快，与理想的调节过程偏差最小。,指过渡过程结束后稳态误差越小越好。稳态误差：指过渡过程结束后，也就是进入稳态过程后，希望的输出量与实际输出量之间的误差，是恒量系统稳态精度的重要指标。,本 章 小 结,自动控制和自动控制系统的含义；反馈和反馈控制的概念；控制系统的组成和分类；能够确定实际控制系统的被控对象，被控量和给 定量；能够绘制控制系统的方块图；能分析实际控制系统的控制原理。,再见！,前向通路,反馈,通路,
