自動控制原理河南工業(yè)大學課件

1、 主講人：黃鳳芝 Tel:E_mail: l課程性質 專業(yè)基礎課l學時 72學時（60 理論+12 實驗） 4學分l先修課程 高等數(shù)學、大學物理、積分變換、電路、數(shù)字電子技 術、模擬電子技術 教材介紹前言l自動控制技術應用自動控制技術幾乎滲透到國民經(jīng)濟的各個領域及社會生活的各個方面，是當代發(fā)展最迅速、應用最廣泛、最引人注目的高科技，是推動新的技術革命和新的產(chǎn)業(yè)革命的關鍵技術，在某種程度上說，自動化是現(xiàn)代化的同義詞。雷達自動跟蹤的導彈系統(tǒng)無人機人造地球衛(wèi)星發(fā)射系統(tǒng)哈勃望遠鏡特殊地衛(wèi)星交通系統(tǒng)汽車自動化生產(chǎn)線控制理論控制理論是研究自動控制共同規(guī)律的技術科學。 經(jīng)典控制理論

2、經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論（智能控制理論）現(xiàn)代控制理論（智能控制理論）以傳遞函數(shù)為基礎，以傳遞函數(shù)為基礎，研究單輸入研究單輸入-單輸出單輸出定?？刂葡到y(tǒng)的分析定常控制系統(tǒng)的分析與設計問題與設計問題以狀態(tài)空間法為基礎，研以狀態(tài)空間法為基礎，研究多輸入究多輸入-多輸出時變、多輸出時變、非線性、高精度、高效能非線性、高精度、高效能控制系統(tǒng)的分析與設計問控制系統(tǒng)的分析與設計問題題發(fā)展概況11788年 英國瓦特 飛球調(diào)節(jié)器 公認的第一個自動控制系統(tǒng)1868年 麥克斯韋爾“論調(diào)速器”公認為自動控制理論的開端1875年 英國勞斯提出代數(shù)穩(wěn)定判據(jù) 勞勞斯穩(wěn)定判據(jù)斯穩(wěn)定判據(jù)1895年 德國赫爾維茲提出代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)

3、1892年 俄國李雅普諾夫提出穩(wěn)定性定義和兩個穩(wěn)定判據(jù)1932年 美國奈奎斯特提出奈氏穩(wěn)定判奈氏穩(wěn)定判據(jù)據(jù)二戰(zhàn)中自動火炮、雷達、飛機以及通訊系統(tǒng)的控制研究直接二戰(zhàn)中自動火炮、雷達、飛機以及通訊系統(tǒng)的控制研究直接推動了經(jīng)典控制的發(fā)推動了經(jīng)典控制的發(fā)展展1948年，維納出版控制論，形成完整的經(jīng)典控制理論， 標志控制學科的誕生。發(fā)展概況2 二次世界大戰(zhàn)結束后，各國大力發(fā)展空間技術，經(jīng)典控制理論不能滿足需要，需要研究新的控制理論。這個時期，眾多的數(shù)學家、科學家投入自動控制理論的研究，如自動控制科學家從力學中引進了狀態(tài)空間的概念。 隨著電子計算機的應用，自動控制理論開始進入“現(xiàn)代控制理論”階段。 現(xiàn)代控

4、制理論在空間技術取得巨大成功，但由于工業(yè)過程控制中普遍存在的不確定性和干擾，難以取得預期的效果。模擬人的控制技術智能控制。發(fā)展概況3本課程學習的內(nèi)容l 基本內(nèi)容基本內(nèi)容控制論的基本理論、方法、控制論的基本理論、方法、特點、綜合設計方法。特點、綜合設計方法。l 研究對象研究對象自動控制系統(tǒng)，揭示自動控自動控制系統(tǒng)，揭示自動控制系統(tǒng)中存在的信息轉換、傳遞和制系統(tǒng)中存在的信息轉換、傳遞和反饋反饋?？刂葡到y(tǒng)基本概念連續(xù)系統(tǒng)離散系統(tǒng)時域法復域法頻域法快穩(wěn)準第一章 控制系統(tǒng)導論第二章 控制系統(tǒng)的數(shù)學模型第三章 線性系統(tǒng)的時域分析法第四章 線性系統(tǒng)的根軌跡法第五章 線性系統(tǒng)的頻域分析法第六章 線性系統(tǒng)的校正

5、方法第七章 線性離散系統(tǒng)的分析第一章 控制系統(tǒng)導論1-1 自動控制的基本原理1-2 自動控制系統(tǒng)示例1-3 自動控制系統(tǒng)的分類1-4 自動控制系統(tǒng)的基本要求1-5 自動控制系統(tǒng)的分析與設計工具1-1 自動控制的基本原理一、基本概念一、基本概念1.控制（控制（Control）：根據(jù)某種原理或方法，）：根據(jù)某種原理或方法，使特定對象（使特定對象（被控對象被控對象）的某些物理量（）的某些物理量（被被控量控量）按照預期規(guī)律變化的操縱過程。）按照預期規(guī)律變化的操縱過程。2.人工控制（人工控制（Manual Control）：由人直接）：由人直接或間接操作執(zhí)行裝置的控制方式。或間接操作執(zhí)行裝置的控制方式。

6、3.自動控制自動控制（Automatic Control）：）：是指在沒有人直接參與的情況下，利用自動控制裝置（或稱為控制裝置或控制器），使機器、設備或生產(chǎn)過程（統(tǒng)稱為被控對象）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（稱為被控量）自動地按照預定的規(guī)律運行。4.自動控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng) （Control System）：）：是由被控對象被控對象和自動控制裝置自動控制裝置按一定方式聯(lián)結起來的，以完成某種自動控制任務的有機整體。自動控制系統(tǒng)控制原理方框圖控制控制對象對象執(zhí)行裝置執(zhí)行裝置控制器控制器測量裝置測量裝置控制器控制器比較環(huán)節(jié)比較環(huán)節(jié)輸入量輸入量偏差偏差測量值測量值輸出量輸出量控制量控制量擾動量擾動量控制動作控

7、制動作廣義對象廣義對象自動控制裝置自動控制裝置元素：元素：（1 1） ：元件：元件（2 2） ：信號（物理量）及傳遞方向：信號（物理量）及傳遞方向（3 3） ：比較點（信號疊加）：比較點（信號疊加）（4 4） ：引出點（分支、信號強度）：引出點（分支、信號強度） （5 5）+/- +/- ：符號的意義（正、負反饋）：符號的意義（正、負反饋）二、二、控制系統(tǒng)中常用的名詞控制系統(tǒng)中常用的名詞術語術語輸入量輸入量:泛指對系統(tǒng)的輸出量有直接影響的外界輸入信號,既包括控制信號又包括擾動信號。其中控制信號又稱控制量、參考輸入、或給定值。輸出輸出量量: :是指反饋控制系統(tǒng)中被控制的物理量,它與輸入信號之間有

8、一定的函數(shù)關系。反饋反饋量量: :將系統(tǒng)(或環(huán)節(jié))的輸出信號經(jīng)變換、處理送到系統(tǒng)(或環(huán)節(jié))的輸入端的信號,稱為反饋信號。若此信號是從系統(tǒng)輸出端取出送入系統(tǒng)輸入端,這種反饋信號稱主反饋信號。而其它稱為局部反饋信號。 偏差偏差: :控制輸入信號與主反饋信號之差?？刂戚斎胄盘柵c主反饋信號之差。誤差誤差: :它指系統(tǒng)輸出量的實際值與希望值之它指系統(tǒng)輸出量的實際值與希望值之差。系統(tǒng)希望值是理想化系統(tǒng)的輸出，實際差。系統(tǒng)希望值是理想化系統(tǒng)的輸出，實際上并不存在上并不存在, ,它只能用與控制輸入信號具有它只能用與控制輸入信號具有一定比例關系的信號來表示。在單位反饋情一定比例關系的信號來表示。在單位反饋情況下

9、況下, ,希望值就是系統(tǒng)的輸入信號希望值就是系統(tǒng)的輸入信號, ,誤差信號誤差信號等于偏差信號。等于偏差信號。擾動擾動量量: :除控制信號以外除控制信號以外, ,對系統(tǒng)的輸出有影對系統(tǒng)的輸出有影響的信號。響的信號。 三、反饋控制系統(tǒng)三、反饋控制系統(tǒng)1. 1.反饋控制系統(tǒng)的基本組成部分反饋控制系統(tǒng)的基本組成部分 輸入量輸入量串聯(lián)校正串聯(lián)校正元件元件放大放大元件元件執(zhí)行執(zhí)行元件元件被控被控對象對象擾動擾動并聯(lián)并聯(lián)校正元件校正元件反饋元件反饋元件輸出量輸出量比較比較元件元件e(t)偏差偏差信號信號主反饋信號主反饋信號b(t)測量反饋元件測量反饋元件主反饋主反饋局部反饋局部反饋( )c t( )r t給

10、定給定元件元件被控對象（被控過程）被控對象（被控過程）又稱控制對象或受控對象，又稱控制對象或受控對象，指需要對它的某個特定的量進行控制的設備或過程。指需要對它的某個特定的量進行控制的設備或過程。被控對象的輸出變量是被控對象的輸出變量是被控變量被控變量，常常記作輸出信號，常常記作輸出信號或輸出量?；蜉敵隽?。被控對象除了受到控制作用外，還受到外被控對象除了受到控制作用外，還受到外部擾動作用。部擾動作用。給定元件給定元件其作用是給出與期望的輸出相對應的系其作用是給出與期望的輸出相對應的系統(tǒng)輸入量，是一類產(chǎn)生系統(tǒng)控制指令的裝置。統(tǒng)輸入量，是一類產(chǎn)生系統(tǒng)控制指令的裝置。測量反饋元件測量反饋元件如傳感器和

11、測量儀表，感受或測量如傳感器和測量儀表，感受或測量被控變量被控變量的值并把它變換為與輸入量同一物理量后，的值并把它變換為與輸入量同一物理量后，再反饋到輸入端以作比較。再反饋到輸入端以作比較。比較元件比較元件比較輸入信號與反饋信號，以產(chǎn)生反映比較輸入信號與反饋信號，以產(chǎn)生反映兩者差值的偏差信號。兩者差值的偏差信號。放大元件放大元件將微弱的信號作線性放大。將微弱的信號作線性放大。校正元件校正元件也叫補償元件，它是按某種函數(shù)規(guī)律變也叫補償元件，它是按某種函數(shù)規(guī)律變換控制信號，以利于改善系統(tǒng)的動態(tài)品質或靜態(tài)性換控制信號，以利于改善系統(tǒng)的動態(tài)品質或靜態(tài)性能。能。執(zhí)行元件執(zhí)行元件根據(jù)偏差信號的性質執(zhí)行相應

12、的控制作根據(jù)偏差信號的性質執(zhí)行相應的控制作用，以便使被控制量按期望值變化。如電動機、氣用，以便使被控制量按期望值變化。如電動機、氣動控制閥等。動控制閥等。 例子1.人取書輸入信號眼睛大腦手、手臂眼睛+（書的位置）輸出量（手的位置）方框圖2.龍門刨床速度控制系統(tǒng)比較電路放大器觸發(fā)器晶閘管電動機n測試發(fā)電機方框圖四、自動控制系統(tǒng)的基本控制方式四、自動控制系統(tǒng)的基本控制方式 控制系統(tǒng)的類型很多，它們的結構類型和所完成的任務也各不相同?？刂葡到y(tǒng)中最常見的兩種控制方式是開環(huán)控制開環(huán)控制和閉環(huán)控制閉環(huán)控制，這兩種控制的組合即為復合控制復合控制，相對應的控制系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)和復合控制系統(tǒng)。

13、 自動控制理論主要研究自動控制理論主要研究閉環(huán)閉環(huán)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) （1）反饋控制方式）反饋控制方式閉環(huán)控制閉環(huán)控制 閉環(huán)控制的定義是有被控制量反饋的控制,其原理框如圖所示。從系統(tǒng)中信號流向看,系統(tǒng)的輸出信號沿反饋通道又回到系統(tǒng)的輸入端,構成閉合通道,故稱閉環(huán)控制系統(tǒng),或反饋控制系統(tǒng)。 前前/ /正向通道正向通道反反/ /負向通道負向通道這種控制方式,無論是由于干擾造成,還是由于結構參數(shù)的變化引起被控量出現(xiàn)偏差,系統(tǒng)就利用偏差利用偏差去糾正偏差,故這種控制方式為按偏差調(diào)節(jié)按偏差調(diào)節(jié)。 閉環(huán)控制系統(tǒng)的突出優(yōu)點突出優(yōu)點是利用偏差來糾正偏差,使系統(tǒng)達到較高的較高的控制精度控制精度。閉環(huán)控制的缺點缺點

14、引入反饋增加了系統(tǒng)的增加了系統(tǒng)的復雜性復雜性，如果閉環(huán)系統(tǒng)參數(shù)的選取不適當，系統(tǒng)可能會產(chǎn)生振蕩，甚至系統(tǒng)失穩(wěn)而無法正常工作，這是自動控制理論和系統(tǒng)設計必須解決的重要問題。（2）開環(huán)控制開環(huán)控制系統(tǒng)是指無被控量反饋無被控量反饋的控制系統(tǒng),即需要控制的是被控對象的某一量(被控量),而測量的只是給定信號,被控量被控量對于控制作用沒有任何影沒有任何影響響的系統(tǒng)。結構如圖所示。這種控制優(yōu)點優(yōu)點結構簡單，系統(tǒng)穩(wěn)定性好結構簡單，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，調(diào)試方便，成本低。因此，在輸入量和輸出量之間的關系固定，且內(nèi)部參數(shù)或外部負載等擾動因素不大，或這些擾動因素可以預測并進行補償?shù)那疤嵯?，應盡量采用開環(huán)控制系統(tǒng).缺點抗干擾

15、性能抗干擾性能差。差。當對象或控制裝置受到外部干擾,或工作中特性參數(shù)發(fā)生變化,會直接影響被控量,而無法自動補償無法自動補償。因此,系統(tǒng)的控制精度難以保證控制精度難以保證。意味著對受控對意味著對受控對象和其它控制元件的象和其它控制元件的技術要求較高技術要求較高。（3）復合控制控制器控制對象擾動輸出量輸入量補償器控制器控制對象擾動輸出量輸入量補償器1-2 自動控制系統(tǒng)示例函數(shù)記錄儀放大器變換器伺服電動機齒輪系繩輪記錄筆測速發(fā)電機測量電路_位移LL 函數(shù)記錄儀方框圖電阻爐微型計算機溫度控制系統(tǒng)計算機控制量給定溫度D/A變換器觸發(fā)器晶閘管導通角電阻絲爐溫熱電偶A/D變換器放大濾波電流電流電流溫度數(shù)值方

16、框圖鍋爐液位控制系統(tǒng)方框圖給定值調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥鍋爐測量變送器_液位擾動+水耗汽量=給水量偏差值自動控制系統(tǒng)方塊圖的繪制關鍵工作原理工作原理輸入量輸入量輸出量輸出量被控對象被控對象中間環(huán)節(jié)中間環(huán)節(jié)信號傳遞信號傳遞1-3 自動控制系統(tǒng)的分類常用的自動控制系統(tǒng)分類方法常用的自動控制系統(tǒng)分類方法按控制方式來分按控制方式來分按描述系統(tǒng)的動態(tài)方程分按描述系統(tǒng)的動態(tài)方程分按系統(tǒng)參數(shù)是否隨時間變化分按系統(tǒng)參數(shù)是否隨時間變化分按系統(tǒng)輸入信號的變化規(guī)律不同來分按系統(tǒng)輸入信號的變化規(guī)律不同來分按信號的傳遞是否連續(xù)分按信號的傳遞是否連續(xù)分（1）開環(huán)控制系統(tǒng)）開環(huán)控制系統(tǒng)（2）閉環(huán)控制系統(tǒng)）閉環(huán)控制系統(tǒng)（3）復合控制系統(tǒng)

17、）復合控制系統(tǒng)1、按控制方式來分2.按描述系統(tǒng)的動態(tài)方程分（1）線性系統(tǒng)：組成系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)的輸入輸出特性都是線性線性的，可用一個或一組線性線性微分方程微分方程來描述系統(tǒng)輸入和輸出之間輸入和輸出之間關系。線性系統(tǒng)的主要特征是具有齊次性齊次性和疊加性。疊加性。1011110111( )( )( )( )( )( )( )( )nnnnnnmmmmmmdddac tac tac ta c tdtdtdtdddbr tbr tbr tb r tdtdtdt其中， 為被控量， 為輸入量( )c t( )r t011011, , , , , , , nnmmaaaabbbb為系數(shù)0110111111()(

18、)()( )()()()( )nnmma c kna c knac ka c kb r kmbr kmbr kb r k( ), ( )r kc k為輸入量和輸出量的采樣序列, ()m mnn為差分方程的次數(shù)（2）非線性系統(tǒng)：系統(tǒng)中只要有一個元器只要有一個元器件件的特性不能用不能用線性微分方程描述其輸入和輸入和輸出關系輸出關系,則稱為非線性系統(tǒng)。非線性微分（或差分）方程描述其特性。非線性微分方程特點：系數(shù)與變量有關，或方程中含有變量及其導數(shù)的高次冪或乘積項 2( )( ) ( )( )( )y ty t y ty tr t飽和非線性死區(qū)非線性間隙非線性繼電器非線性3、按系統(tǒng)參數(shù)是否隨時間變化分

19、l（1）定常系統(tǒng)定常系統(tǒng)：如果描述系統(tǒng)特性的微分方微分方程中各項系數(shù)都是與時間無關的常數(shù)程中各項系數(shù)都是與時間無關的常數(shù), ,則稱為定常系統(tǒng)。該類系統(tǒng)只要輸入信號的形式不變,在不同時間輸入下的輸出響應形式是相同的。 l（2）時變系統(tǒng)時變系統(tǒng)：如果描述系統(tǒng)特性的微分方程中只要有一項系數(shù)是時間的函數(shù)系數(shù)是時間的函數(shù),此系統(tǒng)稱為時變系統(tǒng)。 4、按系統(tǒng)輸入信號的變化規(guī)律不同來分 （）l（1）恒值控制恒值控制系統(tǒng)：系統(tǒng)：這類系統(tǒng)的輸入信號為一常輸入信號為一常數(shù)數(shù)，擾動使被控量偏離理想值而出現(xiàn)偏差，利用偏差利用偏差該系統(tǒng)可使被控量回復到理想值使被控量回復到理想值或接近理想值。上述的爐溫閉環(huán)控制系統(tǒng)、鍋爐液

20、位控制系統(tǒng)均屬于此類系統(tǒng)。l（2）隨動系統(tǒng)（跟蹤系統(tǒng)）：隨動系統(tǒng)（跟蹤系統(tǒng)）：這類系統(tǒng)的輸入量輸入量是預先未知的隨時間任意變化的函數(shù)未知的隨時間任意變化的函數(shù)，要求被控量被控量以盡可能小的誤差跟隨輸入量以盡可能小的誤差跟隨輸入量的變化，又稱為跟蹤系統(tǒng)。重點研究被控量跟隨的快速性和準確性。如函數(shù)記錄儀，雷達天線的自動跟蹤系統(tǒng)（3）程序控制系統(tǒng)：程序控制系統(tǒng)：這類系統(tǒng) 的輸入量為輸入量為按預定的規(guī)律隨時間變化的函數(shù)按預定的規(guī)律隨時間變化的函數(shù)，要求被控被控量迅速、準確地加以復現(xiàn)。量迅速、準確地加以復現(xiàn)。如機械加工中的數(shù)控機床工作臺移動系統(tǒng)。 5、按信號的傳遞是否連續(xù)分（1）連續(xù)系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)：這類系

21、統(tǒng)中所有元件的信號所有元件的信號都是隨時間連續(xù)變化隨時間連續(xù)變化的,信號的大小均是可任意取值的模擬量模擬量,稱為連續(xù)系統(tǒng)。（2）離散系統(tǒng)離散系統(tǒng)：這類系統(tǒng)在信號傳遞過程中有一處或多處的信號是脈沖序列脈沖序列或數(shù)碼形式數(shù)碼形式。若系統(tǒng)采用了采樣開關,將連續(xù)信號轉變?yōu)殡x散的脈沖形式的信號,此類系統(tǒng)稱為采樣控制系采樣控制系統(tǒng)或脈沖控制系統(tǒng)統(tǒng)或脈沖控制系統(tǒng)。若采用數(shù)字計算機或數(shù)字控制器,其離散信號是以數(shù)碼形式傳遞的,此類系統(tǒng)稱為數(shù)字控制系統(tǒng)數(shù)字控制系統(tǒng)。1-4 自動控制系統(tǒng)的基本要求一、基本要求 對于不同類型的控制系統(tǒng)，在系統(tǒng)結構和參數(shù)已知的情況下，研究的內(nèi)容研究的內(nèi)容都是系統(tǒng)在典典型輸入信號下型輸入

22、信號下，被控量變化的全被控量變化的全過程過程。 對每一類被控量變化的全過程提出的共同基本要求都是一樣的，穩(wěn)定性、快速性、準穩(wěn)定性、快速性、準確性，即穩(wěn)、快、準確性，即穩(wěn)、快、準。（1）穩(wěn)定性穩(wěn)定工作是所有自動控制系統(tǒng)的最基本要求,是系統(tǒng)能否工作的前題。不穩(wěn)定的系統(tǒng)根本無法完成控制任務。線性自控系統(tǒng)的穩(wěn)定性是由系統(tǒng)結構和參數(shù)覺定的，與外界因素無關。穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，被控量偏離期望值初始偏差隨時間的增長逐漸減小并趨于零；不穩(wěn)定系統(tǒng)的初始偏差隨時間增長而發(fā)散。單調(diào)過程單調(diào)過程衰減振蕩衰減振蕩 等幅振蕩等幅振蕩 漸擴振蕩漸擴振蕩 不穩(wěn)定不穩(wěn)定穩(wěn)定穩(wěn)定穩(wěn)定穩(wěn)定不穩(wěn)定不穩(wěn)定（2）快速性自動控制系統(tǒng)其動態(tài)過程多屬于衰減振蕩衰減振蕩情況?？刂葡到y(tǒng)的動態(tài)過程不僅要是穩(wěn)定的，并且希望過渡過程時間過渡過程時間（又稱調(diào)整時間調(diào)整時間）越短越好（快速性快速性），最大振蕩幅度（用超調(diào)超調(diào)量衡量量衡量）越小越好，衰減得越快越好（用衰衰減比衡量減比衡量）。（3）準確性指系統(tǒng)在過渡過程結束后，偏差的最終值的偏差的最終值的大小，稱為穩(wěn)態(tài)誤差大小，稱為穩(wěn)態(tài)誤差，它是衡量系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度的重要指標。穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)誤差越小，表示系統(tǒng)的準確性越好，被控量（輸出量）的期望值與實際值之間的差值就越小。二、典型外作用 為了能對不同的控制系統(tǒng)的性能用統(tǒng)一