1、第一章 自動控制概論,自動化（Automation） 是指機器或裝置在無人干預(yù)的情況下按規(guī)定的程序或指令自動地進行操作或運行，脫離具體物理對象而去研究自動化是毫無意義的。 自動化是延伸人類體能和智能、提高勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)。 控制（Control） 是人們?yōu)閷崿F(xiàn)所要達到的目標而采用的方法與手段，因而可以脫離具體物理對象而去研究控制。相應(yīng)的控制論可分為工程控制論、社會控制論、經(jīng)濟控制論、生物控制論等。,2.自動化的含義,自動控制是一門不斷發(fā)展的、綜合性的技術(shù)科學,涉及到的學科: 物理、化學、數(shù)學、計算機、人工智能、信息論、生命科學以及社會科學。 控制技術(shù)的運用從工業(yè)控制已進入到生物控

2、制、醫(yī)學、環(huán)境控制、社會經(jīng)濟、人口控制等各個領(lǐng)域。,自動化專業(yè)的主干學科為: 控制科學與工程，并與電氣工程、信息與通信工程、計算機科學與技術(shù)、儀器科學與技術(shù)等學科相關(guān)。 我國首批設(shè)立的專業(yè)：工業(yè)電氣自動化 國防院校： 自動控制,自動化,我國自動化學科專業(yè)領(lǐng)域包括： 1個一級學科、5個二級學科，即 0811 控制科學與工程 081101 控制理論與控制工程081102 檢測技術(shù)與自動化裝置081103 系統(tǒng)工程081104 模式識別與智能系統(tǒng)081105 導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制,自動控制原理課程介紹,先修課程：工程數(shù)學/信號與系統(tǒng) 教學內(nèi)容：利用各種數(shù)學方法對控制系統(tǒng)進行分析和設(shè)計 實踐環(huán)節(jié)：控制方法

3、的MATLAB軟件實現(xiàn),省略數(shù)學證明 淡化解題技巧,補充內(nèi)容： MATLAB控制類工具箱的使用,配套教材:,胡壽松 . 自動控制原理基礎(chǔ)教程科學出版社 ,2013.,胡壽松 . 自動控制原理簡明教程（第2版）科學出版社 ,2008.,教材:,胡壽松 . 自動控制原理（第6版）科學出版社 ,2013.,參考書目:,王正林.MATLAB/Simulink與控制系統(tǒng)仿真 (第3版) 電子工業(yè)出版社 ,2012. 薛定宇. 控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計MATLAB語言與應(yīng)用(第3版) 清華大學出版社,2012.,考核形式:,上課情況(20分)+作業(yè)(20分)+實踐測試(30分)+期末考試(30分),古典（經(jīng)

4、典）控制理論 自動控制原理（理論） （17871960） 以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)研究單輸入單輸出定?？刂葡到y(tǒng)的分析與設(shè)計問題。這些理論由于其發(fā)展較早，現(xiàn)已臻成熟。,現(xiàn)代（近代）控制理論 （19601980） 以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究多輸入多輸出控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計問題。系統(tǒng)具有高精度和高效能的特點。 最優(yōu)控制 、自適應(yīng)控制 計算機控制、系統(tǒng)辨識,智能控制理論（1980） 以人工智能為基礎(chǔ)，研究復(fù)雜對象（車間、工廠、集團）、復(fù)雜任務(wù)、復(fù)雜環(huán)境。 管理和控制一體化:計算機集成制造系統(tǒng)，復(fù)雜控制系統(tǒng),1.2 自動控制系統(tǒng)的基本概念,自動控制，是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱為控制器或

5、控制裝置），使機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（統(tǒng)稱被控對象）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（統(tǒng)稱被控量）自動地按照預(yù)定的規(guī)律運行。,自動控制系統(tǒng)，是指能夠?qū)Ρ豢刂茖ο蟮墓ぷ鳡顟B(tài)進行自動控制的系統(tǒng)。,1.2.1 反饋控制原理,在自動控制系統(tǒng)中，被控量是要求嚴格加以控制的物理量；而作為對被控對象施加控制作用的控制裝置，可以采用不同的原理和方式完成賦予的任務(wù)。其中，最基本的控制原理就是反饋控制原理。基于反饋控制原理組成的控制系統(tǒng)被稱為反饋控制系統(tǒng)。,在反饋控制系統(tǒng)中，控制裝置對被控對象施加控制作用，而控制裝置接受的信號是取自被控量的反饋信號與給定值相比較生成的偏差，根據(jù)偏差值的大小產(chǎn)生控制作用，實現(xiàn)控制任務(wù)。,實際行駛

6、方向,預(yù)期行駛方向,圖1.1 汽車駕駛控制原理框圖,圖1.2 汽車駕駛控制原理框圖,1.2.2控制系統(tǒng)的基本組成,圖1.3 控制系統(tǒng)職能方框圖,給定值,被控量,控制器應(yīng)具有三種基本職能，即測量、比較和執(zhí)行。,1. 測量元件的職能是檢測被控制的物理量，如果所測量的物理量為非電量，一般要將其轉(zhuǎn)換為電量。,2. 比較元件的職能是將測量元件檢測到的被控量的實際值與給定值相比較，計算求出二者間的偏差。,3. 放大元件的職能是將比較元件給出的偏差信號放大，以驅(qū)動執(zhí)行元件去控制被控對象。,4. 執(zhí)行元件的職能是直接推動被控對象，使被控量發(fā)生變化 。,1.2.3 技術(shù)術(shù)語,1. 被控對象:是指要求實現(xiàn)自動控制

7、的機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程。,3. 控制器：又稱調(diào)節(jié)器、控制裝置，由控制元件組成，它接受指令信號，輸出控制作用信號于被控對象。,2. 被控量：表征被控對象工作狀態(tài)的物理參量(或狀態(tài)參量)，如轉(zhuǎn)速、壓力、溫度、電壓、位移等。,4. 給定值或指令信號r(t)：要求控制系統(tǒng)按一定規(guī)律變化的信號，是系統(tǒng)的輸入信號。,5. 干擾信號n(t)：又稱擾動值，是一種對系統(tǒng)的被控量起破壞作用的信號。,6. 反饋信號b(t)：是指被控量經(jīng)測量元件檢測后回饋送到系統(tǒng)輸入端的信號。,7. 偏差信號e(t)：是指給定值與被控量的差值，或指令信號與反饋信號的差值。,液位控制系統(tǒng),控制器,減速器,電動機,電位器,浮子,用水開關(guān)

8、,Q2,Q1,c,if,SM,下面通過具體例子來說明自動控制和自動控制系統(tǒng)的概念,控制任務(wù)：,維持水箱內(nèi)水位恒定,控制裝置：,閥門、控制器,受控對象：,水箱、供水系統(tǒng),被控量：,水箱內(nèi)水位的高度,給定值：,控制器刻度盤指針標定的預(yù)定水位高度,測量裝置：,浮子,比較裝置：,控制器刻度盤,干擾：,水的流出量和流入量的變化都將破壞水位保持恒定,自動控制，即沒有人直接參與的控制。其基本任務(wù)是：在無人直接參與的情況下，利用控制裝置操縱被控對象，使被控制量等于給定值。,自動控制系統(tǒng)：指能夠完成自動控制任務(wù)的設(shè)備，一般由控制裝置和被控對象組成。,由此可見：,1.3.1 開環(huán)控制,1. 按給定值控制,圖1.4

9、 開環(huán)控制框圖,1.3 自動控制的基本方式,爐溫控制系統(tǒng),按給定值操縱的開環(huán)控制,特點：控制裝置只按給定值來控制受控對象。,優(yōu)點：控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，相對來說成本低。,缺點：對可能出現(xiàn)的被控量偏離給定值的偏差沒有任何修正能力，抗干擾能力差，控制精度不高。,1.3.2 閉環(huán)控制,圖1.5 閉環(huán)控制框圖,用“”號代表比較裝置，“”號代表兩者符號相反。信號沿箭頭方向從輸入端到達輸出端的傳輸通路稱前向通路；系統(tǒng)輸出量經(jīng)測量裝置反饋到輸入端的傳輸通路稱主反饋通路。前向通路與主反饋通路共同構(gòu)成主回路。,給定裝置：產(chǎn)生給定值或輸入信號（量）（即參考量或期望值） 測量裝置：測量被控制的物理量（被控量），用于產(chǎn)生

10、反饋信號 各種傳感器：測速發(fā)電機、電位計、熱電偶等。 比較裝置：把測量元件檢測的實際值（被控量）與給定元件 給出的參考量進行比較，求出它們之間的偏差。 如差動放大器、自整角機。 放大裝置：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，如放大器、晶閘管。 執(zhí)行機構(gòu)：直接推動被控對象，使其被控量發(fā)生變化。 如步進電機，繼電器開關(guān)。 補償裝置：它是結(jié)構(gòu)或參數(shù)便于調(diào)整的元件或機構(gòu)，用串聯(lián)或 反饋的方式連接在系統(tǒng)中，以改善控制系統(tǒng)性能。 工業(yè)應(yīng)用的控制系統(tǒng)：電動、汽（氣）動、液動。,控制任務(wù)：保持轉(zhuǎn)臺的實際轉(zhuǎn)速等于期望轉(zhuǎn)速。 被控對象：轉(zhuǎn)臺。 被控量：轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速。,例 轉(zhuǎn)臺速度控制系統(tǒng),

11、轉(zhuǎn)臺速度閉環(huán)控制系統(tǒng)原理方框圖,給定電位器,反饋電位器,例 飛機-自動駕駛儀系統(tǒng),飛機自動駕駛系統(tǒng)原理圖,控制任務(wù)：系統(tǒng)在任何擾動作用下，保持飛機俯仰角不變。 被控對象：飛機。 被控量：飛機的俯仰角 。,俯仰角控制系統(tǒng)原理方框圖,函數(shù)記錄儀原理示意圖,RQ,RW,u,L,t,ur,變換器,放大器,繩輪,電機,測速機,減速器,函數(shù)記錄儀方塊圖,1.3.3.復(fù)合控制,圖1.6 復(fù)合控制框圖,定義：通常把系統(tǒng)受到外作用后，被控量隨時間變化的全過程，稱為動態(tài)過程或過渡過程。,工程上常從穩(wěn)、快、準三個方面來評價控制系統(tǒng)。 穩(wěn)： 指控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與平穩(wěn)性。 快： 指控制系統(tǒng)的快速性。 準： 指控制系統(tǒng)的

12、最終精度（穩(wěn)態(tài)精度）。,1.4 自動控制系統(tǒng)的基本要求,1 穩(wěn)定性,穩(wěn)定性是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。 對于穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，被控量偏離期望值后，經(jīng)過一段過渡時間后，被控量應(yīng)恢復(fù)到原來狀態(tài)。 對于不穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，其被控量偏離期望值的偏差將會越來越大，最終發(fā)散。,控制系統(tǒng)動態(tài)過程曲線,如上圖所示，系統(tǒng)在外力作用下，輸出逐漸與期望值一致，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的，如曲線所示；反之，輸出如曲線所示，則系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。,穩(wěn)： 指控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與平穩(wěn)性,2 快速性,快速性即動態(tài)過程進行時間的長短。 過程時間越短，說明系統(tǒng)的快速性越好，過程時間持續(xù)越長，說明系統(tǒng)響應(yīng)遲鈍，難以實現(xiàn)快速變化的指令信號。,穩(wěn)定性

13、和快速性反映了系統(tǒng)的過渡過程的性能。,控制系統(tǒng)的動態(tài)過程,快： 指控制系統(tǒng)的快速性,3 準確性,當系統(tǒng)結(jié)束過渡過程后，被控量達到穩(wěn)定值（平衡狀態(tài)），這個穩(wěn)定值與期望值的誤差，就是系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。它是衡量系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度的指標，反映了動態(tài)過程后期的性能。,以上分析的穩(wěn)、快、準三方面的性能指標往往由于被控對象的具體情況不同，各系統(tǒng)要求也有所側(cè)重，而且同一個系統(tǒng)的穩(wěn)、快、準的要求是相互制約的。,1.5 控制系統(tǒng)的計算機輔助設(shè)計,控制系統(tǒng)的計算機輔助設(shè)計發(fā)展概況 第一階段：6070年代，采用一個或者幾個控制系統(tǒng)計算程序組成的控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計軟件包。 第二階段：7080年代，功能齊全的用于多變量系統(tǒng)設(shè)

14、計的計算機輔助設(shè)計軟件包。 第三階段：80中期開始，產(chǎn)生仿真軟件MATLAB控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計仿真系統(tǒng)。,控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計的主要內(nèi)容 計算機輔助建立系統(tǒng)模型 數(shù)學模型表示方式之間的相互轉(zhuǎn)換 計算機輔助分析和設(shè)計控制系統(tǒng),數(shù)字仿真實驗采用目前世界上最為流行的計算機仿真軟件MATLAB。它是一個功能十分強大的系統(tǒng)，是集數(shù)值計算、圖形管理、程序開發(fā)為一體的環(huán)境，已經(jīng)成為一種實用的全新計算機高級編程語言。 在歐美大學里，諸如應(yīng)用代數(shù)、數(shù)理統(tǒng)計、自動控制、數(shù)字信號處理、模擬與數(shù)字通信、時間序列分析、動態(tài)系統(tǒng)仿真等課程的教科書都把MATLAB作為內(nèi)容。MATLAB更是研究和解決工程計算問題的一種

15、標準軟件，被用來解決一些實際課題和數(shù)學模型問題。,MATLAB仿真軟件,SIMULINK,在工程實際中，控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)往往很復(fù)雜，如果不借助專用的系統(tǒng)建模軟件，則很難準確地把一個控制系統(tǒng)的復(fù)雜模型輸入計算機，對其進行進一步的分析與仿真。 1990年，Math Works軟件公司為MATLAB提供了新的控制系統(tǒng)模型圖輸入與仿真工具，并命名為SIMULAB，該工具很快就在控制工程界獲得了廣泛的認可，使得仿真軟件進入了模型化圖形組態(tài)階段。但因其名字與當時比較著名的軟件SIMULA類似，所以1992年正式將該軟件更名為SIMULINK。,SIMULINK簡介,SIMULINK是MATLAB軟件的擴展，它是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個軟件包，它與MATLAB語言的主要區(qū)別在于，其與用戶交互接口是基于Windows的模型化圖形輸入。 所謂模型化圖形輸入是指SIMULINK提供了一些按功能分類的基本的系統(tǒng)模塊，用戶只需知道這些模塊的輸入輸出及模塊的功能，而不必考察模塊內(nèi)部是如何實現(xiàn)的，通過對這些基本模塊的調(diào)用，再將它們連接起來就可以構(gòu)成所需要的系統(tǒng)模型（以.mdl文件進行存?。?，進而進行仿真與分析。,SIMULINK是一個進行動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成軟件包。它可以處理的系統(tǒng)包括：線性、非線性系統(tǒng)；離散、連續(xù)及混合系統(tǒng)；單任務(wù)、多任務(wù)離散事件系統(tǒng)。 在SIMULINK環(huán)