自动控制原理讲义第1章自动控制的一般概念-课件

欢迎各位！1 1大家好大家好自动控制原理程向红蔡体菁2 2大家好大家好第1讲程向红程向红自动控制的一般概念3 3大家好大家好第一章 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4 4大家好大家好历史的回顾1818世纪，世纪，James WattJames Watt 为控制蒸汽机速度设计的离心调为控制蒸汽机速度设计的离心调节器，是自动控制领域的第一项重大成果。节器，是自动控制领域的第一项重大成果。19221922年，年，MinorskyMinorsky研制出船舶操纵自动控制器，并证研制出船舶操纵自动控制器，并证明了从系统的微分方程确定系统的稳定性的方法。明了从系统的微分方程确定系统的稳定性的方法。19321932年，年，NyquistNyquist提出了一种根据系统的开环频率响提出了一种根据系统的开环频率响应应(对稳态正弦输入对稳态正弦输入)，确定闭环系统稳定性的方法。，确定闭环系统稳定性的方法。19341934年，年，HezenHezen提出了用于位置控制系统的伺服机构提出了用于位置控制系统的伺服机构的概念，讨论了可以精确跟踪变化的输入信号的机的概念，讨论了可以精确跟踪变化的输入信号的机电伺服机构。电伺服机构。5 5大家好大家好1919世纪世纪4040年代，频率响应法为闭环控制系统提供年代，频率响应法为闭环控制系统提供了一种可行方法，了一种可行方法，EvansEvans提出并完善了根轨迹法。提出并完善了根轨迹法。1919世纪世纪5050年代末，控制系统设计问题的重点从设年代末，控制系统设计问题的重点从设计许多可行系统中的一种系统，转到设计在某种计许多可行系统中的一种系统，转到设计在某种意义上的最佳系统。意义上的最佳系统。1919世纪世纪6060年代，数字计算机的出现为复杂系统的年代，数字计算机的出现为复杂系统的基于时域分析的现代控制理论提供了可能。基于时域分析的现代控制理论提供了可能。从从19601960年到年到19801980，确定性系统、随机系统的最佳，确定性系统、随机系统的最佳控制，及复杂系统的自适应和学习控制，都得到控制，及复杂系统的自适应和学习控制，都得到充分的研究。充分的研究。从从19801980年到现在，现代控制理论进展集中于鲁棒年到现在，现代控制理论进展集中于鲁棒控制、控制、HH控制及其相关课题。控制及其相关课题。6 6大家好大家好古典控制理论古典控制理论 以传递函数为基础研以传递函数为基础研究单输入究单输入-单输出一类单输出一类定常控制系统的分析定常控制系统的分析与设计问题。这些理与设计问题。这些理论由于其发展教早，论由于其发展教早，现已臻成熟。现已臻成熟。现代控制现代控制 以状态空间法为基础，以状态空间法为基础，研究多输入研究多输入-多输出、多输出、时变、非线性一类控时变、非线性一类控制系统的分析与设计制系统的分析与设计问题。系统具有高精问题。系统具有高精度和高效能的特点。度和高效能的特点。7 7大家好大家好 1.2 术语自动控制自动控制对象对象 过程过程 系统系统 扰动扰动 反馈控制反馈控制反馈控制系统反馈控制系统 随动系统随动系统 自动调整系统自动调整系统 过程控制系统过程控制系统8 8大家好大家好1 1 自动控制自动控制 在无人直接参与的情况下，在无人直接参与的情况下，通过控制器使被控对象或通过控制器使被控对象或过程自动地按照预定要求过程自动地按照预定要求进行。进行。2 2 对象对象对象对象 是一个设备，它是由一些是一个设备，它是由一些机器零件有机地组合在一机器零件有机地组合在一起的，其作用是完成一个起的，其作用是完成一个特定的动作。在下面的讨特定的动作。在下面的讨论中，称任何被控物体论中，称任何被控物体（如加热炉、化学反应器（如加热炉、化学反应器或宇宙飞船）为对象。或宇宙飞船）为对象。3 3 过程过程过程过程 称任何被控制的运行状态称任何被控制的运行状态为过程，其具体例子如化为过程，其具体例子如化学过程、经济学过程、生学过程、经济学过程、生物学过程。物学过程。4 4 系统系统系统系统 完成一定任务的一些元、完成一定任务的一些元、部件的组合。部件的组合。9 9大家好大家好5 扰动扰动6 反馈控制反馈控制 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。1010大家好大家好 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 反馈控制系统反馈控制系统反馈控制系统反馈控制系统1111大家好大家好 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 随动系统随动系统9 过程控制过程控制 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。1212大家好大家好热力系统的例子热力系统的人工反馈控制1313大家好大家好热力系统的自动反馈控制热力系统的自动反馈控制 1414大家好大家好1.3 闭环控制与开环控制反馈控制系统反馈控制系统开环控制系统开环控制系统闭环与开环控制系统的比较闭环与开环控制系统的比较1515大家好大家好1.3.1 反馈控制系统1 反馈反馈反馈反馈 把取出的输出量送回输入端，并与输入信把取出的输出量送回输入端，并与输入信号相比较产生偏差信号的过程，称为反馈。若反号相比较产生偏差信号的过程，称为反馈。若反馈的信号与输入信号相减，使产生的偏差越来越馈的信号与输入信号相减，使产生的偏差越来越小，则称为负反馈；反之，则称为正反馈。小，则称为负反馈；反之，则称为正反馈。2 2 反馈控制系统反馈控制系统反馈控制系统反馈控制系统 能对输入量与输出量进行比较，并且将它们的能对输入量与输出量进行比较，并且将它们的偏差作为控制手段，以保持两者之间预定关系的偏差作为控制手段，以保持两者之间预定关系的系统，称为反馈控制系统。由于引入了被反馈量系统，称为反馈控制系统。由于引入了被反馈量的反馈信息，整个控制过程成为闭合的，因此反的反馈信息，整个控制过程成为闭合的，因此反馈控制也称为闭环控制。馈控制也称为闭环控制。1616大家好大家好3 3 闭环控制闭环控制 凡是系统输出信号对控制作用有直接影响的凡是系统输出信号对控制作用有直接影响的系统，都称为闭环系统。输入信号和反馈信号系统，都称为闭环系统。输入信号和反馈信号（反馈信号可以是输出信号本身，也可以是输出（反馈信号可以是输出信号本身，也可以是输出信号的函数或导数）之差，称为误差信号，误差信号的函数或导数）之差，称为误差信号，误差信号加到控制器上，以减小系统的误差，并使系信号加到控制器上，以减小系统的误差，并使系统的输出量趋于所希望的值，换句话说，统的输出量趋于所希望的值，换句话说，“闭环闭环”这个术语的涵义，就是应用反馈作用来减小系这个术语的涵义，就是应用反馈作用来减小系统的误差。统的误差。1717大家好大家好图图1-3 1-3 闭环控制系统闭环控制系统1818大家好大家好1.3.2 反馈控制系统的基本组成 被控对象被控对象控制装置控制装置(由具有一定职能的各种基本元件组成由具有一定职能的各种基本元件组成 )测量元件：其职能是测量被控制的物理量测量元件：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）。（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。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。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。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，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。用串联或反馈的方式连接在系统中，以改善系统性能。1919大家好大家好用用“”号代表比较元件，号代表比较元件，“”号代表两者符号相反，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号代表两者符号相同。信号沿箭头方向从输入端到达输出端的传输通路称前向通路；系统输出量经测量元件达输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。它构成的内回路。2020大家好大家好 1.3.3 开环控制系统定义定义定义定义 如果系统的输出量与输入量间不存在反馈的通道，如果系统的输出量与输入量间不存在反馈的通道，这种控制方式称为开环控制系统。这种控制方式称为开环控制系统。2121大家好大家好现代化的工厂现代化的工厂2222大家好大家好1.3.4 闭环与开环控制系统的比较闭环控制系统的特点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、分量产生的影响。精度高、结构复杂，设计、分析麻烦。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。2323大家好大家好棉纺厂2424大家好大家好1.5 1.5 自动控制系统的分类自动控制系统的分类开环控制开环控制闭环控制闭环控制(反馈控制反馈控制)复合控制复合控制 按控制方式分按控制方式分2525大家好大家好机械系统机械系统恒张力系统恒张力系统电气系统电气系统机电系统机电系统全自动照相机，光机全自动照相机，光机 电结合电结合液压系统液压系统伺服液压缸，汽车发伺服液压缸，汽车发动机，大型的仿真模拟台动机，大型的仿真模拟台气动系统气动系统 生物系统生物系统按元件类型分2626大家好大家好按系统功用分按系统功用分温度控制系统压力控制系统位置控制系统2727大家好大家好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2828大家好大家好恒值控制系统随动系统程序控制系统按参据量变化规律分按参据量变化规律分2929大家好大家好 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1-13030大家好大家好2002-09-23 2002-09-23 3131大家好大家好2002-09-23 2002-09-23 3232大家好大家好2002-09-23 2002-09-23 3333大家好大家好 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 3434大家好大家好2002-09-23 2002-09-23 3535大家好大家好参考书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 3636大家好大家好作业1-1 1-4谢谢！2002-09-23 2002-09-23 3737大家好大家好Bye Bye大家好大家好