第一章自动控制系统的基本概念

自动控制原理讲授张曙光河北农业大学机电工程学院课程重要性☆《自动控制原理》是工科的技术基础课，该课程与其它课程的关系——承上启下的课程该课程的学习方法与要求

——了解课程特点明确学习方法与要求自动控制理论电路理论电机与拖动大学物理信号与系统复变函数拉氏变换模拟电子技术线性代数微积分各类专业课线性系统现代控制理论实际系统物理模型数学模型方法（系统组成分析、设计）☆自动控制是一门技术学科，从方法论的角度来研究系统的建立、分析与设计。研究控制系统的共性问题

——提供了研究思想与研究方法课程特点☆自动控制技术是应用非常广泛的技术本课程学习方法☆打好基础——复习学过的基础课☆认真听课——掌握基本理论和基本方法☆做好习题——锻炼解决实际问题的能力本课程学习要求学会分析、解决工程问题的基本思路和方法

第一章自动控制系统的基本概念1-1引言1-2自动控制的基本方式1-3自动控制系统的组成1-4自动控制系统的分类1-5对控制系统的基本要求1-6自动控制系统的发展简史自动控制——指在没有人直接参与的情况下，利用外加装置（控制装置或控制器）使机器、设备或生产过程（被控对象）的某状态或参数（被控量）按规定的程序或指令自动地进行操作或运行。1-1引言自动控制理论是一个什么样的课程？单轴执行机构双轴执行机构自动控制理论——研究自动控制系统的组成，进行系统分析、设计的一般性理论。举例说明自动控制的概念自动控制系统——为实现某一自动控制目标所需要的所有物理部件的有机组合体。例：人工控制与自动控制：水箱水位控制问题▲用眼观察水位，目测出实际水位高度并反馈到大脑中（测量过程）▲在脑中与要求水位进行比较，得出偏差大小，决定手的操作动作（决策过程）▲手执行大脑决定的动作，打开或关闭法门（执行过程）人工控制人工控制过程归纳：▲传感器代替眼看测量出实际水位高度并反馈到控制器▲在控制器中将实际水位与设定水位进行比较得出偏差值，对偏差信号进行放大送到执行器▲执行器执行开关阀门动作自动控制共同特点：通过检测被控量，得到与给定值的偏差，并去纠正偏差，进而减小偏差。

自动控制过程归纳：★分析控制系统的工作原理——分析人要做这个事情的思路★分析控制系统的结构——设计与组成系统★分析控制系统的性能指标——是否能够完成任务自动控制理论——研究和分析控制系统共性的理论自动控制就是利用控制装置代替人去自动地完成人要完成的事情1-2自动控制的基本方式工作原理·控制装置控制器+执行器+传感器·被控对象水箱（水位是被控量）控制装置被控对象一、开环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.例

转台速度开环控制系统

这种转台在CD机、计算机磁盘驱动器等现代装置中广泛应用.转台电机电源和放大装置速度设置系统组成：由图可见：

被控制量速度没有反馈到输入端与给定信号比较,为开环控制系统。输入量：由电位器给定的电压ug直流电机开环调速系统输入量控制器被控对象输出量干扰执行机构控制器：电位器+功率放器组成，将弱小的输入量变成可执行的大功率信号执行机构：直流调速电动机+机械传动机构被控对象：需要的一定转速n的生产机械或其他机械部件输出量：调速系统的输出，即被控对象的实际转速（注意：不一定等于电机转速n）干扰（扰动）：在输入量不变的情况下，如负载扭矩变化、供电电压变化等将引起输出转速变化的影响因素开环控制特点：★系统的输出与输入之间没有反馈通道，输出量没有与输入量相比较，即输出量不参与对系统的控制，只有输入量对输出量产生控制作用★系统没有抗干扰能力★结构简单，所用的元器件少、成本低输入量控制器被控对象输出量干扰执行机构应用：多用于系统结构参数稳定和干扰较小的场合。如：自动化流水线、自动洗衣机例

转速负反馈直流电动机调速系统直流电机测速发电机电源和放大装置负载系统组成：UnUf给定电压反馈电压e=Un-Uf转速取决于给定电压与反馈电压的差值。二、闭环控制控制装置与受控对象之间既有顺向作用也有无反向联系.直流电机闭环调速系统输入量控制器被控对象输出量干扰执行机构检测装置ugufnno闭环控制特点：★通过检测装置构成的反馈通道将输出量送回输入端，与给定信号进行比较，产生偏差,此偏差经过控制器产生控制作用,使输出量按照要求的规律变化

★系统具有抗干扰能力，能实现高精度控制★因系统按偏差调节，有时间延迟，输出量的偏离不能立即得到修正，有可能使输出量处于振荡状态，使系统无法工作。应用：对系统有精度要求时广泛采用反馈控制是最基本的闭环控制方式。输入量控制器被控对象输出量干扰执行机构检测装置ugufnnouf三、复合控制1。按输入信号补偿的复合控制输入量控制器被控对象输出量干扰执行机构检测装置补偿装置补偿装置补偿装置补偿装置noug输入量补偿量补偿量输入量应用：提高系统跟踪输入信号的能力和精度输出量输出量输出量输出量2。按干扰作用补偿的复合控制输出量输入量控制器被控对象干扰执行机构检测装置补偿装置检测出干扰量，通过补偿装置对输入信号进行补偿以抵消干扰对系统输出量的影响应用：增强系统的抗干扰能力1-3自动控制系统的组成输出量给定环节被控对象干扰执行机构反馈校正装置放大环节串联校正检测装置要求实现自动控制的设备或过程被控设备或过程中需要控制的参数即被控参数测量被控参数的传感器与测量电路，它将系统的实际输出反馈到输入端设定与系统输出希望值相对应的输入指令改善系统性能的环节，因为串联在系统的输入端，又称串联校正输入与输出之间进行比较，产生偏差信号，该偏差信号描述了系统希望值与实际值之间的误差将微小的偏差信号进行放大，使之达到控制执行机构的能量要求执行控制任务，驱动被控对象的动力设备改善局部环节性能的装置，用反馈的方法调整局部信号达到校正的目的，所以称反馈校正（或并联校正）顺着从输入到输出的信号传递方向走出的通道称为前向通道将输出（局部输出）送回到输入（局部输入）的通道被称为反馈通道连接输入与系统输出的反馈通道被称为主反馈通道将局部输出送回到局部输入的通道被称为局部反馈通道典型闭环系统结构框图典型闭环系统结构框图1-4自动控制系统的分类●按系统结构分，开环/闭环控制系统●按输入量形式分，恒值/随动控制系统●按信号传递形式分，连续/离散控制系统●按系统是否满足叠加性分，线性/非线性控制系统●按系统执行装置分，机电/液压/气压控制系统等

可以从不同角度对控制系统进行分类：▲系统输入量为常值，要求被控量也等于常值。

▲系统的基本任务是当出现扰动时，使系统的输出量保持为恒定的希望值

▲工业产生中的温度、压力、流量、液面等参数的控制电力系统的电网电压、频率控制等

2.程序控制系统▲系统输入量按预定规律变化，系统的控制过程按预定的程序进行。▲数控机床按预定程序自动地切削工件。石油化学工业中的反应塔。

一.按输入量的特征

1.恒值控制系统▲系统输入量随时间任意变化。系统输出量常是机械位移、速度、加速度、力、力矩等机械量。▲系统的基本任务是使系统输出量能快速、准确地跟随输入量变化。▲机械加工中的仿形机床。武器装备中的火炮自动瞄准系统、雷达跟踪系统、导弹目标自动跟踪系统

3.伺服系统又称随动系统二、连续控制系统和离散控制系统▲控制系统中各部分的信号若都是时间t

的连续函数，则称这类系统为连续控制系统。▲在控制系统各部分的信号中只要有一个是时间t

的离散信号，则称这种系统为离散控制系统。脉冲和数码都属于离散信号。计算机控制系统就是一种常见的离散控制系统。计算机只能接受和处理数字信号，计算机的输出经D/A转换加给放大器，然后再去驱动执行元件，或由计算机直接输出数字信号，经数字放大器后驱动数字式执行元件。三、线性控制系统和非线性控制系统▲用非线性方程描述的系统，称为非线性系统。线性系统特性叠加性齐次性（均匀性）如果微分方程或差分方程的系数为常数，则称为线性定常数系统；否则，称为线性时变系统。▲可用线性微分方程或差分方程描述的系统，称为线性系统。1-5对控制系统的基本要求控制系统应用于不同场合，对它有不同的性能要求。但从控制工程的角度来看，却有一些共同的标准。常见的评价系统优劣的性能指标基本有三个方面：稳、快、准。二、快速性一、稳定性三、准确性

系统受外作用力后,其动态过程的振荡倾向和系统恢复平衡的能力。一、稳定性稳定性：如果系统受外作用力经过一段时间，其被控量达到某一稳定状态，则系统是稳定的。否则为不稳定的。稳定系统的动态过程r(t)t0c(t)1r(t)c(t)不稳定系统的动态过程(a)给定信号作用c(t)(b)扰动信号作用d(t)t0c(t)r(t)t0c(t)r(t)c(t)d(t)不稳定的系统是无法正常工作的。

一种过渡过程是收敛的，即过渡过程结束后，系统又趋于平衡状态，这类系统称为稳定的；另一种过渡过程是发散的，这类系统称为不稳定的；等幅振荡也被认为是不稳定的。显然，系统稳定是保证系统能正常工作的首要条件。通过动态过程时间长短表征。时间越短，表明快速性越好，反之亦然。二、快速性r(t)t0c(t)r(t)c1(t)c2(t)快速性表明了系统输出对输入响应的快慢程度由输入给定值与输出响应的终值之间的差值ess大小表征。三、准确性r(t)t0c(t)r(t)c(t)ess过渡过程结束后，输出量的希望值与实际值之差。数控机床的加工误差小于0.02mm。

一般恒速、恒温控制系统的稳态误差都在给定值的1%以内。○同一个系统，稳、快、准是相互制约的。○提高快速性，可能会引起系统强烈振动。○改善了平稳性，控制过程又可能很迟缓，甚至精度也会变差。○分析和解决这些矛盾，将是本学科讨论的重要内容。1-5自动控制系统的发展简史●经典控制理论（19世纪初）时域法；复域法（根轨迹）；频域法●现代控制理论（20世纪50年代）线性控制最优控制最佳估计系统识别自适应控制鲁棒控制容错控制集散控制大系统复杂系统●智能控制理论（20世纪70年代）专家控制模糊控制神经网络遗传算法1400——1900工业机器时代亚历山大的希罗发明开闭庙门和分发圣水等自动装置(100年)。中国张衡发明水运浑象，研制出自动测量地震的候风地动仪

(132年)。自动控制的发展简史中国马钧研制出用齿轮传动的自动指示方向的指南车

(235年)

中国明代宋应星所著《天工开物》记载有程序控制思想的提花织机结构图

(1637年)

英国

J.Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度

(1788年)钱学森的《工程控制论》(

EngineeringCybernetics)

(1954)德国V-2飞弹1942年年底进行了试验，44年使用。这种飞弹长14米，射程为300公里，可携带950公斤炸药，飞行高度为9.6万米，飞行速度5800公里/小时，发射后一分钟便可燃烧掉4吨乙烷和5吨液态氧。它是最早用电磁制导系统控制的武器，不易被侦探，可达到突然袭击的效果。

二战时期的航空母舰和飞机美国

MIT研制出第一台数控机床

(1952)美国研制出第一台工业机器人样机

(1954)计算机集成制造的概念(1969)由加工中心和工业机器人组成的柔性制造单元

(1976)中国批准

863高技术计划，包括自动化领域的计算机集成制造系统和智能机器人两个主题

(1986)世界第一颗人造地球卫星由苏联发射成功(1957)苏联东方-１号飞船载着加加林进入人造地球卫星轨道,人类宇航时代开始了(1961)。苏联发射“月球”9号探测器，成功(1966)。三年后

(1969)，美国“阿波罗”11号把宇航员送上月球。火箭部