自动控制理论_01自动控制的一般概念讲义
自动控制的一般概念(1)
自动控制的一般概念（1）1、自动控制系统2、控制系统的性能要求1、自动控制系统“控制”是指利用控制装置来操纵被控对象，使被控量按指定的规律变化。
•被控对象: 在自动控制技术中，把工作的机器设备称为被控对象。
•被控量：把表征这些机器设备工作状态的物理参量称为被控量。
•控制装置：产生控制信号的物理装置。
Furnace ThermometerGasMixer ValveairDesired temperatureOperator系统：由相互关联的部件按一定的次序构成的结构，能够提供预期的输出。
自动控制系统：在没有人直接参与下，利用控制装置来操纵被控对象，使被控量按指定的规律变化的控制系统。
Gas MixerAirValveMotor AmplifierU cPotentiometerU r Power AmplifierFurnace Thermocouple例：自动炉温控制系统。
分析：操作人员的工作：对理想值与实际值实时进行比较并操纵阀门。
2、控制系统的性能要求自动控制的任务：利用控制装置操纵被控对象，使被控量按指定的规律变化，通常希望被控量等于给定值。
若给定值以时间函数r(t)表示，被控量以时间函数c(t)表示，则应使被控量满足c(t) ≈ r(t)动态过程：将系统受到给定值或干扰信号作用后，控制被控量变化的全过程称为系统的动态过程。
工程上常从稳、快、准三个方面来评价控制系统。
▪稳：控制系统的稳定性与平稳性。
▪快：系统的快速性。
▪准：系统的稳态精度。
控制系统动态过程曲线如上图所示，系统在外作用下，输出逐渐与期望值一致，则系统是稳定的，如曲线①所示；若被控量随着时间的增加，越来越偏离给定值，则称系统是不稳定的，如图中的曲线2所示。
平稳：是指动态过程振荡的幅值和频率，若动态过程摆动的幅值较小，摆动的频率较低，则称平稳性好，图中曲线 2 的平稳性优曲线1。
Step ResponseTime (seconds)A m p l i t u d e 05101500.511.5①②▪快：指动态过程的快速性快速性：即动态过程进行的时间的长短。
自动控制原理讲义第1章自动控制的一般概念 PPT
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1
自动控制原理
程向红 蔡体菁
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2
第1讲
程向红
自动控制的一般概念
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3
• 1.1 引言 • 1.2自动控制系统示例 • 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 • 1.6对本课程的基本要求
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4
历史的回顾
• 18世纪，James Watt 为控制蒸汽机速度设计的离心调
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 对象
是一个设备，它是由一些
• 3 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。
机器零件有机地组合在一 起的，其作用是完成一个 特定的动作。在下面的讨 论中，称任何被控物体 （如加热炉、化学反应器 或宇宙飞船）为对象。
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• 反馈控制系统 • 开环控制系统 • 闭环与开环控制系统的比较
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1.3.1 反馈控制系统
1 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。
2 反馈控制系统
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• 7 反馈控制系统
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。
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1自动控制的一般概念
多输入-多 现代控 多输入 多 制理论 输出变系 数，非线 性等系统
3. 反馈控制原理
在反馈控制系统中，控制装置对被控对象 施加的控制作用，是取自被控量的反馈信 息，用来不断修正被控量与输入量之间的 偏差，从而实现对被控对象进行控制的任 务。 反馈控制系统最大的特点： 检测偏差，纠正偏差 ——按偏差控制
原理方框图： 原理方框图：
调节器 h0 比较器 机械杠杆
-
执行机构 活塞 检测机构 浮子
被控对象 q1(t) 水箱
h(t)
这就是负反馈控制系统，检测偏差， 这就是负反馈控制系统，检测偏差，然后进行调 使偏差减小，最后直至消除偏差。 节，使偏差减小，最后直至消除偏差。 ——按偏 按偏 差控制。 差控制。
如果系统的控制装置与被控对象之间只有顺向作用， 不存在反馈的通道，这种控制方式称为开环控出量
（3）复合控制方式： 按扰动控制＋ 按偏差控制
1-3 自动控制系统示例
1 函数记录仪
飞机示意图
飞机方块图
θ0
给 定 装 置
放 大 器
器
舵 机
飞 机
θ
1-3 自动控制系统的分类
4. 反馈控制系统的基本组成
测量元件：测量被控制的物理量; 测量元件：测量被控制的物理量; 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）。 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。 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控制被控对象。 执行元件：直接推动被控对象，使被控量发生变化。 校正元件：亦称补偿元件，它是结构或参数便于调整的元件，用串联或反馈的方 式连接在系统中，以改善系统性能。
• （2）.快速性：指过渡过程进行的时间长短。 快速性： ） 快速性 指过渡过程进行的时间长短。 曲线1要反复振荡才能达到稳态值 要反复振荡才能达到稳态值， （曲线 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 要经长时间的缓慢爬升才能到稳定值， 很长。曲线 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， 响应迟钝，过渡过程时间也很长，快速性都不好，而曲 快速趋于稳定， 线5快速趋于稳定，即稳且快，与理想的调节过程偏差最 快速趋于稳定 即稳且快， 小。）
自动控制原理--第1章 自动控制理论的一般概念
1-3 典型控制系统
恒值系统：
也称镇定系统。输出量以一定的精度等于 给定值，而给定值一般不变化或变化很缓慢， 扰动可随时变化的系统称为恒值系统，在生产 过程中，这类系统非常多。例如：恒温系统， 恒压系统等。
例 锅炉空气预热器密封间隙控制系统
系统通过间隙传感器实时测量出密封间隙值并送入计算 机，与设定值比较后，发出控制指令至电动机提升机构，调 整密封板的位置，达到维持密封间隙值恒定的目的。
u
~220V
开关闭合后，不同 的输入电压u对应于 不同的温度t。
炉温开环控制系统
扰动量
输入量 (电源 )
开关
加热电 阻丝
控制装置
电炉恒 温箱
受控对象
输出量 (温度)
炉温开环控制系统方框图
扰动
给定值
控制器
被控制 对象
典型开环控制的方框图
输出量
系统框图帮助理解系统的构成和性质
开环控制系统特点： 信号从输入到输出无反馈,单向传递. 结构简单. 控制精度不高,无法抑制扰动.
第1章 自动控制理论的一般概念
1-1 自动控制发展史 1-2 自动控制的基本方式 1-3 典型控制系统 1-4 对于自动控制系统的要求
1-1 自动控制发展史
经典控制理论（20世纪40年代及其以前）
主要研究单输入单输出线性定常系统 时域、频域和复域分析和设计问题。
现代控制理论（20世纪60年代）
主要研究多输入、多输出、时变参数、高精度复杂系统 分析和设计问题；最优控制问题。
(c)
五、复合控制
它是把按偏差控制与按扰动控制结合起来，对于主
要扰动采用适当的补偿装置实现按扰动控制，同时再组
成反馈控制系统实现按偏差控制，以消除其余扰动产生
自动控制理论的一般概念
第一章：自动控制理论的一般概念§1.1引言§1.2自动控制理论发展概述 发展过程：19世纪−−−−−−−→−呼应与西方工业革命发展相⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧频域复域时域 20世纪60年代初−−−−−−→−与航天技术发展相呼应⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧系统辩识等最佳估计最优控制线性系统 应用：深入到人民生产、生活的各个领域日常生活：收音机、电视机、冰箱、空调、汽车、飞机… 工程：数控机床、合成塔、核反应堆… 军事:火炮群、导弹、特种炸弹、垂直起降飞机… 科技：航天飞机、卫星姿态控制、机器人… §1.3自动控制和自动控制系统的基本概念◇ 自动控制: 在无人直接参与的情况下，使被控对象的一个物理量（被控量）按预定规律（给定量）运行。
出）（单入古典控制理论/出）（多入现（近）代控制理论/◇ 自动控制系统：能对被控对象的工作状态进行自动控制的系统。
举例： 被控对象 被控量C 给定量R 炉温控制系统 烘炉 炉温T u r （T 希望值）X -Y 记录仪 笔 笔位移L u r （L 希望值） 液压控制系统水箱水箱水位Hu r（H 希望值）1． 开环（信号单向流动）特点：简单、稳定、精度低。
2． 闭环（信号有反向作用）特点：复杂、抗干扰能力强、精度高、有稳定性问题。
3． 复合（前向联系、反向作用）特点：性能要求高时用之。
例如：炉温系统可以采用开环或闭环的。
闭环控制工作原理：外部作用：⎩⎨⎧r c rc 偏离干扰量：使跟踪给定量：使控制目的：排除干扰因素、影响、使被控量随给定量变化。
负反馈原理——构成闭环控制系统的核心把系统的输出信号引回输入端，与输入信号相比较，利用所得的偏差信号进行控制，达到减小偏差、消除偏差的目的。
负反馈控制系统的特点——按偏差控制的具有负反馈的闭环系统1）、有反馈，信号流动构成闭回路。
2）、按偏差进行控制。
§1.4控制系统的组成组成（以X-Y记录仪为例）控制器：①测量元件：测量被控量②比较元件：产生偏差信号③放大元件：对偏差信号进行幅值、功率放大④执行机构：对被控对象施加作用⑤校正元件：改善系统性能⑥给定元件：给出输入信号二、外部作用：1．给定量：使被控量跟随给定量。
第1章 自动控制理论的一般概念PPT课件
红河学院自动化系
N. Wiener
在贝尔实验室Bode领导的火炮控制系统研究小组工作的C. Shannon提 出继电器逻辑自动化理论(1938)，随后，发表专著《通信的数字理论》 (The Mathematical Theory of Communication)，奠定了信息论的基础
美国W. Evans提出根轨迹法(Root Locus Method) (1948)，以单输 入线性系统为对象的经典控制研究工作完成。 多本有关经典控制的经典名著相继出版，包括Ed. S. Smith的 Automatic Control Engineering (1942)，H. Bode的Network Analysis and Feedback Amplifier(1945)，以及钱学森的《工程控 红河学制院论自动》化(E系ngineering Cybernetics) (1954)
通 信的科学》产生 • 40－60年代 经典控制理论（频域法为主） • 60－70年代 现代控制理论（时域法为主) • 70年代以后 大系统控制理论
红河学院自动化系
自动控制研究的内容： 经典控制理论 现代控制理论
经典控制理论 主要研究对象:对单输入单输出线性定常系统的
分析和设计问题。
现代控制理论 主要研究对象:多输入、多输出、时变参数、高
自动控制原理
教学课件
红河学院自动化系
本课程的性质和任务
《自动控制原理》课程是电子信息类专业，特别是自 动化专业的一门专业基础课，该课程是为学生建立系 统观点、掌握控制原理的一门必修课程。本门课程的 前续课程是：高等数学、电工基础、工程数学等，在 学习了以上内容以后进入本门课程的学习。 本门课程一共包括8章，前面7章主要介绍经典控制理 论的内容，第8章介绍现代控制理论的基本概念。在前 面7章中，主要介绍经典控制理论的主要分析方法：数 学模型的建立、时域分析法、根轨迹分析法、频率分 析法、控制系统的综合与校正、采样控制系统基础； 第8章主要介绍现代控制理论的相关内容。
《自动控制理论》课件
1.1 自动控制理论的定义1.2 自动控制系统的分类1.3 自动控制理论的应用领域二、数学基础2.1 线性代数基础2.2 微积分基础2.3 常微分方程2.4 拉普拉斯变换三、经典控制理论3.1 概述3.2 传递函数3.3 系统稳定性分析3.4 系统响应分析3.5 系统校正设计四、现代控制理论4.1 状态空间描述4.2 状态空间分析4.3 控制器设计4.4 观测器设计4.5 系统李雅普诺夫稳定性分析五、线性二次调节器5.2 性能指标5.3 调节器设计5.4 数字实现六、非线性控制系统6.1 非线性系统的特点6.2 非线性方程和方程组的求解6.3 非线性系统的分析和设计方法6.4 非线性控制系统的应用实例七、模糊控制系统7.1 模糊控制理论的基本概念7.2 模糊控制规则和推理方法7.3 模糊控制器的设计7.4 模糊控制系统的仿真和应用八、自适应控制系统8.1 自适应控制的基本概念8.2 自适应控制算法8.3 自适应控制系统的性能分析8.4 自适应控制的应用实例九、智能控制系统9.1 智能控制的基本概念9.2 人工神经网络在自动控制中的应用9.3 遗传算法在自动控制中的应用9.4 模糊神经网络在自动控制中的应用十、自动控制技术的应用10.1 工业自动化10.2 交通运输自动化10.3 生物医学工程自动化10.4 家居自动化六、非线性控制系统6.1 非线性系统的特点6.2 非线性方程和方程组的求解求解非线性方程和方程组通常需要使用数值方法，如牛顿法、弦截法和迭代法等。
6.3 非线性系统的分析和设计方法对于非线性系统，常用的分析方法有相平面分析、李雅普诺夫方法和描述函数法等。
设计方法包括反馈线性化和滑模控制等。
6.4 非线性控制系统的应用实例例如，臂的控制、电动汽车的稳定控制等。
七、模糊控制系统7.1 模糊控制理论的基本概念模糊控制是一种基于的控制方法，它通过模糊逻辑对系统的输入和输出进行处理，从而实现控制目的。
自动控制理论课件ppt课件
闭环
开环
（反馈） （前馈）
复合
定值
程序
随动
线性
非线性
电动
气动
液动
连续
离散
第四节 对自动控制系统的基本要求
控制系统性能指标评价
稳定性
稳态性能
动态性能
前馈控制方案举例
补水流量
优点： 调节速度快； 结构简单，造价低。 缺点： 抗干扰能力单一； 调节品质难以保证。
用水流量
第一章 绪论
第一节 概述 第二节 自动控制系统的一般概念 第三节 自动控制系统的分类 第四节 对自动控制系统的基本要求
第一节 概 述
自动控制理论—设计、分析与应用自动控制系统的基础理论知识。
自动控制系统—在无人直接参与的前提下，实现生产过程自动化的所有设 备的整体。
“自动控制”所涉及到的领域—遍及工业生产、军事、航空航天及日常生 活的每一个领域，还有替代实施规范操作的机器人
学习 “自动控制理论”课程最终所要达到的目的
➢ 掌握“全面评价自动控制系统控制水平”的能力； ➢ 了解“改善系统性能”的基本方法； ➢ 了解“设计满足用户要求的自动控制系统”的基本思路。
主要内容及承上启下的关系
本课程设计到的基础理论知识
自动控制系统应用实例
相关概念：
1、开环顺序控制 系统
2、闭环控制系统
给定值
测量值
控制信号
控制量
执行器
检测变送器
干扰 被调量被控对象ຫໍສະໝຸດ 关注负反馈自动控制系统的共性:
组成 --- 设备、信号的名称。调节机理 ---依据偏差调节，消除偏差为目的。
第三节 自动控制系统分类
类别
按系统结构分类 按给定值特性分类 按系统模型特征分类 按执行机构特性分类 按系统传输信号形式分类
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器
放
＋
ub
测速
G 发电
＋
机
－
水
q1(t)
活塞
水箱内部示意图
浮子
h(t)
阀门
q2(t)
水箱原来处于一个平衡状态，q1(t)=q2(t)=0。如果打开阀门， 冲水，冲好后关上阀门，h(t)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， q1(t)变大，使 △h 变小，浮子上浮，活塞也上升，直至达到新的平衡。
原理：利用对干扰信号的测量产生控制作用，以补偿干 扰对输出量的影响。由于干扰信号经测量装置、控制器 至被控对象的输出量是单向传递的，故属于开环控制方 式。常用于机械的恒速控制以及电源系统的稳压、稳频 控制。
按干扰补偿 的原理方框图
测量 控制器
被控 对象
干扰
被控 量
三、按偏差调节的闭环控制
输入
控制器
英国 J. Watt制造出第一台可调速蒸汽机(1788年)。
★经典控制（20世纪前半叶）
基于：战争需求 基本方法：传递函数，根轨迹法，频率特性法 代表人物：维纳、伯德、伊文思
*现代控制(20世纪50年代)
美国MITБайду номын сангаас的Servomechanism Laboratory 研制出第一台数控机床 (1952)；
自动控制的任务，是在没有人直接参与 下，利用控制装置操纵被控对象，使被控量 等于给定值。
c(t) r(t)
2、自动控制的应用典范
人造地球卫星
无人驾驶飞机
制导导弹 现代的高新技术让导弹长上了 “眼睛”和“大脑”，利用负反馈 控制原理去紧紧盯住目标. 我 国研制的地空导弹 (如右图)
雷达技术 雷达操作时，天线就要不停地转动。天线的作用是把雷达 中产生的无线电波按照一定的方向向外发射出去，并把被 反射回来的无线电波接收下来。正因 为天线所起的作用好似人的眼睛一样， 因此雷达要注视和侦察整个天空的状 况，天线就要不停地转动，用一个驱 动马达使天线作360度的旋转，这样它 就能在360度范围内进行“搜索”。
四、复合控制
补偿装置
输入信号
(-)
控制装置
输出量 被控对象
自动控制系统示例
例1 家用冰箱温度控制系统
例2 温度控制系统
炉温控制系统方框图 炉温控制系统方框图
例3 函数记录仪
例4 水温调节系统
水温调节系统工作原理图
水温调节系统
水温调节系统方框图
例5 学科前沿——倒立摆控制系统
倒立摆系统的输入为小车 的位移和摆杆的倾斜角度期 望值，计算机在每一个采样 周期中采集来自传感器的小 车与摆杆的实际位置信号， 与期望值进行比较后，通过 控制算法得到控制量，再经 数模转换驱动直流电机实现 倒立摆的实时控制。
干扰
被控 对象
输出
主要特点：❖ 输出影响输入，所以能削弱或抑制干扰； ❖ 低精度元件可组成高精度系统； ❖ 因为可能发生超调，振荡，所以稳定性很重要。
控制方式： ❖ 正反馈，负反馈。我们所讲述的反馈系统如果 无特殊说明，一般都指负反馈。
直流电机转速反馈控制系统
ur
电
可
压
控
u u u 放 大
硅
k功
a M n 负载
倒立摆控制系统是一个复杂的、不稳定的非线性系统， 其控制方法在军工、航天、机器人和一般工业过程领域中 都有着广泛的用途，如机器人行走过程中的平衡控制、火 箭发射中的垂直度控制和卫星飞行中的姿态控制等。
自动控制系统的分类
1. 按给定信号的形式
恒值系统 / 随动系统
2. 按系统是否满足叠加原理 线性 / 非线性
中国批准 863高技术计划，包括自动化领域的计算机集成制造系统和 智能机器人两个主题 (1986)。
*智能控制(1980后)
SONY 娱乐机器狗 （2008年）
SONY 二足步行机器人
*未来，或远或近
1-2 自动控制的基本方式
预期目标
分析
执行
干扰 工作对象
c 实际结果
观察
r 给定值
e 比较 -偏差
四.灵敏度 系统中元件参数的改变对系统响应的影响，可以用灵敏度来表示。
第一章 自动控制的一般概念
1-1 自动控制的任务 1-2 自动控制的基本方式 1-3 对控制系统的性能要求
1-1 自动控制的任务
1、自动控制的基本概念
➢ 何谓控制
控制
➢ 自动控制：是指在没有人直接参与的条件下，利用控 制装置使被控对象按照预定的技术要求进行工作。
➢ 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，它由被控对象和控制装置组成。
按给定值 控制的原 理方框图
给定 值
控制装置
被控制 对象
被控 量
直流电机转速控制系统示意图
P
电
可
电网电压
压
控
u u u 放 r大
硅
k功
a M n 负载
器
放
＋
电位器（产生给定电
压ur）0~10V
方框图为：
P
电位器 ur
电压 uk 放大器
转速0~1000转
可控硅 ua 功放
干扰
直流 n 电动机
二、按干扰补偿的开环控制
3. 按系统参数是否随时间变化 定常 / 时变
4. 按信号传递的形式
连续 / 离散
5. 按输入输出变量的多少 单变量 / 多变量
1-3 对控制系统的性能要求
一. 稳：（基本要求）
要求系统要稳定
二. 准：（稳态要求）
系统响应达到稳态时，输出跟踪精度要高
三. 快：（动态要求）
系统阶跃响应的过渡过程要平稳，快速
反馈信号
执行 测量
n 干扰 被控对象
c 被控量
r 给定值
e 比较 -偏差
反馈信号
执行 测量
被控对象
n 干扰 被控对象
c 被控量
控制系统
控制装置
测量元件 比较元件 执行机构 给定元件 放大元件 校正装置
锅炉气鼓水位控制系统
气鼓
水位计 传感器
蒸汽 给定值
控制器
执行机构
阀门
给水 控制阀
一、按给定值操纵的开环控制
3、自动控制发展史
★前期控制(1400 BC--1900) 古巴比伦、古埃及和中国.自动计时漏壶 古罗马.采用浮球调节器来保持燃油液面高度的油灯（凯撒时代）；传说秦
陵中也存在类似装置 中国. 候风地动仪.张衡（东汉）；
利用齿轮传动自动指示方向的指南车 (三国时期)；曹军将之用于盗墓 宋应星所著《天工开物》记载的提花织机结构图（明末）；
主要特点：
输出不影响输入，对输出不需要测量，通常容易实现； 组成系统的元部件精度高，系统的精度才能高； 控制方式：
单向传递，一定的给定值对应一定的输出量；控制精度取决 于系统事先的调整精度；对干扰无法自动补偿；结构简单， 成本低廉。多用于系统结构参数稳定和扰动信号较弱的场合, 如自动售货机，自动报警器，自动流水线等。