自动控制理论自动控制理论v课程名称：自动控制理论v教材：自动控制原理（哈尔滨工业大学出版社，鄢景华）v参考书籍：自动控制原理（国防工业出版社，胡寿松）自动控制理论（清华大学出版社，戴忠达）自动控制理论（中国轻工业出版社，毕效辉）2024/8/24自动控制理论自动控制理论v自我介绍徐苏联系方式：13568274711，xusu_swust163.com个人经历v作业规定单张纸每次下课前交上次课的作业过时不候，补交不计成绩v考核方法期末考试70%，平时30%2024/8/24自动控制理论自动控制理论v课堂纪律手机噪音缺课v学生负责人2024/8/24自动控制理论自动控制理论v为什么选这门课？v你怎么理解“自动控制”？v生活中有哪些用到了自动控制原理的系统？2024/8/24自动控制理论自动控制理论2024/8/24本章主要内容本章主要内容v控制理论的发展历程控制理论的发展历程v自动控制与自动控制系统的基本概念自动控制与自动控制系统的基本概念v基本控制方式基本控制方式v控制系统的类型控制系统的类型v对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求第第1章章 自动控制概论自动控制概论自动控制理论自动控制理论2024/8/24控制理论的发展历程控制理论的发展历程v经典控制理论阶段经典控制理论阶段自动控制领域的第一项重大成果18世纪詹姆斯瓦特为控制蒸汽机速度而设计的离心调节器。经典控制理论的辉煌总结 维纳于1948年出版了专著控制论“工程控制论”诞生1954年钱学森出版专著工程控制论系统地揭示了控制论对自动化、航空、航天、电子通信等工程技术领域的意义和深远影响标志着控制论学科分化而产生的第一个分支学科“工程控制论”的诞生。 频率响应法和根轨迹法是经典控制理论的核心自动控制理论自动控制理论2024/8/24v现代控制理论阶段现代控制理论阶段 1960年开始，在“经典控制理论”的基础上形成“现代控制理论”数字计算机的出现以及工业、军事特别是空间技术的需求推动以时域方法为主的诸多分析设计方法迅猛发展人类在自动控制技术认识上的一次飞跃。状态空间方法时域方法，其核心是最优化技术以状态空间描述（实质上是一阶微分或差分方程组）作为数学模型利用计算机作为系统建模分析、设计乃至控制的手段，适应于多变量、非线性、时变系统在航天、航空、制导与军事武器控制中有成功的应用在工业生产过程控制中也得到逐步应用。自动控制理论自动控制理论2024/8/24v智能控制理论阶段智能控制理论阶段 智能控制理论传统控制理论与模糊逻辑、神经网络、遗传算法等人工智能技术相结合利用人类的控制知识对复杂系统进行控制是人工智能在控制上的应用智能控制体系形成的历史不长，理论还未完全成熟已有的应用成果和理论发展说明了智能控制正成为自动控制的前沿学科之一自动控制理论自动控制理论2024/8/241.1 自动控制与自动控制系统自动控制与自动控制系统v自动控制自动控制 在没有人直接参与的情况下，通过控制器使被控对象在没有人直接参与的情况下，通过控制器使被控对象或过程自动的按照预定的规律运行。或过程自动的按照预定的规律运行。v自动自动控制系统控制系统 是指能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统，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。它由被控对象和控制装置组成。举例举例自动控制理论自动控制理论2024/8/24自动控制系统的组成自动控制系统的组成反馈控制系统基本组成反馈控制系统基本组成扰动扰动测量变测量变送送给定环给定环节节比较环节比较环节放大变放大变换换执行机执行机构构被控对被控对象象串联校串联校正正反馈反馈校正校正反馈信号反馈信号参考参考输入输入偏差偏差控制量控制量被控量被控量输出输出- -+ +- - 给出与期望的输出相对应的系统输入量，是一类产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（或软件界面）生系统控制指令的装置（或软件界面） 为改善系统的动态和静态性能特性而附加的装置，其参数为改善系统的动态和静态性能特性而附加的装置，其参数可灵活调整。工程上称为调节器或控制器。可灵活调整。工程上称为调节器或控制器。将比较微弱的偏差信号加以放大，以足够的功率来推动将比较微弱的偏差信号加以放大，以足够的功率来推动执行机构或被控对象执行机构或被控对象 其职能是直接推动被控对象，使其被控量发生变化。常其职能是直接推动被控对象，使其被控量发生变化。常见的执行元件有阀门，伺服电动机等见的执行元件有阀门，伺服电动机等 用来检测被控量的实际值。测量变送环节用来检测被控量的实际值。测量变送环节一般也称为反馈环节。一般也称为反馈环节。通常是一个设备、物体或过程（一般称任何被控制的运行状态为过程），通常是一个设备、物体或过程（一般称任何被控制的运行状态为过程），其作用是完成一种特定的操作。它是控制系统所控制和操纵的对象，它接其作用是完成一种特定的操作。它是控制系统所控制和操纵的对象，它接受控制量并输出被控量。受控制量并输出被控量。其作用是把测量元件检测到其作用是把测量元件检测到的实际输出值与给定环节给的实际输出值与给定环节给出的输入值进行比较，求出出的输入值进行比较，求出它们之间的偏差。常用的电它们之间的偏差。常用的电量比较元件有差动放大器、量比较元件有差动放大器、电桥电路等。电桥电路等。 自动控制理论自动控制理论2024/8/24被控量：被控量： 系统的输出，是一种被测量和被控制的量值或状态系统的输出，是一种被测量和被控制的量值或状态控制量：控制量： 也称操纵量，是一种由控制器改变的量值或状态也称操纵量，是一种由控制器改变的量值或状态影响被控量（通常为系统的输出量）的值影响被控量（通常为系统的输出量）的值对系统的被控量的值进行测量，并且使控制量作用于系统，以修正或对系统的被控量的值进行测量，并且使控制量作用于系统，以修正或限制测量值对期望值的偏离限制测量值对期望值的偏离参考输入：人为给定，使系统具有预定性能或预定输出的激发信号参考输入：人为给定，使系统具有预定性能或预定输出的激发信号它代表输出的希望值它代表输出的希望值又称为给定输入、给定值、期望输出等又称为给定输入、给定值、期望输出等反馈：将系统（或环节）的输出量经变换、处理送到系统（或环节）的输反馈：将系统（或环节）的输出量经变换、处理送到系统（或环节）的输入端。入端。 名词术语名词术语自动控制理论自动控制理论2024/8/24偏差：给定输入量与主反馈量之差偏差：给定输入量与主反馈量之差误差：是指系统输出量的实际值与希望值之差误差：是指系统输出量的实际值与希望值之差系统希望值是理想化系统的输出，实际很难达到，因此用与控制输系统希望值是理想化系统的输出，实际很难达到，因此用与控制输入量有一定比例关系的信号来表示入量有一定比例关系的信号来表示在单位反馈情况下，希望值就是系统的输入量，误差量就等于偏差在单位反馈情况下，希望值就是系统的输入量，误差量就等于偏差量量扰动：是一种对系统的输出量产生不利影响的信号扰动：是一种对系统的输出量产生不利影响的信号扰动产生在系统的内部，称为内部扰动扰动产生在系统的内部，称为内部扰动扰动产生在系统的外部，则称之为外部扰动。外部扰动也是系统的扰动产生在系统的外部，则称之为外部扰动。外部扰动也是系统的输入量输入量控制量与扰动：控制量与扰动：通过调整控制量使得被控制量按照希望的规律变化通过调整控制量使得被控制量按照希望的规律变化扰动能影响被控制量变化，但是不被控制扰动能影响被控制量变化，但是不被控制名词术语名词术语自动控制理论自动控制理论2024/8/24自动控制系统举例自动控制系统举例自动控制理论自动控制理论自动控制系统举例自动控制系统举例自动控制理论自动控制理论2024/8/241.2 自动控制系统的基本方式自动控制系统的基本方式v开环控制开环控制 系统的被控量对控制作用没有影响。系统的被控量对控制作用没有影响。 特点：没有抗干扰能力，因此系统的元部件的质量要求很高。特点：没有抗干扰能力，因此系统的元部件的质量要求很高。 主要用于：自动售货机、自动洗衣机、产品生产自动线及自动车主要用于：自动售货机、自动洗衣机、产品生产自动线及自动车床等。床等。控制装置控制装置被控对象被控对象输入量输入量输出量输出量扰动扰动开环控制系统原理框图开环控制系统原理框图自动控制理论自动控制理论2024/8/24v闭环控制闭环控制系统的被控量对控制作用有影响的系统。系统的被控量对控制作用有影响的系统。 特点：可以根据被控制量的变化进行控制，抗干扰能力强。特点：可以根据被控制量的变化进行控制，抗干扰能力强。 主要用于：系统的控制量和干扰量无法预先预知的情况下。主要用于：系统的控制量和干扰量无法预先预知的情况下。闭环控制系统原理框图闭环控制系统原理框图控制装置控制装置被控对象被控对象输入量输入量被控量被控量反馈环节反馈环节扰动扰动自动控制理论自动控制理论2024/8/24v复合控制复合控制复合控制是闭环控制和开环控制相结合的一种方式复合控制是闭环控制和开环控制相结合的一种方式在在闭闭环环控控制制回回路路的的基基础础上上，附附加加一一个个输输入入信信号号或或扰扰动动信信号号（是是破破坏坏系系统统输输入入量量和和输输出出量量之之间间预预定定规规律律的的信信号号 ）的的顺顺馈馈通通路路，对对该该信信号号带带来来的干扰进行补偿，以达到精确的控制效果。的干扰进行补偿，以达到精确的控制效果。复合控制的主要特点：复合控制的主要特点：具有很高的控制精度；具有很高的控制精度；可以抑制几乎所有的可量测扰动，其中包括低频强扰动；可以抑制几乎所有的可量测扰动，其中包括低频强扰动；补偿器的参数要有较高的稳定性。补偿器的参数要有较高的稳定性。 自动控制理论自动控制理论2024/8/24线性线性/ /非线性系统非线性系统连续连续/ /离散性系统离散性系统定常定常/ /时变性系统时变性系统确定确定/ /不确定系统不确定系统按控制方式分按控制方式分按被控对象分按被控对象分按系统性能分按系统性能分按给定值变化规律分按给定值变化规律分按系统功用分按系统功用分按给定值操纵的开环控制按给定值操纵的开环控制按干扰补偿的开环控制按干扰补偿的开环控制按偏差调节的闭环控制按偏差调节的闭环控制复合控制：闭环反馈为主，开环补偿为辅复合控制：闭环反馈为主，开环补偿为辅恒值系统恒值系统 随动系统随动系统程序控制系统程序控制系统运动控制系统运动控制系统过程控制系统过程控制系统温度控制系统温度控制系统压力控制系统压力控制系统位置控制系统位置控制系统动画：动画： 液位恒值控制液位恒值控制动画：动画： 天线随动控制天线随动控制1.3 控制系统的分类控制系统的分类自动控制理论自动控制理论2024/8/241.4 控制系统的组成与基本要求控制系统的组成与基本要求控制系统的基本组成控制系统的基本组成、测量元件测量元件：传感器：传感器、比较元件比较元件：对控制量与参考输入量进行比较，多和测量：对控制量与参考输入量进行比较，多和测量 或放大元件结合在一起或放大元件结合在一起、放大元件放大元件：使微弱信号具有足够的幅值和功率：使微弱信号具有足够的幅值和功率、执行元件执行元件：接受偏差信号的控制产生动作，改变控制量：接受偏差信号的控制产生动作，改变控制量、校正元件校正元件：用于消除或减弱系统在控制过程中产生的震：用于消除或减弱系统在控制过程中产生的震 荡荡自动控制理论自动控制理论2024/8/24控制系统分析控制系统分析系统输出量和反馈量总是迟于输入量的变化控制系统含有储能元件输入量发生变化，输出量从原平衡状态到新的平衡状态总要经历一定时间暂态过程：在输入量的作用下，系统的输出量由初始状态达到最终稳态的中间变化过程，又称为瞬态过程，动态过程，过渡过程稳态过程：过渡过程结束后的输出响应自动控制理论自动控制理论2024/8/24 暂态过程特点暂态过程特点: :下图中下图中,(a)、(b)非周期振荡；非周期振荡；(c)发散振荡；发散振荡；(d)、(e)收敛振荡；收敛振荡；(f)等幅振荡。等幅振荡。tnn1(a)0(b)nt0n0n1t0n(c)n0t(e)n1n0t(d)n0n1n0t(f)动画动画：系统响应曲线系统响应曲线动画：动画：速度过渡过程速度过渡过程自动控制理论自动控制理论2024/8/24v对控制系统的要求对控制系统的要求:v稳定性（稳）稳定性（稳） 是保证控制系统正常工作的先决条件。是保证控制系统正常工作的先决条件。v快速性（快）快速性（快） 动态性能，有指标。动态性能，有指标。v准确性（准）准确性（准） 稳态（过渡结束后的）值应尽量与期望值一致。稳态（过渡结束后的）值应尽量与期望值一致。自动控制理论自动控制理论作业作业vchapter1 1-1v2：画出下图的系统方块图