1、自动控制原 理,第1章 自动控制系统概述,1.1自动控制理论发展简史 1.2 人工控制和自动控制 1.3 开环控制系统和闭环控制系统 1.4 自动控制系统的组成 1.5 自动控制系统的分类 1.6 自动控制系统的应用实例 1.7 对自动控制系统的基本要求 1.8 本课程研究的主要内容,1.1 自动控制理论发展简史,自动控制理论是在人类认识自然与改造自然的历史中不断发展、完善起来的。它是自动控制技术的理论基础，是研究关于自动控制系统组成、分析和设计的一般性理论，是研究自动控制共同规律的一门技术科学。根据发展的不同阶段，其内容可分为经典控制理论、现代控制理论和智能控制理论。,第一阶段:经典(自动)
2、控制理论,经典控制理论即古典控制理论,也称为自动控制理论。它的发展大致经历了以下几个过程： 一 萌芽阶段如果要追朔自动控制技术的发展历史,早在两千年前中国就有了自动控制技术的萌芽。,二 起步阶段,1765年俄国人波尔佐诺夫发明锅炉水位调节器。,三 发展阶段,1. 1868年马克斯韦尔（J.C.Maxwell）解决了蒸汽机调速系统中出现的剧烈振荡的不稳定问题，提出了简单的稳定性代数判据。 （时域分析）,马克斯韦尔（J.C.Maxwell）,4.1948年伊万斯（W.R.Ewans）提出了复数域内研究系统的根轨迹法。建立在奈奎斯特的频率响应法和伊万斯的根轨迹法基础上的理论，称为经典（古典）控制理论
3、（或自动控制理论）。,四 标志阶段,50年代中期，添加了非线性系统理论和离散控制理论，形成了完整的理论体系。,2.我国著名科学家钱学森将控制理论应用于工程实践，并于1954年出版了工程控制论。,钱学森,迅速应用于火炮、导弹控制系统，数控、电力、冶金，自动化技术。“工程控制论”已经推广到其它领域：生物控制论：生命系统经济控制论：经济运行与发展问题社会控制论：社会管理与社会服务问题随着计算机技术的发展，控制论无论在内涵上，还是在深度上和广度上都发展变化着，对促进生产的发展和社会进步产生深远的影响。,从上个世纪四十年代到五十年代末，经典控制理论的发展与应用使整个世界的科学水平出现了巨大的飞跃，几乎在
4、工业、农业、交通运输及国防建设的各个领域都广泛采用了自动化控制技术。（可以说工业革命和战争促使了经典控制理论的发展）。,第二阶段（分类） 1.经典控制理论 4050年代，高阶常微分方程以传递函数为基础，研究单输入、单输出系统的分析和设计，针对线性定常系统，主要研究方法有时域分析法、根轨迹法和频率特性法。 2.现代控制理论 6070年代以矩阵理论等近代数学方法作为工具，主要研究方法是状态空间法，把高阶常微分方程转化为一阶常微分方程组来描述系统，解决多输入多输出的问题，可处理多变量、非线性、时变系统。 3.70年代至今 巨大发展中最优控制、系统辨识、多变量控制、自适应控制、专家系统、人工智能、神经
5、网络控制、模糊控制、大系统理论等等 。,1.2 人工控制和自动控制,控制系统基本概念 1. 控制（Control ）：根据某种原理或方法，使特定对象（被控对象）的某些物理量（被控量）按照预期规律变化的操纵过程。 2.人工控制（Manual Control） ：由人直接或间接操作执行装置的控制方式； 3.自动控制（Automatic Control）：无需人去直接或间接操纵执行机构，利用控制装置控制，被控制量自动地按预定的规律变化的过程。,1.2.1人工控制 示例水位控制系统,被控对象：水池水池 被控量：水池的水位,观测实际水位，将期望的水位值与实际水位相比较，两者之差为误差。根据误差的大小和方
6、向调节进水阀门的开度，即当实际水位高于要求值时，关小进水阀门开度，否则加大阀门开度以改变进水量，从而改变水池水位，使之与要求值保持一致。,人脑：记住水位的期望值； 人眼：观察水池的实际水位；测量（测量反馈机构） 人脑：将水池的期望值-实际值；比较（比较机构） 人手：调节进水阀门的开角，执行控制作用。执行（执行机构）是一个反复观察测量、比较、调整执行的过程，力图将水池水位的期望值与实际值间的差值减为0。,人工控制精度不高，人的反应不够快，不少恶劣的场合人无法参与直接控制。自动控制系统可以解决以上问题。,人工控制的水位恒定系统可用方框图表示。,1.2.2自动控制,当实际水位低于要求水位时，电位器输
7、出电压值为正，且其大小反映了实际水位与水位要求值的差值，放大器输出信号将有正的变化，电动机带动减速器使阀门开度增加，直到实际水位重新与水位要求值相等时为止。,电位计+连杆人脑：记住水位的期望值； 浮子人眼：观察水池的实际水位； 电位计+连杆人脑：反映误差（=水位的期望值-实际值）； 电动机人手：调节进水阀门开度，执行控制作用。是一个反复观察测量、比较、调整执行的过程，力图将水池水位的期望值与实际值间的差值减为0，即误差为0。,控制过程：测量（测量反馈机构）浮子比较（比较机构）电位计+连杆执行（执行机构）电动机,可见，该系统在运行时，无论何种干扰引起水位出现偏差，系统就会进行调节，最终总是使实际
8、水位等于期望值，大大提高了控制精度。该控制系统也可用方框图表示，,可以看出，人工控制系统和自动控制系统非常相似，自动控制系统只不过是把某些装置有机地组合在一起，以代替人的智能而已。这些装置相互配合，承担着控制的职能，通常称之为控制器（或控制装置）。任何一个控制系统，都是由被控对象和控制器两部分所组成的。,1.3 开环控制系统和闭环控制系统,控制系统的类型很多，它们的结构类型和所完成的任务也各不相同。控制系统中最常见的两种控制方式是开环控制和闭环控制，这两种控制的组合即为复合控制，相对应的控制系统称为开环控制系统、闭环控制系统和复合控制系统。,示例：直流电动机转速开环控制系统,给定电压ug经放大
9、后得到电枢电压ua，改变ug可得不同的转速n，该系统只有输入量ug对输出量n的单向控制作用。输出端和输入端之间不存在反馈回路。,1.2.1 开环控制系统,只有输入量的前向控制作用，输出量并不反馈回来影响输入量的控制作用，因而，我们将它称为开环控制系统（Open-Loop Control System）。,开环系统的优点结构简单，系统稳定性好，调试方便，成本低。因此，在输入量和输出量之间的关系固定，且内部参数或外部负载等扰动因素不大，或这些扰动因素可以预测并进行补偿的前提下，应尽量采用开环控制系统。开环控制的缺点当控制过程中受到来自系统外部的各种扰动因素，如负载变化、电源电压波动等，以及来自系统
10、内部的扰动因素，如元件参数变化等，都将会直接影响到输出量，而控制系统不能自动进行补偿，抗干扰性能差。因此，开环系统对元器件的精度要求较高。,1.2.2 闭环控制系统,ue=ug-uf,偏差,直流电动机转速闭环控制系统方块图,设上述系统原已在某个给定电压ug相对于的转速n状态下运行，若一旦受到某些干扰（如负载转矩突然增大）而引起转速下降时，系统就会自动地产生相应的调整过程。,偏差始终存在正反馈不能进行控制，会使系统的偏差越来越大。,闭环控制系统（Close-Loop Control System）又称反馈控制系统（Feedback Control System），是在闭环控制系统中，把输出量检测
11、出来，经过物理量的转换，再反馈到输入端去与给定值（参考输入）进行比较（相减），并利用比较后的偏差信号，以一定的控制规律产生控制作用，抑制内部或外部扰动对输出量的影响，逐步减小以至消除这一偏差，从而实现要求的控制性能。,闭环控制的优点抑制扰动能力强，与开环控制相比，对参数变化不敏感，并能获得满意的动态特性和控制精度。闭环控制的缺点引入反馈增加了系统的复杂性，如果闭环系统参数的选取不适当，系统可能会产生振荡，甚至系统失稳而无法正常工作，这是自动控制理论和系统设计必须解决的重要问题。,自动控制理论主要研究闭环控制系统,结论：通过检测、比较得到偏差，由偏差产生控制作用，由控制作用使偏差减少或消除的原理
12、就是自动控制原理也称反馈控制原理。（负反馈）,1.4 自动控制 系统的组成,1.4.1 基本组成部分,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，常常记作输出信号或输出量。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
13、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。,自动控制系统：是由被控对象和自动控制装置按一定方式联结起来的，以完成某种自动控制任务的有机整体。 输入信号：系统的输入信号是指参考输入，又称给定量或给定值，它是控制着输出量变化规律的指令信号。 输出信号：系统的输出信号是指被控对象中要求按一定规律变化的物理量，又称被控量，它与输入量之间保持一定的函数关系。,1.4.2 自动控制系统中常用的名词术语,反馈信号：由系统（或元件）输出端取出并反向送回系统（或元件）输入端
14、的信号称为反馈信号。反馈分为主反馈和局部反馈。 偏差信号：它是指参考输入与主反馈信号之差。偏差信号简称偏差。 误差信号：它是指系统输出量的期望值与实际值之差，简称误差。在单位反馈情况下，误差值也就是偏差值，二者是相等的。 扰动信号：简称扰动或干扰，它与控制作用相反，是一种不希望的、影响系统输出的不利因素。扰动信号既可来自系统内部，又可来自系统外部，前者称为内部扰动，后者称为外部扰动。 外部扰动是不希望的输入信号。,1.5 自动控制系统的分类,1.恒值调节系统：该类系统的输入信号为一常数，扰动使被控量偏离理想值而出现偏差，利用偏差该系统可使被控量回复到理想值或接近理想值。上述的转速闭环控制系统、
15、水位控制系统均属于此类系统。 2.程序控制系统：输入信号为已知的时间函数，如机械加工中的数控机床工作台移动系统。 3.随动系统：这类系统的给定量是时间的未知函数，系统能使被控量准确、快速地跟随给定量变化。随动系统又称伺服系统。火炮自动瞄准系统、船舶自动舵均属此类系统。,1.5.1 按输入信号的特征分,1.线性系统：该类系统的特点在于组成系统的各环节的输入输出特性都是线性的，系统的性能可用线性微分方程（或差分方程）来描述。（满足齐次性与叠加性） 2.非线性系统：该类系统的特点在于系统中含有一个或多个非线性元件。系统的性能需用非线性微分方程（或差分方程）来描述。注意：在实际中，绝大多数对象都具有非
16、线性特性，而大多数仪器仪表也是非线性的，所以很少有真正意义上线性系统，一般是采用线性化措施将非线性系统处理成线性系统，这样就可简化分析和运算。（本质非线性除外）,1.5.2 按描述系统的动态方程分,1.定常系统：特性不随时间变化的系统称定常系统，又称时不变系统。描述定常系统特性的微分方程或差分方程的系数不随时间变化。定常系统分为定常线性系统和定常非线性系统。 2.时变系统：特性随时间变化的系统称时变系统。对于时变系统，其输出响应的波形不仅与输入信号波形有关，而且还与参考输入加入的时刻有关，这一特点，增加了对时变系统分析和研究的复杂性。,1.5.3 按系统参数是否随时间变化而分,1.5.4 按信号的传递是否连续分 1.连续系统：该类系统各环节间的信号均为时间t的连续函数。 2.离散系统：该类系统在信号传递过程中有一处或多处的信号是脉冲序列或数字编码。数字控制系统、采样系统为离散系统。,
