自动控制原理简明教程课件

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2. 现代控制理论时期（20世纪50年代末-60年代初）
50年代——70年代，空间技术与军事技术的发展提出了 许多复杂控制问题，用于导弹、人造卫星和宇宙飞船上 Kalman “控制系统的一般理论”奠定了现代控制理论 的基础 数学工具：主要是状态空间法 研究对象：研究对象更为广泛。如线性系统与非线性系统、 定常系统与时变系统、多输入－多输出系统、变量耦合 系统等。 目标：最优控制 典型成果：空间技术、军事技术、多方面的工业技术 我国：火箭发射控制技术 ，人口模型与中国人口控制
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1.2.1 一个典型的反馈控制系统的基本组成部分
扰动
r (t ) 给定 元件 输入量
比较 元件e(t) ＋
串联 ＋ － 偏差 校正元件 － 信号
放大 元件
执行 元件
被控 对象
c(t )
输出量
并联 校正元件 反馈元件 主反馈信号b(t) 测量反馈元件
局部反馈
主反馈
信号从输入端沿箭头方向到达输出端的传输通道称前向通路，系统 输出量经测量元件反馈到输入端的传输通道称主反馈通路。前向 通路与主反馈通路共同组成主回路。
自动控制原理
张萃珍
三明学院机电工程学院
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本学期课程安排
教材：胡寿松，自动控制原理简明教程， 科学出 版社 课程内容：第一章～第六章 课程总学时：48+16 参考文献：
Katsuhiko Ogata，现代控制工程(第四版)，电子工业出版社 高国淼，自动控制原理，华南理工出版社 刘坤，MATLAB自动控制原理习题精解，国防工业出版社 胡寿松，自动控制原理习题集，科学出版社 /ftp/ele.htm，南航精品课 王莹莹，自动控制原理全程导学及习题全解，科学出版社
低。因此，在输入量和输出量之间的关系固定，且内部参数或外部负
载等扰动因素不大，或这些扰动因素可以预测并进行补偿的前提下， 应尽量采用开环控制系统。 开环控制的缺点——当控制过程中受到来自系统外部的各种扰动 因素，如负载变化、电源电压波动等，以及来自系统内部的扰动因素，
如元件参数变化等，都将会直接影响到输出量，而控制系统不能自动
What
抽水马桶的例子 课本上的例子
自动控制的例子
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期望水位
当实际水位低于要求水位时，电位器输出电压值为正，且 其大小反映了实际水位与水位要求值的差值，放大器输出信号 将有正的变化，电动机带动减速器使进水阀门开度增加，直到 实际水位重新与水位要求值相等时为止。
电位计+连杆—人脑：记住水位的期望值； 浮子—人眼：观察水池的实际水位；
偏差始终存在
总结一下：
闭环控制系统的工作原理： 检测输出量（被控制量）的实际值；
将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比较，得出偏
差； 用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得输出量维持 期望的输出。
• 由于存在输出量反馈，上述系统能在存在无法预计扰动的情况下，
人工控制原理方框图：
Hs
给定值
Qo 扰动
手
e
H
测量值
脑
u
Qi
水槽
H
实际液位
眼
自动控制原理方块图：
Hs
给定值
Qo 扰动 Qi
水槽
e
H
控制器
u
执行器
H
实际液位
测量值
变送器
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反馈： 通过测量变换装置将系统或元件的输出量反送 到输入端，与输入信号相比较。反送到输入端的信 号称为反馈信号。 负反馈： 反馈信号与输人信号相减，其差为偏差信号。
化的物理量，又称被控量，它与输入量之间保持一定的函数关系。
反馈信号：由系统（或元件）输出端取出并反向送回系统 （或元件）输入端的信号称为反馈信号。反馈分为主反馈b(t) 和局部反馈。 偏差信号e(t)：它是指参考输入与主反馈信号之差。偏差信号 简称偏差。 e(t)=r(t)- b(t)
误差信号：它是指系统输出量的期望值与实际值之差，简称 误差。在单位反馈情况下，误差值也就是偏差值，二者是相 等的。 扰动信号f(t)：简称扰动或干扰，是除控制信号以外,对系统的 输出有影响的信号。扰动是不希望的输入信号。
•人脑：记住水位的期望值； •人眼：观察水池的实际水位；测量（测量反馈机构） •人脑：比较水池的期望值-实际值；（比较机构）、控制 •人手：调节进水阀门的开度，执行控制作用。执行（执行机构） 是一个反复观察测量、比较、调整执行的过程，力图将水池水 位的期望值与实际值之间的差值减为0。
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原理方框图：
Qo 扰动
Hs
给定值
e
H
测量值
脑
u
手
Qi
水槽
H
实际液位
眼
人工控制精度不高，人的反应不够快，不少恶劣的场合人
无法参与直接控制。自动控制系统可以解决以上问题。
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3.自动控制（Automatic Control）：是指在没有人直接参 与的情况下，利用自动控制装置（或称为控制装置或控制 器），使机器、设备或生产过程（统称为被控对象）的某个 工作状态或参数（称为被控量）自动地按照预定的规律运行。
比较元件 —— 比较输入信号与反馈信号，以产生反映两者
差值的偏差信号。
放大元件——将微弱的信号作线性放大。
校正元件 —— 也叫补偿元件，它是按某种函数规律变换控
制信号，以利于改善系统的动态品质或静态性能。
执行元件 —— 根据偏差信号的性质执行相应的控制作用，
以便使被控制量按期望值变化。如电动机、气动控制阀等。
4.正在发展的各个领域
自适应控制 大系统理论 H∞鲁棒控制 非线性控制（微分几何，混沌，变结构）
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1.1.3 自动控制的基本原理（反馈控制原理）
人工控制的例子
示例——水池水位控制
人工控制
被控对象：水池 被控量：水池的水位
观测实际水位，将期望的水位值与实际水位相比较，两者之 差为误差。根据误差的大小和方向调节进水阀门的开度，即当 实际水位高于要求值时，关小进水阀门开度，否则加大阀门开 度以改变进水量，从而改变水池水位，使之与要求值保持一致。
控制 信号
给定电压 ug
扰动 Mc 电压 放大器 功率 放大器
直流 电动机
被控对象
被控 制量 转速n
控制装置
只有输入量的前向控制作用，输出量并不反馈回来影
响输入量的控制作用，因而，将它称为开环控制系统 （Open-Loop Control System）。
开环系统的优点——结构简单，系统稳定性好，调试方便，成本
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“勇气”号在火星工作的英姿
“深度撞击”撞击器
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1.1.2 自动控制理论发展史 自动控制理论:关于自动控制系统的理论。 自动控制理论是怎样产生的呢？
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•十八世纪以后，蒸汽机的使用提出了调速稳定等问题
1765年俄国人波尔祖诺夫发明了锅炉水位调节器 1784年英国人瓦特发明了调速器，蒸汽机离心式调速器
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成绩构成
期末 60% 平时 +实验 40%
考试形式
考试： 闭卷
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该课程与其它课程的关系
微积分（含微分 方程） 复变函数、拉普拉斯变换 线性代数
大学物理（力学、 热力学）
自动控制原理
电路理论
电机与拖动
模拟电子技术
各类控制系统课程
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自动控制原理各章关系
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第一章 控制系统导论
1-1 自动控制的基本原理 1-2 自动控制系统示例 1-3 自动控制系统的分类 1-4 自动控制系统的基本要求 1-5 控制系统的典型输入信号
飞机、雷达、火炮上的伺服机构 ， 总结了自动调节技术及反馈放大器技 术，搭起了经典控制理论的架子，但还没有形成学科。
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自动控制成为一门科学是从1945发展起来的
1. 经典控制理论时期（1940-1960）
第二次世界大战时期开始：
经典控制理论逐渐发展成熟而形成为独立学科。频 率 分析法和根轨迹分析法，构成了经典控制理论的基础。 在此期间，也产生了一些非线性系统的分析方法，如相 平面法和描述函数法等，以及采样系统的分析方法。 数学工具：主要是线性微分方程和基于拉普拉斯变换的 传递函数。 研究对象：基本是单输入－单输出系统。 目标：反馈控制系统的稳定 典型成果：雷达—高炮跟踪系统，轧钢机控制系统，液 压伺服系统等。
电位计+连杆—人脑： 反映误差（=水位的期望值-实际
值）； 电动机—人手：调节进水阀门开度，执行控制作用。 是一个反复观察测量、比较、调整执行的过程，力图将 水池水位的期望值与实际值间的差值减为0，即误差为0。
控制过程：测量（测量反馈机构）—浮子 比较（比较机构）—电位计+连杆 执行（执行机构）—电动机
1877年产生了赫氏判据和劳斯稳定判据
•十九世纪前半叶，动力使用了发电机、电动机
促进了水利、水电站的遥控和程控的发展以及电压、电流的自动调节技 术的发展
•十九世纪末，二十世纪初，使用内燃机
促进了飞机、汽车、船舶、机器制造业和石油工业的发展，产生了伺服 控制和过程控制
•二十世纪初第二次世界大战，军事工业发展很快
进行补偿，抗干扰性能差。因此，开环系统对元器件的精度要求较高。
1.3.2 闭环控制系统
偏差 ue= ug-uf
+ _
ug
电位器
+
电 压 放大器 _ 功 率 放大器
+ _ a 电动机
u
n
Mc
负载 _
uf
+ 测速发电机
uf Kf
Mc 扰动 ug 输 入 量
＋
－ uf
ue
电 压 放大器
功 率 放大器
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自动控制技术的应用