1、1,天津城市建设学院电子与信息工程系 Email: 2012.2-2012.6,自动控制原理 Principles of Automatic Control,主讲 王首彬,2,3,4,哈勃望远镜特殊地卫星,中巴资源卫星,人造地球卫星 控制其准确地进入预定轨道运行并回收,5,无人驾驶飞机按预定轨迹飞行,渐露锋芒的无人驾驶飞机,6,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,7,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
2、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，用一个驱动马达使天线作360度的旋转，这样它就能在360度范围内进行“搜索”。,8,9,10,现代化的工厂,现代的工程技术人员和科学工作者，必须具备一定的自动控制理论基础知识！,11,控制系统发展史； 自动控制、自动控制解决的基本问题； 自动控制技术的作用。,12,一.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
3、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,胚胎萌芽期 经典控制理论（自动控制原理） 现代控制理论 智能控制与大系统理论,13,中国古代自动化方面的成就,公元前14世纪至前11世纪，中国、埃及和巴比伦出现自动计时漏壶； 公元130年，张衡发明水运浑象，132年研制出自动测量地震的候风地动仪； 公元235年，马钧研制出用齿轮传动自动指示方向的指南车，类似按扰动补偿的自控系统；,14,世界上公认的第一个自动控制系统,1769年瓦特发明蒸汽机,15,飞球调节器 世界上公认的第一个自动控制系统的最主要原因,1788年瓦特发明飞球调节器，进一步推动蒸汽机的应用，促进了工
4、业的发展，推动了社会进步。飞球调节器有时使蒸汽机速度出现大幅度振荡。其它自控系统也有类似现象。,16,自动控制理论的开端,1868年英国麦克斯韦尔的“论调速器”论文指出：不应单独研究飞球调节器，必须从整个系统分析控制的不稳定，建立系统微分方程，分析微分方程解的稳定性，从而分析实际系统是否会出现不稳定现象。这样，控制系统稳定性的分析，变成了判别微分方程的特征根的实部的正、负号问题。麦克斯韦尔的这篇著名论文被公认为自动控制理论的开端。,17,经典控制理论的孕育1875年，英国Routh提出代数稳定判据。 1895年，德国Hurwitz提出代数稳定判据。 1892年，俄国Lyapunov提出稳定性定
5、义和两个稳定判据。 1932年，美国Nyquist提出奈氏稳定判据。二战中自动火炮、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。,18,经典控制理论（自动控制原理）（20世纪4060年代） 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。 1948年，维纳出版控制论，形成完整的经典控制理论，标志控制学科的诞生。维纳成为控制论的创始人！ 维纳控制论是关于怎样把机械元件和电气元件组合成稳定的并且具有特定性能的系统的科学。讨论的主要问题是一个系统的各个不同部分间相互作用的定性性质及整个系统的总体运动状态。 经典控制理论50年代趋于成熟。以传递函数为数学工具，
6、研究SISO、LTI的分析和设计。采用频率法、根轨迹法、相平面法、描述函数法；讨论系统稳定性的代数和几何判据以及校正网络等。,19,现代控制理论 二次世界大战结束后，各国大力发展空间技术，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，经典控制理论不能满足需要，需要研究新的控制理论。 Kalman “控制系统的一般理论”奠定了现代控制理论的基础。 空间技术促使现代控制理论的产生，现代控制理论促进了空间技术的发展 现代控制理论（20世纪6070年代）以状态空间法为基础，研究MIMO非线性时变系统的分析和设计。代表人物：庞特里亚金（极大值原理（1961）;Bellman（动态规化（1957
7、）; R.E.Kalman（卡尔曼滤波（1959）,20,智能控制与大系统理论(20世纪70年代-)现代控制理论在工业过程控制方面遭遇滑铁卢，促使了智能控制技术的诞生 现代控制理论在空间技术取得巨大成功，但由于工业过程控制中普遍存在的不确定性和干扰，难以取得预期的效果。模拟人的控制技术智能控制，虽然不能实现精确的控制，但对各种复杂系统能够做到比较满意的控制。方法: 模糊规则、神经网络模型等智能方法.,21,二 自动控制及解决的基本问题 自动控制在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（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预
8、定的规律运行。如：飞机导航、制导导弹、雷达技术 自动控制系统：由控制装置和被控对象以某种相互依赖的方式组合成的一个有机整体。,自动控制是使一个或一些被控制的物理量按照另一个物理量即控制量的变化而变化或保持恒定，一般地说如何使控制量按照给定量的变化规律变化，就是一个控制系统要解决的基本问题。,22,三.自动控制技术的作用,1. 自动控制技术的应用不仅使生产过程实现了自动化，极大地提高了劳动生产率，而且减轻了人的劳动强度。,2. 自动控制使工作具有高度的准确性，大大地提高了武器的命中率和战斗力，例如火炮自动跟踪系统必须采用计算机控制才能打下高速高空飞行的飞机。,3. 某些人们不能直接参与工作的场合
9、就更离不开自动控制技术了，例如原子能的生产、火炮或导弹的制导等等。,23,讨论的对象：因果系统 、工程系统系统的广义性：经济、社会、工程、生物、环境、医学 课程特点：研究系统的共性问题,课程的性质和特点,24,本课程与其它课程的关系：,自动控制理论,电路理论,电机与拖动,大学物理,信号与系统,复变函数 拉氏变换,模拟电子技术,线性代数,微积分,各 类 专业课,线性系统,现代控 制理论,教学要求通过学习要求系统掌握自动控制的理论基础，培养对简单系统进行定性分析、定量估算和动态仿真（模拟仿真和数字仿真）的能力，为专业课学习和参加控制工程实践打下必要的基础。,25,自动控制的一般概念,第一章,自动控
10、制的基本原理与方式； 自动控制系统示例； 自动控制的分类； 自动控制的基本要求； 课程主要内容及关系； 典型输入信号。,26,一、自动控制基本方式反馈控制,反馈控制原理：在系统存在扰动的情况下，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，实现控制装置对被控对象的控制。如人取桌上书的过程：,27,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
11、断开，压缩机停止工作。,恒温系统的方框图,28,控制任务：,维持水箱内水位恒定；,控制装置：,气动阀门、控制器；,受控对象：,水箱、供水系统；,被控量：,水箱内水位的高度；,29,给定值：,控制器刻度盘指针标定的预定水位高度；,测量装置：,浮子；,比较装置：,控制器刻度盘；,干扰：,水的流出量和流入量的变化都将破坏水位保持恒定；,30,典型的反馈控制系统基本组成框图：,反馈控制方式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。,31,给定环节：产生给定输入信号（即参据量）的环节。 测量环节：用于检测被控制量的装置。 比较环节：其功能是将给定的输入信号与测量环节得到的被控制量的实际值加以比
12、较，求出偏差。 执行环节：按控制环节的控制决策，具体实施对控制对象的操作。 放大元件：偏差信号的放大，用以推动执行元件 校正元件：也叫补偿元件以改善系统性能。其结构和参数便于调整。,反馈控制系统的基本组成,32,控制器与被控对象间只有顺向作用而无反向联系的控制过程。,自动售货机，自动报警器，自动流水线等。,自动控制方式开环控制,工作机械的恒速控制（如稳定刀具转速）以及电源系统的稳压，稳频控制。,特点： （1）输出不影响输入，对输出不需要测量，易实现； （2）组成系统的元部件精度高，系统的精度才能高； （3）系统的稳定性不是主要问题；,33,自动控制方式-复合控制方式按偏差控制和按扰动控制相结合
13、的控制方式。,实质上，它是在闭环控制回路的基础上，附加了一个输入信号或扰动作用的顺馈通路，来提高系统的控制精度。,a.按输入作用补偿,b.按扰动作用补偿,34,蒸汽机速度控制系统,定值控制系统方框图,二、自动控制系统示例,35,水温复合控制系统,36,程序控制系统,放大 整形,计算机,D/A,SCR,电阻炉,反馈元件,比较 元件,放大整形电路,功率放大器,A/D,被控 对象,测量 元件,80C196 单片机,37,三、自动控制系统的分类,开环控制 闭环控制(反馈控制) 复合控制,（1）按控制方式分,机械、电气、机电、液压和生物系统等,（2）按元件类型分,（3）按系统功用分,温度控制系统 压力控
14、制系统 位置控制系统 ,38,线性、非线性系统 连续、离散系统 定常系统、时变系统 确定性系统、不确定性系统,（4）按系统性能分,恒值控制系统（自动调节系统）过程控制系统,随动系统（跟踪系统）伺服系统,程序控制系统,（5）按参据量 变化规律分,39,线性连续控制系统,系数a0， ， an，b0, bn是常数时，称为定常系统；系数a0，an，b0, bn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。,线性离散控制系统,40,四、对自动控制系统的基本要求,已知系统的结构、参数，在某种典型输入信号下，被控量变化的全过程要求为稳定性（长期
15、稳定性）、准确性（精度）和快速性（相对稳定性）。,稳,准,快,稳定性：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决定与外界因素无关。,“稳”与“快”是说明系统动态（过渡过程）品质。“准”是说明系统的稳态（静态）品质。,41,稳 指动态过程的平稳性,控制系统动态过程曲线,如上图，系统在外作用作用下，输出逐渐与期望值一致，则系统稳定的，如曲线所示；反之，输出如曲线所示，则系统是不稳定的。,42,快 指动态过程的快速性,快速性即动态过程进行的时间的长短。过程时间越短，说明系统快速性越好，反之说明系统响应迟钝。如曲线所示。,稳和快反映了系统过渡过程的性能的好坏。既快
16、又稳，表明系统的动态精度高；,43,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。稳定高射炮射角随动系统，虽然炮身最终能跟踪目标，但如果目标变动迅速，而炮身行动迟缓，仍然抓不住目标。 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。显然，这种误差越小，表示系统的输出跟随参考输入的精度越高。,44,五.课程的主要内容及其相互关系,自动控制是实现各种复杂的控制任务，首先要将控制对象和控制装置按照一定方式连接起来，组成一个有机的总体，即自动控制系统。本课程主要介绍经典控制理论的分析方法，以线性控制系统为主要分析对
17、象，同时简单介绍了非线性系统的一般分析方法及离散系统的基础理论。本课程的主要内容及相互之间的关系如图 所示。,45,课程的主要内容及相互之间的关系,46,控制系统设计过程(补充),1、确立控制目标,2、确定控制变量,3、给定各变量控制要求（设计指标）,4、确定系统结构、选择执行机构,5、建立对象、执行机构和传感器模型,6、建立控制器模型，选择关键待调参数,7、优化系统参数，分析系统性能,若性能满足设计要求，设计工作结束,不满足,47,六.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
18、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。,48,典型输入作用 脉冲函数：,理想单位脉冲函数： 定义： ，且 ，其积分面积为1。,其拉氏变换后的像函数为：,49, 阶跃函数：,其拉氏变换后的像函数为：,典型输入作用,50,典型输入作用,其拉氏变换后的像函数为：,其拉氏变换后的像函数为：,51,典型输入作用,提示：上述几种典型输入信号的关系如下：, 正弦函数：,式中，A为振幅， 为频率。,52,（1）若输入信号随时间线性增加，这是一种恒速信号； （2）若输入信号随时间平方倍增加，是一种抛物线信号； （3）舰船
19、受海浪的拍打，海浪的变化规律当作正弦信号； （4）若作用于系统的信号具有突变性质，看作阶跃信号； （5）若系统受两个信号作用，信号的性质是冲击性质，而两个信号作用时间间隔较短，且方向相反，那么就可把这种输入当作脉冲信号来处理。如果满足前文所述三个条件就可当做理想单位脉冲信号。 （6）更复杂信号可看成这五种信号的合成。,分析系统特性究竟采用何种典型输入信号，取决于实际系统在正常工作情况下最常见的输入信号形式。,53,典型信号的实验容易实现： （1）这些信号在实验室容易制造出来。如阶跃信号是突然的一合闸；脉冲信号是满足前文所述三个条件的一合一拉闸等。 （2）系统的动态特性与输入信号形式无关。加一定的输入信号只不过是测试系统性能的一种手段，因此，输入信号只要能实现，越简单越好。,
