第1章 自动控制系统引论

1、 自动控制理论是自动化学科的重要理 论基础，专门研究有关自动控制系统中基 本概念、基本原理和基本方法。本章介绍 了开环控制和闭环控制，控制系统的基本 原理和组成，控制系统的类型，以及对控 制系统的基本要求。 内 容 提 要 开环控制，闭环控制，控制装置， 被控对象 ，稳定性，稳态误差，动态 特性，MATLAB的基础知识。 知 识 要 点 控制的本意: 为了达到某种目的对事物进行 支配、管束、管制、管理、监督、镇压。 自动控制: 在没有人直接参与的情况下，利用外加的 设备或装置（称控制装置或控制器），使机 器、设备或生产过程（被控对象）的某个工 作状态或参数（即被控量）自动地按照预定 的规律运行

2、。 l钢铁轧制：轧出厚度 一致的高精度铁板 （厚度控制，张力控 制） l程控机床：自动进刀 切削，加工出预期的 几何形状。 l工作原理工作原理 以恒温箱控制为例以恒温箱控制为例 1.1.人工控制原理及方块图人工控制原理及方块图 2.2.自动控制原理及方块图自动控制原理及方块图 l观测恒温箱内的温 度（被控量） l与要求的温度（给 定值）进行比较得 到偏差的大小和方 向 l根据偏差的大小和 方向调节调压器， 控制加热电阻丝的 电流以调节温度回 到要求值 如果温度过高如果温度过高 控制手柄使触头左移控制手柄使触头左移 电阻丝中的电流减少电阻丝中的电流减少 温度下降温度下降 直到达直到达 到给定温度

3、到给定温度 如果温度过低如果温度过低 控制手柄使触头右移控制手柄使触头右移 电阻丝中的电流增大电阻丝中的电流增大 温度上升温度上升 直到直到 达到给定温度达到给定温度 如果温度过高如果温度过高 U2增加增加 U1不变不变 U1-U2减小减小 控制手柄使触头左移控制手柄使触头左移 电阻丝中的电流减少电阻丝中的电流减少 温度下降温度下降 直直 到达到给定温度到达到给定温度 如果温度过高低如果温度过高低 U2减小减小 U1不变不变 U1-U2增加增加 控制手柄使触头右移控制手柄使触头右移 电阻丝中的电流增加电阻丝中的电流增加 温度上升温度上升 直直 到达到给定温度到达到给定温度 自动控制和人工控制的

4、基本原理是相同的自动控制和人工控制的基本原理是相同的,它它 们都是建立在们都是建立在“测量偏差测量偏差,修正偏差修正偏差”的基础上的基础上,并并 且为了测量偏差且为了测量偏差,必须把系统的实际输出反馈到输必须把系统的实际输出反馈到输 入端。自动控制和人工控制的区别在于自动控制用入端。自动控制和人工控制的区别在于自动控制用 控制器代替人完成控制。控制器代替人完成控制。总之总之,所谓自动控制就所谓自动控制就 是在没有人直接参与的情况下是在没有人直接参与的情况下,利用控制装置利用控制装置 使被控对象中某一物理量或数个物理量准确使被控对象中某一物理量或数个物理量准确 地按照预定的要求规律变化。地按照预

5、定的要求规律变化。 1)检测温度:由测量元件检测输出量（被控 制量）的实际值。 2)偏差：检测输出量与给定值（输入量） 进行比较,得到偏差的大小和方向。 3)控制：根据偏差的大小和方向产生进控 制调节信号（控制量）去消除偏差，使得 输出量维持期望值。 1.3.1 开环控制 开环控制系统是指无被控量反馈的控制系统开环控制系统是指无被控量反馈的控制系统,即即 需要控制的是被控对象的某一量需要控制的是被控对象的某一量(被控量被控量),而测量的而测量的 只是给定信号只是给定信号,被控量对于控制作用没有任何影响的被控量对于控制作用没有任何影响的 系统。结构如图所示。系统。结构如图所示。 信号由给定值至被

6、控量单向传递。这种控制信号由给定值至被控量单向传递。这种控制 较简单较简单,但有较大的缺陷但有较大的缺陷,即对象或控制装置受到干即对象或控制装置受到干 扰扰,或工作中特性参数发生变化或工作中特性参数发生变化,会直接影响被控量会直接影响被控量, 而无法自动补偿。因此而无法自动补偿。因此,系统的控制精度难以保证。系统的控制精度难以保证。 从另一种意义理解从另一种意义理解,意味着对受控对象和其它控制意味着对受控对象和其它控制 元件的技术要求较高。如数控线切割机进给系统、元件的技术要求较高。如数控线切割机进给系统、 包装机等多为开环控制。包装机等多为开环控制。 1.3.2 闭环控制(反馈控制) 闭环控

7、制的定义是有被控制量反馈的控制闭环控制的定义是有被控制量反馈的控制,其其 原理框如图所示。从系统中信号流向看原理框如图所示。从系统中信号流向看,系统的输系统的输 出信号沿反馈通道又回到系统的输入端出信号沿反馈通道又回到系统的输入端,构成闭合构成闭合 通道通道,故称闭环控制系统故称闭环控制系统,或反馈控制系统。或反馈控制系统。 这种控制方式这种控制方式,无论是由于干扰造成无论是由于干扰造成,还是由于还是由于 结构参数的变化引起被控量出现偏差结构参数的变化引起被控量出现偏差,系统就利用偏系统就利用偏 差去纠正偏差差去纠正偏差,故这种控制方式为按偏差调节。故这种控制方式为按偏差调节。 闭环控制系统的

8、突出优点是利用偏差来纠正偏闭环控制系统的突出优点是利用偏差来纠正偏 差差,使系统达到较高的控制精度。但与开环控制系统使系统达到较高的控制精度。但与开环控制系统 比较比较,闭环系统的结构比较复杂闭环系统的结构比较复杂,构造比较困难。需构造比较困难。需 要指出的是要指出的是,由于闭环控制存在反馈信号由于闭环控制存在反馈信号,利用偏差利用偏差 进行控制进行控制,如果设计得不好如果设计得不好,将会使系统无法正常和将会使系统无法正常和 稳定地工作。另外稳定地工作。另外,控制系统的精度与系统的稳定性控制系统的精度与系统的稳定性 之间也常常存在矛盾。之间也常常存在矛盾。 开环控制和闭环控制方式各有优缺点开环

9、控制和闭环控制方式各有优缺点,在实际工在实际工 程中应根据工程要求及具体情况来决定。如果事程中应根据工程要求及具体情况来决定。如果事 先预知输入量的变化规律先预知输入量的变化规律,又不存在外部和内部参又不存在外部和内部参 数的变化数的变化,则采用开环控制较好。如果对系统外部则采用开环控制较好。如果对系统外部 干扰无法预测干扰无法预测,系统内部参数又经常变化系统内部参数又经常变化,为保证控为保证控 制精度制精度,采用闭环控制则更为合适。如果对系统的采用闭环控制则更为合适。如果对系统的 性能要求比较高性能要求比较高,为了解决闭环控制精度与稳定性为了解决闭环控制精度与稳定性 之间的矛盾之间的矛盾,可

10、以采用开环控制与闭环控制相结合可以采用开环控制与闭环控制相结合 的复合控制系统。的复合控制系统。 典型闭环（反馈）控制系统的原理如图所示典型闭环（反馈）控制系统的原理如图所示 (1)被控对象被控对象:它是控制系统所控制和操纵的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。它接受控制量并输出被控制量。 (2)控制器控制器:接收变换和放大后的偏差信号接收变换和放大后的偏差信号,转换为转换为 对被控对象进行操作的控制信号。对被控对象进行操作的控制信号。 (3)放大变换环节放大变换环节:将偏差信号变换为适合控制器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

11、执行的信号。它根据控制的形式、幅值及功率来 放大变换。放大变换。 (4)校正装置校正装置:为改善系统动态和静态特性而附加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, 称为串联校正装置称为串联校正装置;如果校正装置接成反馈形式如果校正装置接成反馈形式, 称为并联校正装置称为并联校正装置,又称局部反馈校正。又称局部反馈校正。 (5)反馈环节反馈环节:它用来测量被控量的实际值它用来测量被控量的实际值,并经过并经过 信号处理信号处理,转换为与被控制量有一定函数关系转换为与被控制量有一定函数关系,且且 与输入信号同一物理量的信号。

12、反馈环节一般也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。称为测量变送环节。 (6)给定环节给定环节:产生输入控制信号的装置。产生输入控制信号的装置。 (1)输入信号输入信号:泛指对系统的输出量有直接影响的外界泛指对系统的输出量有直接影响的外界 输入信号输入信号,既包括控制信号又包括扰动信号。其中控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。制信号又称控制量、参考输入、或给定值。 (2)输出信号输出信号(输出量输出量):是指反馈控制系统中被控制的是指反馈控制系统中被控制的 物理量物理量,它与输入信号之间有一定的函数关系。它与输入信号之间有一定的

13、函数关系。 (3)反馈信号反馈信号:将系统将系统(或环节或环节)的输出信号经变换、处的输出信号经变换、处 理送到系统理送到系统(或环节或环节)的输入端的信号的输入端的信号,称为反馈信号。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若此信号是从系统输出端取出送入系统输入端,这种这种 反馈信号称主反馈信号。而其它称为局部反馈信号。反馈信号称主反馈信号。而其它称为局部反馈信号。 控制系统中常用的名词术语控制系统中常用的名词术语 ： (4)偏差信号偏差信号:控制输入信号与主反馈信号之差。控制输入信号与主反馈信号之差。 (5)误差信号误差信号:它指系统输出量的实际值与希望值之它指系统输出量的

14、实际值与希望值之 差。系统希望值是理想化系统的输出，实际上并差。系统希望值是理想化系统的输出，实际上并 不存在不存在,它只能用与控制输入信号具有一定比例关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。在单位反馈情况下系的信号来表示。在单位反馈情况下,希望值就是希望值就是 系统的输入信号系统的输入信号,误差信号等于偏差信号。误差信号等于偏差信号。 (6)扰动信号扰动信号:除控制信号以外除控制信号以外,对系统的输出有影对系统的输出有影 响的信号。响的信号。 1.5.1 按信号流向划分 1.开环控制系统开环控制系统 信号流动由输入端到输出端单向流动。信号流动由输入端到输出端单向流动。 2.闭

15、环控制系统闭环控制系统 若控制系统中信号除从输入端到输出端外若控制系统中信号除从输入端到输出端外, 还有输出到输入的反馈信号还有输出到输入的反馈信号,则构成闭环控制系则构成闭环控制系 统统,也称反馈控制系统也称反馈控制系统, 如如图图所示。所示。 1.5.2 按系统输入信号划分 1.恒值调节系统恒值调节系统(自动调节系统自动调节系统) 这种系统的特征是输入量为一恒值这种系统的特征是输入量为一恒值,通常称为系通常称为系 统的给定值。控制系统的任务是尽量排除各种干扰统的给定值。控制系统的任务是尽量排除各种干扰 因素的影响因素的影响,使输出量维持在给定值使输出量维持在给定值(期望值期望值)。如工。如

16、工 业过程中恒温、恒压、恒速等控制系统。业过程中恒温、恒压、恒速等控制系统。 2.随动系统随动系统(跟踪系统跟踪系统,伺服系统伺服系统) 该系统的控制输入量是一个事先无法确定的任意该系统的控制输入量是一个事先无法确定的任意 变化的量变化的量,要求系统的输出量能迅速平稳地复现或要求系统的输出量能迅速平稳地复现或 跟踪输入信号的变化。如雷达天线的自动跟踪系统跟踪输入信号的变化。如雷达天线的自动跟踪系统 和高炮自动描准系统就是典型的随动系统。和高炮自动描准系统就是典型的随动系统。 3.程序控制系统程序控制系统 系统的控制输入信号不是常值系统的控制输入信号不是常值,而是事先确而是事先确 定的运动规律定

17、的运动规律,编成程序装在输入装置中编成程序装在输入装置中,即控制即控制 输入信号是事先确定的程序信号输入信号是事先确定的程序信号,控制的目的是控制的目的是 使被控对象的被控量按照要求的程序动作。如使被控对象的被控量按照要求的程序动作。如 数控车床就属此类系统。数控车床就属此类系统。 1.5.3 线性系统和非线性系统 组成系统元器件的特性均为线性的组成系统元器件的特性均为线性的,可用一个或可用一个或 一组线性微分方程来描述系统输入和输出之间的关一组线性微分方程来描述系统输入和输出之间的关 系。线性系统的主要特征是具有齐次性和叠加性。系。线性系统的主要特征是具有齐次性和叠加性。 1.线性系统线性系

18、统 2.非线性系统非线性系统 在系统中只要有一个元器件的特性不能用线性在系统中只要有一个元器件的特性不能用线性 微分方程描述其输入和输出关系微分方程描述其输入和输出关系,则称为非线性系则称为非线性系 统。非线性系统还没有一种完整、成熟、统一的分统。非线性系统还没有一种完整、成熟、统一的分 析法。通常对于非线性程度不很严重析法。通常对于非线性程度不很严重,或做近似分或做近似分 析时析时,均可用线性系统理论和方法来处理。非线性均可用线性系统理论和方法来处理。非线性 系统分析将在第八章专门讨论。系统分析将在第八章专门讨论。 1.5.4 定常系统和时变系统 1.定常系统定常系统 如果描述系统特性的微分

19、方程中各项系数都如果描述系统特性的微分方程中各项系数都 是与时间无关的常数是与时间无关的常数,则称为定常系统。该类系统则称为定常系统。该类系统 只要输入信号的形式不变只要输入信号的形式不变,在不同时间输入下的输在不同时间输入下的输 出响应形式是相同的。出响应形式是相同的。 2.时变系统时变系统 如果描述系统特性的微分方程中只要有一如果描述系统特性的微分方程中只要有一 项系数是时间的函数项系数是时间的函数,此系统称为时变系统。此系统称为时变系统。 1.5.5 连续系统和离散系统 1.连续系统连续系统 系统中所有元件的信号都是随时间连续变化的系统中所有元件的信号都是随时间连续变化的,信信 号的大小

20、均是可任意取值的模拟量号的大小均是可任意取值的模拟量,称为连续系统称为连续系统。 2.离散系统离散系统 离散系统是指系统中有一处或数处的信号是脉离散系统是指系统中有一处或数处的信号是脉 冲序列或数码。若系统中采用了采样开关冲序列或数码。若系统中采用了采样开关,将连续将连续 信号转变为离散的脉冲形式的信号信号转变为离散的脉冲形式的信号,此类系统称为此类系统称为 采样控制系统或脉冲控制系统。若采用数字计算机采样控制系统或脉冲控制系统。若采用数字计算机 或数字控制器或数字控制器,其离散信号是以数码形式传递的其离散信号是以数码形式传递的,此此 类系统称为数字控制系统。类系统称为数字控制系统。 1.5.

21、6 单输入单输出系统与多输入多输出系统 1.单输入单输出系统单输入单输出系统(单变量系统单变量系统SISOSISO) 系统的输入量和输出量各为一个系统的输入量和输出量各为一个,称为单输入称为单输入 单输出系统。单输出系统。 2.多输入多输出系统多输入多输出系统(多变量系统多变量系统MIMOMIMO) 若系统的输入量和输出量多于一个若系统的输入量和输出量多于一个,称为多输入称为多输入 多输出系统。对于线性多输入多输出系统多输出系统。对于线性多输入多输出系统,系统的任系统的任 何一个输出等于数个输入单独作用下输出的叠加。何一个输出等于数个输入单独作用下输出的叠加。 自动控制系统是否能很好地工作自动

22、控制系统是否能很好地工作,是否能精确地是否能精确地 保持被控量按照预定的要求规律变化这取决于被控保持被控量按照预定的要求规律变化这取决于被控 对象和控制器及各功能元器件的特性参数是否设计对象和控制器及各功能元器件的特性参数是否设计 得当。得当。 在理想情况下在理想情况下,控制系统的输出量和输入量控制系统的输出量和输入量,在任何时在任何时 候均相等候均相等,系统完全无误差系统完全无误差,且不受干扰的影响。且不受干扰的影响。实际系实际系 统中统中,由于各种各样原因由于各种各样原因,系统在受到输入信号系统在受到输入信号(也包括也包括 扰动信号扰动信号)的激励时的激励时,被控量将偏离输入信号作用前的被

23、控量将偏离输入信号作用前的 初始值初始值,经历一段动态过程经历一段动态过程(过渡过程过渡过程),则系统控制性能则系统控制性能 的优劣的优劣,可以从动态过程中较充分地表现出来。可以从动态过程中较充分地表现出来。 1.6.1 稳定性(稳) 控制精度是衡量系统技术性能的重要尺度。控制精度是衡量系统技术性能的重要尺度。 一个高品质的系统一个高品质的系统,在整个运行过程中在整个运行过程中,被控量对被控量对 给定值的偏差应该是最小的。给定值的偏差应该是最小的。考虑动态过程在不考虑动态过程在不 同阶段中的特点同阶段中的特点,工程上通常从工程上通常从稳、准、好三个方稳、准、好三个方 面来衡量自动控制系统。面来

24、衡量自动控制系统。 稳定稳定工作是所有自动控制系统的工作是所有自动控制系统的最基本要求最基本要求, 是系统能否工作的前题。不稳定的系统根本无法是系统能否工作的前题。不稳定的系统根本无法 完成控制任务。考虑到实际系统工作环境或参数完成控制任务。考虑到实际系统工作环境或参数 的变动的变动,可能导致系统不稳定可能导致系统不稳定,因此因此,我们除要求系我们除要求系 统稳定外统稳定外,还要求其具有一定的还要求其具有一定的稳定裕量稳定裕量。 1.6.3 动态过程(好) 稳态精度是指系统过渡到新的平衡工作状态以后稳态精度是指系统过渡到新的平衡工作状态以后, 或系统对抗干扰重新恢复平衡后或系统对抗干扰重新恢复

25、平衡后,最终保持的精度。最终保持的精度。 稳态精度与控制系统的结构及参数稳态精度与控制系统的结构及参数,输入信号形式有输入信号形式有 关关。 动态过程是指控制系统的被控量在输入信号作用动态过程是指控制系统的被控量在输入信号作用 下随时间变化的全过程下随时间变化的全过程,衡量动态过程的品质好坏常采衡量动态过程的品质好坏常采 用单位阶跃信号作用下过渡过程中的超调量用单位阶跃信号作用下过渡过程中的超调量,过渡过程过渡过程 时间等性能指标。时间等性能指标。 前期控制前期控制 古典控制理论古典控制理论( (经典控制经典控制) ) 自动控制理论自动控制理论 现代控制理论现代控制理论 古典控制理论古典控制理

26、论: :以传递函数为基础以传递函数为基础, ,研究单输入研究单输入, , 单输出一类控制系统的分析和设计问题。单输出一类控制系统的分析和设计问题。 现代控制理论：以状态空间法为基础现代控制理论：以状态空间法为基础, ,研究多研究多 输入输入, ,多输出，变参数，非线性，高精度，高多输出，变参数，非线性，高精度，高 效能等一类控制系统的分析和设计问题效能等一类控制系统的分析和设计问题。 l美国的美国的H.Hazen 发表发表“关于伺服结构理论关于伺服结构理论” 并在并在MIT建立伺服结构实验室。建立伺服结构实验室。 l贝尔实验室的贝尔实验室的Bode 及及 Nyquist提出频率响应提出频率响应

27、 法。法。 l美国美国MIT的的Wiener提出滤波理论，发表控制提出滤波理论，发表控制 论论标志着控制论学科的诞生。标志着控制论学科的诞生。 l贝尔实验室贝尔实验室Bode领导的火炮控制系统发表领导的火炮控制系统发表 通信的数字理论通信的数字理论奠定信息论的基础。奠定信息论的基础。 lEvans提出根轨迹法，开始提出根轨迹法，开始SISO为对象的为对象的 经典控制研究工作。经典控制研究工作。 l多本有关经典控制的名著出现：多本有关经典控制的名著出现： .Smith的的自动控制工程自动控制工程 ； .钱学森的钱学森的工程控制论工程控制论. 本课程的主要内容是阐述构成、分析和设计自本课程的主要内

28、容是阐述构成、分析和设计自 动控制系统的基本理论。对实际系统动控制系统的基本理论。对实际系统,建立研究问题建立研究问题 的数学模型的数学模型,进而利用所建立的数学模型来讨论构成、进而利用所建立的数学模型来讨论构成、 分析、综合自动控制系统的基本理论和方法。分析、综合自动控制系统的基本理论和方法。 作为研究自动控制系统的分析与综合的方法来作为研究自动控制系统的分析与综合的方法来 说说,对单输入单输出系统常采用的是时域法对单输入单输出系统常采用的是时域法,频域法频域法, 根轨迹法以及目前广泛应用的计算机辅助设计根轨迹法以及目前广泛应用的计算机辅助设计。 1.9.1 造纸机分部传动控制系统 如图所示

29、。含有大量水分的纸张经过第一压榨如图所示。含有大量水分的纸张经过第一压榨 棍后，去掉了一部分含水量，然后再进入第二压榨棍后，去掉了一部分含水量，然后再进入第二压榨 棍，再榨去一部分水分。第一和第二压榨棍分别由棍，再榨去一部分水分。第一和第二压榨棍分别由 各自的电动机拖动，显然两个压榨棍的转速必须协各自的电动机拖动，显然两个压榨棍的转速必须协 调，否则将会拉断纸页或出现叠堆。调，否则将会拉断纸页或出现叠堆。 自动控制系统中压榨棍拖动电动机自动控制系统中压榨棍拖动电动机M的转速由的转速由 测速发电机测速发电机TG检测出来，并转换为速度反馈电压检测出来，并转换为速度反馈电压Uf。 参考电压参考电压U

30、r，与反馈电压与反馈电压Uf相比较得偏差电压相比较得偏差电压Ur- Uf，经过放大去控制拖动电机的转速，达到两个压经过放大去控制拖动电机的转速，达到两个压 榨棍的转速协调。榨棍的转速协调。 1.9.2 谷物湿度控制系统 如图所示。我们知道谷物含水量直接影响面粉产如图所示。我们知道谷物含水量直接影响面粉产 量，谷物在混合成磨料前要先湿润，存在一个谷物量，谷物在混合成磨料前要先湿润，存在一个谷物 出粉最多的湿度，谷物湿度可通过加水来调整。实出粉最多的湿度，谷物湿度可通过加水来调整。实 际中输入谷物的水分，谷物流量和水压均是变化不际中输入谷物的水分，谷物流量和水压均是变化不 定的，为努力消除扰动的影响，可在上部加一水箱定的，为努力消除扰动的影响，可在上部加一水箱 以保证供水压力不变，可以加一个送料漏斗以维持以保证供水压力不变，可以加一个送料漏斗以维