自动控制原理 课件 第1章 绪论

1《自动控制原理》

第一章绪论2参考资料王军，刘栋博，宋潇潇，舒欣梅，侯思颖，高秀梅.自动控制原理（第2版）.机械工业出版社，2024年.胡寿松主编.自动控制原理（第7版）.科学出版社，2019年.郑大钟主编.线性系统理论基本教程.清华大学出版社，2022年.KatsuhikoOgata著，卢伯英等译，现代控制工程（ModernControlEngineering）（第5版），电子工业出版社出版，2011年.邹伯敏主编，自动控制理论，机械工业出版社，2020.自动控制原理相关习题集等.31.1自动控制系统一般概念

1.3开环控制与闭环控制系统

1.4自动控制系统的分类1.5对控制系统的性能要求1.2自动控制理论的发展41.1自动控制系统一般概念“标准清晰度”大脑手收音机“实际清晰度”耳收听电台节目时人的控制过程一、控制

为达到某一目的而施加的作用。5液面位置的人工控制过程第一节自动控制系统一般概念6Desiredtemperaturefurnacethermometergasmixervalveairoperator第一节自动控制系统一般概念7第一节自动控制系统一般概念二、自动控制就是指在脱离人的直接干预，利用控制装置（简称控制器）使被控对象（或生产过程等）的某一物理量（如温度、压力、PH值等）准确地按照预期的规律运行。8三、自动控制系统是指实现上述控制目的，由相互制约的各部分按一定规律组成的具有特定功能的整体。第一节自动控制系统一般概念液面位置的自动控制过程﹣U﹢U减速器水位H水槽入水量出水量电机浮子9GasMixerAirValveMotorAmplifierUTPotentiometerURAmplifierFurnaceThermocouple第一节自动控制系统一般概念101.2自动控制理论的发展和应用1、经典控制理论

2、现代控制理论

3、大系统理论

4、智能控制理论线性控制系统非线性控制系统采样控制系统自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。既是一门古老的、已臻成熟的学科，又是一门正在发展的、具有强大生命力的新兴学科。从1868年马克斯威尔（J.C.Maxwell）提出低阶系统稳定性判据至今一百多年里，自动控制理论的发展可分为四个主要阶段：111、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；调整方向盘改变工程汽车的运动轨迹等。

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。12

3、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。

134、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。

14自动控制理论应用航空过程控制航天日常生活运动控制无处不在提高产量，降低成本提高精度、可靠性151.3开环控制与闭环控制系统输出不影响输入，对输出不需要测量，通常容易实现；组成系统的元部件精度高，系统的精度才能高；系统的稳定性不是主要问题；一、开环控制：开环控制是指控制器与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制过程。主要特点：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,如自动售货机，自动报警器，自动流水线等。

控制器被控制对象给定值输出量按给定值控制的原理方框图16闭环控制系统开环控制系统17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。二、闭环控制：是指控制器与控制对象之间既有顺向作用又有反向联系的控制过程。主要特点：控制方式：反馈控制，反馈按反馈极性的不同分成两种形式：正反馈，负反馈。我们所讲述的反馈系统如果无特殊说明，一般都指负反馈。控制器被控制对象输入量输出量闭环控制典型方框图扰动-18被控对象：要求实现自动控制的机器，设备或生产过程。控制器：对被控对象起控制作用装置的总体。比较元件：将输入量与反馈量进行比较，得到偏差信号。检测元件（测量元件）：检测输出量，并转化成与输入量同一物理量信号。控制器被控对象测量元件-扰动N(s)三、闭环系统的组成基本的物理量：输出量：表现于控制对象或系统输出端，并要求实现自动控制的物理量。输入量：作用于控制对象或系统输入端，并可使系统具有预定功能或预定输出的物理量。扰动：所有妨碍控制量对被控量按要求进行正常控制的因素，称为干扰量或扰动量。19三、闭环系统的组成由上述举例表明，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。放大器串联校正变换放大执行元件被控对象测量元件并联校正--20举例1:温控系统——自动控制

控制目标：要求炉子的温度恒定在期望的数值上。电压放大器功率放大器Eru+_+_炉子热电偶电热丝给定信号电动机减速器调压器220+_电压放大器功率放大器电机、减速器、调压器炉子热电偶_实际温度期望温度控制过程：211.4自动控制系统的分类一、按描述系统的数学模型不同来分类

1、线性系统

特点：系统由线性元件构成，描述运动规律的数学模型为线性微分方程。运动方程一般形式：

式中：r(t)——系统输入量；c(t)——系统输出量

主要特点是具有叠加性和齐次性。222、非线性系统

特点：在构成系统的环节中有一个或一个以上的非线性环节。

非线性的理论研究远不如线性系统那么完整，目前尚无通用的方法可以解决各类非线性系统。

二、系统按给定信号的特点分类

1、恒值控制系统

特点：输入信号是一个恒定的数值。如工业过程中恒温、恒压、恒速等控制系统。

2、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。253、随动系统（或称伺服系统）25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。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。26三、按系统传输信号的性质来分类

1、连续系统

特点：系统各部分信号都是模拟的连续函数。目前工业中普遍采用的常规仪表PID调节器控制的系统。

2、离散系统

特点：系统的某一处或几处信号以脉冲序列或数码形式传递的控制系统。系统中用脉冲开关或采样开关，将连续信号转变为离散信号。其中离散信号以脉冲形式传递的系统又叫脉冲控制系统，离散信号以数码形式传递的系统又叫数字控制系统。27蒸汽发电机协调控制（计算机控制）预期的氧气含量、温度、压力、发电量给水燃料空气28其他的分类方法：

按功能来分：温度控制系统、速度控制系统、位置控系统等。

按元件组成分：机电系统、液压系统、生物系统等。291.5对控制系统的性能要求对控制系统性能的要求概括为三方面:1、稳定性控制系统运行的必要条件，不稳定的系统是不能工作的。2、稳态性能过渡过程结束，到达稳态后系统的控制精度的度量。3、瞬态（暂态）性能

系统动态响应的快速性，系统的过渡过程越短越好。为了实现自动控制的基本任务，必须对系统在控制过程中表现出来的行为提出要求。对控制系统的基本要求，通常是通过系统对特定输入信号的响应来满足的。例如，用单位阶跃信号的过渡过程及稳态的一些特征值来表示。30

系统在受到扰动作用后自动返回原来的平衡状态的能力。如果系统受到扰动作用（系统内或系统外）后，能自动返回到原来的平衡状态，则该系统是稳定的。稳定系统的数学特征是其输出量具有非发散性；反之，系统是不稳定系统。

一、稳定性31二、稳态误差

指稳定系统在完成过渡过程后的稳态输出偏离希望值的程度。开环控制系统的稳态误差通常与系统的增益或放大倍数有关，而反馈控制系统（闭环系统）的控制精度主要取决于它的反馈深度。稳态误差越小，系统的精度越高，它由系统的稳态响应反映出来。稳态误差=输出希望值-实际值