1、自动控制原理,主讲：黄国宏,Email：h_ Tel:13268129152,教材及主要参考书,自动控制原理 李玉惠 晋帆主编 向凤红主审 清华大学出版社 2008参考书 自动控制原理 陈玉宏 向凤红主编 重大出版社 2002 自动控制原理 王建辉 主编 清华大学出版社 2006 自动控制理论与设计 上海交大出版社 徐薇莉等 Automatic Control SystemBenjamin C. Kuo（高教出版社 ）,第一章 自动控制系统的基本概念,1.1 基本概念 1.2 控制理论的发展历史 1.3 自动控制系统简介 1.4 自动控制系统分类 1.5 工程问题的基本要求,自动控制是在没有人
2、参与的情况下，系统的控制器自动地按照人预定的要求控制设备或过程，使之具有一定的状态和性能。,1.1 基本概念,什么是自动控制？,什么是自动控制系统？,具有自动控制功能的系统称为自动控制系统。,自动控制的自然和人造系统,人体自然系统体温控制系统心跳控制系统眼球聚焦系统新陈代谢系统血液系统呼吸系统肾肝肺系统这些系统持续的自动控制 是我们保持健康的基本条件这些系统是在我们非有意 识干预的情况下自动运行的,自动控制的自然和人造系统,天体自然系统银河系的恒星运动,自动控制的自然和人造系统,季节自然系统四季气候变更,自动控制的自然和人造系统,人造系统全自动洗衣机 电冰箱 电饭煲 电梯控制系统 温度控制系统
3、 水位控制系统 速度控制系统 刹车防抱死系统,如图所示为一个热力系统。通过调节蒸汽阀门，使流出的热水保持一定的温度。如果由手工控制，就要求控制者观测温度计的指示值，调节阀门开关的开度。调节方法为：如果温度计的指示值高于期望值，则关小阀门，降低热水温度；否则，开大阀门，升高热水温度，从而使流出的热水保持设定的温度。,例1 热力系统,例2 直流电动机速度控制系统,如图所示直流电动机速度控制系统。控制目标是使电动机稳定在要求的转速上运行。从图中可见，对应滑动电阻器的触点的某一位置，有一给定电压，经过放大器放大后，即为电动机电枢电压。在没有任何扰动的情况下，对应滑动电阻器的触点的某一位置，则有一电机转
4、速与之对应。,上述两个系统都是由人工控制的，可以看出，人在控制过程中起三个作用： （1）观测：用眼睛去观测温度计和转速表的指示值；（2）比较与决策：人脑把观测得到的数据与要求的数据相比较，并进行判断，根据给定的控制规律给出控制量；（3）执行：根据控制量用手具体调节，如调节阀门开度、改变触点位置。,自动控制系统结构框图,在自动控制中，用控制装置代替人来完成上述功能。例如，自动控制热力系统如下图所示。,手动控制热力系统图,自动控制热力系统图,直流电动机自动调速系统如图所示,直流电机自动调速系统,直流电机速度控制系统,就是研究自动控制共同规律的技术科学。主要讲述自动控制的基本理论与控制系统的分析和设
5、计方法等内容。,什么是自动控制原理？,自动控制原理的应用背景,机械转速、位置的控制、工业过程中温度、压力、流量的控制；远洋巨轮以及深水潜艇的控制；飞机自动驾驶、神舟飞船的返回控制到“勇气”号、“机遇”号的火星登陆控制。,1.2 控制理论的发展历史,一般来说，控制理论的产生和发展可以分为以下几个阶段的发展：经典控制理论的产生和发展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阶段：一、萌芽阶段如果要追朔自动控制技术的发展历史,早在两千年前就有了控制技术的萌芽。,1、两千年前我国发明的指南车，就是一种开环自动调节系统。,指南车1,指南车2,晋书上才较为明确：“司南车，一
6、名指南车，驾四马，其下制如楼，三级；四角金龙衔羽葆；刻木为仙人，衣羽衣，立车上，车虽回运而手常指南。,2、公元10861089年(北宋哲宗元祐初年），我国发明的天文计时仪器-水运仪象台，就是一种闭环自动调节系统。,水运仪象台,二、起步阶段,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,瓦 特,三、发展阶段,1、1868年马克斯韦尔（J.C.Maxwell）利用微分方程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。,2、1895年劳斯（Routh）与赫尔维茨（Hu
7、rwitz）把马克斯韦尔的思想扩展到高阶微分方程描述的更复杂的系统中,各自提出了两个著名的稳定性判据劳斯判据和赫尔维茨判据。基本上满足了二十世纪初期控制工程师的需要。,二十世纪初第二次世界大战，军事工业发展很快 3、由于第二次世界大战需要控制系统具有准确跟踪与补偿能力，1932年奈奎斯特（H.Nyquist）提出了频域内研究系统的频率响应法，为具有高质量的动态品质和静态准确度的军用控制系统提供了所需的分析工具。,4、1948年伊凡斯（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凡斯的根轨迹法基础上的理论，称为经典（古典）控制理论（或自动控制理论）。,四、
8、标志阶段,1、1947年控制论的奠基人美国数学家韦纳（N.Weiner）把控制论引起的自动化同第二次产业革命联系起来，并与1948年出版了控制论关于在动物和机器中控制与通讯的科学，书中论述了控制理论的一般方法，推广了反馈的概念，为控制理论这门学科奠定了基础。,控制之父韦纳,2、我国著名科学家钱学森将控制理论应用于工程实践，并与1954年出版了工程控制论。,钱学森,从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。,现代控制理论的产生和发展
9、,在二十世纪五十年代末开始，随着计算机的飞速发展，推动了核能技术、空间技术的发展，从而对出现的多输入多输出系统、非线性系统和时变系统的分析与设计问题的解决。科学技术的发展不仅需要迅速地发展控制理论，而且也给现代控制理论的发展准备了两个重要的条件现代数学和数字计算机。现代数学，例如泛函分析、现代代数等，为现代控制理论提供了多种多样的分析工具；而数字计算机为现代控制理论发展提供了应用的平台。,1、五十年代后期，贝尔曼（Bellman）等人提出了状态分析法；在1957年提出了动态规则。,2、1959年卡尔曼（Kalman）和布西创建了卡尔曼滤波理论；1960年在控制系统的研究中成功地应用了状态空间法
10、，并提出了可控性和可观测性的新概念。,3、1961年庞特里亚金（俄国人）提出了极小（大）值原理。,鲁棒控制理论阶段,1、由于现代数学的发展，结合着H2和H等范数而出现了H2和H控制，还有逆系统控制等方法。2、20世纪70年代末，控制理论向着“大系统理论”、“智能控制理论”和“复杂系统理论”的方向发展：,大系统理论：用控制和信息的观点，研究各种大系统的结构方案、总体设计中的分解方法和协调等问题的技术基础理论。智能控制理论：研究与模拟人类智能活动及其控制与信息传递过程的规律，研制具有某些拟人智能 的工程控制与信息处理系统的理论。,复杂系统理论：把系统的研究拓广到开放复杂巨系统的范筹，以解决复杂系统
11、的控制为目标。回顾控制理论的发展历程可以看出，它的发展过程反映了人类由机械化时代进入电气化时代，并走向自动化、信息化、智能化时代。,现代控制理论与经典控制理论的差异,1.3 自动控制系统的组成及术语,控制 对于人-机系统，为使某一机器、设备或过程处于希望的状态而对其进行的操作，称为控制。人工控制 在人直接参与下完成的控制，称为人工控制。,自动控制 指在无人直接干预下，利用物理装置使被控对象或生产过程的某一物理量（如温度、压力、PH值等）按照预期的规律运行。例如矿井提升机速度的控制、水泥回转窑湿度的控制、造纸厂纸浆浓度的控制、轧钢厂加热炉温度的控制、物料传输机速度的控制等等。,控制装置 这种能代
12、替人对生产设备和工艺过程施加控制作用的装置，称为自动控制装置或控制器。 被（受）控对象 被控制的机器、设备或过程称为受控对象或对象。如提升机、回转窑、加热炉等。 被控量 被控制的物理量称为被控量或输出量。被控量是表征受控对象工作状态的物理量，即速度、湿度、浓度、炉温、电压等。,执行元件直接改变被控变量的元件称为执行元件。传感器（测量元件）能够将一种物理量检测出来并转化成另一种容易处理和使用的物理量的装置称为传感器或测量元件。,给定量 决定被控量的物理量称为给定量或参考输入。给定量表征被控量的期望值或受控对象的期望状态。 扰动量 妨碍给定量对被控量进行正常控制的所有因素称为扰动量。如果扰动量产生
13、在系统内部称为内扰；扰动量产生在系统外部称为外扰。给定量和扰动量都是自动控制系统的输入量。,系统 由一些相互联系和相互制约的环节组成并具有特定功能的整体称为系统。在工业生产中，一台机器、一套设备或任意工艺过程，如加热炉、扎钢机、核反应堆等都称为系统。,自动控制系统 为实现某一控制目标所需要的所有物理部件的有效组合体。自动控制系统由自动控制装置与被控对象组成。控制系统一般按被控量命名，如速度控制系统、压力控制系统、温度控制系统等。,图 1 1 室温控制系统元件框图,图中方块表示元部件, 方框之间的有向线段代表信号(或变量)及其传递方向。,室内的空气就是被控对象,室内温度是被控变量, 空调器是执行
14、元件, 放大器是控制器, 热敏电阻属于传感器或测量元件。,图 1 - 2 室温控制系统方框图,1.4 自动控制系统分类,按照控制方式和策略, 系统可分为开环控制系统和闭环控制系统两大类。 1.开环控制系统 如果控制系统的被控量对系统没有控制作用，这种控制系统称为开环控制系统。,开环控制系统的控制原理图,控制装置与受控对象之间只有顺向作用而无反向联系,电动机速度控制系统,2. 闭环控制系统或反馈控制系统,如果系统的被控量直接或间接地参与控制，这种系统称为闭环控制系统或更直接地称为反馈控制系统。,反馈控制系统的控制原理图,a 原理图,b 方框图,炉温控制系统,开环控制与反馈控制的比较开环控制系统优
15、点 :结构简单，成本低廉，工作稳定，当输入信号和扰动能预先知道时，控制效果较好。缺点：不能自动修正被控制量的偏离，系统的元件参数变化以及外来的未知扰动对控制精度影响较大。闭环控制系统优点：具有自动修正被控制量出现偏离的能力，可以修正元件参数变化以及外界扰动引起的误差，控制精度高。缺点：被控量可能出现振荡，甚至发散。,按照系统是否满足叠加原理, 系统可分为线性系统和非线性系统两类。3. 线性控制系统和非线性控制系统这是根据分析和设计系统的方法来分类的。定义：如果一个系统具有下列性质：（1）输入x1(t) 产生输出 y1(t) ；（2）输入 x2(t) 产生输出 y2(t) ；（3）输入c1x1(
16、t)+c2x2(t)产生输出 c1y1(t)+c2y2(t) ；其中，x1(t) 、x2(t) 是任意的输入信号，c1、c2是任意的常数，则该系统是线性系统，否则是非线性系统。,叠加原理在线性系统中，由 n个输入xi(t) (i=1、2n）共同产生的输出y(t)，等于各个输入xi(t)单独产生的输出之yi (t)和，即：,因此，线性系统满足叠加原理。反之，满足叠加原理的系统是线性系统。,从上面的叙述可以看出，“线性”性和叠加原理是等价的。,按照输入信号分类, 控制系统可分为定值控制系统、伺服系统和程序控制系统。4. 定值控制系统、 伺服系统和程序控制系统定值控制系统的输入信号是恒值, 要求被控
17、变量保持相对应的数值不变。室温控制系统、直流电机转速控制系统、发电厂的电压频率控制系统、高精度稳压电源装置中的电压控制系统等都是典型的定值控制系统。,伺服系统的输入信号是变化规律未知的任意时间函数, 系统的任务是使被控变量按照同样规律变化并与输入信号的误差保持在规定的范围内。导弹发射架控制系统、雷达天线控制系统等都是典型的伺服控制系统。当被控量为位置或角度时, 伺服系统又称为随动系统。,程序控制系统中的输入信号是按已知的规律(事先规定的程序)变化的, 要求被控变量也按相应的规律随输入信号变化, 误差不超过规定值。热处理炉的温控系统、机床的数控加工系统和仿形控制系统等都是典型的程序控制系统。,5
18、. 连续控制系统和离散控制系统 控制系统中各部分的信号若都是时间t的连续函数, 则称这类系统为连续控制系统。在控制系统各部分的信号中只要有一个是时间t的离散信号, 则称这类系统为离散控制系统。离散模型是计算机控制的最主要模型。 ,6 定常系统和时变系统,定常系统,如果描述系统特性的微分方程中各项系数都是与时间无关的常数,则称为定常系统。该类系统只要输入信号的形式不变,在不同时间输入下的输出响应形式是相同的。,时变系统,如果描述系统特性的微分方程中只要有一项系数是时间的函数,此系统称为时变系统。,7 单输入单输出系统与多输入多输出系统,单输入单输出系统(单变量系统),系统的输入量和输出量各为一个
19、,称为单输入单输出系统。,多输入多输出系统(多变量系统),若系统的输入量和输出量多于一个，称为多输入多输出系统。对于线性多输入多输出系统，系统的任何一个输出等于数个输入单独作用下输出的叠加。,1.5 工程控制问题的基本要求,自动控制系统是否能很好地工作,是否能精确地保持被控量按照预定的要求规律变化这取决于被控对象和控制器及各功能元器件的特性参数是否设计得当。 在理想情况下，控制系统的输出量和输入量在任何时候均相等，系统完全无误差，且不受干扰的影响。,实际系统中,由于各种各样原因,系统在受到输入信号(也包括扰动信号)的激励时，被控量将偏离输入信号作用前的初始值，经历一段动态过程(过渡过程)，则系
20、统控制性能的优劣，可以从动态过程中较充分地表现出来。,控制精度是衡量系统技术性能的重要尺度。一个高品质的系统，在整个运行过程中，被控量对给定值的偏差应该是最小的。,1.5.1 稳定性(稳),稳定工作是所有自动控制系统的最基本要求,是系统能否工作的前题。不稳定的系统根本无法完成控制任务。考虑到实际系统工作环境或参数的变动,可能导致系统不稳定，因此，我们除要求系统稳定外，还要求其具有一定的稳定裕量。,考虑动态过程在不同阶段中的特点，工程上通常从稳、准、好三个方面来衡量自动控制系统。,1.5.2 稳态精度(准),1.5.3 动态过程(好),稳态精度是指系统过渡到新的平衡工作状态以后,或系统对抗干扰重
21、新恢复平衡后，最终保持的精度。稳态精度与控制系统的结构及参数，输入信号形式有关。,动态过程是指控制系统的被控量在输入信号作用下随时间变化的全过程,衡量动态过程的品质好坏常采用单位阶跃信号作用下过渡过程中的超调量，过渡过程时间等性能指标。,1.6 自动控制课程的主要任务,本课程的主要内容是阐述构成、分析和设计自动控制系统的基本理论。对实际系统，建立研究问题的数学模型，进而利用所建立的数学模型来讨论构成、分析、综合自动控制系统的基本理论和方法。,作为研究自动控制系统的分析与综合的方法来说，对单输入单输出系统常采用的是时域法、频域法、根轨迹法以及目前广泛应用的计算机辅助设计。,作业,1、如题图所示炉温控制系统，要求：（1）指出系统输出量、给定输入量、扰动输入量、被控对象和自动控制器的各组成部分并画出方块图；（2）说明该系统是怎样得到消除或减少偏差的。,P13 1.1，1.3，1.6,本章结束,
