自动控制理论：第1章 自动控制的基本概念

1、机械工业出版社机械工业出版社n本课程本课程6464学时学时【8 8学时实验学时实验】,15,15周学完周学完n必修必修考试考试课，成绩考核：期末试卷成绩占总成绩课，成绩考核：期末试卷成绩占总成绩的的80%80%，考勤及作业占，考勤及作业占10%10%，实验占，实验占10%10%。 参考教材：参考教材：“自动控制原理自动控制原理” ” 孟华主编孟华主编 机械工业出版社机械工业出版社自动控制原理3 本章介绍自动控制的基本概念、自动控制系统的构成和特点、自动控制系统的几种类型等。 1.1 1.1 概述概述1.2 1.2 自动控制的基本原理自动控制的基本原理1.3 1.3 控制系统的分类控制系统的分类

2、1.4 1.4 对控制系统的性能要求对控制系统的性能要求习习 题题自动控制原理4n2020世纪世纪4040年代年代“经典控制理论经典控制理论”(Classical Control Theory)正式诞生，代表作是维纳正式诞生，代表作是维纳（Wiener）19481948年发表的年发表的控制控制论论（Cybernetics or Control and Communication in the Animal and Machine）。 “经典控制理论经典控制理论”以以传递函数传递函数(transfer function)为数为数学工具，研究对象主要是一类学工具，研究对象主要是一类线性的单输入单输

3、出自动控线性的单输入单输出自动控制系统制系统( (linear SISO automatic control systems) ) 。n6060年代初，第一颗人造卫星上天，太空飞船成功登月，催年代初，第一颗人造卫星上天，太空飞船成功登月，催生了生了“现代现代控制理论控制理论” (Modern Control Theory) 。 “现代控制理论现代控制理论”以状态空间法以状态空间法( state-space method )为基础，主要研究为基础，主要研究非线性、时变、多输入多输出自动控制非线性、时变、多输入多输出自动控制系统系统(nonlinear time-variant MIMO auto

4、matic control systems) )的的分析分析analysis和和设计设计design问题。问题。1.1 概述概述 Introduction to Automatic Controls nthe regulator of Heron of Alexandria n调节器工作方式如下：火，作为系统的输入，加热祭坛底部的空气，调节器工作方式如下：火，作为系统的输入，加热祭坛底部的空气，热（膨胀的）空气将水从中容器（罐热（膨胀的）空气将水从中容器（罐1）推到桶（罐）推到桶（罐2）中。罐）中。罐1的位的位置是固定的，桶由缠绕在门轴上的绳索吊起来，置是固定的，桶由缠绕在门轴上的绳索吊起来，

5、W为配重，当桶为空为配重，当桶为空时，在配重时，在配重W作用下，门关闭。当桶中有适量的水时，向下移动，而作用下，门关闭。当桶中有适量的水时，向下移动，而配重配重W向上移动，门被自动打开。当火被熄灭时，水从桶中回流到罐向上移动，门被自动打开。当火被熄灭时，水从桶中回流到罐1，配重，配重W向下移动，大门自动关闭。向下移动，大门自动关闭。自动控制系统简要的自动控制系统简要的历史回顾历史回顾Historical ReviewWatts centrifugal speed regulator n控制应用始于控制应用始于18世纪下半叶，世纪下半叶，1769年年詹姆斯瓦特詹姆斯瓦特James Watt发明了

6、第一台发明了第一台离心式调速器离心式调速器，广泛用于机车控制。特别是，广泛用于机车控制。特别是，用来控制蒸汽发动机的转速。用来控制蒸汽发动机的转速。实现如下：随着蒸汽机角速度实现如下：随着蒸汽机角速度的增大，离心力推动小球向上的增大，离心力推动小球向上，蒸汽阀门关小。随着蒸汽阀，蒸汽阀门关小。随着蒸汽阀门关小，从锅炉进入引擎的蒸门关小，从锅炉进入引擎的蒸汽减少，蒸汽机的角速度减小汽减少，蒸汽机的角速度减小。反之，随着蒸汽机角速度的。反之，随着蒸汽机角速度的下降，小球向下，蒸汽阀门开下降，小球向下，蒸汽阀门开大，进入发动机的蒸汽量增加大，进入发动机的蒸汽量增加，角速度增加。通过这种方式，角速度增

7、加。通过这种方式，调节发动机转速。，调节发动机转速。瓦特的离心调速器瓦特的离心调速器 Table Selected Historical Developments of Control Systems1769James Watts steam engine and governor developed. The Watt steam engine is often used to mark the beginning of the Industrial Revolution in Great Britain. During the industrial revolution, great st

8、rides were made in the development of mechanization.。technology preceding automation.1800Eli Whitneys concept of interchangeable parts manufacturing demonstrated in the production of muskets. Whitneys development is often considered as the beginning of mass production.1868C. Maxwell formulates a mat

9、hematical model for a governor control of a steam engine.1913Henry Fords mechanized assembly machine introduced for automobile production.1927H.S. Black conceives of the negative feedback amplifier and H. W. Bode analyzes feedback amplifiers.1932H. Nyquist develops a method for analyzing the stabili

10、ty of systems.1941Creation of first antiaircraft gun with active control.1952Numerical control (NC) developed at Massachusetts Institute of Technology for control of machine-tool axes.1954George Devol develops programmed article transfer. considered to be the first industrial robot design. 1957Sputn

11、ik launches the space age leading, in time, to miniaturization of computers and advances in automatic control theory.1960First Unimate robot introduced, based on Devols designs. Unimate installed in1961 for tending die-casting machines1970State-variable models and optimal control developed.1980Robus

12、t control system design widely studied.1983Introduction of the personal computer ( and control design software soon thereafter) brought the tools of design to the engineers desktop.1990Expert-oriented manufacturing companies emphasize automation.1994Feed-back control widely used in automobiles. Reli

13、able, roust systems demanded in manufacturing.1997First ever autonomous rover vehicle, known as Sojourner, explores the Martian surface.1998-2003Advances in micro- and nanotechnology. First intelligent micromachines are developed and functioning nanomachines are created.n自动控制系统自动控制系统是由各部分是由各部分元件构成的有

14、机整体元件构成的有机整体，自动地自动地按照按照预定规律预定规律完成某种任务。完成某种任务。n当今的机器和设备，或全部或部分为自动化产品。如冰箱、当今的机器和设备，或全部或部分为自动化产品。如冰箱、热水器、洗衣机、电梯、遥控电视，世界范围内的电话通讯系热水器、洗衣机、电梯、遥控电视，世界范围内的电话通讯系统，互联网等。统，互联网等。n工业生产也全部或部分自动化，如：食品、造纸、水泥、汽工业生产也全部或部分自动化，如：食品、造纸、水泥、汽车等行业。车等行业。n控制应用的实例还包括其他领域：电厂、控制应用的实例还包括其他领域：电厂、(核和化学核和化学)反应堆反应堆、运输系统、运输系统(汽车、飞机、船

15、舶、直升机、潜水艇、等等汽车、飞机、船舶、直升机、潜水艇、等等)，机，机器人器人(装配、焊接等装配、焊接等)，武器系统，武器系统(火控系统、导弹等火控系统、导弹等)、电脑打、电脑打印机、磁盘驱动器、磁带等印机、磁盘驱动器、磁带等)，农业，农业(温室、灌溉等温室、灌溉等)，以及许多，以及许多其他方面，如位置或速度、温度、电压、压力、液面、交通的其他方面，如位置或速度、温度、电压、压力、液面、交通的控制、办公自动化、计算机集成制造、建筑物的能源管理、楼控制、办公自动化、计算机集成制造、建筑物的能源管理、楼宇自动化等。宇自动化等。n结论：自动控制已用于人类技术活动的所有领域，对现代技结论：自动控制已

16、用于人类技术活动的所有领域，对现代技术进步做出了贡献。术进步做出了贡献。 PRACTICAL CONTROL EXAMPLES 1 Position Control System or Position Servomechanism y(t)实际位置希望位置r(t)u(t)控制器比较器放大器发电机-电动机系统 电位器2电位器1变速箱e(t)2 Metal Sheet Thickness Control System 3 Liquid-Level Control 4 Aircraft Wing Control System 该系统设计成使飞机机翼边缘的倾角由飞行员手动控制操纵杆控制。系统工作如该

17、系统设计成使飞机机翼边缘的倾角由飞行员手动控制操纵杆控制。系统工作如下：当操纵杆推到一个新位置时，电位器下：当操纵杆推到一个新位置时，电位器P的位置的变化，在的位置的变化，在A、B两点间产生电两点间产生电位差，这一电位差作用于电磁铁，液压伺服阀电机阀门的活塞移动。阀门的移动位差，这一电位差作用于电磁铁，液压伺服阀电机阀门的活塞移动。阀门的移动使压力油进入动力缸并推动其活塞左、右移动，使飞机的机翼向下或向上。这样使压力油进入动力缸并推动其活塞左、右移动，使飞机的机翼向下或向上。这样，飞行员可以控制机翼的倾角。，飞行员可以控制机翼的倾角。 5 Missile Direction Control S

18、ystem 6 Remote Robot Control 7 A three-axis control system for inspecting individual semiconductor wafers with a highly sensitive camera 采用高敏感度照相机检测半导体晶片的三轴控制系统采用高敏感度照相机检测半导体晶片的三轴控制系统8 Boilergenerator control system 锅炉锅炉- -发电机控制系统发电机控制系统9 Automobile steering control system11 Laser Eye Surgery Contro

19、l System飞机示意图飞机示意图给定电位器给定电位器反馈电位器反馈电位器给给定定装装置置放放大大器器舵机舵机飞机飞机0 0c扰动扰动俯仰角控制系统方块图俯仰角控制系统方块图飞机方块图飞机方块图 垂直垂直陀螺仪陀螺仪 反馈反馈电位器电位器自动控制原理221.2 1.2 自动控制的基本原理自动控制的基本原理 1.2.1 1.2.1 自动控制系统举例自动控制系统举例(1) (1) 温度控制系统温度控制系统 自动控制原理231.2 1.2 自动控制的基本原理自动控制的基本原理(2)(2)位置随动系统位置随动系统 Position Servo Systeminstruction setup pote

20、ntiometer1 potentiometer2Comparator and Amplifier Motor gear-box自动控制原理241.2 1.2 自动控制的基本原理自动控制的基本原理n被控对象被控对象control plant：它接受控制量并输出被控量（加热炉）它接受控制量并输出被控量（加热炉）n测量装置测量装置measuring：它把被控对象的被控量检测出来（热电偶）它把被控对象的被控量检测出来（热电偶）n比较装置比较装置comparator：它把测量信号与给定信号比较，得到偏差它把测量信号与给定信号比较，得到偏差（比较电路）（比较电路） n计算装置计算装置calculatin

21、g：可以进行复杂运算，决定系统性能的好坏可以进行复杂运算，决定系统性能的好坏 n放大器装置放大器装置amplifier： 经过计算处理的信号通常是弱信号，不能经过计算处理的信号通常是弱信号，不能驱动被控制对象，由它进行放大（放大器）驱动被控制对象，由它进行放大（放大器）n执行装置执行装置implementing： 它推动被控对象的被控量发生变化它推动被控对象的被控量发生变化 （电（电动机）动机）自动控制原理251.3 1.3 控制系统的分类控制系统的分类Classification of Control Systems1.3.1 1.3.1 按信号传递路径按信号传递路径signal trans

22、fer path分类分类(1)(1)按给定值操作的开环控制系统按给定值操作的开环控制系统(Open-loop system without the measurement of disturbances)(2)(2)按干扰补偿的开环控制系统按干扰补偿的开环控制系统(Open-loop system with the measurement of disturbances) (3)(3)按偏差调节的闭环控制系统按偏差调节的闭环控制系统(Closed-loop system)自动控制原理261.3 1.3 控制系统的分类（续）控制系统的分类（续） (4)(4)复合控制系统复合控制系统(Mixed

23、or combined system)1.3.2 1.3.2 按输入信号特征按输入信号特征 input signals 分类分类 (1)(1)恒值恒值Constant控制系统控制系统 (2)(2)程序程序Programming控制系统控制系统 (3)(3)随动随动Tracking控制系统（又称伺服控制系统（又称伺服Servo系统）系统）自动控制原理271.3 1.3 控制系统的分类（续）控制系统的分类（续）(1)(1)线性线性linear系统系统 线性系统中各元件的线性系统中各元件的静特性静特性为为直线直线。 线性系统有两个重要特性线性系统有两个重要特性叠加性和齐次性叠加性和齐次性 n 1)1

24、)叠加性叠加性superposition：如果用如果用c1(t)表示由表示由r1(t)产生的输产生的输出，用出，用c2(t)表示由表示由r2(t)产生的输出，则当产生的输出，则当r1(t)和和r2(t)同时作同时作用时用时，输出量输出量为为c1(t) + c2(t) 。 2)2)齐次性齐次性homogeneity：如果：如果用用c(t)表示由表示由r(t)产生的输出量，产生的输出量，则在则在Kr(t)作用作用下的下的输出量为输出量为Kc(t)。 1.3.3 1.3.3 按系统按系统数学模型数学模型Mathematical Models分类分类自动控制原理281.3 1.3 控制系统的分类（续）

25、控制系统的分类（续）(2)(2)非线性非线性non-linear系统系统 系统中系统中只要某一部件具有非线性特性只要某一部件具有非线性特性就是就是非线性系统非线性系统。 非线性系统的特点是非线性系统的特点是不满足叠加原理不满足叠加原理。图中分别为。图中分别为继电继电器、死区、饱和、间隙特性器、死区、饱和、间隙特性，还有大量的其它非线性特性。，还有大量的其它非线性特性。 (a) (b) (c) (d )自动控制原理291.3 1.3 控制系统的分类（续）控制系统的分类（续）(1)(1)连续时间连续时间time continuous系统：系统：控制系统中各环节的输入量和输出量均为控制系统中各环节的

26、输入量和输出量均为时间时间t的连续函数的连续函数 (2)(2)离散时间离散时间time discrete系统：系统：系统中只要一处信号是脉冲序列或数字编码系统中只要一处信号是脉冲序列或数字编码 1.3.5 1.3.5 按系统参数按系统参数parameters特性分类特性分类(1)(1)定常定常constant (time invariant)系统系统 系统参数在系统运行过程中相对于时间是不变的系统参数在系统运行过程中相对于时间是不变的(2)(2)时变时变time variant系统系统 系统参数是时间系统参数是时间t t的函数的函数1.3.4 1.3.4 按时间变量按时间变量variables

27、 of time特性分类特性分类 自动控制原理301.4 1.4 对控制系统的性能要求对控制系统的性能要求1.4.1 1.4.1 稳定性稳定性 当系统受到干扰后，系统的输出当系统受到干扰后，系统的输出c( t )可能出现增幅振可能出现增幅振荡或单调增长现象，这种现象称为荡或单调增长现象，这种现象称为不稳定不稳定instability现象，现象，这样的系统称为不稳定系统这样的系统称为不稳定系统unstable systems。当系统受到。当系统受到干扰后，能够恢复到原来的工作状态，则这样的系统是稳干扰后，能够恢复到原来的工作状态，则这样的系统是稳定的，称为稳定系统定的，称为稳定系统stable

28、systems 。 tt快速振荡收敛慢速平稳收敛 tc tc发散稳态误差临界(b)(a)自动控制原理311.4 1.4 对控制系统的性能要求对控制系统的性能要求1.4.2 1.4.2 动态性能指标动态性能指标 当系统当系统输入信号输入信号input signal r(t)为为阶跃函数阶跃函数step function 时，时，其其输出输出output信号信号c(t)称为阶跃称为阶跃响应响应step response 。图为某自。图为某自动控制系统在阶跃输入动控制系统在阶跃输入r(t)作用下的输出响应曲线作用下的输出响应曲线c(t)。 在控制系统稳定的前提下，总是希望在控制系统稳定的前提下，总是希望响应越快越好响应越快越好Respond as rapidly as possible，而且，而且超调量