自控的基本认识

1、第 1 章 基础知识 第 1 章 基础知识 自动控制理论 一、本课程的性质任务特点及学习方法1、性质：核心专业基础课（考试课）2、任务：基本概念、组成、原理、分析、设计方法，培养工程观，系统观，为今后从事科研、工程技术工作打基础。3、特点：理论性、实践性、系统性、逻辑性、趣味性都很强，较抽象，涉及数学知识面广，难度较大。4、学习方法：理论联系实际，主观能动，系统钻研。第 1 章 基础知识 二、课程内容，学时安排1、自动控制理论经典控制部分56课时，现代控制理论22课时。2、实验课10课时（5次实验，另行安排）三、考核方法1、平时成绩（含实验，作业，考勤）占30%（30分）2、期考占70%（70

2、分）第 1 章 基础知识 学 时 分 配 表 第1章 基础知识 4课时 第2章 系统的数学模型 8课时 第3章 时域分析 8课时 第4章 频域分析 10课时 第5章 复频域分析 10课时 第6章 控制系统的校正与设计 8课时 第7章 非线性控制系统的分析 8课时 第8章 状态空间分析与综合 22课时第 1 章 基础知识 主要参考文献主要参考文献1、胡寿松.自动控制原理(第四版).北京: 出版社,2003 2、李友善.自动控制原理(修订版).北京:国防工业出版 3、孙虎章.自动控制原理(修订版).北京:中央电大版社,1994.10 4、钱学森.宋健.工程控制论.北京:科学出版社, 5、胡寿松.沈

3、程智.自动控制原理习题集.北京:国防版,1990 6、陈小琳.自动控制原理习题集.北京:国防工业出版社 7、孙德宝.自动控制原理. 北京:化学工业出版社,2002.7 8、张晋格.自动控制原理. 哈尔滨:哈工大版,2002.10 9、现代控制工程第三版，美Katsuhiko Ogata 著，卢伯英， 于海勋等译，电子工业学出版社，2000.5 10、现代控制理论基础，王照林，国防工业出版社 第 1 章 基础知识 课程基本知识结构第 1 章 基础知识 基础知识基础知识建建立立“自动控制原理自动控制原理”的基本认识，清楚的基本认识，清楚“信号信号”、“系统系统”与与“控制控制”及三者之间的关系，熟

4、悉有关的基本概念、及三者之间的关系，熟悉有关的基本概念、专业术语，为后面的专业术语，为后面的“经典分析经典分析”与与“现代分析现代分析”等理论学习等理论学习做好充分的准备。做好充分的准备。 数学模型数学模型主要研究系统的动态数学模型，包括微分方程、差分主要研究系统的动态数学模型，包括微分方程、差分方程、动态结构图、信号流图、传递函数（系统函数）、状态方程、动态结构图、信号流图、传递函数（系统函数）、状态方程（在方程（在“现代分析现代分析”中研究）等。中研究）等。经典分析经典分析包括时域、频域与复域分析：先研究连续信号与离散包括时域、频域与复域分析：先研究连续信号与离散信号，再研究连续系统与离散

5、系统。对于频域分析，为了压缩信号，再研究连续系统与离散系统。对于频域分析，为了压缩篇幅、注重实用，只研究了篇幅、注重实用，只研究了“连续连续”信号与系统控制的频域分信号与系统控制的频域分析；而对于析；而对于“离散离散”信号与系统控制的问题，则留在信号与系统控制的问题，则留在“复频域复频域分析分析”中详细讨论。中详细讨论。 现代分析现代分析主要研究状态空间分析和系统的综合问题，增强了基主要研究状态空间分析和系统的综合问题，增强了基本例题与习题的力度，注入了趣味性本例题与习题的力度，注入了趣味性 。 第 1 章 基础知识 1、明确自动控制的任务，正确理解受控对象、控制量、被控量、输入量、输出量、控

6、制装置和自动控制系统等概念。 2、正确理解两种控制方式开环控制和闭环控制，特别是反 馈控制。 3、初步掌握控制系统的分类。 4、掌握反馈控制系统的组成及基本要求。1、理解控制系统中的各个物理量的含义2、理解开环控制和闭环控制的含义3、理解反馈的含义4、掌握基本控制系统的组成第 1 章 基础知识 三、授课内容与课时（三、授课内容与课时（4课时）课时）第 1 章 基础知识 1.1.1 1.1.1 控制的主要目的控制的主要目的 自动控制作为技术改造和技术发展的重要手段自动控制作为技术改造和技术发展的重要手段,在工在工业、农业、国防、航天、制导、核能乃至日常生活和社业、农业、国防、航天、制导、核能乃至

7、日常生活和社会科学领域中都起着十分重要的作用。会科学领域中都起着十分重要的作用。 所谓自动控制，是指在无人直接参与的情况下，利所谓自动控制，是指在无人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置，使设备或生产过程自动地按照预用外加的设备或装置，使设备或生产过程自动地按照预定的要求运行。定的要求运行。 为了某种目的，把控制器、被控对象等部件有机联为了某种目的，把控制器、被控对象等部件有机联结成一个自动控制的整体，即成为一个完整的自动控制结成一个自动控制的整体，即成为一个完整的自动控制系统，如图系统，如图1.3-11.3-1所示。所示。第 1 章 基础知识 图图1.3-1 1.3-1 一种自动控制系统的

8、功能图一种自动控制系统的功能图 如果用如果用 y(t) 表示被控量，用表示被控量，用 f(t) 表示给定量，则自动表示给定量，则自动控制的主要目的便是使：控制的主要目的便是使： y(t) f(t) （1.3-1） 式（式（1.3-1）就是自动控制任务的数学表达式。）就是自动控制任务的数学表达式。第 1 章 基础知识 1.1.2 自动控制科学 自动控制科学是研究自动控制共同规律的技术科学。 最早的自动控制技术可以追溯到公元前我国古代的自动计时器和漏壶指南车。第 1 章 基础知识 第 1 章 基础知识 第 1 章 基础知识 )1 (111121212RRARRVVGAdAARRGdG21第 1 章

9、 基础知识 第 1 章 基础知识 第 1 章 基础知识 第 1 章 基础知识 第 1 章 基础知识 第 1 章 基础知识 第 1 章 基础知识 第 1 章 基础知识 1.1.3 控制的基本方式控制的基本方式 要完成自动控制的任务，使要完成自动控制的任务，使 y(t) f(t)，在很大程度上取决，在很大程度上取决于：使系统控制器产生控制作用的信息，系统的给定量、于：使系统控制器产生控制作用的信息，系统的给定量、扰动量与被控量就是携带这种信息的三个基本信号。由这扰动量与被控量就是携带这种信息的三个基本信号。由这三个基本信号，可以产生三种基本的控制方式三个基本信号，可以产生三种基本的控制方式按给定按

10、给定量量控制控制、按干扰补偿与按偏差调节。、按干扰补偿与按偏差调节。 其中，被控量来源于被控对象的输出端，携带着被控对其中，被控量来源于被控对象的输出端，携带着被控对象的行为或状态信息。我们把从被控对象输出端获得的信象的行为或状态信息。我们把从被控对象输出端获得的信息，通过中间（反馈）环节再送回到控制器输入端的过程，息，通过中间（反馈）环节再送回到控制器输入端的过程，称为反馈；把传送反馈信息的载体，称为反馈信号。称为反馈；把传送反馈信息的载体，称为反馈信号。 是否采用反馈，对控制系统的性能影响很大。系统的基是否采用反馈，对控制系统的性能影响很大。系统的基本控制方式按照有无反馈分为开环控制和闭环

11、控制两大本控制方式按照有无反馈分为开环控制和闭环控制两大类。类。 按给定量控制和按干扰补偿因信号只能单向传递，因此属按给定量控制和按干扰补偿因信号只能单向传递，因此属于开环控制，按偏差调节则属于闭环控制。于开环控制，按偏差调节则属于闭环控制。第 1 章 基础知识 1.1. 开环控制开环控制 如果系统的控制装置与被控对象之间只有正向控制作用如果系统的控制装置与被控对象之间只有正向控制作用而没有反向联系，则称这种控制方式为开环控制，按这种而没有反向联系，则称这种控制方式为开环控制，按这种方式组成的系统称为开环控制方式组成的系统称为开环控制系统。系统。 1）按给定量控制的开环控制系统）按给定量控制的

12、开环控制系统 这种控制系统的结构比较简单，控制作用直接由系统的这种控制系统的结构比较简单，控制作用直接由系统的输入量产生，对应于每一个给定值，其被控量便有一个对输入量产生，对应于每一个给定值，其被控量便有一个对应的固定工作状态；应的固定工作状态； 系统的控制精度完全取决于所用元件及校准的精度，当系统的控制精度完全取决于所用元件及校准的精度，当干扰存在时，系统无法自动补偿，因此控制精度难于保证。干扰存在时，系统无法自动补偿，因此控制精度难于保证。所以这种系统只适合于输入与输出关系确定，且不存在干所以这种系统只适合于输入与输出关系确定，且不存在干扰（或干扰很弱）的场合。工业生产中的自动化流水作业扰

13、（或干扰很弱）的场合。工业生产中的自动化流水作业线、装配线就是这类开环控制系统。线、装配线就是这类开环控制系统。 第 1 章 基础知识 图图1.3-2是一个开环直流调速系统：是一个开环直流调速系统：a. 系统原理图系统原理图 b. 系统功能图系统功能图图图1.3-2开环直流调速系统开环直流调速系统 图图1.3-2中的中的Ug为给定参考输入，它通过触发器控制晶闸管的为给定参考输入，它通过触发器控制晶闸管的整流，产生直流电动机的供电电压整流，产生直流电动机的供电电压Ud ，使电机产生期望的转速，使电机产生期望的转速n。但是此系统中，只要电动机负载、电网电压或激磁电流稍有变化，但是此系统中，只要电动

14、机负载、电网电压或激磁电流稍有变化，电动机的转速电动机的转速n便会受到干扰、产生变化，不能维持便会受到干扰、产生变化，不能维持Ug所对应的所对应的期望转速期望转速n，不能实现期望转速，不能实现期望转速n的高精度控制。的高精度控制。 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 可以考虑一种补偿措施：将干扰信息引入控制器的输入端，可以考虑一种补偿措施：将干扰信息引入控制器的输入端，通过控制器的控制来抵消扰动对被控对象的影响。通过控制器的控制来抵消扰动对被控对象的影响。 UgUdM电动机晶闸管整流装置触发器ugud负载转速第 1 章 基础知识 a. . 系统原理图系统原理图 b. . 系

15、统功能图系统功能图图图1.3-3 1.3-3 按干扰按干扰补偿补偿的开环直流调速系统的开环直流调速系统 按干扰补偿的方式直接从系统的主要干扰取得扰动信息，由此改变系按干扰补偿的方式直接从系统的主要干扰取得扰动信息，由此改变系统的被控量，提高了系统的抗扰性与控制精度。统的被控量，提高了系统的抗扰性与控制精度。 这种按干扰补偿的开环控制方式只适用于扰动能测量的场合，而且一这种按干扰补偿的开环控制方式只适用于扰动能测量的场合，而且一个补偿装置只能补偿一种干扰，一般不能对其余扰动均产生补偿作用。对个补偿装置只能补偿一种干扰，一般不能对其余扰动均产生补偿作用。对于多种扰动、多种因素引起的输出量变化，采用

16、逐一补偿的办法是不可能于多种扰动、多种因素引起的输出量变化，采用逐一补偿的办法是不可能的，得不偿失的。的，得不偿失的。 按干扰补偿的开环控制方式虽然能够有效提高系统的抗扰性、提高系按干扰补偿的开环控制方式虽然能够有效提高系统的抗扰性、提高系统的控制精度，但是仍然不能实现系统被控量的高精度控制。统的控制精度，但是仍然不能实现系统被控量的高精度控制。第 1 章 基础知识 2. 闭环控制闭环控制 如果系统的控制装置与被控对象之间不仅有正向控制作如果系统的控制装置与被控对象之间不仅有正向控制作用，而且有输出量对控制装置的反向控制过程，则称这种用，而且有输出量对控制装置的反向控制过程，则称这种控制方式为

17、闭环控制，闭环控制系统如图控制方式为闭环控制，闭环控制系统如图1.3-4所示。所示。图1.3-4 闭环控制系统第 1 章 基础知识 若将图若将图1.3-5中测得的输出反馈到输入端与参考输入相加，中测得的输出反馈到输入端与参考输入相加，则成为具有正反馈的控制系统，正反馈将使电机负载增大产生则成为具有正反馈的控制系统，正反馈将使电机负载增大产生的转速误差越来越大，使系统无法稳定工作。因此在自动控制的转速误差越来越大，使系统无法稳定工作。因此在自动控制系统的研究中，正反馈是不能作为主反馈使用的。系统的研究中，正反馈是不能作为主反馈使用的。nUkUUfnIdTGUgUdM干扰Ug测速发电机放大器Ud触

18、发器晶闸管整流装置电动机UUfnna. . 系统的原理图系统的原理图 b. . 系统的功能图系统的功能图图1.3-5 一个实际的闭环调速系统第 1 章 基础知识 l1Q1HQ2l2Q1Q2l2Hl1第 1 章 基础知识 2）三种典型的负反馈控制系统）三种典型的负反馈控制系统 （1）恒值控制系统）恒值控制系统(或称自动调节系统或称自动调节系统) 恒值控制系统的特点是输入量恒定，所谓恒值控制，就是恒值控制系统的特点是输入量恒定，所谓恒值控制，就是在输入量恒定的情况下，系统自动实现对干扰的镇定控制，在输入量恒定的情况下，系统自动实现对干扰的镇定控制，尽量使输出量保持在希望值上。尽量使输出量保持在希望

19、值上。 （2）随动控制系统）随动控制系统(或称伺服系统或称伺服系统) 随动控制系统的特点是输入信号随机变化，是时间的未知随动控制系统的特点是输入信号随机变化，是时间的未知函数，其变化规律不能事先确定，所谓随动控制，就是在输函数，其变化规律不能事先确定，所谓随动控制，就是在输入随机变化的情况下，系统的输出量能够准确、快速地跟踪入随机变化的情况下，系统的输出量能够准确、快速地跟踪输入信号的变化，随时复现给定量。输入信号的变化，随时复现给定量。 （3）温度控制系统）温度控制系统 温度控制系统的特点是输入量可按需要改变，所谓温度控温度控制系统的特点是输入量可按需要改变，所谓温度控制，就是在输入量可以改

20、变的情况下，系统不仅能使输出量制，就是在输入量可以改变的情况下，系统不仅能使输出量准确、快速地跟踪指令的变化，而且具有抗干扰性能，实现准确、快速地跟踪指令的变化，而且具有抗干扰性能，实现温度的高准确度控制。温度的高准确度控制。第 1 章 基础知识 图图1.3-6 船舶驾驶舵角位置跟踪系统船舶驾驶舵角位置跟踪系统 图图1.3-6系统的被控对象是船舵，被控量系统的被控对象是船舵，被控量(输出量输出量)是船舵的角位置是船舵的角位置o，给定量，给定量(输入量输入量)是操纵杆角位置是操纵杆角位置i。系统的任务便是实现船舶舵。系统的任务便是实现船舶舵的角位置的角位置o对操纵杆的角位置对操纵杆的角位置i的跟

21、踪。的跟踪。 理想跟踪情况下，理想跟踪情况下，o=i，由两个环形电位计所组成的桥式电路处，由两个环形电位计所组成的桥式电路处于平衡状态，输出电压于平衡状态，输出电压Ue= 0 ，电动机，电动机 M 不转，系统相对静止。如不转，系统相对静止。如果操纵杆的角位置果操纵杆的角位置i改变了，而船舵仍处于原位，则电位计桥路的输改变了，而船舵仍处于原位，则电位计桥路的输出出Ue 0 , Ue经电压放大器放大后，使电动机转动，并通过减速器、经电压放大器放大后，使电动机转动，并通过减速器、船舵和反馈电位计的滑臂一起作跟随给定值船舵和反馈电位计的滑臂一起作跟随给定值i的运动，当的运动，当o=i时，时，系统达到新

22、的平衡状态，电动机停转，从而实现了船舶舵角位置对操系统达到新的平衡状态，电动机停转，从而实现了船舶舵角位置对操纵杆角位置的跟踪。纵杆角位置的跟踪。第 1 章 基础知识 图图1.3-7热处理炉热处理炉 是温度控制系统的实际例子。是温度控制系统的实际例子。图1.3-7 热处理炉温度控制系统 图图1.3-7中，被控对象是热处理炉，被中，被控对象是热处理炉，被控量控量(输出量输出量)是热处理炉的炉温是热处理炉的炉温Ty，给定量，给定量(输入量输入量)是炉温给定电位器的位置是炉温给定电位器的位置Tf所对应所对应的的Uf值，热处理工件的取换、环境温度的值，热处理工件的取换、环境温度的改变、煤气压力的变化等

23、都是系统的干扰，改变、煤气压力的变化等都是系统的干扰，热电偶是温度测量元件，运算放大器进行比热电偶是温度测量元件，运算放大器进行比较计算，电动机、阀门等是执行装置较计算，电动机、阀门等是执行装置。 当给定量因系统任务的改变而调整时，当给定量因系统任务的改变而调整时，炉温给定电位器的位置炉温给定电位器的位置Tf所对应的所对应的Uf值会值会改变，使改变，使u0、电动机转动阀门改变煤气、电动机转动阀门改变煤气的供流量，使热处理炉的炉温的供流量，使热处理炉的炉温Ty 变化，直变化，直到到Ty Tf时时u 0 ，系统将处于新的稳定，系统将处于新的稳定状态，这是温控系统对指令的跟踪过程。状态，这是温控系统

24、对指令的跟踪过程。 当取换工件或环境温度改变或煤气压力发生变化时，炉温当取换工件或环境温度改变或煤气压力发生变化时，炉温Ty也会也会 发生变化，由发生变化，由热电偶所产生的热电偶所产生的u值会使值会使u0，使电动机转动阀门，改变煤气的供给流量，使热处，使电动机转动阀门，改变煤气的供给流量，使热处理炉的炉温理炉的炉温 Ty 变化，直到变化，直到 Ty Tf时时u 0 ，系统，系统也将处于新的稳定状态，这是温也将处于新的稳定状态，这是温度控制系统对干扰的镇定控制过程。度控制系统对干扰的镇定控制过程。第 1 章 基础知识 需要指出，温度控制系统一般具有较大的惯性，需要指出，温度控制系统一般具有较大的

25、惯性，有时为了实现温度的高准确度控制，完全可以通过有时为了实现温度的高准确度控制，完全可以通过牺牲一部分快速性指标来达到高准确度控制的目的。牺牲一部分快速性指标来达到高准确度控制的目的。 还有一类系统，输入信号是一个随时间变化的还有一类系统，输入信号是一个随时间变化的已知函数，系统的控制过程始终按照预定的程序进已知函数，系统的控制过程始终按照预定的程序进行，我们称之为程序控制系统。这类系统要求被控行，我们称之为程序控制系统。这类系统要求被控量能够迅速、准确地复现给定量，例如数字程序控量能够迅速、准确地复现给定量，例如数字程序控制机床、发电厂中蒸汽轮机的温度控制等都属于这制机床、发电厂中蒸汽轮机

26、的温度控制等都属于这种系统。种系统。第 1 章 基础知识 PartPart 1.21.2 自动控制系统的分类自动控制系统的分类第 1 章 基础知识 第 1 章 基础知识 第 1 章 基础知识 第 1 章 基础知识 第 1 章 基础知识 Part 1.3 控制的基本要求第 1 章 基础知识 常用的典型外作用信号有：阶跃信号、斜坡信号、常用的典型外作用信号有：阶跃信号、斜坡信号、(t)信号与正弦信号。这些信号都能在工程实践中近似得到。信号与正弦信号。这些信号都能在工程实践中近似得到。 其中，阶跃信号在其中，阶跃信号在0时刻具有从无到有的变化，难以复时刻具有从无到有的变化，难以复现；而且阶跃信号作用

27、的时间长，便于人们观察，因此常常现；而且阶跃信号作用的时间长，便于人们观察，因此常常通过阶跃信号作用下的系统阶跃响应来评价系统控制性能的通过阶跃信号作用下的系统阶跃响应来评价系统控制性能的好坏，来定义系统的时域性能指标。好坏，来定义系统的时域性能指标。 0)0()0()0( yyy第 1 章 基础知识 sin()mmtTT正弦信号的振幅；初始相角；2振荡的角频率，其值为 =，振荡周期。( ) ttmT2sinsin222coscos2mmmmmmttTttTTTT第 1 章 基础知识 第 1 章 基础知识 1h( )r t( )r t第 1 章 基础知识 ( )r t( )r t( )r t第

28、 1 章 基础知识 2. 控制的基本要求控制的基本要求 系统控制的主要问题是控制精度问题，控制的基本要求系统控制的主要问题是控制精度问题，控制的基本要求就是对控制精度的要求。就是对控制精度的要求。 稳定是系统工作的首要前提。一个不稳定的系统，不仅稳定是系统工作的首要前提。一个不稳定的系统，不仅不能正常工作，而且可能使被控对象等设备遭到破坏，最不能正常工作，而且可能使被控对象等设备遭到破坏，最终导致整个系统瘫痪。只有在系统稳定工作的首要前提下，终导致整个系统瘫痪。只有在系统稳定工作的首要前提下，讨论控制系统的控制精度才具有实际意义。控制系统的控讨论控制系统的控制精度才具有实际意义。控制系统的控制

29、精度包括动态精度与稳态精度两个方面。制精度包括动态精度与稳态精度两个方面。 控制系统的动态精度指的是系统动态响应的平稳性与快控制系统的动态精度指的是系统动态响应的平稳性与快速性。速性。 控制系统的稳态精度指的是系统稳态响应的稳态精度或控制系统的稳态精度指的是系统稳态响应的稳态精度或稳态误差，即系统控制的准确度。稳态误差，即系统控制的准确度。 控制系统的控制精度可以概括为稳、快、准三个字。控制系统的控制精度可以概括为稳、快、准三个字。第 1 章 基础知识 1）线性系统的稳定性）线性系统的稳定性 线性系统的稳定性是指扰动作用后，系统能否恢复受扰线性系统的稳定性是指扰动作用后，系统能否恢复受扰前平衡

30、状态的特性。前平衡状态的特性。 如果扰动消失后，系统能够回到原来的平衡状态，这样如果扰动消失后，系统能够回到原来的平衡状态，这样的系统就是稳定的系统，如图的系统就是稳定的系统，如图1.3-8a. 所示；如果扰动消失后，所示；如果扰动消失后，系统不能回到原来的平衡状态，这样的系统就是不稳定的系系统不能回到原来的平衡状态，这样的系统就是不稳定的系统，如图统，如图1.3-8b. 所示。所示。a. . 稳定的线性系统稳定的线性系统 b. . 不稳定的线性系统不稳定的线性系统图图1.3-8 1.3-8 线性系统的扰动过程线性系统的扰动过程第 1 章 基础知识 2） 控制系统的动态精度控制系统的动态精度 实际工程中的控制系统总是存在惯性，如电动机的电磁惯性，实际工程中的控制系统总是存在惯性，如电动机的电磁惯性，