第1章 自动控制的一般概念

1、Harbin Engineering University自动化学院自动化学院傅荟璇傅荟璇 2013hrbeu_Harbin Engineering University 如何学如何学（How） ？ 学什么学什么（What ） ？ 为什么学（为什么学（Why ） ？ 课程基本信息课程基本信息目标目标（Objectives）Harbin Engineering University1. 课程基本信息课程基本信息180学时，学时，5学分，学分，专业基础课专业基础课2 课堂授课+ 课后作业（另配实验课 独立设课）3 闭卷考试闭卷考试（百分制）（百分制）Harbin Engineering Unive

2、rsity自动控制原理自动控制原理 刘胜刘胜 主编主编国防工业出版社国防工业出版社 2012,81. 课程基本信息课程基本信息使用教材使用教材Harbin Engineering University胡寿松胡寿松. 科学出版社科学出版社(第五版第五版) . 2007Modern Control Systems (Tenth Edition)Richard.c. Dorf . Science Press . 2005李友善李友善. 国防工业出版社国防工业出版社(第三版第三版) . 20051. 课程基本信息课程基本信息自动控制原理自动控制原理自动控制原理自动控制原理 Katsuhiko Ogat

3、a. Tsinghua University Publishing House. 2006 Modern Control Engineering (Fourth Edition)参考资料参考资料1234Harbin Engineering University第第1章章 自动控制的一般概念自动控制的一般概念第第3章章 控制系统的数学模型控制系统的数学模型第第4章章 线性控制系统的线性控制系统的时域分析法时域分析法第第5章章 线性控制系统的线性控制系统的根轨迹分析法根轨迹分析法第第6章章 线性控制系统的线性控制系统的频率分析法频率分析法第第7章章 线性控制系统的校正方法线性控制系统的校正方法 第

4、第8章章 非线性控制系统分析非线性控制系统分析第第9章章 线性离散控制系统的分析与校正线性离散控制系统的分析与校正3. 学什么学什么?Harbin Engineering UniversityHarbin Engineering University 自动控制的基本概念自动控制的基本概念 与自动控制系统的与自动控制系统的原理原理控制系统的数学控制系统的数学建模建模控制系统的控制系统的分析分析方法方法控制系统的控制系统的设计设计方法方法1234循序渐进循序渐进4. 如何学如何学?Harbin Engineering University1234数学建模数学建模能力能力性能分析性能分析能力能力设计

5、与设计与实现实现能力能力基本原理基本原理分析能力分析能力4. 如何学如何学?学完这门课程后，你可以获得什么能力？学完这门课程后，你可以获得什么能力？-具有对自动控制系统的Harbin Engineering University要求做到要求做到五五个个“时时”准时准时上课上课按时按时做（交）作业做（交）作业随时随时记笔记记笔记适时适时讨论讨论消疑解惑消疑解惑及时及时预习实验预习实验以以消化理论消化理论4. 如何学如何学?邮箱：邮箱：hrbeu_密码：密码：hrbeu_zikongHarbin Engineering University自动化学院自动化学院傅荟璇傅荟璇 2013第第1 1章章

6、自动控制的一般概念自动控制的一般概念Harbin Engineering University对自动控制系统的基本要求对自动控制系统的基本要求自动控制如何构成自动控制如何构成-系统系统？如何控制如何控制- 自动控制原理自动控制原理？什么是自动控制？什么是自动控制？第第1章章 自动控制的一般概念自动控制的一般概念Harbin Engineering University第第1 1章章 自动控制的一般概念自动控制的一般概念v 1.1 1.1 自动控制的自动控制的基本原理与方式基本原理与方式v 1.2 1.2 自动控制系统的自动控制系统的基本元件组成基本元件组成v 1.3 1.3 自动控制系统的分类

7、自动控制系统的分类v 1.4 1.4 对自动控制系统的基本要求对自动控制系统的基本要求主要内容主要内容Harbin Engineering University1.1自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式一、什么是一、什么是自动自动控制控制？例：储水槽的液位例：储水槽的液位人工控制人工控制1控制任务控制任务：储水槽液位储水槽液位稳定不变稳定不变Harbin Engineering University 例：人工控制 vs. 自动自动控制控制一、什么是一、什么是自动自动控制控制？1.1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式Harbin Engineering Univers

8、ity一、什么是一、什么是自动自动控制？控制？1.1.自动控制的定义自动控制的定义 (P1第第1段段)u被控对象被控对象：要求实现自动控制的机：要求实现自动控制的机器、设备或生产过程。器、设备或生产过程。u被控量被控量：要求实现自动控制的表征要求实现自动控制的表征被控对象被控对象工作状态的工作状态的物理量物理量。u控控 制制 器器：对：对被控对象被控对象起控制作用起控制作用设备或装置的总体，也称设备或装置的总体，也称控制装置控制装置。1.1 1.1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式 在在没有人直接参与没有人直接参与的情况下，的情况下，利用利用外加的设备或装置外加的设备或装置（控

9、制器控制器或或控制装置控制装置），），使使机器、设备或生产过程机器、设备或生产过程（被控对象被控对象）的的某个工作状态或参数某个工作状态或参数（被控量被控量）自动按照预定的规律运行自动按照预定的规律运行。例例 ：液位控制系统：液位控制系统Harbin Engineering University2. 2. 自动控制的目的自动控制的目的例：例：vs.1提高劳动提高劳动生产率和生产率和产品质量产品质量2改善劳动改善劳动条件，减条件，减轻劳动强轻劳动强度度3提高生活提高生活质量质量一、什么是自动控制？一、什么是自动控制？1.1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式Harbin Engin

10、eering University日常生活日常生活：冰箱温度、风扇、电梯冰箱温度、风扇、电梯等等人体系统人体系统：体温、心跳、眼球等体温、心跳、眼球等工业工业：起重机，数控车床起重机，数控车床等等国防国防：火箭、人造卫星发射火箭、人造卫星发射等等一、什么是自动控制？一、什么是自动控制？1.1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式3.自动控制的应用领域自动控制的应用领域Harbin Engineering University1769年年: James Watts蒸气锅炉水位调节器和蒸气机离心飞锤式调节器。蒸气锅炉水位调节器和蒸气机离心飞锤式调节器。蒸气机离心飞锤式调节器蒸气机离心飞

11、锤式调节器二、二、自动控制理论的发展历史自动控制理论的发展历史蒸气锅炉水位调节系统蒸气锅炉水位调节系统1.1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式Harbin Engineering University经经（古）（古）典控制理论典控制理论现代控制理论现代控制理论鲁棒控制、鲁棒控制、智能控制理论等智能控制理论等二、二、自动控制理论的发展历史自动控制理论的发展历史 1.1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式20世纪世纪40-50年代形成年代形成单输入单输出（单输入单输出（SISO)系统系统基于二战军工技术基于二战军工技术 20世纪世纪60-70年代形成年代形成多输入多输

12、出多输入多输出(MIMO)系统系统基于冷战时期空间技术，计算机技术基于冷战时期空间技术，计算机技术20世纪世纪80年代开始发展年代开始发展以控制论、信息论、仿生论为基础以控制论、信息论、仿生论为基础 Harbin Engineering University自控自控理论理论经经（古）（古）典控制理论典控制理论现代控制理论现代控制理论时间时间分界分界20世纪世纪60年代年代达到完善达到完善20世纪世纪60年代年代开始发展开始发展数学数学工具工具常微分方程，常微分方程，传递函数传递函数一阶微分方程组，一阶微分方程组，状态空间状态空间方程方程 (传递函数阵传递函数阵)研究研究对象对象SISO系统，系

13、统，定常系统定常系统MIMO系统，系统，定常和时变系统定常和时变系统注重注重内容内容系统系统输入、输出间输入、输出间的关系的关系系统输入、输出系统输入、输出及其内部变量及其内部变量间间的关系的关系二、二、自动控制理论的发展历史自动控制理论的发展历史1.1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式Harbin Engineering University （P1第二段）第二段）为了实现为了实现各种复杂的控制任务各种复杂的控制任务，将将被被控对象控对象和和控制装置控制装置( (控制器控制器) )按照一定的方式连按照一定的方式连接起来，组成一个接起来，组成一个有机总体的系统有机总体的系统。例

14、例 ：液位控制系统：液位控制系统1.1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式 三、三、自动控制的基本原理自动控制的基本原理1. 自动控制系统自动控制系统Harbin Engineering Universityu 被控对象：要求实现自动控制的机器，设备或生产过程。被控对象：要求实现自动控制的机器，设备或生产过程。u 控控 制制 器：对被控对象起控制作用装置的总体，也称器：对被控对象起控制作用装置的总体，也称控制装置控制装置。u 输输 出出 量量：要求实现自动控制的表征要求实现自动控制的表征被控对象工作状态的物理量被控对象工作状态的物理量，也也称称被控量被控量。u 输输 入入 量量：

15、也：也称控制系统的称控制系统的期望值或给定量期望值或给定量。作用于被控对象或作用于被控对象或系统输入端，可使系统系统输入端，可使系统具有具有预定功能或输出预定功能或输出的物理量的物理量。 u 扰扰 动动：所有妨碍所有妨碍控制器控制器对被控量按对被控量按要求正常控制要求正常控制的因素的因素。u 控制任务控制任务：控制器控制器控制控制被控量被控量以实现的目标以实现的目标。1.1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式例例 ：液位控制系统：液位控制系统三、三、 自动控制的自动控制的基本原理基本原理1. 自动控制系统自动控制系统Harbin Engineering University 2.

16、 典型典型自动控制系统的基本原理自动控制系统的基本原理-反馈反馈控制原理（控制原理（P2) 反馈控制原理反馈控制原理：(P2)(P2) 控制器控制器通过通过取自被控量取自被控量（输出端）（输出端）的的反反馈信息馈信息，得到得到被控量与期望值之间的被控量与期望值之间的偏差偏差，并不断，并不断修正修正偏差偏差，直直至至消除消除偏差偏差，从而实现控制被控对象的目的，从而实现控制被控对象的目的 。 反馈反馈：指：指输出量输出量通过适当的通过适当的测量装置测量装置将信号返回到输入端，将信号返回到输入端， 使之使之与输入量进行比较与输入量进行比较的过程。的过程。比较的结果称为偏差比较的结果称为偏差。 反馈

17、控制系统反馈控制系统： 利用反馈控制原理组成的系统。利用反馈控制原理组成的系统。1.1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式例例 ：液位控制系统：液位控制系统三、三、 自动控制的基本原理自动控制的基本原理Harbin Engineering University1.1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式三、三、 自动控制的基本原理自动控制的基本原理 2. 典型自动控制系统的基本原理典型自动控制系统的基本原理-反馈控制原理反馈控制原理例例 ： 炉温控制系统炉温控制系统Harbin Engineering University 3. 反馈控制系统反馈控制系统的的方框（块）

18、图方框（块）图表示表示三、三、 自动控制的基本原理自动控制的基本原理给定量给定量被控量被控量反馈信号反馈信号偏差信号偏差信号v 为了为了便于分析并直观的表示便于分析并直观的表示系统各个组成部分间的系统各个组成部分间的相互相互影响（关系）和信号传递关系影响（关系）和信号传递关系，一般采用，一般采用方框（块）图方框（块）图表示表示 。1.1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式v 输出量一般输出量一般置于方框图的置于方框图的最右端最右端，输入量置于左端输入量置于左端 ；输出量放在被控对输出量放在被控对象的后面象的后面 ；v 流向：用箭头流向：用箭头 表示；表示； v 方框：方框：表示一

19、个元件、部件、对象、过程、系统、环节等；表示一个元件、部件、对象、过程、系统、环节等； v 分支点分支点表示表示信号引出点信号引出点 ；求和（比较）器表示求和（比较）器表示所有输入信号的代数和所有输入信号的代数和 ；v 扰动量：扰动量：作用在谁上即画在谁上，作用在谁上即画在谁上，一般一般作用于被控对象上作用于被控对象上。 v 负反馈：负反馈：若若偏差信号偏差信号=输入输入量量-反馈信号反馈信号，需标注，需标注“-”号。号。一般一般反馈系统的方框（块）图反馈系统的方框（块）图Harbin Engineering University例例 : 液位控制系统液位控制系统一般的反馈控制系统的方框图一般

20、的反馈控制系统的方框图 3. 反馈控制系统反馈控制系统的方框（块）图表示的方框（块）图表示水箱水箱实际液位实际液位扰动扰动1.1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式三、三、 自动控制的基本原理自动控制的基本原理Harbin Engineering University炉温控制系统方框图炉温控制系统方框图1.1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式三、三、 自动控制的基本原理自动控制的基本原理 3. 反馈控制系统反馈控制系统的的方框（块）图表示方框（块）图表示Harbin Engineering University1. 控制任务控制任务：例例 : 人取书的反馈控制过程

21、2. 被控量被控量：4. 控制器：控制器：3. 被控对象：被控对象：人手的位置人手的位置达到达到书的位置书的位置人手的位置人手的位置人手或者手臂人手或者手臂人的大脑人的大脑+ +人的眼睛人的眼睛5. 根据控制系统的原理，绘制方框图。根据控制系统的原理，绘制方框图。 3. 反馈控制系统反馈控制系统的方框（块）图表示的方框（块）图表示1.1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式提提问问实例实例演示演示三、三、 自动控制的基本原理自动控制的基本原理Harbin Engineering University例例 : :人取书的反馈控制过程方框图人取书的反馈控制过程方框图-大脑手臂、手眼睛输

22、入输出眼睛书位置手位置 3. 反馈控制系统反馈控制系统的方框（块）图表示的方框（块）图表示1.1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式一般的反馈控制系统的方框图一般的反馈控制系统的方框图 三、三、 自动控制的基本原理自动控制的基本原理Harbin Engineering Universityv1.开环控制开环控制v2. 闭环控制闭环控制（反馈控制反馈控制）v3. 复合控制复合控制四、四、自动控制系统基本控制方式自动控制系统基本控制方式 一般反馈控制系统的一般反馈控制系统的方方框框图图 1.1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式Harbin Engineering Un

23、iversity 1. 开环控制（开环控制（P1最后一段最后一段) 开环控制方式开环控制方式：系统输出端和输入端之间只要顺向作系统输出端和输入端之间只要顺向作用，用，不存在反馈作用不存在反馈作用，输出量对系统的控制作用没有输出量对系统的控制作用没有影响。影响。也称为也称为顺馈顺馈控制方式。控制方式。 开环控制系统：按开环方式组成的系统。开环控制系统：按开环方式组成的系统。被控对象被控对象1.1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式四、四、自动控制系统基本控制方式自动控制系统基本控制方式 Harbin Engineering University例：开环直流电动机转速系统例：开环直流

24、电动机转速系统1. 开环控制开环控制v 结构简单、成本低，结构简单、成本低，系统分析和设计较简便系统分析和设计较简便；v 对组成系统的对组成系统的元部件精度要求高元部件精度要求高；v 抗干扰能力差抗干扰能力差（系统稳定性不是主要问题系统稳定性不是主要问题）。多）。多用用于系统结构参数稳定和扰动信号较弱的场合。于系统结构参数稳定和扰动信号较弱的场合。 主要特点主要特点：1.1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式四、四、自动控制系统基本控制方式自动控制系统基本控制方式 Harbin Engineering University 2. 闭环控制（闭环控制（P2)闭环控制方式闭环控制方式

25、：系统输出端和输入端之间系统输出端和输入端之间存在存在反馈作用反馈作用，即输出量对控制作用，即输出量对控制作用有直接影响有直接影响的的系统。也称为系统。也称为反馈控制反馈控制方式。方式。 闭环控制系统闭环控制系统：按闭环方式组成的系统。按闭环方式组成的系统。1.1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式四、四、自动控制系统基本控制方式自动控制系统基本控制方式 Harbin Engineering University例例 ：闭环直流电动机转速系统：闭环直流电动机转速系统2. 闭环控制闭环控制 主要特点主要特点：v 结构复杂，结构复杂，系统分析和设计较困难系统分析和设计较困难；v 采用

26、精度不高、成本较低的元器件采用精度不高、成本较低的元器件组成精度较高的闭环控制系统组成精度较高的闭环控制系统；v 能削弱或抑制干扰能削弱或抑制干扰，但，但系统稳定性系统稳定性是非常重要的问题。是非常重要的问题。1.1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式四、四、自动控制系统基本控制方式自动控制系统基本控制方式 Harbin Engineering University开环控制开环控制 vs. 闭环控制闭环控制闭环控制闭环控制 开环控制开环控制特点特点对比对比元件精度元件精度要求要求有无有无反馈反馈抗干扰抗干扰能力能力 结构结构 与成本与成本有有无无高高低低差差，对稳定，对稳定性无要

27、求性无要求强，强，稳定稳定性很重要性很重要结构简单，结构简单，成本成本低低 结构复杂，结构复杂，成本成本高高 1.1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式四、四、自动控制系统基本控制方式自动控制系统基本控制方式 Harbin Engineering University3. 3. 复合控制复合控制（P4)干扰补偿的复合控制系统方框图干扰补偿的复合控制系统方框图输入量输入量控制器控制器控制对象控制对象测量元件测量元件 输出量输出量反馈回路反馈回路 被控量被控量干扰量干扰量前馈补偿前馈补偿复合控制：复合控制：开环控制开环控制+闭环控制；闭环控制；特点：控制系统具有良好的控制性能，特点：

28、控制系统具有良好的控制性能，精度更高，结构更复杂精度更高，结构更复杂 。被控对象被控对象1.1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式四、四、自动控制系统基本控制方式自动控制系统基本控制方式 Harbin Engineering Universityv开环控制（顺馈）开环控制（顺馈）v闭环控制闭环控制（反馈）（反馈）v复合控制复合控制（反馈反馈+ +顺馈顺馈）小结小结1.1 1.1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式四、四、自动控制系统基本控制方式自动控制系统基本控制方式 Harbin Engineering University如下为一个如下为一个教学过程控制系统教学

29、过程控制系统各个对应的要素。要求各个对应的要素。要求设计合适的自动控制系统方框图，并设计合适的自动控制系统方框图，并说明其自动控制说明其自动控制的原理的原理。u学生学生u作业、实验、考试等作业、实验、考试等u课程的大纲要求课程的大纲要求u学生学习的实际水平学生学习的实际水平u教师教师自我评估题自我评估题1.1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式Harbin Engineering University自动控制理论教学过程控制系统方框图自动控制理论教学过程控制系统方框图答案：答案：自我评估题自我评估题典型自动控制系统的方框图典型自动控制系统的方框图 1.1 自动控制的基本原理与方式

30、自动控制的基本原理与方式Harbin Engineering University 阅读阅读1.4 的自动控制系统应用举例；的自动控制系统应用举例； 完成习题完成习题1-2，1-5。第第1章章 自动控制的一般概念自动控制的一般概念 作业作业1Harbin Engineering University1.2自动控制系统的基本元件组成自动控制系统自动控制系统被控对象被控对象控制装置（器）控制装置（器） Harbin Engineering University控制系统控制系统被控对象被控对象控制装置控制装置测量元件测量元件比较元件比较元件放大元件放大元件执行机构执行机构校正元件校正元件给定元件给定

31、元件1.2 自动控制系统的基本元件组成Harbin Engineering University图图1.6 1.6 反馈控制系统反馈控制系统基本组成基本组成串连校正串连校正元件元件放大放大元件元件执行执行元件元件反馈校正反馈校正元件元件测量测量元件元件被控量被控量 完整的反馈控制系统的基本组成（P5)被控对象被控对象给定给定元件元件1.2自动控制系统的元件组成自动控制系统的元件组成Harbin Engineering University一、按控制方式一、按控制方式（结构）（结构）分类：分类：1.3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类开环控制开环控制闭环控制闭环控制(反馈控制反馈控制)复合控制复合控制Harbin Engineering Universi