第一章：自动控制的一般概念

自动控制原理自动化PrinciplesofAutomaticControl控制理论：自动化学科的重要理论基础引言研究自动控制共同规律的技术科学自动控制原理控制理论体系自动控制技术应用自动控制系统课程的性质和特点自动控制是一门技术学科，从方法论的角度来研究系统的建立、分析与设计。《自动控制原理》是本学科的专业基础课，是自动控制理论的基础课程，该课程与其它课程的关系如下。微积分（含微分方程）电机与拖动模拟电子技术线性代数电路理论信号与系统自动控制理论复变函数、拉普拉斯变换大学物理（力学、热力学）课程学习要面临数学基础宽而深控制原理抽象计算复杂且繁琐绘图困难计算机数学语言MATLAB数值解/解析解（数学运算）控制理论的内容

二十世纪三项科学革命：控制论、量子论、相对论

控制论：

经典控制理论现代控制理论（智能控制理论）导读自动化技术几乎渗透到国民经济的各个领域及社会生活的各个方面，是当代发展最迅速、应用最广泛、最引人注目的高科技，是推动新的技术革命和新的产业革命的关键技术，在某种程度上说，自动化是现代化的同义词。自动控制原理研究分析、设计自动控制系统的基本方法。本章主要讲什么内容?从介绍自动控制的发展历史入手，引出自动控制理论分析、设计自动控制系统的基本思想，然后介绍自动控制的基本概念，以及对自动控制系统的基本要求，使读者对自动控制理论的总的目标有个大致的了解。军事、航天领域火炮、雷达、跟踪系统；人造卫星、宇宙飞船。工业生产过程轧钢过程化工水泥制造造纸疫情检测自动灌概农产品质量检测农业生产过程10自动惠控制悔发展级简史中国害古代旁自动奶化方卸面的除成就侦：公元愿前14世纪蔽至前11世纪韵，中炕国、锅埃及谢和巴咸比伦垃出现偶自动站计时介漏壶武；公元13蹈0年，签张衡扭发明蚊水运比浑象疲，13怠2年研耍制出身自动龄测量款地震芬的候倒风地寺动仪船；公元23毯5年，睬马钧斜研制渗出用贡齿轮欢传动养自动沿指示左方向炊的指推南车完，类武似按蜜扰动稿补偿膏的自鸡控系职统；飞球灯调节笼器世界钓上公列认的姥第一恰个自枣动控瞧制系棒统17亮88年瓦晨特发衬明飞偿球调坑节器如，进一敲步推位动蒸胆汽机护的应躬用，和促进孕了工唐业的柴发展常。推动扁了社奇会进弓步是浓飞球辜调节积器公撒认为毛第一笋个自班动控磁制系辱统的期最主扫要原亮因！《自舍动控汤制原泄理》若国家森精品税课程幻玉浙江扮工业厕大学镜自动伪化研索究所12没有扬理论紫指导名使控欧制技偶术停扔滞了僻一个怒世纪栏！飞球嘴调节问器有怨时使无蒸汽肺机速炼度出卧现大收幅度秀振荡贺。其沸它自租动控胞制系围统也朽有类捏似现徐象。由于藏当时寒还没悦有自驴控理生论，要所以载不能风从理氧论上候解释镰这一跪现象编。为占了解否决这伞个问泽题，掏盲目恶探索倚了大禁约一凳个世慢纪之地久。《自洲动控殊制原相理》支国家雀精品脊课程矩浙江苗工业拆大学珠自动箭化研瞎究所13自动色控制转理论蛙的开家端18陈68年英跪国麦岔克斯抽韦尔域的“翁论调久速器忌”论程文指细出：不应大单独项研究僚飞球螺调节蛛器，币必须具从整植个系剂统分婆析控棒制的遮不稳终定。建立侧系统追微分格方程消，分诞析微铜分方佩程解枕的稳娇定性家，从阿而分东析实剧际系倘统是环否会怎出现识不稳霉定现宇象。女这样春，控显制系逼统稳菊定性豪的分陡析，盏变成简了判搏别微次分方受程的女特征卸根的谦实部调的正舟、负涛号问喝题。麦克歉斯韦没尔的骆这篇激著名趁论文茶被公随认为史自动仇控制扇理论汤的开深端。14经典万控制崭理论乓的孕相育18僚75年，扑英国耕劳斯蒙提出距代数羊稳定屿判据水。18幅95年，障德国包赫尔辈维兹伟提出狗代数厚稳定旷判据泛。18融92年，代俄国债李雅厘普诺诊夫提登出稳条定性稀定义虎和两孔个稳墙定判痰据。19笋32年，拴美国况奈奎劲斯特绵提出推奈氏柏稳定篇判据眼。二战鉴中自邻动火应炮、慌雷达匀、飞休机以悲及通张讯系筒统的若控制坊研究犯直接的推动芬了经基典控失制的矮发展顺。经典朽控制希理论橡的形落成●19飞48年，绘维纳笑出版《控制喜论》，形嗽成完黑整的纷经典伪控制辜理论争，标鄙志控返制学粘科的骂诞生碎。维纳叠成为乖控制纸论的狼创始贸人！空间殊技术国促使之现代填控制昨理论滩的产绑生现代烂控制就理论往促进迫了空影间技轰术的磨发展二次丢世界厨大战咳结束族后，笔各国葬大力跌发展戚空间谁技术广，经株典控罚制理厅论不犯能满总足需蚊要，愿需要泰研究伴新的净控制税理论卧。现代慨控制冒理论筐在空芽间技翻术取娱得巨汉大成匆功，证促进铸了空牌间技股术的乱发展寻。17现代咽控制均理论小在工碰业过低程控报制方张面遭农遇滑吼铁卢己，促悠使了断智能蜜控制来技术无的诞号生现代仍控制煤理论型在空肯间技谊术取录得巨助大成撇功，衣但由另于工良业过辫程控碗制中率普遍货存在界的不夏确定泡性和教干扰恐，难弊以取别得预绑期的竖效果抢。模扣拟人姥的控僵制技根术——智能爱控制爷，虽旨然不迷能实倒现精剃确的危控制南，但矩对各横种复折杂系匙统能牧够做粱到比击较满颂意的座控制泥。1.经典蚂控制紧理论(古典虏控制武理论)以传截递函挤数为会基础土，研而究单输查入--搬-单输脾出线吩性定斥常控抱制系歌统的分练析与萝设计血问题奴：线性线控制组系统唉分析堂：时攻域分转析、谅稳定享性与采稳态董误差据分析体、根晌轨迹栋分析歌、频衡域分摩析。非线椒性控惯制系愈统分睁析：财相平势面分为析、躬描述辽函数投分析佣。（连岸续控季制系园统、漆离散逢控制扰系统田）2.现代伸控制迈理论以状和态空症间法邮为基茶础，采研究竟多输朋入--多输剩出时西变、叔非线福性、猴高精声度、何高效秋能控导制系持统的呆分析榆与设交计问鼠题：（线性露系统暖、自顷适应蹲控制搭、最也优控喘制、左鲁棒羽控制设、最丝式佳估两计、痰容错伪控制练、系弊统辨酬识、殖集散胸控制众、大傻系统拔复杂缠系统）智能超控制齐（专家唉系统富、模奥糊控疤制、方神经错网络国、遗效传算损法）第一栏章篇自动抛控制舰的一晴般概俗念1.维1自动煮控制乖的基茅本原乘理与禁方式1.龄2自动芦控制梅系统怪示例1.论3自动全控制颂系统删的分题类1.醋4对自侮动控臣制系兰统的倘基本翠要求1.洁5对本台课程敬的基以本要峡求本章布重点吴：了解计自动汇控制御的一皂些基苹本概唐念；了解工闭环屠控制讲系统握的组第成和企基本京环节吓；掌握表反馈岔控制怠系统点的基项本要亩求；学会山分析郑系统援工作跳原理发并绘民制原烟理方炊块图漠；1.兼1自动纳控制碰的概棵念1.自动郑控制暴：是指乘没有骂人直甩接参轰与的的情况令下，切利用文控制叨装置盗（称至控制绞器）秋，使蜘整个黑生产颂过程掉或工奇作机邻械（东称被结控对跌象）个的某纷个工量作状银态或旺参数明（即土被控归量）姥自动洲地按伯照预你定的将规律唤运行邻。2.自动赔控制匙系统有：能够湾实现谱自动能控制倦任务须的系晴统，咬由控啦制器扯与控夜制对弱象组衬成。控制对象控制器输入量输出量扰动量测量装置控制雀对象冈：要求靠实现旗自动有控制没的机蜡器、赶设备椒或生它产过嘱程。控制享器：对控削制对内象起识控制询作用吊的控劲制装敬置总流体。输入询量：作用病于控雷制系辣统输端入端醋，并顺可使怀系统租具有迈预定穷功能途或预源定输甲出的心物理纳量。输出怀量：位于持控制稀系统出输出垮端，狼并要派求实纱现自裂动控典制的钞物理眯量。扰动壁量：破坏屠系统兽输入役量和帅输出赔量之连间预躬定规距律的逗信号宿。3.自动蹦控制卵系统硬控制暴原理皮方框令图控制对象执行装置控制器测量装置比较汗环节输入榜量偏差测量蔬值输出虹量控制犁量扰动誉量控制嘱动作广义电对象自动溉控制丧装置元素威：（1）棚：愚元件（2）锡：硬信号此（物敲理量摘）及贪传递合方向（3）愤：披比较廉点（屈信号猪叠加毁）（4）至：源引出养点（渐分支怨、信讨号强妹度）（5）+/昼-：符拳号的烟意义湿（正敢、负充反馈碎）炉温控制系统方框图(-)utug扰动给定装置放大器电动机转速反馈装置触发器晶阐管可控整流器控制装置受控对象n

方框图ueudoRP1ugR0R0R1-utRP2-+-++TGMudouc直流电机调速系统+关键街点：工作肺原理输入挖输出被控骗对象中间雪环节信号佛传递控制挎系统给定垃值输出量典型开环控制的方框图控制器被控制对象扰动1.开环钥控制指无助被控羊量反妻馈的肌控制够系统加，控惨制装井置与坚被控薄对象振之间像只有边顺向卡作用肌而没语有反组向联局系的苏控制阅。1.妙2控制帅原理蛇与方摇式（1）按下给定扶值操杂纵的震开环拣控制温度计

加热电阻丝u~220Vk炉温开环控制系统开关闭合后，不同的输入电压u对应于不同的温度t。输出量

受控对象控制装置

(电源)输入量(温度)扰动量开关电炉恒温箱加热电阻丝炉温开环控制系统方框图按给身定值浇操纵袋的开尚环控曲制特点棚：控制险装置候只按例给定泉值来使控制畜受控挎对象优点析：控扑制系热统结奏构简俩单，驶相对第来说脊成本灿低。缺点规：对可牛能出帮现的暑被控技量偏谱离给膊定值骡的偏乏差没士有任溉何修制正能区力，秧抗干死扰能爸力差垃，控救制精礼度不计高。（2）按匪干扰翅补偿耻的开鸽环控客制利用荐干扰申信号吨产生渣控制疏作用幼，以点及时平补偿忽干扰待对被母控量姻的直顿接影受响。控制祸器测量被控塔对象执行干扰被控川量特点：只觉能对浅可测汪干扰项进行石补偿己，对丈不可鬼测干患扰以焦及受能控对当象、屠各功贪能部鉴件内反部参橡数变外化对偶被控歌量的而影响勉，系酬统自服身无怎法控辽制。适用龄于：角存在绿强干阶扰且吨变化忌比较何剧烈谅的场料合。开环圈控制捷系统控特点偶：信号猴从输皂入到走输出促无反虏馈,单向啄传递血。结构胀简单岸。控制乓精度宰不高,无法庭抑制泽扰动界。2.闭环遭控制——反馈禾控制渣（核查心）即有沙被控竹制量疫反馈预的控瓜制,其原叫理框嫌如图克所示套。从邮系统薪中信拍号流金向看毕,系丧统的验输出肾信号搏沿反监馈通随道又坐回到即系统让的输勒入端袍,构纵成闭竿合通贴道,叫故称奇闭环馅控制阅系统肿,或存反馈坊控制津系统祸。前/正向翁通道反/负向伪通道这种呜控制币方式候,无墨论是痛由于哲干扰车造成疲,还狱是由妹于结络构参菊数的隆变化斯引起阻被控维量出义现偏井差,哭系统侧就利虽用偏堤差去葱纠正残偏差本,使由系统狱达到较高淡的控末制精付度。故更这种菌控制飞方式煎为按偏罩差调负节。特点:输出进影响江输入跌，所乌以能企削弱投或抑鹊制干佣扰；绩低精秀度元警件可阳组成求高精革度系鸡统；张因为想可能倒发生村超调耍，振档荡，陆所以句稳定脸性很怒重要开环敌控制蹄和闭搅环控疏制方张式各严有优后缺点析,在爬实际夕工程瘦中应剃根据猴工程瞎要求静及具群体情我况来洪决定栗。如臭果事环先预间知输送入量闪的变梢化规逆律,瓦又不添存在包外部姥和内活部参忘数的袭变化突,则勾采用转开环森控制哈较好尝。如冷果对寨系统辟外部韵干扰跃无法勿预测宇,系礼统内片部参冲数又携经常氏变化凭,为侵保证巷控制闯精度苦,采荐用闭陶环控朱制则搁更为阵合适隶。如果华对系廊统的规性能样要求涌比较岂高,眠为了塘解决暴闭环独控制苏精度屡与稳速定性哈之间桃的矛葱盾,余可以拜采用教开环欧控制蜂与闭袍环控绣制相惨结合誓的复帝合控葛制系慈统。3.复合竹控制它是孙把按帅偏差鲜控制俱与按边扰动戴控制示结合侄起来装，对地于主文要扰挺动采鼠用适萄当的梦补偿换装置朗实现把按扰喷动控听制，妄同时蠢再组匪成反姐馈控策制系悉统实蒙现按溪偏差村控制滤，以萌消除当其余昆扰动面产生顿的偏押差。按扰忠动补偿

输入信号

(-)

电压放大器功率放大器电动机测速发电机电压放大器电阻R电动机速度复合控制系统方框图4.反馈颤控制叛系统曲的基瓦本组韵成测量刚元件：其碗职能私是检售测被周控制樱的物奋理量尼。温肃度控来制系携统中嫌：温功度传俊感器蛛；压裤力控纠制系羡统中剧：压晨力传貌感器争；速经度控头制系糊统中西：速啄度传云感器写等。给定糠元件：给蓝出与艇期望皂被控嚷量相眨对应驶的系寒统输雹入量狱，如兵：电跌位器犯。执行株元件：直嘉接推服动被麻控对巧象。巡寿如液蜂位控培制系洲统中顿的阀踢门；芒速度影控制饭系统岁中的敬功率牢放大你器；晕温度晶控制窗系统微中的匙发热岛材料茶。校正间元件或称培为补偿斑元件，用亮以改寸善系限统的双性能伸。比较唐元件：求闻出给娱定值著与反另馈值坊之间趟的偏分差。放大模元件：由本放大朗器组厉成的彩放大鲁电路莫，可深用晶乞体管券、集啄成电赴路、嘉晶闸棕管等弱组成承。1.甘4自动动控制狭系统科的类煤型1.绩按信登号流蔑向划司分（1俗）开避环控冷制系浸统信号终流动恐由输特入端搬到输斤出端绣单向坛流动独。（2）闭般环控简制系湖统若控兴制系扣统中路信号粪除从地输入掀端到参输出基端外换,还睁有输嘱出到巨输入抹的反绞馈信访号,涌则构册成闭胃环控碍制系运统,扇也称诱反馈财控制喇系统拿,如递图所从示。2.按系湾统输么入信背号划忧分（1）恒酸值调功节系划统(大自动吊调节略系统江)这种由系统舟的特恩征是租输入倘量为挣一恒洲值,驶通常乳称为哥系统愚的给定址值。控尺制系溉统的窃任务册是尽顽量排乳除各饺种干目扰因潮素的葱影响谜,使横输出满量维潮持在锄给定盒值(期望柿值)。晕如工左业过疲程中接恒温河、恒赛压、闷恒速涌等控植制系冰统。（2）随释动系判统(霜跟踪婚系统窜)该系姐统的抓控制者输入形量是看一个既事先螺无法笔确定颂的任想意变酒化的霞量,今要求秒系统饭的输出雪量能盾迅速旧平稳顺地复扰现或塌跟踪勉输入恼信号委的变乔化。如水雷达腾天线肉的自缝动跟迈踪系庙统和罢高炮护自动傲描准捐系统蹈就是介典型海的随里动系励统。（3婚）程帖序控图制系治统系统债的控雾制输余入信以号不布是常岔值,矛而是趴事先确定牙的运另动规秤律,编袄成程陕序装轰在输缸入装贩置中旬,即探控制丛输入吩信号端是事发先确进定的糖程序锦信号舰,控染制的尿目的携是使拔被控翠对象再的被怜控量跳按照样要求棍的程海序动薪作。挡如数断控车枣床就摔属此败类系渡统。3.妹按描北述系漂统的谅数学殿模型组成戴系统糊元器肾件的练特性暮均为会线性胞的,皱可用愁一个艺或一肿组线性兽微分瞒方程简来描催述系持统输歌入和拼输出帆之间骑关系。线质性系罚统的且主要仍特征仿是具孩有齐次僻性和叠加塑性。(1桨)线性屈系统(2缸)非线速性系蜡统在系奥统中险只要庆有一御个元价器件林的特冠性不剑能用雷线性李微分肃方程柴描述裙其输短入和插输出猴关系仪,则厚称为柱非线夜性系语统。痛非线居性系伟统还登没有拆一种默完整答、成杠熟、且统一罩的分冻析法茅。通病常对菠于非端线性慕程度皂不很丸严重酸,或凳做近芬似分悠析时菌,均佣可用篮线性邻系统忍理论径和方窜法来抱处理改。4.定常怪系统巨和时也变系洋统(1奥)定常巧系统如果债描述配系统解特性戚的微分指方程德中各轰项系顾数都般是与吧时间厕无关腿的常半数,则群称为老定常京系统话。该钉类系破统只读要输迷入信高号的奴形式首不变陶,在误不同载时间羊输入像下的诸输出倾响应验形式弯是相弃同的套。(2弦)时变睛系统如果曾描述炼系统欣特性且的微俭分方舞程中花只要痰有一雪项系数参是时库间的况函数,此乏系统网称为汉时变妻系统零。5.连续错系统拖和离渡散系多统(1附)连续墓系统系统荒中所番有元亏件的信号撇都是悟随时仇间连产续变梳化的,信煤号的当大小讽均是组可任呼意取相值的模拟讨量,称猎为连穿续系勤统。(2芹)离散括系统离散奔系统袭是指傲系统监中有陕一处嗽或数宇处的信号恐是脉清冲序秀列或裙数码。若瓜系统准中采税用了卡采样仔开关翁,将渣连续鹅信号撒转变羞为离亦散的脆脉冲灯形式岂的信敏号,炼此类断系统伙称为采样皮控制胶系统冬或脉旦冲控折制系暮统。若坟采用凭数字界计算低机或协数字臣控制户器,纹其离熔散信石号是凝以数梢码形尼式传抚递的认,此蒸类系磨统称樱为数字越控制库系统。6.单输势入单已输出仅系统潮与多思输入判多输县出系罗统(1绞)单输守入单差输出柳系统缸(单委变量价系统专)系统伪的输殖入量箩和输屿出量暮各为一个,称亮为单扁输入尖单输补出系元统。(2双)多输裳入多程输出阻系统杨(多刻变量熄系统凉)若系鹅统的业输入够量和孔输出伯量多拢于一元个,史称为赶多输愿入多闸输出尝系统晌。对窜于线润性多近输入霞多输蕉出系傲统,符系统预的任匀何一锋个输简出等株于数疑个输欠入单宽独作薯用下戴输出度的叠加。1.惕5自动乏控制凑系统躲的基蛮本要泄求自动泻控制轧系统沫是否雁能很杂好地掩工作蜜,是蝇否能亭精确罩地保牧持被欢控量辈按照称预定艳的要僵求规债律变氧化这搭取决辆于被控究对象度和控碧制器订及各娇功能茅元器左件的感特性紫参数是否奏设计提得当拆。在理英想情览况下猎,控吨制系犯统的荣输出倦量和娇输入霉量,脑在任柜何时立候均驻相等白,系刑统完尾全无喉误差雕,且露不受胃干扰汽的影更响。悦实际决系统足中,姥由于毒各种觉各样棕原因屯,系芒统在发受到拐输入旨信号跃(也邮包括肯扰动凡信号扮)的巧激励税时,贡被控垂量将斤偏离盈输入姿信号销作用社前的源初始伟值,鼓经历远一段动态鬼过程杠(过那渡过舞程)，则宽系统揪控制玻性能岂的优植劣,仗可以签从动疑态过般程中孤较充叶分地沉表现螺出来戏。单位阶跃响应仿真MATLAB模型仿真输出1+△1-△

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1.户稳定应性(昂稳)控制狗精度是衡拔量系猎统技再术性苹能的稿重要责尺度失。一王个高侍品质渴的系对统,队在整猾个运声行过逝程中权,被两控量草对给闷定值类的偏威差应监该是允最小湿的。仗考虑最动态幸过程悼在不刻同阶董段中极的特因点,庸工程弓上通结常从北稳、藏准、纱快三拌个方冶面来绘衡量智自动刺控制践系统干。稳定瓦工作卸是所烈有自陷动控拔制系颗统的孕最基是本要锻求,志是系洪统能研否工泥作的咸前题僻。不握稳定土的系炒统根沈本无搏法完颜成控情制任握务。雕考虑禽到实甩际系茫统工蓬作环膛境或累参数粒的变砖动,勉可能巧导致喘系统确不稳喊定,环因此倾,我泼们除息要求后系统启稳定坡外,陆还要彼求其瓣具有材一定汁的稳定算裕量。2.稳态蓬精度当(准爬)3.动态蛮过程秘(快依)用稳凝态误理差来es幼s表示膜。在参刚考输惭入信屑号作致用下禾，当找系统瞧达到改稳态罢后，宿其稳辆态输仅出与糠参考举输入扔所要违求的洞期望愉输出堡之差路叫做虏给定矿稳态散误差栋。显季然，狗这种悦误差讲越小津，表某示系帝统的旱输出蹄跟随红参考邪输入遇的精段度越音高。稳态墙精度碧与控领制系纹统的茂结构腔及参疗数,补输入砍信号护形式射有关。动态雨过程贵是指石控制垫系统春的被敏控量抢在输释入信湾号作音用下可随时号间变研化的缝全过庸程,而衡量冒动态棒过程以的品糕质好般坏常歉采用餐单位回阶跃扇信号快作用负下过精渡过槐程中阀的超调需量,过渡伍过程长时间等性景能指丙标。.稳定号性：是保轰证控矮制系设统正贫常工校作的夸先决拖条件视。.快速津性：动态盈性能割，有层指标并。.准确椅性：稳态终（过盐度结抄束后腿的）筹值应她尽量循与期洲望值蚂一致巩。tnn1(a)0(b)nt0n0n1t0n(c)n0t(e算)n1n0t(d)n0n1n0t(f)(a璃)、(b删)非周爽期振朋荡；(c救)发散异振荡津；(d船)、(e谁)收敛点振荡平；(f监)等幅据振荡。对于药一个降实际链系统剩其输减入信届号往慌往是国比较轰复杂眠的,背而系蹦统的俭输出惹响应彼又与皇输入盯信号帆类型奋有关惨。因爹此,添在研疫究自线动控针制系喜统的刃响应伐时,触往往秆选择崇一些吓典型勺输入弓信号析,并筑且以骑最不借利的哄信号余作为扇系统竭的输垂入信唤号,捏分析痛系统偏在此登输入季信号蛋下所泛得到内的输岛出响渡应是题否满崖足要福求，质估计绑系统稼在比浅较复堵杂信厘号作邀用下毁的性抱能指壁标。1.最阶跃宋函数它的税数学配表达帆式为袍：4.常采炼用的商典型钥输入竞信号捞有：它表踢示一物个在t=烘0时刻胀出现唐的，嘴幅值魂为A的阶洁跃变言化函左数，括如图御所示毕。在贵实际叮系统最中，新如负筒荷突出然增降大或岔减小碌，流信量阀驴突然夸开大揉或关斥小均少可以蒸近似味看成庙阶跃谦函数矛的形兆式。A=1的函演数称笼为单飞位阶统跃函辰数，讯记作涉1(t)。因此路，幅顾值为A的阶牙跃