第1章自动控制的一般概念

自动控制原理石家庄铁道大学四方学院电气工程系(A)教材及参考书《自动控制原理》（第五版）胡寿松科学出版社《自动控制原理及应用》黄坚高教出版社《自动控制原理》吴麒主编，清华大学出版社《自动控制原理》李友善国防工业出版社《自动控制理论》夏德黔机械工业出版社与其它课程的关系自动控制理论电路理论电机学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电力拖动自动控制系统现代控制理论课程的特点

课程特点：研究系统的共性问题（专业基础课）数学模型实际系统物理模型系统分析和设计（时域法、频域法、根轨迹法）系统性能指标课程的内容、任务和要求1-8章三大系统（线性连续、线性离散、非线性）三大方法（时域、根轨迹、变换域-频域和Z域）主要对系统的控制要求（稳、准、快）进行研究。主要内容（1）对于具体的控制系统，如何从理论上对它的动态性能和稳态精度进行定性的分析和定量计算。（2）根据对系统性能的要求，如何合理的设计校正装置，使系统的性能能全面的满足技术上的要求。课程的内容、任务和要求任务理解自动控制原理的基本概念；掌握对控制系统的基本要求掌握建立和简化自控系统的数学模型重点掌握时域分析法、根轨迹法和频域分析法理解自动控制系统的校正的一般方法；掌握采样控制系统的分析；了解非线性系统分析；课程的内容、任务和要求课程要求学习方法和要求熟悉并理解基本概念，掌握系统分析的方法和规律。灵活运用所学知识解决实际问题。建立新的思维方式，听课、记笔记（问题、重点、难点）、课下多看课件、多做练习。学习方法学习要求控制理论的发展史经典控制理论以反馈控制为基础的自动调节原理，主要用于工业，二战用于军事促进和完善了理论的发展基本特征：线性定常系统单入单出系统只讨论输入输出关系忽略内部状态（外部描述）。提高了抗干扰能力和控制精度，带来了稳定性问题发展史现代控制理论多变量变参数的最优控制状态空间法计算机控制理论自适应控制、混杂控制、模糊控制智能控制针对被控对象、环境、任务、目标的复杂性被控量具有不确定性，且目标难以辨识采用人的思维方式和处理问题的技巧。１.４对自动控制系统的基本要求１.１自动控制的基本原理与方式１.２自动控制系统示例１.３自动控制系统的分类

本章主要内容：第1章自动控制的一般概念本章要求1.了解自动控制的基本概念、原理；2.掌握反馈控制系统的组成及各部分作用；3.掌握由系统原理图画方框图的方法（重点）4.掌握自动控制系统的分类、性能指标；5.了解自动控制系统的基本控制方式。1.1自动控制的基本原理与方式

所谓自动控制，是指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），使机器、设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。

1、自动控制技术及其应用对被控对象起控制作用的设备总体输出量、输出信号雷达技术应用：国防科技导弹发射和制导系统

工业自动生产线工业生产现代化的工厂交通运输自动控制技术应用于其他领域

由于计算机等技术的诞生和飞速发展，使得控制技术水平不断提高，已扩大到经济与社会生活的各个领域，如通信、交通、医学、环境保护、经济管理等领域，控制技术已成为现代社会不可缺少的重要组成部分。近年来，我国在自动化仪表、工业调节器、数字控制技术、航天工程、核动力工程等方面的研究和应用取得了长足进展。

2、反馈控制原理

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，用于不断修正被控量和输入量之间的偏差，从而实现对被控对象进行控制的任务。

反馈控制力图减小系统的输出量与参考输入量（也称参据量）之间的偏差，也称为按偏差控制。如人取桌上书的过程（见下图）：龙门刨床速度控制系统原理图在工业控制中，龙门刨床速度控制系统就是按照反馈控制原理进行工作的。当负载波动时，必然会引起速度变化，由于龙门刨床不允许速度变化过大，因此必须对速度进行控制。有差系统。3、反馈控制系统的基本组成

反馈控制系统包括被控对象和控制装置，是由各种不同的元部件组成的。一般包括：a)测量元件：检测被控制的物理量。b)给定元件：给出与期望的被控制量相对应的系统输入量（即参据量）。c)比较元件：把测量元件检测的被控量的实际值与给定元件给出的参据量进行比较，求出它们之间的偏差。d)放大元件：偏差信号的放大，用以推动执行元件。e)执行元件：直接推动被控对象，使被控量发生变化f)校正元件：也叫补偿元件以改善系统性能。反馈信号被控量偏差信号-输入信号r(t)控制器u(t)受控系统e(t)c(t)

控制量

扰动

放大

元件

执行

机构

受控

对象

反馈装置

(测量元件)反馈控制系统的方框图表示比较元件或比较点，它的输出量等于各输入量的代数和，各输入量若为“＋”号可以不标，若为“－”号必须在箭头旁标注负号。引出点，表示信号在此分两路，两路信号相同，不存在分流问题。方框表示它所代表部分的名称和功能，而不画出具体结构，用方框之间带箭头的直线说明各部分之间的信号传递系统方框图符号组成：“”典型的反馈控制系统基本组成框图：

信号从输入端到达输出端的传输通路称为前向通路；系统输出量经测量元件反馈到输入端的传输通路称为主反馈通路。前向通路与主反馈通路共同构成主回路。此外，还有局部反馈通路。只包含一个主反馈通路的系统称为单回路系统，有两个或两个以上反馈通路的系统称为多回路系统。常用名词术语自动控制系统：由被控对象和自动控制装置按一定方式联接起来的，以完成某种自动控制任务的有机整体。输入信号：参考值、给定值、期望值输出信号：被控量反馈信号：由系统的输出端送回到系统的输入端的信号。偏差信号：输入信号和反馈信号之差。扰动信号：一种对系统的输出产生不利影响的信号。4、自动控制系统基本控制方式(1)、反馈控制方式(闭环控制、按偏差控制)

按偏差进行控制，具有抑制扰动对被控量产生影响的能力和较高的控制精度。教学系统实际水平作业、答疑环节偏差反馈量大纲要求学生教师_(2)、开环控制方式指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过程。前馈补偿控制

有一开环调速系统如图所示。电位计的输出电压Ur经两级放大，使伺服电机上的端电压也随之改变。从而使负载具有所要求的转速。试说明该系统的给定值和被控量，并画出该系统的方块图。下图为发电机－电动机调速系统的方框图(3)、复合控制方式

按偏差控制和按扰动控制相结合的控制方式称为复合控制方式。水温控制系统控制系统的比较开环控制系统：

1.结构简单、成本低廉；

2.调试方便；

3.抗干扰能力差，控制精度不高。闭环控制系统：

1.系统具有纠正偏差的能力；

2.抗扰性好，控制精度高；

3.包含元件多，结构复杂，价格高；

4.参数应选择适当。复合控制系统＝前馈＋闭环(兼有两者的优点，精度很高)1.2自动控制系统示例1、家用电冰箱温控系统控制器设定温度与冰箱比较，产生偏差值，当偏差电压达到使继电器接通时，压缩机工作，将蒸发器中高温低压气态制冷液送制冷却器散热，降温后的低温低压制冷液压缩成高压液态进入蒸发器，急速降压扩散成气体，吸收箱体内热量，使冰箱温度下降，如此循环操作，使箱体温度达到希望温度，此时继电器断开，压缩机停止工作。下图为家用冰箱恒温系统的方框图

2、锅炉液位控制系统当蒸汽的耗汽量与锅炉进水量相等时，液位保持在正常标准值。当过锅炉给水量不变，而蒸汽负荷发生变化时，液位也相应发生变化；或者当蒸汽负荷不变，而给水管道水压发生变化时，引起锅炉液位发生变化。但只要实际液位高度与正常给定液位之间出现偏差时，调节器均应立即进行控制，去开大或者关小给水阀门，使液位恢复到给定值。下图为锅炉液位控制系统的方框图3、龙门刨床速度控制系统下图示为龙门刨床速度控制系统。当负载发生变化时，如何控制速度。例如：下图为龙门刨床速度控制系统的方框图40

液位控制系统原理图。在这里，自动控制器通过比较实际液位与希望液位，并通过调整气动阀门的开度，对误差进行修正，从而保持液位不变。41控制器：比较、放大的作用浮子：液面高度的测量反馈元件气动阀门：执行机构被控对象：水箱1.3自动控制系统的分类

自动控制系统有多种分类方法，一般，为了全面反映自动控制系统的特点，常常将各种分类方法组合应用。开环控制闭环控制(反馈控制)复合控制按控制方式分线性系统非线性系统连续系统定常系统时变系统确定性系统不确定性系统按系统性能分离散系统√√√√√√恒值控制系统随动系统程序控制系统按参据量变化规律分1、线性连续控制系统

这类系统可以用线形微分方程式描述，其一般形式为：系数a0，‥，an，b0,‥bn是常数时，称为定常系统；系数a0，‥，an，b0,‥bn随时间变化时，称为时变系统。线性定常连续系统按其输入量的变化规律又可分为恒值控制系统、随动系统和程序控制系统。本课程研究的控制系统(1)、恒值控制系统

这类控制系统的参据量是一个常值，要求被控量亦等于一个常值，故又称为调节器。在工业控制中，如果被控量是生产过程参量时，这种控制系统则称为过程控制系统，它们大多数属于恒值控制系统。研究重点是各种扰动对被控对象的影响，以及抗干扰的措施。水温控制系统(2)、随动系统

系统的参据量是预先未知的随时间任意变化的函数，要求被控量以尽可能小的误差跟随参据量的变化，故又称为跟随系统。在随动系统中。扰动的影响是次要的，系统分析、设计的重点是研究被控量跟随的快速性和准确性。在随动系统中，如果被控量是机械位置或其导数时，类系统称之为伺服系统。导弹制导系统(3)、程序控制系统

系统的参据量是按预定规律随时间变化的函数，要求被控量迅速、准确地加以复现。程序控制系统和随动系统的参据量都是时间函数，不过前者是已知的时间函数，后者是未知的任意时间函数，而恒值控制系统也可视为程序控制系统的特例。2、线性定常离散控制系统离散系统是指系统的某处或多处的信号为脉冲序列或数码形式，因而信号在时间上是离散的。离散系统一般用差分方程描述，其一般形式可用下式表示：3、非线性控制系统

系统中只要有一个元部件的输入－输出特性是非线性的，这类系统就称为非线性控制系统，

实际物理系统中都含有不同程度的非线性元部件，如放大器和电磁元件的饱和特性，运动部件的死区、间隙和摩擦特性等。对于非线性程度不大的情况，可在一定范围内进行线性化。特点：系数与变量有关，或者方程中含有变量及其导数的高次幂或者乘积项，或者方程中含有常数项，不满足线性性质。1.4对自动控制系统的基本要求1、基本要求的提法可以归结为稳定性（长期稳定性）、准确性（精度）和快速性（相对稳定性）。51

稳

准

快

稳定性-基本要求(先决条件)

：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。稳定性，通常由系统的结构决定与外界因素无关。

c()c(t)t01321--衰减振荡（稳定）2--等幅振荡（不稳定）3--发散（不稳定）准确性(accuracy)--稳态要求控制系统的稳态精度ess是衡量控制系统精度的重要指标r(t)t0c(t)r(t)c1(t)ess用稳态误差ess来表示。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。是通过动态过程时间长短来表征的。时间越短，表明快速性越好，反之亦然。快速性表明了系统输出对输入响应的快慢程度快速性(rapidness)--动态要求r(t)t0c(t)r(t)c1(t)c2(t)一般称为动态性能。

稳定性、快速性和准确性往往是互相制约的。在设计与调试的过程中,若过分强调某方面的性能,则可能会使其他方面的性能受到影响.

怎样根据工作任务的不同,分析和设计自动控制系统，使其对三方面的性能有所侧重，并兼顾其它正是自控原理课程要解决的问题。2、典型的外作用

为了便于用统一的方法研究和比较控制系统的性能，通常选用几种确定性函数作为典型外作用。可选作典型外作用的函数应具备以下条件：

1)这种函数在现场或实验室中容易得到；

2)控制系统在这种函数作用下的性能应代表在实际工作条件下的性能（具有实际意义）。

3)这种函数的数学表达式简单，便于理论计算。

(1)、阶跃函数

函数表达式为：

在任意时刻t0出现的阶跃函数可表示为

(2)、斜坡函数斜坡函数的数学表达式为：如雷达－高射炮防空系统，当雷达跟踪的目标以恒定速率飞行时，可视为该系统工作于斜坡函数作用之下。(3)、脉冲函数

脉冲函数定义为：强度为A的脉冲函数可表示为。在t0时刻出现的单位脉冲函数为。注意：脉冲函数仅用于分析研究，现实中并不存在。(4)、正弦函数

正弦函数的数学表达式为：正弦函数是控制系统中常用的一种典型外作用，很多实际的随动系统就是常