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1、2023/7/10,1,自动控制原理,王承国,2023/7/10,2,主要参考书,自动控制原理 科学出版社 胡寿松 自动控制原理 国防工业出版社 李友善 自动控制原理 华南理工大学出版社 高国燊 自动控制原理 清华大学出版社 吴 麒 MATLAB/Simulink与控制系统仿真 电子工业出版社 王正林 反馈控制系统设计与分析 MATLAB语言应用 清华大学出版社 薛定宇,2023/7/10,3,中文核心期刊要目总览(北京大学2012版）,自动化学报控制理论与应用模式识别与人工智能控制与决策信息与控制,机器人系统仿真学报数据采集与处理传感器技术,2023/7/10,4,课程概况,国家一级学科：控
2、制科学与工程国家二级学科：控制理论与控制工程、检测技术与自动化装置、系统工程、模式识别与智能系统和导航、制导与控制对应本科专业：自动化（自动控制）难、理性很强、与数学联系密切学分：3时间：周一3-4节，周四1-2节地点：教学一区1220实验地点另行通知,2023/7/10,5,课程要求及考核方式,课程要求：*按时上课（无故旷课-5，迟到早退-3）*认真听讲，遵守课堂纪律*按时、独立完成作业*遇到问题及时解决*多看参考书、期刊杂志，深入理解课程内容*注意理论学习和实际应用之间的联系考核方式：笔试、闭卷!考勤、实验和作业：30!期末考试卷面成绩：70,设施农业的自动化控制,设施农业自动化检测与控制
3、设备包括作物栽培管理专家系统、现场总线、智能变送单元、控制单元、传感器、继电器驱动单元、执行机构。作物栽培管理专家系统根据温室栽培作物的专家知识经验，综合能量最省和作物生长最适宜原则，自动调整温室的环境条件和营养液成分。不同的作物品种、不同的生长期环境参数的上下限和最适宜值，可以由专家设定。所有测量参数和执行结构动作情况都记录在电脑内，可供随时查询、打印。控制单元包括：双向天窗角度开闭驱动，遮阳网驱动，防虫网驱动，通风机，喷灌滴灌定时或根据土壤水分控制，营养液自动配制和弃液，节能加温等.智能变送单元进行数据采集,具有自诊断,自标定等功能。传感器包括测量环境参数的传感器(温、湿度、光照、二氧化碳
4、、土壤水分等)以及营养液成分(pH，电导、氮、磷、钾等)，小气象传感器(风速、风向、大气温湿度和大气压等)等。,2023/7/10,7,第一章 自动控制的一般概念,1-1 自动控制的基本原理与方式1-2 自动控制系统实例1-3 自动控制系统的分类1-4 对自动控制系统的基本要求,2023/7/10,8,自动控制,自动控制是指在无人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（统称控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。,自动控制理论,自动控制理论是研究自动控制问题共同规律的技术科学，主要讲述自动控制技术的基本理论与控制系统分
5、析与设计的基本方法等内容。,2023/7/10,9,是指按照某些规律结合在一起的物体（元部件）的组合，它们相互作用、相互依存，并能完成一定的任务。,系统,能够实现自动控制的系统就可称为自动控制系统，一般由控制装置和被控对象组成。,自动控制系统,2023/7/10,10,自动控制是一门技术学科，从方法论的角度来研究系统的建立、分析与设计。自动控制原理是本学科的专业技术核心课程。（1）自动控制理论的基础课程，该课程与其它课程的关系。,自动控制理论,电路理论,电机与拖动,大学物理,信号与系统,复变函数拉氏变换,模拟电子技术,线性代数,微积分,各 类专业课,线性系统,现代控制理论,2023/7/10,
6、11,（2）自动控制理论已经发展为理论严密、系统完整、逻辑性很强的一门学科。从基本反馈控制原理发展到：自适应控制、最优控制、鲁棒控制、大系统控制、智能控制等。讨论的对象：因果系统、工程系统系统的广义性：经济、社会、工程、生物、环境、医学 课程特点：研究系统的共性问题,2023/7/10,12,控制理论的发展历史,1765年俄国机械师波尔祖诺夫发明了蒸汽机锅炉水位调节器 1788年英国人瓦特(Watt)发明了蒸汽机离心式调速器 1877年劳斯(Routh)和赫尔维茨(Hurwitz)提出判定系统稳定的代数判据 1892年俄国学者李亚普诺夫发表了“论运动稳定性的一般问题”的博士论文，提出李亚普诺夫
7、稳定性理论19世纪末到20世纪前半叶，内燃机的使用二次世界大战中，搭起了经典控制理论的框架，战后这些理论被公开，并应用于一般的工业生产过程中20世纪10年代，PID控制器,2023/7/10,13,经典控制理论（20世纪4060年代）,1932年奈奎斯特(Nyquist)的再生理论一文，开辟了频域法的新途径1945年伯德(Bode)的网络分析和反馈放大器设计一文，奠定了经典控制理论的理论基础，在西方开始形成了自动控制学科1947年美国出版了第一本自动控制教材伺服机件原理1948年美国麻省理工学院出版了另一本伺服机件原理教材，建立了现在广泛使用的频域法1948年维纳(Wiener)在他的名著控制
8、论：关于在动物和机器中控制和通信的科学中基于信息的观点给控制论(Cybernetics)下了一个广义的定义。而在控制工程中又称为控制理论(Control Theory)。20世纪50年代是经典控制理论发展和成熟的时期。,2023/7/10,14,美国MIT的N.Wiener于1948发表控制论(Cybernetics)，标志着控制论学科的诞生。,2023/7/10,15,现代控制理论（20世纪60年代中期成熟）,20世纪50年代末60年代初，空间技术开始发展，前苏联和美国都竞相进行了大量研究。1960年在美国自动控制联合会第一届年会上首次提出“现代控制理论”这个名词。在状态空间法发展初期，具有
9、重要意义的是庞特里亚金（Pontryagin）的极大值原理。贝尔曼（Bellman）的动态规划理论和卡尔曼（Kalman）的最佳滤波理论，有人把它们作为现代控制理论的起点，主要研究系统辨识、最优控制、最佳滤波及自适应控制等内容。,国内控制论的发展历史,我国起步晚，在现代科学史上没有占据一席之地，1954年钱学森创立并引入工程控制论，80年代普遍开展教学和研究，但基础工业落后，以原料到生产，各方面落后，从自动化的材料、元件、系统和技术各方面都与发达国家有较大差距。,2023/7/10,17,经典控制与现代控制,2023/7/10,18,1-1 自动控制的基本原理与方式,1.人工控制与自动控制：水
10、箱水位控制问题,2023/7/10,19,人工控制：眼、脑、手、水箱+阀门,自动控制：传感器、控制器、执行器、水箱+阀门,2023/7/10,20,2.反馈控制原理,控制论的奠基人N.Wiener给出的定义：“Feedback is a method of controlling a system by inserting into it the result of its past performance”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。,反馈控制
11、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。,2023/7/10,21,3.反馈控制系统的基本组成,反馈控制系统：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（部件）组成。测量元件、给定元件、比较元件放大元件、执行元件、校正元件,2023/7/10,22,一些基本概念,前向通路：从输入端沿箭头方向到输出端的传输通路主反馈通路：输出经过测量元件到达输入端的通路主回路：前向通路+主反馈通路内回路：局部前向通路+局部反馈通路单回路系统、多回路系统反馈控制系统受到的外部作用参考（有用）输入：决定系统被控量的变化规律扰动
12、：系统外部扰动、系统内部扰动,2023/7/10,23,4.自动控制系统的基本控制方式,按照控制方式和策略，自动控制系统可分为：开环控制系统 闭环控制系统 复合控制系统,2023/7/10,24,开环控制系统的方框图,开环控制是指控制装置与被控制对象之间只有正向作用而没有反向联系的控制过程。开环控制系统不具备自动修正的能力。当系统精度要求不高或干扰对系统的影响不大时，可以采用开环控制方式，如交通指挥的红绿灯转换，自动控制生产线等。开环控制系统的精度主要取决于构成系统元器件的精度以及调整的精度。,开环控制,2023/7/10,25,特点：系统输出量对系统的输入量不产生影响，结构简单、调整方便、成
13、本低 开环控制有两种方式：按给定量控制 按扰动量控制 利用可测量的扰动量，产生补偿作用，以减小或抵消扰动对输出量的影响（顺馈）,开环控制,2023/7/10,26,闭环控制,闭环控制是控制装置与被控对象之间既有正向的作用，又有反向联系的控制过程。,若将系统的输出量反馈到其输入端，与参考输入进行比较，则构成闭环系统,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,通过反馈使偏差增大的正反馈，用“+”表示通过反馈使偏差减小的负反馈，用“-”表示,2023/7/10,27,闭环控制就是采用负反馈利用偏差来减小偏差的控制过程。工程中的自动控制系统多数为闭环控制系统，如舰船操舵
14、系统、火炮发射系统、雷达跟踪系统等。闭环控制系统的精度主要取决于测量元件的精度。,闭环系统的方框图,闭环控制,2023/7/10,28,开环控制与闭环控制的比较,开环控制系统中信号由输入到输出是单方向传递的，不必对输出信号进行测量，因此结构简单，调整方便，成本较低。开环控制可分为按给定量进行控制与按扰动量进行控制，按扰动量进行控制又称为前馈控制，适用于扰动可测量的场合。由于开环控制只有正向作用，没有反向的联系，因此没有修正偏差的能力，抗扰动性较差。在精度要求不高或扰动影响较小的情况下，这种控制方式有一定的实用价值。一般来说，当系统的控制规律能预先确知，并对系统可能出现的干扰可以做到有效抑制时，
15、应采用开环控制系统。,开环控制,2023/7/10,29,闭环控制系统由于引入了反馈机制，可以抑制内部参数变化和外部扰动对系统输出产生的影响。采用成本较低、精度不太高的元器件构成高精度的控制系统。应用比较广泛，但稳定性是设计中要考虑的主要问题。只有在系统的控制量和扰动量均无法预知的情况下，闭环控制系统才有其明确的优越性。,闭环控制,2023/7/10,30,2023/7/10,31,复合控制,将按偏差控制与按前馈控制结合起来，对于主要扰动采用适当的补偿装置实现按扰动控制，同时，再组成反馈控制系统以实现按偏差控制，以消除其余扰动产生的偏差。这种按偏差控制与按扰动控制相结合的控制方式称为复合控制。
16、（1）按偏差控制+按扰动补偿控制（2）按偏差控制+按给定补偿控制,2023/7/10,32,1-2 自动控制系统示例,函数记录仪飞机-自动驾驶仪系统电阻炉微机温度控制系统飞行模拟器的视景系统锅炉液位控制系统磁盘驱动读取系统胰岛素注射控制系统,2023/7/10,33,被控对象：水箱 被控量：水箱水位 控制装置：杠杆 检测元件：浮球 控制手段：进水阀,水箱水位控制系统,2023/7/10,34,水箱水位控制系统,2023/7/10,35,2023/7/10,36,炉温控制系统方框图,炉温控制系统方框图,2023/7/10,37,汽车驾驶控制系统,2023/7/10,38,2023/7/10,39
17、,1-3 自动控制系统的分类,分类方法按控制方式：开环控制、闭环控制、复合控制按元件类型：机械系统、电气系统、机电系统、液压系统、气动系统、生物系统等。按系统功能：温度、压力、位置按系统性能：线性与非线性、连续与离散、定常与时变按参考量变化规律：恒值、随动、程序控制,2023/7/10,40,线性控制系统和非线性控制系统 按照系统是否满足叠加原理，系统可分为线性系统和非线性系统两类。线性控制系统组成控制系统的元件都具有线性特性；输入输出关系一般可以用微分方程、差分方程、传递函数以及状态空间表达式来描述；线性系统的主要特点是具有齐次性和适用叠加原理；如果线性系统中的参数不随时间变化，则称为线性定
18、常系统；否则称为线性时变系统。,2023/7/10,41,非线性控制系统 控制系统中，若至少有一个元件具有非线性特性；一般不具有齐次性，也不适用叠加原理；输出响应和稳定性与输入信号和初始状态有很大关系；也有时变和定常系统之分；严格地讲，绝对线性的控制系统（或元件）是不存在的由于非线性系统的复杂性，分析非线性系统没有一种统一的方法非线性方程的特点：系数与变量有关，或者方程中含有变量及其导数的高次幂或乘积数,2023/7/10,42,1、线性连续控制系统,由系数判定线性时变系统、线性定常系统。线性定常系统根据参考输入量又可分为：恒值控制系统、随动系统、程序控制系统,2023/7/10,43,系统主
19、要特点,（1）恒值控制系统（调节器、自动调节系统）参考输入是个常值，要求被控量也等于常值。外部扰动的存在，被控量偏离参考量而出现偏差，控制系统根据偏差产生控制作用，以克服扰动的影响，使被控量恢复到给定的常值。（2）随动系统（跟踪、伺服）参考输入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考输入量变化。（3）程序控制系统参考输入是按预定规律随时间变化的函数，要求被控量迅速、准确地复现。,2023/7/10,44,2.线性定常离散系统,3.非线性控制系统,系统的某处或多处的信号为脉冲序列或数码形式，信号在时间上是离散的。连续信号经过采样开关的采样就可以转换成离散信号，离散信号
20、用差分方程描述。,2023/7/10,45,1-4 对自动控制系统的基本要求,稳定性（稳）、快速性（快）、准确性（准）“稳”与“快”是说明系统动态（过渡过程）品质。系统的过渡过程产生的原因：系统中储能元件的能量不可能突变。“准”是说明系统的稳态（静态）品质。,2023/7/10,46,自动控制系统的基本要求,快速性：快速性是对系统响应速度快慢提出的要求，为系统的动态性能。一般用系统响应单位阶跃信号的过渡过程的一些特征值来表示，如上升时间与调节时间来表示。,准确性：准确性为系统的稳态性能。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稳态误差。显然，这种误差越小，表示系统的输出跟
21、随参考输入的精度越高。,稳定性：稳定性是指系统重新恢复平衡状态的能力。稳定性是对系统的最基本要求，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。,2023/7/10,47,2.典型外作用,为什么要研究典型输入信号？控制系统的输入信号是随机和无法事先确定的。为了测试比较控制系统的性能，需要有一个共同的基础可以采用很接近实际控制系统经常遇到的输入信号，并在数学描述上加以理想化后能用较为典型且简单的函数形式表达出来的信号。常用的典型输入信号有五种。,2023/7/10,48,（1）阶跃函数（信号）（2）斜坡函数（信号）（3）脉冲函数（信号）（4）正弦函数（信号）,2023
22、/7/10,49,阶跃函数,它表示一个在t=0时出现的，幅值为A的阶跃变化函数。在实际系统中，如负荷突然增大或减小，流量阀突然开大或关小均可以近似看成阶跃函数的形式。,2023/7/10,50,A=1的函数称为单位阶跃函数，记作1(t)。因此，幅值为A的阶跃函数也可表示为,出现在 时刻的阶跃函数，表示为,一般将阶跃信号作用下系统的相应特性作为评价系统动态性能指标的依据。,2023/7/10,51,斜坡函数（速度函数）,斜坡函数从t=0时刻开始，随时间以恒定速度增加。A=1时斜坡函数称作单位斜坡函数。斜坡函数等于阶跃函数对时间的积分，反之，阶跃函数等于斜坡函数对时间的导数。,2023/7/10,
23、52,抛物线函数（加速度函数）,当A=1时，称为单位抛物线函数。抛物线函数是斜坡函数对时间的积分。,2023/7/10,53,其面积为A。即,脉冲函数,面积A表示脉冲函数的强度。的脉冲函数称为单位脉冲函数，记作，即,数学表达式为,2023/7/10,54,强度为A的脉冲函数可表示为。,表示在时刻 出现的单位脉冲函数，即,单位脉冲函数是单位阶跃函数的导数。脉冲函数在现实中是不存在的，只有数学上的定义。,2023/7/10,55,正弦函数,A为振幅，为角频率，正弦函数为周期函数。,当正弦信号作用于线性系统时，系统的稳态分量是和输入信号同频率的正弦信号，仅仅是幅值和初相位不同。根据系统对不同频率正弦
24、输入信号的稳态响应，可以得到系统性能的全部信息。,2023/7/10,56,注意：线性系统的性能只由系统本身的结构及参量决定。采用典型输入信号的目的，是为了在一个统一的标准下，比较分析各种不同控制系统的性能！如何确定选取哪种典型信号作为试验信号？不论选择何种典型输入信号，对同一系统而言，其响应过程所表征的系统特性是一致的。最常用的典型输入是阶跃信号。,2023/7/10,57,小结,1.控制系统的基本概念、组成及工作原理。2.三种控制方式的优、缺点及适用场合。3.会根据系统的原理图绘制方框图5.控制系统的分类6.对控制系统的基本要求,2023/7/10,58,1-1、1-8,Homework1,
