第一章自动控制系统概述 (2)

HEILONGJIANGUNIVERSITY自动控制原理主讲教师：孙小君HEILONGJIANGUNIVERSITY2020/1/30自动控制原理2教材选择《自动控制原理》孙亮杨鹏主编北京工业大学出版社HEILONGJIANGUNIVERSITY2020/1/30自动控制原理3自动控制系统概述（2学时）（第1周）控制系统的数学描述方法（8学时）（第2-3周）控制系统的时域分析（20学时）（第4-8周）根轨迹法（10学时）（第9-10周）频率分析法（16学时）（第11-14周）控制系统的校正方法（16学时）（第15-18周）课程内容进度总学时：72学时/18周HEILONGJIANGUNIVERSITY2020/1/30自动控制原理4平时成绩（30%）出勤课堂提问课后作业课堂测试读书报告考试闭卷（70%）HEILONGJIANGUNIVERSITY2020/1/30自动控制原理5第一章自动控制系统概述HEILONGJIANGUNIVERSITY2020/1/30自动控制原理6本章主要内容1-1引言1-2开环控制与闭环控制1-3自动控制与自动控制系统1-4自动控制理论的发展本课程的基本任务小结HEILONGJIANGUNIVERSITY2020/1/30自动控制原理7本课程研究什么？1-1引言内容思想、方法传递函数根轨迹频率法状态空间自动控制的基本理论和分析、设计控制系统的基本方法自动控制原理的概念：利用数学工具来描述、分析、设计自动控制系统的科学古典控制理论现代控制理论HEILONGJIANGUNIVERSITY2020/1/30自动控制原理8在没有人参与的情况下，通过控制器或控制装置来控制机器或者设备等物理装置，使得机器设备的受控量按照希望的规律变化。自动控制的概念HEILONGJIANGUNIVERSITY2020/1/30自动控制原理9生活中自动控制HEILONGJIANGUNIVERSITY2020/1/30自动控制原理101-2开环控制与闭环控制反馈开环控制和闭环控制HEILONGJIANGUNIVERSITY2020/1/30自动控制原理11一个简单实验引发的思考让小王和小张两个人分别去拿放在桌子上的一本书，不同的是，小王的双眼被蒙上了，而小张没有，然后，看他们谁能够准确地拿到书。小张能够顺利地拿地拿到书小王不能够顺利地拿地拿到书HEILONGJIANGUNIVERSITY2020/1/30自动控制原理12眼睛大脑手书位置手位置眼睛图1-1用手拿书的过程模拟问题:人脑是如何获取这个“偏差”信息的?用手拿书的过程模拟HEILONGJIANGUNIVERSITY2020/1/30自动控制原理13图1-2手动控制温度的漫画水箱阀门手动控制热水箱温度的实验HEILONGJIANGUNIVERSITY2020/1/30自动控制原理14大脑手目标温度水箱温度手指阀门热水箱图1-3手动控制温度的过程模拟手动控制温度的过程模拟问题:人脑是如何获取这个“偏差”信息的?HEILONGJIANGUNIVERSITY2020/1/30自动控制原理15检测装置执行装置水箱温度目标温度控制装置比较装置热水箱大脑手和阀门手指偏差图1-4温度自动控制系统温度自动控制系统模拟HEILONGJIANGUNIVERSITY2020/1/30自动控制原理16反馈把取出的输出量送回输入端，并与输入量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。反馈控制原理通过比较系统的输出与期望行为（目标）之间的偏差，进行控制以消除偏差。这种工作原理就称为反馈控制原理一、反馈HEILONGJIANGUNIVERSITY2020/1/30自动控制原理17二、反馈（闭环）控制与开环控制反馈（闭环）控制系统开环控制系统反馈（闭环）与开环控制系统的比较HEILONGJIANGUNIVERSITY2020/1/30自动控制原理18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。反馈控制系统HEILONGJIANGUNIVERSITY2020/1/30自动控制原理19图1-5反馈控制系统控制器对象或过程测量元件输入量输出量HEILONGJIANGUNIVERSITY2020/1/30自动控制原理20反馈控制系统实例(I)液位控制系统原理图HEILONGJIANGUNIVERSITY2020/1/30自动控制原理21控制器：比较、放大的作用浮子：液面高度的反馈元件电动阀门：执行机构被控对象：水箱希望液位实际液位放大元件电动阀门水箱浮子控制器注入（II）控制系统方块图HEILONGJIANGUNIVERSITY2020/1/30自动控制原理22开环控制系统定义如果系统的输出量与输入量间不存在反馈的通道，这种控制方式称为开环控制系统。控制器对象或过程输入量输出量图1-5开环控制系统6HEILONGJIANGUNIVERSITY2020/1/30自动控制原理23开环控制系统实例(I)汽车换档原理图HEILONGJIANGUNIVERSITY2020/1/30自动控制原理24(II)控制系统方块图前档汽车希望档位速度希望档位：输入量前档：控制器被控对象：汽车HEILONGJIANGUNIVERSITY2020/1/30自动控制原理25反馈与开环控制系统的比较反馈控制系统的特点偏差控制，可以抑制内、外扰动对被控制量产生的影响。精度高、结构复杂，设计、分析麻烦。开环控制系统的特点顺向作用，没有反向的联系，没有修正偏差能力，抗扰动性较差。结构简单、调整方便、成本低。HEILONGJIANGUNIVERSITY2020/1/30自动控制原理261-3自动控制与自动控制系统1-3-1自动控制系统的组成及定义输入量r控制量u输出量c扰动量n受控对象Go控制器Gc反馈环节H偏差ε反馈量bHEILONGJIANGUNIVERSITY2020/1/30自动控制原理27典型控制系统的基本组成HEILONGJIANGUNIVERSITY2020/1/30自动控制原理28•恒值控制系统•随动控制系统按给定的参考输入信号1-3-2自动控制系统分类•线性系统•非线性系统按系统数学性质分HEILONGJIANGUNIVERSITY2020/1/30自动控制原理29•单输入单输出系统•多输入多数出系统按端口关系分•连续时间系统•离散时间系统按时间信号分HEILONGJIANGUNIVERSITY2020/1/30自动控制原理30(一)对自动控制系统性能的基本要求稳定性（长期稳定性）准确性（精度）快速性（相对稳定性）稳准快1-3-3自动控制系统的设计HEILONGJIANGUNIVERSITY2020/1/30自动控制原理31(二)自动控制系统的设计原则目的：保证系统的输出在给定性能要求的基础上跟踪输入信号，并且具有一定的抗干扰能力。步骤：系统分析系统设计实验仿真控制实现HEILONGJIANGUNIVERSITY2020/1/30自动控制原理321-4自动控制理论的发展经典控制理论发展阶段现代控制理论发展阶段智能控制理论研究阶段HEILONGJIANGUNIVERSITY2020/1/30自动控制原理33工业革命时期的棉纺机History历史HEILONGJIANGUNIVERSITY2020/1/30自动控制原理341788年，为了解决工业生产中蒸汽机的速度控制问题，英国工程师瓦特在自己发明的蒸汽机上安装了一个离心调速器。HEILONGJIANGUNIVERSITY2020/1/30自动控制原理35开发于18世纪80年代的离心调速器对点燃英国工业革命的瓦特蒸汽发动机的成功实现起了关键作用HEILONGJIANGUNIVERSITY2020/1/30自动控制原理36图1-8蒸汽机离心调速器结构刨面图HEILONGJIANGUNIVERSITY2020/1/30自动控制原理37飞球套筒杠杆蒸汽机转速蒸汽机转速飞球蒸汽阀蒸汽机图1-9飞球调速器控制蒸汽机转速的过程模拟飞球调速器控制蒸汽机转速的过程模拟HEILONGJIANGUNIVERSITY2020/1/30自动控制原理38现代化的工厂HEILONGJIANGUNIVERSITY2020/1/30自动控制原理39HEILONGJIANGUNIVERSITY2020/1/30自动控制原理401948年维纳的《控制论》出版，宣告了这门科学的诞生。维纳﹐NorbertWiener(1894～1964),美国数学家﹐控制论的创始人。控制论一词Cybernetics，来自希腊语，愿意为掌舵术，包含了调节、操纵、管理、指挥、监督等涵义，HEILONGJIANGUNIVERSITY2020/1/30自动控制原理41钱学森：航空火箭学家、空气动力学家。是我国航天科技事业的先驱，被誉为“中国航天之父”和“火箭之王”。代表著作《工程控制论》。将维纳的纯粹理论用于工程实践。HEILONGJIANGUNIVERSITY2020/1/30自动控制原理42对于一个具体的控制系统，如何从理论上对它的动态性能和稳态精度进行定性的分析和定量的计算。根据对系统性能的要求，如何合理地设计校正装置，使系统的性能能全面地满足技术上的要求。本课程的任务HEILONGJIANGUNIVERSITY2020/1/30自动控制原理43小结本章的主要内容：掌握自动控制的基本原理、概念。反馈、开环控制、闭环控制HEILONGJIANGUNIVERSITY2020/1/30自动控制原理44稳定性A.不稳定性示意图B.稳定性示意图图1-7稳定性示意图HEILONGJIANGUNIVERSITY2020/1/30自动控制原理45系统稳定性定义一个实际系统处于平衡的状态，当受到外来作用的影响时，如果这种作用消失后，系统经过一个过渡过程仍然能够回到原来的平衡状态，我们就称这个系统是稳定的，否则称系统不稳定稳定性对于一个控制系统是非常重要的，它是一切自动控制系统必须满足的一个性能指标。换句话说，所有系统满足稳定性的要求才能够正常工作。HEILONGJIANGUNIVERSITY2020/1/30自动控制原理46对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称为动态性能。快速性稳定高射炮射角随动系统，虽然炮身最终能跟踪目标，但如果目标变动迅速，而炮身行动迟缓，仍然抓不住目标。HEILONGJIANGUNIVERSITY2020/1/30自动控制原理47准确性用稳态误差来表示。在参考输入信号作用下，当系统达到稳态后，其稳态输出与参考输入所要求的期望输出之差叫做给定稳态误差。显然，这种误差越小，表示系统的输出跟随参考输入的精度越高。HEILONGJIANGUNIVERSITY2020/1/30自动控制原理48•受控对象是指被控制的装置或设备，有时也指受控过程。受控物理量的变化过程称为受控过程。•输入量系统的给定输入信号。术语8•控制量施加给受控对象的信号。•输出量控制系统的输出。•偏差信号系统的参考输入信号与反馈信号之差。•扰动信号外界或者系统内部影响系统输出的干扰信号。27HEILONGJIANGUNIVERSITY2020/1/30自动控制原理49