第一章控制系统导论

自动控制原理王春suwcl@163.com1本学期课程安排2■

教材：胡寿松，自动控制原理简明教程(第二版)，科学出版社■课程内容：第一章～第六章■课程总学时：48,其中实验：6■参考文献：□黄坚：《自动控制及其应用》高等教育出版社2004.1□高国淼:自动控制原理，华南理工出版社□刘慧英：《自动控制原理导教、导学、导考》西北工大出版社2003□胡寿松，自动控制原理习题集，科学出版社课程教学网站：泰山学院教务处/省级精品课程/电子技术应用与创新系列课程：自动控制原理http:///ftp/ele.htm，南航精品课西北工业大学、东北大学（薛定宇教授Matlab大观园）中国自控网：http:///课程学习指导成绩构成3■

期末70%■

作业10%■

实验10%■

点名10%考试形式■

考试：闭卷课程学习指导该课程与其它课程的关系线性代数微积分（含微分方程）复变函数、拉普拉斯变换自动控制原理电路理论大学物理（力学、热力学）电机与拖动模拟电子技术各类控制系统课程4课程学习指导自动控制原理各章关系5第二章控制系统数学模型第一章控制系统导论第三章线性系统时域分析法第五章线性系统频域分析法第四章线性系统根轨迹第六章线性系统的校正方法课程学习指导第一章控制系统导论6■

1-1自动控制的基本原理■

1-2自动控制系统示例■

1-3自动控制系统的分类■

1-4自动控制系统的基本要求■

1-5控制系统的分析与设计工具本章难点

1.深刻理解反馈的概念和思想；2.确定控制系统的被控对象、被控量、给定量等；3.绘制方块图，分析实际控制系统的基本原理。本章重点

1.自动控制和自动控制系统的含义；2.反馈和反馈控制的概念、反馈控制的特点；3.控制系统的组成、分类和特点；4.绘制方框图定性分析的方法。(1-7)结束§1控制系统导论相关作业P191-1；1-2；1-5；1-81-1 自动控制的基本原理1.自动控制技术及其应用自动控制的概念自动控制是在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器）对生产设备和工艺过程（统称控制对象）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。例如锅炉温度控制、化工过程流量、温度、液位的控制等等。自动控制系统自动控制系统是为实现某一控制目标所需要的所有物理部件的有机组合。8控制系统＝控制器＋被控对象§1控制系统导论自动控制技术的应用• 开始多用于工业：压力、温度、流量、位移、湿度、粘度自动控制• 后来进入军事领域：飞机自动驾驶、火炮自动跟踪、导弹、卫星、宇宙飞船自动控制• 目前渗透到更多领域：大系统、交通管理、图书管理等• 生物学系统：生物控制论、波斯顿假肢、人造器官• 经济系统：模拟经济管理过程、经济控制论9§1控制系统导论§1控制系统导论“勇气”号在火星工作的英姿10§1控制系统导论负反馈放大器电路原理图Ecc+12vR1510KR24.7KR451KR63KC210μC310μ+R1K C110μRL5.1KR7++T13DG6T23DG6usuiuoR3100R518K100R8 C41K 10μRf2K12§1控制系统导论13§1控制系统导论自动控制理论:关于自动控制系统的理论。自动控制成为一门科学是从1945发展起来的2.自动控制理论发展史•十八世纪以后，蒸汽机的使用提出了调速稳定等问题1765年俄国人波尔祖诺夫发明了锅炉水位调节器1784年英国人瓦特发明了调速器，蒸汽机离心式调速器1877年产生了赫氏判据和劳斯稳定判据•十九世纪前半叶，动力使用了发电机、电动机促进了水利、水电站的遥控和程控的发展以及电压、电流的自动调节技术的发展•十九世纪末，二十世纪初，使用内燃机促进了飞机、汽车、船舶、机器制造业和石油工业的发展，产生了伺服控制和过程控制•二十世纪初第二次世界大战，军事工业发展很快飞机、雷达、火炮上的伺服机构，总结了自动调节技术及反馈放大器技术，搭起了经典控制理论的架子，但还没有形成学科。14§1控制系统导论蒸汽机的速度控制：给定值惯性球蒸汽阀压力蒸汽15受控蒸汽1-1自动控制的基本原理1. 经典控制理论时期（1940-1960）第二次世界大战时期开始：经典控制理论逐渐发展成熟而形成为独立学科。频率分析法和根轨迹分析法，构成了经典控制理论的基础。在此期间，也产生了一些非线性系统的分析方法，如相

平面法和描述函数法等，以及采样系统的分析方法。数学工具：主要是线性微分方程和基于拉普拉斯变换的传递函数。研究对象：基本是单输入－单输出系统。目标：反馈控制系统的稳定典型成果：雷达—高炮跟踪系统，轧钢机控制系统，液压伺服系统等。161-1自动控制的基本原理2.现代控制理论时期（20世纪50年代末-60年代初）50年代——70年代，空间技术与军事技术的发展提出了许多复杂控制问题，用于导弹、人造卫星和宇宙飞船上Kalman“控制系统的一般理论”奠定了现代控制理论的基础数学工具：主要是状态空间法研究对象：研究对象更为广泛。如线性系统与非线性系统、定常系统与时变系统、多输入－多输出系统、变量耦合系统等。目标：最优控制典型成果：空间技术、军事技术、多方面的工业技术我国：火箭发射控制技术，人口模型与中国人口控制171-1自动控制的基本原理3.大系统和智能控制时期（20世纪70年代）各学科相互渗透，要分析的系统越来越大，越来越复杂。70年代——至今，基于人脑的思维、学习、推理、决策功能研究与发展的，是当前控制理论学科研究的前沿领域。主要研究方向：自适应控制理论、模糊控制理论、人工神经元网络、浑沌理论研究等。主要研究成果：各种自动设计系统，神经计算机，机器人控制系统，模式识别，人工推理机等。4.正在发展的各个领域

自适应控制大系统理论H∞鲁棒控制非线性控制（微分几何，混沌，变结构）181-1自动控制的基本原理3.反馈控制原理例１：液位控制系统期望液位：Hs被控对象 被控量扰动变量 操纵变量1、人工控制原理眼：测量实际液位H——检测过程。脑：将实际液位H和期望液位HS比较，根据两者偏差正负及大小作出决策。——比较、分析、决策过程。手：执行大脑命令，调节阀门开度。——执行过程。191-1自动控制的基本原理工作原理的描述——方框图：20HQi眼H测量值实际液位脑水槽手eHsu给定值1-1自动控制的基本原理测量元件(眼）：测量实际液位H并进行物理转换。控制器（大脑）：也叫调节器，将测量值mv和给定值sv相比较，

根据两者的偏差进行运算，输出控制信号u。执行元件（手）：也叫执行器，改变阀门开度。211-1自动控制的基本原理人工控制原理方框图：uH实际液位脑手水槽眼Hs给定值HeQo扰动Qi测量值自动控制原理方块图：22Qo扰动HseuHQi实际液位控制器给定值H执行器水槽测量元件测量值1-1自动控制的基本原理反馈：通过测量变换装置将系统或元件的输出量反送到输入端，与输入信号相比较。反送到输入端的信号称为反馈信号。负反馈：反馈信号与输入信号相减，其差为偏差信号。负反馈控制原理：检测偏差用以消除偏差。将系统的输出信号引回输入端，与输入信号相减，形成偏差信号。然后根据偏差信号产生相应的控制作用，力图消除或减少偏差的过程。231-1自动控制的基本原理被控制量：在控制系统中．按规定的任务需要加以控制的物理量。控制量：作为被控制量的控制指令而加给系统的输入量．也称控制输入、参考输入、参据量（给定量）。扰动量：干扰或破坏系统按预定规律运行的输入量，也称扰动输入。外扰动和内扰动241-1自动控制的基本原理4.自动控制系统的基本组成扰动输入reucd控制器给定输入执行器被控对象输出测量变送器b测量值输入变量：扰动输入，给定输入（参考输入）；输出变量；反馈，反馈通道，前向通道，闭环自动控制系统 自动控制装置反馈控制系统的特点：反馈（偏差、闭环）控制系统存在反馈，输出量参与控制；基于偏差进行控制1-1自动控制的基本原理被控对象控制器执行器测量变送器控制器执行器测量变送器1-1自动控制的基本原理测量仪表➢压力测量仪表✓

非远传式压力测量仪表➢液柱式压力计➢应用弹性变形测量✓

远传式压力测量仪表➢力平衡式压力变送➢电阻式压力传感器➢电容式压力传感器271-1自动控制的基本原理➢温度测量仪表✓膨胀式温度计✓热电偶温度计✓热电阻温度计281-1自动控制的基本原理执行仪表➢将控制指令转化为实际动作✓

气动调节阀✓

液动调节阀✓

电动执行器✓

变频电机291-1自动控制的基本原理控制仪表301-1自动控制的基本原理5.自动控制系统基本控制方式(1)开环控制方式不存在输出到输入的反馈，输出量不参与控制①按给定值进行控制②按干扰进行控制（即前馈控制，对干扰进行补偿）扰动必须可测！——比较环节（叠加点）1-1自动控制的基本原理例 按给定值进行控制控制装置与受控对象之间只有顺向作用而无反向联系。321-1自动控制的基本原理++uMcn++gua

M负载功放负载Mc

M——电动机ugn功放电机if =

cons例：按干扰进行控制（即前馈控制，对干扰进行补偿）负载McR压放ubugn功放电机ue331-1自动控制的基本原理+if=consuuaMcnue++gM负载功放Rub+压放i■开环控制特点：控制量与输出量之间仅有前向通路，而没有反馈通路。输出量不能对控制量产生影响。■

缺点：精度低，不能自动跟踪控制目标要求。■

应用：由于开环控制系统结构简单、维护容易、成本低、不存在稳定性问题，因此应用于一些精度要求不高或扰动影响较小的场合。341-1自动控制的基本原理(2)闭环（反馈）控制方式存在输出到输入的反馈，输出量参与控制例2：电机系统期望转速：n0TG—测速发电机351-1自动控制的基本原理++if=consMc++uguanM负载压放功放TGufueugue负载nMc压放功放电机uf测速发电机■

闭环控制：■

闭环控制特点：（1）控制量与输出量之间既有前向通路，又有反馈通路。可以由输出量影响控制量产生调节作用。（2）由于采用反馈装置，导致设备增多，线路复杂，成本高。（3）闭环系统存在稳定性问题。■

本课程研究重点例子：电动机转速控制系统伺服控制（随动）系统361-1自动控制的基本原理3、复合控制方式（反馈+前馈）例ue37++if=cons++gu++uaMcnM负载压放功放ufi压放+TG1-1自动控制的基本原理381-1自动控制的基本原理基本控制方式

1.开环控制

2.闭环控制

3.复合控制Mc压放ugn负载Rubue功放电机uf压放测速发电机1-2 自动控制系统示例39✓学会分析自动控制系统的工作原理✓利用方框图表示自动控制系统的组成输入输出控制系统对系统组成的理解•方框图中的几种组成元件表示法：1-2自动控制系统示例(a)环节名称或特性输入量输出量引出点ccc(c)e=r-b或(+)re=r-bb(b)b(-)(-)r函数记录仪电阻炉微机温度控制系统锅炉液位控制系统(1-41)结束1-2自动控制系统示例函数记录仪(1-42)结束§1.2自动控制系统示例

函数记录仪方框图

1-2自动控制系统示例控制过程的描述：流程图2、假设有扰动引起Hc变化（如用水量突然增大Q2↑）：动态Q2↑→

Hc↓→浮子↓→

△H<0

→阀门开度↑→Q1↑→Hc↑

↑↑

一直进行到Hc＝Hg，△H=0时控制结束，系统进入稳定状态为止。1、假设Hc与整定的水位Hg

相等：平衡状态△H＝Hc

－Hg＝0→阀门开度不变→Q1＝Q2→Hc＝Hg，系统处于稳定状态

(1-44)结束§1.2自动控制系统示例§1、2相关作业1-3自动控制系统分类5、按输入信号变化规律分：恒值控制系统随动控制系统程序控制系统1、按数学描述方法分：线性、非线性系统时不变（定常）/时变系统2、按系统信号形式分：连续、离散系统3、按输入信号数量分：

单输入/多输入4、按控制方式分：开环控制、闭环控制、复合控制6、按物理元件类型分：机械系统、电气系统、电子系统、机电系统、液压系统、气动系统、生物系统等。1-3自动控制系统的分类➢

随动系统与恒值系统➢

线性系统与非线性系统➢

时变系统和定常系统➢

连续系统与离散系统➢

单输入输出系统与多输入输出系统➢

确定性系统与不确定性系统➢

集中参数系统与分布参数系统主要研究对象：线性时不变（LTI）多入单出连续系统式中：

r(t)——系统输入量；

c(t)——系统输出量由系数判定时变系统：系数随时间而变定常系统：系数是实常数线性系统主要特点线性／非线性判定线性系统：无变量或其导数项的乘积或乘方项；无常数项非线性系统：有变量乘积或变量乘方项或有常数项叠加性齐次性(1-47)结束§1.3自控系统分类叠加原理：当多个信号作用于线性系统时，其总的响应等于各作用量单独激励所产生的响应之和。线性时不变（LTI）系统主要类型：（1）恒值控制系统

参考输入（给定量）是个常值，要求被控量也等于常值。扰动引起被控量偏离参考量而出现偏差。系统主要控制目的：利用偏差产生控制作用，使被控量恢复到给定常值，克服扰动的影响。（2）随动系统（或称伺服系统）参考输入预先未知，随时间任意变化，要求被控量以尽可能小的误差跟随参考输入量变化。系统主要控制目的：保证输出对输入的跟随精度(1-48)结束§1.3自控系统分类§1-4自控系统的基本要求A超调量σ%=AB100%峰值时间tB“稳，准，快”上升时间trp调节时间ts491.基本控制要求

（1）稳定性稳定性：系统在扰动消失后，由初始偏差状态恢复到平衡状态的能力。２、不稳定501、稳定§1-4自控系统的基本要求稳定性：(1)对恒值系统，要求当系统受到扰动后，经过一定时间的调整能够回到原来的期望值。对随动系统，被控制量始终跟踪输入量的变化。

稳定性是对系统的基本要求，不稳定的系统不能实现预定任务。线性系统稳定性通常由系统的结构决定，与外界因素无关。51§1-4自控系统的基本要求调节时间、上升时间动态性能对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称为动态性能。稳定高射炮射角随动系统，虽然炮身最终能跟踪目标，但如果目标变动迅速，而炮身行动迟缓，仍然抓不住目标。稳态性能稳态误差⎧无差系统⎧有差系统在参考输入信号作用下，当系统达到稳态后，其稳态输出与参考输入所要求的期望输出之差叫做给定稳态误差。显然，这种误差越小，表示系统的输出跟随参考输入的精度越高。521.基本控制要求

（2）快速性1.基本控制要求

（3）准确性§1-4自控系统的基本要求1为什么要使用典型的输入信号？2典型输入信号有哪几种？它们为什么是典型的？3典型输入信号的数学模型、图象？4典型输入信号相互关系如何？典型信号是指具有最基本信号特征（波形）和数学描述，并能够反映系统控制特性且易于实现的理想信号。采用典型的输入信号，可以使