自动控制理论(邹伯敏第三版)第01章

理论课教材：

自动控制理论（第3版）邹伯敏主编自动控制原理2/3/20231第一章绪论第一章绪论第一节自动控制理论发展史简述第二节自动控制系统的一般概念第三节开环控制与闭环控制第四节自动控制系统的分类第五节对控制系统性能的要求和本 课程的任务2/3/20232第一章绪论第一节自动控制理论发展史简述自动控制是一门年轻的学科,它在20世纪40年代末才形成。自动控制理论

18世纪中叶由瓦特研制的世界上最早的自动控制系统——蒸汽发动机速度的调节器。

1932年奈奎斯特针对反馈放大器提出了几何稳定判据。

1945年博德提出来了反馈放大器的一般设计方法，并编著了《网络分析与反馈放大器的设计》一书。

1947年美国出版了当时世界上第一本控制方面的教材《伺服机原理》。

1948年美国麻省理工学院的辐射研究所完成了雷达自动跟踪、火炮指挥仪和数控车床等一系列的自动控制实践工程。同年，埃文斯工程师提出了一种很实用的控制系统的分析与设计方法—根轨迹法美国数学家维纳把那时发表的有关控制方面的理论称为“控制论”。2/3/20233第一章绪论

20世纪60年代前的控制理论----经典控制理论。经典控制理论研究的是单输入—单输出线性定常系统的分析与设计，所用的数学工具是常微分方程和复变函数。

20世纪60年代后所提出的控制理论---现代控制理论。用这种理论能分析与设计多输入—多输出，高精度和参数时变系统的分析与设计，其内容有状态空间分析法，最优控制原理最优估计、系统辨识、大系统理论、模糊控制与预测控制、智能控制等，它们所研究的问题和所用的数学工具也各不相同。控制理论发展历程：机械化——电气化——自动化——信息化和智能化。由此可见，经典控制理论是基础，它有效地解决单输入—单输出线性定常系统的分析与设计，是解决一般工程问题的基本方法。经典控制理论的一些基本概念有助于研究现代控制理论相关的内容。因此本教材主要介绍经典控制理论的相关内容。自动控制理论2/3/20234第一章绪论第二节自动控制系统的一般概念

自动控制就是在人不直接参与的条件下，利用控制器使被控制的对象（如生产设备、生产过程）的某些物理量（或工作状态）能自动地按规定的规律变化（或运行）。如：图1-1水池液面控制系统一、液位控制系统水池液面控制如图1-1所示。电网的电压与频率自动地保持不变金属切割机床的速度在电压变化或负载变化时能自动保持不变自动控制理论把实现自动控制所需的各个部件按一定的规律组合起来，去控制被控对象，这个组合体叫做自动控制系统2/3/20235第一章绪论人工控制测量实际液面的高度

-------用眼实际液面高度ｈ1与希望液面高度h0相比较

-------用脑按比较的结果，即液面高度偏差的正负去决定执行动作

-------用手液面人工控制系统的方框图如图1-2所示。图1-2液面人工控制系统的方框图自动控制理论2/3/20236第一章绪论自动控制人工控制中有三种职能作用：测量、比较和执行，而在自动控制系统中也必须有这三种，如图1-3所示。图1-3液面自动控制系统被控对象-----水池测量元件-----浮子比较机构-----浮子的希望位置与实际位置之差放大机构-----提高系统的控制精度执行元件-----驱动被控对象，以改变被控制的量液位控制系统由以下五部分组成：自动控制理论2/3/20237第一章绪论图1-5液面自动控制系统的方框图

为了控制系统的表示简单明了，控制工程中一般用方框图表示系统的各个组件，组件的基本组成单元如图1-4所示，其中图a）为引出点，图b）为比较点，图c）部件的框图。图1-4控制系统框图的基本组成单元故液位自动控制系统也可用图1-5来表示。自动控制理论2/3/20238第一章绪论二、随动控制系统图1-6直流随动系统的原理图自动控制理论2/3/20239第一章绪论图1-7直流随动系统的方框图图1-6直流随动系统是用一对电位器作为位置的检测元件，它们分别把系统的输入与输出的位置信号转换成与之成比例的电信号，并进行比较。其控制系统的方框图如图1-7所示。自动控制理论2/3/202310第一章绪论第三节开环控制与闭环控制自动控制框图的一般形式自动控制系统的框图自动控制理论2/3/202311第一章绪论图中：

r(t)-----系统的参考输入(简称输入量或给定量)

c(t)-----系统的被控制量(又简称输出量)

b(t)-----系统的主反馈量

e(t)-----系统的误差e(t)＝r(t)－b(t)

d(t)-----系统的干扰,它是一种对系统输出产生不利的信号给定环节-----产生参考输入信号的元件如:电位器、旋转变压器等

控制器-----其输入是系统的误差信号,经其变换或相关的运算后,产生期望的控制信号去控制被控对象被控对象-----系统控制的对象,其输入量是控制器的输出,输出量就是被控量反馈环节-----将被控制量转换为主反馈信号的装置,这个装置一般为检测元件自动控制理论2/3/202312第一章绪论开环控制的优缺点：结构简单，所用元器件少，成本低系统抗扰动能力差自动控制理论开环控制如果系统的输出量没有与参考输入相比较,即系统的输出与输入间不存在着反馈的通道,这种控制方式叫开环控制。结构特征：信号单向传递，没有形成闭合回路使用场合：多用于系统结构参数稳定和扰动信号较弱的 场合。 如：全自动洗衣机、电风扇2/3/202313第一章绪论若把系统的被控制量反馈到它的输入端，并与参考输入相比较，这种控制方式叫闭环控制。相应的系统称为闭环控制系统。闭环控制的优缺点：按偏差控制（因此必须有输出量的测量装置）抗干扰性好，能自动地消弱或清除来自系统内部或外部扰动对被控制量的影响系统较复杂，还要考虑稳定性问题闭环控制结构特征：信息循环往复传递，按偏差进行控制使用场合：多用于系统结构参数不稳定和扰动信号较强

的场合。如：空调的室温控制、电冰箱温度控制、坐便器的水 箱水位控制2/3/202314第一章绪论电动机，是自动控制系统中常用的部件定性的讲，当负载ML一定时，电压U增大转速n提高

当电压U一定时，负载ML增大转速n减小想一想：当负载变化时，要想保持转速恒定，应该怎么办？下面看一龙门刨床自动调整系统该系统的控制目的是：当负载变化时，维持转速n不变。电动机M转速n,负载ML电压U2/3/202315第一章绪论闭环直流调速系统自动控制理论2/3/202316第一章绪论该系统自动调节的程：自动控制理论2/3/202317第一章绪论三种常用的分类方法：第四节自动控制系统的分类线性控制系统和非线性控制系统

若组成控制的元件都具有线性特性则称这种系统为线性控制系统若在控制系统中有一个以上的元件具有非线性则称这种系统为非线性控制系统特点：不具有比例性，也不适用叠加原理系统的输出响应稳定性与其初始状态有关特点：系统用微分方程、传递函数或状态方程来描述具有比例性并适用叠加原理恒值控制系统和随动控制系统按系统参考输入信号的变化规律分恒值控制和随动控制系统。自动控制理论（按数学模型的性质分）2/3/202318第一章绪论连续控制系统和离散控制系统恒值控制系统的参与输入量为常量，要求它的被控制量在任何扰动的作用下能尽快地恢复（或接近）原有的稳态值按系统内部传输信号的性质分为连续控制和离散控制系统。

控制系统中各部分传输信号都是时间Ｔ的连续函数，则称这类系统为连续控制系统计算机控制系统的方框图自动控制理论随动控制系统的输入是一个变化量，要求系统的被控制量能快速准确地跟随参考输入信号的变化而变化若在控制系统内部有一个或一个以上的信号是时间Ｔ的离散信号，则称这类系统为离散控制系统。计算机控制系统是一种常见离散控制系统。2/3/202319第一章绪论第五节对控制系统性能的要求和本课程的任务一、稳定性（稳）

稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件。当系统受到某一扰动作用后，使被控制量偏离了原来的平衡状态，但当扰动一撤离，经过一定的时间，如果系统仍能回到原有的平衡状态，则称系统是稳定的。

线性控制系统的稳定性由系统本身的结构与参数所决定的，与外部条件和初始状态无关。二、快速性（快）

“快”是说明系统动态（过渡过程）品质，要求系统的输出响应具有一定的快速性。系统的过渡过程产生的原因：系统中储能元件的能量不可能突变。三、稳态精度（准）

控制系统的稳态精度通常是用它的稳态误差来表示，稳态误差越小，系统的控制精度就越高。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的偏差，或系统受扰动作用又重新平衡后，系统可能会出现偏差，这种偏差称为稳态误差。自动控制理论2/3/202320第一章绪论由于被控对象具体情况的不同，各种系统对上述三方面性能要求的侧重点也有所不同。例如随动系统对响应速度和稳态精度的要求较高，而恒值控制系统一般却侧重于稳定性和抗扰动的能力。在同一系统中，上述三方面的性能要求通常是相互制约的。

例如为了提高系统动态响应的快速性和稳态精度，就需要增大系统的放大能力，而放大能力的增强，必然会导致系统动态性能的变差，甚至会使系统变为不稳定。反之，若强调系统动态过程稳