自动控制原理绪论

1、第第 一一 章章1.1 1.1 引言引言 1.2 1.2 自动控制的基本控制方式自动控制的基本控制方式 1.3 1.3 自动控制系统基础知识自动控制系统基础知识绪绪 论论1.1 1.1 引言引言 自动控制技术在工农业生产、国防、航空航天等各个领域中自动控制技术在工农业生产、国防、航空航天等各个领域中起着重要的作用！起着重要的作用！ 广泛应用于各种工程学科领域，并扩展到生物、医学、环境、广泛应用于各种工程学科领域，并扩展到生物、医学、环境、经济管理和其它许多社会生活领域。经济管理和其它许多社会生活领域。 独立的学科，并与其它学科相互渗透、相互促进。独立的学科，并与其它学科相互渗透、相互促进。自动

2、控制理论基础自动控制理论基础是自动控制技术的基础理论，是一门理是自动控制技术的基础理论，是一门理论性较强的工程科学。论性较强的工程科学。现代的工程技术人员和科学工作者，必须具备一定现代的工程技术人员和科学工作者，必须具备一定的自动控制理论基础知识！的自动控制理论基础知识！ 自动控制：自动控制： 是指在没有人直接参与的条件下，利用外加的设是指在没有人直接参与的条件下，利用外加的设备或装置（称备或装置（称控制装置控制装置），使机器、设备或生产过程（统称），使机器、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（即）的某个工作状态或参数（即被控量被控量）自动地按照）自动地按照预定的规律运

3、行。预定的规律运行。 1.1 1.1 引言引言1. 1. 自动控制系统的概念自动控制系统的概念自动控制三要素自动控制三要素(1) (1) 人不直接参与人不直接参与(2) (2) 利用控制装置利用控制装置(3) (3) 被控对象被控对象前提前提手段手段目标目标1.1 1.1 引言引言1. 1. 自动控制系统的概念自动控制系统的概念系统系统：由相互制约的各个部分按一定的规律组成的、为达：由相互制约的各个部分按一定的规律组成的、为达到一定目的、具有一定功能的整体到一定目的、具有一定功能的整体。自动控制系统自动控制系统：在无人直接参与的情况下，利用控制装置：在无人直接参与的情况下，利用控制装置使被控对

4、象按照一定规律运行的有机整体，这就是自动控使被控对象按照一定规律运行的有机整体，这就是自动控制系统。制系统。自动控制理论：自动控制理论：是研究自动控制共同规律的科学。是研究自动控制共同规律的科学。反馈：反馈：将检测出来的输出量送回到系统的输入端，并与输入信将检测出来的输出量送回到系统的输入端，并与输入信号比较的过程。反馈分为负反馈和正反馈。号比较的过程。反馈分为负反馈和正反馈。1.1 1.1 引言引言2. 2. 自动控制理论简述自动控制理论简述 自动控制理论研究的是针对自动控制理论研究的是针对受控对象和环境特征受控对象和环境特征，通，通过过能动地能动地采集和运用信息，采集和运用信息，施加控制作

5、用施加控制作用使系统在不确定使系统在不确定的条件下的条件下正常运行并具有预定功能正常运行并具有预定功能。 主要内容主要内容涉及受控对象、环境特征、控制目标和控制手涉及受控对象、环境特征、控制目标和控制手段以及它们之间的相互作用。段以及它们之间的相互作用。 按其发展的不同阶段，可把自动控制理论分为按其发展的不同阶段，可把自动控制理论分为经典经典控制理论控制理论和和现代控制理论现代控制理论两大部分。两大部分。1.1 1.1 引言引言2. 2. 自动控制理论简述自动控制理论简述 从从2020世纪世纪2020年代到年代到5050年代形成了以年代形成了以时域法时域法，频率法频率法和和根轨迹法根轨迹法为支

6、柱的古典控制理论（即为支柱的古典控制理论（即经典控制理论经典控制理论）。）。 6060年代以来，随着计算机技术的发展和航天等高科技的年代以来，随着计算机技术的发展和航天等高科技的推动，又产生了基于推动，又产生了基于状态空间状态空间模型的所谓模型的所谓现代控制理论现代控制理论。 至今，现代控制理论又有巨大的发展，并形成了若干学至今，现代控制理论又有巨大的发展，并形成了若干学科分支，如科分支，如线性控制理论、最优控制理论、动态系统辨识、线性控制理论、最优控制理论、动态系统辨识、自适应控制、大系统理论、鲁棒控制、智能控制自适应控制、大系统理论、鲁棒控制、智能控制等。等。1.1 1.1 引言引言2.

7、2. 自动控制理论简述自动控制理论简述最优控制最优控制：使系统在一定的约束条件下，某项指标达到最：使系统在一定的约束条件下，某项指标达到最优的控制。优的控制。自适应控制自适应控制：当对象或环境特性变化时，系统能自行调节，：当对象或环境特性变化时，系统能自行调节，跟踪这种变化并保持良好的品质的控制。跟踪这种变化并保持良好的品质的控制。鲁棒控制鲁棒控制：使系统具有良好鲁棒性的控制。：使系统具有良好鲁棒性的控制。鲁棒性是指系统存在模型误差或受到扰动时仍能保持良好性能的能力。鲁棒性是指系统存在模型误差或受到扰动时仍能保持良好性能的能力。智能控制智能控制：控制系统具有拟人智能（学习、记忆、推理等）控制系

8、统具有拟人智能（学习、记忆、推理等）1.1 1.1 引言引言2. 2. 自动控制理论简述自动控制理论简述本书所介绍的内容主要集中在经典控制本书所介绍的内容主要集中在经典控制理论部分。它在工程实践中用得最多，理论部分。它在工程实践中用得最多，也是进一步学习自动控制理论的基础也是进一步学习自动控制理论的基础。大系统控制、复杂系统控制等大系统控制、复杂系统控制等被控系统具有高维数、强关联、多约束、多目标、不确定被控系统具有高维数、强关联、多约束、多目标、不确定性、分散性、非线性、大时滞、难建模等特征，如电力系性、分散性、非线性、大时滞、难建模等特征，如电力系统、城市交通系统、网络系统、制造系统、经济

9、系统等。统、城市交通系统、网络系统、制造系统、经济系统等。1.1 1.1 引言引言3. 3. 自动控制系统案例自动控制系统案例数控机床数控机床导弹跟踪雷达系统导弹跟踪雷达系统1.1 1.1 引言引言3. 3. 自动控制系统案例自动控制系统案例电风扇电风扇空调空调洗衣机洗衣机电饭煲电饭煲电冰箱电冰箱1.1 1.1 引言引言3. 3. 自动控制系统案例自动控制系统案例人造卫星的发射及正常运行人造卫星的发射及正常运行 1.1 1.1 引言引言3. 3. 自动控制系统案例自动控制系统案例洗衣机洗衣机定时定时3分钟分钟设定时间设定时间3 3分钟分钟洗涤程度洗涤程度转转 速速洗衣桶电机洗衣桶电机定时器开关

10、定时器开关 将定时器设定为将定时器设定为3 3分钟，洗衣机达到设定值之前一直工作，分钟，洗衣机达到设定值之前一直工作，时间到了，洗衣机停止工作。设定时间不会根据洗涤程度，时间到了，洗衣机停止工作。设定时间不会根据洗涤程度，洗衣桶的转速自动调整长短。洗衣桶的转速自动调整长短。 控制装置与被控对象只有顺向的作用。控制装置与被控对象只有顺向的作用。1.1 1.1 引言引言3. 3. 自动控制系统案例自动控制系统案例电冰箱电冰箱 冰箱接通电源冰箱接通电源, ,设定温度，将启动压缩机（制冷），冰箱设定温度，将启动压缩机（制冷），冰箱中温控器将检测实际温度并与设定温度比较，决定停止、启动中温控器将检测实际

11、温度并与设定温度比较，决定停止、启动压缩机工作。压缩机工作。 实际温度将维持在设定温度附近，控制装置与被控对象之实际温度将维持在设定温度附近，控制装置与被控对象之间除了具有顺向作用外，还存在反向联系。间除了具有顺向作用外，还存在反向联系。温度传感器温度传感器设定温度设定温度制冷压缩机制冷压缩机温控器温控器实际温度实际温度 开环控制：开环控制：控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向作用的控制过程。向作用的控制过程。 1.2 1.2 自动控制的基本控制方式自动控制的基本控制方式1. 1. 开环控制开环控制输入量输入量r（t）输出量输出量c（t）被控对

12、象被控对象控制装置控制装置 开环控制框图开环控制框图 输出量对系统的控制作用不产生影响，需要控输出量对系统的控制作用不产生影响，需要控制的是制的是c c( (t t) )，而测量的只是，而测量的只是r r( (t t) )。 开环控制系统的特点：开环控制系统的特点：1.2 1.2 自动控制的基本控制方式自动控制的基本控制方式1. 1. 开环控制开环控制（1 1）结构简单、造价低。）结构简单、造价低。（2 2）系统的控制精度取决于给定信号的标定精度以及控）系统的控制精度取决于给定信号的标定精度以及控 制器和被控对象参数的稳定性。制器和被控对象参数的稳定性。（3 3）开环系统没有抗干扰的能力，精度

13、较低。）开环系统没有抗干扰的能力，精度较低。 应用场合：应用场合：（1 1）控制量的变化规律可以预知。）控制量的变化规律可以预知。（2 2）可能出现的干扰可以抑制。）可能出现的干扰可以抑制。（3 3）被控量很难测量。）被控量很难测量。家电、加热炉、家电、加热炉、车床等等。车床等等。 闭环控制：闭环控制：被控量与给定值比较后用其偏差对系统进行控制。被控量与给定值比较后用其偏差对系统进行控制。亦称亦称反馈控制反馈控制。 1.2 1.2 自动控制的基本控制方式自动控制的基本控制方式2. 2. 闭环控制闭环控制被控量偏离期望值而出现偏差时，会产生一个相应的控制被控量偏离期望值而出现偏差时，会产生一个相

14、应的控制作用去减小或消除这个偏差，使被控量与期望值趋于一作用去减小或消除这个偏差，使被控量与期望值趋于一致。需要控制的是致。需要控制的是c c( (t t),),测量的是测量的是c c( (t t) )对对r r( (t t) )的偏差。只要的偏差。只要c c( (t t) )出现偏差，系统就自行纠正。出现偏差，系统就自行纠正。反馈装置反馈装置输入量输入量r（t t）被控对象被控对象控制装置控制装置输出量输出量c c（t t） 闭环控制系统的特点：闭环控制系统的特点：1.2 1.2 自动控制的基本控制方式自动控制的基本控制方式2. 2. 闭环控制闭环控制（1 1）系统对外部或内部干扰的影响不甚

15、敏感。）系统对外部或内部干扰的影响不甚敏感。（2 2）采用反馈装置，导致设备增多，线路复杂。）采用反馈装置，导致设备增多，线路复杂。（3 3）闭环系统存在稳定性问题。由于反馈通道的存在，对于那）闭环系统存在稳定性问题。由于反馈通道的存在，对于那 些惯性较大的系统，若参数配合不当，控制性能可能变得些惯性较大的系统，若参数配合不当，控制性能可能变得 很差很差, ,甚至出现发散或等幅振荡等不稳定的情况。甚至出现发散或等幅振荡等不稳定的情况。注意：对于主反馈必须采用负反馈。若采用正反馈将注意：对于主反馈必须采用负反馈。若采用正反馈将使使 偏差越来越大。偏差越来越大。 复合控制复合控制是是开环控制和闭环

16、控制开环控制和闭环控制相结合一种控制方式。在闭相结合一种控制方式。在闭环控制的基础上，附加一个输入或扰动作用的顺馈通路，来环控制的基础上，附加一个输入或扰动作用的顺馈通路，来提高系统控制精度。提高系统控制精度。1.2 1.2 自动控制的基本控制方式自动控制的基本控制方式3. 3. 复合控制复合控制（a) ) 按输入作用补偿。按输入作用补偿。 ( (b) ) 按扰动作用补偿：能在扰动（可测量）对系统产生不按扰动作用补偿：能在扰动（可测量）对系统产生不利影响前，提供一个控制作用以抵消扰动对输出影响。利影响前，提供一个控制作用以抵消扰动对输出影响。 复合控制：复合控制：给定干扰补偿与反馈控制结合起来

17、的控制方式。给定干扰补偿与反馈控制结合起来的控制方式。 1.2 1.2 自动控制的基本控制方式自动控制的基本控制方式3. 3. 复合控制（复合控制（a）反馈装置反馈装置输入量输入量r（t t）被控对象被控对象控制装置控制装置输出量输出量c c（t t）扰动扰动n（t t）前馈控制前馈控制 复合控制：复合控制：给定输入补偿与反馈控制结合起来的控制方式。给定输入补偿与反馈控制结合起来的控制方式。 1.2 1.2 自动控制的基本控制方式自动控制的基本控制方式3. 3. 复合控制（复合控制（b）反馈装置反馈装置输入量输入量r（t t）被控对象被控对象控制装置控制装置输出量输出量c c（t t）前馈控制

18、前馈控制1.3 1.3 自动控制系统基础知识自动控制系统基础知识1. 1. 典型自动控制系统框图典型自动控制系统框图测量元件测量元件输入输入r(t)被控对象被控对象串联校串联校正元件正元件输出输出c c( (t t) )放大元件放大元件执行元件执行元件并联校正元件并联校正元件主反馈信号主反馈信号b（t）主反馈主反馈局部反馈局部反馈+-偏差信号偏差信号)()()(tbtrt扰动扰动n(t)1.3 1.3 自动控制系统基础知识自动控制系统基础知识名词术语名词术语：输入信号输入信号：也叫参考输入或输入量，它是控制输出量变化规律的指令信号。：也叫参考输入或输入量，它是控制输出量变化规律的指令信号。输出

19、信号输出信号：是指被控对象中要求按一定规律变化的物理量，又称被控量，它：是指被控对象中要求按一定规律变化的物理量，又称被控量，它与输入量之间保持一定的函数关系。与输入量之间保持一定的函数关系。反馈信号反馈信号：由系统：由系统( (或元件或元件) )输出端取出并反向送回系统输出端取出并反向送回系统( (或元件或元件) )输入端的信输入端的信号称为反馈信号。反馈有号称为反馈信号。反馈有主反馈主反馈和和局部反馈局部反馈之分。之分。偏差信号偏差信号：它是指参考输入与主反馈信号之差。：它是指参考输入与主反馈信号之差。误差信号误差信号：指系统输出量的实际值与期望值之差，简称误差。：指系统输出量的实际值与期

20、望值之差，简称误差。扰动信号扰动信号：简称扰动或干扰、它与控制作用相反，是一种不希望的、影响系：简称扰动或干扰、它与控制作用相反，是一种不希望的、影响系统输出的不利因素。扰动信号既可来自系统内部，又可来自系统外部，前者统输出的不利因素。扰动信号既可来自系统内部，又可来自系统外部，前者称称内部扰动内部扰动，后者称，后者称外部扰动外部扰动。 1.3 1.3 自动控制系统基础知识自动控制系统基础知识2. 2. 自动控制系统分类自动控制系统分类（1 1）根据系统的作用和输入信号的特点）根据系统的作用和输入信号的特点 恒值控制系统（或称自动调节系统）恒值控制系统（或称自动调节系统） 输入信号为输入信号为

21、恒定的数值。恒定的数值。恒值控制系统主要恒值控制系统主要研究研究各种干扰对系统输出的影响，以各种干扰对系统输出的影响，以及如何克服这些干扰，把及如何克服这些干扰，把输入、输出量尽量保持在希望数值输入、输出量尽量保持在希望数值上。上。 被控量为工业生产过程参量（温度、压力、流量等）的系统称为被控量为工业生产过程参量（温度、压力、流量等）的系统称为过程控制系统过程控制系统，大多数属于恒值控制系统大多数属于恒值控制系统 程序控制系统程序控制系统 输入信号为输入信号为确定的时间函数确定的时间函数，系统的，系统的控制过程按预定的程序进行控制过程按预定的程序进行，要求被控对象，要求被控对象 能迅速准确地复

22、现。恒值控制系统也认为是程序控制系统的特例。能迅速准确地复现。恒值控制系统也认为是程序控制系统的特例。 随动控制系统（或称伺服系统）随动控制系统（或称伺服系统） 输入信号为输入信号为未知时间函数（输入随时间可以任意变化）未知时间函数（输入随时间可以任意变化），要求，要求输出量跟随输入量输出量跟随输入量变化变化。 任务是要求输出量以一定的精度和速度跟踪输入量，跟踪的任务是要求输出量以一定的精度和速度跟踪输入量，跟踪的速度和精度速度和精度是随动系是随动系统的两项主要性能指标。统的两项主要性能指标。工业自动化仪表中的显示记录仪工业自动化仪表中的显示记录仪 跟踪卫星的雷达天线控制系统跟踪卫星的雷达天线

23、控制系统1.3 1.3 自动控制系统基础知识自动控制系统基础知识2. 2. 自动控制系统分类自动控制系统分类（1 1）根据系统的作用和输入信号的特点）根据系统的作用和输入信号的特点 线性控制系统线性控制系统 当系统的运动规律可以用线性微分方程或者线性差分方程描述时，则这类当系统的运动规律可以用线性微分方程或者线性差分方程描述时，则这类系统称为线性系统。线性系统有两个重要特性：系统称为线性系统。线性系统有两个重要特性：叠加性和齐次性叠加性和齐次性。 1.3 1.3 自动控制系统基础知识自动控制系统基础知识2. 2. 自动控制系统分类自动控制系统分类（2 2）根据系统的数学描述）根据系统的数学描述

24、 非线性控制系统非线性控制系统 在构成系统的环节中有一个或一个以上的非线性环节时，则称此系统为非在构成系统的环节中有一个或一个以上的非线性环节时，则称此系统为非线性系统。典型的非线性特性有饱和特性、死区特性、间隙特性、继电特线性系统。典型的非线性特性有饱和特性、死区特性、间隙特性、继电特性、磁滞特性等性、磁滞特性等 定常（时不变）系统和时变系统定常（时不变）系统和时变系统 1.3 1.3 自动控制系统基础知识自动控制系统基础知识2. 2. 自动控制系统分类自动控制系统分类（3 3）根据系统参数是否随时间变化）根据系统参数是否随时间变化 连续系统和离散系统连续系统和离散系统 （4 4）根据系统信

25、号传递的形式）根据系统信号传递的形式1.3 1.3 自动控制系统基础知识自动控制系统基础知识3. 3. 典型输入信号典型输入信号（1 1）位置控制信号（阶跃信号）位置控制信号（阶跃信号）（2 2）速度控制信号（斜坡信号）速度控制信号（斜坡信号）0 00 ttAtAUtr)()(0)(trtA0 00 ttAttAtUtr)()(0)(trtA11.3 1.3 自动控制系统基础知识自动控制系统基础知识3. 3. 典型输入信号典型输入信号（3 3）加速度控制信号（抛物线信号）加速度控制信号（抛物线信号）（4 4）脉冲信号（冲激信号）脉冲信号（冲激信号）0 00 22ttAttUAttr)()(0

26、0 100tt(t)dtttr，)()()(0)(trt2At0)(trt)(1（5 5）正弦信号和门信号）正弦信号和门信号1.3 1.3 自动控制系统基础知识自动控制系统基础知识4. 4. 自动控制系统的性能要求自动控制系统的性能要求 系统各种各样，对每个系统也都有不同的特殊要求，但系统各种各样，对每个系统也都有不同的特殊要求，但对于各类系统来说，在对于各类系统来说，在已知系统的结构和参数时，研究的和已知系统的结构和参数时，研究的和感兴趣的却是系统在某种典型输入信号下，其被控量变化的感兴趣的却是系统在某种典型输入信号下，其被控量变化的全过程全过程。也就是说，研究的内容和方法都是相同或相似的。

27、也就是说，研究的内容和方法都是相同或相似的。随动系统随动系统研究被控量如何克服扰动影响并跟随给定量研究被控量如何克服扰动影响并跟随给定量 的变化过程。的变化过程。恒值系统恒值系统研究扰动作用引起被控量变化的全过程；研究扰动作用引起被控量变化的全过程； 所以对于各种控制系统的要求可归纳为所以对于各种控制系统的要求可归纳为： 系统的系统的c( (t) )必须迅速、准确的按输入量的变化而变化，必须迅速、准确的按输入量的变化而变化，克服扰动影响。克服扰动影响。1.3 1.3 自动控制系统基础知识自动控制系统基础知识4. 4. 自动控制系统的性能要求自动控制系统的性能要求 实际中，由于控制系统机械部分质

28、量、惯量的存在以及实际中，由于控制系统机械部分质量、惯量的存在以及电路中电路中L、C 的存在，输出不会是理想状态。会有一个过渡的存在，输出不会是理想状态。会有一个过渡过程，最后趋于新的稳态值。因此，从过程，最后趋于新的稳态值。因此，从稳、快、准稳、快、准三方面来三方面来评价系统。评价系统。 0)(trt实际0)(tct理想1.3 1.3 自动控制系统基础知识自动控制系统基础知识4. 4. 自动控制系统的性能要求自动控制系统的性能要求（1 1）定性定性（2 2）速性速性（3 3）确性确性稳定性是保证稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件控制系统正常工作的先决条件，一，一个稳定的系统，其个稳定的系统，其输出量输出量偏离期望值的初始偏离期望值的初始偏差偏差应随时间的延长应随时间的延长逐渐减小或趋于零逐渐减小或趋于零。是指动态过程的振荡倾向和系是指动态过程的振荡倾向和系统