第1章 自动控制的一般概念

第一章 自动控制的一般概念
1-1自动控制的基本原理与方式 1-2自动控制系统示例 1-3自动控制系统的分类
1-4对自动控制系统的基本要求
1-5自动控制系统的分析与设计工具
1-1自动控制的基本原理与方式
• 无人直接参与 • 机器设备或生产过程的工作状态和参数 • 自动实现某种规律的运行
自动控制的应用领域
④扰动：破坏给定值与被控制量之间正常函数关系的 因素，称为系统的扰动。（流出量Q2） 给定值和扰动统称为输入量。
⑤控制装置：能够对被控对象起控制作用的设备总 称。（浮球、杠杆）
6. 反馈：通过测量变送装置将系统输出量送回输入 端，并与输入信号相比较产生偏差信号的过 程称为反馈。若反馈信号与输入信号相减， 使产生的偏差越来越小，则称为负反馈，若
给定液位
电位器
电动机
阀门
阀门
水箱
实际液位
杠杆
浮子
题1图 液位自动控制系统原理方框图
1-4．下图为水温控制系统示意图。冷水在热交换器中由通入的蒸汽加热，从而得 到一定温度的热水，冷水流量变化用流量计测量。试绘制系统方块图，并说明为了 保持热水温度为期望值，系统工作过程如何？系统的被控对象和控制装置各是什么？
经典控制(Classical Control)(40~50年代)
二次世界大战中火炮，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。 美国贝尔实验室的H. Bode(1938)， 以及美国物理学家H.Nyquist(1940)提 出频率响应法
现代控制(Modern Control) (1950-1960)
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。
反馈控制系统的基本组成
• 控制系统的组成：输入部分、控制系统部分和输出部分。
输入 控制系统 输出
• 从物理角度上看，自动控制研究的是特定激励作用下的系 统响应变化情况；
受控对象
基本控制方式
反馈控制系统（闭环控制系统） 开环控制系统 （按给定控制、按扰动控制） 复合控制系统
自动控制系统示例：
锅炉液位控制系统方框图
1.3
自动控制系统的分类
开环系统/闭环系统
恒值系统 / 随动系统/程序控制系统
1. 根据结构划分
2.按给定信号的形式
3.按系统是否满足叠加原理 4.按系统参数是否随时间变化 5.按信号传递的形式
控制理论可分为古典(经典)控制理论和现代控制理论两大部分。
古典控制理论是以传递函数为基础，主要研究单输入、单输出控 制系统的分析设计。
现代控制理论是六十年代后发展起来的，以状态空间法为基础， 研究多输入、多输出、变参数、非线性、高精度、高效能等控 制系统的分析设计问题的研究领域。包括最优控制、最佳滤波、 系统辨识、自适应控制等理论课题。 本课程只涉及古典控制理论。
+

受信仪 _
+
放大器 _
电机 校正装置
减速器
检测装置
随动系统实例—火炮打飞机
程序控制系统： 输入量按照给定的程序变化。任务：
使输出量按预先给定的程序指令而动 作。最典型的就是电梯升降控制、数 控车床和机器人控制系统。
机器人
三. 线性控制系统、非线性控制系统 线性控制系统 系统中各环节的特性在一定范围内都可用线性方程 式描述，该系统称为线性系统。
四. 线性定常系统和线性时变系统 描述系统（环节）输入与输出关系的微分方程如下
dn d n1 dm d m 1 a0 n c(t ) a1 n1 c(t ) anc(t ) b0 m r (t ) b1 m 1 r (t ) bm r (t ) dt dt dt dt 线性时变系统
制造业
军事工业 航空航天…
机器人
家用电器 电子、钢铁、石化等工业 交通系统，楼宇系统，经济系统，社会系统 …
• 电扇：控制转速 • 洗衣机：控制水位、强弱、时间等 • 电冰箱、空调、电饭煲：控制温度
控制论的奠基人：N · 维纳 ，Norbert Wiener (1894～1964)
1894年11月26日生于美国密苏里州﹐1964年3 月18日病逝于斯德哥尔摩。他于1913年在哈 佛大学获哲学博士学位；随后赴欧洲，在英 国剑桥大学和德国哥丁根大学研究数理逻辑； 1915年返回美国，在缅因大学执教；1919年 到马萨诸塞州理工学院任教。他曾于1934～ 1935年到中国任清华大学客座教授。维纳的 主要著作有：《控制论》(1948)﹑《人有人 的用途，控制论和社会》(1950） 在第二次世界大战时期，他承担火炮自动控制装置的设计工作， 把飞行轨迹的信息作为随机过程加以处理进行预测，揭示了神经系统 与自控装置的共同工作机制，发现了极重要的负馈概念，即稳定活动 的方法之一是把活动结果决定的一个量，作为信息的调节部分反馈回 控制器，这就是负反馈。战后，他综合了控制和通讯系统共有的特点， 把这类系统与动物机体、神经系统、社会经济等等加以模拟，并从统 计观点出发研究了这些自控系统的一般规律，创立了控制论，从而对 战后自然科学的发展和自动化技术的发展产生了巨大影响。
二. 恒值控制系统、随动控制系统及程序控制系统
恒值控制系统：输入量是恒定的常值, 任务:在各种扰 动作用下都能使输出量保持在恒定希 望值附近, 如温度、水位、转速控制系 统。
恒值控制系统实例—恒温控制
随动控制系统 ：随动系统（也叫伺服系统，跟踪系 统）这种控制系统的输入量是事先不 知道的任意时间函数。任务：使输出 量迅速而准确地跟随输入量的变化而 变化。比如：飞机和舰船的操舵系 统，雷达自动跟踪系统。
经典控制理论与现代控制理论比较
项目 研究对象 经典控制理论 线性定常系统 （单输入、单输出） 传递函数 （输入、输出描述） 时域法、根轨迹法和 频率法 现代控制理论 线性、非线性、定常、 时变系统 （多输入、多输出） 向量空间 （状态空间描述） 状态空间法
描述方法
研究办法
研究目标
系统分析及给定输入、 揭示系统的内在规律，实 输出情况下的系统综 现在一定意义下的最优控 合 制与设计
线性系统 /非线性系统 定常系统 / 时变系统 连续系统 / 离散系统
一.开环控制系统与闭环控制系统
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。 输入 输出量
控制装置
（调压器)
被控对象
信号
(炉温) 较常见的开环控制系统有自动售货机，自 动洗衣机，自动流水线，包装机等。
电压放大器
功率放大器
电机、减速器、 调压器
实际温度 炉子
热电偶
反馈控制系统的基本组成
龙门刨床——速度控制
抽水马桶
水 浮子 h(t) q1(t)
活塞
阀门 q2(t)
组成系统的元部件： ①被控对象：要求实现自动控制的机器设备或生产过 程(水箱)。
②被控制量：指被控制系统所要控制的物理量，一般 指系统的输出量。（水位高度） ③给定值：根据生产要求，被控制量需要达到的数 值。（设定水位高度）
Us T
系统的控制装置和被控对象不仅有顺向作用，而且输 U 功率 T 电压放大 电动机 减速器 调压器 电炉 放大 ＋ 出端和输入端之间存在反馈关系，所以称为闭环控制系统， － U 又称反馈控制系统。
fT
热电偶
闭环控制 系统
恒温箱
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 正元件参数变化以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。
线性系统
方程中的系数是时间的函数，随时间 变化。
线性定常系统
方程中，输入输出 函数及各阶导数皆 为一次
方程中的系数是常数，不随时间变化 线性定常系统 线性时变系统 非线性时变系统
d3 d c(t ) 3 c(t ) 8c(t ) r (t ) dt3 dt d d t c (t ) c (t ) r (t ) 3 r (t ) dt dt d2 c (t ) 5 r 2 (t ) t 2 r (t ) dt
五. 连续控制系统、离散控制系统
1-4 对控制系统的基本要求
对控制系统的基本要求可归纳成：稳、快、准。 1.稳：—— 基本要求 要求系统要稳定 2. 准:—— 稳态要求 系统响应达到稳态后， 输出跟踪精度要高
3. 快:—— 动态要求 系统阶跃响应的过渡过 程要平稳，快速
• 典型外作用（信号） • • • • （1）阶跃信号 （2）斜坡信号 （3）脉冲信号 （4）正弦信号
1-5 自动控制系统的分析与设计工具 Matlab 草稿纸式编程语言 良好的人机界面 结论可做一定等级的理论论据 Simulink工具箱
第一章习题
1-1 下图是液位自动控制系统原理示意图。在任意情况下，希望 液面C维持不变，试说明系统工作原理并画出系统方块图。
第1-1题
当电位器电刷位于中点位置时，电动机不动，控制阀门有一定的开度，使水箱中 流入水量与流出水量相等，从而液面保持在希望高度c上。一旦流入水量或流出水 量发生变化，水箱液面高度便相应变化。例如，当液面升高时，浮子位置亦相应 升高，通过杠杆作用使电位器电刷从中点位置下降，从而给电动机提供一定的控 制电压，驱动电动机通过减速器减小阀门开度，使进入水箱的流量减少。此时， 水箱液面下降，浮子位置相应下降，直到电位器电刷回到中点位置，系统重新处 于平衡状态，液面恢复给定高度。反之，若水箱液位下降，则系统会自动增大阀 门开度，加大流入水量，使液位升到给定高度c。