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1、2023/3/18,1,第1章 自动控制的一般概念,一、自动控制的基本原理与方式 二、自动控制系统示例 三、自动控制系统的分类 四、对自动控制系统的基本要求,2023/3/18,2,1.1 自动控制的基本原理与方式,1.1.1 自动控制技术及应用自动控制:就是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备（称为控制器）操作被控对象（如机器、设备或生产过程）的某个状态或参数（称为被控量）使其按预先设定的规律自动运行。如：飞机导航,2023/3/18,3,人造地球卫星 控制其准确地进入预定轨道运行并回收,无人驾驶飞机按预定轨迹飞行 渐露锋芒地无人驾驶飞机,2023/3/18,4,制导导弹现代的高新技术
2、让导弹长上了“眼睛”和“大脑”，利用负反馈控制原理去紧紧盯住目标.我国研制的地空导弹(如右图),雷达技术雷达操作时，天线就要不停地转动。天线的作用是把雷达中产生的无线电波按照一定的方向向外发射出去，并把被反射回来的无线电波接收下来。正因为天线所起的作用好似人的眼睛一样，因此雷达要注视和侦察整个天空的状况，天线就要不停地转动，用一个驱动马达使天线作360度的旋转，这样它就能在360度范围内进行“搜索”。,2023/3/18,5,自动控制技术应用于其他领域 由于计算机等技术的诞生和飞速发展，使得控制技术水平不断提高，已扩大到经济与社会生活的各个领域，如通信、交通、医学、环境保护、经济管理等领域，控
3、制技术已成为现代社会不可缺少的重要组成部分。近年来，我国在自动化仪表、工业调节器、数字控制技术、航天工程、核动力工程等方面的研究和应用取得了长足进展。,2023/3/18,6,2023/3/18,7,工业自动生产线,2023/3/18,8,1.1.2 自动控制理论的发展,自动控制理论就是研究自动控制共同规律的技术科学，它的发展初期是以反馈理论为基础的自动调节原理，随着工业生产和科学技术的发展，现已发展成为一门独立的学科控制论。控制论包括工程控制论、生物控制论和经济控制论。控制理论的发展过程一般可分为三个阶段：（1）第一阶段。时间为本世纪4060年代，称为“经典控制理论”时期。经典控制理论主要是
4、解决单输入单输出问题，主要采用传递函数、频率特性、根轨迹为基础的频域分析方法。此阶段所研究的系统大多是线性定常系统，对非线性系统，分析时采用的相平面法一般也不超过两个变量，经典控制理论能够较好地解决生产过程中的单输入单输出问题。这一时期的主要代表人物有伯德（H.W.Bode 1905）和伊文思（W.R.Evans）。伯德于1945年提出了简便而实用的伯德图法。1948年，伊文思提出了直观而又形象的根轨迹法。,2023/3/18,9,（2）第二阶段。时间为本世纪6070年代，称为“现代控制理论”时期。这个时期，由于计算机的飞速发展，推动了空间技术的发展。经典控制理论中的高阶常微分方程可转化为一阶
5、微分方程组，用以描述系统的动态过程，即所谓状态空间法。这种方法可以解决多输入多输出问题，系统既可以是线性的、定常的，也可以是非线性的、时变的。这一时期的主要代表人物有庞特里亚金、贝尔曼（Bellman），及卡尔曼（R.E.Kalman，1930）等人。庞特里亚金于1961年发表了极大值原理；贝尔曼在1957年提出了动态规化原则；1959年，卡尔曼和布西发表了关于线性滤波器和估计器的论文，即所谓著名的卡尔曼滤波。,2023/3/18,10,（3）第三阶段。时间为本世纪70年代末至今。70年代末，控制理论向着“大系统理论”和“智能控制”方向发展。前者是控制理论在广度上的开拓，后者是控制理论在深度上
6、的挖掘。“大系统理论”是用控制和信息的观点，研究各种大系统的结构方案、总体设计中的分解方法和协调等问题的技术基础理论。而“智能控制”是研究与模拟人类智能活动及其控制与信息传递过程的规律，研究具有某些仿人智能的工程控制与信息处理系统。,2023/3/18,11,1.1.3反馈控制原理,反馈控制是这样的一种控制过程，它能构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）之间的偏差，而其工作正是基于这一偏差基础之上的，这就是反馈控制的原理。,2023/3/18,12,例子,2023/3/18,13,在工业控制中，龙门刨床速度控制系统就是按照反馈控制原理进行工作的。,注意：龙门刨床速
7、度控制系统是一个有精差系统。速度最终达到的稳态值与原始给定速度之间始终有一个差值存在，这个差值是用来产生一个附加的电动机电枢电压，以补偿因增加负载而引起的速度下降。这个差值的存在是保证系统正常工作所必需的，一般称为稳态误差。如果从结构上加以改进，可以消除这个稳态误差。,2023/3/18,14,1.1.4反馈控制系统的基本组成,1)测量元件：检测被控制的物理量。2)给定元件：给出与期望的被控制量相对应的系统输入量（即参据量）。3)比较元件：把测量元件检测的被控量的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。4)放大元件：偏差信号的放大，用以推动执行元件。5)执行元件：直接推动被控
8、对象，使被控量发生变化。6)校正元件：也叫补偿元件以改善系统性能。,2023/3/18,15,典型的反馈控制系统基本组成框：,信号从输入端到达输出端的传输通路称为前向通路；系统输出量经测量元件反馈到输入端的传输通路称为主反馈通路。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。只包含一个主反馈通路的系统称为单回路系统，有两个或两个以上反馈通路的 系统称为多回路系统。,2023/3/18,16,2023/3/18,17,1.1.5 自动控制系统基本控制方式,（1）系统。即为达到某目的，由相互制约的各个部分按定规律组成的、具有一定功能的整体。（2）自动控制系统。指能够对被控对象的工作状
9、态进行自动控制的系统，它一般由控制装置（控制器）和被控对象所组成。（3）控制装置。则是指对被控对象起控制作用的设备总体。（4）被控对象。是指要求实现自动控制的机器、设备或生产过程。例如，汽车、飞机、炼钢、化工生产的锅炉等。,2023/3/18,18,自动控制系统的性能，在很大程度上取决于系统中的控制器为了产生控制作用而必须接收的信息，这个信息有两个可能的来源：1）来自系统外部，即由系统输入端输入的参考输入信号。2）来自被控对象的输出端，即反映被控对象的行为或状态的信息。把从被控对象输出端获得的信息通过中间环节（称为反馈环节）再送回控制器的输入端的过程，称为反馈。传送反馈信息的载体，称为反馈信号
10、。是否采用反馈，对控制系统的各个指标（即稳定性、快速性、准确性）影响很大。因此系统的基本控制方式也按有无反馈分为三大类：开环控制、闭环控制、复合控制。,2023/3/18,19,反馈控制方式,按偏差进行控制，具有抑制扰动对被控量产生影响的能力和较高的控制精度。,2023/3/18,20,开环控制,开环控制是在控制器与被控对象之间只有正向控制作用而没有反馈控制作用，即系统的输出量对控制量没有影响。开环控制系统的示意图如图所示。,2023/3/18,21,2023/3/18,22,例子,2023/3/18,23,复合控制方式,按偏差控制和按扰动控制相结合的控制方式 称为复合控制方式。,2023/3
11、/18,24,1.2自动控制系统示例,2023/3/18,25,1、家用电冰箱温控系统控制器设定温度与冰箱比较，产生偏差值，当偏差电压达到使继电器接通时，压缩机工作，将蒸发器中高温低压气态制冷液送制冷却器散热，降温后的低温低压制冷液压缩成高压液态进入蒸发器，急速降压扩散成气体，吸收箱体内热量，使冰箱温度下降，如此循环操作，使箱体温度达到希望温度，此时继电器断开，压缩机停止工作。,2023/3/18,26,下图为家用冰箱恒温系统的方框图,2023/3/18,27,2、锅炉液位控制系统,2023/3/18,28,2023/3/18,29,3、龙门刨床速度控制系统,2023/3/18,30,2023
12、/3/18,31,4、电炉温度控制系统,2023/3/18,32,2023/3/18,33,2023/3/18,34,2023/3/18,35,给定装置,放大器,舵机,飞机,反馈电位器,垂直陀螺仪,0,扰动,俯仰角控制系统方块图,飞机方块图,2023/3/18,36,1.3自动控制系统的分类,2023/3/18,37,2023/3/18,38,1、线性连续控制系统,这类系统可以用线性微分方程描述，一般形式为：系数a0，an，b0,bn是常数时，称为定常系统；系数a0，an，b0,bn随时间变化时，称为时变系统。线性定常连续系统按其输入量的变化规律又可分为恒值控制系统、随动系统和程序控制系统。,
13、2023/3/18,39,1)、恒值控制系统 这类控制系统的参据量是一个常值，要求被控量亦等于一个常值，故又称为调节器。在恒值控制系统中，参据量可以随生产条件的变化而改变，但是，一经调整后，被控量就应与调整好的参据量保持一致。在工业控制中，如果被控量是生产过程参量时，这种控制系统则称为过程控制系统，它们大多数属于恒值控制系统。(2)、随动系统 系统的参据量是预先未知的随时间任意变化的函数，要求被控量以尽可能小的误差跟随参据量的变化，故又称为跟随系统。在随动系统中。扰动的影响是次要的，系统分析、设计的重点是研究被控量跟随的快速性和准确性。在随动系统中，如果被控量是机械位或其导数时，这类系统称之为
14、伺服系统。(3)、程序控制系统 系统的参据量时按预定规律随时间变化的函数，要求被控量迅速、准确地加以复现。程序控制系统和随动系统的参据量都是时间函数，不过前者是已知的时间函数，后者是未知的任意时间函数，而恒值控制系统也可视为程序控制系统的特例。,2023/3/18,40,2、线性定常离散控制系统,离散系统是指系统的某处或多处的信号为脉冲序列或数码形式，因而信号在时间上是离散的。离散系统一般用差分方程描述，其一般形式可用下式表示：,2023/3/18,41,3、非线性控制系统,系统中只要有一个元部件的输入输出特性是非线性的，这类系统就称为非线性控制系统，实际物理系统中都含有不同程度的非线性元部件
15、，如放大器和电磁元件的饱和特性，运动部件的死区、间隙和摩擦特性等。对于非线性程度不大的情况，可在一定范围内进行线性化。,2023/3/18,42,1.5 自动控制系统的基本要求,1.5.1基本要求 1 稳定性 一个控制系统能正常工作的首要条件是系统必须是稳定的，由于控制系统是具有反馈作用的闭环系统，因此，系统有可能趋向振荡或不稳定，不稳定的系统是无法工作的。稳定的控制系统在阶跃信号或扰动信号的作用下，其响应的暂态过程应该是收敛的。如果系统设计不当，则在阶跃信号下或扰动信号的作用下，相应的幅值振荡可能成为等幅振荡，甚至成为振幅逐渐增大的发散振荡，发生这种情况的系统称为不稳定系统。系统稳定性包括两
16、个方面的含义。（1）系统稳定，称为绝对稳定，即通常所说的稳定性。（2）输出响应振荡的强烈程度，称为相对稳定性。例如系统是绝对稳定的，但是在阶跃信号作用下，响应振荡很强烈，而且振荡的衰减很慢，则该系统虽然属于稳定系统，但相对稳定性差。,2023/3/18,43,2 快速性,在实际控制过程中，不仅要求系统稳定，而且要求被控量能迅速按照输入信号所规定的形式变化，即要求系统具有一定的响应速度。由于系统中总包含一些惯性元件，因此在输入信号作用下，系统的响应总要经过暂态过程之后才能达到稳态。在控制系统的输出响应中，调整时间是直接反映系统响应快慢的一个指标，这将在后面第三章介绍。,2023/3/18,44,3 准确性,对于控制系统的准确性要求是控制系统设计中需要考虑的指标之一，要求系统准确性（稳态精度）高，一般采用稳态误差来表示。系统在输入信号的作用下，其响应经过暂态过程进入稳态后，系统的输出量与希望值之间的误差，称为稳态误差。,2023/3/18,45,1.5.2、典型的外作用,为了便于用统一的方法研究和比较控制系统的性能，通常选用几种确定性函数作为典型外作用。可选作典型外作用的函数应具备以下条件：1)这种函数在现场或实验室中容易得到；2)控制系统在这种函数作用下的性能应代表在实际工作条件下的性能。3)这种函数的数学表达式简单，便于理论计算。,2023/3/18,46,
