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自动控制原理程向红蔡体菁2002-09-23 2002-09-23 1 1.第1讲程向程向红红自动控制的一般概念2002-09-23 2002-09-23 2 2.第一章 自动控制的一般概念1.1 引言1.2自动控制系统示例1.3闭环控制和开环控制1.4自动控制系统的分类1.5对自动控制系统的基本要求1.6对本课程的基本要求2002-09-23 2002-09-23 3 3.历史的回顾1818世世纪纪，James WattJames Watt 为为控制蒸汽机速度控制蒸汽机速度设计设计的离心的离心调调节节器，是自器，是自动动控制控制领领域的第一域的第一项项重大成果。重大成果。19221922年，年，MinorskyMinorsky研制出船舶操研制出船舶操纵纵自自动动控制器，并控制器，并证证明了从系明了从系统统的微分方程确定系的微分方程确定系统统的的稳稳定性的方法。定性的方法。19321932年，年，NyquistNyquist提出了一种根据系提出了一种根据系统统的开的开环频环频率响率响应应(对稳态对稳态正弦正弦输输入入)，确定，确定闭环闭环系系统稳统稳定性的方法。定性的方法。19341934年，年，HezenHezen提出了用于位置控制系提出了用于位置控制系统统的伺服机构的伺服机构的概念，的概念，讨论讨论了可以精确跟踪了可以精确跟踪变变化的化的输输入信号的机入信号的机电电伺服机构。伺服机构。2002-09-23 2002-09-23 4 4.1919世世纪纪4040年代，年代，频频率响率响应应法法为闭环为闭环控制系控制系统统提供提供了一种可行方法，了一种可行方法，EvansEvans提出并完善了根提出并完善了根轨轨迹法。迹法。1919世世纪纪5050年代末，控制系年代末，控制系统设计问题统设计问题的重点从的重点从设设计许计许多可行系多可行系统统中的一种系中的一种系统统，转转到到设计设计在某种在某种意意义义上的最佳系上的最佳系统统。1919世世纪纪6060年代，数字年代，数字计计算机的出算机的出现为现为复复杂杂系系统统的的基于基于时时域分析的域分析的现现代控制理代控制理论论提供了可能。提供了可能。从从19601960年到年到19801980，确定性系，确定性系统统、随机系、随机系统统的最佳的最佳控制，及复控制，及复杂杂系系统统的自适的自适应应和学和学习习控制，都得到控制，都得到充分的研究。充分的研究。从从19801980年到年到现现在，在，现现代控制理代控制理论进论进展集中于展集中于鲁鲁棒棒控制、控制、HH控制及其相关控制及其相关课题课题。2002-09-23 2002-09-23 5 5.古典控制理古典控制理论论 以以传递传递函数函数为为基基础础研研究究单输单输入入-单输单输出一出一类类定常控制系定常控制系统统的分析的分析与与设计问题设计问题。这这些理些理论论由于其由于其发发展展较较早，早，现现已臻成熟。已臻成熟。现现代控制代控制 以状以状态态空空间间法法为为基基础础，研究多研究多输输入入-多多输输出、出、时变时变、非、非线线性一性一类类控控制系制系统统的分析与的分析与设计设计问题问题。系。系统统具有高精具有高精度和高效能的特点。度和高效能的特点。2002-09-23 2002-09-23 6 6.1.2 术语自自动动控制控制对对象象 过过程程 系系统统 扰动扰动 反反馈馈控制控制反反馈馈控制系控制系统统 随随动动系系统统 自自动调动调整系整系统统 过过程控制系程控制系统统2002-09-23 2002-09-23 7 7.1 1 自自动动控制控制 在无人直接参与的情况下，在无人直接参与的情况下，通通过过控制器使被控控制器使被控对对象或象或过过程自程自动动地按照地按照预预定要求定要求进进行。行。2 2 对对对对象象象象 是一个是一个设备设备，它是由一些，它是由一些机器零件有机地机器零件有机地组组合在一合在一起的，其作用是完成一个起的，其作用是完成一个特定的特定的动动作。在下面的作。在下面的讨讨论论中，称任何被控物体中，称任何被控物体（如加（如加热热炉、化学反炉、化学反应应器器或宇宙或宇宙飞飞船）船）为对为对象。象。3 3 过过过过程程程程 称任何被控制的运行状称任何被控制的运行状态态为过为过程，其具体例子如化程，其具体例子如化学学过过程、程、经济经济学学过过程、生程、生物学物学过过程。程。4 4 系系系系统统统统 完成一定任完成一定任务务的一些元、的一些元、部件的部件的组组合。合。2002-09-23 2002-09-23 8 8.5 扰动扰动6 反反馈馈控制控制 扰动是一种对系统的输出产生不利影响的信号。如果扰动产生在系统内部称为内扰；扰动产生在系统外部，则称为外扰。外扰是系统的输入量。反馈控制是这样一种控制过程，它能够在存在扰动的情况下，力图减小系统的输出量与参考输入量（也称参据量）（或者任意变化的希望的状态）之间的偏差，而且其工作正是基于这一偏差基础之上的。2002-09-23 2002-09-23 9 9.反馈控制系统是一种能对输出量与参考输入量进行比较，并力图保持两者之间的既定关系的系统，它利用输出量与输入量的偏差来进行控制。应当指出，反馈控制系统不限于工程范畴，在各种非工程范畴内，诸如经济学和生物学中，也存在着反馈控制系统。7 7 反反反反馈馈馈馈控制系控制系控制系控制系统统统统2002-09-23 2002-09-23 1010.随动系统是一种反馈控制系统，在这种系统中，输出量是机械位移、速度或者加速度。因此，随动系统这个术语，与位置（或速度或加速度）控制系统是同义语。在现代工业中，广泛采用着随动系统。8 8 随随动动系系统统9 过过程控制程控制 在工业生产过程中，诸如对压力、温度、湿度、流量、频率以及原料、燃料成分比例等方面的控制，称为过程控制。2002-09-23 2002-09-23 1111.热力系统的例子热力系统的人工反馈控制2002-09-23 2002-09-23 1212.热热力系力系统统的自的自动动反反馈馈控制控制 2002-09-23 2002-09-23 1313.1.3 闭环控制与开环控制反反馈馈控制系控制系统统开开环环控制系控制系统统闭环闭环与开与开环环控制系控制系统统的比的比较较2002-09-23 2002-09-23 1414.1.3.1 反馈控制系统1 反反反反馈馈馈馈 把取出的把取出的输输出量送回出量送回输输入端，并与入端，并与输输入信号相入信号相比比较产较产生偏差信号的生偏差信号的过过程，称程，称为为反反馈馈。若反。若反馈馈的信号与的信号与输输入信号相减，使入信号相减，使产产生的偏差越来越生的偏差越来越小，小，则则称称为负为负反反馈馈；反之，；反之，则则称称为为正反正反馈馈。能能对输对输入量与入量与输输出量出量进进行比行比较较，并且将它，并且将它们们的偏差作的偏差作为为控制手段，以保持两者之控制手段，以保持两者之间预间预定定关系的系关系的系统统，称，称为为反反馈馈控制系控制系统统。由于引入。由于引入了被反了被反馈馈量的反量的反馈馈信息，整个控制信息，整个控制过过程成程成为为闭闭合的，因此反合的，因此反馈馈控制也称控制也称为闭环为闭环控制。控制。2 2 反反反反馈馈馈馈控制系控制系控制系控制系统统统统2002-09-23 2002-09-23 1515.3 3 闭环闭环控制控制 凡是系凡是系统输统输出信号出信号对对控制作用有直接影响的控制作用有直接影响的系系统统，都称，都称为闭环为闭环系系统统。输输入信号和反入信号和反馈馈信号信号（反（反馈馈信号可以是信号可以是输输出信号本身，也可以是出信号本身，也可以是输输出出信号的函数或信号的函数或导导数）之差，称数）之差，称为误为误差信号，差信号，误误差差信号加到控制器上，以减小系信号加到控制器上，以减小系统统的的误误差，并使系差，并使系统统的的输输出量出量趋趋于所希望的于所希望的值值，换换句句话说话说，“闭环闭环”这这个个术语术语的涵的涵义义，就是，就是应应用反用反馈馈作用来减小系作用来减小系统统的的误误差。差。2002-09-23 2002-09-23 1616.图图1-3 1-3 闭环闭环控制系控制系统统2002-09-23 2002-09-23 1717.1.3.2 反馈控制系统的基本组成 被控被控对对象象控制装置控制装置(由具有一定由具有一定职职能的各种基本元件能的各种基本元件组组成成)测测量元件：其量元件：其职职能是能是测测量被控制的物理量量被控制的物理量;给给定元件：其定元件：其职职能是能是给给出与期望的被控量相出与期望的被控量相对应对应的系的系统输统输入量入量（即参据量）。（即参据量）。比比较较元件：把元件：把测测量元件量元件检测检测的被控量的被控量实际值实际值与与给给定元件定元件给给出的出的参据量参据量进进行比行比较较，求出它，求出它们们之之间间的偏差。的偏差。放大元件：将比放大元件：将比较较元件元件给给出的偏差出的偏差进进行放大，用来推行放大，用来推动执动执行元行元件去控制被控件去控制被控对对象。象。执执行元件：直接推行元件：直接推动动被控被控对对象，使其被控量象，使其被控量发发生生变变化。化。校正元件：亦称校正元件：亦称补偿补偿元件，它是元件，它是结结构或参数便于构或参数便于调调整的元件，整的元件，用串用串联联或反或反馈馈的方式的方式连连接在系接在系统统中，以改善系中，以改善系统统性能。性能。2002-09-23 2002-09-23 1818.用用“”号代表比号代表比较较元件，元件，“”“”号代表两者符号相反，号代表两者符号相反，“+”“+”号号代表两者符号相同。信号沿箭代表两者符号相同。信号沿箭头头方向从方向从输输入端到达入端到达输输出端出端的的传输传输通路称前向通路；系通路称前向通路；系统输统输出量出量经测经测量元件反量元件反馈馈到到输输入端的入端的传输传输通路称主反通路称主反馈馈通路。前向通路与主反通路。前向通路与主反馈馈通路共通路共同构成主回路。此外，同构成主回路。此外，还还有局部反有局部反馈馈通路以及由它构成的通路以及由它构成的内回路。内回路。2002-09-23 2002-09-23 1919.1.3.3 开环控制系统定定定定义义义义 如果系如果系统统的的输输出量与出量与输输入量入量间间不存在反不存在反馈馈的通道，的通道，这这种控制方式称种控制方式称为为开开环环控制系控制系统统。2002-09-23 2002-09-23 2020.现现代化的工厂代化的工厂2002-09-23 2002-09-23 2121.1.3.4 闭环与开环控制系统的比较闭环闭环控制系控制系统统的特点的特点 偏差控制，可以抑制内、外偏差控制，可以抑制内、外扰动对扰动对被控制被控制量量产产生的影响。精度高、生的影响。精度高、结结构复构复杂杂，设计设计、分、分析麻析麻烦烦。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。2002-09-23 2002-09-23 2222.棉纺厂2002-09-23 2002-09-23 2323.1.4 1.4 自自动动控制系控制系统统的分的分类类开开环环控制控制闭环闭环控制控制(反反馈馈控制控制)复合控制复合控制 按控制方式分按控制方式分2002-09-23 2002-09-23 2424.机械系机械系统统恒恒张张力系力系统统电电气系气系统统机机电电系系统统全自全自动动照相机，光机照相机，光机 电结电结合合液液压压系系统统伺服液伺服液压压缸，汽缸，汽车发动车发动机，大型的仿真模机，大型的仿真模拟拟台台气气动动系系统统 生物系生物系统统按元件类型分2002-09-23 2002-09-23 2525.按系按系统统功用分功用分温度控制系统压力控制系统位置控制系统 2002-09-23 2002-09-23 2626.线性系统非线性系统连续系统定常系统时变系统确定性系统不确定性系统按系统性能分离散系统2002-09-23 2002-09-23 2727.恒值控制系统随动系统程序控制系统按参据量按参据量变变化化规规律分律分2002-09-23 2002-09-23 2828.稳定性：1 对恒值系统，要求当系统受到扰动后，经过一定时间的调整能够回到原来的期望值。2 对随动系统，被控制量始终跟踪参据量的变化。稳定性是对系统的基本要求，不稳定的系统不能实现预定任务。稳定性，通常由系统的结构决定与外界因素无关。1.5 对自动控制系统的基本要求1.5.1对自动控制系统性能的基本要求可以归结为稳定性（长期稳定性）、准确性（精度）和快速性（相对稳定性）。稳 准快2002-09-23 2002-09-23 2929.准确性：用稳态误差来表示。在参考输入信号作用下，当系统达到稳态后，其稳态输出与参考输入所要求的期望输出之差叫做给定稳态误差。显然，这种误差越小，表示系统的输出跟随参考输入的精度越高。快速性：对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称为动态性能。稳定高射炮射角随动系统，虽然炮身最终能跟踪目标，但如果目标变动迅速，而炮身行动迟缓，仍然抓不住目标。2002-09-23 2002-09-23 3030.2）根据对系统性能的要求，如何合理地设计校正装置，使系统的性能能全面地满足技术上的要求。1.5.2本课程的任务本课程所要研究的两大课题：1）对于一个具体的控制系统，如何从理论上对它的动态性能和稳态精度进行定性的分析和定量的计算。2002-09-23 2002-09-23 3131.图1-6（a）是一个液位控制系统原理图。在这里，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。图1-6（b）是该控制系统的方框图。试画出相应的人工操纵液位控制系统方块图。例题1-12002-09-23 2002-09-23 3232.2002-09-23 2002-09-23 3333.控制器：比控制器：比较较、放大的作用、放大的作用浮子：液面高度的反浮子：液面高度的反馈馈元件元件 Q2 Q2为为系系统统的干的干扰扰量量气气动阀门动阀门：执执行机构行机构被控被控对对象：水箱象：水箱2002-09-23 2002-09-23 3434.2002-09-23 2002-09-23 3535.有一发电机-电动机调速系统如图1-7所示。其工作原理是操纵者转动操纵电位计的手柄，可使电位计的输出电压Ur改变大小和方向。经前置放大器和直流发电机两极放大，使加在伺服电机上的端电压也随之改变大小和方向。从而使负载具有所要求的转速。试说明该系统的给定值、被控量和干扰量，并画出方块图。例题1-22002-09-23 2002-09-23 3636.2002-09-23 2002-09-23 3737.参考书1、现代控制工程 美Katsuhiko Ogata著第三版2、自动控制原理 清华 哈尔滨工业大学每星期一交作业本2002-09-23 2002-09-23 3838.作业1-1 1-4谢谢！2002-09-23 2002-09-23 3939.