自动控制原理第一章概述.pdf

2010～2011第一学期自动控制原理1自动控制原理自动控制原理吉林大学吉林大学主讲：李寿涛主讲：李寿涛2010～2011第一学期自动控制原理2第一章 自动控制系统概述第一章 自动控制系统概述§§1.1 自动控制和自动控制系统的基本概念§自动控制和自动控制系统的基本概念§1.2 自动控制理论发展概述§自动控制理论发展概述§1.3 自动控制系统的基本控制方式§自动控制系统的基本控制方式§1.4 自动控制系统的组成及定义§自动控制系统的组成及定义§1.5 自动控制系统的分类自动控制系统的分类2010～2011第一学期自动控制原理3第一章 自动控制系统概述第一章 自动控制系统概述§1.1 引言§1.1 引言? 自动化定义：? 自动化定义：机器机器或或装置装置在在无人干预无人干预的情况下的情况下按规定的程序或指令按规定的程序或指令自动进行操作或控制的过 程自动进行操作或控制的过 程— 摘自中国大百科全书摘自中国大百科全书控制控制2010～2011第一学期自动控制原理4第一章 自动控制系统概述第一章 自动控制系统概述§1.1 引言§1.1 引言? 控制：? 控制：人们为了达到某个目标，对被控对象进行必要的操作，这个操作过程就称为控制。

人们为了达到某个目标，对被控对象进行必要的操作，这个操作过程就称为控制被控对象：被控对象：要求进行必要操作或控制的机器、设备、生产线、导弹、汽车等要求进行必要操作或控制的机器、设备、生产线、导弹、汽车等控制的完整含义：控制的完整含义：被控对象要求达到的目标（控制任务）必要的操作（控制手段）被控对象要求达到的目标（控制任务）必要的操作（控制手段）2010～2011第一学期自动控制原理5第一章 自动控制系统概述第一章 自动控制系统概述§1.1 引言§1.1 引言? 自动控制：? 自动控制：?人工控制：人工控制： 为了达到某个目标，人为地对被控对象 按照某种规律进行必要的操作，这个操作称为人 工控制为了达到某个目标，人为地对被控对象按照某种规律进行必要的操作，这个操作称为人 工控制自动控制：自动控制： 为了达到某个目标，对被控对象的某些 物理量（被控量）进行必要的操作，无人直接参 与，应用控制器使被控物理量按希望的运动规律 进行运动而达到目标，这一过程称为自动控制为了达到某个目标，对被控对象的某些物理量（被控量）进行必要的操作，无人直接参 与，应用控制器使被控物理量按希望的运动规律 进行运动而达到目标，这一过程称为自动控制。

2010～2011第一学期自动控制原理6第一章 自动控制系统概述第一章 自动控制系统概述§1.1 引言§1.1 引言? 自动控制：? 自动控制：?包含的要素：包含的要素：（广义）被控对象以及被控物理量控制目标（控制任务）达到目标的控制规律控制器（物理实现）（广义）被控对象以及被控物理量控制目标（控制任务）达到目标的控制规律控制器（物理实现）2010～2011第一学期自动控制原理7第一章 自动控制系统概述第一章 自动控制系统概述§1.1 引言§1.1 引言? 自动控制系统：? 自动控制系统： 由内部互相联系的由内部互相联系的部件部件(控制器和 控制对象控制器和 控制对象)按照按照一定规律一定规律组成，能够完成组成，能够完成一定功能一定功能的有机整体的有机整体 自动控制理论：? 自动控制理论： 是研究自动控制系统组成，进 行系统分析设计的一般性理论是研究自动控制过程共同规律的技术学科是研究自动控制系统组成，进行系统分析设计的一般性理论是研究自动控制过程共同规律的技术学科2010～2011第一学期自动控制原理8• 经典控制理论( 19世纪初 ) •时域法 •复域法 (根轨迹法) •频域法 • 现代控制理论( 20世纪60年代 ) •线性系统自适应控制 •最优控制鲁棒控制 •最佳估计容错控制 •系统辨识集散控制 • 智能控制理论( 20世纪70年代 ) •大系统复杂系统 •专家系统模糊控制 •神经网络遗传算法 •增强学习§§1.2 自动控制理论发展概述自动控制理论发展概述2010～2011第一学期自动控制原理9§§1.3 自动控制系统的基本控制方式自动控制系统的基本控制方式1. 开环控制2. 闭环控制3. 复合控制2010～2011第一学期自动控制原理10控制器受控对象控制器受控对象控制量控制量 输入量输出量输入量输出量(a) 开环控制系统开环控制系统控制量控制量 输入量输入量输出量输出量(b) 闭环控制系统闭环控制系统反馈元件反馈元件﹢﹣﹢﹣控制器受控对象控制器受控对象§§1.3 自动控制系统的基本控制方式自动控制系统的基本控制方式2010～2011第一学期自动控制原理11元件、部件方框（块）图信号（物理量）及传递方向中的符号比较点引出点表示负反馈元件、部件方框（块）图信号（物理量）及传递方向中的符号比较点引出点表示负反馈§§1.3 自动控制系统的基本控制方式自动控制系统的基本控制方式2010～2011第一学期自动控制原理12开环控制系统开环控制系统特点：特点：缺点：缺点：— 最简单的控制方式最简单的控制方式●●系统结构简单、维护容 易、成本低、不存在稳定性系统结构简单、维护容 易、成本低、不存在稳定性 问题问题●●信号传递没有形成闭合回路信号传递没有形成闭合回路●●输出量不能对控制量产生 影响。

输出量不能对控制量产生 影响●●控制精度不高控制精度不高●●系统抗干扰能力差系统抗干扰能力差●●对元器件的要求 比较高对元器件的要求 比较高控制量 输入量输出量控制量 输入量输出量(b) 闭环控制系统闭环控制系统反馈元件反馈元件﹢﹣﹢﹣控制器受控对象控制器受控对象控制器受控对象控制器受控对象控制量输入量输出量控制量输入量输出量(a) 开环控制系统开环控制系统2010～2011第一学期自动控制原理13闭环控制系统闭环控制系统— 反馈控制系统反馈控制系统?系统内部存在反馈，反馈通路信号传递形成一 个闭合回路?系统内部存在反馈，反馈通路信号传递形成一 个闭合回路控制系统一般采用负反馈；控制系统一般采用负反馈；? 输入量与反馈量之差称为? 输入量与反馈量之差称为偏差信号偏差信号，偏差起调 节作用偏差起调 节作用控制量 输入量输出量控制量 输入量输出量(b) 闭环控制系统闭环控制系统反馈元件反馈元件﹢﹣﹢﹣控制器受控对象控制器受控对象控制器受控对象控制器受控对象控制量输入量输出量控制量输入量输出量(a) 开环控制系统开环控制系统特点：特点：2010～2011第一学期自动控制原理14输入量输入量输出量输出量(c) 复合控制系统复合控制系统复合控制系统复合控制系统—按偏差控制和按扰动控制 相结合的控制方式称为复合控 制方式。

按偏差控制和按扰动控制 相结合的控制方式称为复合控 制方式2010～2011第一学期自动控制原理15发电机－电动机调速系统发电机－电动机调速系统家用电冰箱温控系统家用电冰箱温控系统龙门刨床速度控制系统龙门刨床速度控制系统2010～2011第一学期自动控制原理16§§1.4 自动控制系统的组成及定义自动控制系统的组成及定义以水槽液位控制系统为例：以水槽液位控制系统为例：2010～2011第一学期自动控制原理17调节系统方块图调节系统方块图给定流量给定流量1液位液位1液位液位2微机式 调节器调节阀水槽微机式 调节器调节阀水槽1水槽水槽2变送器变送器1﹣﹣2010～2011第一学期自动控制原理18自动控制系统的基本结构：自动控制系统的基本结构：给定值给定值 r ﹣﹣控制器控制器执行器执行器被控对象被控对象测量、变送测量、变送扰动扰动 f被控变量被控变量 y反馈量反馈量z自动控制系统的基本结构自动控制系统的基本结构偏差偏差 e控制变量控制变量 u2010～2011第一学期自动控制原理191、控制系统的一些常用术语、控制系统的一些常用术语被控对象被控对象控制量控制量给定值给定值给定值给定值 r ﹣﹣控制器控制器执行器执行器被控对象被控对象测量、变送测量、变送扰动扰动 f被控变量被控变量 y反馈量反馈量 z图图1—2 自动控制系统的基本结构自动控制系统的基本结构偏差偏差 e控制变量控制变量 u是指被控制的装置或者设备。

是指被控制的装置或者设备希望系统输出达到的数值，一般用符号希望系统输出达到的数值，一般用符号r 表示施加给被控对象的信号，使受控对象按照一定 的规律运行，一般用符号施加给被控对象的信号，使受控对象按照一定 的规律运行，一般用符号u 表示2010～2011第一学期自动控制原理20被控变量控制系统的输出，即被控的物理量，一般用符号被控变量控制系统的输出，即被控的物理量，一般用符号y 表示偏差信号偏差信号扰动信号扰动信号给定值给定值 r ﹣﹣控制器控制器执行器执行器被控对象被控对象测量、变送测量、变送扰动扰动 f被控变量被控变量 y反馈量反馈量 z图图1—2 自动控制系统的基本结构自动控制系统的基本结构偏差偏差 e控制变量控制变量 u系统的设定值与反馈信号之差称为偏差，用符号系统的设定值与反馈信号之差称为偏差，用符号e 表示使对象输出偏离设定值的输入信号一般用符号使对象输出偏离设定值的输入信号一般用符号f 表示2010～2011第一学期自动控制原理212、控制系统的组成、控制系统的组成定值元件定值元件控制器控制器执行元件执行元件给定值给定值 r ﹣﹣控制器控制器执行器执行器被控对象被控对象测量、变送测量、变送扰动扰动 f被控变量被控变量 y反馈量反馈量 z图图1—2 自动控制系统的基本结构自动控制系统的基本结构偏差偏差 e控制变量控制变量 u用来产生设定值或参考输入。

用来产生设定值或参考输入或称调节器通过一定的控制规律给出 控制量，送到执行元件或称调节器通过一定的控制规律给出 控制量，送到执行元件完成功率转换或信号转换，常称为执行 机构或者执行器完成功率转换或信号转换，常称为执行 机构或者执行器2010～2011第一学期自动控制原理22测量、变送元件测量、变送元件又称传感器，用于检测被控对象的输出 量，并变换成标准信号送到控制器又称传感器，用于检测被控对象的输出 量，并变换成标准信号送到控制器比较元件比较元件用以产生偏差信号用以产生偏差信号2、控制系统的组成、控制系统的组成给定值给定值 r ﹣﹣控制器控制器执行器执行器被控对象被控对象测量、变送测量、变送扰动扰动 f被控变量被控变量 y反馈量反馈量 z图图1—2 自动控制系统的基本结构自动控制系统的基本结构偏差偏差 e控制变量控制变量 u2010～2011第一学期自动控制原理23开环控制系统与闭环控制系统开环控制系统与闭环控制系统1、定值控制系统、随动控制系统和程序控制、定值控制系统、随动控制系统和程序控制根据给定信号形式的不同分类根据给定信号形式的不同分类恒值控制系统：系统的参考输入为恒定值或者波动范围很小，要求系统的输出量也保持恒定。

恒值控制系统：系统的参考输入为恒定值或者波动范围很小，要求系统的输出量也保持恒定随动控制系统（伺服控制系统）：参考输入值不断变化，变化规律未知控制目的是使得系统的 输出量能够准确地跟踪输入值的变化随动控制系统（伺服控制系统）：参考输入值不断变化，变化规律未知控制目的是使得系统的 输出量能够准确地跟踪输入值的变化程序控制系统：设定值变化，是时间的已知函数， 即按照事先规定的时间程序或规律变化程序控制系统：设定值变化，是时间的已知函数， 即按照事先规定的时间程序或规律变化§§1.5 自动控制系统的分类自动控制系统的分类2010～2011第一学期自动控制原理242、线性系统与非线性系统、线性系统与非线性系统根据描述系统的方程形式分类根据描述系统的方程形式分类非线性的微分方程或代数方程描述的非线性的微分方程或代数方程描述的是非线性系统是非线性系统如：2,/1xyxy==== (iii).当t?∞时，|f(t)|顶多按指数增长，。