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1、自动控制原理,教学班级：电气1043.4主讲教师：梁春辉电话：,本课程的性质、目的与任务,学科性质：本课程是一门培养学生具有自动控制系统分析、设计能力的学科基础课程，是电气工程及其自动化、热能与动力工程、建筑环境与设备专业的主要技术基础课，其理论是本专业的重要理论。教学目的：通过本课程的教学，使学生掌握自动控制系统的基本概念、分析方法和设计方法。本课程在本专业的学习中起到承前启后的作用，对于后续专业课的学习十分重要。,课程任务：本课程的主要任务是培养学生掌握自动控制系统的基本概念、数学模型、时域分析方法、根轨迹法、频率特性法、校正系统设计方法、采样控制系统分析、非线性系统分析；树立正确的设计思
2、想；具备正确运用基本理论分析、设计控制系统、并能够查阅有关技术资料的基本能力；掌握自动控制系统的实验方法。,教材及参考书,1胡寿松主编.自动控制原理(第五版)2.程鹏主编.自动控制原理.3李友善主编.自动控制原理.国防工业出版社.4John J.Dazzo.线性控制系统分析与设计(第四版).清华大学出版社,先修课程,高等数学电路理论 电工技术 电子技术 电机学,考核方式,考勤课堂表现作业实验期末考试 闭卷考试，其中平时成绩占总分数的20%，期末成 绩占总分数的80%。,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 自动控制系统示例,1-3 自动控制系统的分类,1-4 对
3、控制系统的基本要求,1-1 自动控制的基本原理与方式,1.自动控制技术及其应用-自动控制：就是在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（控制装置），使机器、设备或生产过程（控制对象）的某个工作状态或参数(如电压、电流、速度、位置、温度、流量、化学成分)自动地按照预定的规律运行。举例：数控机床自动切割工件,-自动控制技术的应用,锅炉设备的压力和温度自动保持恒定数控机床按照预定的程序自动地切削工件导弹发射与制导系统，自动地使导弹攻击敌方目标无人驾驶飞机按照预定航迹自动升降和飞行人造卫星准确地进入预定轨道运行并回收 自动控制技术的应用范围已扩展到生物、医学、环境、经济管理和其它许多社会生活领域
4、中，自动控制已成为现代社会活动中不可缺少的重要组成部分。,2.自动控制科学,自动控制科学是研究自动控制共同规律的技术科学。,从1868年马克斯威尔（）提出低阶系统稳定性判据至今一百多年里，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,1868年，马克斯威尔（）提出了低阶系统的稳定性代数判据。1895年，数学家劳斯（Routh）和赫尔威茨（Hurwitz）分别独立地提出了高阶系统的稳定性判据，即Routh和Hurwitz
5、判据。二战期间（1938-1945年）奈奎斯特（H.Nyquist）提出了频率响应理论 1948年，伊万斯（）提出了根轨迹法。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。,经典控制理论的基本特征,（1）以传递函数为基础,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，而忽视系统的内部状态，是一种对系统的外部描述方法。如：调节电压改变电机的速度；调整方向盘改变汽车的运动轨迹等。,第二阶段：现代控制理论,1954年贝尔曼（R.Belman)提出动态
6、规划理论1956年庞特里雅金（）提出极大值原理1960年卡尔曼（)提出多变量最优控制和最优滤波理论,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。,现代控制理论基本特征,（1）研究的主要对象是多输入、多输出多变量系统。（2）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的信息。（3）它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。如，汽车看成是一个具有两个输入（驾驶盘和加速踏 板）和两个输出（方向和
7、速度）的控制系统。,第三阶段：大系统控制理论,大系统控制理论是一种过程控制与信息处理相结合的动态系统工程理论，研究的对象具有规模庞大、结构复杂、功能综合、目标多样、因素众多等特点。它是一个多输入、多输出、多干扰、多变量的系统。如：人体，我们就可以看作为一个大系统，其中有体温的控制、情感的控制、人体血液中各种成分的控制等等。大系统控制理论目前仍处于发展阶段。,第四阶段：智能控制,这是近年来新发展起来的一种控制技术，是人工智能在控制上的应用。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。它是一门新兴的控制学科，有些问题尚存有争议，然而由于它实用性
8、强，能运用人们的经验与技巧解决许多以往控制中难以解决的棘手问题（如建模等），因此得到了人们极大的重视。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。,3.反馈控制原理,-自动控制系统：将被控对象和控制装置按照一定的方式连接起来，组成一个有机整体。被控对象：是指那些要求实现自动控制的机器、设备或生产 过程。控制装置：是指对被控对象起控制作用的设备总体。被控量：指被控对象中要求保持给定值、要按给定规律变化 的物理量。被控量又称输出量、输出信号。,-反馈控制原理：在反馈控制系统中，控制装置对控制对象施加的控制作用，是取自被控量的反馈信息，用来不断修正被控量和输入量之间的偏
9、差，从而对被控对象进行控制的任务。举例：人手取书过程。,-反馈的概念：把输出量送回到系统的输入端并与输入信号比较的过程。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；反之，则称为正反馈。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。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。,-反馈控制系统举例,控制任务：,维持水箱内水位恒定；,控制装置：,气动阀门、控制器；,受控对象：,水箱、供水系统；,被控量：,水箱内水位的高度；,给定值：,控制器刻度盘指针标定的预定水位高度；,测量装置：,浮子；,比较装置：,控制器刻度盘；,干扰：,水的流出量
10、和流入量的变化都将破坏水位保持恒定。,4.反馈控制系统的基本组成,给定元件:给出与期望的被控量相对应的系统输入量；比较元件：将参考输入与主反馈信号进行比较的环节，它的输出等于参考输入与主反馈信号的差值，即偏差e,比较环节又称为偏差检测器。校正元件(补偿元件):结构或参数便于调整的元部件，用串联或反馈方式连接在系统中。,放大元件:将比较元件的偏差信号进行放大,用来推动执行元件去控制被控对象.执行元件:直接推动被控对象,使其被控量发生变化。测量元件：将输出量转化为主反馈信号的装置；反馈环节中通常含有信号检测装置。,5.自动控制系统基本控制方式,-反馈控制方式,闭环控制是指系统的被控制量（输出量）与
11、控制作用之间存在着负反馈的控制方式。采用闭环控制的系统称为闭环控制系统或反馈控制系统。闭环控制是一切生物控制自身运动的基本规律。,输入控制输出输出参与控制检测偏差,纠正偏差,具有抗干扰能力,反馈控制系统框图,-开环控制方式 开环控制是指系统的被控制量（输出量）只受控于控制作用，而对控制作用不能反施任何影响的控制方式。采用开环控制的系统称为开环控制系统。,开环控制特点：控制装置只按照给定的输入信号对被控制量进行单向控制输入控制输出输出不对控制量进行测量并反向影响控制作用输出不参与控制。开环控制不具有修正由于扰动（使被控制量偏离希望值的因素）而出现的被控制量与希望值之间偏差的能力，即抗干扰能力差。
12、,-前馈控制方式(开环),按照扰动控制的开环控制系统，是利用可测量的扰动量产生一种补偿作用，以减小或抵消扰动对输出量的影响。对于不可测扰动以及被控对象及各功能部件内部参数变化给输出量造成的影响，系统自身无法控制。适用于：存在强干扰且变化比较剧烈的场合。,-复合控制方式,复合控制就是开环控制和闭环控制相结合的一种控制。实质上，它是在闭环控制回路的基础上，附加了一个输入信号或扰动作用的顺馈通路，来提高系统的控制精度。,a.按输入作用补偿,b.按扰动作用补偿,1-3 自动控制系统的分类,1.按控制方式分类按给定值操纵的开环控制按干扰补偿的开环控制按偏差调节的闭环控制复合控制：闭环反馈为主，开环补偿为
13、辅,2.按给定值变化规律分,恒值系统：输出量以一定的精度等于给定值，而给定值一般不变化或变化很缓慢，扰动可随时变化，在生产过程中。例如，冶金部门的恒温系统，石油部门的恒压系统等。,随动系统：输出量能以一定精度跟随给定值变化的系统称随动系统，又称为跟踪系统。这类系统的特点是系统的给定值变化规律完全取决于事先不能确定的时间函数。例如，火炮系统，卫星控制系统等。,程序控制系统：自动控制系统的被控制量是根据预先编好的程序进行控制的系统。例如，炼钢炉中的微机控制系统，洲际弹道导弹的程序控制系统等。,3.按系统性能分,连续系统和离散系统：如果系统中传递的信号都是时间的连续函数，则称为连续系统，系统中只要有
14、一个传递的信号是时间上断续的信号，则称为离散系统。,线性系统和非线性系统:线性系统是指构成系统的所有元件都是线性元件的系统。其动态性能可用线性微分方程描述。非线性系统是指构成系统的元件中含有非线性元件的系统。其只能用非线性微分方程描述。特点,定常系统和时变系统：定常系统指控制系统的参数在工作过程中不随时间而变化。时变系统在工作期间其参数变化不能忽略其对系统工作的影响。,4.其他的分类方法,按功能来分：温度控制系统、速度控制系统、位置控系 统等按元件组成分：机电系统、液压系统、生物系统等。按被控对象分:运动控制系统.过程控制系统,线性连续控制系统线性定常离散控制系统非线性控制系统,1-4 对控制
15、系统的基本要求,1.基本要求的提法,工程上常从稳、快、准三个方面来评价控制系统。稳定性 指动态过程的平稳性 快速性 指动态过程的快速性 准确性 指动态过程的最终精度,稳定性 指动态过程的平稳性,如上图，系统在外作用作用下，输出逐渐与期望值一致，则系统稳定的，如曲线所示；反之，输出如曲线所示，则系统是不稳定的。,快速性 指动态过程的快速性,快速性即动态过程进行的时间的长短。过程时间越短，说明系统快速性越好，反之说明系统响应迟钝。如曲线所示。,稳和快反映了系统过渡过程的性能的好坏。既快又稳，表明系统的动态精度高；,准确性 是指系统在动态过程结束后，其被控量（或反馈量）对给定值的偏差而言，这一偏差称为稳态误差，是衡量稳态精度的指标，反映了系统后期稳态的性能。,以上分析的稳、快、准三方面的性能指标由于被控对象的具体情况不同，各系统要求有所侧重。而且同一个系统的稳、快、准的要求是相互制约的。,2.典型外作用,选取原则（1）在现场及实验中容易产生（2）系统在工程中经常遇到，并且是最不利的外作用。（3）数学表达式简单，便于理论分析。,1）阶跃函数,2）斜坡函数,3）加速度函数,4）脉冲函数,5）正弦函数,r(t)=Asin(wt-),
