自动控制原理专业基础课专业基础课邓晓刚信息与控制工程学院自动化系1.主讲教师信息主讲教师信息n主讲教师：邓晓刚主讲教师：邓晓刚n联系方式：联系方式：uEmail：dengxiaogangupc.edu.cnu电话：电话：8391904u答疑地点：自动化馆北楼答疑地点：自动化馆北楼211（或（或202）u答疑时间：周四晚答疑时间：周四晚8:00-9:00（第（第310周）周）2.本学期课程安排本学期课程安排n教材：教材：自动控制原理简明教程自动控制原理简明教程作者：胡寿松作者：胡寿松出版：科学出版社出版：科学出版社n讲授内容：第讲授内容：第1章第章第6章章n课程学时：总课程学时：总48学时学时(其中实验约其中实验约8学时学时)n考核方式：平时成绩考核方式：平时成绩(考勤、作业考勤、作业) +期末考试期末考试n3.参考文献参考文献：u胡寿松，自动控制原理习题集，科学出版社胡寿松，自动控制原理习题集，科学出版社u高国燊高国燊.自动控制原理自动控制原理,华南理工大学出版社华南理工大学出版社,2002.u吴麒吴麒. 自动控制原理自动控制原理. 清华大学出版社，清华大学出版社，2006u戴忠达戴忠达.自动控制理论基础。清华大学出版社，自动控制理论基础。清华大学出版社，2005.uDorf R C. Modern control system(10th Edition)u王万良王万良. 自动控制原理自动控制原理.高等教育出版社。高等教育出版社。u各类相关期刊杂志、网上资料各类相关期刊杂志、网上资料自动化学报自动化学报、控制与决策控制与决策、控制理论与应用控制理论与应用计算机测量与控制计算机测量与控制、控制工程控制工程u信控学院学术论坛信控学院学术论坛自控原理自控原理http:/auto.upc.edu.cn:8080/acbbs/index.asp4.本课程与其他课程的关系本课程与其他课程的关系其他控制系统课程其他控制系统课程自动控制原理自动控制原理电工技术电工技术高等数学高等数学 微积分微积分复变函数、拉普拉斯变换复变函数、拉普拉斯变换电路分析基础电路分析基础大学物理（力学、热力学）大学物理（力学、热力学）第一章第一章 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念n1-1 认识自动控制的概念认识自动控制的概念n1-2 自动控制的基本原理自动控制的基本原理n1-3 自动控制系统分类自动控制系统分类n1-4 控制系统性能要求控制系统性能要求1. 基本概念基本概念n自动控制自动控制在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置，在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置，使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定规律运行。地按照预定规律运行。1-1自动控制技术介绍自动控制技术介绍1. 基本概念基本概念n自动控制自动控制在没有人直接参与的情况下，利用在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置外加的设备或装置，使使机器、设备或生产过程机器、设备或生产过程的的某个工作状态或参数某个工作状态或参数自动自动地按照预定规律运行。地按照预定规律运行。锅炉温度控制、化工过程流量、温度、液位的控制锅炉温度控制、化工过程流量、温度、液位的控制 n自动控制系统自动控制系统实现某一控制目标的所有物理部件的有机组合体。实现某一控制目标的所有物理部件的有机组合体。控制装置控制装置被控对象被控对象被控变量被控变量我们身边的自动控制系统与装置我们身边的自动控制系统与装置现代生活离不开自动控制！现代生活离不开自动控制！空调空调冰箱冰箱电热水器电热水器2.自动控制的直观认识自动控制的直观认识公元235年马钧研制出能自动指示方向的指南车 自动控制技术发展过程中的例子自动控制技术发展过程中的例子1788年英国Watt发明的控制蒸汽机速度的离心式调速器 自动控制技术发展过程中的例子自动控制技术发展过程中的例子1913年美国建成最早的汽车装配流水线1952年美国MIT研制出第一台数控机床 自动控制技术发展过程中的例子自动控制技术发展过程中的例子1959年第一台工业机器人 1981年美国“哥伦比亚”号航天飞机首次发射成功自动控制技术发展过程中的例子自动控制技术发展过程中的例子装配机器人装配机器人汽车自动焊接生产线自动控制技术发展过程中的例子自动控制技术发展过程中的例子自动立体仓库自动控制技术发展过程中的例子自动控制技术发展过程中的例子注塑机自动搬运车自动控制技术发展过程中的例子自动控制技术发展过程中的例子机器人足球比赛机器人足球比赛月球车月球车大大型型化化工工企企业业自自动动控控制制装装置置3.自控系统与自控原理自控系统与自控原理n自动控制系统不需要人参与就能完成任务自动控制系统不需要人参与就能完成任务n工业生产、军事装备、航空航天、生物医工业生产、军事装备、航空航天、生物医学、经济运行、社会管理、日常生活等诸学、经济运行、社会管理、日常生活等诸多领域都有自动控制系统多领域都有自动控制系统n自动控制原理是分析各种自动控制系统的自动控制原理是分析各种自动控制系统的统一理论，是其内在的共通规律统一理论，是其内在的共通规律n自动控制原理这门课程就是来研究这些自自动控制原理这门课程就是来研究这些自动控制装置或系统的基本工作规律和原理动控制装置或系统的基本工作规律和原理4.自动控制理论研究简史自动控制理论研究简史n经典控制理论：经典控制理论：20世纪世纪40-50年年起源：二战军工技术的需求起源：二战军工技术的需求目标：反馈控制系统的稳定性目标：反馈控制系统的稳定性方法：微分方程、传递函数、根轨迹、频域分析方法：微分方程、传递函数、根轨迹、频域分析应用系统应用系统:单输入单输出系统（单输入单输出系统（SISO）n现代控制理论：现代控制理论：20世纪世纪60年代年代起源：冷战时期，空间技术发展的需求起源：冷战时期，空间技术发展的需求目标：最优控制目标：最优控制方法：状态空间方程方法：状态空间方程应用系统应用系统:多输入多输出系统（多输入多输出系统（MIMO）n智能控制理论：智能控制理论：20世纪世纪80年代年代起源：智能技术和计算机技术的迅速发展起源：智能技术和计算机技术的迅速发展目标：智能控制目标：智能控制方法：专家系统、模糊控制技术、神经网络、智方法：专家系统、模糊控制技术、神经网络、智能进化算法等等能进化算法等等n重要的人物：重要的人物：1948，维纳，维纳控制论控制论1954，钱学森，钱学森工程控制论工程控制论 Cybernetics： or the Control and Communication in the Animal and the Machine Engineering Cybernetics 自动控制理论的发展历程自动控制理论的发展历程n1769，瓦特，飞球调节器调节蒸汽机流量，瓦特，飞球调节器调节蒸汽机流量n1868，麦克斯韦，猎振现象，麦克斯韦，猎振现象n1877/1895, 劳思劳思/赫尔维茨稳定性判据赫尔维茨稳定性判据n1932，乃奎斯特，频域稳定性分析，乃奎斯特，频域稳定性分析n1948，维纳，维纳，控制论控制论n1956，苏联，庞特里亚金，极大值原理，苏联，庞特里亚金，极大值原理n1956，贝尔曼，动态规划，贝尔曼，动态规划n1960，卡尔曼，最优滤波器，卡尔曼，最优滤波器n1954，钱学森，钱学森，工程控制论工程控制论n20世纪世纪80年代至今，智能控制技术年代至今，智能控制技术n控制理论目前还在向更纵深、更广阔的领控制理论目前还在向更纵深、更广阔的领域发展，启发并扩展人的思维方式，引导域发展，启发并扩展人的思维方式，引导人们去探讨自然界更为深刻的运动机理。人们去探讨自然界更为深刻的运动机理。n近二十年来，由于近二十年来，由于信息技术、计算机技术信息技术、计算机技术的迅猛发展，工业自动化要求更加迫切的迅猛发展，工业自动化要求更加迫切，自动控制系统自动控制系统的应用的应用进入了黄金时代进入了黄金时代。n我们应我们应能能深切深切体会，体会，日常的工作和生活日常的工作和生活己己经处在一切尽经处在一切尽在在自动控制的时代。自动控制的时代。1-2 自动控制的基本原理自动控制的基本原理【例例】 水箱系统入口流量Qi取决于阀门开度u，出口流量Qo与液位H和出口阀有关问题：如何使得实际液位 H 控制在期望液位不变期望液位： Hs1.人工控制人工控制眼：眼：测量实际液位测量实际液位H 检测过程。检测过程。脑：脑：将实际液位将实际液位H和期望液位和期望液位Hs比较，根据两者偏差比较，根据两者偏差正负及大小作出决策。正负及大小作出决策。比较、分析、决策过程。比较、分析、决策过程。手：手：执行大脑命令，调节阀门开度。执行大脑命令，调节阀门开度。执行过程。执行过程。 期望液位： Hs人工控制原理方块图人工控制原理方块图实际液位脑眼给定值手水槽扰动测量值2. 自动控制自动控制变送器(眼）：测量实际液位H 并进行物理转换。控制器（大脑）： 也叫调节器，将测量值pv和给定值sv相比较，根据两者的偏差进行运算，输出控制信号u。执行器（手）：也叫调节阀，改变阀门开度。简图简图自动控制原理方块图：自动控制原理方块图：实际液位控制器变送器给定值执行器水槽扰动测量值实际液位脑眼给定值手水槽扰动测量值人工控制原理方块图：人工控制原理方块图：3.反馈控制原理反馈控制原理n反馈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。输入信号相比较。反送到输入端的信号称为反馈信号。n负反馈负反馈 反馈信号与输入信号相减，其差为偏差信号反馈信号与输入信号相减，其差为偏差信号n负反馈控制原理负反馈控制原理将系统的输出信号引回输入端，与输入信号相减，形成偏差将系统的输出信号引回输入端，与输入信号相减，形成偏差信号。然后根据偏差信号产生相应的控制作用，力图消除或信号。然后根据偏差信号产生相应的控制作用，力图消除或减少偏差的过程。减少偏差的过程。4.自动控制系统结构自动控制系统结构反馈通道，前向通道，闭环，开环输入变量：扰动输入d，给定输入r（参考输入）输出变量c，广义被控对象 + 控制器自动控制系统的构成：控制器测量变送器给定输入执行器被控对象扰动输入输出测量值自动控制装置 + 被控对象几个概念几个概念被控制量被控制量c：在控制系统中按规定的任务需要加以控制的物理量。控制量控制量u：作为被控制量的控制指令而加给系统的输入量也称控制输入。扰动量扰动量d：干扰或破坏系统按预定规律运行的输入量，也称扰动输入。自动控制系统的特点存在反馈，输出量参与控制，基于偏差进行控制反馈（偏差、闭环）控制系统5. 控制系统方框图控制系统方框图n用方框和箭头表示的控制系统元件作用图用方框和箭头表示的控制系统元件作用图输出量输出量 环节名称环节名称( (或特性或特性) )输入量输入量(a) (- -)e=r-br (+) (- -)b(b)re=r-b b或或(c)c引出点引出点cc方框图中的几种表示法：方框图中的几种表示法：被控量被控量偏差偏差信号信号 (- -) 参考参考 输入信号输入信号r(t)控制器控制器 (或调节器或调节器)u(t)广义被控系统广义被控系统e(t) c(t)反馈信号反馈信号 控制量控制量 扰动扰动 给定给定 装置装置 校正校正 装置装置 放大放大 元件元件 执行执行 器器 被控被控 对象对象 反馈装置反馈装置 测量变送器测量变送器 触发器触发器 晶阐管可晶阐管可 控整流器控整流器 放大器放大器ut 转速反转速反 馈装置馈装置控控 制制 装装 置置(b) 方框图方框图(- -)ug 给定给定 装置装置ue扰动扰动 电动机电动机被控对象被控对象nudoRP1ugR0R0R1-utRP2- -+- -+ TGMudouc(a) 电机转速控制系统原理图电机转速控制系统原理图+触发触发器器晶闸管晶闸管整流器整流器电压电压比较比较放大放大器器测速电机测速电机电动机电动机电炉温度控制系统电炉温度控制系统 设定温度与冰箱实际温度比较，产生偏差值设定温度与冰箱实际温度比较，产生偏差值 当偏差电压达到使继电器接通时，压缩机将蒸发器中高温低当偏差电压达到使继电器接通时，压缩机将蒸发器中高温低压制冷液送制冷却器散热，降温后的低温低压制冷液压缩成压制冷液送制冷却器散热，降温后的低温低压制冷液压缩成高压液态进入蒸发器，急速降压扩散成气体，吸收箱体内热高压液态进入蒸发器，急速降压扩散成气体，吸收箱体内热量，使冰箱温度下降，量，使冰箱温度下降， 如此循环操作，使箱体温度达到希望温度，此时继电器断开，如此循环操作，使箱体温度达到希望温度，此时继电器断开，压缩机停止工作。压缩机停止工作。家用电冰箱温控系统家用电冰箱温控系统电冰箱温控系统方块图电冰箱温控系统方块图6.基本控制方式基本控制方式1）开环控制：）开环控制：不存在输出到输入的反馈，输出量不参不存在输出到输入的反馈，输出量不参与控制与控制 按干扰进行控制（即前馈控制，对干扰进行补偿）扰动必须可测！按给定值进行控制液位给定值液位给定值 Hs实际液位控制器液位给定值执行器水箱扰动按给定值进行控制按干扰进行控制液位给定值液位给定值 Hs出口流量测量出口流量测量实际液位控制器液位给定值执行器水箱扰动流量测量2）闭环控制系统存在输出到输入的反馈，输出量参与控制实际液位控制器变送器给定值执行器水槽扰动测量值3）复合控制系统液位给定值液位给定值 Hs出口流量测量出口流量测量实际液位控制器变送器给定值执行器水槽扰动测量值流量测量1-3自动控制系统分类自动控制系统分类1. 按输入信号特征分类按输入信号特征分类1）恒值控制系统）恒值控制系统u给定输入为常数，系统克服扰动影响给定输入为常数，系统克服扰动影响u例：液位控制系统，温度控制系统等工业系统例：液位控制系统，温度控制系统等工业系统2）随动控制系统）随动控制系统u给定输入是随机时间变化的函数（未知）给定输入是随机时间变化的函数（未知）u 例：函数记录仪火炮、自动跟踪系统例：函数记录仪火炮、自动跟踪系统3）程序控制系统）程序控制系统u给定输入是预知的时间函数给定输入是预知的时间函数u例：机床加工系统例：机床加工系统n2.按描述元件特性分类按描述元件特性分类1）线性系统）线性系统u组成系统的元件都是线性元件，输入输出的静态特组成系统的元件都是线性元件，输入输出的静态特性为线性关系性为线性关系u用线性微分方程描述用线性微分方程描述2）非线性系统）非线性系统u只要系统中有一个元部件是非线性的只要系统中有一个元部件是非线性的u用非线性微分方程描述用非线性微分方程描述如何区分一个系统是线性的还是非线性的呢？如何区分一个系统是线性的还是非线性的呢？n3.按照传递信号类型分类按照传递信号类型分类连续系统连续系统u各个环节间的信号均为时间各个环节间的信号均为时间t的连续函数，可用微分的连续函数，可用微分方程描述方程描述u例：水箱系统例：水箱系统离散系统离散系统u只要有一处信号是脉冲信号或者数字信号，定义在只要有一处信号是脉冲信号或者数字信号，定义在离散时刻上，用差分方程描述离散时刻上，用差分方程描述u例：计算机控制系统例：计算机控制系统n4.按照参数是否随时间变化分类按照参数是否随时间变化分类定常系统定常系统时变系统时变系统n5.其他分类其他分类单输入输出系统与多输入输出系统单输入输出系统与多输入输出系统确定性系统与不确定性系统确定性系统与不确定性系统集中参数系统与分布参数系统集中参数系统与分布参数系统1-4 对控制系统性能的基本要求对控制系统性能的基本要求时间时间tr上上 升升峰值时间峰值时间tpAB超调量超调量% =AB100%调节时间调节时间ts“稳，快，准”1.稳定性（最基本要求）稳定性（最基本要求）n系统在扰动消失后，由初始偏差状态恢复到平衡状态的能力。、稳定、不稳定稳定性稳定性： (1) 对对恒恒值值系系统统，要要求求当当系系统统受受到到扰扰动动后后，经经过一定时间的调整能够回到原来的期望值。过一定时间的调整能够回到原来的期望值。 (2) 对对随随动动系系统统，被被控控制制量量始始终终跟跟踪踪参参据据量量的的变化。变化。 稳稳定定性性是是对对系系统统的的基基本本要要求求，不不稳稳定定的的系系统统不不能能实实现现预预定定任任务务。线线性性系系统统稳稳定定性性，通通常常由由系统的结构决定与外界因素无关。系统的结构决定与外界因素无关。n2.快速性快速性动态性能动态性能:调节时间、上升时间调节时间、上升时间对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称为动态性对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称为动态性能。能。稳定高射炮射角随动系统，虽然炮身最终能跟踪目标，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，仍然抓不住但如果目标变动迅速，而炮身行动迟缓，仍然抓不住目标。目标。n3. 准确性准确性稳态性能：稳态性能：稳态误差稳态误差在参考输入信号作用下，当系统达到稳态后，其稳态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。考输入的精度越高。1、理想脉冲函数（或冲击函数）且1-5 控制系统的典型输入信号单位脉冲函数：时刻的脉冲函数：采样性：2、阶跃函数单位阶跃函数：03、斜坡函数（或速度阶跃函数）4、抛物线函数（或加速度阶跃函数）5、正弦函数小结小结n控制系统的基本原理：反馈控制原理控制系统的基本原理：反馈控制原理要求能够针对具体系统进行控制原理的分析要求能够针对具体系统进行控制原理的分析如何正确的画出系统方块图（方框图）？如何正确的画出系统方块图（方框图）？n控制系统的基本结构控制系统的基本结构典型的控制系统由哪几部分组成？典型的控制系统由哪几部分组成？控制系统的输入，输出？控制系统的输入，输出？广义被控对象？控制装置？被控量？广义被控对象？控制装置？被控量？n控制系统的分类控制系统的分类如何区分线性与非线性系统如何区分线性与非线性系统开环控制系统与闭环控制系统各自的特点？开环控制系统与闭环控制系统各自的特点？n自动控制系统的性能指标？自动控制系统的性能指标？