《自动控制理论》(第3版)夏德钤、翁贻方

1、 自动控制理论第3版夏德钤，翁贻方夏德钤，翁贻方 编著编著机械工业出版社机械工业出版社配套教辅教材：配套教辅教材：翁贻方。自动控制理论例题习题翁贻方。自动控制理论例题习题集集考研试题解析。机械工业出版考研试题解析。机械工业出版社，社，2006。第一章 引论本章知识点本章知识点自动控制的基本概念自动控制的基本概念开环控制与闭环控制开环控制与闭环控制 自动控制系统需要分析的方面自动控制系统需要分析的方面 自动控制系统的类型自动控制系统的类型 自动控制系统中的术语和定义自动控制系统中的术语和定义 本课程在人才培养中的重要地位本课程在人才培养中的重要地位自动化专业主干课程自动化专业主干课程知识结构中起

2、到承上启下作用知识结构中起到承上启下作用构建和设计自动控制系统的理论与方构建和设计自动控制系统的理论与方法法后续课程后续课程计算机控制系统、运动计算机控制系统、运动控制系统、过程控制系统等控制系统、过程控制系统等本课程所需基础知识本课程所需基础知识高等数学中的微分方程高等数学中的微分方程拉普拉斯变换拉普拉斯变换电路理论中相关知识电路理论中相关知识模拟电子技术中的运算放大器模拟电子技术中的运算放大器物理学相关知识物理学相关知识本课程的任务本课程的任务掌握闭环控制系统的结构、原理掌握闭环控制系统的结构、原理掌握自动控制系统的传递函数数学模型掌握自动控制系统的传递函数数学模型掌握自动控制系统的分析方

3、法掌握自动控制系统的分析方法掌握自动控制系统的校正方法掌握自动控制系统的校正方法什么是自动控制？什么是自动控制？ 自动控制是在人不直接参与的情况自动控制是在人不直接参与的情况下，利用自动控制装置使机器、设备、下，利用自动控制装置使机器、设备、生产过程等自动地按照预定的规律运行，生产过程等自动地按照预定的规律运行，使使机器的动作、设备的运转、生产过程机器的动作、设备的运转、生产过程的状态的状态能够自动地在一定的精度范围内，能够自动地在一定的精度范围内，按照给定的规律变化。按照给定的规律变化。手动控制与自动控制的比较手动控制与自动控制的比较手动控制靠人的观测与操作手动控制靠人的观测与操作自动控制系

4、统自动检测水位与控制阀门自动控制系统自动检测水位与控制阀门自动控制系统无处不在自动控制系统无处不在军事、航天领域军事、航天领域 火炮跟踪系统、雷达跟踪系统；火炮跟踪系统、雷达跟踪系统； 人造人造卫星的姿态控制等；宇宙飞船的各种自动卫星的姿态控制等；宇宙飞船的各种自动控制。控制。 工业领域工业领域 产品加工和物流调配的自动控制；石产品加工和物流调配的自动控制；石油化工生产过程、造纸、工业窑炉、轧钢油化工生产过程、造纸、工业窑炉、轧钢过程的自动控制等。过程的自动控制等。 农业生产领域农业生产领域 自动灌溉系统；植物温室温度和湿度自动灌溉系统；植物温室温度和湿度自动控制系统等。自动控制系统等。商业领

5、域商业领域 商业设备商业设备、仓储自动化设备与系统、仓储自动化设备与系统、物流物流监控管理监控管理日常生活日常生活 空调器、电冰箱等。空调器、电冰箱等。自动控制系统无处不在自动控制系统无处不在生产过程自动控制系统控制柜生产过程自动控制系统控制柜工艺流程画面第一节第一节 开环控制与闭环控制开环控制与闭环控制系统系统为完成特定的任务，由相互制为完成特定的任务，由相互制约的各个部分按一定规律组成的、具有约的各个部分按一定规律组成的、具有一定功能的整体。一定功能的整体。自动控制系统自动控制系统由控制装置和被控制由控制装置和被控制对象组成，能够对被控制对象的工作状对象组成，能够对被控制对象的工作状态进行

6、自动控制的系统。态进行自动控制的系统。开环控制开环控制 在控制器与被控对象之间在控制器与被控对象之间只有正向控制作只有正向控制作用而没有反馈控制作用用而没有反馈控制作用，即系统的输出量对输即系统的输出量对输入量没有影响。输入量直接送入控制器，产生入量没有影响。输入量直接送入控制器，产生控制量作用于被控对象，从而改变被控制量。控制量作用于被控对象，从而改变被控制量。特点：特点：系统简单，成本低，一般用于要求不高系统简单，成本低，一般用于要求不高场合。场合。 控制器控制器 被控对象被控对象控制量给定值r(t)u(t)c(t)闭环控制（反馈控制）闭环控制（反馈控制） 引入测量元件，将检测到的输出量送

7、回到输引入测量元件，将检测到的输出量送回到输入端，并与输入信号比较构成负反馈，控制器根入端，并与输入信号比较构成负反馈，控制器根据偏差按照某种规律产生控制量，实现对被控对据偏差按照某种规律产生控制量，实现对被控对象的控制。象的控制。 控制器与被控对象之间控制器与被控对象之间既有信号的正向作用，既有信号的正向作用，又有信号的反馈作用又有信号的反馈作用。控制器被控对象控制量输出量 给定值r(t)u(t)c(t)测量元件元件偏差e(t) 闭环控制的优点闭环控制的优点 抗干扰能力强，稳态精度高、动态性抗干扰能力强，稳态精度高、动态性能好等。能好等。 设计不合理时，将出现设计不合理时，将出现不稳定不稳定

8、。在开。在开环控制系统中不存在同样的问题。环控制系统中不存在同样的问题。由此带来的问题由此带来的问题例例1 恒温箱闭环控制系统恒温箱闭环控制系统第二节第二节 自动控制系统的类型自动控制系统的类型随动系统与自动调整系统随动系统与自动调整系统 随动系统又称为伺服系统。随动系统又称为伺服系统。特点：特点：给定值给定值是预先未知的、随时间任意变化，要求系统被是预先未知的、随时间任意变化，要求系统被控量以尽可能小的误差跟随给定值变化。控量以尽可能小的误差跟随给定值变化。（比（比如高射炮跟踪敌机随动系统如高射炮跟踪敌机随动系统）。）。 自动调整系统又称为恒值控制系统。自动调整系统又称为恒值控制系统。特点特

9、点：系统输入量（即给定值）不变，但由于扰动使系统输入量（即给定值）不变，但由于扰动使被控量偏离要求值，该系统能根据偏差产生控被控量偏离要求值，该系统能根据偏差产生控制作用，使被控量恢复到要求值，并以一定的制作用，使被控量恢复到要求值，并以一定的准确度保持在要求值附近准确度保持在要求值附近。（如恒温控制系统）。（如恒温控制系统）线性系统和非线性系统线性系统和非线性系统 线性系统是指组成系统的元器件的静态线性系统是指组成系统的元器件的静态特性为直线，能用线性常微分方程描述其输出特性为直线，能用线性常微分方程描述其输出与输入关系的系统。线性系统的主要特点是具与输入关系的系统。线性系统的主要特点是具有

10、叠加性和齐次性。有叠加性和齐次性。（本课程研究重点）（本课程研究重点） 非线性系统是指组成系统的元器件中有一非线性系统是指组成系统的元器件中有一个以上个以上不能用线性方程描述不能用线性方程描述。非线性系统还可。非线性系统还可分为非线性时变系统与非线性定常系统。分为非线性时变系统与非线性定常系统。 严格地说，实际上不存在严格地说，实际上不存在理想的理想的线性系统线性系统。连续系统与离散系统连续系统与离散系统 连续系统，各部分的输入和输出信号都连续系统，各部分的输入和输出信号都是连续变化的模拟量，可用微分方程来描述是连续变化的模拟量，可用微分方程来描述各部分输入各部分输入-输出关系的系统。输出关系

11、的系统。 离散系统，某一处或多处的信号以脉冲离散系统，某一处或多处的信号以脉冲序列或数码形式传递的系统。序列或数码形式传递的系统。 离散系统也有离散系统也有线性离散系统和非线性离散系统、定常离散线性离散系统和非线性离散系统、定常离散系统和时变离散系统之分。系统和时变离散系统之分。单输入单输入- -单输出系统与多输入单输出系统与多输入- -多输出系统多输出系统 单输入单输出系统（单输入单输出系统（SISO, Single Input Single Output)：只有一个输入量和一个输出：只有一个输入量和一个输出量的控制系统，量的控制系统，也称为单变量系统。也称为单变量系统。如直流如直流电机调速

12、系统。电机调速系统。 多输入多输出系统（多输入多输出系统（MIMO, Multiple Inputs Multiple Outputs): 有多个输入量和多有多个输入量和多个输出量的控制系统，个输出量的控制系统，也称为也称为多多变量系统。变量系统。确定系统与不确定系统确定系统与不确定系统 确定系统：若系统的结构和参数是确定确定系统：若系统的结构和参数是确定的、预先可知的，系统的输入信号（包括给的、预先可知的，系统的输入信号（包括给定输入和扰动）也是确定的，则可用解析式定输入和扰动）也是确定的，则可用解析式或图表确切地表示，这种系统称为确定系统。或图表确切地表示，这种系统称为确定系统。 不确定系

13、统：系统本身的结构和参数不不确定系统：系统本身的结构和参数不确定或作用于系统的输入信号不确定时，则确定或作用于系统的输入信号不确定时，则称这种系统为不确定系统。称这种系统为不确定系统。集中参数系统和分布参数系统集中参数系统和分布参数系统 能用常微分方程描述的系统称为集中参能用常微分方程描述的系统称为集中参数系统。数系统。 不能用常微分方程而必须用偏微分方程不能用常微分方程而必须用偏微分方程描述的系统称为分布参数系统。描述的系统称为分布参数系统。 本课程中涉及的内容主要是单变量、集本课程中涉及的内容主要是单变量、集中参数、线性、定常、连续系统，简称中参数、线性、定常、连续系统，简称线性线性定常系

14、统定常系统。同时对非线性系统及线性离散系。同时对非线性系统及线性离散系统也作必要的阐述（第七章、第八章）。统也作必要的阐述（第七章、第八章）。第三节第三节 自动控制理论概要自动控制理论概要 自动控制理论的内容与自动控制系统需自动控制理论的内容与自动控制系统需要研究的问题密要研究的问题密切相关。切相关。 本课程本课程以闭环控制系统为研究对象以闭环控制系统为研究对象用传递函数数学模型描述自动控制系统的用传递函数数学模型描述自动控制系统的输入输出关系输入输出关系用经典控制理论的方法分析和设计系统用经典控制理论的方法分析和设计系统主要研究线性定常系统主要研究线性定常系统自动控制理论的发展历程自动控制理

15、论的发展历程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智能控制理控制理论论 现代控制理论是相对于经典控制理论而现代控制理论是相对于经典控制理论而发展起来的发展起来的. . 计算机技术的发展与应用促进了现代控计算机技术的发展与应用促进了现代控制理论的研究、应用与发展制理论的研究、应用与发展. .自动控制理论的发展历程自动控制理论的发展历程经典控制理论经典控制理论的特点的特点主要研究对象：主要研究对象：单输入单输入、单输出系统单输出系统线性系统线性系统 定常定常( (时不变时不变) )系统系统主要分析方法主要分析方法: :频域分析频域分析, ,在复平面对系统在复平面对系统动态性能、稳态性

16、能进行分析。动态性能、稳态性能进行分析。自动控制理论的发展历程自动控制理论的发展历程现代控制理论现代控制理论的特点的特点主要研究对象：主要研究对象：多输入多输入、多输出系统多输出系统 非线性系统非线性系统时变系统时变系统分析方法主要特点分析方法主要特点: :时域分析时域分析, ,在状态空间在状态空间对系统暂态性能、稳态性能进行分析对系统暂态性能、稳态性能进行分析自动控制理论的发展历程自动控制理论的发展历程经典的控制理论在浅层意义上模拟人们经典的控制理论在浅层意义上模拟人们反馈自动调节的行动过程反馈自动调节的行动过程. .智能控制方法在较深层次上模拟人类大智能控制方法在较深层次上模拟人类大脑的思

17、维判断过程，通过模拟人类思维判脑的思维判断过程，通过模拟人类思维判断的各种算法实现控制断的各种算法实现控制。主要有模糊控制、人工神经网络控制、专家控主要有模糊控制、人工神经网络控制、专家控制等。制等。自动控制系统需分析的问题自动控制系统需分析的问题1 1闭环系统的稳定性闭环系统的稳定性 稳定是任何一个自动控制系统能否实际稳定是任何一个自动控制系统能否实际应用的必要条件。应用的必要条件。 给出判断系统稳定性的基本方法，并阐给出判断系统稳定性的基本方法，并阐述系统的稳定性与系统结构（或称控制规述系统的稳定性与系统结构（或称控制规律）及系统参数间的关系。律）及系统参数间的关系。2. 2. 稳态特性分

18、析稳态特性分析 系统稳态特性表征了系统实际稳系统稳态特性表征了系统实际稳态值与希望稳态值之间的差值，即稳态值与希望稳态值之间的差值，即稳态误差，表征了控制系统的控制精度。态误差，表征了控制系统的控制精度。给出计算系统稳态误差的方法，指出给出计算系统稳态误差的方法，指出系统结构和参数对稳态特性的影响。系统结构和参数对稳态特性的影响。自动控制系统需分析的问题自动控制系统需分析的问题3 3暂态特性分析暂态特性分析 系统的输入一定时，一般将由初始稳系统的输入一定时，一般将由初始稳态向终止稳态过渡。初始稳态与终止稳态态向终止稳态过渡。初始稳态与终止稳态之间的过渡过程称为系统的暂态过程。分之间的过渡过程称

19、为系统的暂态过程。分析系统结构、参数与动态特性的关系，并析系统结构、参数与动态特性的关系，并给出计算系统动态性能指标的方法和讨论给出计算系统动态性能指标的方法和讨论改善系统动态性能的途径。改善系统动态性能的途径。自动控制系统需分析的问题自动控制系统需分析的问题自动控制系统的设计与综合自动控制系统的设计与综合 设计一个系统比分析一个系统复杂，需设计一个系统比分析一个系统复杂，需要控制理论知识，熟悉控制元件、控制规要控制理论知识，熟悉控制元件、控制规律，还要将理论与实际问题结合起来。律，还要将理论与实际问题结合起来。 为满足暂态性能和稳态性能指标的要求，为满足暂态性能和稳态性能指标的要求，需要改变

20、系统的某些参数或附加某种装置，需要改变系统的某些参数或附加某种装置，称为控制系统的校正。称为控制系统的校正。 应用自动控制理论对自动控制系统进行应用自动控制理论对自动控制系统进行设计与综合的过程如下：设计与综合的过程如下：自动控制系统的设计与综合过程自动控制系统的设计与综合过程设计控制器设计控制器确定出一种合适的控制确定出一种合适的控制规律及相应的参数；规律及相应的参数；根据设计结果，对系统性能进行分析；根据设计结果，对系统性能进行分析；若结果不能令人满意，应能指明改善系若结果不能令人满意，应能指明改善系统性能的途径，并调整设计方案或参数。统性能的途径，并调整设计方案或参数。经典控制理论的体系

21、经典控制理论的体系数学模型数学模型：以线性常微分方程为基础的、用以线性常微分方程为基础的、用 传递函数传递函数表示系统的输入输出关系；表示系统的输入输出关系；用框图表示系统的数学模型，化简的方法；用框图表示系统的数学模型，化简的方法；用信号流程图表示系统各部分之间的信号用信号流程图表示系统各部分之间的信号关系，并化简。关系，并化简。经典控制理论的体系经典控制理论的体系时域分析方法时域分析方法：根据系统的传递函数判定系统的稳定性；根据系统的传递函数判定系统的稳定性；根据系统的传递函数分析和计算系统的稳根据系统的传递函数分析和计算系统的稳态误差；态误差；根据系统的传递函数分析和计算系统的暂根据系统

22、的传递函数分析和计算系统的暂态性能；态性能；用系统的根轨迹分析稳定性、稳态误差和用系统的根轨迹分析稳定性、稳态误差和暂态性能暂态性能频域分析方法频域分析方法根据系统的传递函数得到系统频率特性表根据系统的传递函数得到系统频率特性表达式；达式；根据系统的开环频率特性根据系统的开环频率特性定性和定量定性和定量地分地分析闭环系统的稳定性；析闭环系统的稳定性；根据系统的开环频率特性分析系统稳态和根据系统的开环频率特性分析系统稳态和暂态性能；暂态性能；根据系统的开环频率特性设计控制装置。根据系统的开环频率特性设计控制装置。经典控制理论的体系经典控制理论的体系第四节第四节 自动控制系统中的术语和定义自动控制系统中的术语和定义参考输入参考输入r：输入到控制系统的指令信号：输入到控制系统的指令信号主主 反反 馈馈b: :与输入成正比或成某种函数关系，但量纲与参考与输入成正比或成某种函数关系，但量纲与参考输入相同的信号。输入相同的信号。偏偏 差差 e：参考输入与主反馈之差的信号，有时也称为误差。：参考输入与主反馈之差的信号，有时也称为误差。控制环节控制