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自动控制原理,任课教师胡伟单位电气工程及自动化学院自动化系办公室D409Emailhuwei,第一章控制系统的一般概念（2学时）第二章控制系统的数学模型（10学时）第三章控制系统的时域分析（12学时）第四章根轨迹法（8学时）第五章线性系统频率响应分析（14学时）第六章线性控制系统的校正（8学时）,,,,,,,自动控制原理,,,,,,,,,,,END,主要参考书目,现代控制工程[美]katsuhiko著卢伯英译电子工业出版社,现代控制系统[美]RichardC.dorf著谢红卫等译高等教育出版社,反馈控制系统分析与设计MATLAB语言应用薛定宇著清华大学出版社,自动控制原理-5版（普通高等教育“十一五”国家级规划教材），胡寿松主编，科学出版社，2007.6,习题集,刘慧英主编自动控制原理导教导学导考西北工业大学出版社，2003年,自动控制原理习题集胡寿松主编国防工业出版社,■实验指导书,本校自动化系编自动控制原理实验指导书,自动控制原理学习网站,,,,,南京航空航天大学自动控制原理大庆石油学院自动控制原理哈尔滨工业大学自动控制原理西北工业大学自动控制原理西南科技大学自动控制原理东北电力学院自动化工程学院,,,,,,,,,,,,,培养学习这门课程兴趣,自动化博览、自动化学报自动化仪表、控制理论与应用控制与决策、信息与控制JournalA、AutomaticaInternationalJournalofControlIEEETransactiononAutomaticControl,自动控制原理课程与其它课程的关系,自动控制原理,1-1引言1-2自动控制系统的基本概念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,,第一章自动控制的一般概念,第一章自动控制的一般概念（2学时）,本次课主要内容,了解自动控制原理在自动化专业知识体系中的重要性。了解自动控制理论的简单历史。熟悉课程的定义、研究内容、对象、任务和目的（重点1）。控制系统的典型结构及举例。对控制系统研究的第一步---建立系统的职能框图（重点2）。自动控制原理的基本概念。,自动控制原理单输入单输出线性时不变“自动控制系统”自动控制原理,1-1引言,系统由一些元部件按一定要求连接并具有某一特定功能的整体。,自动控制在没有人直接干预的情况下，通过控制装置使被控对象或过程自动按照预定的规律运行，使之具有一定的状态和性能。,自动控制系统是指由控制装置与被控对象结合起来的，能够对被控对象的一些物理量（被控制量）进行自动控制的一个有机整体。,控制掌握住不使任一活动越出范围。,一、自动控制,1.自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用控制装置使被控对象（如机器、设备或生产过程）的一个或数个物理量（如电压、电流、速度、位置、温度、流量、化学成分等）自动的按照预定的规律运行（或变化）。,2.自动控制系统是指能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统。它一般由控制装置和被控对象组成。被控制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。,进一步说,自动控制系统的功能和组成是多种多样的，其结构有简单也有复杂。它可以只控制一个被控量，也可以控制多个被控量，这些被控量可以是物理量，也可以是更广泛的信息量。例如企业的全部生产过程和管理信息；它可以是一个具体的工程系统，也可以是比较抽象的社会系统、生态系统、经济系统、生物系统、医学系统等等。,a手动控制b自动控制图2.2水温的手动控制和自动控制的示意图,从实例看自动控制,人工完成,手动控制职能框图（注意这个框图的特点）,图中水箱（被控对象）的水温（被控制量）的操作员（人工控制器）要用手（测量环节--感觉传感器）来测试水的温度，并将此温度与他要求的值（给定值）相比较（比较环节--大脑）得到温度的偏差（偏差量）。同时他要决定（控制装置--大脑）他的手（执行器）应该朝哪个方向旋转加温用的蒸汽阀门（执行机构）和旋转多大的角度（控制量）。采用自动控制时上述功能都有各种的元件和仪表来代替。例如，温度测量元件、控制记录仪表和调节阀等。,调节记录仪,自动控制职能框图（注意这个框图的特点）,,天文望远镜自动跟踪控制,世界上口径最大的大视场望远镜作大规模光谱观测，焦面上设置4000根光纤，极限星等20.m5-作星系红移巡天，运行3－5年后，即可获得107个星系的光谱（其中包括几十万个类星体）。-大量射电、红外、x、源的证认-将对星系、类星体天体物理学、宇宙学、恒星物理和银河系天文学作出重要贡献,LAMOSTLargeSkyAreaMulti－objectFiberSpectroscopicTelescope,天文望远镜自动跟踪控制,FAST,反射面口径500米，有效口径300米，最大工作天顶角50度，波段连续覆盖0.35京赫。综合性能比国际上现有望远镜提高一个数量级。贵州南部预选区拥有大量各种口径天然喀斯特洼坑，完美的洼坑形态可大大降低望远镜工程造价。FAST是中国的SKA概念,现在再来看一个控制理论中最典型的例子倒立摆系统。,自动控制倒立摆,人工倒立摆系统,思考,人工倒立摆系统对于简单的一级倒立摆系统人工还可以玩一玩，如果是惯性非常小的倒立摆呢如果是二级倒立摆呢如果是三级、四级、多级倒立摆呢如果是运动中的倒立摆呢如果是多自由度、万向节式的倒立摆呢如果是倾斜控制式的倒立摆呢如果是多极倒立摆中的每一级都要按任意设定的规律来控制时又会如何呢如果,总之，倒立摆系统已经成为检验任何控制器控制能力高低，控制性能优劣的标准工具。是控制界最典型的对象之一，学控制的人不可不知。倒立摆系统也是一个诊断人的神经系统的好方法。,在许多复杂的或快速作用的系统中，系统的响应对操作人员来说可能太快了，或对操作人员的技能要求可能高的不合理；又如某些要自行毁灭的系统，如导弹等，都需要排除人这个“元件”。在一些工业控制中，虽然人能够参与控制，但常常从经济的角度考虑，需要减少人工监视和控制，所以常利用某些设备来代替操作人员去完成同样的功能。事实上，在大多数情况下，自动控制系统比人工控制系统能更好地完成预期的作用，甚至能够进一步去完成操作人员不可能完成的任务。现在，让我们从课程的定义开始吧,系统,,社会系统地球系统宇宙系统工程系统生物系统医学系统环境系统经济系统,,工程控制论,人工控制自动控制半自动控制,,自动控制理论,,经典控制理论现代控制理论先进控制理论（智能）,,,开环控制理论闭环控制理论复合控制理论非线性控制理论离散时间控制理论,,自动控制原理学习的重点,二、自动控制原理,,先进控制理论,（1）控制论的定义研究动物（包括人）和机器内在的控制和通信的一般规律的学科。（2）工程控制论的定义研究自动控制系统中信息变换和传递的一般理论及其在工程系统中的应用。（3）自动控制理论的定义研究自动控制系统分析和设计的一般理论。（4）自动控制原理（本课程）的定义研究单输入、单输出、集中参数、线性、时不变自动控制系统（的数学模型系统）分析和设计的一般理论。总之，内在规律逐渐淡化，分析设计逐渐加强；理科性质由强变弱，工程特征由弱变强。,1.定义,三、自动控制原理的定义及性质,2.研究对象单输入、单输出、集中参数、线性、时不变自动控制系统（的数学模型）。,3.研究内容（1）系统的分析已知系统的结构和参数，分析和评价系统的稳态和动态性能以及抗干扰能力的优劣。（2）系统的设计按照给定的任务（控制任务）设计一个满足稳态和动态性能要求及抗干扰性能要求的控制系统，并确定其结构和参数。,4.研究的具体目的ct≡rt,分析是基础、设计是重点、满足要求才是目标。,5.学习的目的从数学角度（1）学会并掌握分析评价研究对象规律的理论和方法；（2）学会并掌握构建一个符合要求的新的自动控制系统的思路和可能性。注意（1）用定量的方法来研究工程系统是工程技术领域内的最高境界。（2）通过不断的学习，努力使自己成为工程技术行业中的一个高尚的人、纯粹的人、一个脱离了低级趣味的人。,四、自动控制系统与控制理论的发展历史,现代控制理论的发展,经典控制理论发展,控制理论的发展分为,[经典控制]控制理论的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理，主要用于工业控制。第二次世界大战期间，为了设计和制造飞机及船用自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达跟踪系统等基于反馈原理的军用装备，进一步促进和完善了自动控制理论的发展。,1868年，马克斯威尔（J.C.Maxwell）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（W.R.Evans）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。,经典控制理论数学工具,线性微分方程和基于拉普拉斯变换的传递函数。,研究对象,单输入单输出的线性定常系统。,三大分析方法,时域分析法,根轨迹分析法,经典控制理论的局限性,主要用于线性定常系统。,只用于单输入单输出系统。,数学描述是一种外部描述，只讨论系统的输入与输出之间的关系。而忽视系统内在特性。,不能提供最优控制特性。,频率特性分析法,四、自动控制系统与控制理论的发展历史,[现代控制理论]由于经典控制理论只适用于单输入、单输出的线性定常系统，只注重系统的外部描述而忽视系统的内部状态。因而在实际应用中有很大局限性。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。,1954年贝尔曼（R.Belman提出动态规划理论,1956年庞特里雅金（L.S.Pontryagin）提出极大值原理,1960年卡尔曼（R.K.Kalman提出多变量最优控制和最优滤波理论,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。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。,现代控制理论数学工具,线性代数,状态空间分析法（矩阵运算）,研究对象,线性系统,非线性系统,时变系统,定常系统,多输入-多输出系统,四、自动控制系统与控制理论的发展历史,现代控制理论应用中出现的新问题,现代控制理论依赖于控制对象的数学模型,现代控制理论应用热点,对于被控对象的不确定性模型含有未建摸动态部分，加上工业生产过程的干扰十分复杂，它的统计特性往往未知或不确定。因此很多被控对象的数学模型很难得到，所以其应用受到限制,鲁棒控制,非线性控制,自适应控制,预测控制,内模控制,多变量解耦控制,四、自动控制系统与控制理论的发展历史,[智能控制]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。智能控制的概念和原理主要是针对被控对象、环境、控制目标或任务的复杂性提出来的，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。被控对象的复杂性体现为模型的不确定性，高度非线性，分布式的传感器和执行器，动态突变，多时间标度，复杂的信息模式，庞大的数据量，以及严格的特性指标等。智能控制是驱动智能机器自主地实现其目标的过程，对自主机器人的控制就是典型的例子而环境的复杂性则表现为变化的不确定性和难以辨识。,四、自动控制系统与控制理论的发展历史,智能控制发展,当对象数学模型难以建立的系统往往采用智能控制。,主要研究方向,模糊控制,专家系统,人工神经网络控制,目前自动化技术的另一个研究热点,计算机集成综合自动化系统是将控制理论、运筹学与智能控制三者结合，它是一个集管理与控制为一体的计算机集成综合自动化系统。,目前控制理论存在的问题,理论研究与应用研究之间严重脱节，一方面理论研究不完善，另一方面生产技术发展跟不上。,一、自动控制系统的一般结构,表示比较元件或比较点，它的输出量等于各输入量的代数和，各输入量若为“＋”号可以不标，若为“－”号必须在箭头旁标注负号。物理元件特征,,引出点，表示信号在此分两路，两路信号相同，不存在分流问题。信号和变量特征,,方框表示它所代表部分的名称和功能，而不画出具体结构，用方框之间带箭头的直线说明各部分之间的信号传递。物理环节和装置特征,,操作量,控制量,偏差量,反馈量,1-2自动控制系统的基本概念,二、自动控制系统的元素1.被控对象（要求实现自动控制的机器设备或生产过程）2.被控制量（指被控制系统所要控制的物理量，一般指系统的输出量）,3.给定值（根据生产要求，被控制量需要达到的数值）4.扰动（破坏控制量与被控制量之间正常函数关系的因素，称为系统的扰动。如扰动来自外部，叫做外扰，如果扰动来自内部，如系统中各元件参数的变化，称为内扰）给定值和扰动通称为输入量。5.控制装置（能够对被控对象起控制作用的设备总称）,1.定义输出量与输入量之间没有反向联系，只靠输入量对输出量单向控制的系统叫开环控制系统。,开环控制又可称为前馈控制，因为控制作用是由输入信号直接向前输送，而不是由输出信号回输到输入信号来进行控制的，故称为前馈控制。,三、开环控制系统,例1.下面是一个具体的开环控制系统的例子，直流电机转速控制系统。,,原理方框图为,四、闭环控制系统1定义输出量与输入量之间有反向联系，靠输入量与主反馈信号之间的偏差对输出量进行控制的系统叫闭环控制系统。反馈是把系统输出量全部或一部分回送到输入端，以增强或减弱输入信号的效应。,前向通道,主反馈通道,比较元件,偏差量,主反馈量,控制变量,操作变量,被控量,给定元件,例2引入闭环控制后的直流电机转速控制系统,原理方框图,正反馈不能用于控制系统，用途振荡器（正弦信号发生器）,起增强输入信号作用正反馈。起减弱输入信号作用负反馈。正反馈不能进行控制，会使系统的偏差越来越大。只有负反馈控制系统才能完成自动控制的任务。负反馈控制系统最大的特点（自动化专业的座右铭）,检测偏差，纠正偏差按偏差控制,水箱原来处于一个平衡状态，q1tq2t0。如果打开阀门，冲水，冲好后关上阀门，ht发生变化，水位下降，△h变大，通过浮子反馈到执行机构。机械杠杆带动活塞打开，q1t变大，使△h变小，浮子上浮，活塞也上升，直至达到新的平衡。,例3.我们在日常生活中经常遇到的抽水马桶，也是一个典型的闭环控制系统。,原理方框图,这就是负反馈控制系统，检测偏差，然后进行调节，使偏差减小，最后直至消除偏差。按偏差控制。,主反馈直接取自系统输出端n，经过测量和变换，又引入到系统输入端的信号ub叫主反馈信号，相应的反馈叫主反馈。前向通道从系统输入端到输出量之间的通道称为前向通道。主反馈通道从输出量到主反馈信号之间的通道称为主反馈通道。单位反馈系统主反馈信号等于输出量的系统叫单位反馈系统。非单位反馈系统主反馈信号不等于输出量的系统叫非单位反馈系统。局部反馈对应内回路。,五、重要概念,前向通道,主反馈通道,比较元件,偏差量,主反馈量,控制变量,操作变量,被控量,给定元件,主回路主反馈闭合了除系统输入信号和干扰信号以外的其它所有信号，所形成的闭合回路称为主回路。给定元件给出与系统输出量希望值相对应的系统输入量。测量元件测量系统输出量的实际值，并把输出量的量纲转化成与输入量相同。比较元件比较系统的输入量和主反馈信号，并给出两者之间的偏差。放大元件对微弱的偏差信号进行放大和变换，使之具有足够的幅值和功率，以适应执行元件动作的要求。执行元件根据放大后的偏差信号产生控制、动作，操作系统的输出量，使之按照输入量的变化规律而变化。,开环控制系统1.结构简单经济2.调试方便3.抗干扰能力差，控制精度不高。闭环控制系统1.系统具有纠正偏差的能力。2.抗扰性好，控制精度高。3.包含元件多，结构复杂，价格高。4.参数应选择适当。开环＋闭环＝复合控制系统（兼有两者的优点，精度很高）,六、开环与闭环系统的比较,1-3自动控制系统的分类,一、根据结构划分,负反馈系统前馈控制系统复合控制系统,二、按给定值的形式划分,定值控制系统（输入量是恒定的常值，任务在各种扰动作用下都能使输出量保持在恒定希望值附近，如恒温、水位、恒压控制系统）,1-3自动控制系统的分类,硅钢热处理炉炉温定值自动控制系统,恒定电压,电位器,减速器,调压器,希望值Tr680C,实际值Tc,ubkTc,uεur-ub,1-3自动控制系统的分类,电炉炉温自动控制系统的任务是控制炉温维持在680附近，以满足硅钢热处理的要求。炉子的温度由毫伏级的给定电压ur控制的，其设置与炉温的希望值Tr相对应，热电偶用来测量炉温的实际值Tc，它的输出ub正比于炉温，即ubkTc，ub是毫伏级电压信号，k是比例系数。ub仅反馈到系统的输入端，与给定电压ur进行比较，得到偏差信号uεur-ub要求的炉温与实际炉温的偏差。uε0，系统处于平衡状态。,硅钢热处理炉炉温定值自动控制系统,1-3自动控制系统的分类,若由于扰动使实际的炉温低于希望值，则uεur-ub0，该电压经电压放大和功率放大后驱动直流电机，电机经减速器带动调压变压器的滑臂，向增加加热电流的方向移动，于是反馈电压ub增加，uε下降，直至炉温达到给定值为止，此时uε0，电机停转，系统重新处于平衡状态，从而完成了自动调节炉温的任务，若由于干扰使实际的炉温高于希望值，整个调节过程反方向进行。,1-3自动控制系统的分类,方框图,由于元件存在不灵敏区，只有偏差电压大到一定数值后电机才转动，进行控制，所以，控制精度只能保持在680050C,1-3自动控制系统的分类,二、按给定值的形式划分,随动系统（也叫伺服系统，跟踪系统）这种控制系统的输入量是事先不知道的任意时间函数。任务使输出量迅速而准确地跟随输入量的变化而变化。比如飞机和舰船的操舵系统，雷达自动跟踪系统。程序控制系统（输入量按照给定的程序变化。任务使输出量按预先给定的程序指令而动作）最典型的就是数控车床和机器人控制系统。,1-3自动控制系统的分类,三、按系统的特性分类,线性系统满足叠加原理，具有叠加性和均匀性，可以用线性微分方程来描述非线性系统（不适用叠加原理，用非线性微分方程来描述）,本书主要研究线性定常系统。,1-3自动控制系统的分类,从物理观点看线性系统的叠加原理,物理系统,,,,,,,rt,ct,激励,响应,如果有,rt,r1t,r2t,c1t,ct,c2t,,,,则有,r1t,r2t,c1t,,c2t,叠加性,krt,kct,,均匀性,叠加性,均匀性＝,叠加原理,1-3自动控制系统的分类,从数学观点看线性系统的叠加原理,若表示系统的数学模型描述为yLr，其中，y为系统的输出，r为系统的输入,L为数学表达方式。则对任意的两个输入变量r1和r2以及任意两个非零的有限常数c1和c2，必成立关系式yLc1r1c2r2c1Lr1c2Lr2c1y1c2y2,四、按信号的形式分类,连续控制系统,离散控制系统,计算机控制系统是典型的离散控制系统。,1-3自动控制系统的分类,控制系统的基本要求,闭环系统稳定是前提,1-4对自动控制系统的基本要求,闭环系统稳定是前提,1-4对自动控制系统的基本要求,1、2、5最终趋于平衡状态，这类系统是稳定的。3振荡发散，4单调发散。这类系统的过渡过程随时间的推移而发散，无法正常工作，不稳定（还有一种等幅振荡）。稳定性是对控制系统的最基本要求。,曲线1要反复振荡才能达到稳态值，过渡过程持续时间很长。曲线2要经长时间的缓慢爬升才能到稳定值，系统响应迟钝，过渡过程时间也很长，快速性都不好，而曲线5快速趋于稳定，即稳且快，与理想的调节过程偏差最小。,指过渡过程结束后稳态误差越小越好。稳态误差指过渡过程结束后，也就是进入稳态过程后，希望的输出量与实际输出量之间的误差，是恒量系统稳态精度的重要指标。,,本章小结,自动控制和自动控制系统的含义；反馈和反馈控制的概念；控制系统的组成和分类；能够确定实际控制系统的被控对象，被控量和给定量；能够绘制控制系统的方块图；能分析实际控制系统的控制原理。,自动化就在你的身边掌握了自动化技术，“一切”就尽在“你”的“控制”之中。,再见,,,前向通路,反馈,通路,记住这个结构，并用于思维。,