1、2022年9月24日第一章 自動控制系統的基本概念1自動控制原理 Principles of Automatic Control 主講人：朱高偉2022年9月24日第一章 自動控制系統的基本概念自動控制原理電氣自動化專業特點1、強弱電結合2、電工技術與電子技術相結合3、軟件硬件相結合4、電力、電子、控制、計算機多學科綜合的“寬口徑”專業 2022年9月24日第一章 自動控制系統的基本概念自動控制原理電氣自動化專業就業方向1、電力系統 高電壓設備的設計、開發、生產、管理、運行、維護 輸變電工程師、注冊電氣工程師 2、電氣技術方向 電氣測量、控制技術、控制領域裝置與系統的開發與設計工作。3、應用電

2、子方向 2022年9月24日第一章 自動控制系統的基本概念自動控制原理電氣自動化專業具體的就業方向1、電廠（包括各個公司，工廠的配電室）2、軟件開發（特別是單片機或EDA等）3、PLC（大體是工控方向，搭建操作平臺等）4、各個礦山，或金屬冶煉場所（進行自動化設備的維護，操作等）5、去學校當老師6、做銷售工作（賣自己專業相關的東西）7、公務員（每個專業都可以）8、xxx研究所9、產品設計，硬件電路設計 10、自主創業（有了一定了經濟和經驗積累） 2022年9月24日第一章 自動控制系統的基本概念自動控制原理電氣自動化專業要求1、學好書本知識多關注業界資訊，相關行業，專業論壇2、加強動手能力二手市

3、場、電子市場，淘，組裝，DIY2022年9月24日第一章 自動控制系統的基本概念自動控制原理電力電氣領域大型公司介紹電力系統單位：發電企業、供電企業、電氣設備制造公司、電力設計院、電力規劃院、電力建設、電力科研開發等部門五大國有發電集團：中國華能集團、中國大唐集團、中國華電集團、中國國電集團、中國電力投資集團兩大電網公司：國家電網公司、南方電網公司電氣設備制造企業：上海電氣電站、新疆特變電工等外企：SIEMENS、ABB、SCHNEIDER、AREVA、VESTAS等 2022年9月24日第一章 自動控制系統的基本概念自動控制原理課程基本信息適用專業 ：電氣自動化、測控技術及儀器 /電子信息工

4、程、通信工程 課程性質 ：技術基礎課 課程類型 ：必修課 學 時 ：講課學時 （56/4） 為什么要選電氣自動化專業？ 2022年9月24日第一章 自動控制系統的基本概念自動控制原理課程的主要內容第1章 自動控制系統的基本概念(4)第2章 拉普拉斯變換及其應用（4）第3章 自動控制系統的數學模型(10)第4章 自動控制系統的時域分析(14)第5章 自動控制系統的頻域分析（14）第6章 控制系統的校正及綜合(10)2022年9月24日第一章 自動控制系統的基本概念 自動控制原理 自動控制是一門技術學科，從方法論的度來研究系統的建立、分析與設計。自動控制原理是本學科的技術基礎課。理論性強、抽象、涉

5、及數學知識多,所以上課要認真聽講。課程的性質和特點：考核方法：平時30分（作業、測驗、考勤、紀律）考試70分2022年9月24日第一章 自動控制系統的基本概念自動控制原理自動控制原理電路理論電機與拖動大學物理信號與系統復變函數拉氏變換模擬電子技術線性代數微積分各 類專業課線性系統現代控制理論本課程與其它課程的關系2022年9月24日第一章 自動控制系統的基本概念 自動控制原理第一階段：古典控制理論（20世紀4060年代） Classical Control Theory第二階段：現代控制理論（20世紀6070年代） Modern Control Theory第三階段：智能控制理論（20世紀70

6、年代 今） Intelligent Control Theory 自動控制理論的發展歷程控制理論是研究有關自動控制共同規律的一門科學。基于數學模型2022年9月24日第一章 自動控制系統的基本概念古典控制理論（20世紀4060年代）主要解決問題：單輸入單輸出（SISO）系統的控制問題。主要方法：以傳函為數學模型，以拉氏變換數學工具，時域分析法、根軌跡法、頻率法。 主要研究對象：SISO，線性定常（LTI），非線性系統，離散系統。以傳遞函數為基礎研究SISO系統的控制問題。 主要代表人物：伯德，奈奎斯特，伊文思。Single Input Single Output Linear Time Inv

7、ariable2022年9月24日第一章 自動控制系統的基本概念以狀態空間法為基礎，研究MIMO、非線性、時變系統的分析和設計。現代控制理論（20世紀6070代）解決問題：單輸入單輸出SISO、多入多出MIMO主要方法：狀態空間法。采用狀態方程作為數學模型研究對象：線性定常，時變，非線性系統，離散系統主要內容：最優控制理論，系統辯識，最優估計主要代表人物：卡爾曼，貝爾曼，龐科里亞金Multi-input Multi- output 2022年9月24日第一章 自動控制系統的基本概念智能控制理論（20世紀70年代 今）以人工智能為基礎主要方法：研究對象：研究具有模糊性，不確定性，不完全性，隨機性

8、的系統。主要內容：專家系統，模糊控制，學習控制. 以人工智能為基礎研究具有模糊性、不確定性，不完全性和偶然性的系統。非模型解決問題：模型不完全確定，或模型未知。2022年9月24日第一章 自動控制系統的基本概念15第一章 自動控制系統的基本概念電氣自動化教研室 朱高偉2022年9月24日第一章 自動控制系統的基本概念第一章 自動控制系統的基本概念主要內容開環控制系統與閉環控制系統閉環控制系統的組成和基本環節自動控制系統的類型自動控制系統的性能指標小結2022年9月24日第一章 自動控制系統的基本概念第一章 自動控制系統的基本概念學習重點了解自動控制系統的基本結構和特點及其工作原理； 了解閉環控

9、制系統的組成和基本環節； 掌握反饋控制系統的基本要求及反饋控制系統的作用；學會分析自動控制系統的類型及本質特征。2022年9月24日第一章 自動控制系統的基本概念1.1 開環控制系統和閉環控制系統自動控制自動控制是在沒有人的直接干預下，利用物理裝置對生產設備和工藝過程進行合理的控制，使被控制的物理量保持恒定或者按照一定的規律變化。2022年9月24日第一章 自動控制系統的基本概念1.1 開環控制系統和閉環控制系統 人工控制 自動控制電飯煲空調抽水馬桶自動檔汽車的駕駛全自動洗衣機軋鋼廠加熱爐溫度的控制煤氣灶蒸飯手排檔汽車的駕駛自行車的速度控制收音機的音量調節。2022年9月24日第一章 自動控制

10、系統的基本概念1.1 開環控制系統和閉環控制系統系統 完成一定任務的一些元、部件的組合。自動控制系統為完成某一自動控制目標或控制任務所需要的所有元件、物理裝置或設備的有機組合。2022年9月24日第一章 自動控制系統的基本概念工業系統根據有無反饋作用可分為： 開環控制系統閉環控制系統 1.1 開環控制系統和閉環控制系統2022年9月24日第一章 自動控制系統的基本概念1-自耦變壓器 2-電阻爐（被控對象） 1.1.1 開環控制系統 例1-1. 溫度控制系統T控制過程：輸入,控制量輸出,被控量系統 組成：1.1 開環控制系統和閉環控制系統控制目標：要求爐子的溫度恒定在期望的數值上。2022年9月

11、24日第一章 自動控制系統的基本概念被控量（輸出量）output系統要控制的物理量。被控對象 plant 被控量所對應的控制裝置或過程。 工業爐 擾動量 disturbance當輸入不變時使得輸出發生 變化的 量。如：環境溫度、開門次數、電壓 波動。給定量或控制量 （輸入量）input決定被控量的物理量。1.1 開環控制系統和閉環控制系統專 業 術 語2022年9月24日第一章 自動控制系統的基本概念1.1 開環控制系統和閉環控制系統12擾動量給定量輸出量 1 - 執行器(自耦變壓器) 2 - 被控對象(電阻爐)圖中：2022年9月24日第一章 自動控制系統的基本概念1.1 開環控制系統和閉環

12、控制系統 （1）開環控制 只有輸入量對輸出量產生控制作用，輸出量不參與對系統的控制。開環控制是不是自動控制？開環控制舉例！ （2）開環控制特點 輸入控制輸出（輸入量與輸出量一一對應），結構簡單 輸出不參與控制（信號傳遞是單方向的） 系統沒有抗干擾能力，控制精度不高。2022年9月24日第一章 自動控制系統的基本概念1.1 開環控制系統和閉環控制系統2.閉環控制系統例1-2 溫度閉環控制系統（1）人工閉環控制220V12uc人的功能用一些物理裝置來實現反饋2022年9月24日第一章 自動控制系統的基本概念 控制目標：要求爐子的溫度恒定在期望的數 值上。 控制過程：1.1 開環控制系統和閉環控制系

13、統2022年9月24日第一章 自動控制系統的基本概念1.1 開環控制系統和閉環控制系統（2）自動閉環控制溫度閉環控制系統圖 1-熱電偶 2-加熱器哪個量是系統的輸入？2022年9月24日第一章 自動控制系統的基本概念1.1 開環控制系統和閉環控制系統 圖1-4 閉環控制結構示意圖 1-控制器 2-控制對象 3-檢測裝置前向通道反向通道2022年9月24日第一章 自動控制系統的基本概念（1）閉環控制（反饋控制）系統輸出信號與測量元件之間存在反饋回路的系統叫閉環控制系統。閉環控制系統也叫反饋控制系統。“閉環” 的含義就是將輸出信號通過測量元件反饋到系統的輸入端，通過比較、控制來減小系統誤差。反饋信

14、號與給定信號極性相反為負反饋，反之為正反饋。1.1 開環控制系統和閉環控制系統2022年9月24日第一章 自動控制系統的基本概念1.1 開環控制系統和閉環控制系統（2）閉環（反饋）控制特點輸入控制輸出（輸入量與輸出量一一對應）輸出參與控制（信號雙方向），反饋，結構復雜 控制精度高，自動糾正偏差，具有抗干擾能力。2022年9月24日第一章 自動控制系統的基本概念Input (set point)-輸入量、給定量、設定量Output-輸出量、被控量Feedback-反饋 Disturbance-擾動量Plant (object)-被控對象Controller-控制器Sensor-檢測裝置、傳感器D

15、esiredOutput -理想輸出，期望輸出ctual Output-實際輸出1.1 開環控制系統和閉環控制系統2022年9月24日第一章 自動控制系統的基本概念1.2 閉環控制系統的組成和基本環節1.閉環控制系統的結構（示意）圖 1-給定環節；2-比較環節；3-校正環節；4-放大環節；5-執行機構；6-被控對象；7-檢測裝置2022年9月24日第一章 自動控制系統的基本概念1.2 閉環控制系統的組成和基本環節2.閉環控制系統的基本環節（1）檢測環節或傳感器其職能是檢測被控制的物理量，并將其轉換為與給定量相同的物理量。如果這個物理量是非電量，一般轉換為電量。例如：測速發電機是用于檢測電動機軸

16、的速度并轉換為電壓；自整角機等是用于檢測角度并轉換為電壓； 熱電偶是用于檢測溫度并轉換為電壓等。2022年9月24日第一章 自動控制系統的基本概念1.2 閉環控制系統的組成和基本環節（）給定環節其職能是給出與期望的被控量相對應的系統輸入量。如：給定電位器。（）比較環節將所檢測的被控制量的實際值與給定環節給出的設定值進行比較，確定兩者之間的偏差量。如：差動放大器、機械差動裝置和電橋。2022年9月24日第一章 自動控制系統的基本概念1.2 閉環控制系統的組成和基本環節（4）放大環節將比較環節給出的偏差進行放大，用來推動執行元件去控制被控對象。如：電壓偏差信號，可用電子管、晶體管、集成電路、晶閘管

17、等組成的電壓放大器和功率放大器加以放大 。2022年9月24日第一章 自動控制系統的基本概念1.2 閉環控制系統的組成和基本環節（）執行機構直接推動被控對象，使其被控量發生變化 ，達到所要求的數值。一般由傳動裝置和調節機構組成。如：閥、電動機、液壓馬達等。（）被控對象 要進行控制的設備或過程。電爐，電機。2022年9月24日第一章 自動控制系統的基本概念1.2 閉環控制系統的組成和基本環節（）校正環節（補償 環節）其結構或參數便于調整，按某種規律對偏差信號進行運算，作用于執行機構，以改善系統性能。最簡單的校正元件是由電阻、電容組成的無源或有源網絡，復雜的則用電子計算機。 在控制系統中，常把比較

18、環節、校正環節和放大裝置和在一起稱為控制器。2022年9月24日第一章 自動控制系統的基本概念1.2 閉環控制系統的組成和基本環節閉環控制系統的結構（示意）圖 1-給定環節；2-比較環節；3-校正環節；4-放大環節；5-執行機構；6-被控對象；7-檢測裝置要求精度要高控制器 2022年9月24日第一章 自動控制系統的基本概念1.2 閉環控制系統的組成和基本環節2022年9月24日第一章 自動控制系統的基本概念1.3 自動控制系統類型1.按照組成系統元件的輸入輸出特性劃分1）線性系統 linear system特點：a.系統由線性元件構成，系統的運動規律可用線性微分方程來描述。稱為線性定常系統（

19、）。線性微分方程中輸出量及其各階導數都是一次的，并且各系數與輸入量無關。2022年9月24日第一章 自動控制系統的基本概念b. 滿足齊次性和疊加原理。(是判別是否為線 性系統的根據)若系統方程中系數不是常數則稱為線性時變系統。齊次性疊加原理1.3 自動控制系統類型2022年9月24日第一章 自動控制系統的基本概念1.3 自動控制系統類型2）非線性系統 nolinear system 在構成系統的環節中有一個或一個以上的 非線性環節時，則稱此系統為非線性系統。特點：由非線性微分方程描述的系統稱為非線性系 統。不滿足齊次性和疊加原理.非線性的理論研究遠不如線性系統那么完整，目前尚無通用的方法可以解

20、決各類非線性系統，一直是控制理論界研究的熱點.2022年9月24日第一章 自動控制系統的基本概念1.3 自動控制系統類型理想飽和特性 理想繼電特性 死區特性 2022年9月24日第一章 自動控制系統的基本概念1.3 自動控制系統類型2.按照系統傳遞信號的性質劃分1）連續數據系統特點：系統各部分信號都是模擬的連續函數。目前工業中普遍采用的常規儀表PID調節器控制的系統。開環控制系統及閉環控制系統也是連續系統。2）離散數據系統特點：系統的一處或幾處，信號是以脈沖序列或數碼的形式傳遞。其中離散信號以脈沖形式傳遞的系統又叫脈沖控制系統，離散信號以數碼形式傳遞的系統又叫數字控制系統。 2022年9月24

21、日第一章 自動控制系統的基本概念1.3 自動控制系統類型2022年9月24日第一章 自動控制系統的基本概念1.3 自動控制系統類型3.按照輸入量的變化規律劃分1）恒值系統（或自動調節系統） 特點：輸入量是恒定不變。如恒溫、恒壓、恒速等。2）程序控制系統（或過程控制系統）特點：輸入信號是一個已知的函數。系統的控制過程按預定的程序進行，要求被控量能迅速準確地復現輸入，如化工中的壓力、溫度、流量控制、數控機床，電梯等。 恒值控制系統可看成輸入等于常值的過程控制系統。2022年9月24日第一章 自動控制系統的基本概念1.3 自動控制系統類型3）隨動系統（或稱伺服系統） 特點：輸入信號是一個未知函數。要

22、求控制系統的輸出量跟隨輸入信號變化。如：火炮自動跟蹤系統、配鑰匙等 該系統要求有較好的跟蹤能力。 三系統具有共同特征：即輸出跟隨輸入。這是控制系統的本質特征。2022年9月24日第一章 自動控制系統的基本概念1.3 自動控制系統類型火炮自動跟蹤系統“火炮打飛機” 2022年9月24日第一章 自動控制系統的基本概念從系統結構角度來劃分： 開環控制系統和閉環控制系統。從系統輸入輸出量的個數來劃分: SISO系統和MIMO系統。從控制目的角度來劃分： 溫度控制系統、位置控制系統、速度控制系統等。1.3 自動控制系統類型2022年9月24日第一章 自動控制系統的基本概念1.4 自動控制系統的性能指標穩

23、（穩定性）、快（快速性）、準（準確性） “穩”與“快”描述系統的暫態（過渡過程）品質。 “準”描述系統的穩態（靜態）品質。 對自動控制系統的基本要求暫態（動態）過程：被控量處于變化狀態的過程。（系統的過渡過程產生的原因 ： 系統中儲能元件的能量不可能突變。）穩態（靜態）過程：被控量處于相對穩定的狀態。2022年9月24日第一章 自動控制系統的基本概念1.4 自動控制系統的性能指標 當擾動作用（或給定值發生變化）時，輸出量將偏離原來的穩態值，這時由于反饋的作用，通過系統內部的自動調節，系統可能回到或接近原來的穩態值（或跟隨給定值）穩定下來（如圖a），稱這樣的系統為穩定系統，反之，不穩定系統的輸出

24、（如圖b） 。穩定性是保證控制系統正常工作的必備條件。穩定性，通常由系統的結構決定與外界因素無關。1. 穩-穩定性，平穩性2022年9月24日第一章 自動控制系統的基本概念1.4 自動控制系統的性能指標2. 快-快速性，暫態性能指標即指過渡過程的快速性。對過渡過程的形式和快慢提出要求，一般稱為暫態（或動態）性能。 最大超調量調整時間2022年9月24日第一章 自動控制系統的基本概念1.4 自動控制系統的性能指標3.準-準確性，穩態性能指標 用穩態誤差表示。過渡過程結束后，系統的實際輸出與期望輸出之差即為穩態誤差。顯然，這種誤差越小，表示系統的輸出跟隨參考輸入的精度越高跟蹤能力，對擾動的抑制能力

25、越強。 2022年9月24日第一章 自動控制系統的基本概念1.4 自動控制系統的性能指標有差系統（圖a） 若穩態誤差不為零，則系統稱為有差系統。無差系統（圖b） 若穩態誤差為零，則系統稱為無差系統。(a)(b)2022年9月24日第一章 自動控制系統的基本概念1.4 自動控制系統的性能指標例：閉環調速系統，試分析該系統是有差還是誤差的。2022年9月24日第一章 自動控制系統的基本概念1.4 自動控制系統的性能指標2022年9月24日第一章 自動控制系統的基本概念小 結1. 開環控制系統結構簡單、穩定性好，但不能自動補償擾動對輸出量的影響（即抗干擾能力差或魯棒性差）。當系統擾動量產生的偏差可以預先進行補