第一章 自动控制的一般概念(胡寿松第六版)

1、自动控制原理（第六版）第一章 自动控制的一般概念1-1自动控制的基本原理与方法1-2自动控制系统示例1-3自动控制系统的分类1-4对自动控制系统的基本要求1-5自动控制系统的分析与设计工具1-1 自动控制的基本原理与方法1、什么是自动控制？所谓自动控制，是指在没有人没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（控制装置控制装置或控制器控制器），使及其、设备或生产过程（统称被控对象被控对象）的某个工作状态或参数（被控量被控量）自动地按照预定的规律运行。控制装置：除被控对象意外的所有元件合在一起。被控量：最终需要被控制的变量（或过程）。被控对象：最终需要被控制的对象。1-1 自动控制的基本原理与方

2、法2、什么是自动控制原理？将研究出的自动控制共同规律的技术总结而成的理论体系。（正如微积分是一种数学工具一样）。自动控制原理自动控制原理经典控制理论经典控制理论现代控制理论现代控制理论智能控制智能控制20世纪40年代以传递函数为基础20世纪五六十年代以状态为基础20世纪70年代向“大系统理论”和“智能控制”方向发展1-1 自动控制的基本原理与方法 解决的基本问题：解决的基本问题：建模建模：建立系统数学模型（实际问题抽象，数学描述）分析分析：分析控制系统的性能（稳定性、动/稳态性能）综合综合：控制系统的综合与校正控制器设计（方案选择、设计） 1-1 自动控制的基本原理与方法3、什么是反馈控制原理

3、？在反馈控制系统中，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。如人取桌上书的过程（见下图）：如人取桌上书的过程（见下图）：眼睛大脑手臂、手眼睛输出量（手位置）输入信号（书位置）被控对象被控量测量元件3、什么是反馈控制原理？、什么是反馈控制原理？系统方框图符号组成系统方框图符号组成：“ ”下图为反馈控制原理方框图下图为反馈控制原理方框图3、什么是反馈控制原理？、什么是反馈控制原理？ 在工业控制中，龙门刨床速度控制系统就是按在工业控制中，龙门刨床速度控制系统就是按照反馈控制原理进行工作的。当负载波动时，必照反馈

4、控制原理进行工作的。当负载波动时，必然会引起速度变化，由于龙门刨床不允许速度变然会引起速度变化，由于龙门刨床不允许速度变化过大，因此必须对速度进行控制。化过大，因此必须对速度进行控制。3、什么是反馈控制原理？、什么是反馈控制原理？龙门刨床速度控制系统原理图龙门刨床速度控制系统原理图 在工业控制中，龙门刨床速度控制系统就是按在工业控制中，龙门刨床速度控制系统就是按照反馈控制原理进行工作的。当负载波动时，必照反馈控制原理进行工作的。当负载波动时，必然会引起速度变化，由于龙门刨床不允许速度变然会引起速度变化，由于龙门刨床不允许速度变化过大，因此必须对速度进行控制。化过大，因此必须对速度进行控制。 下

5、图示为龙门刨床速度控制系统。当负载发下图示为龙门刨床速度控制系统。当负载发生变化时，如和控制速度。生变化时，如和控制速度。 例如：例如：nuuuuuunMaktt)(03、什么是反馈控制原理？、什么是反馈控制原理？3、什么是反馈控制原理？、什么是反馈控制原理？下图为龙门刨床速度控制系统的方框图下图为龙门刨床速度控制系统的方框图4、反馈控制系统的基本组成信号从输入端到达输出端的传输通路称为前向通信号从输入端到达输出端的传输通路称为前向通路；系统输出量经测量元件反馈到输入端的传输路；系统输出量经测量元件反馈到输入端的传输通路称为主反馈通路。前向通路与主反馈通路共通路称为主反馈通路。前向通路与主反馈

6、通路共同构成主回路。此外，还有局部反馈通路。只包同构成主回路。此外，还有局部反馈通路。只包含一个主反馈通路的系统称为单回路系统，有两含一个主反馈通路的系统称为单回路系统，有两个或两个以上反馈通路的个或两个以上反馈通路的 系统称为多回路系统。系统称为多回路系统。第一节 自动控制的基本原理与方式四、自动控制系统基本控制方式1、反馈控制方式q 特点：通过计算被控量和给定值的差值来控制被控对象。特点：通过计算被控量和给定值的差值来控制被控对象。q优点：可以自动调节由于干扰和内部参数的变化优点：可以自动调节由于干扰和内部参数的变化 而引起而引起 的变动。的变动。计算比较计算比较给定值给定值E执行执行被控

7、对象被控对象干扰干扰被控量被控量测量测量按偏差调节的系统原理方框图按偏差调节的系统原理方框图第一节 自动控制的基本原理与方式如上图所示，反馈回来的信号与给定值如上图所示，反馈回来的信号与给定值相减，即根据偏差进行控制，称为负反相减，即根据偏差进行控制，称为负反馈，反之称为正反馈。馈，反之称为正反馈。这种控制方式控制精度较高，因为无论是干扰的作用，还是系统结构参这种控制方式控制精度较高，因为无论是干扰的作用，还是系统结构参数的变化，只要被控量偏离给定值，系统就会自行纠偏。但是闭环控制数的变化，只要被控量偏离给定值，系统就会自行纠偏。但是闭环控制系统的参数如果匹配得不好，会造成被控量的较大摆动，甚

8、至系统无法系统的参数如果匹配得不好，会造成被控量的较大摆动，甚至系统无法正常工作。正常工作。第一节 自动控制的基本原理与方式 飞机自动驾驶系统原理图控制任务控制任务：系统在任何扰动作用下，保持飞机俯仰角不变。被控对象被控对象：飞机。被控量被控量：飞机的俯仰角 。 俯仰角控制系统原理方框图第一节 自动控制的基本原理与方式第一节 自动控制的基本原理与方式2 2、开环控制方式、开环控制方式计算计算执行执行受控对象受控对象给定值给定值干扰干扰被控量被控量按给定值操纵的开环控制系统原理方框图按给定值操纵的开环控制系统原理方框图开开环控制系统的输出端与输入端之间不存在反馈回路，输出量对系统的控制作用没有影

9、响。第一节 自动控制的基本原理与方式炉温控制系统炉温控制系统原理方框图定时开关炉子电阻丝0T给定炉温T实际炉温第一节 自动控制的基本原理与方式特点：特点：控制装置只按给定值来控制受控对象控制装置只按给定值来控制受控对象优点：控制系统结构简单，相对来说成本低。优点：控制系统结构简单，相对来说成本低。缺点：缺点：对可能出现的被控量偏离给定值的偏差没有任何修正能力，抗干扰能力差，控制精度不高。第一节 自动控制的基本原理与方式q定义：利用干扰信号产生控制作用，以及时定义：利用干扰信号产生控制作用，以及时补偿干扰对被控量的直接影响。补偿干扰对被控量的直接影响。计算计算测量测量受控对象受控对象执行执行干扰

10、干扰被控量被控量特点特点：只能对可测干扰进行补偿，对不可测干扰以及受控对象、各功能部件内部：只能对可测干扰进行补偿，对不可测干扰以及受控对象、各功能部件内部参数变化对被控量的影响，系统自身无法控制。参数变化对被控量的影响，系统自身无法控制。适用于：存在强干扰且变化比较剧烈的场合。适用于：存在强干扰且变化比较剧烈的场合。水位高度控制系统原理图水位高度控制系统原理方框图第一节 自动控制的基本原理与方式3 3、复合控制方式、复合控制方式 复合控制就是开环控制和闭环控制相结合的一种控制。实质上，它复合控制就是开环控制和闭环控制相结合的一种控制。实质上，它是在闭环控制回路的基础上，附加了一个输入信号或扰

11、动作用的顺馈是在闭环控制回路的基础上，附加了一个输入信号或扰动作用的顺馈通路，来提高系统的控制精度。通路，来提高系统的控制精度。 复合控制系统n控制装置被控对象 CR补偿装置第一节 自动控制的基本原理与方式第一章自动控制的一般概念第一章自动控制的一般概念 第三节 自动控制系统的分类一、按控制方式来分一、按控制方式来分 自动控制系统的分类方法较多，常见自动控制系统的分类方法较多，常见的有以下几种的有以下几种 二、按输入量的变化规律来分二、按输入量的变化规律来分开环控制、反馈控制、复合控制恒指控制、随动控制、程序控制 第三节 自动控制系统的分类恒值系统、随动系统和恒值系统、随动系统和 程序控制系统

12、程序控制系统 (按控制系统的输入作用来分按控制系统的输入作用来分 ） 系统的给定值为一定值，而控制系统的给定值为一定值，而控制任务就是克服扰动，使被控量保持恒值。任务就是克服扰动，使被控量保持恒值。 例如：电机速度控制、恒温、恒压、例如：电机速度控制、恒温、恒压、水位控制系统等。水位控制系统等。 恒值系统：恒值系统： 随动系统：随动系统： 系统给定值按照事先不知道的系统给定值按照事先不知道的时间函数变化，并要求被控量跟随时间函数变化，并要求被控量跟随给定值变化。给定值变化。 第三节 自动控制系统的分类程序控制系统 系统的参据量时按预定规律随时间变化的函数，要求被控量迅速、准确地加以复现。程序控

13、制系统和随动系统的参据量都是时间函数，不过前者是已知的时间函数，后者是未知的任意时间函数，而恒值控制系统也可视为程序控制系统的特例。 第三节 自动控制系统的分类三、按系统性能来分三、按系统性能来分 由线性微分方程或线性差分方由线性微分方程或线性差分方程所描述的系统。程所描述的系统。由非线性方程描述的系统。由非线性方程描述的系统。线性系统：线性系统：非线性系统：非线性系统：线性系统、非线性系统、定常系统、时变系统、确定性系统、不确定系统等。 第三节 自动控制系统的分类定常系统和时变系统定常系统定常系统: 若系统微分方程的系数为常数，则若系统微分方程的系数为常数，则称之为线性定常系统。此类系统为本

14、书称之为线性定常系统。此类系统为本书主要讨论对象。主要讨论对象。 系统数学模型微分方程的系数不系统数学模型微分方程的系数不是时间变量的函数。是时间变量的函数。否则称为时变系统。否则称为时变系统。 第三节 自动控制系统的分类连续系统和离散系统连续系统：连续系统： 系统中各部分的信号都是时间的连续系统中各部分的信号都是时间的连续函数即模拟量。函数即模拟量。离散系统：离散系统： 系统中有一处或多处信号为时间的系统中有一处或多处信号为时间的离散函数，如脉冲或数码信号。离散函数，如脉冲或数码信号。 若系统中既有模拟量也有离散信号，若系统中既有模拟量也有离散信号，则又可称之为采样系统。则又可称之为采样系统

15、。第四节 对自动控制系统的基本要求 常见的评价系统优劣的性能指标是常见的评价系统优劣的性能指标是从动态过程中定义出来的。对系统性能从动态过程中定义出来的。对系统性能的基本要求有三个方面。的基本要求有三个方面。 第一章自动控制的一般概念第一章自动控制的一般概念工程上常从稳、快、准三个方面来评价控制系统。工程上常从稳、快、准三个方面来评价控制系统。 稳：稳： 指动态过程的平稳性。指动态过程的平稳性。 快：快： 指动态过程的快速性。指动态过程的快速性。 准：准： 指动态过程的最终精度。指动态过程的最终精度。1.基本要求的提法 第四节 对自动控制系统的基本要求稳：稳： 指动态过程的平稳性指动态过程的平

16、稳性控制系统动态过程曲线如上图所示，系统在外力作用下，输出逐渐与期望值一致，则系统是稳定的，如曲线所示；反之，输出如曲线所示，则系统是不稳定的。 第四节 对自动控制系统的基本要求快：快： 指动态过程的快速性指动态过程的快速性快速性即动态过程进行的时间的长短。过程时间越短，说明系统快速性越好，反之说明系统响应迟钝，如曲线所示。稳和快反映了系统动态过程性能的好坏。既快又稳，表明系统的动态精度高。稳和快反映了系统动态过程性能的好坏。既快又稳，表明系统的动态精度高。 第四节 对自动控制系统的基本要求准：准：指系统在动态过程结束后，其被控量（或指系统在动态过程结束后，其被控量（或反馈量）与给定值的偏差，这一偏差称为稳态反馈量）与