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1、第一章自动控制的一般概念第1页，共43页，编辑于2022年，星期一2002008 8-07 -07 自动控制原理自动控制原理2 2第一章自动控制导论第2页，共43页，编辑于2022年，星期一2002008 8-07 -07 自动控制原理自动控制原理3 3第一章 自动控制的一般概念1.1 引言1.2自动控制系统术语和示例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第3页，共43页，编辑于2022年，星期一2002008 8-07 -07 自动控制原理自动控制原理4 4历史的回顾18世纪，James WattJames Watt 为控制蒸汽机速度设计的离心调节器，
2、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。是自动控制领域的第一项重大成果。19221922年，年，Minorsky研制出船舶操纵自动控制器，并证明了从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。系统的微分方程确定系统的稳定性的方法。19321932年，年，Nyquist提出了一种根据系统的开环频率响应(对稳态正弦输入)，确定闭环系统稳定性的方法。1934年，HezenHezen提出了用于位置控制系统的伺服机构的概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电伺服机构。念，讨论了可以精确跟踪变化的输入信号的机电
3、伺服机构。第4页，共43页，编辑于2022年，星期一2002008 8-07 -07 自动控制原理自动控制原理5 51919世纪世纪4040年代，频率响应法为闭环控制系统提供了一种年代，频率响应法为闭环控制系统提供了一种可行方法，可行方法，EvansEvans提出并完善了根轨迹法。19世纪世纪5050年代末，控制系统设计问题的重点从设计许多年代末，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，转到设计在某种意义上的最佳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。系统。19世纪世纪6060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。从从1960196
4、0年到年到1980，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，都得到充分的研究。从1980年到现在，现代控制理论进展集中于鲁棒控制、年到现在，现代控制理论进展集中于鲁棒控制、HH控制及其相关课题。第5页，共43页，编辑于2022年，星期一2002008 8-07 -07 自动控制原理自动控制原理6 6古典控制理论 以传递函数为基础研究单输入-单输出一类定常控制系统的分析与设计问题。这些理论由于其发展较早，现已臻成熟。现代控制 以状态空间法为基础，研究多输入-多输出、时变、非线性一类控制系统的分析与设计问题。系统具有高精度和高效能的特点。第6页，共43页，编辑于2022年，星
5、期一2002008 8-07 -07 自动控制原理自动控制原理7 7 1.2自动控制系统术语和示例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第7页，共43页，编辑于2022年，星期一2002008 8-07 -07 自动控制原理自动控制原理8 81 自动控制自动控制 在无人直接参与的情况下，通过控制器使被控对象或过程自动地按照预定要求进行。2 2 对象对象对象对象 是一个设备，它是由一些机器是一个设备，它是由一些机器零件有机地组合在一起的，其零件有机地组合在一起的，其作
6、用是完成一个特定的动作。作用是完成一个特定的动作。在下面的讨论中，称任何被控在下面的讨论中，称任何被控物体（如加热炉、化学反应器物体（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 称任何被控制的运行状态为过程，其具体例子如化学过程、经济学过程、生物学过程。4 4 系统系统系统系统 完成一定任务的一些元、部件的组合。完成一定任务的一些元、部件的组合。第8页，共43页，编辑于2022年，星期一2002008 8-07 -07 自动控制原理自动控制原理9 95 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
7、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。第9页，共43页，编辑于2022年，星期一2002008 8-07 -07 自动控制原理自动控制原理1010 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
8、制系统反馈控制系统第10页，共43页，编辑于2022年，星期一2002008 8-07 -07 自动控制原理自动控制原理1111 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。第11页，共43页，编辑于2022年，星期一2002008 8-07 -07 自动控制原理自动控制原理1212热力系统的例子热力系统的人工反馈控制
9、第12页，共43页，编辑于2022年，星期一2002008 8-07 -07 自动控制原理自动控制原理1313热力系统的自动反馈控制热力系统的自动反馈控制 第13页，共43页，编辑于2022年，星期一2002008 8-07 -07 自动控制原理自动控制原理14141.3 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闭环与开环控制系统的比较闭环与开环控制系统的比较第14页，共43页，编辑于2022年，星期一2002008 8-07 -07 自动控制原理自动控制原理15151.3.1 反馈控制系统1 反馈反馈 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
10、反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。能对输入量与输出量进行比较，并且将它们的偏差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系统，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的反馈信称为反馈控制系统。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，因此反馈控制也称息，整个控制过程成为闭合的，因此反馈控制也称为闭环控制。为闭环控制。2 反馈控制系统反馈控制系统第15页，共43页，编辑于2022年，星期一2002008 8-07 -07 自动控制原理自动控制原理16163
11、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，并使系统的输出量趋于所希望的值，换句话说，“闭环”这个术语的涵义，就是应用反馈作用来减小系统的误差。第16页，共43页，编辑于2022年，星期一2002008 8-07 -07 自动控制原理自动控制原理1717图1-3 闭环控制系统第17页，共43页，编辑于2022年，星期一2002008 8-07 -07 自动控制原理自动控制原理18181.3.2 反馈控制系统的基本组成 被
12、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（即参据量）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）。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。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，用来推动执行元件放大元件：将比较元件给出的偏差进行放大，用来推动执行元件去
13、控制被控对象。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，用校正元件：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。串联或反馈的方式连接在系统中，以改善系统性能。第18页，共43页，编辑于2022年，星期一2002008 8-07 -07 自动控制原理自动控制原理1919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
14、输通路符号相同。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反馈到输入端的传输通称前向通路；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。前向通路与主反馈通路共同构成主回路。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它构成的内回路。此外，还有局部反馈通路以及由它构成的内回路。第19页，共43页，编辑于2022年，星期一2002008 8-07 -07 自动控制原理自动控制原理2020 1.3.3 开环控制系统定义定义 如果系统的输出量与输入量间不存在反馈的通道，这种控制方式称为开环控制系统。第20页，共43页，编辑于
15、2022年，星期一温度计温度计 加热电阻丝加热电阻丝调压器调压器u u(a)(a)原理图原理图220V220V输出量输出量 (手柄位置手柄位置)输入量输入量 调压器调压器 加热加热 电阻丝电阻丝 电炉电炉 恒温箱恒温箱 受控对象受控对象(温度温度)扰动量扰动量(b)(b)方块图方块图控制装置控制装置扰动扰动输出量输出量输入量输入量控制装置控制装置受控对象受控对象受控对象受控对象开环控制系统的方框图 第21页，共43页，编辑于2022年，星期一MMu ug gu udodoV VGTGT+-(a a)原理图原理图给定信号给定信号(电压电压)触发触发 器器电动机电动机受控对象受控对象输出量输出量(
16、转速转速)扰动量扰动量(b b)方块图方块图控制装置控制装置 晶闸管可晶闸管可 控整流器控整流器+-+u ug gu udodoMMi iu ui in n(a a)原理图原理图R R 放大放大 器器 负载负载 给定信号给定信号u ug g被控量被控量 扰动扰动i in nu ui i(b b)方块图方块图 电压电压 放大放大 电阻电阻 R R 触发触发 器器 晶阐管可晶阐管可 控整流器控整流器 电动电动 机机控制装置与受控对象之间只有顺向作用而无反向联系。控制装置与受控对象之间只有顺向作用而无反向联系。开环控制开环控制开环控制开环控制 前馈控制(开环开环)第22页，共43页，编辑于2022年
17、，星期一2002008 8-07 -07 自动控制原理自动控制原理23231.3.4 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、外扰动对被控制量产偏差控制，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、分析麻烦。生的影响。精度高、结构复杂，设计、分析麻烦。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。第23页，共43页，编辑于2022年，星期一2002008 8-07 -07 自动控制原理自动控制原理24241.4 1.4 自动控制系统的分类自动控制系统的分类开环控制闭环控制
18、(反馈控制)复合控制 按控制方式分按控制方式分第24页，共43页，编辑于2022年，星期一 复合控制复合控制复合控制复合控制n n扰动扰动(MML L)u ui iu ug gu ut t(-)(b b)方块图方块图 扰动检扰动检 测装置测装置 晶阐管可晶阐管可 控整流器控整流器 转速反转速反 馈装置馈装置 电动电动 机机 放大器放大器 放大器放大器 触发器触发器u udodoMMR R i iu ug gu ut tTGTG(a a)原理图原理图 负载负载放大器放大器 放大器放大器+第25页，共43页，编辑于2022年，星期一2002008 8-07 -07 自动控制原理自动控制原理2626
19、机械系统恒张力系统电气系统机电系统全自动照相机，光机 电结合液压系统伺服液压缸，汽车发动机，大型的仿真模拟台气动系统 生物系统按元件类型分第26页，共43页，编辑于2022年，星期一2002008 8-07 -07 自动控制原理自动控制原理2727按系统功用分温度控制系统压力控制系统位置控制系统 第27页，共43页，编辑于2022年，星期一2002008 8-07 -07 自动控制原理自动控制原理2828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第28页，共43页，编辑于2022年，星期一2002008 8-07 -07 自动控制原理自动控制原理292
20、9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第29页，共43页，编辑于2022年，星期一2002008 8-07 -07 自动控制原理自动控制原理3030稳定性：1 对恒值系统，要求当系统受到扰动后，经过一定时间的调整能够回到原来的期望值。2 对随动系统，被控制量始终跟踪参据量的变化。稳定性是对系统的基本要求，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。1.5 对自动控制系统的基本要求1、对自动控制系统性能的基本要求可以归结为稳定性（长期稳定性）、准确性（精度）和快速性（相对稳定性）。稳 准快第30页，共43页，编辑于2022年，星期一2002008 8-
21、07 -07 自动控制原理自动控制原理3131准确性：用稳态误差来表示。在参考输入信号作用下，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给定稳态误差。显然，这种误差越小，表示系统的输出跟随参考输入的精度越高。快速性：对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称为动态性能。稳定高射炮射角随动系统，虽然炮身最终能跟踪目标，但如果目标变动迅速，而炮身行动迟缓，仍然抓不住目标。第31页，共43页，编辑于2022年，星期一2、典型外作用 选作典型外作用的条件：（1）易得性 （2）代表性 （3）简单性典型外作用：（1）阶跃函数 （2）斜坡函数 （3）脉冲函数 （4）正弦函数2006-07 2
22、006-07 自动控制原理自动控制原理3232第32页，共43页，编辑于2022年，星期一2002008 8-07 -07 自动控制原理自动控制原理33332）根据对系统性能的要求，如何合理地设计校正装置，使系统的性能能全面地满足技术上的要求。1.5.2本课程的任务本课程所要研究的两大课题：1）对于一个具体的控制系统，如何从理论上对它的动态性能和稳态精度进行定性的分析和定量的计算。第33页，共43页，编辑于2022年，星期一2006-07 2006-07 自动控制原理自动控制原理3434 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
23、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1-1第34页，共43页，编辑于2022年，星期一2002008 8-07 -07 自动控制原理自动控制原理3535第35页，共43页，编辑于2022年，星期一自动控制原理自动控制原理3636控制器：比较、放大的作用浮子：液面高度的反馈元件浮子：液面高度的反馈元件 Q2为系统的干扰量气动阀门：执行机构被控对象：水箱第36页，共43页，编辑于2022年，星期一自动控制原理自动控制原理3737第37页，共43页，编辑于2022年，星期一2 2、许多机器，像车、许多机器，像车、许多
24、机器，像车、许多机器，像车床、铣床和磨床，床、铣床和磨床，床、铣床和磨床，床、铣床和磨床，都配有跟随器，用都配有跟随器，用都配有跟随器，用都配有跟随器，用来复现模板的外形。来复现模板的外形。来复现模板的外形。来复现模板的外形。下图就是这样一种下图就是这样一种下图就是这样一种下图就是这样一种跟随系统的原理图。跟随系统的原理图。跟随系统的原理图。跟随系统的原理图。在此系统中，刀具在此系统中，刀具在此系统中，刀具在此系统中，刀具能在原料上复制模能在原料上复制模能在原料上复制模能在原料上复制模板的外形。试说明板的外形。试说明板的外形。试说明板的外形。试说明其工作原理，指出其工作原理，指出其工作原理，指
25、出其工作原理，指出被控对象、被控量被控对象、被控量被控对象、被控量被控对象、被控量和给定量，画出系和给定量，画出系和给定量，画出系和给定量，画出系统方框图。统方框图。统方框图。统方框图。2006-07 2006-07 自动控制原理自动控制原理3838第38页，共43页，编辑于2022年，星期一答：模板与原料同时固定在工作台上。X、Y轴直流伺服马达接受控制器的指令，按输入命令带动工作台做X、Y方向运动。模板随工作台移动时，触针会在模板表面滑动，跟随刀模板随工作台移动时，触针会在模板表面滑动，跟随刀具中的位移传感器将触针感应到的反映模板表面形状的具中的位移传感器将触针感应到的反映模板表面形状的位移
26、信号送到跟随控制器，控制器的输出驱动位移信号送到跟随控制器，控制器的输出驱动Z Z轴直流轴直流伺服马达带动切削刀具连同刀具架跟随触针运动，当刀伺服马达带动切削刀具连同刀具架跟随触针运动，当刀具位置与触针位置一致时，两者位置偏差为零，具位置与触针位置一致时，两者位置偏差为零，Z Z轴伺轴伺服马达停止。系统中，刀具是被控对象，刀具位置是被服马达停止。系统中，刀具是被控对象，刀具位置是被控量，给定量是由模板确定的触针位置。系统方框图如控量，给定量是由模板确定的触针位置。系统方框图如图解图解1-91-9所示。最终原料被切割加工成模板的形状。所示。最终原料被切割加工成模板的形状。2006-07 2006
27、-07 自动控制原理自动控制原理3939第39页，共43页，编辑于2022年，星期一2006-07 2006-07 自动控制原理自动控制原理4040第40页，共43页，编辑于2022年，星期一自动控制原理自动控制原理4141 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1-3第41页，共43页，编辑于2022年，星期一自动控制原理自动控制原理4242第42页，共43页，编辑于2022年，星期一自动控制原理自动控制原理4343作业1-1 1-2 1-4谢谢！第43页，共43页，编辑于2022年，星期一