自动控制 绪论

自动控制原理先修课程：电路原理电子技术基础复变函数与积分变换（拉式变换）√主要参考书：张晋格著，《自动控制原理》第2版，哈尔滨工业大学出版社，2007√夏德钤、翁贻方编著，《自动控制理论》第2版，机械工业出版社，2004√第一章绪论1.1引言：自动控制的基本概念和简史1.2控制系统的基本控制方式1.3自动控制系统的类型1.4控制系统的性能要求和典型输入信号第一节自动控制的基本概念

液面控制系统—手动控制液面控制系统——手动控制手臂,手人眼输入信号大脑人眼输出信号用自动装置代替人工操作自动控制与手动控制第一节自动控制的基本概念•控制器系统中采用的控制装置。电位器、放大器、电动机。•被控对象被控制的机器、设备或物体。如水箱。•自动控制系统由控制器和被控对象组成，能够实现自动控制任务的系统。第一节自动控制的基本概念第一节自动控制的基本概念自动控制例子数控机床按照预定程序自动地切削工作；雷达和计算机组成的导弹发射和制导系统，自动地将导弹引导到敌方目标；无人驾驶飞机按照预定航迹自动升降和飞行；人造卫星准确地进入预定轨道运行并回收等。自动控制技术自动控制系统自动控制原理自动控制实现自动控制所需技术

将被控对象和控制装置按照一定的方式连接起来，组成一个有机总体研究自动控制技术的基本理论，准则自动控制发展简史没有人确切知道第一个控制系统是什么时候发明的。但我们可以肯定地说，那时它一定没有被认为是一个“控制系统”。因为控制太自然了。从抽象意义上说，任何一个可以被另一个对象或过程改变的对象或过程都可称之为控制系统。我们无法确定人类是何时开始有目的地改变（控制）他所生存的环境。IEEEcontrolsystemmagzine,1996,theevolvinghistoryofcontrol：President’sMessage______MichaelK.Masten走马观花看历史BC300~AC1,古希腊,浮球调节装置,水钟近代最早发明的反馈系统1620年,荷兰,温度调节器温度调节器

Drebbel孵化小鸡的培育箱走马观花看历史BC300~AC1,古希腊,浮球调节装置,水钟近代最早发明的反馈系统1620年,荷兰,温度调节器最早应用于工业过程的反馈系统1788年,JamesWatt,应用于蒸汽机的飞球式调速器应用于蒸气机的飞球式调速器走马观花看历史BC300~AC1,古希腊,浮球调节装置,水钟近代最早发明的反馈系统1620年,荷兰,温度调节器最早应用于工业过程的反馈系统1788年,JamesWatt,应用于蒸汽机的飞球式调速器1868年，JamesClerkMaxwell,“论调速器”（稳定性）走马观花看历史BC300~AC1,古希腊,浮球调节装置,水钟近代最早发明的反馈系统1620年,荷兰,温度调节器最早应用于工业过程的反馈系统1788年,JamesWatt,应用于蒸汽机的飞球式调速器1868年，JamesClerkMaxwell,“论调速器”（稳定性）20世纪10年代，PID控制器出现走马观花看历史BC300~AC1,古希腊,浮球调节装置,水钟近代最早发明的反馈系统1620年,荷兰,温度调节器最早应用于工业过程的反馈系统1788年,JamesWatt,应用于蒸汽机的飞球式调速器1868年，JamesClerkMaxwell,“论调速器”（稳定性）20世纪10年代，PID控制器出现1927年，反馈放大器，确定反馈核心地位经典控制理论：20世纪40-60年代,二战军工技术“军事装备是自动化之父，二战是自动化诞生的产房”维纳－《控制论》形成完整的控制理论－传递函数为基础，研究SISO、线性定常系统代名词：PID控制现代控制理论：20世纪60-80年代,冷战时期空间技术，1968年美国阿波罗飞船登月，研究：MIMO、状态空间法、贝尔曼的动态规划法和庞特里亚金的极小值原理，以及卡尔曼滤波器。智能控制阶段：20世纪80年代以后，计算机技术，研究：自适应控制、模糊控制、神经网络自动控制发展的推动数学工具经典控制理论：微分方程（时域）转化代数方程（复变量）传递函数（频域）Laplace采用频域响应法和根轨迹法来研究控制系统现代控制理论：高阶方程微分方程组，运用线性代数分析

开环OR闭环？？第二节开环控制和闭环控制开环控制和闭环控制

不测取系统的输出量，系统的输出对控制作用不产生影响。控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制一、开环控制开环控制系统例子例：烤面包机输入——定时器设定的时间输出——面包的颜色控制对象——烤箱的加热系统系统受控制量作用,输出量对控制量没有反作用

开环控制系统开环控制系统开环控制系统开环控制系统的特点：1.结构简单、造价低。2.系统的控制精度取决于给定信号的标定精度及控制器及被控对象参数的稳定性。3.开环控制系统没有抗干扰的能力，因此精度较低。开环控制系统应用场合：1.控制量的变化规律可以预知。2.可能出现的干扰可以抑制。3.被控量很难测量。应用较为广泛，如家电、加热炉、车床等等。

开环控制和闭环控制

将系统的输出量（测量元件测量）反馈到输入端，并与参考输入相比较，产生一个偏差信号加到控制器上使输出改变，从而减少系统误差，到达实现精确控制的目的。二、闭环控制闭环控制系统闭环控制系统闭环控制系统

闭环控制系统闭环控制系统的特点：1.系统对外部或内部干扰（如内部件参数变动）的影响不敏感。2.由于采用反馈装置，导致设备增多，线路复杂。3.闭环系统存在稳定性问题。由于反馈通道的存在，对于那些惯性较大的系统，若参数配合不当，控制性能可能变得很差，甚至出现发散或等幅振荡等不稳定的情况。

闭环控制系统闭环控制系统的特点：4.实质：利用负反馈作用来减小系统的误差。5.负反馈具有自动调节能力，且哪一个量作为反馈信号，哪一个量就得到自动调节。

开环控制和闭环控制

开环?闭环?反馈控制系统的框图组成和术语定义

参考输入---输入到控制系统的指令信号。主反馈---与输出成比例或成某种函数关系，但量纲与参考输入相同的信号。反馈控制系统的框图组成和术语定义

偏差---参考输入与主反馈之差的信号,有时也称为误差控制环节---接受偏差信号,通过转换与运算,产生控制量反馈控制系统的框图组成和术语定义

控制量---控制环节的输出，作用于被控对象的信号。扰动---不希望的、影响输出的信号。反馈控制系统的框图组成和术语定义

被控对象---它接受控制量并输出被控制量输出---系统被控制量反馈控制系统的框图组成和术语定义

反馈环节---将输出转换为主反馈信号的装置。比较环节---相当于偏差检测器，它的输出量等于两输入量的代数和。箭头上的符号表示输入在此相加或相减。反馈

正反馈：反馈信号与输入端相加，自动控制系统中主要是用来对小的变化进行放大，增强输入信号作用，使系统的偏差越来越大(振荡)负反馈：反馈信号与输入端相减，通过输入、输出之间的差值作用于控制系统。差值反映了要求的输出和实际的输出之间的差别。控制器的控制策略是不停减小这个差值，以使差值变小。检测偏差，纠正偏差

第三节自动控制系统的类型一、按给定量的变化规律分类恒值控制系统（自动调节系统）

随动系统（伺服系统）

程序控制系统

参考输入是常量参考输入是随机变化量输入量是已知给定值的时间函数自动控制系统的类型一、按给定量的变化规律分类恒值控制系统（自动调节系统）

随动系统（伺服系统）

程序控制系统

干扰跟踪性跟踪性二、线性系统和非线性系统(数学)

线性系统可用线性常微分方程或差分方程描述。线性定常系统齐次性叠加性线性时变系统二、线性系统和非线性系统(数学)

非线性系统：用非线性常微分方程描述举例线性时变非线性线性时变自动控制系统的类型三、连续系统和离散系统（从系统中信息量的角度）•连续系统——模拟量。微分方程描述。•离散系统——脉冲量、数字量（只要有一处）。差分方程描述。y(k+1)=3y(k)+4u(k)+2u(k-1)四、单输入单输出系统和多输入多输出系统五、确定系统和不确定系统结构、参数、输入信号第四节自动控制理论概要分析：被控对象、控制器——性能指标设计：被控对象、性能指标——控制器分析（对控制系统的基本要求）稳准快稳定性是控制系统正常工作的先决条件。控制精度是控制系统重要的性能指标（稳态误差、稳态性能）。过渡过程时间和最大超调量是控制系统的动态性能指标。1稳定性一个处于静止或平衡工作状态的系统，当受到激励时，就可能偏离原平衡状态；当激励消失后，经过一段暂态过程，系统能恢复到原平衡状态时，则系统称为稳定的。稳定性是控制系统正常工作的先决条件。控制系统稳定性由系统结构所决定，与外界因素无关。

2准确性系统的准确性又可称为系统的稳态精度，它可用系统的稳态误差来表征。系统的稳态误差可定义为控制系统响应的稳态值与其希望值之差。3快速性输出量和输入量产生偏差时，系统消除这种偏差的快慢程度。表征系统的动态性能。4灵敏度

系统中元件参数的改变对系统响应的影响，可以用灵敏度来表示。5抗干扰性系统的抗干扰性，直接与系统的稳态精度有关，是衡量控制系统品质的一个重要参数。6

稳健性（Robustness，鲁棒性）上述的4和5两个指标结合起来，称为系统的稳健性指标。一个控制系统，如果具有低的灵敏度和良好的抗干扰性，则我们称为系统是稳健的（Robust,鲁棒）。注意：1不同性质的控制系统，对稳定性、精确性和快速性要求各有侧重；2系统的稳定性、精确性、快速性相互制约，应根据实际需求合理选择。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。

1.4.2典型输入信号选取原则：（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）数学表达式

阶跃函数（位置函数）（2）图形：R=1时的阶跃函数称为单位阶跃函数，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。（1）数学表达式（2）图形：斜坡函数(速度函数)R=1,称为单位速度函数。

抛物线函数(加速度函数)（1）数学表达式(2)图形R=1时称为单位加速度函数。脉冲函数（1）数学表达式(2)图形：A=1时，称为单位脉冲函数，记作δ