自动控制理论的一般概念

自动控制理论的一般概念课程的性质和特点自动控制是一门技术学科，它是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，该课程与其他课程的关系如下: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）第2页,共49页，2024年2月25日，星期天课程的性质和特点自动控制理论已经发展为理论严密、系统完整、逻辑性很强的一门学科。从基本反馈控制原理发展到自适应控制、优化控制、鲁棒控制、大系统控制、智能控制。第3页,共49页，2024年2月25日，星期天课程的性质和特点

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讨论的对象：因果系统、工程系统

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系统的广义性：经济、社会、工程、生物、环境、医学

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课程特点：研究系统的共性问题

数学模型实际系统物理模型方法（系统组成分析、设计）第4页,共49页，2024年2月25日，星期天第一章自动控制理论的一般概念

1.1自动控制系统一般概念1.2自动控制的基本方式1.3典型控制系统举例1.4对控制系统的基本要求第5页,共49页，2024年2月25日，星期天教学重点了解自动控制系统的基本结构和特点及其工作原理；了解闭环控制系统的组成和基本环节；掌握反馈控制系统的基本要求－稳定性、动态和稳态性能指标；学会自动控制系统的类型及本质特征。第6页,共49页，2024年2月25日，星期天教学难点

自动控制系统的基本工作原理，自动控制系统的结构及特点、组成和基本环节，自动控制系统的性能指标，自动控制系统的类型。第7页,共49页，2024年2月25日，星期天概述：在人类社会走向信息化的今天，计算机、通信、信息处理技术的发展对社会经济以及人类生活产生了巨大影响。其中，自动控制作为一种技术手段已经广泛地应用于工业、农业、国防以及日常生活和社会科学的各个领域。自控理论：自动控制理论就是研究自动控制共同规律的科学技术，自动控制原理仅是工程控制论中的一个分支，是研究控制系统分析和设计的一般理论。本章内容：本章是自动控制技术及应用的基础，主要介绍自动控制的基本原理和概念，自动控制系统的组成和分类，以及自动控制系统的性能指标等。第8页,共49页，2024年2月25日，星期天1.1自动控制理论的发展控制理论的发展过程一般可分为三个阶段：

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“经典控制理论”时期

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“现代控制理论”时期

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“大系统理论”和“智能控制”时期第9页,共49页，2024年2月25日，星期天1.经典控制理论●

研究对象：单输入－单输出系统（线性定常系统）●

研究方法：以传递函数、频率特性、根轨迹为基础的频域分析方法。●

代表人物：维纳（《控制论》）、伯德（伯德图法）和伊文思（根轨迹法）。第10页,共49页，2024年2月25日，星期天2.现代控制理论●

研究对象：多输入－多输出系统（线性定常或非线性时变）●

研究方法：状态空间方法●

代表人物：庞特里亚金（极大值原理）、贝尔曼

（动态规划原理）、卡尔曼（卡尔曼滤波）等第11页,共49页，2024年2月25日，星期天研究对象数学工具分析方法局限性经典控制理论单I/O线性定常系统微分方程，传递函数时域法频域法根轨迹法对复杂多变量系统、时变和非线性系统无能为力现代控制理论多输入-多输出变系数，非线性等系统线性代数、矩阵理论状态空间法比较繁琐（但由于计算机技术的迅速发展，已克服)第12页,共49页，2024年2月25日，星期天3.大系统理论和智能控制●

关系：前者是控制理论在广度上的开拓，后者是控制理论在深度上的挖掘。●

研究内容：“大系统理论”通过采用控制和信息的观点，研究各种大系统的结构方案、总体设计中的分解方法和协调等问题。“智能控制”通过模拟人类智能活动及其控制与信息传递过程的规律，研究具有某些仿人智能的工程控制与信息处理系统。

第13页,共49页，2024年2月25日，星期天1.2自动控制系统的基本原理1.自动控制系统的基本概念●

自动控制：没有人的直接干预，利用控制装置使被控对象（如生产设备）的工作状态或被控制量按照预定的规律运行。●

自动控制系统：实现上述自动控制的目的，由相互联系和制约的各部件组成的具有特定功能的整体称为自动控制系统。

第14页,共49页，2024年2月25日，星期天2.自动控制系统的组成基本工作原理：通过测量装置随时监测被控量，并与给定值进行比较，产生偏差信号；根据控制要求对偏差进行计算和信号放大，并且产生控制量，驱动被控制量维持在期望值附近。第15页,共49页，2024年2月25日，星期天自动控制系统组成：由被控对象以及为完成控制任务而配置的控制装置两大部分构成。图1-1自动控制系统框图第16页,共49页，2024年2月25日，星期天●

被控对象：是控制系统所控制和操纵的对象，它接受控制量并输出被控量。可以是一套装置或设备，也可以是一个动态过程（被控制的运行状态）。如化工行业中从原料到产品的生产工艺流程。●

测量环节：其作用是检测被控对象的控制量（温度、压力、流量、位移等），并且一般需要转换为标准的电信号（如0~5V直流电压或0~10mA直流电流），以便于处理。为了保证控制精度，测量环节应当测量准确，并且牢固、可靠，受环境条件影响小。●

比较环节：其作用是将测量环节的实际输出值与给定量进行比较，求出它们之间的偏差。通常采用的比较元件有差动放大器、电桥、机械的差动装置等。第17页,共49页，2024年2月25日，星期天●

计算环节：它是控制装置的核心，决定着控制系统性能的好坏。其作用是根据控制要求，对偏差信号进行各种计算并形成适当的控制作用。校正装置就是可以实现某种“控制规律”的计算环节，从而改善系统的动态、稳态性能。对于复杂的运算可以利用计算机完成。●

放大环节：由于经过计算机处理的信号通常是标准化的弱信号，不能驱动被控对象，因此需要加以放大。放大环节的输出必须有足够的能量，一般需要幅值的放大和功率的放大，才能实现驱动能力。●

执行环节：其作用是产生控制量，直接推动被控对象的控制量发生变化。如电动机、调节阀门等就是执行元件。第18页,共49页，2024年2月25日，星期天常用的名词术语●

给定量：又称为参考输入，是指人为给定的并且要求系统输出量参照变化的外部指令信号。给定量与期望的输出量之间一般存在着物理量纲转换关系。给定量可以是常值，也可以是随时间变化的已知函数或未知函数。●

被控量：又称为输出量，是指被控对象中某个需要被控制的物理量。它与给定量之间存在一定函数关系。●

干扰：又称为扰动信号，是指由某些因素（外部和内部）引起的、对系统被控量产生不利影响的信号。第19页,共49页，2024年2月25日，星期天●

反馈：是系统的输出量从被控量端（输出）经变换、处理到达系统的给定量端（输入）。若是从系统输出端到系统输入端，这种反馈称为主反馈；而其他反馈称为局部反馈。●

前向通道：是从系统的给定量端（输入）到被控量端（输出）所经过的通路。●

偏差：是给定量与反馈量之差。●

误差：是系统输出量的实际值与期望值之差。系统期望值是理想化系统的输出，实际中很难达到。在单位反馈情况下，期望值就是系统的给定量，则误差就等于偏差。●

系统：是一些部件的组合，能完成一定的任务。系统的概念可以应用于抽象的动态现象。第20页,共49页，2024年2月25日，星期天1.3自动控制系统的分类●按系统结构分类●按系统输入信号分类●按系统数学模型分类●按系统参数特性分类●按系统时间变量特性分类●其他分类方法第21页,共49页，2024年2月25日，星期天1.按系统结构分类（1）开环控制系统工作原理：在控制器和被控对象之间只有正向控制而没有反馈控制，即系统的输出量对控制量没有影响。

图1-2开环控制系统原理框图第22页,共49页，2024年2月25日，星期天一.开环控制例:电炉温度控制系统分析控制组成(a)原理图温度计

加热电阻丝u~220Vk输入量控制装置被控对象输出量术语第23页,共49页，2024年2月25日，星期天(电源)输出量输入量开关加热电阻丝

电炉

恒温箱

受控对象(温度)扰动量控制装置(b)方块图扰动输出量输入量控制装置受控对象开环控制系统的方框图

温度计

加热电阻丝u~220Vk第24页,共49页，2024年2月25日，星期天开环控制系统特点：信号从输入到输出无反馈,单向传递.结构简单.控制精度不高,无法抑制扰动.

开环控制

控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制。分析控制过程

u->tt－－？

温度计

加热电阻丝u~220Vk第25页,共49页，2024年2月25日，星期天控制器被控制对象给定值输出量

控制的原理方框图控制方式：按给定值操纵。信号由给定值至输出量单向传递。一定的给定值对应一定的输出量。系统的控制精度取决于系统事先的调整精度。对于工作过程中受到的扰动或特性参数的变化无法自动补偿。结构简单，成本低廉，多用于系统结构参数稳定和扰动信号较弱的场合.第26页,共49页，2024年2月25日，星期天例:直流电动机转速开环控制系统。

输出量对输入量没有影响的系统称为开环系统

第27页,共49页，2024年2月25日，星期天(2)闭环控制系统工作原理：根据被控量的反馈信息，即实际输出量，来修正控制装置对被控对象的控制作用，实现控制任务。图1-3闭环控制系统原理框图第28页,共49页，2024年2月25日，星期天二、闭环控制第29页,共49页，2024年2月25日，星期天控制过程：控制任务：保持工作机械恒速运行.

nuf@uuan第30页,共49页，2024年2月25日，星期天反馈：输出量送回至输入端并与输入信号比较的过程负反馈：反馈的信号与输入信号相减而使偏差越来越小第31页,共49页，2024年2月25日，星期天

闭环控制:是指控制器与控制对象之间既有顺向作用有反向联系的控制过程。输入量输出量闭环控制典型方框图扰动输出影响输入，所以能削弱或抑制干扰；低精度元件可组成高精度系统；因为可能发生超调，振荡，所以稳定性很重要。特点：控制器被控制对象-第32页,共49页，2024年2月25日，星期天

三.开环控制与反馈控制的比较

开环:优点结构简单，成本低廉，工作稳定，当输入信号和扰动能预先知道时，控制效果较好。缺点不能自动修正被控制量的偏离，系统的元件参数变化以及外来的未知扰动对控制精度影响较大。闭环:优点具有自动修正被控制量出现偏离的能力，可以修正元件参数变化及外界扰动引起的误差，控制精度高。

缺点：被控量可能出现振荡，甚至发散。第33页,共49页，2024年2月25日，星期天四、闭环控制系统的术语和定义

主反馈—与输出成正比或某种函数关系，但量纲与给定信号相同；偏差—给定信号与主反馈信号之差的信号；控制单元—接受偏差信号，通过转换与运算，产生期望的控制量；扰动—对系统输出产生不利影响的信号；反馈环节—检测输出信号并转换与给定输入信号相同量纲的信号；第34页,共49页，2024年2月25日，星期天输出量环节名称(或特性)输入量(a)

(-)(b)re=r-b

b(c)c引出点cc闭环控制系统的方框图

方框图的组成：被控量偏差信号

(-)

参考输入信号r(t)

调节器(或控制器)u(t)受控系统e(t)c(t)反馈信号

控制量

扰动

给定

控制环节

放大

元件

执行

机构

受控

对象

反馈装置(测量元件)第35页,共49页，2024年2月25日，星期天闭环系统的组成

:尽管控制系统不同，复杂各异，但基本组成是类同的，即闭环系统的基本组成为：(1)比较元件；(2)放大元件；(3)执行元件；(4)校正元件；(5)被控对象；(6)测量元件。放大整形串联校正变换放大执行元件被控对象测量元件并联校正--第36页,共49页，2024年2月25日，星期天(3)复合控制系统工作原理：闭环控制与开环控制相结合的一种自动控制系统。在闭环控制的基础上，附加一个正馈通道，对干扰信号进行补偿，以达到精确的控制效果。

图1-4复合控制系统原理框图第37页,共49页，2024年2月25日，星期天2.按系统输入信号分类（1）恒值控制系统

系统的输入信号是某一恒定的常值，要求系统能够克服干扰的影响，使输出量在这一常值附近微小变化。

举例：连续生产过程中的恒温、恒压、恒速等自动控制系统。

（2）程序控制系统

系统的输入信号是某一已知的时间函数（不是常数），要求系统按照该时间函数进行顺序操作。举例：数控机床按给定程序加工一个工件、家用洗衣机等。

第38页,共49页，2024年2月25日，星期天（3）随动控制系统（或称伺服控制系统）系统的输入信号是一个未知的随时间任意变化的函数，要求输出量能够精确地跟随输入信号变化，称为随动控制系统。随动控制系统中的被控量是机械位置或其导数时，称为伺服控制系统。

举例：导弹自动跟踪系统等。

第39页,共49页，2024年2月25日，星期天3.按系统数学模型分类（1）线性系统

系统的运动规律可以用一个或一组线性微分方程来描述。

线性系统的运动方程一般形式为式中，为输入量；为输出量。第40页,共49页，2024年2月25日，星期天线性系统的两个重要特性叠加性：当同时存在几个输入量时，线性系统的输出量等于各输入量单独作用时所产生的输出量之和。即若当系统的输入分别为和时，对应的输出分别为和，则当和同时作用时，输出量为。齐次性：当输入量增大或缩小Ｋ(Ｋ为实数)倍时，线性系统的输出量也增大或缩小相同倍数。即若系统的输入为时，对应的输出为，则当输入量为时，输出量为。第41页,共49页，2024年2月25日，星期天（2）非线性系统●

特点：系统某一环节具有非线性特性，不满足叠加原理。●

典型的非线性特性：继电器特性、死区特性、饱和特性、间隙特性等。

图1-5典型的非线性特性第42页,共49页，2024年2月25日，星期天4.按系统参数特性分类（1）定常系统系统参数在系统运行过程中相对于时间是不变的。举例：许多物理系统在所观察的时间范围内，可以认为参数是定常的，它的微小变化可以忽略不计。（2）时变系统系统中的参数是时间的函数。举例：在工程上的大部分系统属于这类系统。

第43页,共49页，2024年2月25日，星期天5.按系统时间变量特性分类

（1）连续时间系统控制系统各环节的输入量和输出量均为时间的连续函数。举例：工业生产中普遍采用的常规仪表控制系统。（2）离散时间系统控制系统中有一处或一处以上的信号是脉冲序列或数字编码，又称为采样控制系统。图1-6采样控制系统方框图第44页,共49页，2024年2月25日，星期天

随着数字计算机技术的飞速发展，计算机作为控制器已经广泛引入控制系统中。计算机控制系统就是通过A/D转换器，将采样信号转换为数字信号进行运算、处理，得到的结果再经过D/A转换器转换为模拟信号，用以驱动执行机构。

图1-7计算机控制系统方框图第45页,共49页，2024年2月25日，星期天６.其他分类方法●

按控制系统的输入、输出数量分类，有单输入