自动控制原理课件-第一章绪论

2．成绩评定出勤5％点名缺一次扣2分允许请假作业缺一半不允许参加考试。允许补齐作业10％实验15％考试70％3．参考书目《自动控制原理》国防科技大学黄章《自动控制原理》中国矿业大学吴

麒《自动控制原理》《自动控制原理》《自动控制原理》电子工业绪方 《现代控制工程》电子工业22021/11本课程的主要内容自动控制系统的分析（第2，3，4，5章）已知系统结构和参数，根据系统对于某种典型输入信号作用下的被控量的响应，求出评价系统性能的指标：稳定性、动态性能和稳态性能。自动控制系统的设计（第6章）如果给定系统经分析其性能指标满足要求，则不存在进行控制系统设计问题。如不满足要求且被控对象本身又不能改变，则控制系统设计的任务就是改变系统的某些参数某种校正装置，使其满足预期的性能指标要求。32021/113.自动控制系统的分析与设计两者之间的关系系统分析与系统设计是相互联系、交替进行的。不是单纯为了分析而分析，而是为了设计新系统或改造已有的系统。对于从事自动控制的工程技术

而言，更重要的是设计系统以及改造那些性能未达到要求的系统。42021/11自动控制原理第一章绪论4第二章控制系统的数学模型7第三章线性系统的时域分析12第四章线性系统的根轨迹法5第五章线性系统的频域分析法14第六章线性系统的校正方法1052021/11第一章绪论62021/111.1

引言1.2

控制系统的一般概念1.3

控制系统示例1.4

控制系统分类1.5

控制系统的性能指标1.6

控制系统的计算机辅助设计1.1

引言1.

自动控制技术及其应用在现代科学技术的众多领域中，自动控制技术起着越来越重要的作用。所谓自动控制，就是在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（控制装置），使机器、设备或生产过程（控制对象）的某个工作状态或参数（被控量）自动地按照预定的规律运行。如数控车床按预定程序自动切削，人造准确进入预定轨道并回收等。72021/11自动控制技术除了在工业上广泛应用外，近几十年来，随着计算机技术的发展和应用，在航空、航器人控制、

制导等高新技术领域中，自动控制技术具有越来越重要的作用。不仅如此，自动控制技术的应用范围现在已扩展到生物、医学、环境、经济管理和其它许多社会生活领域中，自动控制已成为现代社会生活中不可或缺的一部分。82021/11自动控制：是指在没有人直接参与的情况下，利用控制装置使被控对象（如机器、设备或生产过程）的一个或数个物理量（如电压、电流、速度、位置、温度、流量、化学成分等）自动的按照预定的规律运行（或变化）。92021/11自动控制系统：是指能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统。它一般由控制装置和被控对象组成。被控对象是指那些要求实现自动控制的机器、设备或生产过程。控制装置是指对被控对象起控制作用的设备总体。自动控制系统的功能和组成是多种多样的，其结构有简单和复杂之分。它可以只控制一个物理量，也可以控制多个物理量甚至一个企业

或机构的全部生产和管理过程；它可以是一个

具体的工程系统，也可以是比较抽象的社会系

统、生态系统或经济系统。102021/112.

自动控制理论的发展历史112021/11自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。既是一门古老的学科，又是一门正在发展的、具有强大生命力的新兴学科。从1868年Maxwell提出低阶系统稳定性判据至今一百多年里，自动控制理论的发展可分为四个主要阶段：第一阶段：经典控制理论（或古典控制理论）的产生、发展和成熟；第二阶段：现代控制理论的兴起和发展；第三阶段：大系统控制兴起和发展阶段；第四阶段：智能控制发展阶段。经典控制理论控制理论的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理，主要用于工业控制。二战期间，为了设计和制造飞机及船用自动驾驶仪、火、系统等基于反馈原理的装备，进一步促进和完善了自动控制理论的发展。1868年，Maxwell提出了低阶系统的稳定性代数判据。1895年，数学家Routh和Hurwitz分别独立地提出了高阶系统的稳定性判据，即Routh和Hurwitz判据。二战期间（1938-1945年）Nyquist提出了频率响应理论；1948年，Evans提出了根轨迹法。至此，控制理论发展的第一阶段基本完成，形成了以时域法、根轨迹法和频率法为主要方法的经典控制理论。122021/11经典控制理论的基本特征主要用于线性定常系统的研究，即用于常系数线性微分方程描述的系统的分析与综合；多用于单输入，单输出的反馈控制系统；（3）只系统输入与输出之间的关系，而忽略系统的状态，是一种对系统的外部描述方法。132021/11应当

，反馈控制是一种最基本最重要的控制方式，引入反馈信号后，系统对来自和外部干扰的响应变得十分“迟钝”，从而提高了系统的能力和控制精度。与此同时，反馈作用又带来了系统稳定性问题，正是这个曾一度困扰人们的系统稳定性问题激发了人们对反馈控制系统进行深入研究的热情，推动了自动控制理论的发展与完善。因此从某种意义上讲，古典控制理论是伴随着反馈控制技术的产生和发展而逐渐完善和成熟起来的。142021/11现代控制理论由于经典控制理论通常适用于单输入、单输出的线性定常系统，只注重系统的外部描述而忽视系统的

状态。因而在实际应用中有一定的局限性。随着航天事业和计算机的发展，20世纪60年代初，在经典控制理论的基础上，以线性代数理论和状态空间分析法为基础的现代控制理论迅速发展起来。1954年，Bellman提出动态规划理论

1956年，Pontryagin提出极大值原理1960年，Kalman提出多变量最优控制和最优滤波理论152021/11现代控制理论现代控制理论在数学工具、理论基础和研究方法上不仅能提供系统的外部信息（输出量和输入量），而且还能提供系统状态变量的信息。它无论对线性系统或非线性系统，定常系统或时变系统，单变量系统或多变量系统，都是一种有效的分析方法。162021/11古典（经典）控制理论与现代控制理论的区别172021/11古典控制理论现代控制理论控制对象SISO控制对象MIMO确定性系统不确定性系统积分变换矩阵理论机理建模参数估计及系统辨识大系统理论20世纪70年始，现代控制理论继续向深度和广度发展，出现了一些新的控制方法和理论。如：现代频域方法以传递函数矩阵为数学模型，研究线性定常多变量系统；自适应控制理论和方法以系统辨识和参数估计为基础，在实时辨识基础上确定最优控制规律；鲁棒控制方法在保证系统稳定性和其它性能基础上，设计不变的鲁棒控制器，以处理数学模型的不确定性。大系统理论（续）随着控制理论应用范围的扩大，从个别小系统的控制，发展到若干个相互关联的子系统组成的大系统进行整体控制；从传统的工程控制领域推广到包括经济管理、生物工程、能源、

、环境等大型系统以及社会科学领域。大系统理论是过程控制与信息处理相结合的系统工程理论，具有规模庞大、结构复杂、功能综合、目标多样、因素众多等特点。它是一个多输入、多输出、多干扰、多变量的系统。大系统理论目前仍处于发展和开创性阶段。智能控制是近年来新发展起来的一种控制技术，是人工智能在控制上的应用。智能控制的概念和原理主要是针对被控对象、环境、控制目标或任务的复杂性提出来的，它的指导思想是依据人的思维方式和处理问题的技巧，解决那些目前需要人的智能才能解决的复杂控制问题。被控对象的复杂性体现为:模型的不确定性，高度非线性，分布式的传感器和执行器，复杂的信息模式，庞大的数据量，以及严格的性能指标等。智能控制是驱动智能机器自主地实现其目标的过程，对自主机器人的控制就是典型的例子；而环境的复杂性则表现为变化的不确定性和难以辨识。智能控制是从“仿人”的概念出发的。一般认为，其方法包括模糊控制、神经网络控制、和控制等方法。21开环控制系统Open-loopControlSystem定义：系统的控制量不受输出量影响的控制系统。特点：系统的输出量与输入量之间不存在反馈的通道，这种控制方式称为开环控制。在开环控制系统中，不需要对输出量进

量，也不需要将输出量反馈到系统输入端与输入量进行比较。因此，开环控制系统又称无反馈控制系统。控制器对象或过程输入量输出量图开环控制系统方块图控制量1.2

控制系统的一般概念2021/11闭环（反馈）控制系统Closed-loop

ControlSystem222021/11闭环控制系统又称反馈控制系统，最广泛控制方式。反馈——把取出的输出量送回输入端，并与输入信号相比较产生偏差信号的过程，称为反馈。反馈控制——采用负反馈(正反馈很少)，并利用偏差进行控制的过程（利用偏差修正偏差）。由于引入了被反馈量的反馈信息，整个控制过程成为闭合的，因此反馈控制也称为闭环控制。闭环控制系统框图输入量控制器控制对象测量元件输出量反馈回路被控量干扰量232021/11控制量闭环与开环控制系统的比较242021/11开环控制：顺向作用，没有反向的联系，没有修正

偏差的能力，抗扰动性较差。结构简单、调整方便、成本低。在精度要求不高或扰动影响较小的场合，

这种控制方式还有一定的实用价值（步进电机，水

泵，风扇）。闭环控制：为偏差控制，可以抑制内扰动（系统参数变化）、外扰动（负载变化）对被控制量产生的影响，因此，控制精度高。但是结构复杂，成本高（成本成倍增加）；系统设计、分析麻烦。方框图的有关概念方框

控制装置和被控对象分别用方框表示信号线

方框的输入和输出以及它们之间的联接用带箭头的信号线表示输入信号进入方框的信号输出信号离开方框的信号控制系统的输出量就是被控量,它的期望值一般是系统输入信号的函数。信号线方框信号线输入信号输出信号252021/11示例1：水位控制系统人工控制的恒值水位系统水位自动控制系统阀门进水要求水位实际水位水池出水连杆进水浮子水池出水262021/111.3控制系统示例示例2：电机转速控制系统电枢控制直流电D.C.M+-uaiBn

n变化激磁电流：iB设一台直流电

带动负载以转速n在转动，要求保持转速不变，即控制转速：n=n0=常数电枢电压：ua负载转矩：Mfz直流电采用电枢控制不论什么因素引起的转速变化，均通过电枢电压将转速控制到n=n0272021/1128电机转速人工控制系统+AW1ua

D.C.Mn-通过转速表观察电机转速n与要求的转速n0进行比较得到偏差；根据偏差的大小和正负进行控制：n

n0

ua

n

n

n02021/11n

n0

ua

n

n

n0电机转速自动控制系统u1电

功压

率放

放大

大TMu21wW2icucuauMfz

n

n

n0

反馈信号u2

u

u1

u2

ua

n

n

n0Mfz

n

n

n0

反馈信号u2

u

u1

u2

ua

n

n

n0292021/11电位计w1是给定元+件，产生基准电压u1，u1的设定值与转速的期望值n

相0对应。称电压u1为参考输入，电压u

-2为反馈信号由以上分析可知：产生控制作用的关键是偏差

信号，而偏差信号是对被控量不断测量转换并反馈到输入端与参考输入量相减（即负反馈）得到的，这种利用负反馈得到偏差信号，进而产生控制作用，又去消除偏差的控制原理就叫反馈控制原理W1电压放大功率放大直流电测速电机W20nu

rt

1u

et

ua302021/11Mfzn

ct

ucu2-开环和闭环控制系统的特点开环系统：具有结构简单，稳定性好，易于设计和调整，成本较优点。对于那些负载恒定，扰动小，控制精度要求不高的实际系统，是有效的控制方式。闭环系统：由于增加了放大装置、检测装置和反馈环节，使得结构较复杂，成本有所增加；但它提高了系统的控制精度和能力；同时负反馈对系统稳定性产生不利影响。312021/11图1.2闭环控制系统方块图输入量控制器控制对象测量元件输出量反馈回路被控量干扰量控制量2.

反馈控制系统的组成、名词术语和定义（1）322021/11主反馈信号偏差反馈控制系统的组成、名词术语和定义（2）参考输入r:输入到控制系统中的指令信号；主反馈b:

与输出成正比或某种函数关系且与参考输入量纲相同的反馈信号；偏差e:参考输入与主反馈之差，即e=r-b;控制量u:

从控制器输出并作用于被控制对象的信号；扰动n：来自系统

或外部，对系统输出产生不利影响的信号；332021/11反馈控制系统的组成、名词术语、定义（3）输出：反馈控制系统的被控制量，即被控制对象的输出量；比较环节：将参考输入与主反馈信号进行比较的环节，它的输出等于参考输入与主反馈信号的差值，即偏差e,比较环节又称为偏差检测器;控制对象：被控制的机器，设备，过程或系统；控制器：用来对被控制对象施加控制作用的装置；反馈环节：将输出量转化为主反馈信号的装置；反馈环节中通常含有信号检测装置。342021/111.4自控系统的分类352021/11一、从描述系统的数学模型来分类线性系统：构成系统的所有元件均是线性的，系统的数模为线性微分方程，满足叠加性与均匀性（或齐次性）。其中又视微分方程中的系数为常数或时变，称系统为定常线性系统或时变线性系统。叠加性：当几个输入信号同时作用于系统时，系统的响应等于每个输入信号单独作用于系统时所产生的响应之和。均匀性：当输入信号按倍数变化时，系统响应也按同一个倍数变化。线性系统的上述特性将使系统分析大大简化。例如实际系统往往是MISO，应用叠加原理可分别考虑每个输入单独作用时系统引起的响应，然后将它们叠加，从而将MISO系统转化为SISO系统来。又如实际系统输入信号的幅值各种各样，运算不方便。应用均匀性可将其输入信号幅值取为1，这样得到的响应和实际输入信号所产生的响应，其变化特性完全相同，所不同的只是在幅值上按比例放大和缩小。因此，在研究系统性能时，系统的各类输入信号幅值一般均取为1。362021/11非线性系统：系统中只要有一个元部件的输入－输出特性是非线性的，这类系统就称为非线性系统。非线性方程的特点是系数与变量有关，或者方程中含有变量及其导数的高次幂或乘积项。如372021/11ct

ctct

c2

t

rt线性系统的重要特征是可以应用线性叠加原理。由于描述非线性系统运动的数学模型为非线性微分方程，因此不满足叠加性。故能否应用叠加原理是两类系统的本质区别。注意：严格来说，实际的物理系统中不存

性系统，总是或多或少存在不同程度的非线性特性。为了研究方

非线性不显著或系统在非线性特性区域的工作范围不大，可将其视为线性，或将其线性化，然后按线性系统处理。饱和非线性死区非线性间隙非线性继电非线性382021/11恒值控制系统（自动调节系统）输入信号是某个恒定不变的常数，要求系统的被控量尽可能的保持在期望值附近，系统的主要问题是存在使被控量偏离期望值的扰动；控制的任务就是要增强系统的抗扰动能力，使扰动作用于系统时，被控量能尽快的恢复到期望值上。例如：工业生产中的温度、压力、流量等参数的控制系统二、按输入信号特征分类（1）392021/11随动控制系统（伺服系统）输入信号是随时间任意变化的函数，要求系统的输出信号紧紧跟随输入信号的变化。系统面临的主要

是，被控对象和执行机构因惯性等因素的影响，使得系统的输出信号不能紧紧跟随输入信号的变化，控制系统的主要任务就是提高系统的能力，使系统能够跟随难以预知的输入信号的变化。例如：火自动系统、的天线控制系统等。二、按输入信号特征分类（2）402021/11连续系统：系统中所有物理量均为时间的连续函数，其数模为微分方程离散系统：系统中所有物理量均为时间的离散函数，其数模为差分方程离散系统是一个总称，如果系统中使用采样开关，将连续函数形式的信号转变为离散脉冲序列形式

的信号进行，这样的系统称为采样控制系统；如果使用计算机或数字控制器，离散信号以数码形

式传递，这样的系统称为数字控制系统。412021/11三、从信号的连续离散来分类2021/11rtt0rt

定常系统：如果描述系统的微分方程或差分方程的系数均为常数，这类系统为定常系统，又称时不变系统。特点：系统的响应特性只取决于输入信号的形状和系统的特性，而与输入信号施加的时刻无关。yt

yt

t420t0

四、按系统参数是否随时间变化分类时变系统：

如果系统的参数或结构随时间而变化，则称这类系统为时变系统。特点：系统的响应特性不仅取决于输入信号的形状和系统的特性，而且还与输入信号施加的时间有关。对于同一系统来说，当输入信号在不同时刻作用于系统时，系统的响应是不同的。时变系统的这一特性给系统的分析研究带来了

。rtt0yt

yt

rt

t0t0

432021/111.5

控制系统的性能指标442021/111.稳定性系统在受到扰动作用后自动返回原来的平衡状态的能力。如果系统受到扰动作用（系统内或系统外）后，能自动返回到原来的平衡状态，则该系统是稳定的。稳定系统的数学特征是其输出量具有非发散性；反之，系统是不稳定系统。稳定性示意图452021/112.

稳态误差462021/11自动控制系统在稳态下的控制精度的度量。控制系统的输出响应在过渡过程结束后的变化形态称为稳态。稳态误差为期望的稳态输出量与实际的稳态输出量之差。控制系统的稳态误差越小说明控制精度越高。因此稳态误差常作为衡量控制系统性能好坏的一项指标。控制系统设计的课题之一，就是要在兼顾其他性能指标的情况下，使稳态误差尽可能小或者小于某个容许的限制值。472021/113.

瞬态响应指标在时域中，常用单位阶跃信号作用下，系统输出的超调量p

,上升时间Tr,峰值时间Tp,过渡过程时间（或调整时间）Ts

和振荡次数N等特征量表示。单位阶跃信号作用下，稳定系统的典型输出响应曲线见下图8h(t)t峰值时间tpABB超调量σ%

=

A

100%上升时间tr调节时间ts稳定系统的典型单位阶跃响应曲线2021/1149自动控制系统的典型外作用在工程实践中，自动控制系统承受的外作用形式多种多样，既有确定性外作用，又有随机性外作用。对不同形式的外作用，系统被控量的变化情况（即响应）各不相同，为了便于用的方法研究和比较系统的性能，通常选用几种确定性函数作为典型外作用。可选作典型外作用的函数应具备以下条件：这种函数在现场或

中容易获得；控制系统在这种函数作用下的性能应代表在实际工作条件下的性能；这种函数的数学表达式简单，便于理论计算。目前，在工程设计中常用的典型外作用函数有阶跃函数、斜坡函数、脉冲函数及正弦函数等确定性函数。2021/11几种典型外作用（1）阶跃函数(step

function)（2）斜坡函数(ramp

function)Rt

0t

0f

t

0Rt t

0f

t

0阶跃函数的幅值R=1时，称为单位阶跃函数.例如：电源电压的突然跳动；负载突然增大或减小；恒值控制系统的设定值等等。t

0当R=1时，称为单位斜坡函