第一章自动控制系统概论

1、2022-6-26北京邮电大学信息工程学院原原 理理Automatic Control Theory 2022-6-26北京邮电大学信息工程学院2022-6-26北京邮电大学信息工程学院2022-6-26北京邮电大学信息工程学院自动控制理论是研究自动控制系统组成，进行系统分自动控制理论是研究自动控制系统组成，进行系统分析设计的一般性理论；是研究自动控制过程共同规律析设计的一般性理论；是研究自动控制过程共同规律的技术学科。的技术学科。2022-6-26北京邮电大学信息工程学院本课程与其它课程的关系本课程与其它课程的关系：自动控制理论自动控制理论电路理论电路理论电机与拖动电机与拖动大学物理大学物理

2、信号与系统信号与系统复变函数复变函数 拉氏变换拉氏变换模拟电子技术模拟电子技术线性代数线性代数微积分微积分各各 类类 专业课专业课线性系统线性系统现代控现代控 制理论制理论自动控制原理Automatic Control Theory自动控制原理Automatic Control Theory第第1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 1.1 1.1 自动控制的基本概念自动控制的基本概念1.2 1.2 开环控制和闭环控制开环控制和闭环控制 1.3 1.3 自动控制系统的基本类型自动控制系统的基本类型1.4 1.4 自动控制系统的性能要求自动控制系统的性能要求自动控制原理Automatic Co

3、ntrol Theory自动控制原理Automatic Control Theory本章要点：本章要点：（1 1）反馈控制工作原理及相关概念）反馈控制工作原理及相关概念（2 2）控制系统的类型）控制系统的类型（3 3）对控制系统的基本要求）对控制系统的基本要求基本要求：基本要求：（1 1）了解自动控制概念及研究对象与任务）了解自动控制概念及研究对象与任务（2 2）掌握反馈的含义，学会分析动态系统内信息流）掌握反馈的含义，学会分析动态系统内信息流动的过程，掌握系统或过程中存在的反馈。动的过程，掌握系统或过程中存在的反馈。（3 3）了解正反馈、负反馈的概念。）了解正反馈、负反馈的概念。（4 4）了

4、解控制系统中基本名词和基本变量。）了解控制系统中基本名词和基本变量。（5 5）了解对控制系统的基本要求。）了解对控制系统的基本要求。自动控制原理Automatic Control Theory1.1 1.1 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念工业、农业、交通运输和国防各个方面，凡是要求工业、农业、交通运输和国防各个方面，凡是要求较高的场合较高的场合, ,都离不开自动控制。都离不开自动控制。自动控制自动控制：在无人直接参与的情况下，利用外加的：在无人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（控制装置或控制器），使机器、设备设备或装置（控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（被控对象）

5、的某个工作状态或参数或生产过程（被控对象）的某个工作状态或参数( (被被控量控量) )自动地按照预定的规律自动地按照预定的规律( (给定量给定量) )运行运行 。自动控制系统自动控制系统：能够对被控制对象的工作状态进行：能够对被控制对象的工作状态进行自动控制的系统。包括被控对象和控制装置。自动控制的系统。包括被控对象和控制装置。 自动控制的目的自动控制的目的：提高产品质量；提高劳动生产；：提高产品质量；提高劳动生产；改善劳动条件，减轻劳动强度；提高生活质量等。改善劳动条件，减轻劳动强度；提高生活质量等。自动控制原理Automatic Control Theory自动控制系统举例（一）自动控制系

6、统举例（一）例1 水位控制系统自动控制原理Automatic Control Theory自动控制系统举例（一）自动控制系统举例（一）自动控制原理Automatic Control Theory自动控制系统举例（二）自动控制系统举例（二）自动控制原理Automatic Control Theory自动控制系统举例（二）自动控制系统举例（二） 0电 动 机 正 转TrTTuU uuQT自动控制原理Automatic Control Theory自动控制原理Automatic Control Theory第一阶段: 经典(自动)控制理论经典控制理论经典控制理论即古典控制理论古典控制理论,也称为自动

7、控制自动控制理论理论。它的发展大致经历了以下几个过程：一一 萌芽阶段萌芽阶段如果要追朔自动控制技术的发展历史,早在两千年前中国就有了自动控制技术的萌芽萌芽。控制理论的产生和发展要分为以下几个发展阶段：自动控制原理Automatic Control Theory自动控制原理Automatic Control Theory1. 1. 两千年前我国发明两千年前我国发明的的 指南车指南车，就是一，就是一种开环自动调节系种开环自动调节系 统。统。指指南南车车2. 2. 公元公元1086108610891089年年（北宋哲宗元（北宋哲宗元祐祐初年），初年），我国发明的水运仪象台，我国发明的水运仪象台，就是

8、一种闭环自动调节就是一种闭环自动调节系统。系统。水水运运仪仪象象台台2022-6-26北京邮电大学信息工程学院指南车 指南车是我国古代伟大的发明之一，也是世界上最早的控制论机械之一。用英国著名科学史专家李约瑟的话说，中国古代的指南车“可以说是人类历史上迈向控制论机器的第一步”，是人类“第一架体内稳定机”。 2022-6-26北京邮电大学信息工程学院 整个水运仪象台高12米，宽7米，共分3层，相当于一幢四层楼的建筑物。最上层的板屋内放置着1台浑仪， 屋的顶板可以自由开启，平时关闭屋顶，以防雨淋，这已经具有现代天文观测室的雏型了；中层放置着一架浑象；下层又可分成五小层木阁，每小层木阁内均安排了若干

9、个木人，5层共有162个木人，它们各司其职：每到一定的时刻，就会有木人自行出来打钟、击鼓或敲打乐器、报告时刻、指示时辰等。在木阁的后面放置着精度很高的两级漏刻和一套机械传动装置，可以说这里是整个水运仪象台的“心脏”部分，用漏壶的水冲动机轮，驱动传动装置，浑仪、浑象和报时装置便会按部就班地动作起来。 这台仪器的制造水平堪称一绝，充分体现了我国古代人民的聪明才智和富于创造的精神。水运仪象台水运仪象台 水运仪象台是我国古代一种大型的天文仪器，由宋朝天文学家苏颂等人创建。它是集观测天象的浑仪、演示天象的浑象、计量时间的漏刻和报告时刻的机械装置于一体的综合性观测仪器，实际上是一座小型的天文台。 自动控制

10、原理Automatic Control Theory自动控制原理Automatic Control Theory3. 3. 一千年前我国发明的铜壶滴漏计时器。一千年前我国发明的铜壶滴漏计时器。自动控制原理Automatic Control Theory自动控制原理Automatic Control Theory二二 起步阶段起步阶段 随着科学技术与工业生产的发展，到十八十八世纪世纪，自动控制技术逐渐应用到现代工业中。其中最卓越的代表是瓦瓦特（特（J.WattJ.Watt）发明的蒸汽机离心调速器，加速了第一次工业革命的步伐。瓦特瓦特2022-6-26北京邮电大学信息工程学院现代控制理论课程自动控

11、制原理Automatic Control Theory自动控制原理Automatic Control Theory三三 发展阶段发展阶段1. 1868年麦克斯韦（麦克斯韦（J.C.MaxwellJ.C.Maxwell）解决了蒸汽机调速系统中出现的剧烈振荡的不稳定问题，提出了简单的稳定性代数判据。 1895年劳斯（劳斯（RouthRouth）与赫尔维赫尔维（HurwitzHurwitz）把马克斯韦尔的思想扩展到高阶微分方程描述的更复杂的系统中,各自提出了两个著名的稳定性判据劳斯判据劳斯判据和赫尔维茨赫尔维茨判据判据。基本上满足了二十世纪初期控制工程师的需要。 自动控制原理Automatic Co

12、ntrol Theory自动控制原理Automatic Control Theory3.由于第二次世界大战需要控制系统具有准确跟踪与补偿能力，1932年奈奎斯奈奎斯特（特（H.NyquistH.Nyquist）提出了频域内研究系统的频率响应法频率响应法，为具有高质量的动态品质和静态 准确度的军用控制系统提供了所需的分析工具。45.1948年伊万斯（伊万斯（W.R.EwansW.R.Ewans）提出了复数域内研究系统的根轨迹法根轨迹法。 建立在奈奎斯特的频率响应法和伊万斯的根轨迹法基础上的理论，称为经典（古典）控制理论（或自经典（古典）控制理论（或自动控制理论）。动控制理论）。自动控制原理Aut

13、omatic Control Theory自动控制原理Automatic Control Theory四四 标志阶段标志阶段 1.1947年控制论的奠基人美国数学家韦纳韦纳（N.Weiner）把控制论引起的自动化同第二次产业革命联系起来，并与1948年出版了控制论控制论关于在动物和机器中控关于在动物和机器中控制与通讯的科学制与通讯的科学 ( (Cybernetics)Cybernetics) ，书中论述了控制理论的一般方法，推广了反馈的概念，为控制理论这门学科奠定了基础。2022-6-26北京邮电大学信息工程学院物理、电学了。他物理、电学了。他1818岁时取得了哈佛大学数学和哲学两个博士岁时取

14、得了哈佛大学数学和哲学两个博士学位，后来又到德国、英国学习，拜著名哲学家罗素、数学家学位，后来又到德国、英国学习，拜著名哲学家罗素、数学家希尔伯特为师，进一步深造。维纳已是一个很有名的数学家了，希尔伯特为师，进一步深造。维纳已是一个很有名的数学家了，但他对其他学科也很有兴趣。在第二次世界大战末期，有两个但他对其他学科也很有兴趣。在第二次世界大战末期，有两个大问题特别引起了他的兴趣，一个是电子计算机，另一个是火大问题特别引起了他的兴趣，一个是电子计算机，另一个是火炮命中率问题。炮命中率问题。维纳和一位年轻工程师合作，从驾驶汽车这种简单的动作中发维纳和一位年轻工程师合作，从驾驶汽车这种简单的动作中

15、发现，人是采用了一种叫现，人是采用了一种叫“反馈反馈”的控制方法，使汽车按要求行的控制方法，使汽车按要求行驶。维纳又请来了神经专家进行共同研究，发现机器和人的控驶。维纳又请来了神经专家进行共同研究，发现机器和人的控制机能有相似之处。后来，维纳又和许多有名科学家进行讨论，制机能有相似之处。后来，维纳又和许多有名科学家进行讨论，听取对方的批评意见，甚至是听取对方的批评意见，甚至是“攻击攻击”意见，终于于意见，终于于19481948年把年把自己的研究成果发表了出来，叫自己的研究成果发表了出来，叫控制论控制论。维纳 维纳生于哥伦比亚市一个犹太人家里。维纳生于哥伦比亚市一个犹太人家里。维纳维纳4 4岁开

16、始读书。岁开始读书。9 9岁时读中学，岁时读中学，1111岁进入岁进入大学学习他的数学知识已超过大学一年级大学学习他的数学知识已超过大学一年级学生的水平，所以转而热衷于研究化学、学生的水平，所以转而热衷于研究化学、自动控制原理Automatic Control Theory自动控制原理Automatic Control Theory2.我国著名科学家钱学森钱学森将控制理论应用于工程实践，并与1954年出版了工程控制论工程控制论。钱学森钱学森自动控制原理Automatic Control Theory自动控制原理Automatic Control Theory 从四十年代到五十年代末，经典控制理

17、论的发展与应用使整个世界的科学水平出现了巨大的飞跃，几乎在工业、农业、交通运输及国防建设的各个领域都广泛采用了自动化控制技术。（可以说工业革命和战争促使了经典控制理论的发展）。自动控制原理Automatic Control Theory自动控制原理Automatic Control Theory第二阶段 现代控制理论 科学技术的发展不仅需要迅速地发展控制理论，科学技术的发展不仅需要迅速地发展控制理论，而且也给现代控制理论的发展准备了两个重要的条而且也给现代控制理论的发展准备了两个重要的条件件现代数学和数字计算机现代数学和数字计算机。 现代数学，例如现代数学，例如泛函分析、现代代数泛函分析、现代

18、代数等，为现等，为现代控制理论提供了多种多样的分析工具；而数字计代控制理论提供了多种多样的分析工具；而数字计算机为现代控制理论发展提供了应用的平台。算机为现代控制理论发展提供了应用的平台。 在二十世纪五十年代末开始，随着计算机的飞在二十世纪五十年代末开始，随着计算机的飞速发展，推动了核能技术、空间技术的发展，从而速发展，推动了核能技术、空间技术的发展，从而对出现的多输入多输出系统、非线性系统和时变系对出现的多输入多输出系统、非线性系统和时变系统。统。 自动控制原理Automatic Control Theory现代控制理论与经典控制理论的差异 经典控制理论经典控制理论 现代控制理论现代控制理论

19、 研究对象研究对象单输入单输出系统单输入单输出系统(SISO)(SISO)高阶微分方程高阶微分方程 多输入多输出系统多输入多输出系统(MIMO) :(MIMO) :一阶微分方程一阶微分方程 研究方法研究方法传递函数法传递函数法( (外部描述外部描述) ) 状态空间法状态空间法( (内部描述内部描述) ) 研究工具研究工具拉普拉斯变换拉普拉斯变换 线性代数矩阵线性代数矩阵 分析方法分析方法频域频域( (复域复域), ),频率响应和根轨迹频率响应和根轨迹法法 复域、实域，可控和可观测复域、实域，可控和可观测 设计方法设计方法PIDPID控制和校正网络控制和校正网络 状态反馈和输出反馈状态反馈和输出

20、反馈 其他其他 频率法的物理意义直观、实用，频率法的物理意义直观、实用，难于实现最优控制难于实现最优控制 易于实现实时控制和最优控制易于实现实时控制和最优控制 自动控制原理Automatic Control Theory1.2 1.2 开环控制和闭环控制开环控制和闭环控制 1 开环控制系统 2 闭环控制系统输出量与输入量之间没有反向联系，只靠输入量对输出量单输出量与输入量之间没有反向联系，只靠输入量对输出量单向控制的系统叫向控制的系统叫开环控制系统开环控制系统（Open-loop Control SystemOpen-loop Control System）。）。开环控制又可称为开环控制又可称

21、为前馈控制前馈控制，因为控制作用是由输入信号直接，因为控制作用是由输入信号直接向前输送，而不是由输出信号回输到输入信号来进行控制的，向前输送，而不是由输出信号回输到输入信号来进行控制的，故称为故称为前馈控制前馈控制。系统输出量通过反馈环节返回作用于控制部分形成闭合回路系统输出量通过反馈环节返回作用于控制部分形成闭合回路的系统叫闭环控制系统（的系统叫闭环控制系统（Close-loop Control SystemClose-loop Control System）。）。闭环控制又称为闭环控制又称为反馈控制反馈控制(feedback (feedback Control SystemControl

22、System) )自动控制原理Automatic Control Theory1.2.1 1.2.1 开环控制开环控制扰动扰动输出量输出量输入量输入量控制装置控制装置受控对象受控对象开环控制系统的方框图开环控制系统的方框图 温度计温度计 加热电阻丝加热电阻丝调压器调压器u(a) 原理图原理图220V输出量输出量 (手柄位置手柄位置)输入量输入量 调压器调压器 加热加热 电阻丝电阻丝 电炉电炉 恒温箱恒温箱 受控对象受控对象( (温度温度) )扰动量扰动量(b) 方块图方块图控制装置控制装置自动控制原理Automatic Control Theory1.2.1 1.2.1 开环控制开环控制数控加

23、工机床示意图数控加工机床示意图 数控加工机床开环控制框图数控加工机床开环控制框图 自动控制原理Automatic Control Theory1.2.1 1.2.1 开环控制开环控制特点：特点：无反馈环节无反馈环节优点：优点：结构简单，系统稳定性好，成本也低结构简单，系统稳定性好，成本也低缺点：缺点：当控制过程受到各种扰动因素影响时，将会直当控制过程受到各种扰动因素影响时，将会直接影响输出量，而系统不能自动进行补偿。特别是当无接影响输出量，而系统不能自动进行补偿。特别是当无法预计的扰动因素使输出量产生的偏差超过允许的限度法预计的扰动因素使输出量产生的偏差超过允许的限度时时 ，开环控制系统便无法

24、满足技术要求，开环控制系统便无法满足技术要求适用场合：适用场合：在输出量和输入量之间的关系固定，且内在输出量和输入量之间的关系固定，且内部参数或外部负载等扰动因素不大，或这些扰动因素产部参数或外部负载等扰动因素不大，或这些扰动因素产生的误差可以预计确定并能进行补偿，应尽量采用开环生的误差可以预计确定并能进行补偿，应尽量采用开环控制系统，控制系统，比如自动化流水线、自动洗衣机等。比如自动化流水线、自动洗衣机等。 自动控制原理Automatic Control Theory1.2.2 1.2.2 闭环控制闭环控制ugTiu (- -) ufQTo 给定给定 装置装置 放大器放大器 电动机、传动电动

25、机、传动 装置和阀门装置和阀门 热处理炉热处理炉 放大器放大器 热电偶热电偶M uauufug 给定电位计给定电位计+- - 电动机电动机 煤气煤气空气空气阀门阀门热处理炉热处理炉工件工件热电偶热电偶放大器放大器混合混合 器器放大器放大器自动控制原理Automatic Control Theory1.2.2 1.2.2 闭环控制闭环控制自动控制原理Automatic Control Theory1.2.2 1.2.2 闭环控制闭环控制电炉箱自动控制框图电炉箱自动控制框图 自动控制原理Automatic Control Theory1.2.2 1.2.2 闭环控制闭环控制例：位置跟随系统例：位置

26、跟随系统自动控制原理Automatic Control Theory1.2.2 1.2.2 闭环控制闭环控制绘制框图时，通常将给定元件放在最左端，控制对象排在最右绘制框图时，通常将给定元件放在最左端，控制对象排在最右端。即输入量在最左端，输出量在最右端端。即输入量在最左端，输出量在最右端。从左至右。从左至右( (即从输入即从输入至输出至输出) )的通道称为顺馈通道（的通道称为顺馈通道（Feedforword Path)Feedforword Path)或前向通路或前向通路(Forword Path)(Forword Path)，将输出信号引回输入端的通道称为反馈通道，将输出信号引回输入端的通道

27、称为反馈通道或反馈回路或反馈回路(Feedback Path)(Feedback Path)。 自动控制原理Automatic Control Theory方框图中各符号的意义方框图中各符号的意义 元部件元部件 方框（块）图方框（块）图 信号（物理量）及传递方向信号（物理量）及传递方向 中的符号中的符号 比较点比较点 引出点引出点 表示负反馈表示负反馈自动控制原理Automatic Control Theory 将系统的输出信号引回输入端，与输入将系统的输出信号引回输入端，与输入信号相比较，利用所得的偏差信号进行控制，信号相比较，利用所得的偏差信号进行控制，达到减小偏差、消除偏差的目的。达到减

28、小偏差、消除偏差的目的。 构成闭环控制系统的核心构成闭环控制系统的核心 闭环闭环(反馈反馈)控制系统的特点：控制系统的特点： (1) 系统内部存在反馈，信号流动构成闭回路系统内部存在反馈，信号流动构成闭回路 (2) 偏差起调节作用偏差起调节作用自动控制原理Automatic Control Theory1.2.2 1.2.2 闭环控制闭环控制特点：有反馈环节优点：可以自动进行补偿，可以达到很高的控制精度可以自动进行补偿，可以达到很高的控制精度。缺点：要增加检测、反馈比较，调节器等部件，会使系统复杂系统复杂、成本提高。而且闭环控制会带来副作用，使系统的稳定性变差稳定性变差，甚至造成不稳定。这是采

29、用闭环控制时必须重视并要加以解决的问题。适用场合：使用开环控制不能满足控制要求时就可采使用开环控制不能满足控制要求时就可采用闭环控制用闭环控制自动控制原理Automatic Control Theory开环控制与闭环控制比较开环控制与闭环控制比较自动控制原理Automatic Control Theory思考题思考题：下图是一个阀门的人工控制系统原理示意图。：下图是一个阀门的人工控制系统原理示意图。操作员根据仪表显示的液体浓度来调节阀门，达到控制操作员根据仪表显示的液体浓度来调节阀门，达到控制处理罐输出液体浓度的目的。处理罐输出液体浓度的目的。（1 1）该系统是开环控制还是闭环控制系统。）该系统是开环控制还是闭环控制系统。（2 2）指出什么是输入量，什么是输出量。）指出什么是输入量，什么是输出量。自动控制原理Automatic Control Theory1.3 1.3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类自动控制原理Automatic