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1、自动控制原理,授课人：田巍,2011.02.28,一、课程的地位和作用,自动控制原理是电气工程类及相关专业必修的一门重要的专业基础课。,二、课程的基本要求,1、自动控制理论的分类 根据自动控制技术发展的不同阶段 经典控制理论 现代控制理论,三、课程内容和学时分配,第一章 引论 第二章 线性系统的数学模型 第三章 线性系统的时域分析 第四章 线性系统的根轨迹分析 第五章 线性系统的频域分析 第六章 线性系统的校正 第七章 非线性系统的分析 第八章 采样控制系统 第九章 平稳随机信号作用下线性系统的分析,基本概念,建模,设计,1、课程内容,三、课程内容和学时分配,2、学时分配表,自动控制的基本知识
2、,自动控制的基本知识,一、自动控制的概念 二、自动控制技术的应用 三、自动控制理论的发展,一、自动控制的概念,自动控制的概念,在没有人直接参与的情况下，利用控制 装置使被控对象（如机器、设备和生产过程） 的某些物理量（或工作状态）能自动的按照 预定的规律变化（或运行）。,二、自动控制技术的应用,自动控制技术的应用,1、在工业上，自动控制技术有广泛应用 2、在宇航、机器人控制、导弹制导及核动力等高新 技术领域中，自动控制技术更具有特别重要的作用 3、在生物、医学、环境、经济管理和其它许多社会生 活领域中，自动控制技术也得到了应用,结论：自动控制已成为现代社会生活中不可 缺少的一部分,三、自动控制
3、理论的发展,自动控制l理论的发展,自动控制理论的发展可分为四个主要阶段：,第一阶段：经典控制理论（或古典控制理论） 的产生、发展和成熟 第二阶段：现代控制理论的兴起和发展 第三阶段：大系统控制兴起和发展阶段 第四阶段：智能控制发展阶段,第一阶段：经典控制理论,自动控制l理论的发展,至此，控制理论发展的第一阶段基本完成，形成了以频率法和 根轨迹法为主要方法的经典控制理论。,1、发展过程,2、基本特征,自动控制l理论的发展,1）主要用于线性定常系统的研究，即用于常系数 线性微分方程描述的系统的分析与综合； 2）只用于单输入，单输出的反馈控制系统； 3）只讨论系统输入与输出之间的关系，而忽视系 统的
4、内部状态，是一种对系统的外部描述方法。,第二阶段：现代控制理论,自动控制l理论的发展,1、提出背景 1）经典控制理论的局限性 由于经典控制理论只适用于单输入、单输出的线性定常系 统，只注重系统的外部描述而忽视系统的内部状态。因而在实际应用中有很大局限性 2）航天事业和计算机的发展 随着航天事业和计算机的发展，20世纪60年代初，在经典控制理论的基础上，以线性代数理论和状态空间分析法为基础的现代控制理论迅速发展起来。,自动控制l理论的发展,2、发展过程,自动控制l理论的发展,3、基本特征 1）在数学工具、理论基础和研究方法上不仅能提供系统的外部信息（输出量和输入量），而且还能提供系统内部状态变量
5、的信息 2）无论对线性系统或非线性系统，定常系统或时变系统，单变量系统或多变量系统，都是一种有效的分析方法,第三阶段：大系统理论,自动控制l理论的发展,1、提出背景 1）新的控制方法和理论的出现 现代频域方法：以传递函数矩阵为数学模型，研究线性定常多变量系统 自适应控制理论和方法：以系统辨识和参数估计为基础，在实时辨识基础上在线确定最优控制规律 鲁棒控制方法：在保证系统稳定性和其它性能基础上，设计不变的鲁棒控制器，以处理数学模型的不确定性,第三阶段：大系统理论,自动控制l理论的发展,1、提出背景 2）控制理论应用范围的扩大 从个别小系统的控制，发展到若干个相互关联的子系统组成的大系统进行整体控
6、制，从传统的工程控制领域推广到包括经济管理、生物工程、能源、运输、环境等大型系统以及社会科学领域,自动控制l理论的发展,2、基本特征 1）大系统理论是过程控制与信息处理相结合的系统工程理论 2）具有规模庞大、结构复杂、功能综合、目标多样、因素众多等特点 3）它是一个多输入、多输出、多干扰、多变量的系统 4）大系统理论目前仍处于发展和开创性阶段,第四阶段：智能控制,自动控制l理论的发展,1、提出背景 智能控制的概念和原理主要是针对被控对象、环境、控制目标或任务的复杂性提出来的，它的指导思想是依据人的思维方式和处理问题的技巧，解决那些目前需要人的智能才能解决的复杂的控制问题 2、研究方法 智能控制
7、是从“仿人”的概念出发的。一般认为，其方法包括学习控制、模糊控制、神经元网络控制、和专家控制等方法,目 录,第一章 引 论 第二章 线性系统的数学模型 第三章 线性系统的时域分析 第四章 线性系统的根轨迹分析 第五章 线性系统的频域分析 第六章 线性系统的校正,1-2 自动控制系统的类型,1-3 自动控制理论概要,1-4 自动控制系统中的术语和定义,第一章 引 论,1-1 开环控制和闭环控制,1-1 开环控制和闭环控制,一、自动控制,在没有人直接参与的情况下，利用控制 装置使被控对象（如机器、设备和生产过程） 的某些物理量（或工作状态）能自动的按照 预定的规律变化（或运行）。,1-1 开环控制
8、和闭环控制,二、自动控制系统的形式,自动控制系统,开环控制系统,闭环控制系统,开环控制,实例：直流电动机转速控制系统,如电动机负载的增减、磁场电流的变化、功率放大器电源的波动,开环控制系统自身无法纠正由于扰动作用产生的偏差,为了克服扰动影响，维持电动机转速不变，有两种解决办法：,人工控制 自动控制,（闭环控制）,实例：直流电动机转速控制系统,转速表,眼：,脑：,手：,人工控制：,观测转速,检测装置,将转速实际值与希望值进行比较,根据偏差进行调节，使转速恢复 到希望值,比较环节,执行机构,只要控制装置能自动地完成“检测、比较、执行”的作用，就可以实现自动控制。,实例：直流电动机转速控制系统,实例
9、：直流电动机转速控制系统,uf,u,检测：,用测速发电机来测量电动机的转速，电 位器上的电压uf与转速n成比例关系， 即 uf = k n。,实例：直流电动机转速控制系统,uf,u,比较：,给定电压ur = k nr与反馈电压uf = k n 进行 比较，偏差u = ur uf = k(nr n),实例：直流电动机转速控制系统,uf,u,执行：,偏差u经放大器放大后得到电压ud ，即可 控制电动机加速或减速，使电动机转速趋向 于希望值。,实例：直流电动机转速控制系统,uf,u,自动控制过程：,n,ud,uf,u,n,实例：直流电动机转速控制系统,方框图：,闭环控制,开环控制系统和闭环控制系统,
10、1、开环控制系统,1）概念：系统的输出量对控制作用没有影响的系统称为开环控制系统。 2）构成：开环控制系统中信号只有从输入到输出一条前向通道，输出与输入之间不存在反馈通道。 3）系统精度的决定因素：系统的精度取决于组成系统的元、器件的精度和特性调整的精确度。 4）特点：优点是构造简单，维护容易，成本低，一般不存在稳定性问题；缺点是不能克服扰动对输出量的影响。,开环控制,2、闭环控制系统,1）概念：系统的输出量经变换后反馈到输入端与输入量进行比较，根据偏差进行控制，形成闭合回路，这样的系统称为闭环控制系统，也称为反馈控制系统或偏差控制系统。 2）构成：闭环控制系统中除了有前向通道外，还存在从输出
11、端到输入端的反馈通道。 3）系统精度的决定因素：闭环系统的控制精度在很大程度上由形成反馈的测量元、器件的精度决定。 4）特点：优点是能削弱或消除外部扰动或闭环内主通道上各环节参数变化对输出量的影响；缺点是结构复杂，成本高，存在稳定性问题。,闭环控制,反馈：,把输出量送回到系统的输入端并与输入信号比较的过程。同时，由于有反馈的存在，整个控制过程是闭合的，故也称为闭环控制。,闭环控制,1、反馈的概念,2、反馈的分类,负反馈：若反馈信号是与输入信号相减而使偏差值越来越小，则称为负反馈。显然，负反馈控制是一个利用偏差进行控制并最后消除偏差的过程，又称偏差控制。 正反馈：与负反馈定义相反,3、复合控制系
12、统,将开环控制和闭环控制适当地结合在一起， 构成开环闭环控制系统，能取得较好的效果。,恒温箱控制系统,开环控制,恒温箱控制系统,闭环控制,液面控制系统,开环控制,液面控制系统,闭环控制,液面控制系统,闭环控制,1-2 自动控制系统的类型,介绍几种常用的分类方法,一、恒值控制系统/随动控制系统 按给定量的特征分类。,1-2 自动控制系统的类型,介绍几种常用的分类方法,二、线性控制系统/非线性控制系统 按组成系统的元件的特征分类。,1-2 自动控制系统的类型,介绍几种常用的分类方法,三、连续控制系统/离散控制系统 按系统中信号是连续的还是离散的进行分类。,1-2 自动控制系统的类型,介绍几种常用的
13、分类方法,四、单输入单输出系统/多输入多输出系统,1-2 自动控制系统的类型,介绍几种常用的分类方法,五、确定系统/不确定系统,1-2 自动控制系统的类型,介绍几种常用的分类方法,六、集中参数系统/分布参数系统,本课程重点：,介绍研究单变量、集中参数、恒值、线性定常、连续系统的理论和方法。,1- 3 自动控制理论概要,自动控制理论的内容：控制系统的分析与设计。,1、稳定性 稳定性是对控制系统最基本的要求。 当系统受到扰动作用后会偏离原来的平衡状态，但当扰 动消失后，经过一定的时间，如果系统仍能回到原来的 平衡状态，则称系统是稳定的。,一、自动控制系统需要分析的问题,不稳定的系统是无法使用的，系
14、统激烈而持久的振荡会导致功率元件过载，甚至使设备损坏而发生事故，这是绝不允许的。,常见的暂态过程如下：,衰减振荡：,单调收敛：,给定信号跃变,负载扰动跃变,系统是稳定的,常见的暂态过程如下：,等幅振荡：,发散振荡：,系统是不稳定的,2、稳态响应 准确性是对控制系统稳态性能的要求。 稳态性能通常用稳态误差来表示。稳态误差是指当系统 达到稳态后，输出量的实际值与期望值之间的误差。稳 态误差越小，表示系统控制精度越高。,3、暂态响应 系统从给定量或扰动量发生变化到系统重新达到稳态 的过程称为暂态过程。 对控制系统暂态性能的要求是快速性和相对稳定性。,总之，对自动控制系统，我们希望它能达到三方面的性能
15、要求：,稳 准 快,同一个系统，上述三项性能指标之间往往是相互制约的。提高系统的快速性，可能会引起系统强烈振荡；改善了平稳性，控制过程又可能很迟缓，甚至使最终精度也很差。分析和解决这些矛盾，将是本课程讨论的重要内容。,由于被控对象的具体情况不同，各种系统对三项性能指标的要求应有所侧重。例如恒值系统一般对稳态性能限制比较严格，随动系统一般对动态性能要求较高。,二、自动控制系统的设计问题,系统设计：在给出被控对象及其技术指标要求的情况下，寻求一个能完成控制任务、满足技术指标要求的控制系统。 系统校正：在控制系统的主要元件和结构形式确定的前提下，设计任务往往是需要改变系统的某些参数，有时还要改变系统
16、结构，选择合适的校正装置，计算、确定参数，加入系统之中，使其满足预定性能指标要求。,分析和设计是两个完全相反的命题。分析系统的目的在于了解和认识已有的系统。对于从事自动控制的工程技术人员而言，更重要的工作是设计系统，改造那些性能指标未达到要求的系统，使其能够完成确定的工作。,1-4 自动控制系统中的术语和定义,一、方框图,用方框表示系统中各个组成部件，在每个方框中填入它所表示部件的名称或其功能函数的表达式，不必画出它们的具体结构。根据信号在系统中的传递方向，用箭头依次把它们连接起来，就求得整个系统的方框图。,自动调速系统,自动控制系统根据控制对象和使用的元件不同，可以有各种不同的形式。但是从自
17、动控制系统的工作原理和各部分的功能来看，都可以抽象成如图所示的典型闭环控制系统。,局部反馈,主反馈,控制器,实际的系统中并非一定包含上图中的所有环节，而且有时多个环节的作用是由一个部件完成的。,典型闭环控制系统：,局部反馈,主反馈,控制器,直流电动机转速控制系统：,人工控制系统： 通过人眼观测，人脑比较，人手执行，改变电位器滑动触头位置，ur变ud变n变；手相当于执行机构改变电动机转速n值,自动控制系统： 电位器滑动触头位置不变，ur不变，uf变u变ud变n变；执行机构依据定义指的是放大器,转速表,uf,u,两个控制系统执行环节的含义存在差别，需要掌握自控系统,二、自动控制系统的基本环节和变量
18、,1、给定环节 产生参考输入信号的元件。产生的信号称为输入量 或给定量，给定量与输出量的期望值之间有一定的 对应关系。 如自动调速系统中，给定环节是电位器，给定量 为ur。 给定量ur与转速的期望值成比例关系。 即： ur = k nr 。,自动调速系统,2、比较环节 将给定量与反馈量进行比较的装置或线路。比较 环节的输出量代表给定量与反馈量比较的结果， 称为偏差量。 如自动调速系统中通过线路连接将给定量ur与反馈 量uf进行比较，得到偏差u = ur uf,自动调速系统,3、校正环节 为改善系统特性而附加的装置。这种装置按某种规 律对偏差信号进行运算，用运算的结果进行控制， 以改善系统的稳态
19、和暂态性能。,4、放大环节 由于偏差量往往很小或者物理性质不同，不能直接 作用于执行环节，所以偏差量往往还要经过放大变 换处理后作用于执行环节。 如自动调速系统中的放大器。,自动调速系统,5、执行环节 一般由传动装置和调节机构组成，直接作用与控 制对象，使被控量达到期望值。加在控制对象上 的量称为控制量。 如自动调速系统中的放大器，控制量为ud 。,6、控制对象 指要进行控制的设备或过程。相应地要控制的物理 量称为被控量，也是控制系统的输出量。 如自动调速系统中的电动机。被控量即输出量为电 动机的转速n 。,自动调速系统,人工控制系统,7、检测变换环节（反馈环节） 用来检测被控量，并将其变换为
20、与给定量相同量 纲的物理量。经反馈环节变换后与给定量进行比 较的信号称为反馈量。 如自动调速系统中的测速发电机。 电压uf即为反馈量。,自动调速系统,液面开环控制系统,液面闭环控制系统,给定环节：给定电位器。给定量由触头A设定。 比较环节：将给定电压与反馈电压进行比较，由线路实现。 A,B 两点的电位差反映希望水位与实际水位的偏差。 放大环节：放大器。 执行机构：电动机、减速器、进水阀门。 控制对象：水池 检测变换环节：浮子、连杆。,闭环控制系统方框图的绘制步骤： 1、先画出比较环节，标出给定量和反馈量 2、沿着前向通道信号流动的方向依次画出系统机 构，并用箭头连接，在箭头上方标明信号 3、画出反馈通道，构成闭环控制系统方框图,恒温箱控制系统,闭环控制系统基本环节的确定步骤： 1、按照定义确定各基本环节 2、结合典型闭环控制系统框图，确定系统各基本 环节,典型闭环控制系统：,局部反馈,主反馈,控制器,恒温箱控制系统：,比较环节,控制对象,反馈环节,放大环节,执行环节,