自动控制原理第一章学习资料

自动控制原理高等数学积分变换自动控制原理现代控制理论其它专业课程

1、是一门专业基础课

2、理论实践相结合理论性非常强，但又和实际应用紧密结合。

3、内容广泛自动控制原理课程特点学习自动控制原理的重要性3、本课程能为解决实际控制问题提供理论和方法1、本课程是自动化专业承上启下的课程2、自动控制技术是应用非常广泛的技术

电机控制、自动化生产线、火炮雷达控制、家用电器、机械、冶金、石油、化工、电力电子、航空、航海、航天、核反应堆等。4、学分较多本课程学习方法1、打好基础高等数学（微积分）、积分变换（拉氏变换）2、做好预习3、听好课讲课的速度较快、了解课程内容掌握基本理论和基本方法4、做好习题应用学到的基本理论和基本方法解决实际问题4

线性系统的根轨迹法……10自动控制原理2

控制系统的数学模型………………………….101

控制系统导论…….43

线性系统的时域分析…………..……….….125

线性系统的频域分析法.……………..106

线性系统的校正方法.…………….87

线性离散系统的分析.…………..108

非线性系统控制分析………..8（内容与课时分配）1.1自动控制的基本原理

1.2自动控制系统示例

第一章控制系统导论1.3自动控制系统的分类

1.4自动控制系统的基本要求

1、自动控制技术及其应用

20世纪以来，在工程和科学中，自动控制技术的发展起着极其重要的作用。

自动控制———在没有人直接参与的情况下，通过控制器使被控制对象或过程自动地按照预定的规律运行。

例如：导弹能命中目标、人造卫星能按预定轨道运行并返回地面、宇宙飞船能准确地在月球着陆并重返地球，都是由于自动控制技术的高速发展的结果。1.1

自动控制的基本原理在工业生产过程中，诸如对压力、温度、流量等方面的控制，也都是自动控制技术的重要组成部分。

自动控制技术在各个领域中的广泛应用，不仅提高了劳动生产率和产品质量，改善了劳动条件，而且在人类征服自然、探索新能源、发展空间技术和改善人民物质生活等方面起着十分重要的作用。2、自动控制理论

自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。自动控制原理是自动控制技术的基础原理，是一门理论性很强的工程科学。根据自控技术发展的不同阶段，自动控制理论一般划分为：经典控制理论和现代控制理论。

40~50年代形成适用于SISO（单输入－单输出）系统基于：二战军工技术目标：反馈控制系统的稳定基本方法：时域法、频域法、根轨迹分析法，理论发展较早，现已臻成熟。2.现代控制理论60~70年代形成适用于MIMO（多输入－多输出）系统基于：冷战时期空间技术、计算机技术目标：最优控制基本方法：状态空间法1.经典控制理论研究对象数学工具常用分析方法局限性经典控制理论SISO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MIMO时变、非线性等系统线性代数、矩阵理论状态空间法比较繁琐（但随着计算机技术的飞速发展，这一局限性已克服)

自动控制系统——指由控制装置与被控对象结合起来的，能够对被控对象的一些物理量进行自动控制的一个有机整体。1.被控对象：（要实现自动控制的机器设备或生产过程）2.被控制量：（被控制系统所要控制的物理量，一般指系统的输出量）3、反馈控制原理3.给定值：（被控制量需要达到的数值，又称期望值）4.扰动：（破坏控制量与被控制量之间正常函数关系的因素，称为系统的扰动。如扰动来自外部，叫做外扰，如果扰动来自内部，如系统中各元件参数的变化，称为内扰）

给定值和扰动通称为输入量。5.控制装置：（能对被控对象起控制作用的设备总称，又称控制器）例1.下面是一个具体的开环控制系统的例子，

直流电机转速控制系统。电位器（产生给定电压ur）如果0~10V转速0~1000转方框图为：电位器电压放大器可控硅功放直流电动机Purukn扰动ua例2引入闭环控制后的直流电机转速控制系统引入测速发电机，这时电压放大器的输入，如果外来的电网电压波动使电机的转速n，则由测速发电机确定的则则uk

，ua

则n，消除了偏差，控制转速稳定。——负反馈。方框图同开环系统相比，该系统由于干扰引起的转速误差要小得多。如果极性接错，这时电压放大器的输入，如果外来的电网电压波动使电机的转速n，则由测速发电机确定的则则uk

，ua

则n，则转速越来越大，电动机损坏，失去控制。——正反馈。电位器电压放大器可控硅放大器直流电动机测速机Purubuk-n扰动ua正反馈不能用于控制系统，用途——振荡器（正弦信号发生器）

起增强输入信号作用——正反馈。起减弱输入信号作用——负反馈。正反馈不能进行控制，会使系统的偏差越来越大。只有负反馈控制系统才能完成自动控制的任务。负反馈控制系统最大的特点：检测偏差，纠正偏差

——按偏差控制例：在日常生活中经常遇到的抽水马桶，也是一个典型的反馈控制系统。

水箱原来处于一个平衡状态，q1(t)=q2(t)=0。如果打开阀门，冲水，冲好后关上阀门，h(t)发生变化，水位下降，△h变大，通过浮子反馈到执行机构。机械杠杆带动活塞打开，q1(t)变大，使△h变小，浮子上浮，活塞也上升，直至达到新的平衡。原理方框图：这就是负反馈控制系统，检测偏差，然后调节，使偏差减小，直至消除偏差。——按偏差控制。机械杠杆活塞水箱浮子执行元件被控对象测量元件控制装置比较元件h0-h(t)q1(t)4、反馈(闭环)控制系统的基本组成给定元件：给出与系统输出量期望值相对应的系统输入量。测量元件：测量系统输出量的实际值，并把输出量的量纲转化成与输入量相同。执行元件：根据放大后的偏差信号产生控制动作，控制输出量，使之按输入量的变化而变化。比较元件：比较系统的输入量和主反馈信号，并给出两者之间的偏差。放大元件：对微弱的偏差信号进行放大和变换，使之具有足够的幅值和功率，以适应执行元件动作的要求。校正元件：结构或参数可调的元部件连接在系统，以改善其性能。比较、放大、校正元件统称校正装置。放大、校正元件存在于较复杂的系统。反馈控制系统基本组成（单回路系统）：反馈控制系统基本组成（多回路系统）：

给定比较校正放大执行元件对象输出测量元件输入控制器主反馈：直接取自系统输出端，经过测量和变换，又引回到系统输入端的信号叫主反馈信号，相应的反馈叫主反馈。前向通道：从系统输入端到输出量之间的通道称为前向通道。主反馈通道：从输出量到主反馈信号之间的通道称为主反馈通道。重要概念:单位反馈系统：主反馈信号等于输出量的系统叫单位反馈系统。非单位反馈系统：主反馈信号不等于输出量的系统叫非单位反馈系统。局部反馈：对应内回路。主回路：主反馈闭合了除系统输入信号和干扰信号以外的其它所有信号，所形成的闭合回路称为主回路。１、反馈（闭环）控制方式

反馈控制是指系统的输出端与输入端之间存在反馈回路，或者说，系统的输出量直接或间接地参与了系统的控制作用。被控对象控制器给定输入量输出量扰动输入量检测装置误差-执行元件5、自动控制系统的基本控制方式

电动机速度控制系统(补充)+++++电压放大u0nuaueut功率放大负载SMTG电动机速度闭环控制系统２、开环控制方式

开环控制是指系统输出端与输入端之间不存在反馈回路，或者说，系统的输出不对系统的控制产生任何作用的控制过程。

控制器输入量输出量被控对象扰动输入量执行元件功率放大SM负载++++u0nua电动机速度控制系统电动机速度开环控制系统(补充)按扰动控制的开环控制系统(顺馈控制)负载功率放大放大电压SM+++++u0nuaucubR负载转矩M↑→n↓↓电磁转矩T↑→电枢电流I↑→UR↑→(Ur=U0-Uc=U0+Ub)↑→n↑直流电机电压方程：Ua=Cϕn+IR开环控制：

1.结构简单经济。

2.调试方便。

3.抗干扰能力差，控制精度不高。反馈控制：

1.系统具有纠正偏差的能力。

2.抗扰性好，控制精度高。

3.包含元件多，结构复杂，价格高。

4.参数应选择适当。开环控制与反馈控制方式的比较3、复合控制

复合控制是开环和反馈控制相结合的一种控制方式。实际上，它是在反馈控制的基础上再引入一条由给定输入信号或扰动作用所构成的顺馈通路。顺馈通路相当于开环控制。电动机速度复合控制系统(P7)+++++电压放大+u0nuaueutR电压放大功率放大负载SMTG1.2自动控制示例1、函数记录仪2、电阻炉微型计算机温度控制系统3、锅炉液位控制系统

函数记录仪原理示意图(P8)RQRWΔuLtur变换器放大器绳轮电机测速机减速器测量元件：RQ1、RQ2、RW1、RW2组成的直流电桥，将记录笔的位移转换为与给定量ur相同的量纲－－伏。电桥的输出电压反映了记录笔的位移。函数记录仪方块图(P8)1.3自动控制系统的分类自动控制系统的有多种分类方法。按控制方式分为：开环控制、反馈控制、复合控制等按元件类型分为：机械系统、电气系统、机电系统、液压系统、气动系统、生物系统等按系统功用分为：温度控制系统、压力控制系统、位置控制系统等按系统性能分为：线性系统和非线性系统、连续系统和离散系统、定常系统和时变系统、确定性系统和不确定性系统（随机系统）等按参变量变化规律分为：恒值控制系统、随动系统和程序控制系统1、线性连续控制系统可用线性微分方程来描述，一般形式为：式中，c(t)是被控量；r(t)是系统输入量。系数a0，a1

，…，an，b0，b1，…，bm是常数时，称为定常系统；随时间变化时，称为时变系统。2、线性定常离散控制系统离散系统是指系统的某处或多处的信号为脉冲序列或数码序列，因而在时间上是离散的。一般地，在离散系统中既有连续的模拟信号，也有离散的数字信号，因此离散系统要用差分方程描述，线性差分方程的一般形式为：式中，m≤n，n为差分方程的阶数；a0，a1，…，an，b0，b1，…，bm为常系数；r(k)，c(k)分别为输入和输出采样序列。工业计算机控制系统就是典型的离散系统。3、非线性控制系统系统中只要有一个元部件的输入－输出特性是非线性的，这类系统就称为非线性控制系统。这时要用非线性微分（或差分）方程描述，非线性方程的特征是系数与变量有关，或者方程中含有变量及其导数的高次幂或乘积项，例如：当然，不是所有的非线性方程都具有这样的特征！严格说，实际物理系统中都含有程度不同的非线性元部件。例如放大器和电磁元件的饱和特性，运动部件的死区、间隙和摩擦特性等。因非线性方程在数学处理上困难，目前对不同类型的非线性控制系统的研究没有统一的方法。但对非线性程度不太严重的元部件，可在一定范围内线性化，将非线性控制系统近似为线性控制系统来处理。例判断系统是否为线性时不变系统。是否为线性系统？可见,先线性运算，再经系统＝先经系统，再线性运算,所以此系统是线性系统。

可见，时移、再经系统经系统、再时移，所以此系统是时变系统。是否为时不变系统？1.4

自动控制系统的基本要求1、不同对象、不同工作方式，对控制系统的品质指标要求不相同，归结起来对控制系统的基本要求是稳定性、动态和稳态特性。1）稳定性一个处于静止或平衡状态的系统，当受到激励时，可能偏离原状态。当激励消失，经过一段暂态过程后，系统的状态和输出都能恢复到原来的平衡状态，系统称为是稳定的。由于实际系统存在惯性、延迟，当系统参数配合不当时，会使系统不稳定，产生越来越大的输出，导致系统中某些部件损坏。因此一个控制系统要能工作，它必须是稳定的，而且具有一定的稳定裕度，即当系统参数发生变化时，也能使系统保持稳定。2）动态特性

稳定的系统受到外加输入或扰动作用后，会恢复到原态或达到新的平衡状态，但由于系统机械部分存在质量、惯量，电路中存在电感、电容，同时也由于能源、功率的限制，使系统的各信号不能瞬时达到平衡，而要经历一个过程，系统状态随时间变化的这一过程称为动态过程或过渡过程。

动态特性即是反映这一过程中，系统跟踪输入信号或抑制扰动的速度快慢，以及响应过程中振荡大小及平稳、均匀的程度。一个动态特性好的系统既要过渡过程时间短，又要过程平稳、振荡幅度小。3）稳态特性过渡过程结束后，系统输出的实际值与期望值之间的差异称稳态误差。稳态误差反映了系统的稳态特性。稳态误差越小，说明系统控制的精度越高。

由于系统的控制目的、要求和对象不同，各系统对动态、稳态特性的要求也不同。有的对快速性要求高一些，例如随动系统；有的则要求过渡过程平稳、均匀，例如电机调速系统；有的则不允许系统产生振荡，例如机器人控制系统。

对于同一个系统，体现稳定性、动态和稳态特性的稳定、快速、准确这三个要求是互相制约的。提高过程快速性，则会使系统振荡性加强；改善