自动控制原理课件.ppt

1、华中科技大学控制系：樊华中科技大学控制系：樊慧津慧津自动控制原理自动控制原理(Automatic Control Theory)(Automatic Control Theory)学时：学时：48+8/3.5考试：闭卷考试考试：闭卷考试参考书目：参考书目：1.王敏，秦肖臻编王敏，秦肖臻编自动控制原理。自动控制原理。北京：化学工业出版社，北京：化学工业出版社，20032.孙德宝主编。自动控制原理。孙德宝主编。自动控制原理。北京：化学工业出版社，北京：化学工业出版社，20023.胡寿松主编。自动控制原理。第三版。胡寿松主编。自动控制原理。第三版。北京：国防工业出版社，北京：国防工业出版社，1994

2、4.王划一主编。自动控制原理。王划一主编。自动控制原理。北京：国防工业出版社，北京：国防工业出版社，2001实验安排实验安排4周（周（332/322），），8，11周（周（620）南一楼）南一楼0401-0402班班周一（周一（11-12）0403-0404班班周四（周四（11-12）4周（周（332/322），），7，11周（周（620）南一楼）南一楼0405-0406班班周二（周二（9-10）0407-0408班班周二（周二（11-12）14周周计算中心四楼计算中心四楼401机房机房0401-0408班班周五（周五（1-2）3主要内容主要内容绪论绪论控制系统的数学模型控制系统的数学模型线性

3、系统的时域分析线性系统的时域分析线性系统的频域分析线性系统的频域分析线性系统的校正方法线性系统的校正方法线性离散控制系统（采样系统分析）线性离散控制系统（采样系统分析）状态空间分析设计状态空间分析设计4第一章第一章绪论绪论1.1自动控制的基本概念自动控制的基本概念：明确什么叫自动控制，正确理解被控对象、明确什么叫自动控制，正确理解被控对象、控制装置和自控系统等概念。控制装置和自控系统等概念。1.2自动控制理论的发展：自动控制理论的发展：了解自动控制理论发展的四个主要阶段。了解自动控制理论发展的四个主要阶段。1.3控制系统的分类：控制系统的分类：明确系统常用的分类方式，掌握各类别的含义明确系统常

4、用的分类方式，掌握各类别的含义和信息特征和信息特征 1.4对控制系统的基本要求：对控制系统的基本要求：明确对自控系统的基本要求，正确理明确对自控系统的基本要求，正确理解三大性能指标的含义。解三大性能指标的含义。5手动控制手动控制人在控制过程中起三个作用：（1）观测：用眼睛去观测温度计和转速表的指示值；（2）比较与决策：人脑把观测得到的数据与要求的数据相比较，并进行判断，根据给定的控制规律给出控制量；（3）执行：根据控制量用手具体调节，如调节阀门开度、改变触点位置。控制：控制：操纵，节制使不超出范围或随意活动。61.1 1.1 1.1 1.1 自动控制的基本概念自动控制的基本概念自动控制的基本概

5、念自动控制的基本概念 在现代科学技术的众多领域中，自动控制技术起着越来越重要的作用。在现代科学技术的众多领域中，自动控制技术起着越来越重要的作用。如数控车床按预定程序自动切削，人造卫星准确进入预定轨道并回收如数控车床按预定程序自动切削，人造卫星准确进入预定轨道并回收等。等。除了在工业上广泛应用外，近几十年来，随着计算机技术的发展和应除了在工业上广泛应用外，近几十年来，随着计算机技术的发展和应用，在宇航、机器人控制、导弹制导及核动力等高新技术领域中，自用，在宇航、机器人控制、导弹制导及核动力等高新技术领域中，自动控制技术更具特别重要的作用。不仅如此，自动控制技术的应用范动控制技术更具特别重要的作

6、用。不仅如此，自动控制技术的应用范围现在已扩展到生物、医学、环境、经济管理和其它许多社会生活领围现在已扩展到生物、医学、环境、经济管理和其它许多社会生活领域中，特别在化学工业中的应用有传热设备控制，反应器控制，流体域中，特别在化学工业中的应用有传热设备控制，反应器控制，流体输送设备控制，精馏塔控制等。自动控制已成为现代社会生活中不可输送设备控制，精馏塔控制等。自动控制已成为现代社会生活中不可缺少的一部分。缺少的一部分。7v自自动动控控制制：自自动动控控制制，就就是是在在没没有有人人直直接接参参与与的的情情况况下下，利利用用外外加加的的设设备备或或装装置置（控控制制装装置置），使使机机器器、设设

7、备备或或生生产产过过程程（控控制制对对象象）的某个工作状态或参数（被控量）自动地按照预定的规律运行。的某个工作状态或参数（被控量）自动地按照预定的规律运行。v自自动动控控制制系系统统：是是指指能能够够对对被被控控对对象象的的工工作作状状态态进进行行自自动动控控制制的的系系统统。它它是是控控制制对对象象以以及及参参与与实实现现其其被被控控制制量量自自动动控控制制的的装装置置或或元元部部件件的的组组合合，一一般般由由控控制制装装置置和和被被控控对对象象组组成成。一一般般包包括括三三种种机机构构：测测量量机机构构、比较机构、执行机构。比较机构、执行机构。自自动动控控制制系系统统的的功功能能和和组组成

8、成是是多多种种多多样样的的，其其结结构构有有简简单单也也有有复复杂杂。它它可可以以只只控控制制一一个个物物理理量量，也也可可以以控控制制多多个个物物理理量量甚甚至至一一个个企企业业机机构构的的全全部部生生产产和和管管理理过过程程；它它可可以以是是一一个个具具体体的的工工程程系系统统，也也可可以以是是比比较较抽象的抽象的社会系统、生态系统或经济系统社会系统、生态系统或经济系统。8v控制系统分析控制系统分析：已知系统的结构参数，分析系统的稳定性，求取系：已知系统的结构参数，分析系统的稳定性，求取系统的动态、静态性能指标，并据此评价系统的过程称为控制系统分统的动态、静态性能指标，并据此评价系统的过程

9、称为控制系统分析。析。v控制系统设计（或综合）：控制系统设计（或综合）：根据控制对象和给定系统的性能指标，根据控制对象和给定系统的性能指标，合理的确定控制装置的结构参数，称为控制系统设计。合理的确定控制装置的结构参数，称为控制系统设计。v被控量被控量：指被控对象中要求保持给定值、要按给定规律变化的物理指被控对象中要求保持给定值、要按给定规律变化的物理量。被控量又称输出量、输出信号量。被控量又称输出量、输出信号。v给定值给定值：系统输出量应达到的数值（例如与要求的炉温对应的电压）：系统输出量应达到的数值（例如与要求的炉温对应的电压）。v扰动扰动：是一种对自动控制系统输出量起反作用的信号，如电源电

10、压：是一种对自动控制系统输出量起反作用的信号，如电源电压的波动、环境温度的变化。的波动、环境温度的变化。9 开环控制是指系统的开环控制是指系统的被控制量（输出量）只受被控制量（输出量）只受控于控制作用，而控于控制作用，而对控制对控制作用不能反施任何影响作用不能反施任何影响的的控制方式。采用开环控制控制方式。采用开环控制的系统称为开环控制系统。的系统称为开环控制系统。优点：结构简单，成本低优点：结构简单，成本低廉，易于实现廉，易于实现缺点：对扰动没有抑制能缺点：对扰动没有抑制能力，控制精度低力，控制精度低v控制方式控制方式开环控制开环控制10 闭环控制闭环控制闭闭环环控控制制是是指指系系统统的的

11、被被控控制制量量（输输出出量量）与与控控制制作作用用之之间间存存在在着着负负反反馈馈的的控控制制方方式式。采采用用闭闭环环控控制制的的系系统统称称为为闭闭环环控控制制系系统统或或反反馈馈控控制制系系统统。闭闭环环控控制制是是一一切切生生物物控控制制自自身身运运动动的的基基本本规规律律。人人本本身身就就是是一一个个具具有有高高度度复复杂杂控控制制能能力的闭环系统。力的闭环系统。优优点点：具具有有自自动动补补偿偿由由于于系系统统内内部部和和外外部部干干扰扰所所引引起起的的系系统统误误差差（偏偏差差）的的能力，因而有效地提高了系统的精度。能力，因而有效地提高了系统的精度。缺缺点点：系系统统参参数数应

12、应适适当当选选择择，否否则则可可能能不能正常工作。不能正常工作。11反馈的概念反馈的概念反反馈馈：把把输输出出量量送送回回到到系系统统的的输输入入端端并并与与输输入入信信号号比比较较的的过过程程。若若反反馈馈信信号号是是与与输输入入信信号号相相减减而而使使偏偏差差值值越越来来越越小小，则则称称为为负负反反馈馈；反反之之，则则称称为为正正反反馈馈。显显然然，负负反反馈馈控控制制是是一一个个利利用用偏偏差差进进行行控控制制并并最最后后消消除除偏偏差差的的过过程程，又又称称偏偏差差控控制制。同同时时，由由于于有有反反馈馈的的存存在在，整整个个控控制制过过程是闭合的，故也称为闭环控制。程是闭合的，故也

13、称为闭环控制。12比较以上两种控制方式比较以上两种控制方式由由于于开开环环控控制制的的特特点点是是控控制制装装置置只只按按照照给给定定的的输输入入信信号号对对被被控控制制量量进进行行单单向向控控制制，而而不不对对控控制制量量进进行行测测量量并并反反向向影影响响控控制制作作用用。这这样样，当当炉炉温温偏偏离离希希望望值值时时，开开关关K K的的接接通通或或断断开开时时间间不不会会相相应应改改变变。因因此此，开开环环控控制制不不具具有有修修正正由由于于扰扰动动（使使被被控控制制量量偏偏离离希希望望值值的的因因素素）而而出出现现的的被被控控制制量量与希望值之间偏差的能力，即抗干扰能力差。与希望值之间

14、偏差的能力，即抗干扰能力差。在在闭闭环环控控制制中中，被被控控量量一一般般是是由由测测量量装装置置检检测测并并反反馈馈到到输输入入端端，然然后后由由比比较较装装置置将将它它与与输输入入信信号号综综合合得得到到偏偏差差（误误差差），有有时时，测测量量与与综综合合作作用用是是由由一一个个装装置置完完成成的的，如如水水银银温温度度计计。由由于于采采用用了了接接触触式式水水银银温温度度计计，可可以以不不断断对对炉炉温温进进行行测测量量和和比比较较，根根据据炉炉温温的的实实际际偏偏差差进进行行控控制制，提提高高了控制精度和抗干扰能力。了控制精度和抗干扰能力。13是开环和闭环控制相结合的一种控制方式。它是

15、在闭环是开环和闭环控制相结合的一种控制方式。它是在闭环控制回路的基础上，附加一个输入信号或扰动信号的顺控制回路的基础上，附加一个输入信号或扰动信号的顺馈通路，用来提高系统的控制精度。顺馈通路通常由对馈通路，用来提高系统的控制精度。顺馈通路通常由对输入信号的补偿器或对扰动信号的补偿器组成。输入信号的补偿器或对扰动信号的补偿器组成。优点：具有很高的控制精度，可以抑制几乎所有的可优点：具有很高的控制精度，可以抑制几乎所有的可量测扰动量测扰动缺点缺点: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 复合控制复合控制14v方框图的概念方框图的概念 方框方框 控制装置和被控对象分别用方框表示控制

16、装置和被控对象分别用方框表示信信号号线线 方方框框的的输输入入和和输输出出以以及及它它们们之之间间的的联联接接用用带带箭头的信号线表示箭头的信号线表示输入信号输入信号 进入方框的信号进入方框的信号输出信号输出信号 离开方框的信号离开方框的信号信号线信号线方框方框信号线信号线输入信号输入信号输出信号输出信号15开环控制系统方框图开环控制系统方框图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（被控制量）（被控制量）输输入入量量：加加在在电电阻阻丝丝两两端端的的电电压压被控制对象：炉子被控制对象：炉子被控制量（输出量）：炉温被控制量（输出量）：炉温控制装置：开关控制装置：开关K K和电热丝，对和电热丝，对被控制量起控制作用。被控制量起控制作用。16温度计温度计继电器继电器电阻丝电阻丝炉温炉温 输入量输入量（炉温希望值）（炉温希望值）输出量输出量（炉温实际值）（炉温实际值）扰动扰动闭环控制的电加热炉方框图闭环控制的电加热炉方框图闭环控制的电加热炉方框图闭环控制的电加热炉方框图17人取书的控制过程人取书的控制过程眼睛眼睛脑脑手手 输入量输入量（书的位置）（书的位置）输出量输出量（手的