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第1章第1页EXIT2020年1月19日自动控制原理刘菲菲第1章第2页EXIT2020年1月19日课程性质和特点1.本门课程的性质:自动控制是一门基础性的技术学科，从方法论的角度来研究系统的建立、分析与设计。经典（古典），现代。基本内容——自动控制的一般概念、物理系统的数学模型、控制系统的一般分析方法、系统的设计或校正以及线性离散系统的初步知识研究对象——自动控制系统，揭示自动控制系统中存在的信息转换、传递和反馈。第1章第3页EXIT2.课程特点：研究系统的共性问题3.先修基础：高等数学、大学物理、微积分、电路、数字电子技术、模拟电子技术、信号与系统（含拉氏变换、傅氏变换、z变换）2020年1月19日实际系统物理模型数学模型方法（系统组成分析、设计）第1章第4页EXIT2020年1月19日自动控制课程的主要任务本课程的主要内容是阐述构成、分析和设计自动控制系统的基本理论。对实际系统,建立研究问题的数学模型,进而利用所建立的数学模型来讨论构成、分析、综合自动控制系统的基本理论和方法。作为研究自动控制系统的分析与综合的方法来说,对单输入单输出系统常采用的是时域法、频域法、根轨迹法以及目前广泛应用的计算机辅助设计。第1章第5页EXIT2020年1月19日成绩组成：期末考试占70%，平时成绩占30%–考勤：10％–作业：10％–实验：10％注：五次点名不到即取消考试资格（不能参加期末及补考考试）第1章第6页EXIT第1章控制系统导论1.1自动控制的基本原理1.2自动控制系统的应用实例1.3自动控制系统的分类1.4自动控制系统的基本要求2020年1月19日第1章第7页EXIT2020年1月19日1.1自动控制的基本原理第1章第8页EXIT2020年1月19日一、控制系统基本概念1.控制（Control）：根据某种原理或方法，使特定对象（被控对象）的某些物理量（被控量）按照预期规律变化的操纵过程。2.人工控制（ManualControl）：由人直接或间接操作执行装置的控制方式。第1章第9页EXIT2020年1月19日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。第1章第10页EXIT2020年1月19日人眼：观察水池的实际水位；测量（测量反馈机构）•人脑：记住水位的期望值；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。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。第1章第11页EXIT2020年1月19日3.自动控制（AutomaticControl）：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。第1章第12页EXIT2020年1月19日自动控制的例子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。期望水位Show第1章第13页EXIT2020年1月19日电位计+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；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）—电动机第1章第14页EXIT自动控制和人工控制比较（1）基本原理相同：都是建立在“测量偏差,修正偏差”的基础上,并且为了测量偏差,必须把系统的实际输出连接（反馈）到输入端。自动控制的基本原理因此有时也称为反馈控制原理。（2）两种控制的区别：自动控制用控制器代替人完成控制。2020年1月19日第1章第15页EXIT2020年1月19日4.反馈控制原理：在自动控制系统中，通过控制装置对被控对象施加的控制作用，利用被控量的反馈信息，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。5.自动控制理论：是研究有关自动控制共同规律的一门技术科学，是自动控制技术的基础理论，根据发展的不同阶段，其内容可分为经典控制理论、现代控制理论和智能控制理论。第1章第16页EXIT自动控制理论的发展历程•经典控制理论•40~50年代形成适用于SISO（单输入－单输出）系统•基于：二战军工技术•目标：反馈控制系统的稳定•基本方法：时域分析法、根轨迹法、频率特性法。•现代控制理论•60~70年代形成适用于MIMO（多输入－多输出）系统•基于：冷战时期空间技术，计算机技术•目标：最优控制•基本方法：状态空间表达式2020年1月19日第1章第17页EXIT2020年1月19日研究对象数学工具常用分析方法局限性经典控制理论单输入-单输出线性定常系统微分方程，传递函数时域分析法，频域分析法,根轨迹分析法对复杂多变量系统、时变和非线性系统无能为力现代控制理论多输入-多输出变系数，非线性等系统线性代数、矩阵理论状态空间法比较繁琐（但由于计算机技术的的迅速发展，这一局限性已克服)第1章第18页EXIT2020年1月19日二、反馈控制系统的基本组成部分输入量串联校正元件放大元件执行元件被控对象扰动反馈校正元件反馈元件输出量比较元件e(t)偏差信号主反馈信号b(t)测量反馈元件主反馈局部反馈＋＋－－()ct()rt给定元件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。Show第1章第19页EXIT2020年1月19日被控对象（被控过程）——又称控制对象或受控对象，指需要对它的某个特定的量进行控制的设备或过程。被控对象的输出变量是被控变量，常常记作输出信号或输出量。被控对象除了受到控制作用外，还受到外部扰动作用。给定元件——其作用是给出与期望的输出相对应的系统输入量，是一类产生系统控制指令的装置。测量反馈元件——如传感器和测量仪表，感受或测量被控变量的值并把它变换为与输入量同一物理量后，再反馈到输入端以作比较。第1章第20页EXIT2020年1月19日比较元件——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。只包含一个主反馈通路的系统称单回路系统；有两个或两个以上反馈通路的系统称多回路系统。第1章第21页EXIT2020年1月19日自动控制系统：是由被控对象和自动控制装置按一定方式联结起来的，以完成某种自动控制任务的有机整体。输入信号r(t)：系统的输入信号是指参考输入，又称给定量或给定值，它是控制着输出量变化规律的指令信号。输出信号c(t)：系统的输出信号是指被控对象中要求按一定规律变化的物理量，又称被控量，它与输入量之间保持一定的函数关系。自动控制系统中常用的名词术语补充第1章第22页EXIT2020年1月19日反馈信号：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。P5第1章第23页EXIT2020年1月19日控制系统的类型很多，它们的结构类型和所完成的任务也各不相同。控制系统中最常见的两种控制方式是开环控制和闭环控制（反馈控制），这两种控制的组合——即为复合控制，相对应的控制系统称为开环控制系统、闭环控制系统和复合控制系统。三、自动控制系统基本控制方式第1章第24页EXIT2020年1月19日自动控制系统的基本控制方式第1章第25页EXIT1.开环控制系统•指控制装置与被控对象之间只有顺向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-LoopControlSystem）。即被控量（系统输出）不影响系统控制的控制方式称为开环控制。所以，在开环控制中，不对被控量进行任何检测，在输出端和输入端之间不存在反馈联系。2020年1月19日常用开环控制系统原理框图（给定控制）第1章第26页EXIT2020年1月19日示例——直流电动机转速开环控制系统给定电压ug经放大后得到电枢电压ua，改变ug可得不同的转速n，该系统只有输入量ug对输出量n的单向控制作用。输出端和输入端之间不存在反馈回路。+_电压放大器功率放大器Mc负载n电动机+_+_+电位器augu1.开环控制系统第1章第27页EXIT2020年1月19日常见的开环系统还有洗衣机，微波炉等。扰动控制信号被控制量给定电压ug转速n被控对象控制装置Mc电压放大器功率放大器直流电动机第1章第28页EXIT2020年1月19日开环系统的优点——结构简单，系统稳定性好，调试方便，成本低。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。第1章第29页EXIT补充：按扰动控制的开环系统2020年1月19日用干扰补偿的开环控制•干扰信号经测量、计算、放大、执行等元件到输出端的传递也是单向进行的。•用干扰补偿的控制方式只能用在干扰可以测量的场合。另外这种控制方式在工作过程中不能补偿由于元件及受控对象工作特性变化而对被控量所产生的影响。比较元件放大元件执行元件受控对象被控量给定值检测元件干扰第1章第30页EXIT2.闭环控制系统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。在控制器和被控对象之间，不仅存在着正向作用，而且还存在着反馈作用，即系统的输出信号对被控制量有直接影响。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。2020年1月19日比较元件放大元件执行元件受控对象被控量给定值检测反馈元件干扰闭环控制原理框图第1章第31页EXIT2020年1月19日闭环控制系统示例电压放大器功率放大器Mc负载n电动机+_+_+_uf电位器测速发电机+_guauue=ug-uf偏差ffuK第1章第32页EXIT2020年1月19日直流电动机转速闭环控制系统方块图设上述系统原已在某个给定电压ug相对于的转速n状态下运行，若一旦受到某些干扰（如负载转矩突然增大）而引起转速下降时，系统就会自动地产生相应的调整过程。偏差始终存在Mc↑→n↓→uf↓→ue（ue=ug-uf）↑→ua↑→n↑n电压放大器ue输入量Mc扰动输出量功率放大器直流电动机＋ugua测速发电机uf－第1章第33页EXIT2020年1月19日总结一下：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