1、1,自动控制原理,任课老师：马宝萍,2,3,哈佛大学图书馆馆训,1.现在睡觉的话，会做梦；而现在学习的话，会让梦实现。 2.我无所事事的度过了今天，是昨天死去的人们所期望的明天。 3.学习不是人生的全部，但学习都征服不了，那你还能做什么？ 4.今天不想走，明天就要跑了。 5.此刻睡觉的口水将变成明天流下的泪水。,4,第1章 绪论,主要内容1.1 引言1.2 自动控制的基本知识1.3 自动控制系统的分类1.4 自动控制系统的基本组成1.5 对控制系统的要求1.6 自动控制理论的发展概况,5,自动控制的起源,图1.（a）开发于18世纪80年代的离心调速器对点燃英国工业革命的瓦特蒸汽发动机（b）的成
2、功实现起了关键作用。（图片由Richard Adamek (1999年版权)和剑桥大学提供。）,1788年 离心调速器 瓦特,1.1 引言,6,波音777飞机,磁盘驱动器,发展到今天，自动控制应用在很多领域,7,在当今时代，自动控制所起的作用越来越重要：空间飞行器的导航和控制系统 制造业中的控制系统 工业过程控制系统 通讯系统的控制,自动控制发展的未来方向 航空航天与运输 信息与网络 机器人技术和智能机械 材料及加工,这是一个充满机遇和挑战的领域！,8,控制论的提出维纳著控制论，或关于在动物和机器中控制与通讯的科学，1948年出版维纳(1894-1964)，美国数学家，控制论创始人,可以说，没
3、有控制论的建立和发展，就没有今天 这样高度发达的自动化技术。,9,钱学森的工程控制论英文版(Engineering Cybernetics)，1954 年出版。工程控制论则被界定为研究控制论这门科学中能够直接用在控制系统工程设计的那些部分.钱学森指出控制论在系统科学体系结构中的定位，为复杂巨系统的建模、分析、运筹和控制问题提供了理论基础和方法论依据。,10,如何学好这门课程？1、认真掌握基本原理；2、多看参考书，多做练习题，分析实例；3、利用Matlab软件进行计算机辅助分析。,11,经典教材,胡寿松主编，自动控制原理，第四版，科学出版社，2001。 绪方胜彦著，卢伯英等译，现代控制工程，第四
4、版，电子工业出版社。 Richard C.Dorf等著，谢红卫等译，现代控制系统，第八版，高等教育出版社。,12,推荐阅读,控制论，维纳著.工程控制论，钱学森著.信息爆炸时代的控制关于控制、动力学和系统未来方向的专家小组报告，2002年6月30日,13,网络资源,国防科学技术大学生自动控制原理精品课程网站 http:/ 自动控制问题的提出一个简单的水箱液面，因生产和生活需要，希望液面高度h 维持恒定。当水的流入量与流出量平衡时，水箱的液面高度维持在预定的高度上。,1.2 自动控制和自动控制系统,当水的流出量增大或流入量减小，平衡则被破坏，液面的高度不能自然地维持恒定。,16,所谓控制就是强制性
5、地改变某些物理量（如上例中的进水量），而使另外某些特定的物理量（如液面高度h）维持在某种特定的标准上。人工控制示意图：,这种人为地强制性地改变进水量，而使液面高度维持恒定的过程，即是人工控制过程。,17,1.2.2 自动控制的定义及基本职能元件1.自动控制的定义自动控制就是在没有人直接参与的情况下，利用控制器使被控对象（或过程）的某些物理量（或状态）自动地按预先给定的规律去运行。,浮子,当出水与进水的平衡被破坏时，水箱水位下降(或上升)，出现偏差。这偏差由浮子检测出来，自动控制器在偏差的作用下，控制阀门开大(或关小)，对偏差进行修正，从而保持液面高度不变。,18,2. 自动控制的基本职能元件自
6、动控制的实现,实际上是由自动控制装置来代替人的基本功能，从而实现自动控制的。画出以上人工控制与自动控制的功能方框图进行对照。,眼睛 浮子 大脑 自动控制器肌肉、手 执行元件,19,比较两图可以看出，自动控制实现人工控制的功能，存在必不可少的三种代替人的职能的基本元件：,20,测量元件与变送器（代替眼睛）；自动控制器（代替大脑）；执行元件（代替肌肉、手）。这些基本元件与被控对象相连接，一起构成一个自动控制系统。下图是典型控制系统方框图。,21,1.2.3 自动控制中的一些术语及方框图1.常用术语控制（被控）对象被控制的设备或过程（如水箱）； 被控量c(y) 表征设备或过程运行情况或状态， 并需要
7、严格加以控制的物理量，也可称为系统的输出。（如液位） 给定值（参考输入）r 被控量应保持的期望值；（如液位高度） 控制量（操作量）u 能够引起被控量变化，并且被用作调节手段的参数；（如阀门开度） 扰动d 引起被控量变化的因素，包括内扰、外扰；（如用水量） 偏差e 是对象受到扰动后，被控量与给定值之间的差值；,22,自动控制系统的任务可概括为：,使对象的被控量等于给定值，c(t)=r(t),23,2.系统方框图,24,控制器,设定温度Td(t),室内温度 T(t),比较器,室内温度 测量,空调 压缩机,例1：空调控制系统,25,例2：汽车方向控制系统,26,控制器,驾车人,汽车,实际 方向,比较
8、器,视觉测量,偏差,方向盘,预期 方向,汽车方向控制系统原理图,27,3.反馈与反馈控制的概念,反馈 系统的输出经过测量、变送元件送回系统的输入端，这一过程称为反馈。若反馈信号与给定值信号极性相反，则称为负反馈；若极性相同，则称为正反馈。 由前向通道、反馈通道形成一个闭合回路，称为闭环控制系统。由于具有反馈，也称“反馈控制系统”。 反馈控制是自动控制系统最基本的控制方式，也是应用最广泛的一种控制系统。,28,1.3 自动控制系统的分类,常用的自动控制系统分类方法包括：按信号的传递路径来分 按系统输入信号的变化规律不同来分 按系统传输信号的性质来分 按描述系统的数学模型不同来分 其它分类方法,2
9、9,1.3.1 按信号的传递路径分类,1开环控制系统定义：指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。如工业上使用的数字程序控制机床：,图纸,位移,程序,指令,放大器,执行 机构,微型 计算机,切削刀具,工作机床,30,直流电动机转速控制系统,31,电风扇的控制,电机 （执行机构）,风扇叶片 （控制对象）,开关或程序控制器,控制电压,32,开环控制的特点：（1）结构简单，成本低，调整方便；（2）在系统方框图中，作用信号是单方向传递的（3）控制器无法克服扰动，自动修正偏差；开环控制适用于：输入-输出关系已知，且系统不存在干扰（或扰动微弱）的场合。,33,2闭环控
10、制系统定义：系统中存在信号的闭合回路，或者输入端与输出端之间存在反馈的系统，称为闭环控制系统或反馈控制系统。,测量元件,图纸,位移,放大器,执行机构,微型 计算机,切削刀具,工作机床,微型计算机控制机床（闭环系统）,34,直流电动机转速闭环控制,35,闭环控制的优点：基于偏差的控制，可以抑制任何内、外扰动对控制量的影响，控制精度较高。闭环控制的缺点：（1）结构复杂，成本较高；（2）只有在偏差出现后才产生控制作用,36,3复合控制系统复合控制是闭环控制和开环控制相结合的一种方式。它是在闭环控制等基础上增加一个干扰信号的补偿控制，以提高控制系统的抗干扰能力。,37,增加干扰信号的补偿控制作用，可以
11、在干扰对被控量产生不利影响的同时及时提供控制作用以抵消此不利影响。纯闭环控制则要等待该不利影响反映到被控信号之后才引起控制作用，对干扰的反应较慢。两者的结合既能得到高精度控制，又能提高抗干扰能力。,38,1.3.2 按给定信号分类,1、恒值控制系统输入信号是一个恒定的数值。恒值控制系统主要研究各种干扰对系统输出的影响以及如何克服这些干扰，把输入、输出量尽量保持在希望数值上。（例如：液位控制，电机转速控制） c(t) = r(t) = const.2、程序控制系统输入信号是一个已知的时间函数，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。（例如：数控机床加工系统）恒值控制系统也可看
12、作是程序控制系统的特例。c(t) = r(t)， r(t)为已知时间函数。,39,3、随动控制系统（或称伺服系统）这类系统的特点是输入信号是一个未知函数，要求输出量跟随给定量变化，也称为跟踪控制。(例如：火炮自动跟踪系统，显示记录仪，跟踪卫星的雷达天线控制系统等）c(t) = r(t)， r(t)为未知时间函数。,40,1.3.3 按描述系统的数学模型分类,1、线性系统由线性元件构成的系统叫线性系统。其运动方程为线性微分方程。若各项系数为常数，则称为线性定常系统。其运动方程一般形式为:式中：u(t) 系统的输入量；y(t) 系统的输出量。,主要特点：具有叠加性和齐次性，即当系统的输入分别为r1
13、(t)和r2(t)时，对应的输出分别为c1(t)和c2(t)，则当输入为r(t)=a1r1(t)+a2r2(t)时，输出量为c(t)=a1c1(t)+a2c2(t), 其中为a1、a2为常系数。,41,2、非线性系统,在构成系统的环节中有一个或一个以上的非线性环节时，则称此系统为非线性系统。典型的非线性特性有饱和特性、死区特性、间隙 特性、继电特性、磁滞特性等。如图1-16所示。非线性特性可分为：非本质非线性和本质非线性两大类。,42,图1-16 非线性元件静特性举例,43,严格来说，任何物理系统的特性都是非线性的。但为了研究问题的方便，许多系统在一定的条件下，一定的范围内，可以近似地看成为线
14、性系统来加以分析研究，其误差往往在工业生产允许的范围之内。非线性的理论研究远不如线性系统那么完整和成熟，一般只能近似的定性描述和数值计算。,44,1.3.4 按信号传递的连续性划分1.连续系统系统各部分的信号都是时间变量的连续函数时，称为连续系统，其运动状态或特性一般能用微分方程来描述。连续系统中各元件传输的信息在工程上称为模拟量，其输入输出一般用r(t)和c(t)表示。 采用常规控制仪表的系统就属于这一类型。,45,2.离散系统当系统中应用了数字计算机或数字控制器时，系统的某处或几处的信号以脉冲序列或数码的形式传递，这类系统称为离散系统。离散系统的运动状态一般用差分方程描述。实际物理系统中，
15、往往是控制上的需要，人为地将连续信号离散化，我们称其为采样。,46,输出,输入 +,A/D,计算机,D/A,放大器,执行器,被控 对象,反馈 装置,图1-19 计算机控制系统结构图,数字控制器,47,1.3.5 其它分类方法,自动控制系统还有其他的分类方法: (1)按系统的输入/输出信号的数量来分:有单输入/单输出系统和多输入/多输出系统。(2)按控制系统的功能来分：有温度控制系统、速度控制系统、位置控制系统等。(3)按系统元件组成来分：有机电系统、液压系统、生物系统。(4)按不同的控制理论分支设计的新型控制系统来分，有最优控制系统，自适应控制系统，预测控制系统，模糊控制系统，神经网络控制系统
16、等等。,48,1.4 自动控制系统的基本组成一个典型的反馈控制系统总是由控制对象和各种结构不同的职能元件组成的。除控制对象外，其他各部分可统称为控制装置。,49,给定元件：其职能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。测量元件：其职能是检测被控量，如果测出的物理量属于非电量，大多情况下要把它转换成电量，以便利用电的手段加以处理。比较元件：其职能是把测量元件检测到的实际输出值与给定元件给出的输入值进行比较，求出它们之间的偏差。,50,放大元件：其职能是将过于微弱的偏差信号加以放大，以足够的功率来推动执行机构或被控对象。执行元件：其职能是直接推动被控对象，使其被控量发生
17、变化。校正元件：为改善或提高系统的性能，在系统基本结构基础上附加参数可灵活调整的元件。工程上称为调节器。常用串联或反馈的方式连接在系统中。,51,1.5 对控制系统的基本要求,当自动控制系统受到干扰或者给定值变化时，被控量就会发生变化，偏离给定值。通过系统的自动控制作用，经过一定的过渡过程，被控量又恢复到原来的稳定值或者稳定到一个新的给定值。被控量在变化过程中的过渡过程称为动态过程（即随时间而变的过程），被控量处于平衡状态称为静态或稳态。,52,常见的被控量变化的动态过程有以下几种。,(a)单调过程,(b)衰减振荡过程,(c)等幅振荡过程,(d)渐扩振荡过程,过程控制系统中的动态过程多属于图(
18、b)的情况。,53,理想情况：控制系统的动态过程不仅要稳定，并且过渡过程时间（又称调整时间）越短越好，振荡幅度越小越好，衰减得越快越好。综上所述，对于一个自动控制的性能要求可以概括为三方面：稳定性，快速性和准确性。(1)稳定性。自动控制系统的最基本的要求是系统必须是稳定的，不稳定的控制系统是不能工作的。通常要求系统绝对稳定且有一定的稳定裕量。,1.5.1 对系统的要求,54,(2)快速性。在系统稳定的前提下，希望控制过程（过渡过程）进行得越快越好，但如果要求过渡过程时间很短，可能使动态误差（偏差）过大。合理的设计应该兼顾这两方面的要求。(3)准确性。即要求动态误差和稳态误差都越小越好。当与快速
19、性有矛盾时，应兼顾这两方面的要求。不同类型的系统，对这三方面的指标要求有所不同，如恒值系统对稳定性和准确性要求严格，随动系统对快速性要求较高。,55,1.5.2 控制系统的分析和设计系统分析与设计是自动控制理论中两大类型问题，是两个互逆的研究过程。 1.系统分析建立系统的数学模型； 分析系统的性能，包括稳态性能和动态性能；分析某个参数变化时对上述性能指标的影响，决定如何合理地选取等。2.系统的设计系统设计的目的，是要给出一个能够实现所要求性能的校正装置或控制器。,56,1.6 自动控制理论的发展概况,自动控制技术的进步 自动控制理论的发展自动控制技术的萌芽： 公元前300年 浮子控制器 希腊人
20、1788年 离心调速器 瓦特,57,58,(一) 经典控制理论阶段19世纪60年代期间是控制理论高速发展的时期： 1868年 麦克斯韦尔（J.C.Maxwell）1877年 劳斯（E.J.Routh）代数稳定性判据1895年 霍尔维茨（A.Hurwitz）代数稳定性判据1892年，李雅普诺夫（A.M.Lyapunov）稳定性定义和分析,59,20世纪40年代末趋于成熟1927年 布莱克 负反馈1942年 齐格勒（J.G.Zigler）尼科尔斯（N.B.Nichols）PID整定法1932年 柰奎斯特（Nyquist）频域稳定性判据1940年 波德(H.Bode) Bode图分析法1948年 伊
21、文斯（W.Evans）根轨迹法,60,总结:经典控制理论以传递函数作为系统数学模型，采用复数域的分析方法,并结合图表进行分析设计，比求解微分方程简便。优点:可通过试验方法建立数学模型，物理概念清晰，得到广泛的工程应用。缺点:只适应单变量线性定常系统，对系统内部状态缺少了解，且复数域方法研究时域特性，得不到精确的结果。,61,(二) 现代控制理论阶段1957年 贝尔曼(R.Bellman) 动态规划1960年 庞特里雅金(L.S.Pontryagin) 极大值原理1960年 卡尔曼（R.E.Kalman）卡尔曼滤波器状态空间方法属于时域方法，其核心是最优化技术。它以状态空间表达式（实质上是一阶微
22、分或差分方程组）作为数学模型，利用计算机作为系统建模分析、设计乃至控制的手段，适应于多变量、非线性、时变系统。,62,20世纪70年代开始，出现了一些新的控制方 法和理论，例如（1）现代频域方法，该方法以传递函数矩阵为数学模型，研究线性、定常、多变量系统；（2）自适应控制理论和方法，该方法以系统辨识和参数估计为基础，处理被控对象不确定和缓时变，在实时辨识基础上在线确定最优控制规律；（3）鲁棒控制方法，该方法在保证系统稳定性和其它性能基础上，设计不变的鲁棒控制器，以处理数学模型的不确定性；,(三) 大系统控制理论阶段,63,（4）预测控制，该方法为一种计算机控制算法，在预测模型的基础上采用滚动优
23、化和反馈校正，可以处理多变量系统。随着控制理论应用范围的扩大，人们开始了对大系统理论的研究。大系统理论是过程控制与信息处理相结合的综合自动化理论基础，是动态的系统工程理论，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。大系统理论目前仍处于发展和开创性阶段。,64,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: 模型的不确定性高度非线性分布式的传感器和执行 庞大的数据量严格的特性指标环境的复杂性：变化的不确定性和难以辨识智能控制的方法包括模糊控制，神经元网络控制，专家控
24、制等方法。,(四) 智能控制阶段,65,小结,本章首先介绍了什么是自动控制，介绍了自动控制理论中常用的术语：被控对象，参考输入信号（给定值信号），扰动、偏差信号、被控量、控制量和自动控制系统等。本章介绍了自动控制系统的组成及其方框图。说明什么是开环控制系统和闭环控制系统，并指出实际生产过程的自动控制系统，绝大多数是闭环控制系统，也就是负反馈控制系统。本章还介绍了自动控制系统的若干分类方法。,66,本章介绍了对自动控制系统的性能要求，即稳定性、快速性和准确性。一个自动控制系统的最基本要求是稳定性，然后进一步要求快速性和准确性，当后两者存在矛盾时，设计自动控制系统要兼顾两方面的要求。本章最后一节介绍了自动控制理论发展的四个阶段，即经典控制理论，现代控制理论，大系统理论和智能控制理论阶段。,67,南京师范大学信息化教学网 http:/ 王广雄教授 http:/
