第一章自动控制的基本概念

第一章绪论

第一节控制理论在工程中的应用

第二节自动控制系统的基本概念第三节自动控制系统的基本构成及方块图第四节控制系统的分类及性能要求第五节课程主要内容第一节控制理论在工程中的应用一、工程实际中的典型控制问题

●雷达跟踪系统、火炮瞄准系统；

——随动控制系统●锅炉设备的压力和温度自动保持恒定(电冰箱）；

——恒值控制系统●数控机床按照预定的程序自动地切削工件；

——程序控制系统自动控制已成为现代社会活动中不可缺少的重要组成部分。第一节控制理论在工程中的应用二.控制理论的发展简史控制工程是一门新兴的技术学科，也是一门边缘学科，以工程控制论为理论基础。

1、经典控制理论

20世纪40-50年代形成，以传递函数为基础，主要研究单输入和单输出（SISO）线性定常时不变这类控制系统的分析和设计问题。目标：反馈控制系统的稳、准、快。基本方法：传递函数法，频率法，PID调节法。第一节控制理论在工程中的应用

2、现代控制理论

60-70年代开始形成，以状态空间方程为基础，研究多输入多输出（MIMO）、变参数、非线性等控制系统的分析与设计问题。目标：实现最优控制基本方法：状态空间描述研究对象数学工具常用分析方法局限性经典控制理论单输入-单输出线性定常系统微分方程；传递函数时域、频域、根轨迹分析法对复杂多变量系统、时变和非线性系统无能为力现代控制理论多输入-多输出变系数、非线性等系统线性代数、矩阵理论状态空间法比较繁琐（但由于计算机技术的的迅速发展，这一局限性已克服)第一节控制理论在工程中的应用三、本课程研究的基本问题

系统：按一定规律运动变化或实现人们一定目的而运动变化的一种物质的有机组合体（前者指自然系统，后者指人工系统）。这种组合体可以是物理性质的、生物性质的或是社会性质的；同时，也可以是一个过程（如生产过程）等等。子系统：某一个系统如果是另一个系统的组成部分，则该系统称为另一系统的子系统。第一节控制理论在工程中的应用

三、本课程研究的基本问题

动态特性：系统在自身以足够高的速率运动、变化的过程中，或在足够高的速率的外界条件作用下，所表现出来的系统本身固有的性能或属性。输出:系统对外界所表现出来的种种现象(被控量或输出量)，一般用来表征被控对象或过程的状态或性能。在研究系统时，并不总能自然得到系统传送给外界的信号，从而常常需要对系统施加特定的作用，以促使系统产生必要的输出信号。

第一节控制理论在工程中的应用三、本课程研究的基本问题输入：引起系统某种信号输出的作用。系统的输入也称为控制量(输入量)，它是作用于系统的有用信号。

对研究系统有害的输入信号通常专门称之为“干扰信号”或“扰动”。【例1-1】研究某物体的表面颜色kzgc2-01.exe

【例1-2】研究构成物体的材料kzgc2-01.exe

第一节控制理论在工程中的应用三、本课程研究的基本问题

(1)已知系统的动态特性Ｇ(t)及系统输入Xi(t)，求解系统输出Yo(t)。

——“系统分析”问题。

(2)已知Ｇ(t)，由期望的最佳输出Yo(t)确定理想的输入Xi(t)。

——“最优控制”问题。

(3)已知输入Xi(t)，由期望的最佳输出Yo(t)确定系统的动态特性Ｇ(t)。

——“最优设计”问题第一节控制理论在工程中的应用三、本课程研究的基本问题

(4)已知系统的输入Xi(t)及输出Yo(t),确定未知系统的动态特性Ｇ(t)。

——“系统识别”问题

(5)由已知的系统输出Yo(t)中提取需要的信号（信息）或根据已知的Yo(t)来估计Yo(t)现在和将来的变化——前者称为“滤波”，后者则称为“预测”。第二节自动控制系统的基本概念

控制：使被控制对象（看得见的实体：电冰箱的箱体、液位控制系统的水箱）的某一个或某一些输出参量（被控制量：被控对象中表征被控制对象工作状态的物理量——冰箱的温度、水箱的水位）能按照人们预期（或给定）的目标值（期望值、给定值）得以实现的一种作用过程。

自动控制：指在没有人直接参与的情况下，利用控制装置（控制器）使被控对象或过程的被控量（输出参量）能按照人们事先预定的规律变化。

自动控制系统：控制是由控制装置自动完成的控制系统，它是一个带有反馈装置的动力学系统。第二节自动控制系统的基本概念

控制装置：能够对被控对象起控制作用的设备总称。闭环控制系统：输出量与输入量之间有反向联系，靠输入量与主反馈信号之间的偏差对输出量进行控制的系统叫闭环控制系统。反馈：系统中输出量返回输入端并与输入量进行比较的一种“作用过程”。返回输入端的输出量通常称为“反馈信号”；而反馈信号经过的路径叫做“反馈通道”。与之相对应，输入信号由输入端到输出端所经过的路径则称“前向通道”。控制系统结构图.doc控制系统结构图.doc

正反馈起增强输入信号的作用，会使系统的偏差越来越大——振荡器（正弦信号发生器）负反馈起减弱输入信号作用，只有负反馈控制系统才能完成自动控制的任务。负反馈控制系统最大的特点：按偏差控制（检测偏差→纠正偏差）通常把基于反馈基础上的“检测偏差用以纠正偏差”的这一原理称为反馈控制原理。把采用反馈控制原理组成的系统称为反馈控制系统。

我们在日常生活中用到的抽水马桶，就是一个典型的闭环控制系统。第二节自动控制系统的基本概念

水箱原来处于一个平衡状态，q1(t)=q2(t)=0。如果打开阀门，冲水，冲好后关上阀门，h(t)发生变化，水位下降，△h变大，通过浮子反馈到执行机构。机械杠杆带动活塞打开，q1(t)变大，使△h变小，浮子上浮，活塞也上升，直至达到新的平衡。原理方框图：

这就是负反馈控制系统，检测偏差，然后进行调节，使偏差减小，最后直至消除偏差。

——按偏差控制。

控制系统的一般结构

被控对象外界干扰参考输入反馈环节系统输出控制器

主反馈：直接取自系统输出端，经过测量和变换，又引入到系统输入端的信号叫主反馈信号，相应的反馈叫主反馈。

主反馈通道：从输出量到主反馈信号之间的通道称为主反馈通道。

单位反馈（全反馈）系统：主反馈信号等于输出量的系统叫单位反馈系统（输出量经过反馈通道时信号能量没有任何衰减）。非单位反馈系统：主反馈信号不等于输出量的系统叫非单位反馈系统。

第二节自动控制系统的基本概念第二节自动控制系统的基本概念局部反馈：对应内回路。主回路：主反馈闭合了除系统输入信号和干扰信号以外的其它所有信号，所形成的闭合回路称为主回路。

给定元件：给出与系统输出量希望值相对应的系统输入量。

测量元件：测量系统输出量的实际值，并把输出量的量纲转化成与输入量相同。

比较元件：比较系统的输入量和主反馈信号，并给出两者之间的偏差。第二节自动控制系统的基本概念放大元件：对微弱的偏差信号进行放大和变换，使之具有足够的幅值和功率，以适应执行元件动作的要求。

执行元件：根据放大后的偏差信号产生控制动作，操作系统的输出量，使之按照输入量的变化规律而变化。

kzgc2-01.exe炉温自动控制系统.doc开环控制系统：

1.结构简单经济

2.调试方便

3.抗干扰能力差，控制精度不高。闭环控制系统：

1.系统具有纠正偏差的能力。

2.抗扰性好，控制精度高。

3.包含元件多，结构复杂，价格高。

4.参数应选择适当。开环＋闭环＝复合控制系统（兼有两者的优点，精度很高）开环与闭环系统的比较第四节控制系统的分类及性能要求

1、按给定值的形式划分a.定值控制系统：输入量是恒定的常值。任务：在各种扰动作用下都能使输出量保持在恒定希望值附近，如恒温、水位、恒压控制系统。

定值控制系统实例—炉温自动控制系统

kzgc2-01.exeb.随动系统（也叫伺服系统，跟踪系统）这种控制系统的输入量是事先不知道的任意时间函数。第四节控制系统的分类及性能要求任务：使输出量迅速而准确地跟随输入量的变化而变化。实例：飞机和舰船的操舵系统、雷达自动跟踪系统。c.程序控制系统：输入量按照给定的程序变化。任务：使输出量按预先给定的程序指令而动作。实例：数控车床、机器人控制系统。第四节控制系统的分类及性能要求2、按系统的特性分类a.线性系统：具有叠加性和齐次性，可以用线性微分方程来描述。b.非线性系统不适用叠加原理，用非线性方程来描述。3、按信号的形式分类a.连续控制系统b.离散控制系统第四节控制系统的分类及性能要求

输入信号和扰动是一个系统典型的外作用，但我们希望系统只受输入信号的控制，而丝毫不受扰动的影响，所以我们只研究在输入信号作用下，对系统性能的要求。去掉扰动后的自动控制系统原理图控制器执行机构被控对象输入信号给定值偏差-测量装置输出量

当输入信号突然发生跳变时，这时输出量还处在原有的平衡状态，这样就出现了偏差，这个偏差控制输出量达到新的平衡，这就是一个调节过程。t01输入r(t)t01输入c(t)12理想的调节过程实际

理想的调节过程是：出现偏差后，执行机构突然动作，使输出量立即达到新的平衡状态，调节过程瞬时完成，实际上这是不可能的，因为什么呢？（惯性）。所以当输出量发生跳变时，任何实际系统从原平衡状态到达新的平衡状态都要经历一个过渡过程，过渡过程的曲线形状随系统的不同而有所差异，有的是单调增长到稳定值（曲线1），有的是衰减到稳定值（曲线2）。

整个调节过程分为两个阶段:a.过渡过程：反映系统的动态特性。（输出量处于激烈变化之中）

b.稳态过程：反映系统的稳态特性。（输出量稳定在新的平衡状态，并保持不变。）阴影部分表示的是实际调节过程与理想调节过程的差异，差异越小，系统的调节质量越高。

(一)典型的外作用：为了能对不同的控制系统的性能用统一的标准来恒量，通常需要选择几种典型的外作用。选取原则：（1）在现场及实验中容易产生（2）系统在工程中经常遇到，并且是最不利的外作用。（3）数学表达式简单，便于理论分析。1、阶跃函数（1）数学表达式

（2）图形：

表示在t=0时刻出现了幅值为R的跳变，是最不利的外作用。

R=1时的阶跃函数叫单位阶跃函数，常用1(t)表示。常用阶跃函数作为评价系统动态性能的典型外作用，它在机电控制系统的分析中起着特别重要的作用。2、斜坡函数（也叫速度函数）（1）数学表达式（2）图形：如R=1,叫单位速度函数，表示从t=0时刻，以恒速R变化。

3、加速度函数（1）数学表达式

(2)图形

R=1叫单位加速度函数。表示从t=0时刻开始，以恒加速度R变化。4、脉冲函数

(1)矩形脉冲函数数学表达式

(2)图形：

脉冲函数是对ε趋于0，求极限得到的。数学表达式为脉冲函数在现实中是不存在的，只是数学上的定义，在现实系统中常把作用时间很短，幅值很大而强度有限的一些外作用近似看作脉冲函数。当A=1时，称为单位脉冲函数，记作δ(t),

强度为A的脉冲函数r(t)表示成r(t)=Aδ(t)5、正弦函数（1）数学表达式

A为振幅，ω=2πf为正弦函数的角频率，这里，初始相角φ=0，如果初始相角φ不等于0，那么正弦函数r(t)的表达式为：

r(t)=Asin(ωt-φ)(2).图形

正弦函数也是控制系统中常见的一种典型外作用，很多实际的随动系统就是经常在这种正弦函数作用下工作的，更为重要的是系统在正弦函数作用下的响应，即频率特性，是自动控制理论中研究系统性能的重要依据。

（二）对系统性能的基本要求。阶跃输入是变化最剧烈，对系统最不利的外作用，如果系统在阶跃函数作用下能满足自动控制任务。那么，系统在其它缓慢变化的外作用下更能满足要求。所以，常选用阶跃函