第1章自动控制的一般概念1

二月23自动控制原理自动控制原理航空自动化学院郭晓静二月23自动控制原理教材：《自动控制原理》任彦硕主编,

机械工业出版社主要参考书：《自动控制原理》顾树生、王建辉主编,

冶金工业出版社《自动控制原理》吴麒主编，清华大学出版社

《自动控制理论》蔡尚峰主编，机械工业出版社《自动控制原理》李友善主编，国防工业出版社《反馈控制系统分析与设计——MATLAB语言应用》薛定宇著，清华大学出版社教材及参考文献目录二月23自动控制原理该课程与其它课程的关系自动控制原理电机与拖动模拟电子技术线性代数微积分（含微分方程）复变函数、拉普拉斯变换电路理论大学物理（力学、热力学）电力电子技术各类控制系统课程控制电机二月23自动控制原理学习方法理论学习+（实验验证）控制系统理论分析（课后习题）考试：总评=期末考试*70%+期中考试*15%+平时*15%答疑地点：航空自动化学院教务科（北2-209）电话：2715二月23自动控制原理引言18世纪，JamesWatt为控制蒸汽机速度设计的离心调节器，是自动控制领域的第一项重大成果。1922年，Minorsky研制出船舶操纵自动控制器，并证明了从系统的微分方程确定系统的稳定性的方法。1932年，Nyquist提出了一种根据系统的开环频率响应(对稳态正弦输入)，确定闭环系统稳定性的方法。1934年，Hezen提出了用于位置控制系统的伺服机构的概念，讨论了可以精确跟踪变化的输入信号的机电伺服机构。二月23自动控制原理20世纪40年代，频率响应法为闭环控制系统提供了一种可行方法，Evans提出并完善了根轨迹法。20世纪50年代末，控制系统设计问题的重点从设计许多可行系统中的一种系统，转到设计在某种意义上的最佳系统。20世纪60年代，数字计算机的出现为复杂系统的基于时域分析的现代控制理论提供了可能。从1960年到1980，确定性系统、随机系统的最佳控制，及复杂系统的自适应和学习控制，都得到充分的研究。从1980年到现在，现代控制理论进展集中于鲁棒控制、H∞控制及其相关课题。二月23自动控制原理

古典控制理论（20世纪40年代）

现代控制理论（20世纪60年代）

智能控制理论（20世纪70年代）自动控制理论二月23自动控制原理古典控制理论以传递函数为基础研究单输入-单输出一类定常控制系统的分析与设计问题。这些理论由于其发展较早，现已臻成熟。现代控制以状态空间法为基础，研究多输入-多输出、时变、非线性一类控制系统的分析与设计问题。系统具有高精度和高效能的特点。

二月23自动控制原理第一章自动控制系统的基本概念自动控制

自动控制是在没有人的直接干预下，利用物理装置对生产设备和工艺过程进行合理的控制，使被控制的物理量保持恒定，或者按照一定的规律变化，例如矿井提升机的速度控制、轧钢厂加热炉温度的控制，空调，加热炉温度控制等。自动控制系统

自动控制系统是为实现某一控制目标所需要的所有物理部件的有机组合体。二月23自动控制原理被控对象给定量或控制量输出量或被控量扰动量开环控制闭环控制专业术语二月23自动控制原理被控对象是一个设备，它是由一些机器零件有机地组合在一起的，其作用是完成一个特定的动作。称任何被控制的设备或过程（如加热炉、化学反应器或宇宙飞船）为对象。被控量（输出量）：被控制的物理量。如温度控制量（给定量或输入量）：决定被控量的物理量。如：要求温度扰动:是一种对系统的输出产生不利影响的信号。妨碍控制量对被控量进行正常控制的所有因素称为扰动量。二月23自动控制原理内扰---扰动产生在系统内部；外扰---扰动产生在系统外部。外扰是系统的输入量。(如空调房间门窗的频繁开关)自动控制的任务：克服扰动量的影响，使系统按照给定量所设定的规律运行。控制系统(按结构分)：

开环控制、闭环控制与复合控制系统二月23自动控制原理1.1开环控制系统与闭环控制系统1.1.1开环控制系统例1-1.

温度控制系统(其它如电炉等)

图1-1开环炉温控制系统1－炉膛2－电加热器3－自耦变压器4－温度检测元件5－温度表6－加热物体热力系统的例子

热力系统的人工反馈控制(利用蒸汽加热冷水)如:淋浴

二月23自动控制原理图1-2开环控制结构图1-控制器（自耦变压器）2-被控对象（电阻炉）

二月23自动控制原理信号线环节分支点相加点结构图中的符号±二月23自动控制原理开环控制：控制系统的输出量对系统没有控制作用。特点：输入量与输出量一一对应。信号传递是单方向的，即只有输入量对输出量产生控制作用。系统没有抗干扰能力。二月23自动控制原理

1.1.2闭环控制系统例1-2.炉温闭环控制系统

图1-2闭环炉温控制系统1－炉膛2－电加热器3－自耦变压器4－热电偶5－给定电位器6－放大器7－伺服机8－减速器二月23自动控制原理热力系统的自动反馈控制

二月23自动控制原理

图1-4闭环控制结构图1-控制器2-控制对象3-检测装置前向通道反向通道相加点分支点用“

”号代表比较元件，“—”号代表两者符号相反，“+”号代表两者符号相同。信号沿箭头方向从输入端到达输出端的传输通路称前向通路；系统输出量经测量元件反馈到输入端的传输通路称主反馈通路。前向通路与主反馈通路共同构成主回路。二月23自动控制原理闭环控制：闭环控制是把系统的输出量检测出来，经过物理量的转换，再反馈到系统的输入端去与给定量进行比较（形成偏差），利用偏差量作为控制信号来纠正偏差。特点：输入量与输出量一一对应。信号传递是双方向的：既有输入量对输出量的作用，又有输出量对输入量的作用。系统具有抗干扰能力。二月23自动控制原理1.2闭环控制系统的组成和基本环节控制执行部件

1-给定环节；2-比较环节；3-校正环节；4-放大环节；5-执行机构；6-被控对象；7-检测装置二月23自动控制原理给定环节：其职能是给出与期望的被控量相对应的系统输入量（即给定量）。比较环节：把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的给定量进行比较，求出它们之间的偏差。校正环节：亦称补偿元件，它是结构或参数便于调整的元件，用串联或反馈的方式连接在系统中，以改善系统性能。放大环节：将比较元件给出的偏差进行放大，用来推动执行元件去控制被控对象。执行机构：直接作用于控制对象，使被控量发生变化。被控对象或调节对象：要控制的设备或过程。检测装置或传感器：其职能是测量被控制的物理量。二月23自动控制原理-+-+二月23自动控制原理r(t)是它的输入量(不标正负号的指正号)，反馈量须注明正负号。系统信号在各环节间的传输是有方向的，它指明了系统内各环节间物理量的控制与被控制关系，其间有能量的传递，但传递的能量只起控制作用而并非能量的完全传输。前向通道:从输入信号→控制器→放大环节→执行机构→控制对象→输出信号的信号传输路径；反馈环节所在路径称为反馈通道，图中有两个反馈通道，内环的称局部反馈，是正反馈；外环的称闭环主反馈，是负反馈。二月23自动控制原理1.3自动控制系统分类按输入信号的特征分类恒值系统、程序控制系统和随动系统恒值控制系统:给定输入量是个常数，被控制的输出量希望是个恒定值，在除给定输入量以外的工况发生变化时希望系统的输出量维持恒值不变。程序控制系统:输入信号不是恒值，它可以是时间的函数、空间的函数，也可以是几何图形或按照某种规律编制的程序等等。(炉温控制或空调控制等)(细胞冷冻或材料的深冷加工等)二月23自动控制原理随动控制系统（又称伺服系统）:随动控制系统的给定输入量可以按事先未知的规律变化，要求被控制的输出量能够迅速准确地跟随输入量而变。自动火炮方位控制系统,导弹制导系统

二月23自动控制原理按信号传输过程是否连续分类：连续数据系统和离散数据系统连续控制系统：系统中各处传输的信号均是时间t的连续函数，描述连续控制系统的动态方程是微分方程。离散控制系统：信号传输过程中存在间歇采样、脉冲序列等离散信号的系统。描述离散控制系统的动态方程是差分方程。计算机深冷控制系统炉温控制或空调控制等二月23自动控制原理按系统构成元件是否线性分类（线性和非线性系统）线性系统：均由线性元件构成的的控制系统是线性控制系统。符合叠加定理和齐性定理。非线性控制系统：控制系统内如果含有至少一个非线性元件，则该系统是非线性系统。按系统参数是否随时间变化分类（定常、时变）定常控制系统：系统参数不随时间变化的系统。定常控制系统的微分方程或差分方程的系数是常数。时变控制系统：系统参数随时间变化的系统。时变控制系统的微分方程或差分方程的系数是时间的函数。例如，发射卫星的火箭姿态控制系统，由于燃料的燃烧使质量参数随时减少，属时变控制系统。二月23自动控制原理系统的组成及工作原理控制类型自动控制系统分析步骤：1.4自动控制系统举例画结构图（定性分析）求传递函数（定量分析）二月23自动控制原理一、速度给定（恒速）控制系统

图1-4具有负反馈的速度给定控制系统原理图1－运算放大器2－触发电路3－可控整流器4－平波电抗器5－直流电动机6－直流他励绕组7－直流测速发电机8、9－电位器控制转速保持恒定；恒值控制系统；二月23自动控制原理Un*放大器整流滤波驱动电路电机测速发电机Un-n图1-4的系统框图二月23自动控制原理二、函数记录仪位置随动控制系统图1-5函数记录仪原理示意图1－放大器2－伺服机3－测速发电机4－减速器

5－电位器6－滑线变阻器7－线轮8－纸带机9－输入函数二月23自动控制原理ur放大器减速器电机电位器测速发电机uB-位置输出图1-5的系统框图U=ur+uA-uB电位器5用于调初始平衡点。uA-二月23自动控制原理三、导弹发射架方位随动控制系统图1-7导弹发射架方位随动控制系统原理图1放大器2伺服电动机3他励绕组4减速器及发射架底盘5光电编码盘6模数转换器7单片机8数模转换器9数模转换器二月23自动控制原理二月23自动控制原理稳定性：

1对恒值系统，要求当系统受到扰动后，经过一定时间的调整能够回到原来的期望值。

2对随动系统，被控制量始终跟踪输入量的变化。

3系统稳定性通常由系统的结构决定与外界因素无关。对自动控制系统性能的基本要求稳定性（长期稳定性）快速性（相对稳定性）准确性（精度）

稳

准快二月23自动控制原理2）根据对系统性能的要求，如何合理地设计校正装置，使系统的性能能全面地满足技术上的要求。

本课程的任务1）对于一个具体的控制系统，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的计算。二月23自动控制原理

小结开环控制系统结构简单，但不能自动补偿扰动对输出量的影响。闭环控制系统具有反馈环节，它能依靠反馈环节进行自动调节，以克服扰动对系统的影响。闭环