第一章控制系统导论

1、 自动控制原理 王春om 1 1 本学期课程安排 2 2 教材：胡寿松，自动控制原理简明教程(第二版)，科学出版社 课程内容：第一章第六章 课程总学时：48, 48, 其中实验：6 6 参考文献： 黄坚：黄坚：自动控制及其应用自动控制及其应用高等教育出版社高等教育出版社2004.1 高国淼高国淼:自动控制原理，华南理工出版社自动控制原理，华南理工出版社 刘慧英：刘慧英：自动控制原理导教、导学、导考自动控制原理导教、导学、导考西北工大出版社西北工大出版社2003 胡寿松，自动控制原理习题集，科学出版社胡寿松，自动控制原理习题集，科学出版社 课程教学网站：课程教学网站：

2、泰山学院教务处泰山学院教务处/省级精品课程省级精品课程/电子技术应用与创新系列课程：自动控制原理电子技术应用与创新系列课程：自动控制原理 http:/ 西北工业大学、东北大学（薛定宇教授西北工业大学、东北大学（薛定宇教授Matlab大观园）大观园） 中国自控网：中国自控网：http:/ 课程学习指导课程学习指导 成绩构成 3 3 期末 70% 作业 10% 实验 10% 点名 10% 考试形式 考试： 闭卷 课程学习指导课程学习指导 该课程与其它课程的关系 线性代数 微积分（含微分 方程） 复变函数、拉普拉斯变换 自动控制原理自动控制原理 电路理论 大学物理（力学、 热力学） 电机与拖动 模拟

3、电子技术 各类控制系统课程 4 4 课程学习指导课程学习指导 自动控制原理各章关系 5 5 第二章第二章 控制系统控制系统 数学模型数学模型 第一章第一章 控制系统导论控制系统导论 第三章第三章 线性系统线性系统 时域分析法时域分析法 第五章第五章 线性系统线性系统 频域分析法频域分析法 第四章第四章 线性系统线性系统 根轨迹根轨迹 第六章第六章 线性系统线性系统 的校正方法的校正方法 课程学习指导课程学习指导 第一章 控制系统导论 6 6 1-1 自动控制的基本原理 1-2 自动控制系统示例 1-3 自动控制系统的分类 1-4 自动控制系统的基本要求 1-5 控制系统的分析与设计工具 本章难

4、点本章难点 1.深刻理解反馈的概念和思想；深刻理解反馈的概念和思想； 2.确定控制系统的被控对象、被控量、给定量等；确定控制系统的被控对象、被控量、给定量等； 3.绘制方块图，分析实际控制系统的基本原理。绘制方块图，分析实际控制系统的基本原理。 本章重点本章重点 1. 自动控制和自动控制系统的含义；自动控制和自动控制系统的含义； 2. 反馈和反馈控制的概念、反馈控制的特点；反馈和反馈控制的概念、反馈控制的特点； 3. 控制系统的组成、分类和特点；控制系统的组成、分类和特点； 4. 绘制方框图绘制方框图定性分析定性分析的方法。的方法。 (1-7) 结束 1 控制系统导论控制系统导论 相关作业相关

5、作业P19 1-1；1-2；1-5；1-8 1-1自动控制的基本原理 1. 自动控制技术及其应用自动控制技术及其应用 自动控制的概念自动控制的概念 自动控制是在没有人自动控制是在没有人直接直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控控 制装置或控制器制装置或控制器）对生产设备和工艺过程（统称）对生产设备和工艺过程（统称控制对象控制对象）的某个工作）的某个工作 状态或参数（状态或参数（被控量被控量）自动地按照）自动地按照预定的规律预定的规律运行。运行。 例如锅炉温度控制、化工过程流量、温度、液位的控制等等。 自动控制系统自动控制系统 自动控制系统是为实现某一

6、控制目标所需要的所有物理部件的有机组合。自动控制系统是为实现某一控制目标所需要的所有物理部件的有机组合。 8 8 控制系统控制器被控对象控制系统控制器被控对象 1 控制系统导论控制系统导论 自动控制技术的应用自动控制技术的应用 开始多用于工业：压力、温度、流量、位移、 湿度、粘 度自动控制 后来进入军事领域：飞机自动驾驶、火炮自动 跟踪、导 弹、卫星、宇宙飞船自动控制 目前渗透到更多领域：大系统、交通管理、图书管理等 生物学系统：生物控制论、波斯顿假肢、人造器官 经济系统：模拟经济管理过程、经济控制论 9 9 1 控制系统导论控制系统导论 1 控制系统导论控制系统导论 “勇气”号在火星工作的英

7、姿 1010 1 控制系统导论控制系统导论 负反馈放大器电路原理图 Ecc +12 v R1 510 K R2 4.7 K R4 51 K R6 3K C2 10 C3 10 + R 1K C1 10 RL 5.1 K R7 + + T1 3DG 6 T2 3DG 6 usui u o R3 100 R5 18 K 10 0 R8 C 4 1K 10 Rf 2K 1212 1 控制系统导论控制系统导论 1313 1 控制系统导论控制系统导论 自动控制理论自动控制理论:关于自动控制系统的理论关于自动控制系统的理论。 自动控制成为一门科学是从自动控制成为一门科学是从19451945发展起来的发展起

8、来的 2. 自动控制理论发展史自动控制理论发展史 十八世纪以后，蒸汽机的使用提出了调速稳定等问题十八世纪以后，蒸汽机的使用提出了调速稳定等问题 1765年俄国人波尔祖诺夫发明了锅炉水位调节器 1784年英国人瓦特发明了调速器，蒸汽机离心式调速器 1877年产生了赫氏判据和劳斯稳定判据 十九世纪前半叶，动力使用了发电机、电动机十九世纪前半叶，动力使用了发电机、电动机 促进了水利、水电站的遥控和程控的发展以及电压、电流的自动调节技术的发展 十九世纪末，二十世纪初，使用内燃机十九世纪末，二十世纪初，使用内燃机 促进了飞机、汽车、船舶、机器制造业和石油工业的发展，产生了伺服控制和过程控制 二十世纪初第

9、二次世界大战，军事工业发展很快二十世纪初第二次世界大战，军事工业发展很快 飞机、雷达、火炮上的伺服机构，总结了自动调节技术及反馈放大器技术，搭起了经典 控制理论的架子，但还没有形成学科。 1414 1 控制系统导论控制系统导论 蒸汽机的速度控制： 给定值 惯性球 蒸汽阀 压力蒸汽 1515 受控蒸汽 1-1自动控制的基本原理自动控制的基本原理 1. 经典控制理论时期经典控制理论时期（1940-1960） 第二次世界大战时期开始： 经典控制理论逐渐发展成熟而形成为独立学科。频率分析法和根轨迹分析法， 构成了经典控制理论的基础。 在此期间，也产生了一些非线性系统的分析 方法，如相 平面法和描述函数

10、法等，以及采样系统的分析方法。 数学工具：主要是线性微分方程和基于拉普拉斯变换的传递函数。 研究对象：基本是单输入单输出系统。 目标：反馈控制系统的稳定 典型成果：雷达高炮跟踪系统，轧钢机控制系统，液压伺服系统等。 1616 1-1自动控制的基本原理自动控制的基本原理 2. 2. 现代控制理论时期（现代控制理论时期（2020世纪世纪5050年代末年代末-60-60年代初）年代初） 50年代70年代，空间技术与军事技术的发展提出了许多复杂控制问 题，用于导弹、人造卫星和宇宙飞船上 Kalman “控制系统的一般理论”奠定了现代控制理论的基础 数学工具：主要是状态空间法 研究对象：研究对象更为广泛

11、。如线性系统与非线性系统、定常系统 与时变系统、多输入多输出系统、变量耦合系统等。 目标：最优控制 典型成果：空间技术、军事技术、多方面的工业技术 我国：火箭发射控制技术 ，人口模型与中国人口控制 1717 1-1自动控制的基本原理自动控制的基本原理 3.3.大系统和智能控制时期大系统和智能控制时期 （ 2020世纪世纪7070年代）年代） 各学科相互渗透，要分析的系统越来越大，越来越复杂。 70年代至今，基于人脑的思维、学习、推理、决策功能研究与发展 的，是当前控制理论学科研究的前沿领域。 主要研究方向：自适应控制理论、模糊控制理论、人工神经元网络、浑 沌理论研究等。 主要研究成果：各种自动

12、设计系统，神经计算机，机器人控制系统，模 式识别，人工推理机等。 4.4.正在发展的各个领域正在发展的各个领域 自适应控制 大系统理论 H鲁棒控制 非线性控制（微分几何，混沌，变结构） 1818 1-1自动控制的基本原理自动控制的基本原理 3. 反馈控制原理 例：液位控制系统 期望液位：H s 被控对象被控量 扰动变量操纵变量 1、人工控制原理 眼：测量实际液位H 检测过程。 脑：将实际液位H 和期望液位HS比较，根据两者偏差 正负及 大小作出决策。比较、分析、决策过程。 手：执行大脑命令，调节阀门开度。执行过程。 1919 1-1自动控制的基本原理自动控制的基本原理 工作原理的描述方框图：

13、2020 H Qi 眼 H 测量值 实际液位 脑水槽手 eH s u 给定值给定值 1-1自动控制的基本原理自动控制的基本原理 测量元件(眼）：测量实际液位H并进行物理转换。 控制器（大脑）：也叫调节器，将测量值mv和给定值sv相比较， 根据两者的偏差进行运算，输出控制信号u。 执行元件（手）：也叫执行器，改变阀门开度。 2121 1-1自动控制的基本原理自动控制的基本原理 人工控制原理方框图：人工控制原理方框图： uH 实际液位 脑手水槽 眼 H s 给定值 H e Qo 扰动 Qi 测量值 自动控制原理方块图：自动控制原理方块图： 2222 Qo 扰动 H s eu H Qi 实际液位 控

14、制器 给定值 H 执行器水槽 测量元件 测量值 1-1自动控制的基本原理自动控制的基本原理 反馈：反馈： 通过测量变换装置将系统或元件的输出量反送到输入端，与输入信号相通过测量变换装置将系统或元件的输出量反送到输入端，与输入信号相 比较。反送到输入端的信号称为反馈信号。比较。反送到输入端的信号称为反馈信号。 负反馈：负反馈： 反馈信号与输入信号相减，其差为偏差信号。 负反馈控制原理：负反馈控制原理： 检测偏差用以消除偏差。将系统的输出信号引回输入端，与检测偏差用以消除偏差。将系统的输出信号引回输入端，与 输入信号相减，形成偏差信号。然后根据偏差信号产生相应输入信号相减，形成偏差信号。然后根据偏

15、差信号产生相应 的控制作用，力图消除或减少偏差的过程。的控制作用，力图消除或减少偏差的过程。 2323 1-1自动控制的基本原理自动控制的基本原理 被控制量：被控制量： 在控制系统中按规定的任务需要加以控制的物理量。 控制量：控制量： 作为被控制量的控制指令而加给系统的输入量也称控制输 入、参考输入、参据量（给定量）。 扰动量：扰动量： 干扰或破坏系统按预定规律运行的输入量， 也称扰动输入。 外扰动和内扰动 2424 1-1自动控制的基本原理自动控制的基本原理 4.自动控制系统的基本组成 扰动输入 reu c d 控制器 给定输入 执行器被控对象 输出 测量变送器 b 测量值 输入变量：扰动输

16、入，给定输入（参考输入） ；输出变量； 反馈，反馈通道，前向通道，闭环 自动控制系统自动控制装置自动控制装置 反馈控制系统的特点：反馈（偏差、闭环）控制系统 存在反馈，输出量参与控制；基于偏差进行控制 1-1自动控制的基本原理自动控制的基本原理 被控对象被控对象 控制器执行器 测量变送器 控制器 执行器 测量变送器 1-1自动控制的基本原理自动控制的基本原理 测量仪表 压力测量仪表 非远传式压力测量仪表 液柱式压力计 应用弹性变形测量 远传式压力测量仪表 力平衡式压力变送 电阻式压力传感器 电容式压力传感器 2727 1-1自动控制的基本原理自动控制的基本原理 温度测量仪表 膨胀式温度计 热电

17、偶温度计 热电阻温度计 2828 1-1自动控制的基本原理自动控制的基本原理 执行仪表 将控制指令转化为实际动作 气动调节阀 液动调节阀 电动执行器 变频电机 2929 1-1自动控制的基本原理自动控制的基本原理 控制仪表 3030 1-1自动控制的基本原理自动控制的基本原理 5. 自动控制系统基本控制方式 (1)开环控制方式 不存在输出到输入的反馈，输出量不参与控制 按给定值进行控制 按干扰进行控制（即前馈控制，对干扰进行补偿） 扰动必须可测！比较环节（叠加点） 1-1自动控制的基本原理自动控制的基本原理 例按给定值进行控制 控制装置与受控对象之间只有顺向作用而无反向联系。 3232 1-1

18、自动控制的基本原理自动控制的基本原理 + + u M c n + g ua M负载功放 负载 M c M电动机 u g n 功放 电机 i f= = cons 例：按干扰进行控制（即前馈控制，对干扰进行补偿） 负载 M c R 压放 u b u gn 功放 电机 u e 3333 1-1自动控制的基本原理自动控制的基本原理 + i f= cons u ua M c n ue + g M负载功放 R ub + 压放 i 开环控制特点开环控制特点：控制量与输出量之间仅有前向通路，而：控制量与输出量之间仅有前向通路，而 没有反馈通路。输出量不能对控制量产生影响。没有反馈通路。输出量不能对控制量产生影

19、响。 缺点缺点：精度低，不能自动跟踪控制目标要求。 应用应用：由于开环控制系统结构简单、维护容易、成本 低、不存在稳定性问题，因此应用于一些精度 要求不高或扰动影响较小的场合。 3434 1-1自动控制的基本原理自动控制的基本原理 (2) 闭环（反馈）控制方式 存在输出到输入的反馈，输出量参与控制 例2：电机系统 期望转速：n0 TG 测速发电机 3535 1-1自动控制的基本原理自动控制的基本原理 + + i f=cons M c + + ug ua n M 负载 压放功放 TG u f ue u g u e 负载 n M c 压放功放电机 u f 测速发电机 闭环控制闭环控制： 闭环控制特

20、点闭环控制特点： （1）控制量与输出量之间既有前向通路，又有反馈通路。可以 由输出量影响控制量产生调节作用。 （2）由于采用反馈装置，导致设备增多，线路复杂，成本高。 （3）闭环系统存在稳定性问题。 本本课程研究重点课程研究重点 例子：电动机转速控制系统 伺服控制（随动）系统 3636 1-1自动控制的基本原理自动控制的基本原理 3、复合控制方式（反馈+前馈） 例 ue 3737 + + i f =cons + g u + ua M c n M 负载负载 压放压放功放功放 u f i 压放压放 + TG 1-1自动控制的基本原理自动控制的基本原理 3838 1-1自动控制的基本原理自动控制的基

21、本原理 基本控制方式基本控制方式 1. 开环控制开环控制 2. 闭环控制闭环控制 3. 复合控制复合控制 M c 压放 u gn 负载 R u bu e 功放 电机 u f 压放 测速发电机 1-2 自动控制系统示例 3939 学会分析自动控制系统的工作原理 利用方框图表示自动控制系统的组成 输入输出 控制系统 对系统组成的理解对系统组成的理解 方框图中的几种组成元件表示方框图中的几种组成元件表示法：法： 1-2 自动控制系统示例自动控制系统示例 (a) 环节名称环节名称 或特性或特性 输入量输入量 输出量输出量 引出点引出点 c c c (c) e=r-b 或(+) r e=r-b b (b

22、) b (-)(-) r 函数记录仪 电阻炉微机温度控制系统 锅炉液位控制系统 (1-41) 结束 1-2 自动控制系统示例自动控制系统示例 函数记录仪 (1-42) 结束 1.2 自动控制系统示例自动控制系统示例 函数记录仪方框图 1-2 自动控制系统示例自动控制系统示例 控制过程的描述：流程图控制过程的描述：流程图 2、假设有扰动引起、假设有扰动引起Hc变化（如用水量突然增大变化（如用水量突然增大Q2）：动态）：动态 Q2 Hc 浮子浮子 H0 阀门开度阀门开度Q1Hc 一直进行到一直进行到Hc Hg， H=0时控制结束，系统进入稳定状态为止。时控制结束，系统进入稳定状态为止。 1、假设、

23、假设Hc与整定的水位与整定的水位Hg 相等：平衡状态相等：平衡状态 H Hc Hg 0阀门开度不变阀门开度不变Q1Q2HcHg， 系统处于稳定状态系统处于稳定状态 (1-44) 结束 1.2自动控制系统示例自动控制系统示例 1、2 相关作相关作 业业 1-3 自动控制系统分类自动控制系统分类 5、按输入信号变化规律分：、按输入信号变化规律分： 恒值控制系统恒值控制系统 随动控制系统随动控制系统 程序控制系统程序控制系统 1、按数学描述方法分：、按数学描述方法分： 线性、非线性系统线性、非线性系统 时不变（定常）时不变（定常）/时变系统时变系统 2、按系统信号形式分：、按系统信号形式分： 连续、

24、离散系统连续、离散系统 3、按输入信号数量分：、按输入信号数量分： 单输入单输入/多输入多输入 4、按控制方式分： 开环控制、闭环控制、复合控制开环控制、闭环控制、复合控制 6、按物理元件类型分：、按物理元件类型分： 机械系统、电气系统、电子系统、机电系统、液压系统、机械系统、电气系统、电子系统、机电系统、液压系统、 气动系统、生物系统等。气动系统、生物系统等。 1-3 自动控制系统的分类 随动系统与恒值系统 线性系统与非线性系统 时变系统和定常系统 连续系统与离散系统 单输入输出系统与多输入输出系统 确定性系统与不确定性系统 集中参数系统与分布参数系统 主要研究对象：线性时不变（LTI）多入

25、单出连续系统 )()()()( )()()()( 1 1 1 10 1 1 1 10 trbtr dt d btr dt d btr dt d b tcatc dt d atc dt d atc dt d a mm m m m m nn n n n n 式中： r(t)系统输入量； c(t)系统输出量 由系数判定由系数判定 时变系统：系数随时间而变时变系统：系数随时间而变 定常系统：系数是实常数定常系统：系数是实常数 线性系统主要特点 线性非线性判定线性非线性判定 线性系统：无变量或其导数项线性系统：无变量或其导数项 的乘积或乘方项；无常数项的乘积或乘方项；无常数项 非线性系统：有变量乘积或变

26、非线性系统：有变量乘积或变 量乘方项或有常数项量乘方项或有常数项 叠加性叠加性 齐次性齐次性 (1-47) 结束 1.3 自控系统分类自控系统分类 叠加原理：当多个信号作用于线性系统时，其总的响应等于各作用叠加原理：当多个信号作用于线性系统时，其总的响应等于各作用 量单独激励所产生的响应之和。量单独激励所产生的响应之和。 线性时不变（线性时不变（LTILTI）系统主要类型：）系统主要类型： （1）恒值控制系统 参考输入（给定量）是个参考输入（给定量）是个常值常值，要求被控量也等于常值。要求被控量也等于常值。 扰动引起被控量偏离参考量而出现偏差。扰动引起被控量偏离参考量而出现偏差。 系统主要控制

27、目的系统主要控制目的：利用偏差产生控制作用，使被控量恢：利用偏差产生控制作用，使被控量恢 复到给定常值，复到给定常值，克服扰动的影响。克服扰动的影响。 （2）随动系统（或称伺服系统） 参考输入预先未知，随时间任意变化，要求被控量以尽可能小的误差参考输入预先未知，随时间任意变化，要求被控量以尽可能小的误差 跟随跟随参考输入量变化。参考输入量变化。 系统主要控制目的系统主要控制目的：保证输出对输入的跟随精度保证输出对输入的跟随精度 (1-48) 结束 1.3 自控系统分类自控系统分类 1-4 自控系统的基本要求 A 超调量% = A B 100 % 峰值时间 t B “稳，准，快” 上 升 时间

28、tr p 调节时间 ts 4949 1.基本控制要求（1）稳定性 稳定性：系统在扰动消失后，由初始偏差状态恢复到平 衡状态的能力。 、不稳定 5050 1、稳定 1-4 自控系统的基本要求自控系统的基本要求 稳定性： (1) 对恒值系统，要求当系统受到扰动后，经过一定时间 的调整能够回到原来的期望值。 (2)对随动系统，被控制量始终跟踪输入量的变化。 稳定性是对系统的基本要求，不稳定的系统不能实现预 定任务。线性系统稳定性通常由系统的结构决定，与外 界因素无关。 5151 1-4 自控系统的基本要求自控系统的基本要求 调节时间、上升时间 动态性能 对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称为动态性

29、能。对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称为动态性能。 稳定高射炮射角随动系统，虽然炮身最终能跟踪目标，稳定高射炮射角随动系统，虽然炮身最终能跟踪目标， 但如果目标变动迅速，而炮身行动迟缓，仍然抓不住目标。但如果目标变动迅速，而炮身行动迟缓，仍然抓不住目标。 稳态性能稳态误差无差系统 有差系统 在参考输入信号作用下，当系统达到稳态后，其稳态输出与在参考输入信号作用下，当系统达到稳态后，其稳态输出与 参考输入所要求的期望输出之差叫做给定稳态误差。显然，参考输入所要求的期望输出之差叫做给定稳态误差。显然， 这种误差越小，表示系统的输出跟随参考输入的精度越高这种误差越小，表示系统的输出跟随参考输入的

30、精度越高。 5252 1.基本控制要求（2）快速性 1.基本控制要求（3）准确性 1-4 自控系统的基本要求自控系统的基本要求 1 1 为什么要使用典型的输入信号？为什么要使用典型的输入信号？ 2 2 典型输入信号有哪几种？它们为什典型输入信号有哪几种？它们为什么么是典型的？是典型的？ 3 3 典型输入信号的数学模型、图象？典型输入信号的数学模型、图象？ 4 4 典型输入信号相互关系如何？典型输入信号相互关系如何？ 典型信号是指具有最基本信号特征（波形）和数学描述，并能够反映系统控制特典型信号是指具有最基本信号特征（波形）和数学描述，并能够反映系统控制特 性且易于实现的理想信号。性且易于实现的理想信号。 采用典型的输入信号，可以使问题的数学处理系统化、简便化。采用典型的输入信号，可以使问题的数学处理系统化、简便化。 2. 典型输入信号典型输入信号 1.4 自控系统基本要求自控系统基本要求 （1）理想脉冲函数（或冲击函数、函数） 单位脉冲函数： A = 1 5454 0t 0 t 0 A t 1-4 自控系统的基本要求自控系统的基本要求 )()(tAtf )()( 0 ttAtf )( 1)( 1 lim)(