自动控制理论第一讲

关于自动控制理论第一讲第一页，共四十六页，2022年，8月28日主要内容第一节自动控制理论课程概述第二节

控制系统的基本概念第三节自动控制系统的分类第四节自动控制理论概要第一章引论第二页，共四十六页，2022年，8月28日一、课程特点1、它是一门专业基础课第一节自动控制理论课程概述自动控制理论电路理论电机与拖动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线性系统现代控制理论第三页，共四十六页，2022年，8月28日2、理论实践紧密结合理论性非常强与工程实践紧密结合3、内容广泛高等数学、物理、化学电路电机机械经济航空、航天等等第四页，共四十六页，2022年，8月28日二、学习自动控制理论的重要性1、本课程是自动化专业承上启下的课程2、自动控制技术是应用非常广泛的技术电机控制、自动化生产线、火炮雷达控制、家用电器、机械、冶金、石油、化工、电力电子、航空、航海、航天、核反应堆等。3、自动控制理论能为解决实际控制问题提供理论和方法4、学分较多

第五页，共四十六页，2022年，8月28日三、课程主要学习内容及课程按排第一章引论2学时知识准备拉氏变换及拉氏变换定理2学时第二章线性系统的数学模型8学时补充知识复阻抗法求传递函数2学时第三章线性系统的时域分析10学时第四章线性系统的根轨迹分析8学时第五章线性系统的频域分析10学时第六章线性系统的校正8学时第七章非线性系统的分析8学时第八章采样控制系统8学时习题课各阶段习题讲解及课程总结（3次）6学时实验共7个实验18学时总学时数90学时第六页，共四十六页，2022年，8月28日四、本课程学习方法1、打好基础高等数学（微积分）、积分变换（拉氏变换）2、做好预习讲课的速度较快、了解课程内容3、听好课理解基本理论和基本方法4、做好习题灵活应用基本理论和基本方法解决实际问题第七页，共四十六页，2022年，8月28日五、教材和主要参考资料1、教材《自动控制理论》夏德钤机械工业出版社第3版2、主要参考书《自动控制理论》邹伯敏机械工业出版社《自动控制原理》胡寿松编科学出版社《自动控制原理》李友善国防工业出版社《现代控制工程》绪方胜彦科学出版社第3版

《自动控制原理》王建辉清华大学出版社《ModernControlEngineering》KatsuhikoOgata电子工业出版社《自动控制原理全程导学及习题全解》王莹莹中国时代经济出版社《自动控制理论例题习题集》王诗宓等编著,清华大学出版社2002第八页，共四十六页，2022年，8月28日一、控制系统方框图

常用方框图来表示一个控制系统的结构及信号在系统中的传递路径。①方框：控制装置和被控对象分别用方框表示;②信号线：方框的输入和输出以及它们之间的连接用带箭头的信号线表示;③输入信号：进入方框的信号;④输出信号：离开方框的信号;⑤比较环节：表示两个或两个以上的信号的叠加。信号线方框信号线输出信号输入信号比较环节第二节控制系统的基本概念第九页，共四十六页，2022年，8月28日【例1-1】水箱水位控制系统二、控制系统举例简单的水箱水位控制系统第十页，共四十六页，2022年，8月28日系统原理方块图

被控对象：水箱被控量：水箱水位控制装置：杠杆执行机构：阀门检测元件：浮球第十一页，共四十六页，2022年，8月28日较完善的水箱水位控制系统第十二页，共四十六页，2022年，8月28日【例1-2】家用空调控制器(制冷)房间交换设备压缩机控制板传感器控制对象执行机构测量元件控制单元第十三页，共四十六页，2022年，8月28日

被控对象：房间被控量：房间温度控制装置：控制板执行机构：压缩机和冷凝器检测元件：温度传感器第十四页，共四十六页，2022年，8月28日【例1-3】带钢轧辊转速控制系统

连轧机在轧钢过程中，通过各机架的带钢必须保持秒流量相等，否则将出现拉钢或叠钢，影响产品质量或造成故障。这就要求各机架轧辊的转速保持一定比例，而对某机架轧辊来说，即要求其转速恒定。

第十五页，共四十六页，2022年，8月28日

被控对象：轧辊被控量：轧辊的速度控制装置：比较、放大、整流等执行机构：电动机检测元件：转速反馈装置工作原理：设负载扰动变化时(如变大)，则第十六页，共四十六页，2022年，8月28日三、控制系统的基本概念【自动控制】【自动控制理论】研究自动控制中共同规律的技术科学。

指在无人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称为自动控制装置或控制器），使生产过程（称为被控对象）的某个工作状态或参数（称为被控制量）自动地按照预定的规律运行。第十七页，共四十六页，2022年，8月28日【自动控制系统】

由被控对象和自动控制装置等按照一定的方式连接起来，组成一个有一定控制功能的有机整体，称为自动控制系统。【控制系统方框图】控制器被控对象输入量输出量测量电路比较第十八页，共四十六页，2022年，8月28日四、控制系统的两种基本形式及特点1、两种基本形式

开环

闭环2、开环控制定义只有正向作用，没有反向控制作用的控制系统。电机调速控制系统电位器放大电机功率放大负载第十九页，共四十六页，2022年，8月28日控制器被控对象输入量控制量输出量3、开环系统的特点（1）只有正向作用，没有反向作用；（2）控制精度取决于元器件的精度和系统调整精度；（3）没有抑制内、外干扰的能力；（4）系统结构简单、成本低。第二十页，共四十六页，2022年，8月28日5、闭环系统的特点

（1）既有正向作用，又有反向作用；（2）控制精度与元件精度、控制方法、调整精度有关，控制精度较高；（3）有抑制干扰的能力；（4）结构复杂，成本相对较高。4、闭环控制定义既有正向作用，又有反向控制作用的控制系统。第二十一页，共四十六页，2022年，8月28日EEEAB炉温开环控制系统炉温闭环控制系统SS6、开环控制与闭环控制的示例第二十二页，共四十六页，2022年，8月28日电阻丝希望温度实际炉温扰动量炉子继电器温度计电阻丝实际炉温扰动量炉子开关希望温度炉温开环控制系统炉温闭环控制系统第二十三页，共四十六页，2022年，8月28日第三节自动控制系统的分类一、按输入信号的特征分类1、恒值控制系统（自动调整系统）特征：输入信号为常数典型系统：液位、温度、压力、流量控制2、程序控制系统特征：输入信号为预知的随时间变化函数典型系统：热处理炉控制系统、镜片固化炉温度控制、程序控制机床、灌装生产线、自动生产流水线。3、随动系统（伺服控制系统）特征：输入信号为随时间任意变化的函数典型系统：鱼雷飞行、炮瞄雷达、火炮自动瞄准、导弹制导。第二十四页，共四十六页，2022年，8月28日二、按描述元件的动态方程分类1、线性系统特征：元件是线性的、系统运动方程可用线性微分方程或差分方程描述。2、非线性系统特征：系统中含有至少一个非线性元件、系统运动方程需用非线性方程或差分方程描述。典型非线性：饱和、死区、继电器、传动间隙。第二十五页，共四十六页，2022年，8月28日三、按系统传递的信号分类1、连续系统特征：系统各环节之间传递的信号均为时间的连续函数，一般用微分方程描述。2、离散系统特征：在信号传递过程中，至少有一处的信号是脉冲序列或数字编码。第二十六页，共四十六页，2022年，8月28日四、按输入输出信号数量分类1、单输入单输出系统（SISO系统）特征：输入输出变量仅有一个。2、多输入多输出系统(MIMO系统）特征：输入输出变量多于一个。五、按系统微分方程分类1、集中参数系统特征：能用常微分方程描述2、分布参数系统特征：至少有一个环节需要用偏微分方程描述。第二十七页，共四十六页，2022年，8月28日六、按系统结构和参数的确定性分类1、确定系统特征：系统的结构和参数是确定的、已知的，系统的输入信号也是确定的，可以用解析式或图表确切表示。2、不确定系统特征：系统的结构和参数是不确定的或，系统的输入信号是不确定的。第二十八页，共四十六页，2022年，8月28日第四节自动控制理论概要一、闭环控制系统的组成和基本环节①测量元件：测量被控量的实际值或对被控量进行物理转换。②比较元件：将测量值和给定值进行比较，得到偏差。③控制元件：

根据偏差大小产生控制信号。通常包括放大器和校正装置，控制信号和偏差信号具有一定关系(称为调节规律)。④执行元件：由控制信号产生控制作用，从而使被控制量达到要求值。阀、电动机、液压马达等。⑤被控对象：被控制的机器、设备或过程等。第二十九页，共四十六页，2022年，8月28日二、控制系统的基本原理反馈的本质：利用偏差进行控制。反馈的两大作用：形成闭环控制，可使系统从不稳定到稳定，提高稳定性；抑制扰动，精度高。绝大多数控制系统都是反馈系统。第三十页，共四十六页，2022年，8月28日控制量u偏差信号e反馈信号b反馈环节

H控制环节

GC被控对象

GO扰动n输出信号C参考输入信号r比较环节三、自动控制系统中的术语和定义第三十一页，共四十六页，2022年，8月28日四、自动控制系统的基本要求稳定性、快速性、准确性，即稳、快、准。

稳定性稳定性是指系统重新恢复平衡状态的能力，任何一个正常工作的系统首先必须是稳定的。快速性

在控制作用下，系统必然由原先的平衡状态经过一段时间才过渡到另一个新的平衡状态，这个过程称为过渡过程。过渡过程越短，表明系统的快速性越好。快速性是衡量系统质量高低的重要指标之一。准确性对一个稳定的系统而言，当过渡过程结束后，系统输出量的实际值与期望值之差称为稳态误差，它是衡量系统稳态精度的重要指标。稳态误差越小，表示系统的准确性越好。第三十二页，共四十六页，2022年，8月28日五、自动控制理论研究的问题1、自动控制建模问题

建立控制系统各个方框的数学模型是控制系统分析和设计的基础。2、控制系统分析

在已知系统的结构参数的条件下，研究系统在某种典型输入信号下输出信号变化的全过程，并从这个变化过程中得到评价系统性能的指标；以及讨论系统的性能和系统结构、参数的关系。3、控制系统设计

在给定被控对象及所要求的性能指标的情况下，设计一个即能完成控制任务又可以满足所提出的性能指标的控制系统。要改变系统的某些参数或者是加入校正装置，使其满足预定的性能指标要求。第三十三页，共四十六页，2022年，8月28日六、自动控制理论的主要内容1、古典控制理论

研究对象：单输入单输出线性系统数学基础：微积分、积分变换系统描述方法：传递函数研究方法：时域法、频率特性法、根轨迹法核心概念：输出反馈适用系统：线性系统第三十四页，共四十六页，2022年，8月28日2、现代控制理论研究对象：多输入多输出线性系统数学基础：线性代数、矩阵理论系统描述方法：状态空间表达式研究方法：时域法核心概念：状态反馈适用系统：线性、非线性第三十五页，共四十六页，2022年，8月28日七、自动控制理论的发展1