自动控制原理1-1绪论课件

《自动控制原理》《自动控制原理》王划一杨西侠编著1第一章绪论主要内容：

1.自动控制、自动控制系统的概念2.自动控制的两种基本方式3.自动控制系统的类型4.自动控制系统的要求和分析设计5.自动控制理论的发展概况2第一章绪论

§1-1引言§1-2自动控制的基本知识§1-3自动控制系统的基本控制方式§1-4自动控制系统的分类及基本组成§1-5对控制系统的要求和分析设计§1-6自动控制理论的发展概况31.2.1自动控制问题的提出

一个简单的水箱液面，因生产和生活需要，希望液面高度h维持恒定。当水的流入量与流出量平衡时，水箱的液面高度维持在预定的高度上。1.2自动控制的基本知识水箱流出流入h当水的流出量增大或流入量减小，平衡则被破坏，液面的高度不能自然地维持恒定。5这种出水量与进水量的不平衡现象必然要经常发生的。这使得这种“水位恒定的要求”变得难以实现了。所谓控制就是强制性地改变某些物理量（如上例中的进水量），而使另外某些特定的物理量（如液面高度h）维持在某种特定的标准上。人工控制的例子。水箱流出流入h

这种人为地强制性地改变进水量，而使液面高度维持恒定的过程，即是人工控制过程。61.2.2自动控制的定义及基本职能元件

1.自动控制的定义自动控制就是在没有人直接参与的情况下，利用控制器使被控对象（或过程）的某些物理量（或状态）自动地按预先给定的规律去运行。水箱流出流入h控制器浮子当出水与进水的平衡被破坏时，水箱水位下降(或上升)，出现偏差。这偏差由浮子检测出来，自动控制器在偏差的作用下，控制阀门开大(或关小)，对偏差进行修正，从而保持液面高度不变。7比较两图可以看出，自动控制实现人工控制的功能，存在必不可少的三种代替人的职能的基本元件：气动阀门希望液位实际液位浮子控制器水箱肌肉和阀门希望液位实际液位大脑水箱眼睛9执行元件参考输入输出测量变送元件控制器对象扰动输入测量元件与变送器（代替眼睛）；自动控制器（代替大脑）；执行元件（代替肌肉、手）。这些基本元件与被控对象相连接，一起构成一个自动控制系统。下图是典型控制系统方框图。101.2.3自动控制中的一些术语及方框图

1.常用术语控制对象控制器系统系统输出操作量参考输入扰动特性

2.系统方框图将系统中各个部分都用一个方框来表示，并注上文字或代号，根据各方框之间的信息传递关系，用有向线段把它们依次连接起来，并标明相应的信息。突出了系统中各环节输入与输出的关系及各环节之间的相互影响，便于定性和定量分析。11M功率放大器电动机负载电位器电动机转速滑臂位置功率放大器电位器1.按给定控制下图是一个直流电动机转速控制系统。

当调节电位器滑臂位置时，改变功率放大器的输入电压，从而改变电动机的电枢电压，最终改变电动机的转速。以上的控制过程，用方框图简单直观地表示出来。

132.按扰动控制

图示是一个按扰动控制的直流电动机转速控制系统。电压放大器M功率放大器负载++-Ri+控制过程可用方框图表示成如图示的形式。14电动机转速给定不变功率放大器电位器++负载变化电压放大器检测电阻把负载变化视为外部扰动输入，对输出转速产生的影响及控制补偿作用，分别沿箭头的方向从输入端传送到输出端，作用的路径也是单向的，不闭合的。有时我们称按扰动控制为顺馈控制。15在控制系统中，控制装置对被控对象所施加的控制作用，若能取自被控量的反馈信息，即根据实际输出来修正控制作用，实现对被控对象进行控制的任务，这种控制原理称为反馈控制原理。正是由于引入了反馈信息，使整个控制过程成为闭合的。因此，按反馈原理建立起来的控制系统，叫做闭环控制系统。在闭环控制系统中，其控制作用的基础是被控量与给定值之间的偏差。

人本身就是一个具有高度复杂控制能力的闭环系统。比如，人可以用手拿到放在桌上的书等物，体现了闭环控制的原理。直流电动机转速闭环控制的例子。17电动机转速给定位置功率放大器电位器+-负载扰动测速发动机ufureuaM功率放大器电动机负载电位器F测速发动机18闭环控制的特点：①控制作用不是直接来自给定输入，而是系统的偏差信号，由偏差产生对系统被控量的控制；②系统被控量的反馈信息又反过来影响系统的偏差信号，即影响控制作用的大小。这种自成循环的控制作用，使信息的传递路径形成了一个闭合的环路，称为闭环。③提高了控制精度。闭环控制系统的典型方框图如图所示。控制器被控对象反馈元件输入输出+-偏差19上，附加一个输入信号（给定或扰动）的顺馈通路，对该信号实行加强或补偿，以达到精确的控制效果。常见的方式有以下两种：1.附加给定输入补偿控制器被控对象补偿装置输入输出+-通常，附加的补偿装置可提供一个顺馈控制信号，与原输入信号一起对被控对象进行控制，以提高系统的跟踪能力。212.附加扰动输入补偿

该种复合控制方框图。附加的补偿装置所提供的控制作用，主要起到对扰动影响“防患未然”的效果。控制器被控对象补偿装置输入输出+-+扰动221-4自动控制系统的分类基本组成1.4.1按给定信号的特征划分

给定信号是系统的指令信息。它代表了系统希望的输出值，反映了控制系统要完成的基本任务和职能。

1.恒值控制系统：给定输入维持不变，希望输出维持在某一特定值上。

液位控制系统，直流电动机调速系统等等。

2.随动控制系统：给定信号上预先不知道的随时间任意变化的函数。控制系统能够使被控量以尽可能小的误差跟随给定值的变化。

跟踪卫星的雷达天线系统

3.程序控制系统：给定值按预先给定的规律变化的控制系统。机械加工中的程序控制机床等等。231.4.3按信号传递的连续性划分

1.连续系统

连续系统的特点是系统中各元件的输入信号和输出信号都是时间的连续函数。这类系统的运动状态是用微分方程来描述的。连续系统中各元件传输的信息在工程上称为模拟量，多数实际物理系统都属于这一类，其输入输出一般用r(t)和c(t)表示。r(t)

t

0c(t)

t

025

2.离散系统

控制系统中只要有一处的信号是脉冲序列或数码时，该系统即为离散系统。这种系统的状态和性能一般用差分方程来描述。实际物理系统中，信息的表现形式为离散信号的并不多见，往往是控制上的需要，人为地将连续信号离散化，我们称其为采样。c(t)

t

0c(t)c*(t)c*(t)

t

0261.4.4按系统的输入与输出信号的数量划分

1.单变量系统（SISO）

2.多变量系统（MIMO）1.4.5自动控制系统的基本组成在形形色色的自动控制系统中，反馈控制是最基本的控制方式之一。一个典型的反馈控制系统总是由控制对象和各种结构不同的职能元件组成的。除控制对象外，其他各部分可统称为控制装置。每一部分各司其职，共同完成控制任务。下面给出这些职能元件的种类和各自的职能。27

测量元件：其职能是检测被控量，如果测出的物理量属于非电量，大多情况下要把它转换成电量，以便利用电的手段加以处理。

比较元件：其职能是把测量元件检测到的实际输出值与给定元件给出的输入值进行比较，求出它们之间的偏差。

放大元件：其职能是将过于微弱的偏差信号加以放大，以足够的功率来推动执行机构或被控对象。

执行元件：其职能是直接推动被控对象，使其被控量发生变化。

校正元件：为改善或提高系统的性能，在系统基本结构基础上附加参数可灵活调整的元件。工程上称为调节器。常用串联或反馈的方式连接在系统中。291.5对控制系统的要求和分析设计1.5.1对系统的要求各类控制系统为达到理想的控制目的，必须具备以下两个方面的性能(基本要求)：（a）使系统的输出快速准确地按输入信号要求的期望输出值变化。（b）使系统的输出尽量不受任何扰动的影响。对自控系统性能的要求一般可归纳为三大性能指标：

（1）稳定性：要求系统绝对稳定且有一定的稳定裕量。

（2）瞬态质量：要求系统瞬态响应过程具有一定的快速性和变化的平稳性。30在实际系统中，由于总是存在着不同性质的储能元件。并且也由于能源功率的限制，使得系统放大能力必然有限。因而使相应的运动加速度不会太大，速度和位移不会瞬间变化，而要经历一段时间，即系统运动必然有一个渐变的过程。r(t)t0c(t)

t

0（3）稳态误差：要求系统最终的响应准确度，限制在工程允许的范围之内，是系统控制精度的恒量。311.5.2控制系统的分析和设计

1.系统分析

系统给定，在规定的工作条件下，对它进行分析研究，其中包括稳态性能和动态性能分析，看是否满足要求，以及分析某个参数变化时对上述性能指标的影响，决定如何合理地选取等。

2.系统的设计系统设计的目的，是要寻找一个能够实现所要求性能的自动控制系统。因此，在系统应完成的任务和应具备的性能已知的条件下，根据被控对象的特点，构造出适合的控制器是设计的主要任务。应进行的步骤如下：（1）熟悉对系统性能的要求。（2）根据要求的性能指标综合确定系统的数学模型。32（3）若控制对象是已知的，根据确定的系统数学模型和已知部分的数学模型，求得控制器的数模和控制规律。（4）按综合确定的数模进行系统分析，验证它在各种信号作用下是否满足要求。若不满足，及时修正。（5）样机设计制造和试验，验证设计结果。1-6自动控制理论的发展概况具有“自动”功能的装置的历史可追逆到公元前14~11世纪在中国、埃及和巴比伦出现的自动计时漏壶。公元4世纪，希腊柏拉图(Platon)首先使用了“控制论”一词。运用反馈原理设计出来并成功应用的是英-瓦特(J.wate)于1788年发明的蒸汽机用的离心式飞锤调速器。33

后来，英-麦克斯韦(J.C.Maxwell)于1868年发表了“论调速器”一文，对它的稳定性进行了分析，指出控制系统的品质可用微分方程来描述，系统的稳定性可用特征方程根的位置和形式来研究。当属最早的理论工作。1875年英-劳斯(E.J.Routh)和德-赫尔维茨(A.Hurwitz)先后提出了根据代数方程系数判别系统稳定性的准则。1892年俄-李雅普诺夫出版了专著“论运动稳定性的一般问题”，提出了用李雅普诺夫函数的正定性及其导数的负定性判别系统稳定性的准则，从而建立了动力学系统的一般稳定性理论。1932年美籍瑞典-奈奎斯特(H.Nyquist)提出了根据频率响应判别反馈系统稳定性的准则。341938年前苏联米哈依洛夫提出了图解分析方法判别系统稳定性的准则，把奈氏判据推广到条件稳定和条件不稳定系统的一般情况。1948年美国维纳(N.wiener)出版了专著《控制论—关于在动物和机器中控制和通信的科学》，系统地论述了控制理论的一般原理和方法，推广了反馈的概念，为控制理论学科的发展奠定了基础。该书的出版标志控制学科的诞生。1954年我国-钱学森在美出版了《工程控制论》一书，书中所阐述的基本理论和观点，奠定了工程控制论的基础。35三个时期（1）经典控制理论（本世纪30~50年代）对象：SISO线性定常系统数学工具：拉氏变换数模：传递函数方法：频域法根轨迹法（2）现代控制理论（本世纪50~70年代）