北理自动控制原理第一章课件.

方法2：利用温度自动调节器（thermostat 根据温度自动启动的装置）（闭环）
闭环与开环二者有本质区别。
反馈控制有能力敏感被控量（室温 ）的变化，与期望值有偏差时能够产生 修正指令。
而开环控制方案不管被控量变化有 多大，总是按一种模式运行。
如果我们将任何事情都预报得很准， 我们可以不用反馈控制系统，因为其特点 是有能力处理不确定性。
自动控制装置包括：
（1）测量元件（或测量装置）
用于测量被控量的实际值或对被控量进 行物理量变换的装置。 （2）给定元件
给出与期望的被控量相对应的系统输入 量（即参据量）
（3）比较元件（或比较器） 它将被控量的实际值（常取负号）与被
控量的要求值（常取正号）相比较，得到偏差 的大小和符号。
（4）放大元件 将比较元件给出的偏差进行放大，用来
自动控制技术应用于工业生产过程
轧钢过程； 锅炉；焊接机器人； 工业窑炉；化工制药；数控机床； 石油化工、玻璃、造纸等；
自动控制技术应用于现代农业生产
自动灌溉；
自动控制技术应用于其他领域
通信、交通、医学、环境保护、经济管理 自动化仪表、工业调节器、数字控制技术、 核动力工程
二．自动控制理论 1．定义
单变量控制 传递函数 时域方法 频域方法
60年代的现代控制理论时期，主要特征： 从单变量到多变量 从自动调节到最优控制 从线性到非线性 从时不变到时变
两个成果标志： 一是最优控制方面的Pontryagin极大值原理和美国
数学家贝尔曼（Bellman)动态规划（后来被更多地用于 经济上的投资、资源分配生产排序等）；
公元1769年，英国人J.Watt用离心式调速器控制蒸汽
机的速度，由此产生了第一次工业革命。飞球调节器是人 们普遍认为最早应用于工业过程的自动反馈控制器。
J.C.Maxwell（麦克斯韦尔）最早研究 了这种不稳定现象。1868年发表《论调节 器》，对反馈机理作了理论论述，并从数学 上进行了探讨。
汽车
实际行 驶路线
-
视觉和触觉测量
反馈： 取出输出量送回到输入量，并与输入
信号相比较产生偏差信号的过程。
负反馈：
若反馈的信号是与输入信号相减，使 产生的偏差越来越小；反之，则称为正反 馈。
反馈控制： 就是采用负反馈并利用偏差进行控制的过
程，而且，由于引入了被控量的反馈信息， 整个控制过程称为闭合的，因此反馈控制也 称闭环控制。
补偿元件

输出量

反馈 局部反馈 补偿元件
测量元件 主反馈
系统方框图
为了清楚地表示控制系统的组成及各组成 部分之间信号的传输关系，画出的控制系统元 件作用图称为系统方框图。
共有四种图例：
（1）装置用方框表示 （2）信号用带箭号的线段表示 （3）信号引出点 （4）信号相加点（比较点）
第二节 自动控制系统基本控制方式示例 一．开环系统
抽水马桶的水箱中就有这种液位控制装置。
注意：这里传感器和执行器不是分离的器件， 而是包含在精心制作的浮球和给料管联合体中 。
近代欧洲最早发明的反馈系统是： 荷兰人Cornelis Drebbel
(1572_1633)发明的温度调节器，用于控 制加热孵卵器中火炉的温度。
Dennis Papin(1647_1712)则在 1681年发明了第一个锅炉压力调节器， 该调节器是一种安全调节装置，与目前压 力锅的减压安全阀类似。
自动控制原理
宋建梅
第一章 自动控制的一般概念
1.1 引言 1.2 自动控制系统基本控制方式 1.3 自动控制发展简史 1.4 自动控制系统分类 1.5 对系统的性能指标要求 1.6 控制系统设计概论
第一节 引言
一．自动控制(automatic control) 1. 定 义：
前提： 没有人直接参与
自动控制理论是研究自动控制共同 规律的技术科学
2．分类
（1）经典控制理论：以传递函数为基础， 主要研究单输入—输出，线性定常系统的分析 和设计问题。
（2）现代控制理论：主要研究具有高性能 ，高精度的多变量多参数系统的最优控制问题 。
（3）智能控制理论
20世纪50年代前后，是经典控制 理论诞生和发展时期 主要特征：
这种不确定可指被控对象的变更（如 换了一间房子）、环境即我们不能精确预 报室外温度和风速。因此，反馈使系统能 够适应环境变化。
反馈控制的特点是必须等干扰反应在 被控变量的变化上以后，才作出反应， 即不可能预测将进入系统的干扰。
在干扰可测（可采取措施来抵消其影 响）的情况下，反馈控制的性能就不是 很令人满意。（如当室外温度可测时） 。这时可采用以后将讲到的前馈控制。
控制装置（控制器）： 外加的设备或装置
被控对象（process, plant, controlled system ）： 设备或生产过程
系统输出量：自动控制系统的被控制量
系统输入量： 给定输入（或称参考输入、希望值等）： 指对系统输出量的要求值
扰动输入： 指对系统输出量有不利影响的输入量
2.自动控制系统的组成 被控对象和自动控制装置（控制器）
二是美国数学家Kalman提出的状态空间、能控性、 能观性、反馈镇定、卡尔曼滤波
70年代的智能控制阶段 借鉴人工智能中发展出来的逻辑推力、
启发式知识、专家系统等，解决难以建立精 确数学模型的复杂系统的控制问题，
主要有： 模糊控制、神经网络、专家系统、定性
学习、学习控制等
2．基本控制方式
（1）开环控制： 控制装置和被控对象之间只有顺向作用而
使被控量偏离要求值，该系统能根据偏差产生控制作用 ，使被控量恢复到要求值，并以一定的准确度保持在要 求值附近。
程序控制系统： 系统的输入量是已知时间函数（不是常数）
（二）线性系统和非线性系统
线性系统是指组成系统的元器件的静态特性为直线 ，能用线性常微分方程描述其输出与输入关系的系统。 线性系统的主要特点是具有叠加性和齐次性。
推动执行元件去控制被控对象。
（5）调节元件（校正元件）
通常包括放大器和校正装置。它能将偏差 信号放大，并使输出控制信号与偏差信号之间 具有一定的数值运算关系（也称为调节规律或 控制算法）。
（6）执行元件
接受调节元件的输出控制信号，产生具体 的控制效果，使被控制量产生预期的改变。
输入量
串联
放大元件 执行元件 被控对象
三．复合控制系统 （a）按输入作用补偿
补偿装置
+ 输入量
-
控制装置
被控对象
输出量Leabharlann （b）按扰动作用补偿补偿装置
+ + 输入量
-
控制装置
扰动量
被控对象
输出量
第三节 自动控制发展简史
公元前1400－1100年， 中国、埃及和巴比伦 相继出现自动计时漏 壶，人类产生了最早 期的控制思想。
最早的反馈控制实例可能是公元前300 年~公元前1年之间在古希腊出现的浮球调节 装置。包括Philon发明的利用浮球调节装置 来保持油灯燃油的油面高度、希罗利用浮球 调节装置来控制水位等；
实际输出 被控对象
反馈控制的共同特点是： 由负反馈构成闭环； 按偏差控制。
房间的恒温控制： 此动态系统的输入是热量，输出是房间温度
方法1：预定程序控制（开环）
期望温度 预定程序控 燃料 制器
干扰 加热器
房间温度 房间
缺点：不能有效对付干扰（disturbance如门窗的开、关 ，室外风速引起的变化，人的流动、房屋模型建模不准确 导致预定程序不准确）。
本课程研究线性定常系统（或称为线性时不变系 统、自治系统）
非线性系统是指组成系统的元器件中有一个以上具 有非直线的静态特性的系统。非线性系统还可分为非线 性时变系统与非线性定常系统。
（三）连续系统与离散系统
连续系统，各部分的输入和输出信号都是连续变 化的模拟量，可用微分方程来描述各部分输入-输出关 系的系统。
输入
控制器、执
行机构
输出 被控对象
开环控制系统的优缺点： 优点： 结构简单，当被控制变量不易测量时，
用此类控制较方便
缺点： 通常是不能做到使某些物理量按指定规
律变化。
目前比较常见的开环控制系统有自动售货机 ，自动洗衣机，自动流水线，包装机等。
二．闭环系统
给定输入 偏差
控制器

执行机构
传感器 测量输出
1872年J.Routh和1890年(Hurwitz)先 后找到了系统稳定性的代数判据，即系统特征 方程根具有负实部的充分必要条件
在美国，Bode, Nyquist, Black等人在贝 尔电话实验室对电话系统和电子反馈放大器 所做的研究工作，是促进反馈系统应用的主 要动力，他们发展了采用带宽等频域变量术 语的频域方法—至今仍是控制理论的最主要 的分析设计方法之一
第四节 自动控制系统分类
从信号传送的结构特点可将控制系统分为开环控制系统与闭 环控制系统。按照其他分类原则还可分为：
（一）随动系统与恒值控制系统
随动系统又称为伺服系统。 特点：给定值是预先未知的、随时间任意变化，要 求系统被控量以尽可能小的误差跟随给定值变化。
恒值控制系统（定值调节系统或自动镇定系统）。 特点：系统输入量（即给定值）不变，但由于扰动
反馈控制实质上是一个按偏差进行控制的过 程，因此，它也称为按偏差的控制。
反馈控制原理就是按偏差控制的原理。
（3）复合控制
（a）按输入作用补偿
补偿装置
+ 输入量
-
控制装置
被控对象
输出量
（b）按扰动作用补偿
补偿装置
+ + 输入量
-
控制装置
扰动量
被控对象
输出量
三、 自动控制系统