2012chen自动控制原理前言第1章一般概念

进入自动化学院陈明杰.Aug.2012自动控制理论如何学（How）？学什么（What）

？

为什么学（Why）

？课程基本信息目标（Objectives）自动控制理论前言1.课程基本信息180学时，5学分，专业基础课2课堂授课+课后作业（另配实验课独立设课）3

闭卷考试（百分制）《自动控制原理》

刘胜主编国防工业出版社

2012,81.课程基本信息使用教材胡寿松.科学出版社(第五版).

2007ModernControlSystems(TenthEdition)Richard.c.Dorf.SciencePress.2005李友善.国防工业出版社(第三版).

20051.课程基本信息自动控制原理自动控制原理KatsuhikoOgata.TsinghuaUniversityPublishingHouse.2006ModernControlEngineering(FourthEdition)参考资料1234期末闭卷考试成绩占总成绩的100%。关于考试平时课堂表现和作业情况决定是否有期末考试资格。1.课程基本信息例1：交通工具自动控制能给我们带来什么?

2.为什么学?自动控制能给我们带来什么?

例2：日常生活中的机电设备2.为什么学?学了自动控制理论后，……2.为什么学?第1章自动控制的一般概念第3章控制系统的数学模型第4章线性控制系统的时域分析法第5章线性控制系统的根轨迹分析法第6章线性控制系统的频率分析法第7章线性控制系统的校正方法

第8章非线性控制系统分析第9章线性离散控制系统的分析与校正3.学什么?1234数学建模能力性能分析能力设计与实现能力基本原理分析能力3.学什么?学完这门课程后，你可以获得什么能力？----具有对自动控制系统的

自动控制的基本概念与自动控制系统的原理控制系统的数学建模控制系统的分析方法控制系统的设计方法1234循序渐进※4.如何学?要求做到五个“时”BECDA准时上课按时做（交）作业随时记笔记适时讨论消疑解惑及时预习实验以消化理论4.如何学?如何学（How）？学什么（What）

？为什么学（Why）

？课程基本信息目标实现了吗？自动控制理论前言自动化学院陈明杰.Aug.2012第1章

自动控制的一般概念

进入自动控制理论对自动控制系统的基本要求自动控制如何构成----系统？如何控制---※自动控制原理？什么是自动控制？第1章自动控制的一般概念目标（Objectives）第1章自动控制的一般概念※※1.1自动控制的基本原理与方式※1.2自动控制系统的基本元件组成

1.3自动控制系统的分类

1.4对自动控制系统的基本要求主要内容※1.1自动控制的基本原理与方式一、什么是自动控制？

例：储水槽的液位人工控制1控制任务：储水槽液位稳定不变例：人工控制

vs.

自动控制一、什么是自动控制？1.1自动控制的基本原理与方式一、什么是自动控制？1.自动控制的定义

(P1第1段)被控对象：要求实现自动控制的机器、设备或生产过程。被控量：要求实现自动控制的表征被控对象工作状态的物理量。控制器：对被控对象起控制作用设备或装置的总体，也称控制装置。1.1自动控制的基本原理与方式在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（控制器或控制装置），使机器、设备或生产过程（被控对象）的某个工作状态或参数（被控量）自动按照预定的规律运行。

例

：液位控制系统2.自动控制的目的例：vs.1提高劳动生产率和产品质量2改善劳动条件，减轻劳动强度3提高生活质量一、什么是自动控制？1.1自动控制的基本原理与方式日常生活：冰箱温度、风扇、电梯等人体系统：体温、心跳、眼球等工业：起重机，数控车床等国防：火箭、人造卫星发射等一、什么是自动控制？1.1自动控制的基本原理与方式3.自动控制的应用领域1769年:JamesWatt’s蒸气锅炉水位调节器和蒸气机离心飞锤式调节器。蒸气机离心飞锤式调节器二、自动控制理论的发展历史蒸气锅炉水位调节系统1.1自动控制的基本原理与方式经（古）典控制理论现代控制理论鲁棒控制、智能控制理论等二、自动控制理论的发展历史1.1自动控制的基本原理与方式例：电梯动画演示20世纪40-50年代形成单输入单输出（SISO)系统基于二战军工技术20世纪60-70年代形成多输入多输出(MIMO)系统基于冷战时期空间技术，计算机技术20世纪80年代开始发展以控制论、信息论、仿生论为基础自控理论经（古）典控制理论现代控制理论时间分界20世纪60年代达到完善20世纪60年代开始发展数学工具常微分方程，※传递函数一阶微分方程组，状态空间方程

(传递函数阵)研究对象SISO系统，定常系统MIMO系统，定常和时变系统注重内容系统输入、输出间的关系系统输入、输出及其内部变量间的关系二、自动控制理论的发展历史1.1自动控制的基本原理与方式经（古）典控制理论现代控制理论

（P1第二段）为了实现各种复杂的控制任务，将被控对象和控制装置(控制器)按照一定的方式连接起来，组成一个有机总体的系统。例

：液位控制系统1.1自动控制的基本原理与方式三、※自动控制的基本原理1.自动控制系统被控对象：要求实现自动控制的机器，设备或生产过程。控制器：对被控对象起控制作用装置的总体，也称控制装置。输出量：要求实现自动控制的表征被控对象工作状态的物理量，也称被控量。输入量：也称控制系统的期望值或给定量。作用于被控对象或系统输入端，可使系统具有预定功能或输出的物理量。

扰动：所有妨碍控制器对被控量按要求正常控制的因素。控制任务：控制器控制被控量以实现的目标。1.1自动控制的基本原理与方式例

：液位控制系统三、※自动控制的基本原理1.自动控制系统※※2.典型自动控制系统的基本原理---反馈控制原理（P2)※※反馈控制原理：(P2)

控制器通过取自被控量（输出端）的反馈信息，得到被控量与期望值之间的偏差，并不断修正偏差，直至消除偏差，从而实现控制被控对象的目的。

反馈：指输出量通过适当的测量装置将信号返回到输入端，使之与输入量进行比较的过程。比较的结果称为偏差。

反馈控制系统：利用反馈控制原理组成的系统。1.1自动控制的基本原理与方式例

：液位控制系统三、※自动控制的基本原理※3.反馈控制系统的方框（块）图表示三、※自动控制的基本原理给定量被控量反馈信号偏差信号为了便于分析并直观的表示系统各个组成部分间的相互影响（关系）和信号传递关系，一般采用方框（块）图表示。1.1自动控制的基本原理与方式输出量一般置于方框图的最右端，输入量置于左端；输出量放在被控对象的后面；流向：用箭头表示；※方框：表示一个元件、部件、对象、过程、系统、环节等；分支点表示信号引出点；求和（比较）器表示所有输入信号的代数和；扰动量：作用在谁上即画在谁上，一般作用于被控对象上。※※负反馈：若偏差信号=输入量-反馈信号，需标注“-”号。一般反馈系统的方框（块）图三、※自动控制的基本原理例

:液位控制系统1.1自动控制的基本原理与方式一般的反馈控制系统的方框图

※3.反馈控制系统的方框（块）图表示水箱实际液位扰动1.控制任务：例

:人取书的反馈控制过程2.被控量：4.控制器：3.被控对象：人手的位置达到书的位置人手的位置人手或者手臂人的大脑+人的眼睛5.根据控制系统的原理，绘制方框图。※3.反馈控制系统的方框（块）图表示三、※自动控制的基本原理1.1自动控制的基本原理与方式提问实例演示例

:人取书的反馈控制过程方框图-大脑手臂、手眼睛输入输出眼睛书位置手位置※3.反馈控制系统的方框（块）图表示三、※自动控制的基本原理1.1自动控制的基本原理与方式一般的反馈控制系统的方框图

如下为一个教学过程控制系统各个对应的要素。要求设计合适的自动控制系统方框图，并说明其自动控制的原理。学生作业、实验、考试等课程的大纲要求学生学习的实际水平教师自我评估题1.1自动控制的基本原理与方式自动控制理论教学过程控制系统方框图答案：自我评估题典型自动控制系统的方框图

1.1自动控制的基本原理与方式

阅读1.4的自动控制系统应用举例；

完成习题1-2，1-5。第1章自动控制的一般概念

作业1三、※自动控制的基本原理一般反馈控制系统的方框图

所有自动控制系统都是按照反馈控制方式进行控制的吗？1.1自动控制的基本原理与方式※3.反馈控制系统的方框（块）图表示1.开环控制2.闭环控制（反馈控制）3.复合控制四、※自动控制系统基本控制方式

一般反馈控制系统的方框图1.1自动控制的基本原理与方式※※1.开环控制（P1最后一段)开环控制方式：系统输出端和输入端之间只要顺向作用，不存在反馈作用，输出量对系统的控制作用没有影响。也称为顺馈控制方式。开环控制系统：按开环方式组成的系统。被控对象四、自动控制系统基本控制方式1.1自动控制的基本原理与方式例：开环直流电动机转速系统1.开环控制四、自动控制系统基本控制方式结构简单、成本低，系统分析和设计较简便；对组成系统的元部件精度要求高；抗干扰能力差（系统稳定性不是主要问题）。多用于系统结构参数稳定和扰动信号较弱的场合。※※※主要特点：1.1自动控制的基本原理与方式※※2.闭环控制（P2)四、自动控制系统基本控制方式闭环控制方式：系统输出端和输入端之间存在反馈作用，即输出量对控制作用有直接影响的系统。也称为反馈控制方式。

闭环控制系统：按闭环方式组成的系统。1.1自动控制的基本原理与方式例：闭环直流电动机转速系统四、自动控制系统基本控制方式2.闭环控制※※※主要特点：结构复杂，系统分析和设计较困难；采用精度不高、成本较低的元器件组成精度较高的闭环控制系统；能削弱或抑制干扰，但系统稳定性是非常重要的问题。1.1自动控制的基本原理与方式※开环控制vs.

闭环控制闭环控制

开环控制特点对比元件精度要求有无反馈抗干扰能力

结构

与成本有无高低差，对稳定性无要求强，稳定性很重要结构简单，成本低

四、自动控制系统基本控制方式结构复杂，成本高

1.1自动控制的基本原理与方式3.复合控制（P4)干扰补偿的复合控制系统方框图输入量控制器控制对象测量元件输出量反馈回路

被控量干扰量前馈补偿复合控制：开环控制+闭环控制；特点：控制系统具有良好的控制性能，精度更高，结构更复杂。被控对象四、自动控制系统基本控制方式1.1自动控制的基本原理与方式开环控制（顺馈）闭环控制（反馈）复合控制（反馈+顺馈）四、自动控制系统基本控制方式小结1.1自动控制的基本原理与方式※1.2自动控制系统的基本元件组成自动控制系统被控对象控制装置（器）元器件将组成系统的元部件按照职能分类(P4)1.2自动控制系统的元件组成测量元件（装置）

:用来检测被控制的物理量；给定元件（装置）

:给出与期望的被控量相对应的系统输入量(即参考量或期望值)；比较元件（装置）

:将参考输入值与测量元件检测的被控量实际值比较，求出它们之间的偏差；放大元件（装置）

:放大比较元件给出的偏差信号，推动执行元件去控制被控对象；

执行元件（装置）

:直接推动被控对象使其被控量发生变化；校正元件（装置）：以串联或反馈方式连接在系统中，改善系统性能。又称补偿元件。例:液位控制系统图1.6反馈控制系统基本组成串连校正元件放大元件执行元件反馈校正元件测量元件被控量——完整的反馈控制系统的基本组成（P5)被控对象给定元件1.2自动控制系统的元件组成一、按控制方式（结构）分类：1.3自动控制系统的分类开环控制闭环控制(反馈控制)复合控制二、按被控量期望的变化规律分类(P15)：

给定量是一个常值，要求被控量也等于常值。故称为调节器。给定量是预先未知的随时间任意变化的函数，要求被控量以最可能小的误差跟随给定量的变化。给定量是按预定规律随时间变化的函数，要求