1、自动控制原理,主讲: 季宝杰 电话：13837185701 河南农业大学机电工程学院,1 什么是控制？,通俗地说，控制就是使被控对象按照我们预定的方式工作。 控制系统是能够提供预期响应的系统。 人类的支配欲无限，因此，被控对象有多种多样，如: 工程技术对象，简单如家电，复杂如工业自动化、精确制导、航天等 社会系统和经济系统 生态系统和生物系统,2 自动控制简史,1788 年前后，J.瓦特的蒸汽机离心调速器。,2 自动控制简史,解决蒸汽机所推动的机械装置的速度控制问题。在19世纪中，仅英国就有7.5万台装有瓦特调速器的蒸汽机装置。,离心调节器,2 自动控制简史,2 自动控制简史,瓦特离心调速器在
2、调速过程中存在不稳定现象（“设备变得发狂！”），当时并没有理论指导，所有的努力都集中在改进调速器本身（重量、弹簧、摩擦）。J.C.麦克斯维尔把调节器跟调节对象合在一起，看作一个系统，用线性微分方程来进行研究，指出微分方程的特征根在左半面或右半面，决定着系统稳定与否。仅有实践是不够的！,2 自动控制简史,1877年，E.J.劳斯提出了劳斯代数稳定性判据，并获得了亚当奖。1895年，A.胡尔维茨也提出了本质上与劳斯判据一致的代数稳定性判据，并在稳定性理论的指导下，为瑞士达沃斯电厂的一个蒸汽机设计了一个调速系统。胡尔维茨被认为是真正运用控制理论，来指导设计控制系统的第一人。只有有了理论的指导，才能从
3、自然王国走向必然王国。,2 自动控制简史,1892年俄国数学家A.M.李雅普诺夫发表论运动稳定性的一般问题的专著从数学方面给运动稳定性的概念下了严格的定义并研究出解决稳定性问题的两种方法。,2 自动控制简史,1927年8月2号，贝尔实验室的一个年轻的工程师H.S.布莱克，发明了负反馈放大器。 这是经典控制形成的开端。 大量的工作积累，老在想这个问题，这样灵感就出来了。,2 自动控制简史,贝尔实验室里的一个年轻的工程师D.B.帕金森只有29岁，他是一个低职位的工程师，让他承担的任务是绕电位计，就是1940年那天晚上他做了一个梦。他梦到用电位计控制的记录笔(电压函数记录仪)也可以控制火炮的发射，他
4、这个梦就促进了自动控制技术的发展。,1925年到1940年的防空火力控制,2 自动控制简史,在二十世纪40年代，N.B.尼可尔斯发明了PID的整定法。当时美国麻省理工学院有唯一一台模拟计算机，当时的模拟计算机叫微分分析仪。尼可尔斯就在这个模拟计算机上做了大量的仿真实验，最后列出来这个PID的整定表，有一样工作50年不变的就是这个PID整定表。,2 自动控制简史,这一新的学科当时在美国称为伺服机构理论在苏联称为自动调整理论主要是解决单变量的控制问题。主要是解决第二次世界大战期间防空火力控制系统和飞机自动导航系统等军事技术问题，以及战后的工业生产问题。 后来统称为“经典控制”,2 自动控制简史,经
5、验的积累和总结，逐渐形成了较完备的理论。值得自豪的是，1954年，中国科学家钱学森全面地归纳总结了经典控制理论，在美国出版了国际上第一本经典控制理论工程化的著作工程控制论。,2 自动控制简史,经典控制理论（19401950年代） 时域法复域法 (根轨迹法)频域法 近代控制理论（19601970年代） 线性系统 自适应控制最优控制 鲁棒控制最佳估计 容错控制系统辨识 集散控制 智能控制理论（1980今天） 专家系统 大系统理论模糊控制 鲁棒控制神经网络 非线性系统理论遗传算法,本课程的目标,收缩对象以经典控制为主！课程目标：以简单的线性时不变（定常）系统为对象，学习控制系统的分析、设计与实现，切
6、身体会实施控制的全过程，牢固建立反馈控制的理念，培养实施控制的能力。,本课程的目标,对于给定的控制系统，能够（定性或定量）分析其性能； 针对给定的控制对象，设计控制器，使系统达到要求的性能指标要求。,教学内容（大纲要求）,学习建议,广泛阅读参考书，深刻理解理论体系教材：.Ogata. “Modern Control Engineering”, 电子工业出版社影印版。或绪方胜彦著，卢伯英译，“现代控制工程”，电子工业出版社。参考书： 、吴麒主编 “自动控制原理”，清华大学出版社。 、胡寿松主编 “自动控制原理”，国防工业出版社。3、楼顺天等，“基于Matlab的系统分析与设计控制系统”，西安电子
7、科技大学出版社,学习建议,利用网络资源1、学研论坛自动控制。2、各个大学重点课程建设教学资料。,学习建议,完成大量练习，积极讨论问题； 学完每章要善于总结知识点，演绎归纳并重； 重视实验体验（Mtalab实现）。,考核方式,作业（20%）+闭卷考试（80%）,第一章 控制系统导论,1.1 基本概念 1.2 开环控制与闭环控制 1.3 控制系统的分类 1.4 控制系统的基本要求,关于自动控制的概念定义,控制系统：为了达到预期的目标（响应）而设计出来的系统，它由相互关联的部件组合而成，它一般由控制装置和被控对象组成。 被控对象（部件或系统）：是指要求实现自动控制的机器、设备或生产过程，如宇宙飞船，
8、飞机驾驶系统以及工业生产的某种过程等。,反馈：把输出量送回到输入端并与输入信号比较的过程。负反馈是从参考输入信号中减去反馈输出信号，并以其差值作为控制器的输入信号的一种系统结构形式；正反馈是将输出信号反馈回来，叠加在参考输入信号上。 扰动：是一种对系统的输出量产生相反作用的信号。如果扰动产生在系统的内部，称为内扰；扰动产生在系统的外部，称为外扰，外扰是系统的输入量之一。,导论-开环控制与闭环控制,控制方式（结构）粗略地可以分为两种：开环控制和闭环控制,信号的单向传递,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,开环控制系统举例1：,控制电压,导论-开环控制与闭环
9、控制,导论-开环控制与闭环控制,控制目的：提高炉温受控对象（物理实体）：炉子受控量（输出物理量）：炉温控制装置：开关K和电热丝，对 受控量起控制作用。,加热炉的开环控制,开环控制系统举例2：,导论-开环控制与闭环控制,反馈是控制的精髓,导论-开环控制与闭环控制,计算比较,自动控制系统的典型结构框图,信号双向传递,导论-开环控制与闭环控制,反馈是控制的精髓，运用反馈的例子也是比比皆是。 例3：调节容器内液面位置的人工闭环控制系统,液位控制示意图 书上图1.10,计算比较,脑,执行,被控对象,手,测量,测量,干扰或激励,眼,预期目标,实际结果,眼,液体的流入和流出,液位,液面控制人工职能图,导论-
10、开环控制与闭环控制,容器里液体,导论-开环控制与闭环控制,例4：汽车方向控制系统,汽车方向控制系统,汽车方向控制人工职能图,大脑,导论-开环控制与闭环控制,反馈是现代控制的精髓，又如：火炮随动系统领导实施管理央行调整利息“没有调查就没有发言权” ，等等都体现了反馈的理念！,闭环与开环控制系统的比较,闭环控制系统的特点偏差控制，可以抑制内、外扰动对被控制量产生的影响。精度高、结构复杂，设计、分析麻烦。,开环控制系统的特点顺向作用，没有反向的联系，没有修正偏差能力，抗扰动性较差。结构简单、调整方便、成本低。,讨论： 全自动洗衣机、汽车驾驶传动机构、人骑自行车、指南车、空调温度控制 都属于何种控制方
11、式？,被控对象 控制装置(传感器+控制器+执行器 )测量元件：其职能是测量被控制的物理量;给定元件：其职能是给出与期望的被控量相对应的系统输入量（即参据量）。比较元件：把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的参据量进行比较，求出它们之间的偏差。放大元件：将比较元件给出的偏差进行放大，用来推动执行元件去控制被控对象。执行元件：直接推动被控对象，使其被控量发生变化。校正元件：亦称补偿元件，它是结构或参数便于调整的元件，用串联或反馈的方式连接在系统中，以改善 系统性能。,导论-闭环控制系统的组成,用“”号代表比较元件，“”号代表两者符号相反，“+”号代表两者符号相同。信号沿箭头方向从输入端到达输
12、出端的传输通路称前向通路；系统输出量经测量元件反馈到输入端的传输通路称主反馈通路。前向通路与主反馈通路共同构成主回路。此外，还有局部反馈通路以及由它构成的内回路。,+,例1 飞机俯仰角飞行控制系统,导论-控制系统举例,给定装置,放大器,舵机,飞机,反馈电位器,垂直陀螺仪,0,扰动,俯仰角控制系统,飞机方块图,例2 磁悬浮控制系统,2003年初在上海建成的世界上第一条高速磁悬浮铁路商业运营线,例3：液位控制系统,自动控制器通过比较实际液位与希望液位，并通过调整气动阀门的开度，对误差进行修正，从而保持液位不变。试画出相应的人工操纵液位控制系统方块图。,控制器：比较、放大的作用 浮子：液面高度的反馈
13、元件 Q2为系统的干扰量 气动阀门：执行机构 被控对象：水箱,导论-反馈控制系统的分类,按参考输入形式分为：恒值系统：指参考输入量保持常值的系统。其任务是消除或减少扰动信号对系统输出的影响，使被控量（即系统的输出量）保持在给定或希望的数值上。随动系统：指参考输入量随时间任意变化的系统。其任务是要求输出量以一定的精度和速度跟踪参考输入量，跟踪的速度和精度是随动系统的两项主要性能指标。,按照系统的元件特性分为: 线性系统：构成系统的所有元件都是线性元件的系统。其动态性能可用线性微分方程描述，系统满足齐次性和叠加原理。 非线性系统：构成系统的元件中含有非线性元件的系统, 只能用非线性微分方程描述，不
14、满足叠加原理。可以进行线性化处理的系统或元件特性又称为非本质非线性特性。反之，称之为本质非线性，它只能用非线性理论分析研究。,导论-反馈控制系统的分类,按照系统内信号的形式分为 连续系统: 系统内各处的信号都是以连续的模拟量传递的系统。 离散系统: 系统内某处或数处信号是以脉冲序列或数码形式传递的系统。其脉冲序列可由脉冲信号发生器或振荡器产生，也可用采样开关将连续信号变成脉冲序列，这类控制系统又称为采样控制系统或脉冲控制系统。而用数字计算机或数字控制器控制的系统又称为数字控制系统或计算机控制系统。,导论-反馈控制系统的分类,导论-控制系统性能的基本要求,稳定性：要求自动控制系统必须是稳定的，
15、它是保证系统能正常工作的必要条件。 快速性：要求自动控制系统的过渡过程其 持续时间尽量短，即过渡过程尽快结束， 输出尽快地跟踪上输入的变化。 准确性：当过渡过程结束后，要求输出量 最终应准确地达到希望值，否则将产生稳 态误差。,导论-控制系统性能的基本要求,稳定性 系统在受到扰动作用后,自动返回原来的平衡状态的能力。如果系统受到扰动作用（系统内或系统外）后，能自动返回到原来的平衡状态，则该系统是稳定的。稳定系统的数学特征是其输出量具有非发散性；反之，系统是不稳定系统。 稳定性是保证系统能正常工作的必要条件，衡量指标有稳定裕度等。,稳定性示意图,快速性 要求自动控制系统的过渡过程尽量短暂，输出尽快平稳地跟踪上输入的变化。 通常在时域中给出瞬态响应指标来衡量快速性。常用单位阶跃信号作用下，系统输出的超调量 ,上升时间Tr ,峰值时间Tp ,过渡过程时间（或调整时间）Ts和振荡次数N等指标表示。,导论-控制系统性能的基本要求,准确性当过渡过程结束后，要求输出量最终应准确地达到希望值，否则将产生稳态误差。准确性指标有稳态误差和稳态误差系数，指稳定系统在完成过渡过程后的稳态输出偏离希望值的程度。,导论-控制系统性能的基本要求,时间,瞬态过程,稳态过程,调节时间Ts,快,准,稳定系统的典型单位阶跃响应曲线,
