1、自 动 控 制 原 理,2011年9月,唐 求 电气与信息工程学院,推荐教材与参考资料,1、自动控制原理（第4版），胡寿松主编，科学出版社,2、自动控制原理（修订版），李友善主编，国防工业出版社,3、自动控制原理习题集，胡寿松主编，国防工业出版社,第一章 自动控制的一般概念,自动控制的基本原理与方式,1-1,自动控制系统示例,1-2,自动控制系统的分类,3,对自动控制系统的基本要求,4,1-3,1-4,1-1 自动控制的基本原理与方式,一、自动控制的基本概念,4,手动控制,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
2、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。,水温手动控制系统,水温自动控制系统,系统中增加了：,控制器,电机,加入给定信号,工作原理：,检测实际温度,产生控制信号,通过电机调节阀门的开度,从而调节蒸汽流入，控制水的温度. 实现没有人直接参入的自动水温控制。,1-1 自动控制的基本原理与方式,一、自动控制的基本概念,自动控制：,在无人直接参与下，利用控制装置操纵受控对象，使受控对象的被控量按给定要求变化。,自动控制系统,控制装置,受控对象,自动控制示意图,分析和设计自动控制系统的性能。,自动控制原理的主要任务：,1-1
3、 自动控制的基本原理与方式,为了方便地分析系统性能，一般用框图来表示系统的结构:,要使自动控制系统满足工程实际的需要 , 必须研究自动控制系统的结构参数与系统性能之间的关系。,1-1 自动控制的基本原理与方式,二、自动控制系统的基本构成及控制方式,1开环控制,自动控制系统有两种基本控制方式：开环控制与闭环控制。,控制装置与受控对象之间只有顺向作用而无反向联系。,1-1 自动控制的基本原理与方式,例 转台速度开环控制系统,这种转台在CD机、计算机磁盘驱动器等现代装置中广泛应用.,转台,电机,电源和放大装置,速度设置,系统组成：,由图可见：,被控制量速度没有反馈到输入端与给定信号比较,为开环控制系
4、统。,1-1 自动控制的基本原理与方式,预期速度,实际转速,系统结构和控制过程均很简单，但抗扰能力差，控制精度不高，故一般只能用于对控制性能要求较低的场合。,转台速度开环控制系统结构图:,开环控制的特点：,2闭环控制,有顺向作用，而且还有反向联系.,闭环控制又称为反馈控制或按偏差控制。,控制装置与受控对象之间，不但,1-1 自动控制的基本原理与方式,例 转速负反馈直流电动机调速系统,直流电机,测速发电机,电源和放大装置,负载,系统组成：,Un,Uf,给定电压,反馈电压,e=Un-Uf,转速取决于给定电压与反馈电压的差值。,1-1 自动控制的基本原理与方式,调速系统结构图,由电网电压波动，负载变
5、化以及其他部分的参数变化所引起的转速变化，都可以通过系统的自动调整加以抑制。,n,Uf,e,Ud,n,闭环控制系统具有的特点：,减小或消除由于扰动所形成的偏差值，具有较高的控制精度和较强的抗扰能力。,1-1 自动控制的基本原理与方式,反馈控制系统的基本组成,组成及功能：,比较元件 测量反馈元件 放大元件 执行元件 校正元件,1-1 自动控制的基本原理与方式,3复合控制,是开环和闭环控制相结合的一种控制方式。是在闭环控制回路的基础上，附加一个输入信号或扰动信号的顺馈通路，用来提高系统的控制精度。顺馈通路通常由对输入信号的补偿器或对扰动信号的补偿器组成。,复合控制具有两种基本形式.,1-1 自动控
6、制的基本原理与方式,(a) 按输入前馈补偿的复合控制,1-1 自动控制的基本原理与方式,(b) 按扰动前馈补偿的复合控制,1-1 自动控制的基本原理与方式,人工水位控制系统,1、水位控制系统,1-2 自动控制系统示例,自动水位控制系统,1-2 自动控制系统示例,2、 自动恒温调节系统,恒温箱的温度由给定电压信号u1控制,1-2 自动控制系统示例,自动恒温调节系统的温度调节过程:,所以，人工控制系统和自动控制系统极为相似，均为反馈控制，都要检测偏差并用以纠正偏差，在自动控制系统中，这一偏差是通过反馈来建立的。,给定温度期望值Ti所对应的电压u1,由热电偶测量得实际温度To所对应的电压u2,比较u
7、1和u2，得电压偏差：u= u1-u2,控制:u经放大后，驱动执行电机，调节调节器,控制供电电压，最终控制温度。,1-2 自动控制系统示例,自动恒温调节系统的原理方块图：,1-2 自动控制系统示例,: 表示比较元件,: 表示作用方向,: 表示偏差信号,e,3、飞机俯仰角自动控制系统,给定电位器,反馈电位器,1-2 自动控制系统示例,飞机俯仰角自动控制系统方块图：,1-2 自动控制系统示例,1-2 自动控制系统示例,1-3 自动控制系统的分类,一、按反馈的有无来分:,1开环控制系统：输入和输出之间无反馈，输出对系统的控制作用无影响。,特点：精度高，抗干扰能力强，易产生振荡。,特点：结构简单，不产
8、生振荡，但控制精度不高，抗干扰能力差。,2闭环控制系统：输入和输出之间有反馈，输出对系统的控制作用有影响，反馈的作用就是减小偏差。,二、按输出的变化规律来分:,1连续控制系统：各环节输入和输出信号均为连续信号,三、按信号的连续性来分:,1-3 自动控制系统的分类,四、按描述系统的动态方程来分:,1线性系统：用线性微分（或差分）方程来描述,2非线性系统：用非线性微分（或差分）方程来描述,五、按系统参数是否随时间变化来分:,1线性定常系统：系统参数不随时间变化,2线性时变系统：系统参数随时间而变化,例：,例：,例：,例：,参数与变量有关，或者方程中含有变量及其导数的高次幂或乘积项,1-3 自动控制
9、系统的分类,常见的评价系统优劣的性能指标是从动态过程中定义出来的。对系统性能的基本要求有三个方面。,二、快速性,一、稳定性,三、准确性,1-4 对控制系统的基本要求,一、稳定性,1-4 对控制系统的基本要求,系统受外作用力后,其动态过程的振荡倾向和系统恢复平衡的能力。,稳定性：,如果系统受外作用力经过一段时间，其被控量达到某一稳定状态，则系统是稳定的。,否则为不稳定的。,稳定系统的动态过程,1,r(t),c(t),不稳定系统的动态过程,(a) 给定信号作用,c(t),(b) 扰动信号作用,r(t),c(t),d(t),不稳定的系统是无法正常工作的。,1-4 对控制系统的基本要求,通过动态过程时
10、间长短表征。时间越短，表明快速性越好，反之亦然。,r(t),c1(t),c2(t),快速性表明了系统输出对输入响应的快慢程度,1-4 对控制系统的基本要求,二、快速性,由输入给定值与输出响应的终值之间的差值ess大小表征。,r(t),c(t),ess,1-4 对控制系统的基本要求,三、准确性,稳定性、快速性和准确性往往是互相制约的。在设计与调试的过程中,若过分强调某方面的性能,则可能会使其他方面的性能受到影响.,怎样根据工作任务的不同,分析和设计自动控制系统，使其对三方面的性能有所侧重 ，并兼顾其它正是自控原理课程要解决的问题。,1-4 对控制系统的基本要求,阶跃函数,斜坡函数,1-4 对控制
11、系统的基本要求,四、典型输入信号,脉冲函数,正弦函数,1-4 对控制系统的基本要求,1-5 自动控制理论发展简述,1788 年前后，瓦 特发明了蒸汽机 的离心调速器。,离心调速器,具有“自动”功能的装置自古有之，瓦特发明的蒸汽机上的离心调速器是比较自觉地运用反馈原理进行设计并取得成功的首例。,离心调速器框图,1-5 自动控制理论发展简述,1-5 自动控制理论发展简述,瓦特离心调速器在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）。,麦克斯维尔把调节器跟调节对象合在一起，看作一个系统，用微分方程来进行研究，指出微分方程的特
12、征根在左半面或右半面，决定着系统稳定与否。,1877年，麦克斯维尔的学生劳斯提出了劳斯代数稳定性判据，并获得了亚当奖。1895年，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。,1-5 自动控制理论发展简述,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的著作工程控制论。,经验的积累和总结，逐渐形成了较完备的理论。,1-5 自动控制理论发展简述,60年代以来，随着计算机技术的发展和航天等高科技的推动，又产生
13、了基于状态空间模型的所谓“现代”控制理论。,随着自动化技术的发展，人们力求使设计的控制系统达到最优的性能指标，为了使系统在一定的约束条件下，其某项性能指标达到最优而实行的控制称为最优控制。,1-5 自动控制理论发展简述,当对象或环境特性变化时，为了使系统能自行调节，以跟踪这种变化并保持良好的品质，又出现了自适应控制。,各种理论中仍是古典频率法最为适用。真正优良的设计必须允许模型的结构和参数不精确并可能在一定范围内变化，即具有鲁棒性。这是当前的重要前沿课题之一。,1-5 自动控制理论发展简述,另外，使理论实用化的一个重要途径就是数学模拟（仿真）和计算机辅助设计（CAD）。,近年来，在非线性系统理
14、论、离散事件系统、大系统和复杂系统理论等方面均有不同程度的发展。智能控制也得到了很快的发展，它主要包括专家系统、模糊控制和人工神经元网络等内容。,1-5 自动控制理论发展简述,总之，自动控制理论正随着技术和生产的发展而不断发展，而它反过来又成为高新技术发展的重要理论根据。本书所介绍的内容是该理论中最基本的也是最重要的内容，即古典控制理论部分。它在工程实践中用得最多，也是进一步学习自动控制理论的基础。,1-5 自动控制理论发展简述,1 古典控制理论：,2 现代控制理论：,研究对象：以单输入单输出（SISO）线性定常系为主,研究工具：状态空间法 （时域 t）,3 智能控制理论：,研究方向：自适应控制理论、模糊控制理论、人工神经网络、混沌理论等。,1-5 自动控制理论发展简述,本课程教学目的和内容,熟练掌握自动控制的基本概念； 熟练掌握控制系统的数学模型及结构图和信号流图的表示方法； 熟练掌握线性控制系统的时域分析法、根轨迹法、频域分析法、以及综合校正设计等方法； 熟练掌握线性离散系统分析及数字校正方法； 培养定性分析、定量分析、仿真实验、初步联系工程实际等方面的综合技术能力。,作业： 1-2 1-3,根据系统的工作过程说明系统的工作原理；系统原理方框图的画法。,本章小结,
