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1、1自动控制理论自动化教研室师玉宝青海大学化工学院第一章 自动控制的一般概念 内容：内容：z1-1 自动控制的基本原理与方式z1-2 自动控制系统示例z1-3 自动控制系统的分类z1-4 对自动控制系统的基本要求 本章重点和难点知识本章重点和难点知识z重点：自动控制的基本概念、基本控制方式与特点、系统性能要求。z难点：负反馈控制原理，系统工作原理图的理解与方块图(结构图)的绘制。1.1.概述概述 (1)技术及应用 自动控制自动控制:指无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。1-1自动控制的基本原理与方
2、式自动控制系统实例演示自动控制系统实例演示（2）控制理论的发展z人类对控制系统的基本原理（反馈）早有认识，并利用它创造人类对控制系统的基本原理（反馈）早有认识，并利用它创造许多装置。如许多装置。如2000年前，罗马人：水位控制系统（淋浴）年前，罗马人：水位控制系统（淋浴），神庙（开关门）英雄装置。中国能工巧匠：苏颂的水运仪象台，神庙（开关门）英雄装置。中国能工巧匠：苏颂的水运仪象台，张衡的地震方向测定仪。张衡的地震方向测定仪。z1786年年，James Watt 为控制蒸汽机速度设计的离心调节器，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。
3、z1868年，英国年，英国J.C 麦克斯韦首先解释了瓦特速度控制系统中麦克斯韦首先解释了瓦特速度控制系统中出现的不稳定问题（发表了出现的不稳定问题（发表了论调速器论调速器一文）。一文）。1877年年 劳劳斯斯，1892年李雅普诺夫证明了从系统的微分方程确定系统的年李雅普诺夫证明了从系统的微分方程确定系统的稳定性的方法。稳定性的方法。z赫兹用频域法研究了反馈原理的频率特性。赫兹用频域法研究了反馈原理的频率特性。接着的接着的1932年，年，Nyquist提出了一种根据系统的开环频率响应提出了一种根据系统的开环频率响应(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
4、方法。v20世纪世纪40年代，频率响应法为闭环控制系统提供了一种可行方年代，频率响应法为闭环控制系统提供了一种可行方法，法，Evans提出并完善了根轨迹法。提出并完善了根轨迹法。v1948年，美国数学家年，美国数学家N.Wiener出版出版Cybernetics是一个是一个控制科学里程碑。控制科学里程碑。控制论控制论的副标题是关于人、动物及其通的副标题是关于人、动物及其通讯的科学。讯的科学。v20世纪世纪50年代末，我国著名科学家钱学森将前者理论进行了系年代末，我国著名科学家钱学森将前者理论进行了系统总结，编著了有名的工程控制论一书，建立了经典控制统总结，编著了有名的工程控制论一书，建立了经典
5、控制理论。理论。v19世纪世纪60年代，数字计算机的出现为复杂系统的基于时域分析年代，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。的现代控制理论提供了可能。v从从19601980，确定性系统、随机系统的最佳控制，及复杂系，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。统的自适应和学习控制，都得到充分的研究。v从从1980现在，智能控制理论集中于现在，智能控制理论集中于3C控制系统及其相关课控制系统及其相关课题题,即即通信技术、计算机技术和控制技术（通信技术、计算机技术和控制技术（Communication，Computer，Control
6、）z古典（经典）控制理论古典（经典）控制理论 自动控制原理（理论）自动控制原理（理论）（17871960）以传递函数为基础研究单以传递函数为基础研究单输入单输出定常控制系输入单输出定常控制系统的分析与设计问题。这统的分析与设计问题。这些理论由于其发展较早，些理论由于其发展较早，现已日臻成熟。现已日臻成熟。z现代（近代）控制理论现代（近代）控制理论 （19601980）以状态空间法为基础，研究多以状态空间法为基础，研究多输入多输出控制系统的分输入多输出控制系统的分析与设计问题。系统具有高析与设计问题。系统具有高精度和高效能的特点。精度和高效能的特点。最优控制最优控制、自适应控制、自适应控制 计算
7、机控制、系统辨识计算机控制、系统辨识v智能控制理论（智能控制理论（1980）以人工智能为基础，研究复杂对象（车间、工厂、集团）以人工智能为基础，研究复杂对象（车间、工厂、集团）、复杂任务、复杂环境。、复杂任务、复杂环境。管理和控制一体化管理和控制一体化:计算机集成制造系统，复杂控制系统计算机集成制造系统，复杂控制系统发展阶段归纳（个人理解）：发展阶段归纳（个人理解）：v萌芽萌芽(产生产生)时期（一战前夕）时期（一战前夕）v经典理论完善时期（二战前夕）经典理论完善时期（二战前夕）v经典控制理论确定时期（二战期间）经典控制理论确定时期（二战期间）v控制理论发展时期（二战后五十年代以后）控制理论发展
8、时期（二战后五十年代以后）传统控制技术lPID控制 简而优秀智能控制技术 l90年代开始发展l专家系统 身边的专家l模糊控制 其实我很清楚l预测控制 未卜先知l最优控制 没有更好只有最好l自适应控制 以变制变l鲁棒控制 以静制动2.控制与系统控制与系统(1)控制:工程上的“控制”是指有目的的操作，其目的使被控量按照人们希望的规律变化。如汽车、飞机、轮船等的操作。分为人工控制和自动控制。例如：水箱液位控制问题播放短片播放短片眼手脑水位测量与变送执行器控制器给定水位控制工作原理人工控制：眼、脑、手、水箱+阀门人脑手水箱系统眼h自动控制：传感器、控制器、执行器、水箱+阀门控制器执行器水箱系统传感器h
9、（2）系统系统：工程上的系统是指由若干部件组成的具有某种特定功能且可以完成规定任务的整套装置。如锅炉-汽轮机-发电机三套设备组成一个发电系统。自动控制系统：把控制对象与控制装置按照一定方式连接起来组成的系统z反馈：将输出量通过一定的方式送回到输入端，并与输入信号比较产生偏差信号的过程称为反馈z负反馈：输入信号反馈信号（输出信号）输出偏差减小（减弱输入信号）z正反馈：输入信号+反馈信号（增强输入信号）3.反馈控制原理反馈控制原理控制器执行器水箱系统传感器hz自动控制原理：实际就是反馈控制或闭环 控制的原理。z反馈控制原理：将输出信号反馈回输入端与输入信号进行叠加或比较的结果提供给系统进行控制的原
10、理。z反馈控制的实质：依据偏差进行控制4.4.反馈控制系统的基本组成反馈控制系统的基本组成z反馈控制系统：由被控对象、控制装置组成。z控制装置：由具有一定职能的各种基本元件（部件）组 成。z控制装置的基本环节有：测量变送环节、控制环节（一般包含给定元件、比较元件、放大元件及控制元件等）和执行环节。测量、变送器控制器执行器被控对象其简单系统的结构图如下：-RCG1G2G3G4H3H1H2-N一些基本概念z前向通路：从输入端沿箭头方向到输出端的传输通路z主反馈通路：输出经过测量元件到达输入端的通路z主回路：前向通路+主反馈通路z单回路系统、多回路系统z反馈控制系统受到的外部作用z参考（有用）输入：
11、决定系统被控量的变化规律z扰动：系统外部扰动、系统内部扰动z被控对象：简称对象。即具体的机器或设备，如刀架、烘炉、电机等。z被控量：表征被控对象工作状态的物理量，即电压、炉温、液位等。z给定值（参考输入）：在整个过程中，被控量所应保持的理想（希望）数值。z操纵量：能够使被控量产生变化的物理量。（注意与操纵介质概念的区别）5.5.自动控制系统的基本控制方式自动控制系统的基本控制方式(1)反馈控制方式（闭环）：按偏差进行控制，需控制的是被控对象的被控量，而测量的也是被控量。并与给定值进行比较计算，求得它们的偏差，通过偏差来自动纠正偏差按偏差调节系统。特点：较高的动静态控制性能，精度高；结构、线路复
12、杂，系统分析与设计较复杂。控制器执行器对象传感器(2)开环控制（顺序控制）：系统的输出量与输入量之间只有顺向作用，而无反向联系，输出量对系统的控制过程不发生影响。特点：结构简单、易于实现；但抗干扰能力差。z有两种方式：z按给定量控制 如龙门刨床速度控制系统将测速、发电机的输出断开，调节测速发电机的输入电压来调节电机速度z按扰动量控制 利用可测量的扰动量，产生补偿作用(3)复合控制方式：z按偏差控制+按扰动补偿控制z按偏差控制+按给定补偿控制(4)其它新控制方式：最优控制、预测控制、自适应控制、模糊控制、神经网络控制等。1-21-2自动控制系统示例自动控制系统示例瓦特离心调速系统瓦特离心调速系统
13、液位控制系统液位控制系统控制器控制器减速器减速器电动机电动机电位器电位器浮子浮子用水开关用水开关Q2Q1cifSM液位系统的自动反馈控制液位系统的自动反馈控制温度系统的自动反馈控制温度系统的自动反馈控制冷物料热物料加加热热蒸蒸汽汽1-3自动控制系统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、流量等按系统性质：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
14、、随动控制系统、程序控制系统系统主要特点：（1）恒值控制系统 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）随动控制系统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。线性定常离散系统2.非线性控制系统非线性系统的线性化1-4 对自动控制系统的基本要求z1.对自动控制系统基本要求z稳定性（稳）、快速性（快）、准确性（准）z“稳”与“快”是说明系统动态（过渡
15、过程）品质。z“准”是说明系统的稳态（静态）品质z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。z稳定性：当系统输入量的变化趋于某 一稳定值后，系统的被控变量的变化经系统自动控制后也能趋于某一稳定值，而不出现持续的振荡或发散型振荡的现象，即偏差等于0；C（t）tz准确性准确性：系统过渡到：系统过渡到新的平衡工作状态以后，新的平衡工作状态以后，或系统受扰重新恢复平或系统受扰重新恢复平衡之后，最终保持的精衡之后，最终保持的精度，反映了动态过程后度，反映了动态过程后期的性能；期的性能；z快速性快速性：当系统被控：当系统被控量与给定值之间的偏差量与给定值之间的偏差发生变化时，调整到新发生变
16、化时，调整到新的稳定状态所需要时间的稳定状态所需要时间的长短来反映。的长短来反映。z稳定性 是保证控制系统正常工作的先决条件 线性控制系统的稳定性由系统本身的结构与参数所决定的，与外部条件无关。z快速性 是系统在稳定的条件下，衡量系统过渡过程的形式和快慢，通常称为“系统动态性能”。z准确性 是在系统过渡过程结束后，衡量系统输出（被控量）达到的稳态值与系统输出期望值之间的接近程度。一般用稳态误差来衡量。同一个系统，稳、准、快是相互制约的，提同一个系统，稳、准、快是相互制约的，提高过程的快速性，会引起系统强烈振荡；改善平稳高过程的快速性，会引起系统强烈振荡；改善平稳性，过程又可能变的迟缓，甚至使最终的精度变的性，过程又可能变的迟缓，甚至使最终的精度变的很差；很差；各种不同的系统对稳、准、快的要求也有侧各种不同的系统对稳、准、快的要求也有侧重：随动系统要求快速性，而调速系统则对稳定性重：随动系统要求快速性，而调速系统则对稳定性要求高些。要求高些。z注意：注意：z2.典型外部输入信号（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（信号本章小结本章小结v自动控制的概念自动控制的概念v基本控制方式与特点基本控制方式与特点v系统框图结构系统框图结构v系统性能要求系统性能要求