1、自动控制原 理王宇红Y.H.W1本学期课程安排本学期课程安排教材 胡寿松 自动控制原理简明教程 科学出 ： ， ，版社课程内容 第章 第六章 ： 第 一 章 课程总学时： 48, 其中实验 8参考文献 ： Katsuhiko Ogata，现代控制工程 (第四版 )，电子工业出版社 高国淼 自动控制原理 华南理工出版社， ， 刘坤， MATLAB自动控制原理习题精解，国防工业出版社 胡寿松，自动控制原理习题集，科学出版社 http:/ 王莹莹，自动控制原理全程导学及习题全解，科学出版社2成绩构成期末 70% 作业 10%实验 10% 点名 10%考试形式 考试： 闭卷3该课程与其它课程的关系线性
2、代数微积分（含微分方程）复变函数、拉普拉斯变换自动控制原理电路理论大学物理（力学、热力学）模拟电子技术电机与拖动模拟电子技术各类控制系统课程4自动控制原理各章关系5第一章 控制系统导论 1-1 自动控制的基本原理 1-2 自动控制系统示例 1 3 自动控制系统的分类- 1-4 自动控制系统的基本要求 1-5 控制系统的典型输入信号61-1 自动控制的基本原理1.1.1 自动控制技术及其应用自动控制的基本原理自动控制自动控制是在没有人的直接干预下 利用物自动控制是在没有人的直接干预下 ， 利用物理装置对生产设备和工艺过程进行合理的控制，使被控制的物理量保持恒定 或者按照 定的规使被控制的物理量保
3、持恒定 ， 或者按照 一 定的规律变化。例如锅炉温度控制 化工过程流量 温度例如锅炉温度控制 、 化工过程流量 、 温度 、液位的控制，等等。自动控制系统自动控制系统是为实现某 一 控制目标所需7自动控制系统是为实现某 控制目标所需要的所有物理部件的有机组合体。自动控制技术的应用 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、波斯顿假肢、人造器官 经济系统：模拟经济管理过程、经济控制论89“勇气”号在火星
4、工作的英姿“深度撞击”撞击器10负反馈放大器电路原理图Ecc+12vR1510KR24.7KR451KR63KC2 10C3 10+T2R 1K C1 10RL5.1KR7+ T13DG63DG6usuiuoR3100R518K100R8 C41K 1011Rf 2K自动控制 论发展史1.1.2 理 论发展史自动控制理论 :关于自动控制系统的理论 。自动控制理论是怎样产生的呢？12十八世纪以后，蒸汽机的使用提出了调速稳定等问题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年产生了赫氏判据和劳斯稳定判据十九世纪前半叶动力使用了发电
5、机电动机十九世纪前半叶，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术的发展十九世纪末，二十世纪初，使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13飞机 、 雷达 、 ，术，搭起了经典控制理论的架子，但还没有形成学科。蒸汽机的速度控制 ：给定值惯性球蒸汽阀压力蒸汽 受控蒸汽14自动控制成为一门科学是从 1945发展起来的1. 经典控制理论时期 （ 1940-1960）第二次世界大战时期 开始：经 典
6、控制理论逐渐发展成 熟 而形成为独立学科。频 率典熟 率分析法 和根轨迹分析法 ，构成了经典控制理论的基础。在此期间，也产生了一些非线性系统的分析方法，如相平面法 和 描述函数法 等 以及 采样系统 的分析方法和 等 ， 。数学工具 ： 主要是线性微分方程和基于拉普拉斯变换的传递函数 。研究对象： 基本是单输入单输出系统。目标 ： 反馈控制系统的稳定：典型成果： 雷达高炮跟踪系统，轧钢机控制系统，液压伺服系统等15。2. 现代控制理论时期 （ 20世纪 50年代末 -60年代初）50年代 70年代 ， 空间技术与军事技术的发展提出了，许多复杂控制问题，用于导弹、人造卫星和宇宙飞船上Kalman
7、 “ 控制系统的 一 般理论 ” 奠定了现代控制理论般理论的基础数学工具 ： 主要是状态空间法研究对象 研究对象更为广泛 如线性系统与非线性系统： 。 、定常系统与时变系统、多输入多输出系统、变量耦合系统等 。目标： 最优控制典型成果 ： 空间技术、军事技术、多方面的工业技术我国：火箭发射控制技术 ，人口模型与中国人口控制163.大系统和智能控制时期 （ 20世纪 70年代）各学科相互渗透 ， 要分析的系统越来越大 ， 越来越复杂 。， ， 。70年代至今，基于人脑的思维、学习、推理、决策功能研究与发展的，是当前控制理论学科研究的前沿领域。主要研究方向 ： 自适应控制理论、模糊控制理论、人工神
8、经元网络、浑沌理论研究等。主要研究成果 各种自动设计系统 神经计算机 机器人： ， ，控制系统，模式识别，人工推理机等。4.正在发展的各个领域自适应控制大系统理论H鲁棒控制非线性控制 （ 微分几何 混沌 变结构 ）17（ ， ， ）113自动控制的基本原理 （ 反馈控制原理 ）1.1.3 自动控制的基本原理 （ ）例：液位控制系统sH被控量期望液位：被控对象iQu被控量扰动变量 操纵变量被控对象HA oQ1、人工控制原理眼 测量实际液位 H 检测过程眼 ： 测量实际液位 检测过程 。脑： 将实际液位 H 和期望液位 HS比较，根据两者偏差正负及大小作出决策。 比较、分析、决策过程。手 ： 执行
9、大脑命令 ， 调节阀门开度 。 执行过程 。18手 ： 执行大脑命令 ， 调节阀门开度 。 执行过程 。原理方框图：HeHoQ扰动Q实际液位脑给定值s手u水槽i眼给定值H测量值192、自动控制原理iQuHAoQLCsvmv变送器(眼） ：测量实际液位 H并进行物理转换。控制器（大脑） ： 也叫调节器，将测量值mv和给定值 sv相比较 ， 根据两者的偏差进行运算 ， 输出控定值 相比较 ， 根据两者的偏差进行运算 ， 输出控制信号u。行 手 度20执 行 器（ 手 ） ：也叫调节阀，改变阀门开 度 。oQ人工控制原理方框图 ：Q扰动：sHeu Ho扰动iQ实际液位脑给定值手 水槽眼H测量值自动控
10、制原理方块图 ：Q扰动：控制器sHe执行器u水槽Ho扰动iQ实际液位控制器给定值执行器水槽H测量值21变送器测量值反馈：通过测量变换装置将系统或元件的输出量反送通过测量变换装置将系统或元件的输出量反送到输入端，与输入信号相比较。反送到输入端的信号称为反馈信号号称为反馈信号 。负反馈：反馈信号与输人信号相减 其差为偏差信号反馈信号与输人信号相减 ， 其差为偏差信号 。负反馈控制原理：检测偏差用以消除偏差。将系统的输出信号引回输入端 与输入信号相减 形成偏， ，差信号。然后根据偏差信号产生相应的控制作用 力图消除或减少偏差的过程22， 。被控制量：在控制系统中 按规定的任务需要加以控在控制系统中
11、按规定的任务需要加以控制的物理量。控制量 ：作为被控制量的控制指令而加给系统的输入星 也称控制输入入星 也称控制输入 。扰动量：干扰或破坏系统按预定规律运行的输入量干扰或破坏系统按预定规律运行的输入量 ，也称扰动输入。23114 自动控制系统的基本组成d扰动输入1.1.4 自动控制系统的基本组成控制re执行u被控对象c扰动输入控制 器给定输入执行 器 被控对象输出b测量值测量变送器测量值输入变量 ： 扰动输入 给定输入 （ 参考输入 ）被控对象自动控制系统自动控制装置反馈 反馈通道 前向通道 闭输入变量 ： 扰动输入 ， 给定输入 （ 参考输入 ）输出变量反馈 ， 反馈通道 ， 前向通道 ，
12、闭 环自动控制系统的特点存在反馈 输出量参与控制 基于偏差进行控制24存在反馈 ， 输出量参与控制 ； 基于偏差进行控制反馈（偏差、闭环）控制系统控制器 执行器测量变送器控制器执行器测量变送器测量仪表压力测量仪表9 非远传式压力测量仪表液柱式压力计应用弹性变形测量压力9 远传式压力测量仪表力平衡式压力变送器电阻式压力传感器电容式压力传感器26温度测量仪表9膨胀式温度计9热电偶温度计9热电阻温度计27执行仪表将控制指令转化为实际动作9 气动调节阀9 液动调节阀9 电动执行器变机289 变 频电 机控制仪表291.1.5 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、开环控制方式不存在输出到输入的反馈 输出量不参与控制不存在输出到输入的反馈 ， 输出量不参与控制（1）按给定值进行控制（2）按干扰进行控制（即前馈控制，对干扰进行补偿）30扰动必须可测！比较环节（叠加点）
