北理工自動化考研全套課件

1、Tuesday, May 31, 20221歡迎各位！Tuesday, May 31, 20222自動控制原理韓紹坤信息樓信息樓60196019Tuesday, May 31, 20223參考書n梅曉榕，自動控制原理，科學出版社梅曉榕，自動控制原理，科學出版社n胡壽松，自動控制原理，胡壽松，自動控制原理，國防工業(yè)出版社國防工業(yè)出版社nR.C.多爾夫，多爾夫，R.H.畢曉普，現(xiàn)代控制系統(tǒng)畢曉普，現(xiàn)代控制系統(tǒng) 英文版英文版，科學出版社，科學出版社n王顯正等，控制理論基礎，科學出版社王顯正等，控制理論基礎，科學出版社Tuesday, May 31, 20224課程內(nèi)容 自動控制概述、控制系統(tǒng)的數(shù)學模

2、型、控制系統(tǒng)的時域分析、根軌跡法、線性系統(tǒng)的頻域分析、控制系統(tǒng)設計、非線性控制系統(tǒng)、采樣控制系統(tǒng)Tuesday, May 31, 20225考核與成績評定n出勤率 10%n平時作業(yè) 10n筆試考試 80Tuesday, May 31, 20226第一章 緒論n1.1 引言n1.2自動控制術語n1.3閉環(huán)控制和開環(huán)控制n1.4自動控制系統(tǒng)的分類和組成n1.5對自動控制系統(tǒng)的基本要求Tuesday, May 31, 202271.1 引言-起源及發(fā)展n1788年，James Watt 為控制蒸汽機速度設計的離心調(diào)節(jié)器，是自動控制領域的第一項重大成果。n1868年，英國物理學家麥克斯威爾(J.C.M

3、axwell)根據(jù)力學原理，用常系數(shù)線性微分方程描述了調(diào)速器-蒸汽機-負荷系統(tǒng)，解決了穩(wěn)速問題，開辟了用數(shù)學方法研究控制系統(tǒng)的途徑。 n1877年和1895年英國數(shù)學家. .Routh.Routh和德國數(shù)學家. .urwitzurwitz分別獨立地建立了根據(jù)代數(shù)方程的系數(shù)判別系統(tǒng)穩(wěn)定性的準則，就是現(xiàn)在的勞斯-古爾維茨判據(jù)。 Tuesday, May 31, 20228n1922年，Minorsky研制出船舶操縱自動控制器，并證明了從系統(tǒng)的微分方程確定系統(tǒng)的穩(wěn)定性的方法。n1932年，Nyquist提出了一種根據(jù)系統(tǒng)的開環(huán)頻率響應，確定閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法。n1934年，Hezen提出了用于位置

4、控制系統(tǒng)的伺服機構的概念，討論了可以精確跟蹤變化的輸入信號的機電伺服機構。n1948年，頻率響應法為閉環(huán)控制系統(tǒng)提供了一種可行方法，Evans提出并完善了根軌跡法。同年，維納著控制論，標志這門學科的正式誕生。n20世紀50年代末，控制系統(tǒng)設計問題的重點從設計許多可行系統(tǒng)中的一種系統(tǒng)，轉(zhuǎn)到設計在某種意義上的最佳系統(tǒng)。Tuesday, May 31, 20229n20世紀60年代，數(shù)字計算機的出現(xiàn)為復雜系統(tǒng)的基于時域分析的現(xiàn)代控制理論提供了可能。n從1960年到1980年，確定性系統(tǒng)、隨機系統(tǒng)的最佳控制，及復雜系統(tǒng)的自適應和學習控制，都得到充分的研究。n從1980年到現(xiàn)在，現(xiàn)代控制理論進展集中于魯

5、棒控制、H控制及其相關課題。Tuesday, May 31, 202210自動控制原理自動控制原理古典控制理論古典控制理論現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論Tuesday, May 31, 202211n古（經(jīng)）典控制理論古（經(jīng)）典控制理論 研究單輸入單輸出系統(tǒng)，以傳遞函研究單輸入單輸出系統(tǒng)，以傳遞函數(shù)為系統(tǒng)的基本數(shù)學描述，以時域數(shù)為系統(tǒng)的基本數(shù)學描述，以時域分析法、頻率法、根軌跡法作為分分析法、頻率法、根軌跡法作為分析和設計系統(tǒng)的方法。析和設計系統(tǒng)的方法。 古典控制理論研究系統(tǒng)的穩(wěn)定性、動態(tài)、古典控制理論研究系統(tǒng)的穩(wěn)定性、動態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能及在給定指標下的系統(tǒng)設計。穩(wěn)態(tài)性能及在給定指標下的系統(tǒng)設計。Tue

6、sday, May 31, 202212n現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論 研究多輸入多輸出系統(tǒng)，以狀態(tài)空研究多輸入多輸出系統(tǒng)，以狀態(tài)空間法為主要研究方法，研究系統(tǒng)內(nèi)間法為主要研究方法，研究系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)的運動規(guī)律。部狀態(tài)的運動規(guī)律。 向著大系統(tǒng)理論和人工智能等方面繼續(xù)向著大系統(tǒng)理論和人工智能等方面繼續(xù)發(fā)展發(fā)展Tuesday, May 31, 2022131.2 術語n自動控制n對象 n過程 n系統(tǒng) n擾動 n反饋控制n反饋控制系統(tǒng) n隨動系統(tǒng) n過程控制Tuesday, May 31, 202214Tuesday, May 31, 202215Tuesday, May 31, 202216 反饋控制系

7、統(tǒng)是一種能對輸出量與參考輸入量進行比較，并力圖保持兩者之間的既定關系的系統(tǒng)，它利用輸出量與輸入量的偏差來進行控制。 應當指出，反饋控制系統(tǒng)不限于工程范疇，在各種非工程范疇內(nèi)，諸如經(jīng)濟學和生物學中，也存在著反饋控制系統(tǒng)。Tuesday, May 31, 202217 隨動系統(tǒng)是一種反饋控制系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)中，輸出量是機械位移、速度或者加速度。在現(xiàn)代工業(yè)中，廣泛采用著隨動系統(tǒng)。9 9 過程控制過程控制 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，諸如對壓力、溫度、濕度、流量、頻率以及原料、燃料成分比例等方面的控制，稱為過程控制。Tuesday, May 31, 202218熱力系統(tǒng)的例子熱力系統(tǒng)的人工反饋控制蒸蒸汽汽冷水熱

8、水溫度計圖1-1 熱力系統(tǒng)的人工反饋控制排排水水Tuesday, May 31, 202219人工調(diào)節(jié)過程：人工調(diào)節(jié)過程：a. 觀測由觀測由測量元件測量元件（溫度計）測出的（溫度計）測出的被控制被控制量量的值（水箱的溫度）；的值（水箱的溫度）；b. 與與給定值給定值（要求的溫度值）進行比較，得（要求的溫度值）進行比較，得出出偏差偏差的大小和方向；的大小和方向；c. 根據(jù)偏差的大小和方向調(diào)節(jié)蒸氣量進行控制。根據(jù)偏差的大小和方向調(diào)節(jié)蒸氣量進行控制。人工控制的過程人工控制的過程：測量、求偏差、再控制以糾正偏差的過程。測量、求偏差、再控制以糾正偏差的過程。亦即是亦即是“檢測偏差并用以糾正偏差檢測偏差并

9、用以糾正偏差”的過程。的過程。Tuesday, May 31, 202220n人工控制的缺點：人工控制的缺點： 控制精度不高；控制精度不高； 人的反應不夠快；人的反應不夠快； 不少惡劣的場合人無法參與直接控制。不少惡劣的場合人無法參與直接控制。Tuesday, May 31, 202221熱力系統(tǒng)的自動反饋控制 自自動動控控制制器器熱熱水水冷冷水水蒸蒸汽汽溫溫度度測測量量裝裝置置 排排水水圖圖1 1- -2 2 熱熱力力系系統(tǒng)統(tǒng)的的自自動動反反饋饋控控制制控控制制閥閥Tuesday, May 31, 202222自動調(diào)節(jié)過程：自動調(diào)節(jié)過程：a. 由測量元件輸出被控制量（水箱的溫度）由測量元件輸

10、出被控制量（水箱的溫度）的值；的值； b. 與給定值（要求的溫度值）進行比較，與給定值（要求的溫度值）進行比較， 得出偏差的大小和方向；得出偏差的大小和方向；c. 根據(jù)偏差的大小和方向控制執(zhí)行機構，根據(jù)偏差的大小和方向控制執(zhí)行機構，調(diào)節(jié)蒸氣閥，實現(xiàn)溫度控制。調(diào)節(jié)蒸氣閥，實現(xiàn)溫度控制。Tuesday, May 31, 202223n人工控制系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)的共同特人工控制系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)的共同特點：點： 都要檢測偏差；都要檢測偏差； 該偏差由被控量的反饋值與給定值相比該偏差由被控量的反饋值與給定值相比 較產(chǎn)生較產(chǎn)生 利用檢測到的偏差去糾正偏差，使偏利用檢測到的偏差去糾正偏差，使偏差差 減小或

11、消除；減小或消除；沒有偏差便沒有調(diào)節(jié)過程。沒有偏差便沒有調(diào)節(jié)過程。Tuesday, May 31, 202224Tuesday, May 31, 202225直流電機調(diào)速系統(tǒng)的自動反饋例子Tuesday, May 31, 2022261.3 閉環(huán)控制與開環(huán)控制n反饋控制系統(tǒng)n開環(huán)控制系統(tǒng)n閉環(huán)與開環(huán)控制系統(tǒng)的比較Tuesday, May 31, 2022271.3.1 反饋控制系統(tǒng) 1 反饋反饋 把取出的輸出量送回輸入端，并與輸入信號把取出的輸出量送回輸入端，并與輸入信號 相比較產(chǎn)生偏差信號的過程，稱為反饋。若相比較產(chǎn)生偏差信號的過程，稱為反饋。若 反饋的信號與輸入信號相減，使產(chǎn)生的偏差反饋的

12、信號與輸入信號相減，使產(chǎn)生的偏差 越來越小，則稱為負反饋；反之，則稱為正越來越小，則稱為負反饋；反之，則稱為正 反饋。反饋。 Tuesday, May 31, 2022282 反饋控制系統(tǒng) 能對輸入量與輸出量進行比較，并且將它們的偏差作為控制手段，以保持兩者之間預定關系的系統(tǒng)，稱為反饋控制系統(tǒng)。由于引入了被反饋量的反饋信息，整個控制過程成為閉合的，因此反饋控制也稱為閉環(huán)控制。 Tuesday, May 31, 2022293 3 閉環(huán)控制閉環(huán)控制 凡是系統(tǒng)輸出信號對控制作用有直接影響的凡是系統(tǒng)輸出信號對控制作用有直接影響的系統(tǒng)，都稱為閉環(huán)系統(tǒng)。輸入信號和反饋信號系統(tǒng)，都稱為閉環(huán)系統(tǒng)。輸入信號和

13、反饋信號（反饋信號可以是輸出信號本身，也可以是輸出（反饋信號可以是輸出信號本身，也可以是輸出信號的函數(shù)或?qū)?shù)）之差，稱為誤差信號，誤差信號的函數(shù)或?qū)?shù)）之差，稱為誤差信號，誤差信號加到控制器上，以減小系統(tǒng)的誤差，并使系信號加到控制器上，以減小系統(tǒng)的誤差，并使系統(tǒng)的輸出量趨于所希望的值，換句話說，統(tǒng)的輸出量趨于所希望的值，換句話說，“閉環(huán)閉環(huán)”這個術語的涵義，就是應用反饋作用來減小系統(tǒng)這個術語的涵義，就是應用反饋作用來減小系統(tǒng)的誤差。的誤差。 Tuesday, May 31, 202230n閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng) 抗干擾性好，控制精度高；閉環(huán)系統(tǒng)可明顯減弱某些元件參數(shù)和控制對象本身的參數(shù)變化對被控量的

14、不利影響，對元部件的要求不很嚴格。但閉環(huán)系統(tǒng)結構復雜，設計和調(diào)試技術也復雜；另外還應適當選擇系統(tǒng)參數(shù)，否則系統(tǒng)可能不能正常工作，甚至引起振蕩。Tuesday, May 31, 202231 閉環(huán)控制系統(tǒng)的原理方框圖閉環(huán)控制系統(tǒng)的原理方框圖控制對象控制對象輸出量輸出量擾動擾動控制器控制器輸入量輸入量測量元件測量元件Tuesday, May 31, 202232控控 制制 器器對對 象象或或 過過 程程測測 量量 元元 件件 輸 入 量輸 出 量 閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)Tuesday, May 31, 2022331.3.31.3.3 開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)n定義定義控控制制器器對對象象或或過

15、過程程 輸入量輸出量圖1-5 開環(huán)控制系統(tǒng)Tuesday, May 31, 202234控制裝置與被控對象之間只有順向作用控制裝置與被控對象之間只有順向作用而沒有反向聯(lián)系的控制過程，其特點是而沒有反向聯(lián)系的控制過程，其特點是系統(tǒng)的輸出量不會對系統(tǒng)的控制作用發(fā)系統(tǒng)的輸出量不會對系統(tǒng)的控制作用發(fā)生影響，即系統(tǒng)的輸出端與輸入端之間生影響，即系統(tǒng)的輸出端與輸入端之間不存在反饋回路。不存在反饋回路。Tuesday, May 31, 202235n開環(huán)控制特點：系統(tǒng)結構簡單，容易調(diào)開環(huán)控制特點：系統(tǒng)結構簡單，容易調(diào)試；但抗干擾能力差；高精度的開環(huán)控試；但抗干擾能力差；高精度的開環(huán)控制對環(huán)境和元件的要求比較

16、嚴格。制對環(huán)境和元件的要求比較嚴格。Tuesday, May 31, 2022361.3.41.3.4 閉環(huán)與開環(huán)控制系統(tǒng)的比較閉環(huán)與開環(huán)控制系統(tǒng)的比較Tuesday, May 31, 2022371.4 1.4 自動控制系統(tǒng)的分類和組成自動控制系統(tǒng)的分類和組成1.4.11.4.1自動控制系統(tǒng)的分類自動控制系統(tǒng)的分類開環(huán)控制開環(huán)控制閉環(huán)控制閉環(huán)控制( (反饋控制反饋控制) )復合控制復合控制 Tuesday, May 31, 202238機械系統(tǒng)機械系統(tǒng)恒張力系統(tǒng)恒張力系統(tǒng)電氣系統(tǒng)電氣系統(tǒng)機電系統(tǒng)機電系統(tǒng)全自動照相機，光機全自動照相機，光機 電結合電結合液壓系統(tǒng)液壓系統(tǒng)伺服液壓缸，汽車發(fā)伺服液

17、壓缸，汽車發(fā)動機，大型的仿真模擬臺動機，大型的仿真模擬臺氣動系統(tǒng)氣動系統(tǒng) 生物系統(tǒng)生物系統(tǒng)Tuesday, May 31, 202239n按系統(tǒng)功用分按系統(tǒng)功用分Tuesday, May 31, 202240Tuesday, May 31, 202241Tuesday, May 31, 202242n控制系統(tǒng)中控制對象以外的元部件統(tǒng)稱控制系統(tǒng)中控制對象以外的元部件統(tǒng)稱為為控制元件控制元件。n根據(jù)控制元件在系統(tǒng)中的功能和作用，根據(jù)控制元件在系統(tǒng)中的功能和作用，將控制元件分為四大類：將控制元件分為四大類：A. 直接帶動控制對象，直接改變被控量直接帶動控制對象，直接改變被控量的的執(zhí)行元件執(zhí)行元件。

18、電動機、液壓馬達、加熱器電動機、液壓馬達、加熱器1.4.2 自動控制系統(tǒng)的組成自動控制系統(tǒng)的組成Tuesday, May 31, 202243B. 將微弱信號放大，使信號具有足夠大的將微弱信號放大，使信號具有足夠大的幅值或功率的幅值或功率的放大元件放大元件。 分為前置放大器和功率放大器。分為前置放大器和功率放大器。 前置放大器放大信號的數(shù)值，但功率并前置放大器放大信號的數(shù)值，但功率并不大，靠近系統(tǒng)的輸入端。運算放大器。不大，靠近系統(tǒng)的輸入端。運算放大器。 功率放大器輸出的功率大，其輸出信號功率放大器輸出的功率大，其輸出信號可直接帶動執(zhí)行元件運轉(zhuǎn)。晶體管功率可直接帶動執(zhí)行元件運轉(zhuǎn)。晶體管功率放大

19、器。放大器。Tuesday, May 31, 202244C. 將一種物理量檢測出來，并且按照某將一種物理量檢測出來，并且按照某種規(guī)律轉(zhuǎn)換成容易處理和使用的另一種種規(guī)律轉(zhuǎn)換成容易處理和使用的另一種物理量輸出的物理量輸出的測量元件測量元件。 熱敏電阻、熱電偶、流量變送器、測速熱敏電阻、熱電偶、流量變送器、測速發(fā)動機、電位器、光電碼盤、旋轉(zhuǎn)變壓發(fā)動機、電位器、光電碼盤、旋轉(zhuǎn)變壓器等元件及其處理電路均屬于測量元件。器等元件及其處理電路均屬于測量元件。 測量元件的精度直接影響到系統(tǒng)的精測量元件的精度直接影響到系統(tǒng)的精度，高精度的系統(tǒng)必須采用高精度的測度，高精度的系統(tǒng)必須采用高精度的測量元件，包括可靠的

20、線路。量元件，包括可靠的線路。Tuesday, May 31, 202245D. 為保證系統(tǒng)能正常穩(wěn)定地工作，并提為保證系統(tǒng)能正常穩(wěn)定地工作，并提高系統(tǒng)的性能所補充的高系統(tǒng)的性能所補充的補償元件補償元件，又稱又稱校正元件校正元件。 模擬電子線路、計算機等。模擬電子線路、計算機等。 Tuesday, May 31, 202246基本組成 n被控對象被控對象n控制裝置控制裝置(由具有一定職能的各種基本元件組成由具有一定職能的各種基本元件組成 ) 測量元件：其職能是測量被控制的物理量測量元件：其職能是測量被控制的物理量; 給定元件：其職能是給出與期望的被控量相對應的系統(tǒng)輸入量給定元件：其職能是給出與

21、期望的被控量相對應的系統(tǒng)輸入量（即參考輸入量）。（即參考輸入量）。 比較元件：把測量元件檢測的被控量實際值與給定元件給出的比較元件：把測量元件檢測的被控量實際值與給定元件給出的參據(jù)量進行比較，求出它們之間的偏差。參據(jù)量進行比較，求出它們之間的偏差。 放大元件：將比較元件給出的偏差進行放大，用來推動執(zhí)行元放大元件：將比較元件給出的偏差進行放大，用來推動執(zhí)行元件去控制被控對象。件去控制被控對象。 執(zhí)行元件：直接推動被控對象，使其被控量發(fā)生變化。執(zhí)行元件：直接推動被控對象，使其被控量發(fā)生變化。 校正元件：亦稱補償元件，它是結構或參數(shù)便于調(diào)整的元件，校正元件：亦稱補償元件，它是結構或參數(shù)便于調(diào)整的元件

22、，用串聯(lián)或反饋的方式連接在系統(tǒng)中，以改善系統(tǒng)性能。用串聯(lián)或反饋的方式連接在系統(tǒng)中，以改善系統(tǒng)性能。Tuesday, May 31, 202247Tuesday, May 31, 202248 圖1-6（i）是一個液位控制系統(tǒng)原理圖。在這里，自動控制器通過比較實際液位與希望液位，并通過調(diào)整氣動閥門的開度，對誤差進行修正，從而保持液位不變。圖（ii）是該控制系統(tǒng)的方框圖。試畫出相應的人工操縱液位控制系統(tǒng)方塊圖。Tuesday, May 31, 202249H H注注入入控控制制器器（比比較較、放放大大）Q Q1 1浮浮子子流流出出Q Q2 2（I I） 原原理理圖圖氣氣動動閥閥門門Tuesday,

23、 May 31, 202250 希望液位實實 際際 液液 位位放放 大大 元元 件件氣氣 動動 閥閥 門門水水 箱箱浮浮 子子控制器 注入（II） 控制系統(tǒng)方塊圖控 制 器 ： 比 較 、 放 大 的 作 用浮 子 ： 液 面 高 度 的 反 饋 元 件 ， Q2為 系 統(tǒng) 的 干 擾 量氣 動 閥 門 ： 執(zhí) 行 機 構 ， 水 箱Tuesday, May 31, 202251眼 睛 測 量 裝 置 （ 浮 子 ） 手 氣 動 閥 門頭 腦 控 制 器 ， 比 較 、 計 算希 望 液 位實實 際際 液液 位位肌肌 肉肉 、 手手閥閥 門門水水 箱箱眼眼 睛睛（ III） 相 對 應 的 人 工 操 縱 系 統(tǒng) 方 塊 圖 腦Tuesday, May 31, 202252n圖圖17、室溫控制、室溫控制溫度溫度熱傳導熱傳導空調(diào)器空調(diào)器室內(nèi)空氣等室內(nèi)空氣等eyrkEc熱敏電阻熱敏電阻圖圖1 17 7室溫控制系統(tǒng)框圖室溫控制系統(tǒng)框圖Tuesd