自动控制原理第一章

1、杨杨 莉莉自动控制原理自动控制原理1.本门课程的性质本门课程的性质:自动控制原理自动控制原理是研究自动控制过程共同规律的技术学科，是一门重要的是研究自动控制过程共同规律的技术学科，是一门重要的专业技术基础课，阐述有关自动控制技术的基础理论专业技术基础课，阐述有关自动控制技术的基础理论经典控制论，研究经典控制论，研究“控制论控制论”在工程中的应用。在工程中的应用。 基本内容基本内容控制论的基本理论、方法、特点、综合设计方法。控制论的基本理论、方法、特点、综合设计方法。 研究对象研究对象自动控制系统，揭示自动控制系统中存在的信息转换、传自动控制系统，揭示自动控制系统中存在的信息转换、传递和递和反馈

2、反馈。2.学习目的：学习目的： 自动化发展的需要自动化发展的需要 与信息科学、系统科学关系紧密与信息科学、系统科学关系紧密 掌握控制系统分析与设计的基本方法掌握控制系统分析与设计的基本方法3. 应用：应用： 军事、航空航天、工农业、交军事、航空航天、工农业、交通运输、生产管理、能源开发通运输、生产管理、能源开发与利用、生物医学、环境控制、与利用、生物医学、环境控制、社会经济、人口控制等。社会经济、人口控制等。第一节第一节 引引 言言一、自动控制的基本概念一、自动控制的基本概念自动控制：自动控制：在无人干预的情况下，利用控制装置使被控对象（如机器设备或在无人干预的情况下，利用控制装置使被控对象（

3、如机器设备或生产过程）的一个或多个物理量（如电压、速度、流量、液位等）在一定精生产过程）的一个或多个物理量（如电压、速度、流量、液位等）在一定精度范围内自动地按照给定的规律变化。度范围内自动地按照给定的规律变化。自动控制系统：自动控制系统：是由控制装置和被控对象所组成，它们以某种相互依赖的方是由控制装置和被控对象所组成，它们以某种相互依赖的方式组合成为一个有机整体，并对被控对象进行自动控制。式组合成为一个有机整体，并对被控对象进行自动控制。被控对象：被控对象：要求实现自动控制的机器，设备或生产过程。要求实现自动控制的机器，设备或生产过程。控制器：控制器：对被控对象起控制作用装置的总体，称做控制

4、装置或控制器。对被控对象起控制作用装置的总体，称做控制装置或控制器。输出量：输出量：表现于控制对象或系统输出端，并要求实现自动控制的物理量。表现于控制对象或系统输出端，并要求实现自动控制的物理量。输入量：输入量：作用于控制对象或系统输入端，并可使系统具有预定功能或预定输作用于控制对象或系统输入端，并可使系统具有预定功能或预定输出的物理量。出的物理量。扰动：扰动：所有妨碍控制量对被控量按要求进行正常控制的因素，称为干扰量或所有妨碍控制量对被控量按要求进行正常控制的因素，称为干扰量或扰动量。扰动量。第一节第一节 引引 言言手臂,手眼睛输入信号大脑眼睛输出信号用自动装置代替人工操作第一节第一节 引引

5、 言言炉温控制系统炉温控制系统第一节第一节 引引 言言1 1、胚胎萌芽期（、胚胎萌芽期（19451945年以前）年以前）自动控制的发展经历了四个阶段，但自动控制成为一门科学是从自动控制的发展经历了四个阶段，但自动控制成为一门科学是从1945发展起来的。发展起来的。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年产生了古氏判据和劳斯稳定判据年产生了古氏判据和劳

6、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。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。制和过程控制。二十世纪初第二次世界大战，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

7、馈放大器技术，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。搭起了经典控制理论的架子，但还没有形成学科。二、自动控制理论的发展简史二、自动控制理论的发展简史第一节第一节 引引 言言2 2、经典控制理论时期（、经典控制理论时期（1940-19601940-1960） 1945年美国人年美国人Bode “网络分析与放大器的设计网络分析与放大器的设计”，奠定了控制理论的基础，奠定了控制理论的基础，50年代年代趋于成熟。趋于成熟。主要内容主要内容 对单输入单输出系统进行分析，采用频率法、根轨迹法、相平面法、描述函数法；对单输入单输出系统进

8、行分析，采用频率法、根轨迹法、相平面法、描述函数法；讨论系统稳定性的代数和几何判据以及校正网络等讨论系统稳定性的代数和几何判据以及校正网络等3 3、现代控制理论时期（、现代控制理论时期（5050年代末年代末-60-60年代初）年代初） 空间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天空间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天 Kalman “控制系统的一般理论控制系统的一般理论”奠定了现代控制理论的基础奠定了现代控制理论的基础4 4、大系统和智能控制时期、大系统和智能控制时期 （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

9、复杂。例人工智能、模拟人的人各学科相互渗透，要分析的系统越来越大，越来越复杂。例人工智能、模拟人的人脑功能、机器人等。脑功能、机器人等。第二节第二节 控制系统的基本控制方式控制系统的基本控制方式一、开环控制（一、开环控制（ Open-Loop Control ） ：控制装置与被控对象之间只有前向作用而没有反向联系的控制系统。控制装置与被控对象之间只有前向作用而没有反向联系的控制系统。控制信号控制信号 被控制量被控制量 给定电压给定电压ug g转速转速n被控对象被控对象控制装置控制装置电压电压放大器放大器功率功率放大器放大器直流直流电动机电动机+_电电 压压放大器放大器功功 率率放大器放大器Mc

10、负载负载n电动机电动机+_+_+电位器电位器augu第二节第二节 控制系统的基本控制方式控制系统的基本控制方式二、闭环控制（二、闭环控制（Close-Loop Control）又称反馈控制（）又称反馈控制（Feedback Control ）：）：控制装置与被控对象之间不但有前向作用，而且有反向联系，即被控量参与系统控控制装置与被控对象之间不但有前向作用，而且有反向联系，即被控量参与系统控制的系统。制的系统。电电 压压放大器放大器功功 率率放大器放大器Mc负载负载n电动机电动机+_+_+_uf电位器电位器测速发电机测速发电机+_guaunue输出量输出量功功 率率放大器放大器直直 流流电动机电

11、动机ugua测测 速速发电机发电机uf电电 压压放大器放大器输入量输入量三、开环与闭环控制系统的比较三、开环与闭环控制系统的比较1、开环控制、开环控制优点优点结构简单，系统稳定性好结构简单，系统稳定性好，调试方便，成本低。因此，在输入量和输，调试方便，成本低。因此，在输入量和输出量之间的关系固定，且内部参数或外部负载等扰动因素不大，或这些扰动因出量之间的关系固定，且内部参数或外部负载等扰动因素不大，或这些扰动因素可以预测并进行补偿的前提下，应尽量采用开环控制系统。素可以预测并进行补偿的前提下，应尽量采用开环控制系统。缺点缺点当控制过程中受到来自系统外部的各种扰动因素，如负载变化、电源当控制过程

12、中受到来自系统外部的各种扰动因素，如负载变化、电源电压波动等，以及来自系统内部的扰动因素，如元件参数变化等，都将会直接电压波动等，以及来自系统内部的扰动因素，如元件参数变化等，都将会直接影响到输出量，而控制系统不能自动进行补偿，影响到输出量，而控制系统不能自动进行补偿，抗干扰性能差抗干扰性能差。因此，开环系。因此，开环系统对元器件的精度要求较高。统对元器件的精度要求较高。2、反馈控制、反馈控制优点优点抑制扰动能力强，抑制扰动能力强，与开环控制相比，对参数变化不敏感，并能获得满与开环控制相比，对参数变化不敏感，并能获得满意的动态特性和控制精度。意的动态特性和控制精度。缺点缺点引入反馈增加了系统的

13、引入反馈增加了系统的复杂性复杂性，如果闭环系统参数的选取不适当，系，如果闭环系统参数的选取不适当，系统可能会产生统可能会产生振荡振荡，甚至系统失稳而无法正常工作，这是自动控制理论和系统，甚至系统失稳而无法正常工作，这是自动控制理论和系统设计必须解决的重要问题。设计必须解决的重要问题。第二节第二节 控制系统的基本控制方式控制系统的基本控制方式四、复杂控制（四、复杂控制（Complex Control）：）：当常规的控制效果不好时，采用前馈控制和补偿控制的方法，提高系统当常规的控制效果不好时，采用前馈控制和补偿控制的方法，提高系统的控制效果。这样的综合系统称为复杂控制系统。的控制效果。这样的综合系

14、统称为复杂控制系统。控制器给定值按输入前馈补偿的复合控制被控对象前馈控制检测元件控制器前馈控制被控对象检测元件给定值被控量被控量扰动按扰动前馈补偿的复合控制第二节第二节 控制系统的基本控制方式控制系统的基本控制方式五、方框图中各符号的意义五、方框图中各符号的意义“-”方框（块）方框（块）图中的符号图中的符号 元部件元部件信号（物理量）及传递方向信号（物理量）及传递方向比较点比较点引出点引出点表示负反馈表示负反馈GC rcG0Hbe + u nr：参考输入参考输入b：主反馈主反馈e：偏差偏差Gc：控制环节控制环节u：控制量控制量n: 扰动量扰动量G0: 被控对象被控对象c：输出量输出量H：反馈环

15、节反馈环节 炉温控制系统方框图某室温控制系统空调器室内空气等e热敏电阻y热传导rc参考输入元件控制器执行元件控制对象扰动信号c被控变量输出信号测量元件r指令输入ey第三节第三节 自动控制系统的类型自动控制系统的类型一、按给定量的变化规律分类一、按给定量的变化规律分类1.恒值调节系统：恒值调节系统：该类系统的输入信号为一常数，扰动使被控量偏离理该类系统的输入信号为一常数，扰动使被控量偏离理想值而出现偏差，利用偏差该系统可使被控量回复到理想值或接近理想想值而出现偏差，利用偏差该系统可使被控量回复到理想值或接近理想值。上述的转速闭环控制系统、水位控制系统均属于此类系统。值。上述的转速闭环控制系统、水

16、位控制系统均属于此类系统。2.随动系统：随动系统：这类系统的给定量是时间的未知函数，系统能使被控量准这类系统的给定量是时间的未知函数，系统能使被控量准确、快速地跟随给定量变化。随动系统又称确、快速地跟随给定量变化。随动系统又称伺服系统伺服系统。火炮自动瞄准系。火炮自动瞄准系统、船舶自动舵均属此类系统。统、船舶自动舵均属此类系统。3.程序控制系统：程序控制系统：输入信号为已知的时间函数，控制作用按预定的规律输入信号为已知的时间函数，控制作用按预定的规律（程序）变化。如机械加工中的数控机床工作台移动系统、仿形铣床。（程序）变化。如机械加工中的数控机床工作台移动系统、仿形铣床。第三节第三节 自动控制

17、系统的类型自动控制系统的类型二、按其参数是否随时间变化而分二、按其参数是否随时间变化而分1.1.定常系统：定常系统：特性不随时间变化的系统称定常系统，又称时不变系统。特性不随时间变化的系统称定常系统，又称时不变系统。描述定常系统特性的微分方程或差分方程的系数不随时间变化。定常描述定常系统特性的微分方程或差分方程的系数不随时间变化。定常系统分为定常线性系统和定常非线性系统。系统分为定常线性系统和定常非线性系统。2.2.时变系统：时变系统：特性随时间变化的系统称时变系统。对于时变系统，其特性随时间变化的系统称时变系统。对于时变系统，其输出响应的波形不仅与输入信号波形有关，而且还与参考输入加入的输出

18、响应的波形不仅与输入信号波形有关，而且还与参考输入加入的时刻有关，这一特点，增加了对时变系统分析和研究的复杂性。时刻有关，这一特点，增加了对时变系统分析和研究的复杂性。第三节第三节 自动控制系统的类型自动控制系统的类型三、按系统的响应特性分类三、按系统的响应特性分类1.线性与非线性系统：线性与非线性系统： （1 1）线性系统：）线性系统：该类系统的特点在于组成系统的各环节的输入输出特性都是线该类系统的特点在于组成系统的各环节的输入输出特性都是线性的，系统的性能可用性的，系统的性能可用线性微分方程线性微分方程（或差分方程）来描述。（或差分方程）来描述。（满足齐次性与（满足齐次性与叠加性）叠加性）

19、（2 2）非线性系统：）非线性系统：该类系统的特点在于系统中含有一个或多个非线性元件。系该类系统的特点在于系统中含有一个或多个非线性元件。系统的性能需用非线性微分方程来描述。统的性能需用非线性微分方程来描述。2.连续系统与离散系统：连续系统与离散系统：（1）连续系统：）连续系统：该类系统各环节间的输入、输出信号均为时间该类系统各环节间的输入、输出信号均为时间t的连续函数的连续函数（模拟量）。（模拟量）。（2）离散系统：）离散系统：该类系统在信号传递过程中有一处或多处的信号是脉冲序列或该类系统在信号传递过程中有一处或多处的信号是脉冲序列或数字编码。数字控制系统、采样系统为离散系统，离散系统数字编

20、码。数字控制系统、采样系统为离散系统，离散系统用差分方程描述。用差分方程描述。第四节控制系统的性能要求和典型输入信号第四节控制系统的性能要求和典型输入信号1 1、稳定性、稳定性基本要求基本要求 指系统受到外作用后，其瞬态过程的振荡倾向和系统恢复平衡状态的能指系统受到外作用后，其瞬态过程的振荡倾向和系统恢复平衡状态的能力。力。 )(tc)(trt0)(tr)(1tc)(a)(trt0)(tr)(1tc)(b)(tc)(trt0)(tr)(1tc)(c)(tc一、控制系统的基本要求一、控制系统的基本要求第四节控制系统的性能要求和典型输入信号第四节控制系统的性能要求和典型输入信号2 2、快速性、快速性动态要求动态要求通过通过 瞬态过程时间长短来表征。过渡过程越短，说明系统快速性越好，过瞬态过程时间长短来表征。过渡过程越短，说明系统快速性越好，过渡过程持续时间越长，说明系统响应迟钝，难以实现快速变化的指令信号。渡过程持续时间越长，说明系统响应迟钝，难以实现快速变化的指令信号。3 3、准确性、准确性稳态要求稳态要求系统在过渡过程结束后，输入给定值与输出响应的终值之间的差值系统在过渡过程结束后，输入给定