自动控制原理第1章

自动控制原理PrinciplesofAutomaticControl邓颖娜E-mail:dengyingna@126.com《自动控制原理》参考教材《自动控制原理-简明教程》——胡寿松，第3版，科学出版社。

课程性质和特点《自动控制原理》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。《自动控制原理》是一门专业基础课，与其他课程关系：微积分（含微分方程）电机与拖动模拟电子技术线性代数电路理论信号与系统自动控制理论复变函数、拉普拉斯变换大学物理（力学、热力学）

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考试成绩：70％平时成绩：30％（包括作业、提问、测验、出勤等）第1章控制系统导论自动控制系统的基本原理自动控制系统示例自动控制的分类自动控制系统的基本要求12341.1

自动控制的基本原理自动控制技术及应用自动控制理论反馈原理反馈控制系统的基本组成自动控制系统的基本控制方式本节主要内容为什么需要自动控制？什么是自动控制、自动控制系统？自动控制怎样发展而来？

1.1.1自动控制技术及应用

为什么需要自动控制什么是自动控制？

在脱离人的直接干预，利用控制装置（简称控制器）使被控对象（或生产过程等）的某一物理量（如温度、压力、PH值等）准确地按照预期的规律运行。自动化（Automation

或Automatization）什么叫自动控制？什么叫自动控制系统？自动控制主要研究解决什么问题（举例说明）？

自动控制系统

为实现上述控制目的，由相互制约的各部分按一定规律组成的具有特定功能的整体。

自动控制的应用

飞机导航、姿态控制火炮、雷达、核动力、跟踪系统航空航天工、农业生产过程飞机导航、姿态控制火炮、雷达、跟踪系统航空航天现代化工厂工业生产过程化工过程轧钢过程汽车加工装箱加工过程自动控制是现代才有的吗？？古代就有自动化方面的成就

公元前14世纪至前11世纪，自动计时漏壶

公元130年，张衡地动仪

公元235年，马钧指南车？？

1.1.2自动控制理论及其发展1769年瓦特发明蒸汽机1788年瓦特发明飞球调节器，进一步推动蒸汽机的应用，促进了工业的发展。推动了社会进步是飞球调节器公认为第一个自动控制系统的最主要原因！飞球调节器世界上公认的第一个自动控制系统20飞球调节器有时使蒸汽机速度出现大幅度振荡。其它自动控制系统也有类似现象。由于当时还没有自控理论，所以不能从理论上解释这一现象。为了解决这个问题，盲目探索了大约一个世纪之久。

没有理论指导使控制技术停滞了一个世纪！自动控制理论的开端1868年英国麦克斯韦尔的“论调速器”论文指出：不应单独研究飞球调节器，必须从整个系统分析控制的稳定性。建立系统微分方程，分析微分方程解的稳定性，从而分析实际系统是否会出现不稳定现象。这样，控制系统稳定性的分析，变成了判别微分方程的特征根的实部的正、负号问题。麦克斯韦尔的这篇著名论文被公认为自动控制理论的开端。经典控制理论20世纪40年代“经典控制理论”正式诞生，代表作是维纳（Wiener）1948年发表的《控制论》（CyberneticsorControlandCommunicationintheAnimalandMachine）。维纳成为控制论的创始人！控制论所讨论的主要问题是一个系统的各个不同部分之间的相互作用的定性性质，以及整个系统的总体运动状态。

“经典控制理论”以传递函数为数学工具，研究对象主要是单输入单输出的线性自动控制系统。现代控制理论二次世界大战结束后，各国大力发展空间技术，经典控制理论不能满足需要，需要研究新的控制理论。20世纪60年代初，第一颗人造卫星上天，太空飞船成功登月，催生了“现代控制理论”。现代控制理论在空间技术取得巨大成功，促进了空间技术的发展。“现代控制理论”以状态空间法为基础，主要研究多输入多输出、时变、非线性控制系统的分析和设计问题。

智能控制现代控制理论在空间技术取得巨大成功，但由于工业过程控制中普遍存在的不确定性和干扰，难以取得预期的效果。模拟人的控制技术——智能控制，虽然不能实现精确的控制，但对各种复杂系统能够做到比较满意的控制。自动控制理论发展简史经典控制理论

(20世纪40年代)

时域法复域法(根轨迹法)

频域法现代控制理论(20世纪60年代)

线性系统自适应控制最优控制鲁棒控制最佳估计容错控制系统辨识集散控制大系统复杂系统智能控制理论(20世纪70年代)

专家系统量子计算模糊控制DNA计算神经网络群体智能进化计算自然计算。。。自动控制的定义所谓自动控制，是指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），使工作机械、设备或整个生产过程（统称被控对象）自动地按预定规律运行，或使其某些物理量（称为被控量）按预定要求变化。

自动控制是在人工控制的基础上发展起来的。下面以水池水位系统的人工控制与自动控制为例来说明自动控制的基本原理。

1.1.3反馈控制原理

水池水位系统的人工控制控制目的：水池中的水源源不断地经过水管道流出，以供用户使用。为了使水位上升或者下降都有足够的余地，避免过满或抽空，应使水池水位与要求值相等。控制手段：改变进水阀门的开度。水池水位的人工控制过程测量过程用眼睛作测量工具，测量水位实际高度。决策过程通过大脑，将观测到的实际液位与期望液位高度进行比较，得到偏差。根据偏差情况（正、负、大、小），进行分析运算，发出一控制命令；执行过程手执行大脑的命令，改变手操进水阀的开度，调节进水量，使水位偏差减小；反复进行上述过程，使水位实际值与要求值相等。由于有人直接参与控制，故称为人工控制。

在本例中，水池水位是被控变量，水池是被控对象。以飞机的仰角控制为例：给定装置放大器舵机飞机垂直陀螺仪θ0θc俯仰角控制系统方块图反馈电位器

反馈控制原理

在反馈控制系统中，控制装置对被控对象施加的控制作用，是取自被控量的反馈信息，用来不断修正被控量与输入量之间的偏差，从而实现对被控量进行控制的任务。

输入部分控制系统输出部分理解方式从物理角度上看，自动控制研究的是特定激励作用下的系统响应变化情况；从数学角度上看，研究的是输入与输出之间的映射关系

1.1.4反馈控制系统的组成

水池水位系统的自动控制若用自动控制装置代替人完成人工操作过程，则可构成自动控制系统。

控制系统的基本组成框图输入信号——系统控制目标的反映，是人意志的具体体现。控制系统——主要完成对有关信号的变换、处理，发出控制量，驱动执行机构完成控制功能。包括放大器，执行装置，测量元件等。输出信号——系统的控制结果，反映了被控对象的运行状态自动控制装置测量元件：测量被控量的实际值，并进行物理量的变换（变送器）比较元件：测量值与给定值比较，获得偏差调节元件：根据偏差产生控制信号。（控制器：包括比较元件和调节元件）执行元件：由控制信号改变操纵变量，作用于被控对象，使水位偏差减小（执行器，操作阀）

以上元件共同作用，反复检测和控制，使得水位实际值与要求值相等。36（1）飞机的仰角控制系统1.2自动控制系统示例给定装置放大器舵机飞机垂直陀螺仪θ0θc扰动俯仰角控制系统方块图反馈电位器

（2）炉温控制系统

按信号传递路径分类：

开环控制闭环控制复合控制

按系统的控制作用分类

恒值控制系统过程控制系统随动系统按系统传输信号的性质来分类

连续系统离散系统按描述系统的数学模型不同来分类

线性系统非线性系统主要分类方法1.3自动控制系统的分类

按信号传递路径分类闭环控制开环控制复合控制优点：简单/稳定/成本低缺点：精度低

开环系统和闭环系统的结合优点：应用广泛、精度高缺点：设备多、复杂对内部误差不敏感稳定性不易控制

开环控制系统的输出端与输入端不存在反馈回路,输出量对系统的控制作用不发生影响特点：简单、稳定、成本低，精度低应用：控制量的变化规律可预知时；干扰易于抑制时；被控量很难测量时采样开环控制

闭环控制（反馈控制）系统输出信号与测量元件之间存在反馈回路,将输出信号通过测量元件反馈到系统的输入端，通过比较、控制来减小系统误差特点：应用广泛、精度高设备多、复杂对内部误差不敏感、稳定性不易控制

按控制作用分类过程控制恒值控制随动控制或称自动调节系统输入信号是恒定的数值代表系统：恒温恒压控制系统输入信号是未知函数要求输出量跟随输入信号变化代表系统：火炮跟踪或称程序控制系统输入信号是已知的函数按照预定程序运行，被控量迅速、准确复现输入代表系统：化工、流量控制

按系统传输信号的性质来分类

连续系统特点：系统各部分信号都是模拟的连续函数。目前工业中普遍采用的常规仪表PID调节器的控制系统。

离散系统特点：系统的某一处或几处信号以脉冲序列或数码形式传递的控制系统。方式：采用脉冲开关或采样开关，将连续信号转为离散信号。其中离散信号以脉冲形式传递的系统又叫脉冲控制系统离散信号以数码形式传递的系统又叫数字控制系统。

按描述系统的数学模型不同来分类

线性系统

特点：系统由线性元件构成，描述运动规律的数学模型为线性微分方程。运动方程一般形式

非线性系统在构成系统的环节中有一个或一个以上的非线性环节。理论研究不如线性系统完整，目前尚无通用方法。1.4自动控制系统的基本要求

对控制系统性能的要求概括为三方面：稳定性（稳）控制系统运行的必要条件，不稳定的系统是不能工作的.快速性（快）系统动态响应的快速性，系统的过渡过程越短越好.准确性（准）过渡过程结束，到达稳态后系统的控制精度的度量.1.4.1性能要求

稳定性系统在受到扰动作用后自动返回原来的平衡状态的能力。如果系统受到扰动作用（系统内或系统外）后，能自动返回到原来的平衡状态，则该系统是稳定的。稳定系统的数学特征是其输出量具有非发散性；反之，系统是不稳定系统。

快速性

在时域中，常用单位阶跃信号作用下，系统输出的超调量p,上升时间Tr，峰值时间Tp,过渡过程时间（或调整时间）Ts和振荡次数N等特征量表示。单位阶跃信号作用下，稳定系统的典型输出响应曲线

在控制系统稳定的前提下，总是希望响应速度越快越好，而且超调量越小越好。自动控制原理50稳态误差

指稳定系统在完成过渡过程后的稳态输出偏离希望值的程度。稳态误差越小，系统的精度越高，它由系统的稳态响应反映出来。

自动控制系统的性能指标分别描述了系统在稳定性、动态性能、稳态性能三个方面的要求，根