鄭州大學自動控制原理第一章課件

自動控制原理

2015.711一、《自動控制原理》

與其它課程的關系自動控制原理電機與拖動電子技術線性代數(shù)微積分（含微分方程）復變函數(shù)、拉普拉斯變換電路理論大學物理（力學、熱力學）電力電子技術各類控制系統(tǒng)課程2一、《自動控制原理》

與其它課程的關系自動控制電機二、自動控制學科的特點1應用廣泛小至電子表，大至人造衛(wèi)星，幾乎包括各個領域。開始多用于工業(yè)：壓力、溫度、流量、位移、濕度、粘度自動控制后來進入軍事領域：飛機自動駕駛、火炮自動跟蹤、導彈、衛(wèi)星、宇宙飛船自動控制目前滲透到更多領域：大系統(tǒng)、交通管理、圖書管理等生物學系統(tǒng)：生物控制論、波斯頓假肢、人造器官經(jīng)濟系統(tǒng)：模擬經(jīng)濟管理過程、經(jīng)濟控制論3二、自動控制學科的特點1應用廣泛32日益重要

很難想象現(xiàn)代生活和生產(chǎn)過程沒有自動控制裝置如何能夠繼續(xù)？你敢讓大型發(fā)電機組用人工控制來運行嗎?你愿意使用不能自動控制溫度的電冰箱嗎？

42日益重要

很難想象現(xiàn)代生活和生產(chǎn)過程沒有自動控3發(fā)展迅速從離心重錘式的簡單自動機械到具有每秒運行上億次的CPU的智能機器人，自動控制學科發(fā)展日新月異。越來越復雜和越來越精確的控制要求以及高度發(fā)展的現(xiàn)代科技(如計算機)是促進自動控制學科飛速發(fā)展的重要原因。53發(fā)展迅速5

三、自動控制理論的內(nèi)容自動控制理論經(jīng)典控制理論(19世紀中葉--20世紀50年代)線性非線性根軌跡法頻域法

時域法描述函數(shù)法相平面法采樣控制Z變換法現(xiàn)代控制理論(60年代以來)狀態(tài)反饋控制最優(yōu)控制智能控制預測控制自適應控制模糊控制大系統(tǒng)多層分散控制6

四、自動控制理論的基本問題控制系統(tǒng)的分析典型信號下的響應(階躍響應)數(shù)學模型(傳遞函數(shù),狀態(tài)方程，頻率特性)性能指標(穩(wěn)態(tài)誤差,超調(diào)量等)控制系統(tǒng)的設計性能要求(性能指標,約束條件)控制器的結構和參數(shù)設計和整定性能校核(計算,仿真,實驗)7四、自動控制理論的基本問題控制系統(tǒng)的分析7第一章自動控制概論

8第一章自動控制概論81.1

引言1.2自動控制系統(tǒng)舉例及術語1.3閉環(huán)控制和開環(huán)控制1.4自動控制系統(tǒng)的基本組成和分類1.5對自動控制系統(tǒng)的基本要求991.1引言四個階段:胚胎萌芽期經(jīng)典控制理論時期、現(xiàn)代控制理論時期、大系統(tǒng)和智能控制時期

一.控制系統(tǒng)的發(fā)展史101.1引言一.控制系統(tǒng)的發(fā)展史101.胚胎萌芽期

十八世紀以后，蒸汽機的使用提出了調(diào)速穩(wěn)定等問題十九世紀前半葉，動力使用了發(fā)電機、電動機促進了水利、水電站的遙控和程控的發(fā)展以及電壓、電流的自動調(diào)節(jié)技術的發(fā)展。十九世紀末，二十世紀初，使用內(nèi)燃機促進了飛機、汽車、船舶、機器制造業(yè)和石油工業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)生了伺服控制和過程控制。

1765年俄國人波爾祖諾夫發(fā)明了鍋爐水位調(diào)節(jié)器；

1784年英國人瓦特發(fā)明了調(diào)速器，蒸汽機離心式調(diào)速器；二十世紀初第二次世界大戰(zhàn)，軍事工業(yè)發(fā)展很快飛機、雷達、火炮上的伺服機構，總結了自動調(diào)節(jié)技術及反饋放大器技術，搭起了經(jīng)典控制理論的架子，但還沒有形成學科。111.胚胎萌芽期十八世紀以后，蒸汽機的使用提出了調(diào)速穩(wěn)定等2.經(jīng)典控制理論時期1884年：E.J.Routh提出勞斯穩(wěn)定性判據(jù)。1895年：A.Hurwifz提出赫爾維茨穩(wěn)定性判據(jù)。1932年：H.Nyquist提出奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)。1945年：H.W.Bode提出反饋放大器的一般設計方法。1948年：Evans提出并完善了根軌跡法1948年：N.Wiener發(fā)表《控制論》1954年：錢學森在美國完成《工程控制論》主要內(nèi)容：對單輸入單輸出系統(tǒng)進行分析，采用頻率法、根軌跡法、相平面法、描述函數(shù)法；討論系統(tǒng)穩(wěn)定性的代數(shù)和幾何判據(jù)以及校正網(wǎng)絡等。122.經(jīng)典控制理論時期1884年：E.J.Routh提出4.大系統(tǒng)和智能控制時期

各學科相互滲透，要分析的系統(tǒng)越來越大，越來越復雜。例如人工智能、智能機器人等。

空間技術的發(fā)展提出了許多復雜控制問題，用于導彈、人造衛(wèi)星和宇宙飛船上。Kalman“控制系統(tǒng)的一般理論”奠定了現(xiàn)代控制理論的基礎，解決多輸入、多輸出、時變參數(shù)、高精度復雜系統(tǒng)的控制問題。3.現(xiàn)代控制理論時期134.大系統(tǒng)和智能控制時期各學科相互滲透，要分析的系研究對象數(shù)學工具常用分析方法局限性經(jīng)典控制理論單輸入-單輸出線性定常系統(tǒng)微分方程，傳遞函數(shù)時域分析法，頻域分析法,根軌跡分析法對復雜多變量系統(tǒng)、時變和非線性系統(tǒng)無能為力現(xiàn)代控制理論多輸入-多輸出變系數(shù)，非線性等系統(tǒng)線性代數(shù)、矩陣理論狀態(tài)空間法比較繁瑣（但由于計算機技術的的迅速發(fā)展，這一局限性已克服)經(jīng)典控制理論與現(xiàn)代控制理論的比較14研究對象數(shù)學工具常用分析方法局限性經(jīng)典控制理論單輸入-單輸出二.自動控制要解決的基本問題

自動控制是使一個或一些被控制的物理量按照另一個物理量即控制量的變化而變化或保持恒定，一般地說如何使控制量按照給定量的變化規(guī)律變化，就是一個控制系統(tǒng)要解決的基本問題。15二.自動控制要解決的基本問題自動控制是使一個或三.自動控制技術的作用1.生產(chǎn)自動化，提高勞動生產(chǎn)率，減輕勞動強度。2.自動控制使工作具有高度的準確性，大大地提高了武器的命中率和戰(zhàn)斗力，（例如火炮自動跟蹤系統(tǒng)必須采用計算機控制才能打下高速高空飛行的飛機。）3.某些人們不能直接參與工作的場合就更離不開自動控制技術了，例如原子能的生產(chǎn)、火炮或?qū)椀闹茖У鹊取?6三.自動控制技術的作用1.生產(chǎn)自動化，提高勞動生產(chǎn)率，減輕1.2自動控制系統(tǒng)舉例及術語171.2自動控制系統(tǒng)舉例及術語17

舉例：1.熱力系統(tǒng)溫度控制

18舉例：1.熱力系統(tǒng)溫度控制18熱力系統(tǒng)的自動反饋控制

19熱力系統(tǒng)的自動反饋控制19控制器：比較、放大的作用溫度測量裝置：溫度傳感器控制閥：執(zhí)行機構被控對象：加熱爐

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?????÷放大元件控制閥加熱爐溫度測量裝置控制器實際溫度希望溫度控制系統(tǒng)方塊圖20控制器：比較、放大的作用?￡òoêμ?êòo??2.水箱液位控制系統(tǒng)212.水箱液位控制系統(tǒng)21控制器：比較、放大的作用浮子：液面高度的測量元件氣動閥門：執(zhí)行機構被控對象：水箱

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?????÷放大元件氣動閥門水箱浮子控制器實際液位希望液位注入（Ⅱ）控制系統(tǒng)方塊圖22控制器：比較、放大的作用?￡òoêμ?êòo??2對象

是一個設備，它是由一些機器零件有機地組合在一起的，其作用是完成一個特定的動作。在下面的討論中，稱任何被控物體（如加熱爐、化學反應器或宇宙飛船）為對象。3過程

稱任何被控制的運行狀態(tài)為過程，其具體例子如化學過程、經(jīng)濟學過程、生物學過程。4系統(tǒng)

完成一定任務的一些元部件的組合。1自動控制

在無人直接參與的情況下，通過控制器使被控對象或過程自動地按照預定要求進行。232對象3過程4系統(tǒng)1自動控制235

擾動6

反饋控制

擾動是一種對系統(tǒng)的輸出產(chǎn)生不利影響的信號。如果擾動產(chǎn)生在系統(tǒng)內(nèi)部稱為內(nèi)擾；擾動產(chǎn)生在系統(tǒng)外部，則稱為外擾。外擾是系統(tǒng)的輸入量。

反饋控制是這樣一種控制過程，它能夠在存在擾動的情況下，力圖減小系統(tǒng)的輸出量與參考輸入量（也稱參考量）（或者任意變化的希望的狀態(tài)）之間的偏差。245擾動6反饋控制擾動是一種對系統(tǒng)的輸出

反饋控制系統(tǒng)是一種能對輸出量與參考輸入量進行比較，并力圖保持兩者之間的既定關系的系統(tǒng)，它利用輸出量與輸入量的偏差來進行控制。應當指出，反饋控制系統(tǒng)不限于工程范疇，在各種非工程范疇內(nèi)，諸如經(jīng)濟學和生物學中，也存在著反饋控制系統(tǒng)。7反饋控制系統(tǒng)25反饋控制系統(tǒng)是一種能對輸出量與參考輸入量進行比

隨動系統(tǒng)是一種反饋控制系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)中，輸出量往往是機械位移、速度或者加速度。因此，隨動系統(tǒng)這個術語，與位置（或速度或加速度）控制系統(tǒng)是同義語。8隨動系統(tǒng)9過程控制

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，諸如對壓力、溫度、濕度、流量、頻率以及原料、燃料成分比例等方面的控制，稱為過程控制。26隨動系統(tǒng)是一種反饋控制系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)中，一.開環(huán)控制例:電爐溫度控制系統(tǒng)分析控制組成(a)原理圖溫度計

加熱電阻絲u~220Vk

輸入量控制裝置被控對象輸出量1.3閉環(huán)控制與開環(huán)控制27一.開環(huán)控制例:電爐溫度控制系統(tǒng)分析控制組成(a)原理圖輸出量輸入量

開關

加熱電阻絲

電爐

恒溫箱

受控對象(溫度)擾動量控制裝置溫度計

加熱電阻絲u~220Vk28輸出量輸入量開關加熱電爐受控對象(溫度)擾動量

開環(huán)控制

控制裝置與被控對象之間只有順向作用而沒有反向聯(lián)系的控制。29開環(huán)控制29控制器被控制對象給定值輸出量

控制的原理方框圖控制方式：◆按給定值操縱?！粜盘栍山o定值至輸出量單向傳遞?！粝到y(tǒng)的控制精度取決于系統(tǒng)事先的調(diào)整精度?！魧τ诠ぷ鬟^程中受到的擾動或特性參數(shù)的變化無法自動補償。30控制器被控制給定值輸出量控制的原理方框圖控制方式：◆例:直流電動機轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng)。31例:直流電動機轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng)。31二、閉環(huán)控制32二、閉環(huán)控制32控制過程：控制任務：保持電機恒速運行.

nuf

△uua

n33控制過程：控制任務：保持電機恒速運行.nu反饋：

輸出量送回至輸入端并與輸入信號比較的過程負反饋：

反饋的信號與輸入信號相減而使偏差越來越小34反饋：34

閉環(huán)控制:是指控制器與控制對象之間既有順向作用有反向聯(lián)系的控制過程。輸入量輸出量閉環(huán)控制典型方框圖擾動輸出影響輸入，所以能削弱或抑制干擾；低精度元件可組成高精度系統(tǒng)；因為可能發(fā)生超調(diào)，振蕩，所以穩(wěn)定性很重要。

特點：控制器被控制對象-35閉環(huán)控制:是指控制器與控制對象之間既有順向輸入量輸出量閉環(huán)

三.開環(huán)控制與反饋控制的比較

開環(huán):

結構簡單，成本低廉，工作穩(wěn)定，當輸入信號和擾動能預先知道時，控制效果較好。

不能自動修正被控制量的偏離，系統(tǒng)的元件參數(shù)變化以及外來的未知擾動對控制精度影響較大。閉環(huán):

具有自動修正被控制量出現(xiàn)偏離的能力，可以修正元件參數(shù)變化及外界擾動引起的誤差，控制精度高。

缺點：被控量可能出現(xiàn)振蕩，甚至發(fā)散。36三.開環(huán)控制與反饋控制的比較不能自一、閉環(huán)系統(tǒng)的組成

:(1)比較元件；(2)放大元件；(3)執(zhí)行元件；(4)校正元件；(5)被控對象；(6)測量元件。1.4自動控制系統(tǒng)的基本組成和分類變換放大串聯(lián)校正變換放大執(zhí)行元件被控對象測量元件反饋校正--37一、閉環(huán)系統(tǒng)的組成:(1)比較元件；(2)放大元件；(3)用“○”號代表比較元件，“—”號代表兩者符號相反，“+”號代表兩者符號相同。信號沿箭頭方向從輸入端到達輸出端的傳輸通路稱前向通道；系統(tǒng)輸出量經(jīng)測量元件反饋到輸入端的傳輸通路稱主反饋通道。前向通路與主反饋通路共同構成主回路。此外，還有局部反饋通路以及由它構成的內(nèi)回路。有關概念38用“○”號代表比較元件，有關概念38測量元件：

------檢測被控制的物理量，如果這個物理量是非電量，一般要轉(zhuǎn)換成電量。

例如:

測速發(fā)電機用于檢測電動機軸的速度并轉(zhuǎn)換為電壓；

電位器、旋轉(zhuǎn)變壓器或自整角機用于檢測角度并轉(zhuǎn)換為電壓；

熱電偶用于檢測溫度并轉(zhuǎn)換為電壓等。39測量元件：39給定元件------給出與期望的被控量相對應的系統(tǒng)輸入量（即參考量）。比較元件------把測量元件檢測的被控量實際值與給定元件給出的參考量進行比較，求出它們之間的偏差。

常用的比較元件有差動放大器、機械差動裝置、電橋電路等。40給定元件------給出與期望的被控量相對應的系統(tǒng)輸入量（即放大元件------將比較元件給出的偏差信號進行放大，用來推動執(zhí)行元件去控制被控對象。

電壓偏差信號，可用晶體管、集成電路、晶閘管等組成的電壓放大級和功率放大級加以放大。執(zhí)行元件------直接推動被控對象，使其被控量發(fā)生變化。用來作為執(zhí)行元件的有閥、電動機、液壓馬達等。41放大元件------將比較元件給出的偏差信號進行放大，用來推校正元件(補償元件)------是結構或參數(shù)便于調(diào)整的元部件，用串連或反饋的方式連接在系統(tǒng)中，以改善系統(tǒng)的性能。簡單的校正元件是由電阻、電容等組成的無源或有源網(wǎng)絡，復雜的則用計算機實現(xiàn)校正功能。42校正元件(補償元件)------是結構或參數(shù)便于調(diào)整的元部二.自動控制系統(tǒng)的分類開環(huán)控制閉環(huán)控制(反饋控制)復合控制按控制方式分43二.自動控制系統(tǒng)的分類按控制方式分43按輸入補償?shù)膹秃峡刂?4按輸入補償?shù)膹秃峡刂?4按擾動補償?shù)膹秃峡刂圃矸娇驁D45按擾動補償?shù)膹秃峡刂圃矸娇驁D45機械系統(tǒng)電氣系統(tǒng)機電系統(tǒng)——全自動照相機，光機電結合液壓系統(tǒng)——伺服液壓缸，汽車發(fā)動機，大型的仿真模擬臺氣動系統(tǒng)生物系統(tǒng)按元件類型分46機械系統(tǒng)按46按系統(tǒng)功用分

溫度控制系統(tǒng)

壓力控制系統(tǒng)

位置控制系統(tǒng)47按系統(tǒng)功用分溫度控制系統(tǒng)壓力控制系統(tǒng)位置控制系統(tǒng)線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)定常系統(tǒng)時變系統(tǒng)按系統(tǒng)性能分離散系統(tǒng)48線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)定常系統(tǒng)時變系