自动控制理论 第八章工大出品

自动控制理论第八章工大出品第一页，共三十三页，2022年，8月28日3/9/2023北京邮电大学信息工程学院参考书自动控制原理国防工业出版社李友善自动控制原理学习与考研指导科学出版社梅晓榕自动控制原理试题精选与答题技巧哈尔滨工业大学出版社王彤第二页，共三十三页，2022年，8月28日3/9/2023北京邮电大学信息工程学院讲课内容：第一章～第五章，第七章。课时安排：一，3；二，8；三，10；四，6；五，10；七，8；学习方法：比较抽象的技术基础课，以数学、物理及有关学科为其理论基础，运用信息的传递、处理与反馈进行控制这一正确的思维方法与观点，在数理基础学科与专业课程之间架起一道桥梁，将两者紧密结合起来。在学习本课程前，应有良好的数学、力学、电学的基础，有一定的机械等其它学科的知识。不必过分追求数学论证的严密性，但一定要充分注意数学结论的准确性与物理概念的明晰性。要重视实验，要重视习题，独立完成作业，有助于对基本概念的理解与基本方法的运用。。作业：随堂布置，认真、及时地完成课后作业，检查所学内容；

考试：闭卷考试（13周）第三页，共三十三页，2022年，8月28日3/9/2023北京邮电大学信息工程学院第一章概论

本章要点：（1）反馈控制工作原理及相关概念（2）控制系统的类型（3）对控制系统的基本要求基本要求：（1）了解自动控制概念及研究对象与任务（2）掌握反馈的含义，学会分析动态系统内信息流动的过程，掌握系统或过程中存在的反馈。（3）了解正反馈、负反馈的概念。（4）了解控制系统中基本名词和基本变量。（5）了解对控制系统的基本要求。第四页，共三十三页，2022年，8月28日3/9/2023北京邮电大学信息工程学院本课程与其它课程的关系：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五页，共三十三页，2022年，8月28日3/9/2023北京邮电大学信息工程学院

§1-1自动控制的一般概念

一.自动控制系统1、自动控制的应用自动控制：在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称为控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（通称被控对象）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。自动控制系统：能够对被控制对象的工作状态进行自动控制的系统。包括被控对象和控制装置。

自动控制的目的：提高产品质量；提高劳动生产率；改善劳动条件，减轻劳动强度；提高生活质量等。第六页，共三十三页，2022年，8月28日3/9/2023北京邮电大学信息工程学院自动控制系统应用举例例1工业加热炉的控制生产工艺过程要求控制炉温为设定值（例如600℃左右），并且在各种扰动（如电源电压波动、热负荷变化等）作用下只允许很下的偏差（例如1℃）。这时受控对象为热处理炉，被控量为炉温。如果不用自动控制而由人工操作，控制精度很难保证，产品质量也将受到影响。1）开环控制第七页，共三十三页，2022年，8月28日3/9/2023北京邮电大学信息工程学院2）闭环控制第八页，共三十三页，2022年，8月28日3/9/2023北京邮电大学信息工程学院例2液位控制系统控制器减速器电动机电位器浮子用水开关Q2Q1cifSM第九页，共三十三页，2022年，8月28日3/9/2023北京邮电大学信息工程学院问题的提出（1）受控系统的性能难合人意（2）存在各种扰动阻碍系统的被控量按照预定的规律变化系统的输入信号=有用的输入信号+扰动第十页，共三十三页，2022年，8月28日3/9/2023北京邮电大学信息工程学院2自动控制理论自动控制理论是研究自动控制技术的基础理论，是理论性较强的工程学科。注重工程应用，在专业术语上不是非常严谨的理论。经典控制理论现代控制理论时间分界20世纪60年代，达到完善；20世纪60年代，开始发展；数学工具常微分方程，传递函数；一阶微分方程组，状态空间方程(传递函数阵)研究对象单输入单输出系统，定常系统；多输入多输出系统，定常和时变系统系统变量注重系统的输入输出关系；研究系统输入、输出及内部变量的运动关系；第十一页，共三十三页，2022年，8月28日3/9/2023北京邮电大学信息工程学院自动控制的发展史

自动控制思想及其实践历史悠久。它是人类在认识世界和改造世界的过程中产生的，并随着社会的发展和科学水平的进步而不断发展。1、一千多年前：铜壶滴漏计时器、指南针、各种天文仪器

第十二页，共三十三页，2022年，8月28日3/9/2023北京邮电大学信息工程学院2、1769年J.Watt用离心式飞锤调速器构建了蒸汽机转速自动控制系统，在锅炉压力和负荷变化的条件下将蒸汽机转速维持在一定的范围内。第十三页，共三十三页，2022年，8月28日3/9/2023北京邮电大学信息工程学院3、1868年基于线性常微分方程描述，从理论上给出了系统稳定的条件。此后劳斯（Routh）于1877年和赫尔维茨（Huiwitz）于1895年分别提出了用于高阶线性系统的稳定性判据。4、1892年Lyapunov发表了专著《论运动稳定性的一般问题》，用严格的数学分析方法全面论述了稳定性问题。5、1932年顺应时代需要，Nyqiust提出了稳定性的频域方法。它不仅可以判断系统的稳定性，解决了Black负反馈放大器的稳定性问题；而且还可以用来分析系统的稳定裕量。6、1940年Bode引入了对数坐标系，使频率法更适合于工程运用。第十四页，共三十三页，2022年，8月28日3/9/2023北京邮电大学信息工程学院7、1942年Harris引入了传递函数的概念。8、1848年Evans提出了根轨迹法。至此基于传递函数（或频率特性）在复数域或频率域进行讨论的方法（频域法）趋于成熟，从而形成了经典的控制理论9、1948年数学家维纳（N.Wiener）出版了专著《控制论》，它是经典控制论的辉煌总结。1954年钱学森出版了专著《工程控制论》，系统的阐述了控制论与工程结合的理论和应用，揭示了控制论在自动化，航空、航天、电子和通信等工程技术领域的意义和深远影响，标志着控制论学科分支学科“工程控制论”的诞生。第十五页，共三十三页，2022年，8月28日3/9/2023北京邮电大学信息工程学院§1-2自动控制系统的基本形式

1开环控制（开环控制有何特点）控制装置与被控制对象之间只有正向作用而没有反向联系的控制过程；每个输入量对应的有一输出量，在开环系统中，不需要对输出量进行测量。开环控制的特点：（1）输出不影响输入，对输出不需要测量，通常较容易实现；（2）组成系统的元、部件精度高，系统的精度才能高；（3）系统的稳定性不是主要问题。开环系统存在的问题：（1）要求元、部件的精度要高；（2）当存在变化规律无法预测的干扰时，不容易实现。

第十六页，共三十三页，2022年，8月28日3/9/2023北京邮电大学信息工程学院结论：如果系统中存在干扰,或者由于控制元器件老化,均会导致系统输出发生变化,使输出值偏离预期值。开环控制系统一般适用于干扰不强或可预测、并且控制精度要求不高的场合。2、闭环控制第十七页，共三十三页，2022年，8月28日3/9/2023北京邮电大学信息工程学院在闭环控制系统中,对系统输出量不断地进行测量并反馈到系统的输入端与输入量进行比较,产生偏差信号,按偏差实现控制。闭环控制又称为反馈控制。闭环控制的特点：（1）信号双向传递，既有正向控制作用，又有反馈作用，系统输出量对控制量有直接影响，所以能削弱或抑制干扰；（2）低精度元件可组成高精度系统；（3）因为可能发生超调、振荡，所以稳定性问题很重要。系统的控制器和被控对象共同构成了前向通道,而测量元件构成了系统的反馈通道。第十八页，共三十三页，2022年，8月28日3/9/2023北京邮电大学信息工程学院采用正反馈形式的系统一般不能改进系统性能,而且容易使系统性能变坏;而具有负反馈形式的系统,它能抑制系统回路中存在的内扰和外扰的影响，使系统输出趋于给定输入量,最终达到自动控制的目的。通常而言,反馈控制就是指负反馈控制。

总结：采用闭环控制的系统，由于增加了反馈通道,可以较好地抑制系统各环节中可能存在的扰动和由于器件的老化而引起的结构和参数的不确定性，使系统的控制精度得到了极大的提高。日常生活过程中的控制系统例子第十九页，共三十三页，2022年，8月28日3/9/2023北京邮电大学信息工程学院水箱水位控制系统---第二十页，共三十三页，2022年，8月28日3/9/2023北京邮电大学信息工程学院

调节器(杠杆)执行器调节阀水箱变送器(浮球)+-水箱水位控制系统框图测量水位偏差量控制量调节位移进水量实际水位设定水位第二十一页，共三十三页，2022年，8月28日3/9/2023北京邮电大学信息工程学院

下图是一个阀门的人工控制系统原理示意图。操作员根据仪表显示的液体浓度来调节阀门，达到控制处理罐输出液体浓度的目的。（1）该系统是开环控制还是闭环控制系统。（2）指出什么是输入量，什么是输出量。第二十二页，共三十三页，2022年，8月28日3/9/2023北京邮电大学信息工程学院§1-3自动控制系统的基本类型第二十三页，共三十三页，2022年，8月28日3/9/2023北京邮电大学信息工程学院

线性控制系统

输入与输出成正比，可用叠加原理用线性数学模型描述

非线性控制系统

输入与输出不成正比，不可用叠加原理用非线性数学模型描述

第二十四页，共三十三页，2022年，8月28日3/9/2023北京邮电大学信息工程学院非线性系统:在构成系统的环节中有一个或一个以上的非线性环节典型非线性特性:

饱和特性、死区性、间隙特性、继电特性、磁滞特性等。第二十五页，共三十三页，2022年，8月28日3/9/2023北京邮电大学信息工程学院如果线性系统中的参数不随时间变化,则称为线性定常系统;否则称为线性时变系统。本书主要讨论线性定常系统。第二十六页，共三十三页，2022年，8月28日3/9/2023北京邮电大学信息工程学院恒值控制系统（或称自动调节系统）特点：输入信号是一个恒定的数值。恒值控制系统主要研究各种干扰对系统输出的影响以及如何克服这些干扰随动控制系统（或称伺服系统）特点：输入信号是一个未知函数，要求输出量以一定的准确度跟随给定量变化。雷达天线控制系统就是典型的伺服控制系统。程序控制系统特点：输入信号是一个已知的时间函数，系统的控制过程按预定的程序进行，要求被控量能迅速准确地复现。第二十七页，共三十三页，2022年，8月28日3/9/2023北京邮电大学信息工程学院连续时间控制系统

系统各部分的信号是模拟的连续函数，例：工业中普遍采用的常规PID调节器控制的系统

离散时间控制系统系统的某一处或几处，信号以脉冲序列或数码的形式传递的控制系统，例：计算机控制的温度控制系统

第二十八页，共三十三页，2022年，8月28日3/9/2023北京邮电大学信息工程学院§1-4自动控制系统的性能要求

对自动控制系统的要求，在时域中一般可归纳为三大性能指标：

（1）稳定性——稳定性是保证系统正常工作的先决条件。

（2）快速性——为了很好完成控制任务，还必须对其过渡过程的形式和快慢提出要求。

（3）准确性——要求系统最终的响应准确度。

上述要求，简称稳、快、准。不同的系统对稳、快、准的要求一般是不同的。对同一系统