第一章 自动控制原理

1自动控制原理

上海电机学院陈国初2内容讲课实验其他1、控制系统概述42、控制系统的数学模型103、控制系统的时域分析124、根轨迹法85、频率响应法126、控制系统的校正6实验8共计528学时安排3成绩评定说明：总成绩=平时（作业、实验、出勤、课题讨论，等）*40%+期末考试（闭卷）*60%辅导安排：地点：技术中心B区403室时间：每周二上午9:00---11:00联系方式：电话_mail：chengc@4序号内容时间地点1典型环节性能分析第6周技术中心A区702实验室2线性控制系统的时域响应分析第9周3控制系统的稳定性分析第10周4Simulink在控制中的应用第17周实验安排5参考资料胡寿松自动控制原理(第四版)，科学出版社孙炳达自动控制原理(第二版),机械工业出版社吴麒自动控制原理，清华大学出版社BenjaminC.Kuo,Automaticcontrolsystems,JohnWiley&Sons,Inc.(美)富兰克林自动控制原理与设计（英文版·第5版）(FeedbackControlofDynamicSystems)

自动控制原理课程的主要任务本课程的主要内容是阐述构成、分析和设计自动控制系统的基本理论。对实际系统,建立研究问题的数学模型,进而利用所建立的数学模型来讨论构成、分析、综合自动控制系统的基本理论和方法。作为研究自动控制系统的分析与综合的方法来说,对单输入单输出系统常采用的是时域法,频域法,根轨迹法以及目前广泛应用的计算机辅助设计。7本课程主要内容之间的关系自动控制系统分析与设计工具9《自动控制原理》

与其它课程的关系自动控制原理电机与拖动电子技术线性代数微积分（含微分方程）复变函数、拉普拉斯变换电路理论大学物理（力学、热力学）电力电子技术各类控制系统课程10第1章控制系统概述Chapter1IntroductiontoControlSystems111.1概述1、自动控制定义

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（称控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称被控对象）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。12Whyarecontrolsystemsimportant?(1)控制系统无处不在.(2)提高产量，降低成本.(3)提高精度、可靠性.(4)能够在许多人不到达的场所发挥作用.13如：

电炉温度控制系统2、自动控制系统的组成先看人工控制系统的实例分析：14151617人工控制系统的组成：液位控制系统示例当系统受到外界扰动的影响时为使被控变量（液位）与设定值保持一致检测被控变量，并与设定值比较得到偏差按一定控制规律对偏差运算输出信号驱动操纵变量（流量）最终使被控变量回复到设定值变送器检测液位控制器对偏差进行运算执行器改变操纵变量自动控制系统实例：压力控制系统的示例当系统受到外界扰动的影响时为使被控变量（压力）与设定值保持一致检测被控变量，并与设定值比较得到偏差按一定控制规律对偏差运算输出信号驱动操纵变量（流量）最终使被控变量回复到设定值变送器检测压力控制器对偏差运算执行器改变操纵变量温度控制系统示例当系统受到外界扰动的影响时为使被控变量（温度）与设定值保持一致检测被控变量，并与设定值比较得到偏差按一定控制规律对偏差运算输出信号驱动操纵变量（流量）最终使被控变量回复到设定值变送器检测温度控制器对偏差运算执行器改变操纵变量3、自动控制系统的框图

控制系统由被控对象、检测变送、控制器和执行器等组成22简单自动控制系统方框图简单自动控制系统是只对一个被控参数进行控制的单回路闭环控制系统，是构成复杂自动控制系统的基础。典型结构框图如下：23自动控制系统的一些常用术语

给定元件:

它的作用是给出一个给定值，给定值和被控量（如电压、电流、转速、温度等）之间有一定的函数关系（如成比例关系）。改变给定值，就可以改变被控量。在当前的计算机控制中，给定值一般可以由计算机给出，因此没有专用的给定元件。

测量元件和变送器:它的作用是把被控量检测出来并反馈到输入端，反馈量和被控量之间也有一定的函数关系。例如，压力传感器就是一测量变送元件。

比较元件:它将反馈量和给定值比较，得出差值（偏差）。反馈控制系统就是利用差值进行调节的。有的系统配以专用的比较器（如：运算放大器、机械差动元件或电桥等），大部分是以隐藏的方式合并在其他控制装置中，如计算机控制系统等。24

调节元件:

或称调节器、控制器，它接收偏差信号或者输入信号，通过一定的运算规律进行运算后得出相应的控制信号，送到执行元件。如常规控制仪表、可编程控制器、工业控制计算机等都属于控制器。例如，压力调节器就是调节元件。

执行元件:或称执行调节机构，它的作用是接收调节器发出的控制命令，移动调节机构，以改变被控量。例如，变频器及泵电动机就是执行元件。

控制对象：或称被控对象、调节对象，电动机、电动机带动的机械负载、发电机、电炉等都是控制对象，相应的被控量是转速、位移、电压、电流、温度等。例如，电动机驱动的水泵就是控制对象。在自动控制系统中，被控对象中需要控制的那个参数叫被控参数（或称被控量、被调量），被控参数要求保持的那个规定值称为给定值。凡影响被控参数偏离给定值的各种因素，统称为干扰。被控对象变送器计算机检测元件控制器执行器自动控制系统框图的几点说明符号元素：（1）：元件（2）：信号（物理量）及传递方向（3）：比较点（信号叠加）（4）：引出点（分支、信号强度）（5）+/-：符号的意义（正、负反馈）33自己也可以试着举例:日常生活：洗衣机，电冰箱，空调；电梯，汽车；工业领域：发电机，电动机，变电站；自动包装机；航空航天：飞机，火箭，卫星。34工程应用中的具体例子

数控车床按照预定程序自动地切削工件；化学反应炉的温度或压力自动地维持恒定；雷达和计算机组成的导弹发射和制导系统，自动地将导弹引导到敌方目标；无人驾驶飞机按照预定航迹自动升降和飞行；(见图示)

人造卫星准确地进入预定轨道运行并回收等。(见图示)

生物、医学、环境、经济管理。。。35363738391.2自动控制系统的基本形式

自动控制系统的形式是多种多样的，按照不同的分类方法可以分成不同的类型，而且实际系统往往可能是几种方式的组合。如：根据控制原理来分类，可以分为开环控制、闭环控制与复合控制系统；根据给定的参考输入信号的不同来分类，可以分为恒值控制系统与随动控制系统；根据系统数学性质的不同来分类，可以分为线性系统与非线性系统；根据时间信号的不同方式来分类，可以分为连续时间系统与离散时间系统；从端口关系上来分类，可以分为单输入—单输出系统与多输入—多输出系统等等。40

开环控制是最简单的一种控制方式。它的特点是，控制量与输出量之间仅有前向通路，而没有反馈通路。由于开环控制系统结构简单、维护容易、成本低、不存在稳定性问题，因此应用于许多对输出量（如转速、温度、电压）的精确度要求不高的场合。其缺点是：输出量不能对控制量产生影响，控制精度取决于组成系统的元件的精度，因此对元器件的要求比较高；由于输出量不能反馈回来影响控制量，所以输出量受扰动信号的影响比较大，系统抗干扰能力差。根据上述特点，开环控制方式仅适用于输入量已知、控制精度要求不高、扰动作用不大的场合。41

闭环控制又称反馈控制，它不仅有一条从输入端到输出端的前向通路，还有一条从输出端到输入端的反馈通路。输出量通过检测元件反馈到输入端，与输入量（给定值）比较后得到偏差信号来作为控制器的输入，利用偏差信号实现对输出量的控制或者调节，所以系统的输出量能够自动地跟踪给定量，减小跟踪误差，提高控制精度，抑制扰动信号的影响。除此之外，负反馈构成的闭环控制系统还有其他的优点：使得系统对前向通路中元件参数的变化不灵敏，从而系统对于前向通路中元件的精度要求不高，还可以使得整个系统对于某些非线性影响不灵敏等。

42反馈控制系统（闭环控制系统）根据系统被控量与给定值的偏差进行工作，偏差值是控制的依据，最后达到减小或消除偏差的目的反馈信号可能有多个，从而可以构成多回路控制系统（如串级控制系统）。

电炉温度反馈控制系统原理图复合控制系统（前馈-反馈控制系统）

中国古代自动化方面的成就：公元前14世纪至前11世纪，中国、埃及和巴比伦出现自动计时漏壶；公元130年，张衡发明水运浑象，132年研制出自动测量地震的候风地动仪；公元235年，马钧研制出用齿轮传动自动指示方向的指南车，类似按扰动补偿的自控系统；1.3自动控制理论的发展中国古代自动化方面的辉煌成就：公元725年，一行、梁令瓒发明有自动报时机构的水运浑象，其中使用了一个天衡装置，是一个按被调量偏差调节的自动调节器；公元1086-1092年，苏颂和韩公廉建造具有“天衡”自动调节和自动报时机构的水运仪象台；公元1135年，宋代王普记述“莲华漏”上使用浮子—阀门式机构自动调节漏壶的水位；公元1637年，明代的《天工开物》一书中记载有程序控制思想的提花织机结构图。飞球调节器世界上公认的第一个自动控制系统1788年瓦特发明飞球调节器，进一步推动蒸汽机的应用，促进了工业的发展。推动了社会进步是飞球调节器公认为第一个自动控制系统的最主要原因！没有理论指导使控制技术停滞了一个世纪！

飞球调节器有时使蒸汽机速度出现大幅度振荡。其它自动控制系统也有类似现象。由于当时还没有自控理论，所以不能从理论上解释这一现象。为了解决这个问题，盲目探索了大约一个世纪之久。自动控制理论的开端1868年英国麦克斯韦尔的“论调速器”论文指出（用微分方程描述蒸汽机离心调速器系统）：不应单独研究飞球调节器，必须从整个系统分析控制的不稳定。建立系统微分方程，分析微分方程解的稳定性，从而分析实际系统是否会出现不稳定现象。这样，控制系统稳定性的分析，变成了判别微分方程的特征根的实部的正、负号问题。麦克斯韦尔的这篇著名论文被公认为自动控制理论的开端。经典控制理论的孕育1875年，英国劳斯提出代数稳定判据。1892年，俄国李雅普诺夫提出稳定性定义和两个稳定判据（更高层面、更一般系统、更深理论）。1895年，德国赫尔维兹提出代数稳定判据（和劳斯判据有类似之处）。1932年，美国奈奎斯特提出奈氏稳定判据。二战中自动火炮、雷达、飞机以及通讯系统的控制研究直接推动了经典控制的发展。经典控制理论的形成●1948年，伊万思提出根轨迹方法●1948年，维纳出版《控制论》，形成完整的经典控制理论，标志控制学科的诞生。

维纳成为控制论的创始人！●维纳《控制论》是关于怎样把机械元件和电气元件组合成稳定的并且具有特定性能的系统的科学。这门新科学的一个非常突出的特点就是完全不考虑能量、热量和效率等因素，可是，在其他各门自然科学中，这些因素是十分重要的。●控制论所讨论的主要问题是一个系统的各个不同部分之间的相互作用的定性性质，以及整个系统的总体运动状态。空间技术促使现代控制理论的产生现代控制理论促进了空间技术的发展二次世界大战结束后，各国大力发展空间技术，经典控制理论不能满足需要，需要研究新的控制理论。现代控制理论在空间技术取得巨大成功，促进了空间技术的发展。现代控制理论的几个重要成果

20世纪50年代末，随着计算机的发展与航天技术的革命，逐渐形成了现代控制理论。●1956年，前苏联庞特里亚金提出最大值原理●1957年，美国贝尔曼提出动态规划理论。●1960年，卡尔曼提出了状态空间法、能控性与能观性的概念，被认为是现代控制理论的开端。

与经典控制理论相比，状态空间法能够从系统内部物理量对系统进行描述，相当于对系统建立了白箱模型，使得控制更加有效。

卡尔曼还提出最优滤波理论---卡尔曼滤波器。55

从20世纪60年代至今，现代控制理论迅速发展，逐渐形成了线性系统理论、最优控制理论、动态系统辨识、自适应控制、大系统理论、鲁棒控制、智能控制等学科的分支。

现代控制理论是在经典控制理论的基础上发展以来的，它克服了经典控制理论应用范围受限和黑箱理论描述系统等缺点；现代控制理论以状态空间法为基础，研究单输入---单输出、多输入-多输出、定常或时变、线性或非线性等控制系统的分析与设计。现代控制理论在工业过程控制方面遭遇滑铁卢，促使了智能控制技术的诞生现代控制理论在空间技术取得巨大成功，但由于工业过程控制中普遍存在的不确定性和干扰，难以取得预期的效果。模拟人的控制技术——智能控制，虽然不能实现精确的控制，但对各种复杂系统能够做到比较满意的控制。经典控制理论(古典控制理论)以传递函数为基础，研究单输入---单输出定常控制系统的分析与设计问题：线性控制系统分析：时域分析、稳定性与稳态误差分析、根轨迹分析、频域分析。非线性控制系统分析：相平面分析、描述函数分析。（连续控制系统、离散控制系统）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、高精度、高效能控制系统的分析与设计问题：（线性系统、自适应控制、最优控制、鲁棒控制、最佳估计、容错控制、系统辨识、集散控制、大系统复杂系统）智能控制（专家系统、模糊控制、神经网络、遗传算法）611、经典控制理论

研究的主要对象是单输入、单输出——单变量系统。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。2、现代控制理论研究的主要对象是多输入、多输出——多变量系统。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。计算机科学地发展，极大地促进了控制科学地发展。62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63自动控制理论的内容自动控制理论经典控制理论(19世纪中叶--20世纪50年代)线性非线性根轨迹法频域法时域法波波夫法李雅普诺夫法描述函数法相平面法采样控制Z变换法现代控制理论(60年代以来)状态反馈控制最优控制智能控制预测控制自适应控制模糊控制大系统多层分散控制643、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。

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4、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，。1.4自动控制系统的类型

1.按信号流向划分（1）开环控制系统信号流动由输入端到输出端单向流动。（2）闭环控制系统若控制系统中信号除从输入端到输出端外,还有输出到输入的反馈信号,则构成闭环控制系统,也称反馈控制系统,如图所示。2.按系统输入信号划分（1）恒值调节系统(自动调节系统)这种系统的特征是输入量为一恒值,通常称为系统的给定值。控制系统的任务是尽量排除各种干扰因素的影响,使输出量维持在给定值(期望值)。如工业过程中恒温、恒压、恒速等控制系统。（2）随动系统(跟踪系统)该系统的控制输入量是一个事先无法确定的任意变化的量,要求系统的输出量能迅速平稳地复现或跟踪输入信号的变化。如雷达天线的自动跟踪系统和高炮自动描准系统就是典型的随动系统。（3）程序控制系统系统的控制输入信号不是常值,而是事先确定的运动规律,编成程序装在输入装置中,即控制输入信号是事先确定的程序信号,控制的目的是使被控对象的被控量按照要求的程序动作。如数控车床就属此类系统。3.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。4.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。5.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。6.单输入单输出系统与多输入多输出系统(1)单输入单输出系统(单变量系统)系统的输入量和输出量各为一个,称为单输入单输出系统。(2)多输入多输出系统(多变量系统)若系统的输入量和输出量多于一个,称为多输入多输出系统。对于线性多输入多输出系统,系统的任何一个输出等于数个输入单独作用下输出的叠加。1.5自动控制系统性能的基本要求自动控制系统是否能很好地工作,是否能精确地保持被控量按照预定的要求规律变化这取决于被控对象和控制器及各功能元器件的特性参数是否设计得当。在理想情况下,控制系统的输出量和输入量,在任何时候均相等,系统完全无误差,且不受干扰的影响。实际系统中,由于各种各样原因,系统在受到输入信号(也包括扰动信号)的激励时,被控量将偏离输入信号作用前的初始值,经历一段动态过程(过渡过程)，则系统控制性能的优劣,可以从动态过程中较充分地表现出来。75

过程控制系统在运行中有两种工作状态，一种是稳态，此时系统没有任何外来干扰，同时设定值保持不变，因而被调量也不会随时间变化，整个系统处于稳定平衡的工况。另一种是动态，当系统受到外来干扰的影响或者在改变了设定值之后，原来的稳态遭到破坏，系统中各组成部分的输入输出量都相继发生变化，尤其是被调量也将偏离原稳态值而随时间变化，这时就称系统处于动态。经过一段时间调整后，如果系统是稳定的，被调量将会重新达到新设定值或其附近，系统又恢复稳定平衡工况。这种从一种稳态到达另一种稳态的历程称为过渡过程。由于被控对象总是不时受到各种外来干扰的影响，设置控制系统的目的也正是为了对付这种情况，因此系统经常处于动态过程。自动控制系统的过程

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一般说来，自动控制系统在阶跃扰动作用下的过渡过程有以下几种基本形式：

(1)单调过程或称非周期衰减过程，被控参数在给定值的一侧缓慢变化，最终能回到给定值。

(2)非周期发散过程被控参数在给定值的某一侧，逐渐偏离给定值，且随着时间的推移偏差越来越大，永远也回不到给定值。

(3)衰减振荡过程被控参数在给定值附近上下波动，但振幅逐渐减小，最终能回到给定值。

(4)等幅振荡过程被控参数在给定值附近上下波动且振幅不变，最终也不能回到给定值。

(5)发散振荡过程被控参数在给定值附近来回波动且振幅逐渐增大，偏离给定值越来越远。自动控制系统的过渡过程

78以上五种过渡过程可以归为两类：第一类为稳定的过渡过程，如(1)和(3)。它表明当系统受到干扰平衡被破坏时，经过调节器的工作，被控参数能逐渐恢复到给定值或达到新的平衡状态，这是我们所希望的。第二类为不稳定的过渡过程，如(2)、(