自动控制原理（第2版） 第1章绪论_

第 1章 绪论 自动控制原理 ( 第 1章 绪论 课程信息 课程编号： 课程类别：专业必修课 总学时： 64 总学分： 4 考核方式：考试 考试方式：闭卷 总评成绩：以百分制计算，其中平时成绩（包括考勤、作业和测验）占 20%；期末考试卷面成绩占 80%。 第 1章 绪论 1. 自动控制原理 清华大学出版社 2. 自动控制理论 第二版 3. 现代控制工程 三版） 美 卢伯英、于海勋等译 4. 自动控制原理 科学出版社 5. 自动控制原理 清华大学出版社 教材与参考书 第 1章 绪论 自动控制的自然和人造系统 天体自然系统 银 河 系 的 恒 星 运 动 第 1章 绪论 季节自然系统 四 季 气 候 变 更 自动控制的自然和人造系统 第 1章 绪论 自动控制的自然和人造系统 人体自然系统 体温控制系统 心跳控制系统 眼球聚焦系统 新陈代谢系统 血液系统 呼吸系统 肾肝肺系统 这些系统持续的自动控制 是我们保持健康的基本条件 这些系统是在我们非有意 识干预的情况下自动运行的 第 1章 绪论 自动控制的自然和人造系统 人造系统 全自动洗衣机 电冰箱 电饭煲 电梯控制系统 温度控制系统 水位控制 系统 速度控制 系统 刹车防抱死系统 第 1章 绪论 自动控制原理课程的任务与体系结构 一般 概念 系统 模型 性能 指标 第 1章 绪论 自动控制的一般概念 线性系统的时域分析法 线性系统的根轨迹分析法 线性系统的频域分析法 线性系统的校正方法 控制系统的数学模型 线性离散系统的分析与校正 非线性系统的分析 第 1章 绪论 自动控制技术 在工业、农业、国防（尤其是在航天、制导、核能等方面）乃至日常生活和社会科学领域中都起着极其重的作用。如炉温控制、机械手的控制、人造卫星的轨道控制、造纸机卷取系统的张力恒定控制等等。 第 1章 绪论 导弹的控制 使导弹与目标间距离 h（ t) 逐渐减小并趋于零。 第 1章 绪论 神舟飞船 第 1章 绪论 最先进的加工中心 第 1章 绪论 龙门刨床 第 1章 绪论 自动化生产线 第 1章 绪论 电动汽车 第 1章 绪论 为什么要有自动控制 ? 提高劳动生产率 (加工中心 ,生产线 ) 改善生活质量 (汽车 ,新能源 ) 探索未知世界 (宇宙飞船 ,航天飞机 ) 保卫国防 (导弹 ,潜水艇 ) 第一章 绪论 1章 绪论 自动控制系统组成 自动控制理论的发展历史 自动控制系统的性能要求 自动控制系统的分类 第 1章 绪论 自动控制 ，是指在无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地按照预定的规律运行 控制装置或控制器 被控对象 被控量 自动控制系统 ，是由控制器、被控对象等部件为了一定的目的有机的地联接成的一个进行自动控制的整体 。 给定量 动控制系统的一般概念 第 1章 绪论 什么是自动控制理论 ? 自动控制理论 是 自动化学科的重要理论基础。 自动控制理论 是研究自动控制共同规律的（技术）科学。 专门研究有关自动控制系统分析和设计中的 基本概念、基本原理和基本方法 。 “自动控制原理”课程研究控制系统的组成与结构，系统与元件的 数学模型，信号之间的作用与关系，分析系统的性能，改善 系统的性能。 第 1章 绪论 大脑 手阀 池 眼睛 希望液面 高度 际液 面高度 工控制与自动控制 第 1章 绪论 液位控制系统 电动机 阀门 门 速器 电位器 浮子及连杆 进水量 水量 定液位H 电位器 电动机 水箱 给定阻值 Q2 h 浮子 连杆 阀门 a 速器 1 被控对象 H:给定高度 h:实际高度 控制器 比较 装置 测量变送装置 干扰 第 1章 绪论 (1) (信号的引出，箭头表示信号的传递方向。 (2) 比较点 (：它表示两个或两个以上的信号在该处进行的运算， “ ” 表示信号的相减， “ +” 表示信号相加。 (3) 输入信号 (于方框的左端，方框的右端为其输出量，方框内填入部件名称。 执行元件 参考输入 控制变量 被控制量 扰动量 被控对象 控制器 测量元件 偏差 控制系统的框图 引出点 比较点 部件框图 第 1章 绪论 给定装置 比较装置 串联校正装置 比较、放大装置 执行装置 被控对象 反馈校正装置 测量与变送 局部反馈 系统主反馈 干扰 输入值 被控量 检测被控量，将检测值转换为便于处理的信号，再将该信号输入比较装置。 控制系统中所要控制的对象 直接对被控对象作用，以改变被控量的值 将给定量与测量值进行运算得到偏差量 设定与被控量相对应的给定量 在系统中添加的用以改善系统的控制性能的装置 元件的作用 第 1章 绪论 （ 1） 输入信号 :泛指对系统的输出量有直接影响的外界输入信号 ,既包括控制信号又包括扰动信号 。 其中控制信号又称控制量 、 参考输入 、 或给定值 。 （ 2） 输出信号 (输出量 ):是指反馈控制系统中被控制的物理量 ,它与输入信号之间有一定的函数关系 。 （ 3） 反馈信号 :将系统 (或环节 )的输出信号经变换 、 处理送到系统 (或环节 )的输入端的信号 ,称为反馈信号 。 若此信号是从系统输出端取出送入系统输入端 ,这种反馈信号称主反馈信号 。 而其它称为局部反馈信号 。 （ 4） 偏差信号 :控制输入信号与主反馈信号之差 。 控制系统中常用的术语 第 1章 绪论 （ 5） 误差信号 :它指系统输出量的实际值与希望值之差。系统希望值是理想化系统的输出，实际上并不存在 ,它只能用与控制输入信号具有一定比例关系的信号来表示。在单位反馈情况下 ,希望值就是系统的输入信号 ,误差信号等于偏差信号。 （ 6） 扰动信号 ：除控制信号以外 ,对系统的输出有影响的信号。 (7)被控对象 :它是控制系统所控制和操纵的对象 ,它接受控制量并输出被控制量。 (8)控制器 :接收变换和放大后的偏差信号 ,转换为对被控对象进行操作的控制信号。 第 1章 绪论 (9)放大变换环节 :将偏差信号变换为适合控制器执行的信号。它根据控制的形式、幅值及功率来放大变换。 (10)校正装置 :为改善系统动态和静态特性而附加的装置。如果校正装置串联在系统的前向通道中 ,称为串联校正装置 ;如果校正装置接成反馈形式 ,称为并联校正装置 ,又称局部反馈校正。 (11)反馈环节 :它用来测量被控量的实际值 ,并经过信号处理 ,转换为与被控制量有一定函数关系 ,且与输入信号同一物理量的信号。反馈环节一般也称为测量变送环节。 (12)给定环节 :产生输入控制信号的装置。 返回 第 1章 绪论 动控制系统的分类 分类 信息传递路径 输入信号 元件特性 信号形式 开 环 系 统 闭 环 系 统 定 值 系 统 伺 服 系 统 程 序 系 统 线 性 系 统 非 线 性 系 统 连 续 系 统 离 散 系 统 第 1章 绪论 如果系统的输出量没有与其参考输入相比较，即系统的输出与输入量间不存在反馈的通道，这种控制方式叫做开环控制 ( 例子 :调速电风扇 ,直流调速系统 控制装置 输入量 被控制量 干扰量 被控对象 环系统和闭环系统 第 1章 绪论 开环直流调速系统 第 1章 绪论 开环控制的特点： (1)被控量对于控制作用没有任何影响 ， 输出不影响输入 。 对输出不需测量 ， 通常较易实现 。 (2)结构简单 、 所用的元器件少 、 成本低 ， 系统一般也容易稳定 。 (3)组成系统的元件精度高 ， 系统精度才能高 ,成本也随之增加 。 (4)系统没有自行消除或减小误差的功能 。 第 1章 绪论 反馈 )系统 若把系统的被控制量反馈到它的输入端，并与参考输入相比较，这种控制方式叫做闭环控制 ( 从系统中信号流向看 ,系统的输出信号沿反馈通道又回到系统的输入端 ,构成闭合通道 ,故称闭环控制系统 ,或反馈控制系统。 输入量 被控制量 被控对象 控制装置 测量元件 第 1章 绪论 （负）反馈控制 (理 反馈控制原理 ：在自动控制系统中 ， 控制装置对 被控对象 施加的控制作用 ， 是取自被控量的反馈信息 ， 用来不断修正被控量与输入量之间的偏差 ， 从而实现对被控对象进行控制的任务 。 例子 :电冰箱 ,直流调速系统 第 1章 绪论 闭环直流调速系统 因果图 : (第 1章 绪论 闭环控制的特点： （ 1）输出影响输入， 通过闭环控制系统的作用，能自动地消除或削弱干扰信号对被控制量的影响， 使系统达到较高的控制精度。 故 闭环控制系统具有良好的抗扰动性能 ( （ 2） 无论是由于干扰造成 ,还是由于结构参数的变化引起被控量出现偏差 ,系统就利用偏差去纠正偏差 ,故这种控制方式为 按偏差调节 。 第 1章 绪论 （ 3）利用低精度元件可组成高精度系统。 （ 4） 与开环控制系统比较 ,闭环系统的结构比较复杂 ,构造比较困难。 （ 5）由于闭环控制存在反馈信号 ,利用偏差进行控制 ,如果设计得不好 ,将会 发生超调、震荡，使系统无法正常和稳定地工作。 故闭环控制的稳定性很重要。 （ 6）控制系统的精度与系统的稳定性之间常常存在矛盾。 第 1章 绪论 按照输入信号来分类，控制系统可以分为定值控制系统、伺服系统和程序控制系统三类。 定值、伺服和程序控制系统 第 1章 绪论 又称恒值、镇定调节系统 ) 给定值为常值的控制系统称为定值控制系统。 这种系统的任务是保证无论在任何扰动下，使被控参数 (输出 )保持恒定的、希望的数值。在过程控制系统中，一般都要求将过程参数 (如温度、压力、流量、液位和成分等 )维持在工艺给定的状态。 第 1章 绪论 又称随动系统、跟踪系统 ) 给定值 (参考输入 )随时间任意变化的控制系统称为伺服系统 ( 这种系统的任务是在各种情况下保证系统的输出以一定精度跟随参考输入的变化而变化，所以这种系统又称为跟踪系统。导弹发射架控制系统、雷达天线控制系统以及轮舵位置控制系统等都是典型的伺服系统。 当被控量为位置或角度时，伺服系统又称为随动系统。 第 1章 绪论 随动系统实例 1 第 1章 绪论 随动系统实例 2 第 1章 绪论 3. 程序控制系统 若给定值随时间变化有一定的规律，且为事先给定了的时间函数，则称这种系统为程序控制系统。如耐火材料生产中的炉温程序升温、间隙生产的化学反应器温度控制以及机械加工中的数控机床等均属于此类系统。 实际上，程序控制系统是随动系统的一种特殊情况，其分析研究方法也和随动系统相同。 返回 第 1章 绪论 按照描述系统的数学表达式的特性不同来分类，控制系统可以分为线性控制系统和非线性控制系统 (或线性系统和非线性系统 )两类。 线性与非线性控制系统 第 1章 绪论 1. 线性控制系统 若组成控制系统的元件都具有线性特征，则称这种系统为线性控制系统 (这种系统的输入与输出间的关系，一般用微分方程 (传递函数 (描述，也可以用状态空间 (达式来表示。线性系统的主要特点是具有齐次 (和适用叠加原理 (of 第 1章 绪论 如果线性系统中的参数不随时间而变化，则称为线性定常系统 (反之，则称为线性时变系统 ( 22第 1章 绪论 2. 非线性控制系统 在控制系统中，至少有一个元件具有非线性特征，则称该系统为非线性控制系统(非线性系统一般不具有齐次性，也不适用叠加原理，而且它的输出响应 (其初始状态 (很大的关系。 第 1章 绪论 严格地说，绝对的线性特征控制 (或元件 )是不存在的，因为所有的物理系统和元件在不同的程度上都具有非线性特性。为了简化对系统的分析和设计，在一定条件下，可以对某些非线性特性作线性化处理。这样，非线性系统就近似为线性系统，从而可以用分析线性系统的理论和方法对它进行研究。 返回 第 1章 绪论 按照系统传输信号对时间的关系不同来分类，控制系统可以分为连续控制系统和离散控制系统。 连续与离散控制系统 第 1章 绪论 1. 连续控制系统 当系统中各组成环节的输入、输出信号都是时间的连续函数时，称此类系统为连续控制系统(连续系统的运动状态或特性一般用微分方程来描述。模拟式的工业自动化仪表以及用模拟式仪表来实现自动化的过程控制系统都属于连续系统。 第 1章 绪论 2. 离散控制系统 在控制系统各部分的信号中只要有一个是时间则称这种系统为离散控制系统。显然，脉冲 (数码 (属于离散信号。如图 1离散控制系统的运动状态或特性一般用差分方程来描述，其分析研究方法也不同于连续系统。 第 1章 绪论 经典控制理论（ 18世纪起） 大系统理论、智能控制理论 现代控制理论（ 20世纪 60年代） 自动控制理论的发展概况 第 1章 绪论 经典控制理论 主要用于工业控制 现代控制理论 ，主要研究多输入和多输出、时变和非线性等控制系统的分析与设计问题，有线性系统理论、最优控制理论、最佳滤波、自适应控制、系统辩识、随机控制等。主要代表有： 滤波器， 动态规划和 稳定性理论。 大系统理论 和 智能控制理论 ，称为第三代控制理论。 发展初期 20世纪 60年代 目前研究方向 现代控制理论 广泛应用于工 农业、国防及 日常生活 经典控制理论 ，主要以传递函数为数学工具，采用频率方法，研究单输入 单输出的线性定常系统的分析和设计问题，并在工程上比较成功地解决了如恒值控制系统与随动控制系统的设计与实践问题。著名的控制科学家有： 第 1章 绪论 大系统的特征是：规模庞大、结构复杂（环节较多、层次较多或关系复杂）、目标多样、影响因素众多，且常带有随机性的系统。现代控制理论与运筹学相结合的产物。 大系统理论 智能控制 智能控制技术是在向人脑学习的过程中不断发展起来的 ,人脑是一个超级智能控制系统 ,具有实时推理、决策、学习和记忆等功能 ,能适应各种复杂的控制环境。 第 1章 绪论 自动控制系统的任务： 被控量和给定值，在任何时候都相等或保持一个固定的比例关系，没有任何偏差，而且不受干扰的影响 1. 4 自动控制系统的性能要求 第 1章 绪论 自动控制系统的任务： 被控量和给定值，在任何时候都相等或保持一个固定的比例关系，没有任何偏差，而且不受干扰的影响 系统的动态过程 ，也称为 过渡过程 ，是指系统受到外加信号 (给定值或干扰 )作用后，被控量随时间变化的全过程 自动控制的性能指标： 反映系统控制性能优劣的指标，工程上常常从稳定性、快速性、准确性三个方面来评价 控制系统 动态过程的振荡倾向和重新恢复平衡工作状态的能力，是评价系统能否正常工作的重要性能指标 控制系统过渡过程的时间长短，是评价稳定系统暂态性能的指标 控制系统过渡过程结束后，或系统受干扰重新恢复平衡状态时，最终保持的精度，是反映过渡过程后期性能的指标 动控制系统的性能要