第1章 自动控制系统的基本概念

自动控制原理

昆明理工大学信息工程与自动化学院1昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系课程性质《自动控制原理》是与所有工程技术相关的技术基础课—工程中的数学。基础课技术基础课未来工作知识学习能力培养工作能力2昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系课程任务任务：掌握控制系统的基本理论掌握控制系统的分析和设计方法3昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系课程基本内容控制系统基本概念物理系统建模方法时域分析方法复域分析方法频域分析方法系统校正其他4昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系教材及主要参考书《自动控制原理》李玉惠晋帆主编向凤红主审清华大学出版社2008参考书《自动控制原理》陈玉宏向凤红主编重庆大学出版社2002《自动控制原理》王建辉主编清华大学出版社2006《自动控制理论与设计》上海交大出版社徐薇莉等《AutomaticControlSystem》BenjaminC.Kuo（高教出版社）《现代控制工程》第四版。美KatsuhikoOgata著，卢伯英、于海勋等译，电子工业出版社，2003.75昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系第1章自动控制系统的基本概念1.1引言1.2开环控制系统和闭环控制系统1.3自动控制系统的基本构成1.4自动控制系统的分类和应用1.5对自动控制系统的基本要求6昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系1.1引言

自动控制的自然系统和人造系统自动控制理论发展简史自动控制中的常用术语7昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系自动控制的自然系统和人造系统人体自然系统

体温控制系统心跳控制系统眼球聚焦系统新陈代谢系统血液系统呼吸系统肾肝肺系统

这些系统持续的自动控制是我们保持健康的基本条件。这些系统是在人们非有意识干预的情况下自动运行的。8昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系自动控制的自然系统和人造系统天体自然系统银河系的恒星运动9昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系自动控制的自然系统和人造系统

季节自然系统四季气候变更10昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系自动控制的自然系统和人造系统人造系统全自动洗衣机电冰箱电饭煲电梯控制系统温度控制系统水位控制系统速度控制系统刹车防抱死系统11昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系自动控制理论发展简史

古希腊水钟原理图（公元前300年-公元前1年）

浮塞V1V2V312昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系公元前我国的自动计时漏壶公元132年张衡研制出自动测量地震的候风地动仪13昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系公元235年马钧研制出能自动指示方向的指南车14昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系V1V2

1787年，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。15昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系但瓦特离心调速器在调速过程中存在不稳定现象（“设备变得发狂！”），当时并没有理论指导，所有的努力都集中在改进调速器本身（重量、弹簧、摩擦）。J.C.Maxwell把调节器跟调节对象合在一起，看作一个系统，1868年在论文“论调节器”中首先解释了Watt速度控制系统中出现的不稳定问题，通过线性常微分方程的建立和分析，指出了振荡现象的出现与从系统导出的一个代数方程根的分布有密切的关系，开辟了用数学方法研究控制系统运动特性的途径。

仅有实践是不够的！16昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系1877年E.J.Routh和1895年A.Hurwitz分别独立地建立了直接根据代数方程的系数判别系统稳定性的准则。1892年A.M.Lyapunov用严格的数学分析方法全面地论述了稳定性问题,Lyapunov稳定性理论至今仍然是分析系统稳定性的重要方法。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。17昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系1925年英国电气工程师O.亥维赛把拉普拉斯变换应用到求解电路网络的问题上，创立了运算微积分，随后被应用到分析自动控制系统的问题上，并取得了显著的成就。早期的载波电话失真严重，解决放大器的非线性累积和无序振荡，成为电话远程传输的关键。1927年8月，贝尔实验室的电气工程师布莱克(H.S.Black)在轮渡上的灵光一现，催生了最实用的负反馈控制装置。负反馈信号放大器获得了极好的线性度，解决电子管放大器失真问题和自激振荡问题，极大地促进了电话的广泛应用。

灵感来自于长期的思考!18昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系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。随后,H.W.Bode和N.B.Nichols等在20世纪30年代末和40年代初进一步发展了频率响应法。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。19昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系早期的防空火炮控制，一般需要3个人来实施伺服控制，（一个方位角，一个高低角，还有一个引信）。1940年，同样来自贝尔实验室的年轻的工程师帕金森用反馈控制方法，解决了这个问题。当时，他是一个低职位的工程师，让他承担的任务是绕电位计，就在1940年春天的一个晚上，他做了一个梦。他梦到既然用电位计可以控制电压记录笔，那么，它也应该可以控制火炮的发射。他的这个梦，同样促进了自动控制技术的发展。

教育的目的应该使每个人都充满梦想！火炮随动控制20昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系高炮的控制系统（1945年）21昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系到了二十世纪40年代，尼可尔斯深入研究了PID（Proportion,Integral,Differential）调节问题。他在MIT仅有的一台模拟机（又叫微分分析仪）上做了大量的仿真实验，最后列出来了PID的整定表。控制工程中，有一项工作历经60多年，至今还在使用的，就是尼可尔斯编排的这个PID整定表。22昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系1948年，美国科学家W.R.Evans提出了有名的根轨迹的分析方法，并于1950年进一步应用于反馈控制系统的设计，形成了与频率响应方法相对应的另一核心方法——根轨迹法。1954年，中国科学家钱学森全面地归纳总结了经典控制理论，在美国出版了国际上第一本经典控制理论的著作《工程控制论》。

1956年，前苏联科学家L.S.Pontryagin提出极大值原理。同年美国数学家R.Bellman创立动态规划。极大值原理和动态规划为最优控制提供了理论工具。1959年美国数学家R.E.Kalman提出了著名的卡尔曼滤波器，1960年又提出能控性和能观测性的概念。23昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系19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。24昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系经典控制理论现代控制理论大系统理论智能控制理论25昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系经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。

如：调节电压改变电机的速度；调整方向盘改变汽车的运动轨迹等。这些理论发展较早，现已臻成熟。现代控制理论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。如：汽车看成是一个具有两个输入（驾驶盘和加速踏板）和两个输出（方向和速度）的控制系统。

计算机科学的发展，极大地促进了控制科学的发展。26昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系经典控制理论与现代控制理论比较

项目经典控制理论现代控制理论研究对象线性定常系统（单输入、单输出）线性、非线性、定常、时变系统（多输入、多输出）描述方法传递函数（输入、输出描述）向量空间（状态空间描述）研究办法根轨迹法和频率法状态空间法研究目标系统分析及给定输入、输出情况下的系统综合揭示系统的内在规律，实现在一定意义下的最优控制与设计27昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系大系统控制理论大系统控制理论是一种过程控制与信息处理相结合的动态系统工程理论，研究的对象具有规模庞大、结构复杂、功能综合、目标多样、因素众多等特点。它是一个多输入、多输出、多干扰、多变量的系统。如：人体，我们就可以看作为一个大系统，其中有体温的控制、情感的控制、人体血液中各种成分的控制等等。大系统控制理论目前仍处于发展阶段。

28昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系智能控制

这是近年来新发展起来的一种控制技术，是人工智能在控制上的应用。它的指导思想是依据人的思维方式和处理问题的技巧，解决那些目前需要人的智能才能解决的复杂的控制问题。

学派：结构派和功能派它是一门新兴的控制学科，有些问题尚存有争议，然而由于它实用性强，能运用人们的经验与技巧解决许多以往控制中难以解决的棘手问题（如建模等），因此得到了人们极大的重视。

29昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系自动控制中的常用术语(1)控制对于人-机系统，为使某一机器、设备或过程处于希望的状态而对其进行的操作，称为控制。人工控制在人直接参与下完成的控制，称为人工控制。自动控制指在无人直接干预下，利用物理装置使被控对象或生产过程的某一物理量（如温度、压力、pH值等）按照预期的规律运行。例如矿井提升机速度的控制、水泥回转窑湿度的控制、造纸厂纸浆浓度的控制、轧钢厂加热炉温度的控制、物料传输机速度的控制、火炮和导弹的自动跟踪与自动发射等等。30昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系信息化战争：夺取信息优势是战争胜负的决定因素重要原则：发现即摧毁31昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系控制

发现即摧毁32昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系控制：通俗地说，控制就是使被控对象按照我们预定的方式工作33昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系自动控制中的常用术语(2)控制装置

这种能代替人对生产设备和工艺过程施加控制作用的装置，称为自动控制装置或控制器。受控对象

被控制的机器、设备或过程称为受控对象、被控对象或对象。如提升机、回转窑、加热炉等等。被控量

被控制的物理量称为被控量或输出量。被控量是表征受控对象工作状态的物理量，即速度、湿度、浓度、炉温、电压等。34昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系被控对象举例：35昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系36昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系自动控制中的常用术语(3)给定量

决定被控量的物理量称为给定量或参考输入。给定量表征被控量的期望值或受控对象的期望状态。扰动量

妨碍给定量对被控量进行正常控制的所有因素称为扰动量。如果扰动量产生在系统内部称为内扰；扰动量产生在系统外部称为外扰。给定量和扰动量都是自动控制系统的输入量。37昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系自动控制中的常用术语(4)系统

由一些相互联系和相互制约的环节组成并具有特定功能的整体称为系统。在工业生产中，一台机器、一套设备或任意工艺过程，如加热炉、轧钢机、化学反应釜、核反应堆等都称为系统。38昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系自动控制中的常用术语(5)自动控制系统

为实现某一控制目标所需要的所有物理部件的有效组合体。自动控制系统由自动控制装置与受控对象组成。控制系统一般按被控量命名，如速度控制系统、压力控制系统、温度控制系统等。39昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系1.2开环控制和闭环控制系统开环控制系统闭环控制系统复合控制系统

40昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系电风扇的控制电机（执行机构）风扇叶片

（控制对象）开关或程序控制器开环控制系统控制电压41昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系开环控制系统

电加热炉温开环控制系统控制目的：提高炉温受控对象（物理实体）：炉子受控量（输出物理量）：炉温控制装置：开关K和电热丝，对受控量起控制作用。

图1.1开环控制的电加热炉原理图42昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系电加热炉温开环控制系统控制任务炉温保持恒定工作原理

调压器电压→加热电阻电流→加热炉温度

43昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系电加热炉温开环控制系统控制结构

存在从左到右的信号传递通道—前向通道图1.2开环控制的电加热炉方框图

44昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系开环控制系统特点

系统的输出端与输入端不存在反馈回路，输出量对系统的控制作用不发生影响的系统。只有从输入端到输出端的信号前向通道，不存在由输出端到输入端的信号反馈通路。按给定值控制，无抗扰动能力，精度低。

环节简单，容易实现，稳定性好。

45昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系开环控制系统开环控制有两种形式

１按给定值控制２按扰动补偿

图1.3两种开环控制形式方框图

46昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系开环控制系统应用

目前国民经济各部门都广泛应用开环控制系统，如自动售货机、自动洗衣机、产品自动生产流水线及交通指挥的红绿灯转换等。47昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系闭环控制系统

开环控制系统难以保持炉温恒定。如果无论是否出现扰动都要使炉温保持恒定，就需人工干预。闭环控制是在开环控制基础上引入人工干预过程演变而来的

48昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系闭环控制系统人工炉温控制

图1.4(a)手动控制电加热炉

49昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系人工炉温控制

人工干预过程１用眼观察温度计测量炉温２大脑中比较实际与给定温度图1.4(b)手动控制电加热炉方框图

３相应调整(增加或减小)电压

50昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系

反馈是控制的精髓。运用反馈的例子也是比比皆是。例：调节容器内液面位置的人工闭环控制系统液位控制示意图51昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系分析决策脑执行工作对象手观察观察干扰或激励眼预期目标实际结果眼液体的流入和流出液位液位控制人工职能图52昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系例：汽车方向控制系统

汽车方向控制系统53昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系汽车方向控制人工职能图驾车人汽车预期行驶路线实际行驶路线比较器视觉测量+-偏差方向盘54昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系控制器驾车人汽车预期速度实际速度比较器视觉测量偏差油门刹车汽车速度控制系统55昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系闭环控制系统人工控制作用

人工的关键性作用是使系统的输出量参与了系统的控制，形成了信号传递的闭环回路。系统一旦出现偏差，就调整控制量，从而保证了输出量的恒定。人工控制系统也叫做人工反馈系统，或叫人工闭环控制系统。

用自动控制装置来取代人工操作功能，就变成自动控制系统，或叫闭环控制系统。56昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系闭环控制系统电加热炉温闭环控制系统

图1.5闭环控制的电加热炉原理图57昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系电加热炉温闭环控制系统控制任务炉温保持恒定工作原理

58昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系电加热炉温闭环控制系统控制结构

图1.6闭环控制的电加热炉方框图

59昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系闭环控制系统特点系统的输出端与输入端存在反馈回路，输出量对系统的控制作用发生影响的系统。存在从输入端到输出端的信号前向通道和从输出端到输入端的信号反馈通路，形成一个闭合的回路。按偏差控制，有抗扰动能力，精度高。结构复杂，稳定性降低，实现较困难。60昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系闭环控制系统应用

广泛应用各行业控制器设定温度Td(t)室内温度T(t)比较器室内温度

测量空调压缩机闭环例：空调控制系统61昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系现代化的工厂62昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系棉纺厂63昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系复合控制系统

两种基本形式

1按参考输入前馈补偿2按扰动前馈补偿

图1.7复合控制系统

64昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系1.3自动控制系统的基本构成

图1.8闭环控制系统的一般构成65昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系反馈的多样性：负反馈、正反馈例：已知铀235原子核在一个中子的撞击下，可发生核裂变反应，放出大量的能量，同时释放大约2.5个中子，放出的中子有可能再与铀235原子核发生核反应，这就是所谓核裂变的链式反应。66昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系核裂变反应式初始中子实际中子数有效中子率++有效中子数正反馈例：核爆能量67昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系负反馈例子：核电站控制电流i石墨棒电离室反应堆石墨反应堆示意图68昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系功率测量值功率控制器反应堆设定功率输出功率传感器+-偏差E(t)输入变量r(t)输出变量y(t)被测变量=反应堆中子数负反馈例子：核电站控制69昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系1.4自动控制系统的分类和应用按控制方式

开环控制闭环控制(反馈控制)复合控制

70昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系机械系统——恒张力系统电气系统机电系统——全自动照相机，光机电结合液压系统——伺服液压缸，汽车发动机，大型的仿真模拟台气动系统生物系统按元件类

型分71昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系按系统功用分温度控制系统压力控制系统位置控制系统

72昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系线性系统非线性系统连续系统定常系统时变系统确定性系统不确定性系统按系统性能分离散系统73昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系线性系统和非线性系统组成系统元器件的特性均为线性的,可用一个或一组线性微分方程来描述系统输入和输出之间的关系。线性系统的主要特征是具有齐次性和叠加性。

1.线性系统

2.非线性系统

在系统中只要有一个元器件的特性不能用线性微分方程描述其输入和输出关系,则称为非线性系统。非线性系统还没有一种完整、成熟、统一的分析法。通常对于非线性程度不很严重,或做近似分析时,均可用线性系统理论和方法来处理。非线性系统分析将在第八章专门讨论。

74昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系连续系统和离散系统1.连续系统

系统中所有元件的信号都是随时间连续变化的,信号的大小均是可任意取值的模拟量,称为连续系统。

2.离散系统

离散系统是指系统中有一处或数处的信号是脉冲序列或数码。若系统中采用了采样开关,将连续信号转变为离散的脉冲形式的信号,此类系统称为采样控制系统或脉冲控制系统。若采用数字计算机或数字控制器,其离散信号是以数码形式传递的,此类系统称为数字控制系统。75昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系定常系统和时变系统

1.定常系统

如果描述系统特性的微分方程中各项系数都是与时间无关的常数,则称为定常系统。该类系统只要输入信号的形式不变,在不同时间输入下的输出响应形式是相同的。

2.时变系统

如果描述系统特性的微分方程中只要有一项系数是时间的函数,此系统称为时变系统。

76昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系按输入量变化规律

恒值控制系统

输入信号是一个恒定的数值。如：工业生产中的恒温、恒压等自动控制系统。

随动系统

输入信号是一个未知函数。要求控制系统的输出量跟随输入信号变化。如：火炮自动跟踪系统。