自动控制原理第一章 自动控制的一般概念
第一章 自动控制的一般概念
Monday, April 27, 2020
4
概述
自动控制原理是研究自动控制技术的基础理论和自动 控制共同规律的技术科学。自动控制原理按发展过程分为 经典控制理论和现代控制理论。
[经典控制]：五十年代末形成了完整的体系。它以传递函 数为基础，研究单输入单输出反馈控制系统(SISO) 。 主要采用的方法：时域分析法、根轨迹法和频率法。
随动系统（自动跟踪系统或伺服系统）： 给定值是预先未 知的随时间任意变化的函数。控制系统能够使被控量以尽可 能小的误差跟随给定值。随动系统也能克服各种扰动的影响， 但一般来说，扰动的影响是次要的 。
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自动控制系统的种类
随动系统的例子
[随动系统的例子] 船舶驾驶舵角位置跟踪系统。目的是希望
二、按控制作用产生的原因分为：扰动控制系统和复合 控制系统。
扰动控制系统：控制作用由扰动产生，不构成闭环。 复合控制系统：同时具有开环结构和闭环结构或同时 具有偏差和扰动产生作用的控制系统。
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自动控制系统的种类
1. “转速控制系统”之“开环控制系统”
+
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自动控制系统的研究内容和对系统的基本要求
[对控制系统的基本要求] 可以归结为系统的稳定性、快速性和准确性，即
稳、准、快的要求。 稳：要求系统是稳定的，不稳定的系统不能正常
使用； 准：稳态误差要小； 快：瞬态响应快，超调量小，调节时间短。
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为反馈控制原理。
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自动控制的一般概念1
按系统构成元件是否线性分类 线性和非线性系统
线性系统：均由线性元件构成的的控制系统是 线性控制系统 。符合叠加定理和齐性定理。 非线性控制系统：控制系统内如果含有至少一个 非线性元件，则该系统是非线性系统。 •按系统参数是否随时间变化分类
定常控制系统：系统参数不随时间变化的系统。定常控制系统 的微分方程或差分方程的系数是常数。 时变控制系统：系统参数随时间变化的系统。时变控制系统的 微分方程或差分方程的系数是时间的函数。例如，发射卫星的 火箭姿态控制系统，由于燃料的燃烧使质量参数随时减少，属 时变控制系统。
以状态空间法为基础， 研究多输入-多输出、 时变、非线性一类控 制系统的分析与设计 问题。系统具有高精 度和高效能的特点。
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）
传递函数 （输入、输出描述） 根轨迹法和频率法
描述方法
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）
该课程与其它课程的关系
电力电子技术 电路理论 复变函数、积分变换 模拟电子技术
电机与拖动
控制电机 大学物理（力学、热力学）
自动控制原理
线性代数
微积分（含微分方程）
各类控制系统课程
教材及参考文献目录
教材：
《自动控制原理》 任彦硕主编, 机械工业出版社
主要参考书：
《自动控制原理》 顾树生、王建辉主编, 冶金工业出版社
前向通道:从输入信号→控制器→放大环节→执行机构→控制对 象→输出信号的信号传输路径；反馈环节所在路径称为反馈通道， 图中有两个反馈通道，内环的称局部反馈，是正反馈；外环的称 闭环主反馈，是负反馈。
自动控制原理
（1）被控对象 被控制的工艺设备、机器或生产过程。 （水箱） （2）测量元件
其职能是测量被控制的物理量
（3）给定元件 其职能是给出与期望的被控量相对应的系统输入量（即参据量）。 （4）比较元件 把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的参据量进 行比较，求出它们之间的偏差。
（5）放大元件 将比较元件给出的偏差进行放大，用来推动执行元件去控制被 控对象。 （7）控制器 对控制对象产生控制作用的装臵称为控制器，有时也称为 控制元件、调节器等。 （6）校正元件 亦称补偿元件，它是结构或参数便于调整的元件，用串联或 反馈的方式连接在系统中，以改善系统性能。 （8）执行元件 直接作用于被控对象，使其被控量发生变化的元件称为 执行元件（阀门） 。
第一章 自动控制的一般概念
1-1自动控制的基本控制原 理与方式
1-2 基本控制方式 1-3 控制系统的类型 1-4 对控制系统的基本要求
1-1自动控制的基本控制原理与方式
一、自动控制基本术语 1、人工控制
2、自动控制
控制器
Q1
浮子
电位器
c
用水开关 SM
减速器 电动机
Q2
if
（1）自动控制(automatic control)
（7）反馈控制系统(feedback control system) 通过测量、比较而得到偏差，由偏差产控制作用而使偏差 消除或减少，使被控量趋近于要求值 。又称为反馈控制 系统。
二、自动控制理论的发展历史
1、胚胎萌芽期（1945年以前） • 十八世纪以后，蒸汽机的使用提出了调速稳定等问题 • 1765年俄国人波尔祖诺夫发明了锅炉水位调节器 • 1784年英国人瓦特发明了调速器，蒸汽机离心式调速器 • 1877年产生了古氏判据和劳斯稳定判据 • 十九世纪前半叶，动力使用了发电机、电动机促进了水利、水电 站的遥控和程控的发展以及电压、电流的自动调节技术的发展 • 十九世纪末，二十世纪初，使用内燃机促进了飞机、汽车、船舶、 机器制造业和石油工业的发展，产生了伺服控制和过程控制 • 二十世纪初第二次世界大战，军事工业发展很快。飞机、雷达、 火炮上的伺服机构，总结了自动调节技术及反馈放大器技术，搭 起了经典控制理论的架子，但还没有形成学科。
自动控制原理--第1章 自动控制理论的一般概念
1-3 典型控制系统
恒值系统：
也称镇定系统。输出量以一定的精度等于 给定值，而给定值一般不变化或变化很缓慢， 扰动可随时变化的系统称为恒值系统，在生产 过程中，这类系统非常多。例如：恒温系统， 恒压系统等。
例 锅炉空气预热器密封间隙控制系统
系统通过间隙传感器实时测量出密封间隙值并送入计算 机，与设定值比较后，发出控制指令至电动机提升机构，调 整密封板的位置，达到维持密封间隙值恒定的目的。
u
~220V
开关闭合后，不同 的输入电压u对应于 不同的温度t。
炉温开环控制系统
扰动量
输入量 (电源 )
开关
加热电 阻丝
控制装置
电炉恒 温箱
受控对象
输出量 (温度)
炉温开环控制系统方框图
扰动
给定值
控制器
被控制 对象
典型开环控制的方框图
输出量
系统框图帮助理解系统的构成和性质
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.
第1章 自动控制理论的一般概念
1-1 自动控制发展史 1-2 自动控制的基本方式 1-3 典型控制系统 1-4 对于自动控制系统的要求
1-1 自动控制发展史
经典控制理论（20世纪40年代及其以前）
主要研究单输入单输出线性定常系统 时域、频域和复域分析和设计问题。
现代控制理论（20世纪60年代）
主要研究多输入、多输出、时变参数、高精度复杂系统 分析和设计问题；最优控制问题。
(c)
五、复合控制
它是把按偏差控制与按扰动控制结合起来，对于主
要扰动采用适当的补偿装置实现按扰动控制，同时再组
成反馈控制系统实现按偏差控制，以消除其余扰动产生
自动控制原理
第1章自动控制的一般概念例1-1一个液位控制系统的原理图如图1.4所以。
试画出该控制系统的原理方框图，简要说明它的工作原理，并指出该控制系统的输入量，输出量及扰动量。
答：本题考查液位控制系统。
当系统的工作原理为：浮标位置对应于电位计上一点，该点电压与设定液位对应的电压进行比较，如果没有达到设定的液位，将产生偏差电压，功率放大后驱动直流电动机转动，调节输入液流的阀门，改变进入水池的水流量，当输出液流发生改变，液面发生变化时，重复上述过程，使液面保持在给定高度。
该系统的输入量为给定液位，输出量为实际水位，扰动量为输出液流量，系统原理方框图如图1.5习题：1、什么是反馈控制原理？反馈控制系统的主要特点是什么？2、试比较闭环系统与开环系统的优缺点。
3、水箱液位控制系统如图1.9所示。
运行中无论用水流量如何变化（由开关12操纵），希望水面高度（液位）H保持不变。
（1）简述工作原理。
（2）画出系统的原理方块图，并指明被控对象、被控量、给定值和干扰。
4、图1.13为水温控制示意图。
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 统是如何工作的？系统的被控对象和控制装置是什么？第2章 控制系统的数学模型例2-1如图2.1所示的RLC 电路，试建立以电容上电压u c (t)为输出变量，输入电压u i (t)为输入 量的运动方程。
图2.1 答：由基尔霍夫定律得：消去中间变量，则有 例2-2图2.2所示是弹簧—质量—阻尼器机械位移系统。
试列写质量m 在外力F （t ） 作用下，位移x(t)的运动方程。
答：ƒ—阻尼系数；k —弹性系数。
根据牛顿第二定律i (t )R +ldi(t)dt+u c (t )=u i (t) u c (t )=1C ∫i (t )dt ，即i (t )=C du c (t)dtLC d 2u c (t)dt 2+RC du c (t)dt+u c (t )=u i (t)c )U r (s )。
自动控制原理1-7章学习指导、典型题解
第一章：自动控制的一般概念1.1学习指导1.1.1、课程内容（1）自动控制理论发展概况；（2）自动控制的基本概念与方式；（3）自动控制系统分类；（4）对自动控制系统的基本要求；（5）自动控制系统组成和方框图。
本章是本课程的入门章节，通过学习应理解自动控制的基本概念和分类，控制系统组成和方框图，会根据实际控制系统绘制系统方框图。
1.1.2内容概述1、自动控制的基本概念自动控制：在没人直接参与的情况下，利用控制装置使被控对象或过程自动地按预定规律或数值运行。
自动控制系统：能够对被控对象的工作状态进行自动控制系统。
一般由控制器(含测量元件)和控制对象组成。
2、两种基本控制方式1)开环控制方式控制装置与被控对象之间只有顺向作用没有反向联系。
2）闭环控制方式：把输出量直接或间接地反馈到系统的输入端，形成闭环，参与控制。
3、闭环系统的基本组成（1）给定元件设定被控量的给定值；（2）测量元件对系统被控量(输出置)进行测量；（3）比较元件对系统输出量与输入量进行代数运算并给出偏差信号，起综合、比较变换作用。
（4）放大元件对微弱的偏差信号进行放大，使其有足够的幅但与功率5）执行元件根据放大后的偏差信号，对被控对象执行控制任务，使输出量与希望值起子一致。
（6）被控对象指自动控制系统需要进行控制的机器、设备或生产过程。
被控对象要求实现自动控制的物理量称为被控量或输出量。
（7）校正元件用以改善系统性能4、自动控制系统的分类1）按系统性能分类：（1）线性系统：满足叠加性和齐次性。
（2）非线性系统：不满足叠加性和齐次性。
2）按信号类型分类：（1）连续系统：系统中各元件的输入量和输出量均为时间t的连续函数。
（2）离散系统：系统中某一处或几处的信号是以脉冲系列或数码的形式传递的系统。
3）按给定信号分类（1）恒值控制系统给定值不变，要求系统输出量以一定的精度接近给定希望值的系统。
（2）随动控制系统给定值按未知时间函数变化，要求输出跟随给定值的变化。
自动控制原理知识点.
数 学 传递函数
状态方程
模型
研 究 频域法、根轨 状态空间方法
手段 迹法
研 究 系统综合、校 最优控制、系
目的 正
统辨识、最优
估计、自适应
控制
4、室
温控
制系统
5、控制系统的基本组成
◎被控对象：在自动化领域，被控制的装置、
物理系统或过程称为被控对象（室内空气）。
◎控制装置：对控制对象产生控制作用的装
温度的变化及房间散热条件的变化等）。 ◎输入信号的响应：由某一个输入信号产生 的输出信号又称为该输入信号的响应。 8.负反馈原理：将系统的输出信号引回输入 端，与输入信号相比较产生偏差，控制器利 用偏差的大小、正负进行控制，达到减小偏 差、消除偏差的目的。（以偏差纠偏差）
——构成反馈控制系统的核心 9. 由于有了负反馈，自动控制系统便形成 了一个按偏差进行进行控制的闭环系统（又 称反馈控制系统）
制实现（正如微积分是一种数学工具一 样）。 ◎解决的基本问题：
•建模：建立系统数学模型（实际问题抽象， 数学描述）
•分析：分析控制系统的性能（稳定性、动 /稳态性能）
•综合：控制系统的综合与校正——控制器 设计（方案选择、设计） 3、自动控制原理研究的主要内容
经典控制理论 现代控制理论 研 究 单输入、单输 多输入、多输 对象 出 系 统 出 系 统
◎闭环系统必须考虑稳定性问题。 特点: 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 3、闭环系统与开环系统的区别 ◎与开环控制系统相比，闭环控制系统的最 大特点是检测偏差、纠正偏差 ； ◎从系统结构上看，闭环系统具有反向通 道； ◎从功能上看，闭环系统具有如下特点：
自动控制原理1卢京潮
第一章 自动控制的一般概念习题与答案1-1 根据题1-15图所示的电动机速度控制系统工作原理图，完成：(1) 将a ，b 与c ，d 用线连接成负反应状态；(2) 画出系统方框图。
解 〔1〕负反应连接方式为：d a ↔，c b ↔；〔2〕系统方框图如图解1-1 所示。
1-2 题1-16图是仓库大门自动控制系统原理示意图。
试说明系统自动控制大门开、闭的工作原理，并画出系统方框图。
图1-16 仓库大门自动开闭控制系统解 当合上开门开关时，电桥会测量出开门位置与大门实际位置间对应的偏差电压，偏差电压经放大器放大后，驱动伺服电动机带动绞盘转动，将大门向上提起。
与此同时，和大门连在一起的电刷也向上移动，直到桥式测量电路达到平衡，电动机停止转动，大门达到开启位置。
反之，当合上关门开关时，电动机带动绞盘使大门关闭，从而可以实现大门远距离开闭自动控制。
系统方框图如图解1-2所示。
1-3 图1-17为工业炉温自动控制系统的工作原理图。
分析系统的工作原理，指出被控对象、被控量和给定量，画出系统方框图。
图1-17 炉温自动控制系统原理图解 加热炉采用电加热方式运行，加热器所产生的热量与调压器电压c u 的平方成正比，c u 增高，炉温就上升，c u 的上下由调压器滑动触点的位置所控制，该触点由可逆转的直流电动机驱动。
炉子的实际温度用热电偶测量，输出电压f u 。
f u 作为系统的反应电压与给定电压r u 进展比拟，得出偏差电压e u ，经电压放大器、功率放大器放大成a u 后，作为控制电动机的电枢电压。
在正常情况下，炉温等于某个期望值T °C ，热电偶的输出电压f u 正好等于给定电压r u 。
此时，0=-=f r e u u u ，故01==a u u ，可逆电动机不转动，调压器的滑动触点停留在某个适宜的位置上，使c u 保持一定的数值。
这时，炉子散失的热量正好等于从加热器吸取的热量，形成稳定的热平衡状态，温度保持恒定。
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对于系统的干扰信号，在干扰信号可以测量的前提下，开环控制器 (扰动补偿环节)应使系统输出尽可能地不受干扰信号的影响。
例子采用习题1-4，图1-21。流量顺馈。 开环控制方式的优点：结构简单，系统分析和设计较简便。缺点：不 能补偿其他因素对系统输出的影响。 ⑶ 复合控制方式：将前两种控制方式联合使用。具有两种控制方式 的优点。讲解例为习题1-4。
非线性定常系统；线性离散定常系统；线性时变系统等等。 依据控制目标分类：
恒值控制系统，系统的参考输入信号是恒值，控制目标是保持系统 输出不变。 随动控制系统，系统的参考输入信号是已知或未知的时间函数，控制目标是保证系，系统的参考输入信号是事先已知的时间信号。 最优控制系统，使控制系统的指定目标函数最优(通常是取值最小)。
环节
分支点，信号引出点；即一个信号引用到多处。
信号流向，只能是单向的。 方框，表示一个元件部件对象过程系统环节等等；只
能有一个输入和一个输出。
4 反馈控制系统的基本组成(P4) 以反馈控制系统(典型方框图)的输入端开始叙述：
给定元件： 给出系统的控制指令或参考输入信号； 将测量到的输出信号对应值与参考输入值比较，得出偏差信号；作为 控制器的输入信号； 包括放大元件(将弱信号放大)和校正元件(改善系统性能)，有时也包 括执行元件(功率驱动)； 被控对象： 是控制系统的主要部分，有时将执行元件作为被控对 象的组成部分； 测量元件： 监测系统中的变量，主要检测被控的物理量； 测量元件是控制系统的眼睛，控制器是系统的大脑，执行元件是系统 的手脚。 控制系统的组成部分还应考虑到作用在系统上的扰动因素(负载扰 动、环境因素变化等)，自动控制系统的主要作用就是克服扰动对系统 的影响。 5 自动控制系统基本控制方式 ⑴ 反馈控制方式：是控制系统的主要控制方式。自动控制原理的主 要研究对象是反馈控制系统。优点：能够抑制任何内外扰动对被控量的 影响，控制精度高；缺点：结构复杂，可能出现系统不稳定问题，系统 分析和设计较困难。 ⑵ 开环控制方式：信号从系统输入端顺向流到系统输出端，输出量 的变化不会对控制作用产生影响。该控制方式也称为顺馈控制方式。开 环控制方式的控制器必须针对作用信号类别和类型设计。
1-1 自动控制的基本原理与方式
1自动控制技术及其应用
自动控制： 通过控制器使被控对象或过程按照预定的规律运行。
输入
输出
_
自动控制系统
控制器 被控对象
自动控制的目的：提高产品质量；提高劳动生产率； 改善劳动条件，减轻劳动强度； 提高生活质量等
自动控制的应用：(P1,第二自然段) 在所有工矿企业、交通运输、金融 贸易、农业生产、文化娱乐和日常生活等都有应用。 2 自动控制理论
简述讲义的两个例子。 反馈控制系统的典型方框图
n(t)
r(t) ε(t)
u(t)
c(t)
_
y(t)
反馈控制系统的典型方框图 反馈 控制器
被控对象
：(系统)输入信号，控制指令，参考 输入； ：偏差信号，；
：反馈信号；
：(系统)输出信号，被控 量；
：控制信号，被控对象的 输入；
：扰动信号，干扰信号；
求和器，比较器，相加点；有多个输入信号，只有一 个输出信号；输出信号是所有输入信号的代数和。
对象
常系统；
统
系统 注重系统的输入输出关 研究系统输入、输出及内部变量的
变量
系；
运动关系；
3 反馈控制原理
反馈控制原理：将被控量的值与期望值进行比较，通过控制器对被控对象施
加作用，使被控对象尽可能达到期望值。
输入
输出
_
自动控制系统 控制器 被控对象 反馈
前向支路，反馈支路，反馈工作原理，(负)反馈控制，闭环控制。
⑶ 单位加速度信号：
，；
⑷ 正弦函数(信号)： ，
作业：
1-1 1-10 补充题一题
1-2 自动控制系统示例 简述书中的一两个示例。 +
ur
RQ Δu up RM
_
记录仪桥式检测电路示意图
⑴ 函数记录仪，XY记录仪，地震监测记录仪； ⑵ 飞机自动驾驶仪系统，俯仰角控制系统； ⑶ 电炉温度控制系统； ⑷ 锅炉汽包液位控制系统；
1-3 自动控制系统的分类 依据信号的连续性分类：
连续系统，系统中的信号均是时间连续函数； 离散系统，系统中含有离散信号(在时间上不连续)。 依据系统的线性性质分类： 线性系统，系统的动态特性可用线性微分或差分方程描述； 非线性系统，不能用线性方程描述的系统。 依据系统参数特征分类： 定常系统，也称为时不变系统，系统的参数都是常数； 时变系统，系统中有的参数是时间函数。 以系统性质命名： 例如，线性连续定常系统，这类系统是本课程讨论的主要系统；
第一章 自动控制的一般概念 l、基本内容和要点 （l）自动控制的基本概念 开环控制与闭环（反馈）控制，反馈的特点与作用。 （2）反馈控制系统的类型 线性和非线性系统；随动系统和自动调节系统；连续数据系统和离 散数据系统。 （3）反馈控制系统的组成，常用术语及定义。 2、重点 （l）反馈控制的作用与概念。 （2）反馈控制系统的特点和存在的问题。 3、难点 对“检测偏差用于纠正偏差”原理的理解。
依据被控对象、被控量、主要组成部件、控制器设计方法和控制行为等 命名：
例如，火炮随动系统；锅炉液位控制系统；粮食烘干塔微机监控系 统；等等。
1-4 对自动控制系统的基本要求 基本要求： ⑴ 稳定性；⑵ 快速性；⑶ 准确性。 典型输入信号： ⑴ 单位阶跃函数(信号)：图1-15，
，；
⑵ 单位斜坡函数(速度信号)：图1-16 ，；
自动控制理论是研究自动控制技术的基础理论，是理论性较强的工 程学科。注重工程应用，在专业术语上不是非常严谨的理论。
(P1)
经典控制理论
现代控制理论
时间 20世纪60年代，达到完
分界
善；
20世纪60年代，开始发展；
数学 工具
常微分方程，传递函 一阶微分方程组，状态空间方程，
数；
(传递函数阵)
研究 单输入单输出系统，定 多输入多输出系统，定常和时变系