第1章自动控制(new)
合集下载
电子课件-《自动控制技术》-B02-4260 第一章 自动控制的基本概念
第一章 自动控制的基本概念
在直流电动机转速开环控制系统中，加入一台测速发电机，并对电路稍作改 变，便构成图示的直流电动机转速闭环控制系统。
测速发电机由电动机同轴带动，用于测量电动机的实际转速n（即系统的输出 量），然后转换成电压uf，再反送到系统的输入端，与给定值（即系统的输入量） 进行比较，从而得出电压ue = ugd - uf 。由于该电压能间接地反映出误差的性质 （即大小和正负方向），通常称之为偏差信号，简称为偏差。偏差ue经放大器放 大成ua后，作为电枢电压控制电动机转速n之用。
第一章 自动控制的基本概念
二、自动控制系统中常用的名词术语
系统：自动控制系统是由被控对象和自动控制装置按一定方式组合而成，以 完成某种自动控制任务的有机整体。
输入信号：系统的输入信号又称为参考输入，通常是指给定值，它是控制着 输出量变化规律的指令信号。
输出信号：系统的输出信号是指被控对象中要求按某种规律变化的物理量， 又称被控量，它与输入量之间保持一定的函数关系。
第一章 自动控制的基本概念
一、人工控制
如图所示为一个人工控制水位保持恒定的供水系统。
人工控制的水位系统
第一章 自动控制的基本概念
操作步骤是： （1）将水位的要求值（期望水位值）牢记在操作者的大脑中。 （2）通过眼睛和测量工具测量出水池的实际水位。 （3）将期望水位与实际水位进行比较、计算，从而得出误差值。 （4）按照误差的大小和正负性质由大脑指挥手去正确地调节进水阀门。所谓 正确调节，是要按减小误差的方向来调节进水阀门的开度。
方块图清楚表明：由于采用了反馈回路，致使信号的传送路径形成闭合环路， 使输出量反过来直接影响控制作用。这种通过反馈回路使系统形成闭合环路，并 按偏差ue的性质产生控制作用，以求减小或消除偏差的控制系统，称为闭环控制 系统，或称为反馈控制系统。
《自动控制原理》绪论、第1、2章(新)
第一章 自动控制系统的基本概念 1.1 开环控制系统与闭环控制系统 1.2 闭环控制系统的组成和基本环节 1.3 自动控制系统的类型 1.4 自动控制系统的性能指标 第二章 自动控制系统的数学模型 2.1 动态微分方程式的编写 2.2 非线性数学模型线性化 2.3 传递函数 2.4 系统动态结构图 2.5 系统传递函数和结构图的等效变换 3学时 （2） （1）
1、线性系统— 系统中各组成部分或元件特性可以用线性微分方程式 来描述的系统。 特点： （1）满足叠加原理。（对线性系统，初始条件为零时，几 个输入信号同时作用在系统上所产生的输出信号，等 于各输入信号单独作用时产生的输出信号的和。） （2）系统的运动方程式可以用线性微分方程式来描述，暂 态特性与初始条件无关。 （3）系统为线性定常系统。 2、非线性系统 —当系统中存在非线性元件或具有非线性特性，其运 动方程用非线性微分方程式来描述。 特点： 不满足叠加原理；暂态特性与初始条件有关。
第四章
4.1 4.2 4.3
根轨迹法的基本概念 根轨迹的绘制法则 用根轨迹法分析系统的暂态特性
( 2) (4) (2)
第五章 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6
频率法 12学时 频率特性的基本概念 频率特性的基本方法 典型环节的频率特性 系统开环频率特性的绘制 用频率法分析控制系统的稳定性 系统暂态特性和开环闭环特性的关系 6学时
3、典型的非线性环节特性
4、两者的关系（参考教材Page6)
二、 连续数据系统和离散数据系统
1 、连续数据系统—— 信号为模拟的连续函数。 2、离散数据系统 —— 系统中一处或多处，信号以序列 或数码形式传递。 3、两者研究方法比较 连续：微分方程 — 拉氏变换 — 传递函数和频率特性 分析 离散：差分方程 — Z变换 —— 脉冲传递函数和频率 特性分析
1、线性系统— 系统中各组成部分或元件特性可以用线性微分方程式 来描述的系统。 特点： （1）满足叠加原理。（对线性系统，初始条件为零时，几 个输入信号同时作用在系统上所产生的输出信号，等 于各输入信号单独作用时产生的输出信号的和。） （2）系统的运动方程式可以用线性微分方程式来描述，暂 态特性与初始条件无关。 （3）系统为线性定常系统。 2、非线性系统 —当系统中存在非线性元件或具有非线性特性，其运 动方程用非线性微分方程式来描述。 特点： 不满足叠加原理；暂态特性与初始条件有关。
第四章
4.1 4.2 4.3
根轨迹法的基本概念 根轨迹的绘制法则 用根轨迹法分析系统的暂态特性
( 2) (4) (2)
第五章 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6
频率法 12学时 频率特性的基本概念 频率特性的基本方法 典型环节的频率特性 系统开环频率特性的绘制 用频率法分析控制系统的稳定性 系统暂态特性和开环闭环特性的关系 6学时
3、典型的非线性环节特性
4、两者的关系（参考教材Page6)
二、 连续数据系统和离散数据系统
1 、连续数据系统—— 信号为模拟的连续函数。 2、离散数据系统 —— 系统中一处或多处，信号以序列 或数码形式传递。 3、两者研究方法比较 连续：微分方程 — 拉氏变换 — 传递函数和频率特性 分析 离散：差分方程 — Z变换 —— 脉冲传递函数和频率 特性分析
第01章 自动控制系统基本概念
11
闭环与开环
闭环——系统的输出被反馈到输入端并与设定值进行比较 的系统称为闭环系统，此时系统根据设定值与测 量值的偏差进行控制，直至消除偏差。
+ SP － 测量变送装置 调节器 执行器 被控对象
开环——系统的输出没有被反馈回输入端，执行器仅只根 据输入信号进行控制的系统称为开环系统，此时 系统的输出与设定值与测量值之间的偏差无关。 要实现自动控制，系统必须闭环。
解：1、最大偏差：A＝230—200＝30℃ 2、余差C＝205—200＝5℃ 3、第一个波峰值B＝230—205＝25℃ 第二个波峰值B’＝210—205＝5℃ 衰减比n＝25：5＝5：l。 4、振荡周期为同向两波峰之间的时间间隔，故周期T＝20—5＝15(min) 5、过渡时间与规定的被控变量限制范围大小有关，假定被控变量进入额定值的±2％， 就可以认为过渡过程已经结束，那么限制范围为200×(±2％)＝±4℃，这时，可在 新稳态值(205℃)两侧以宽度为±4℃画一区域，图中以画有阴影线的区域表示，只 要被控变量进入这一区域且不再越出，过渡过程就可以认为已经结束。因此，从图 上可以看出，过渡时间为22min。 6、超调量 (230-205)/205×100%=12.2%
几种典型的过渡过程：
16
几种典型的过渡过程：
非周期衰减过程 衰减振荡过程 √ √
等幅振荡过程 发散振荡过程
？ X
一般是不允许的 除开关量控制回路
单调发散过程
X 17
（3）过渡过程的品质指标
通常要评价和讨论一个控制系统性能优劣，其标准有二大类：
· 以系统受到阶跃输入作用后的响应曲线的形式给出。主要包括： 最大偏差（超调量）、 衰减比 余差 过渡时间 振荡周期（振荡频率）……
闭环与开环
闭环——系统的输出被反馈到输入端并与设定值进行比较 的系统称为闭环系统，此时系统根据设定值与测 量值的偏差进行控制，直至消除偏差。
+ SP － 测量变送装置 调节器 执行器 被控对象
开环——系统的输出没有被反馈回输入端，执行器仅只根 据输入信号进行控制的系统称为开环系统，此时 系统的输出与设定值与测量值之间的偏差无关。 要实现自动控制，系统必须闭环。
解：1、最大偏差：A＝230—200＝30℃ 2、余差C＝205—200＝5℃ 3、第一个波峰值B＝230—205＝25℃ 第二个波峰值B’＝210—205＝5℃ 衰减比n＝25：5＝5：l。 4、振荡周期为同向两波峰之间的时间间隔，故周期T＝20—5＝15(min) 5、过渡时间与规定的被控变量限制范围大小有关，假定被控变量进入额定值的±2％， 就可以认为过渡过程已经结束，那么限制范围为200×(±2％)＝±4℃，这时，可在 新稳态值(205℃)两侧以宽度为±4℃画一区域，图中以画有阴影线的区域表示，只 要被控变量进入这一区域且不再越出，过渡过程就可以认为已经结束。因此，从图 上可以看出，过渡时间为22min。 6、超调量 (230-205)/205×100%=12.2%
几种典型的过渡过程：
16
几种典型的过渡过程：
非周期衰减过程 衰减振荡过程 √ √
等幅振荡过程 发散振荡过程
？ X
一般是不允许的 除开关量控制回路
单调发散过程
X 17
（3）过渡过程的品质指标
通常要评价和讨论一个控制系统性能优劣，其标准有二大类：
· 以系统受到阶跃输入作用后的响应曲线的形式给出。主要包括： 最大偏差（超调量）、 衰减比 余差 过渡时间 振荡周期（振荡频率）……
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
第一章 自动控制系统概述
回章首
回节首
11
举例说明开环控制与闭环控制
图1-2是直流电动机转速开环控制示意图。
V+ 电动机 负载
电 位 器
功率
放大器
图1-2 直流电动机转速开环控制
电动机的转速可由调节电位器来给定。但当电动机 受到负载变化影响时，电动机的转速是要发生变化的。 开环控制系统不能做到自动调节，控制的精度是比 较低的。
自动控制系统的基本结构如图1-4所示。
输入量 r
+ -
偏差
控制器Gc
控制量 u
扰动量 n
受控对象Go
输出量 c
反馈量b
反馈环节H
图1-4 自动控制系统的基本结构
回章首
16
1. 控制系统的一些常用术语
受控对象
是指被控制的装置或者设备(如电动机、车床等)，有 时也指受控的物理量。
受控过程
受控物理量的变化过程称为受控过程。例如化学反应 过程、水泥窑炉的生产过程等。
在此，对于系统的性能要求可以简要概括为: 响应动作要快 动态过程平稳 跟踪值要准确 上述三条自动控制系统的基本要求如图1-8所示。
回章首 回节首
30
c(t) 给定值 响应缓慢 响应快速 t
c(t) 变化剧烈
c(t)
跟踪误差
响应平稳
t
t
(a)响应快速性
(b)动态平稳性
(c)跟踪准确性
图1-8 控制系统的基本要求
回章首
回节首
3
自动控制理论的发展与应用
可以改善劳动条件，把人类从繁重的劳动中解放出来； 由于自动控制系统能以某种最佳方式运行，可以提高劳
动生产率，提高产品质量，节约能源，降低成本。
第一章 自动控制理论概述
第一章 自动控制基本概念
第一章 自动控制基本概念
§1-1 §1-2 §1-3 §1-4 引言 自动控制的基本概念 自动控制系统的组成和分类 自动控制系统的基本要求
控制工程基础
第一章 自动控制基本概念
本章重点
1. 自动控制的含义； 自动控制的含义； 反馈和反馈控制的概念、反馈控制的特点； 2. 反馈和反馈控制的概念、反馈控制的特点； 3. 控制系统的组成和分类和特点。 控制系统的组成和分类和特点。
控制工程基础
第一章 自动控制基本概念
• 自动控制技术在工农业生产、国防、航空航天等 各个领域中起着重要的作用！ • 广泛应用于各种工程学科领域，并扩展到生物、医 学、环境、经济管理和其它许多社会生活领域。 • 独立的学科并与其它学科相互渗透、相互促进。
• 《自动控制理论》是自动控制技术的基础理论，是 一门理论性较强的工程科学。 现代的工程技术人员和科学工作者， 现代的工程技术人员和科学工作者，必须具备 一定的自动控制理论基础知识！ 一定的自动控制理论基础知识！
输入r(t) 输出c(t) 实际 1 2 1 0 t 0 t 控制工程基础 理想的 调节过程
本章难点
1. 深刻理解反馈的概念和思想； 深刻理解反馈的概念和思想； 2. 确定控制系统的被控对象、被控量、给定量 确定控制系统的被控对象、被控量、 等等，绘制方块图， 等等，绘制方块图，分析实际控制系统的基 本原理。 本原理。
控制工程基础
第一章 自动控制基本概念
§1－1 引言 －
以系统论、信息论和控制论为代表的科学方法论； 系统论、信息论和控制论为代表的科学方法论； 为代表的科学方法论 是一门新兴的学科， 是一门新兴的学科，为人类认识世界和改造世界提 供了强有力的武器。 供了强有力的武器。 关于控制论的几种说法 说法一： 控制论”是关于机器的理论。 说法一：“控制论”是关于机器的理论。 说法二： 控制论”是电子计算机和电子学的理论。 说法二：“控制论”是电子计算机和电子学的理论。 说法三： 控制论”是类似于数学的一门学科。 说法三：“控制论”是类似于数学的一门学科。 说法四： 控制论” 说法四：“控制论”是关于动物和机器中控制和通 信的科学。（维纳定义） 。（维纳定义 信的科学。（维纳定义）
第一章 自动控制基本概念
§1-1 §1-2 §1-3 §1-4 引言 自动控制的基本概念 自动控制系统的组成和分类 自动控制系统的基本要求
控制工程基础
第一章 自动控制基本概念
本章重点
1. 自动控制的含义； 自动控制的含义； 反馈和反馈控制的概念、反馈控制的特点； 2. 反馈和反馈控制的概念、反馈控制的特点； 3. 控制系统的组成和分类和特点。 控制系统的组成和分类和特点。
控制工程基础
第一章 自动控制基本概念
• 自动控制技术在工农业生产、国防、航空航天等 各个领域中起着重要的作用！ • 广泛应用于各种工程学科领域，并扩展到生物、医 学、环境、经济管理和其它许多社会生活领域。 • 独立的学科并与其它学科相互渗透、相互促进。
• 《自动控制理论》是自动控制技术的基础理论，是 一门理论性较强的工程科学。 现代的工程技术人员和科学工作者， 现代的工程技术人员和科学工作者，必须具备 一定的自动控制理论基础知识！ 一定的自动控制理论基础知识！
输入r(t) 输出c(t) 实际 1 2 1 0 t 0 t 控制工程基础 理想的 调节过程
本章难点
1. 深刻理解反馈的概念和思想； 深刻理解反馈的概念和思想； 2. 确定控制系统的被控对象、被控量、给定量 确定控制系统的被控对象、被控量、 等等，绘制方块图， 等等，绘制方块图，分析实际控制系统的基 本原理。 本原理。
控制工程基础
第一章 自动控制基本概念
§1－1 引言 －
以系统论、信息论和控制论为代表的科学方法论； 系统论、信息论和控制论为代表的科学方法论； 为代表的科学方法论 是一门新兴的学科， 是一门新兴的学科，为人类认识世界和改造世界提 供了强有力的武器。 供了强有力的武器。 关于控制论的几种说法 说法一： 控制论”是关于机器的理论。 说法一：“控制论”是关于机器的理论。 说法二： 控制论”是电子计算机和电子学的理论。 说法二：“控制论”是电子计算机和电子学的理论。 说法三： 控制论”是类似于数学的一门学科。 说法三：“控制论”是类似于数学的一门学科。 说法四： 控制论” 说法四：“控制论”是关于动物和机器中控制和通 信的科学。（维纳定义） 。（维纳定义 信的科学。（维纳定义）
自动控制原理：第1章 自动控制的基本概念 (2)
m
Md ML
J s2 Bs
c
1
i
m
将每个子方程的结构图按照相互关系，正确地连接起来， 得到下图
自动控制原理
27
2.4.3 结构图的等效变换
(1)结构图的基本组成形式 1）串联连接
C(s) G2 (s)U (s) G2 (s)G1(s)R(s)
C(s) R(s)
G1(s)G2 (s)
2）并联连接
在控制系统稳定的前提下，总是希望响应越快越好，而 且超调量越小越好。
自动控制原理
4
1.4 对控制系统的性能要求
1.4.3 稳态误差
控制系统在稳定的情况下，希望的输出与实际的输出之 差称为误差，误差的稳态分量称为稳态误差（或称为静态误 差），一般用ess表示。
自动控制系统的性能指标分别描述了系统在稳定性、动态 性能、稳态性能三个方面的要求，根据这些性能指标，就可以 判别系统性能的优劣。
i
(2-6)
式（2-5）或（2-6）就是描述简单水槽对象特性的数 学模型。它是一个一阶常系数微分方程式。
T为时间常数。 K 为放大系数。
自动控制原理
16
2.3 传递函数
2.3.1 传递函数的概念
RC电路如下：根据克希霍夫定律， 可列写微分方程
Ri(t) uc (t) ur (t)
uc
(t)
1 C
1
uc (t) C idt
（2）消去中间变量i后，得输入输出微分方程式
LC
d
2uc (t) dt 2
RC
duc (t) dt
uc
(t)
ur
(t)
或
T1T2
d
2uc (t) dt 2
自动控制第一章
（2）第二阶段。时间为20世纪60～70年代，称为“现 代控制理论”时期。这个时期，由于计算机的飞速发展， 推动了空间技术的发展。经典控制理论中的高阶常微分 方程可转化为一阶微分方程组，用以描述系统的动态过 程，即所谓状态空间法。这种方法可以解决多输入-多输 出问题，系统既可以是线性的、定常的，也可以是非线 性的、时变的。这一时期的主要代表人物有庞特里亚金、 贝尔曼（Bellman）及卡尔曼（R.E.Kalman）等人。 庞特里亚金于1961年发表了极大值原理；贝尔曼在 1957年提出了动态规化原则；1959年，卡尔曼和布西 发表了关于线性滤波器和估计器的论文，即所谓著名的 卡尔曼滤波。
加到反馈控制系统上的外作用有两种类型，一种是有 用输入，一种是扰动。有用输入决定系统被控量的变化规 律；而扰动是系统不希望有的外作用，它破坏有用输入对 系统的控制。在实际系统中，扰动总是不可避免的。如电 源电压的波动，环境温度、压力以及负载的变化等。
基本术语
自动控制 —利用控制装置自动地操纵机器设备或生产过程，
实现步骤：
1、用脑记住水位的希望值 2、用眼睛和测量工具测量实际值 3、比较希望值与实际值得出偏差值 4、根据偏差的大小和正负用手调节进水阀门
人在参与控制中起了以下三方面的作用 1) 测量实际液面高度h1—眼睛。
2) 测得的实际液面高度h1与希望液面高度h0相比较—脑。
3) 根据比较的结果，按照偏差的正负去决定的动作—手。
例子 数控车床按照预定程序自动切削工件 化学反应炉的温度或压力自动地维持恒定 无人驾驶飞机按照预定航迹自动升降和飞行 人造卫星准确地进入预定轨道运行并回收
应用范围 空间技术、军事科技、生物、 交通、环境等
优点
提高劳动生产率，改善劳动 条件，探索未知世界
第1章 自动控制的基本概念 [自动控制理论及工程应用]
1.3 对自动控制系统性能的基本要求
1.3.1 稳定性
图1.13 稳定性示意图
1.3.2 稳态性能（静态性能）
1.3.3 暂态性能（动态性能， 瞬态性能）
1.3.3 暂态性能（动态性能， 瞬态性能）
第1章 自动控制的基本概念
1.1 自动控制系统 1.2 自动控制系统的类型 1.3 对自动控制系统性能的基本要求 1.4 本课程的主要内容及其相互间的关系
Y[x1(t)+x2(t)]=y(x1)+y(x2)
齐次性： 输入x
输入x
系统
输出y(x) 输出y(x)
若输入为x(t)时,系统输出为y(x)，则输入为 βx(t)时，系统输出为：
Y[βx(t)]=βy(x)
重要特点：
线性系统的叠加性和齐次性，为研究带来了极大方便。 这样，我们可以采用典型激励（单位阶跃、单位脉冲、 单位斜坡等）对系统进行分析，而将复杂激励分解为典型激 励的线性组合——这就简化了问题。
(b) K=5, k=0.2 1→∞
(c) K=10, k=0.1 1→∞
1.2.2 线性系统与非线性系统
对于用微分方程描述的系统： 若系统的输入量、输出量及其各阶导数均为线性时，系统为线性系统。
满足叠加性和齐次性的系统称为线性系统.
叠加性： 输入x1
输入x2
系统
输出y(x1) 输出y(x2)
若输入为x1(t)时,系统输出为y(x1)；输入为x2(t) 时,系统输出为y(x2)，则系统输出满足：
课程及教学安排简介----目标
知道控制的概念，易！ 实施恰当的控制，难！
复杂对象的控制，非不欲也，乃无能也！ 因此，本课程采用有限目标、解剖麻雀的策略。
《自动控制原理》第一章-自动控制原理精选全文完整版
● 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。
常用的名词术语
1.稳定性
一个控制系统能正常工作的首要条件。 稳定系统：当系统受到外部干扰后，输出会偏离正 常工作状态，但是当干扰消失后，系统能够回复到 原来的工作状态，系统的输出不产生上述等幅振荡、 发散振荡或单调增长运动。
2.动态性能指标
反映控制系统输出信号跟随输入信号的变化情况。 当系统输入信号为阶跃函数时，其输出信号称为 阶跃响应。
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 r(t) 时，对应的输出为 y(t)，则
当输入量为 Kr(t)时，输出量为 Ky(t) 。
（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
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
Hale Waihona Puke (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
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。
● 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。
常用的名词术语
1.稳定性
一个控制系统能正常工作的首要条件。 稳定系统：当系统受到外部干扰后，输出会偏离正 常工作状态，但是当干扰消失后，系统能够回复到 原来的工作状态，系统的输出不产生上述等幅振荡、 发散振荡或单调增长运动。
2.动态性能指标
反映控制系统输出信号跟随输入信号的变化情况。 当系统输入信号为阶跃函数时，其输出信号称为 阶跃响应。
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 r(t) 时，对应的输出为 y(t)，则
当输入量为 Kr(t)时，输出量为 Ky(t) 。
（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
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
Hale Waihona Puke (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
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
自动控制原理
: 教材:
谢克明 主编
电子工业出版社
主要参考书:<自动控制理论>胡寿松编 <现代控制工程>绪方胜彥
自动控制原理是自动化学科的重要理论基础。
•基本概念 •基本原理 •分析和设计方法。 第一章:自动控制的基本概念
1.1基本概念
① 什么是控制?
所谓控制就是:对被控对象运动过程施加 一定的影响或措施使其过程按照指定路径向 预定目标发展。
② 过程
任何被控制的运行状态称为过程，其具 体例子如化学过程、经济学过程、生物学 过程。 ③ 系统 完成一定任务的一些元、部件的组合。 ④ 扰动 扰动是一种对系统的输出产生不利影响 的信号。如果扰动产生在系统内部称为内 扰；扰动产生在系统外部，则称为外扰。 外扰是系统的输入量之一。
⑤ 反馈控制
反馈控制是一种将输出量引入到输入端 进行比较,利用偏差来控制系统的过程.
直接控制
②什么是自动控制?
自动控制:在无人直接参与的情况下，通 过控制器使被控对象运动过程自动地按照预 定要求进行。
③ 人工控制的缺点:
速度低 精度低 效率低 不适应恶劣环境 不能进行复杂控制
1.2自动控制理论中的一些术语
(这里限于工程控制论范畴)
① 被控对象
是一个设备，它是由一些零件有机地 组合在一起，完成一个特定的目标设备。 任何被控物体（如加热炉、化学反应器 或宇宙飞船）为对象。
自动控制系统举例
气动阀门
给定希望液位
控制器 （比较、放大）
注入
Q1 H
浮子 Q 2
流出
液位系统原理图
控制器 希望液位 放大元件
注入 实际液位 气动阀门 水 箱
浮 子Leabharlann 液位系统方框图 控制器：比较、放大的作用 浮子：液面高度的反馈元件 Q2为系统的干扰量 气动阀门：执行机构 被控对象：水箱
1.6对自动控制系统的基本要求
① 开环控制
指系统输出量对输入量没有任何影响 的系统。结构如图所示。
•开环控制系统的特点：
顺向作用，没有反向的联系，没有修 正偏差能力，抗扰动性较差。结构简单、 调整方便、成本低。
② 闭环控制(反馈控制)
闭环控制系统: 将输出量引入到输 入端进行比较,利用偏差来控制的系统
正反馈 负反馈
• 闭环控制系统的特点： 偏差控制，可以抑制内、外扰动对被 控制量产生的影响。精度高、结构复杂， 设计、分析麻烦。 易产生不稳定
二战时期对控制系统的贡献： 自动导航系统， 自动瞄准系统， 自动雷达探测系统 在自动控制基础上发展的军事系统。 对高性能武器的要求还促进了对非线性 系统，采样数据系统以及随机控制系统 的研究。
1948年伊文斯(W.Evans)又进一步提 出了属于经典方法的根轨迹设计法，它 给出了系统参数变换与时域性能变化之 间的关系。至此，复数域与频率域的方 法进一步完善。 Graphical analysis of control system,Trans.amer.inst.Electrical
它表示一个在时出现的， 幅值为的阶跃变化函数，如图 所示。在实际系统中，如负荷 突然增大或减小，流量阀突然 开大或关小均可以近似看成阶 跃函数的形式。
A=1的函数称为单位阶跃函数，记作1(t)。因此， 幅值为的阶跃函数也可表示为
r(t ) = A⋅ 1(t )
出现在 t = t0 时刻的阶跃函数，表示为
0 t < t0 r(t − t0) = A t ≥ t0
斜坡函数从t =0时刻开始， 随时间以恒定速度增加。如图 所示。A=1时斜坡函数称作单 位斜坡函数。 斜坡函数等于阶跃函数对 时间的积分，反之，阶跃函数 等于斜坡函数对时间的导数。
1.8.2 斜坡函数（等速度函数） 0 t <0 它的数学表达式为 r(t ) = At t ≥ 0
Tamer Baser ,Twenty-Five Seminal papers(1932-1981)25篇
经典控制理论
方法:以传递函数为基础 的频域法 对象:单输入-单输出一类 定常控制系统的分析与 设计问题。 手段:图解 : 特点:定性分析,这些理论 由于其发展较早，现已 日臻成熟。 目标：稳定和达到一定 的性能
一般一个完整反馈控制系统的基本组成图
输入量 串联补 偿元件 放大 元件 执行 元件 反馈补 偿元件 测量元件 被控 对象 输出量
为改善系 统性能
主反馈
• 用“○”号代表比较元件，“—”号代表两者符号相反，“+” 号代表两者符号相同。 • 信号沿箭头方向从输入端到达输出端的传输通路称前向通路； • 输出量经测量元件反馈到输入端的传输通路称主反馈通路； • 前向通路与主反馈通路共同构成主回路。 • 此外，还有局部反馈通路以及由它构成的内回路。
1.3自动控制发展的历史
① 发展概况 经 典 控 制 理 论 现 代 控 制 理 论
状态空间分析法 最优化方法 Kalman滤波 动态规划 本质是: 时域分析法
18世纪--频域分析法 低阶系统时域分析法
时间: 上世纪 50~60年 代
① 实际应用方面:
最先使用反馈控制装置 凯特斯比斯(Kitesibbios)，希腊人, 使用的浮子调节器。以保持油面 高度稳定。 赫容（Heron） 《浮力学》 介绍浮阀控制液位的方法。 现代欧洲最先发明反馈控制 德勒贝尔（C. Drebbel），荷兰人， 它使用了温度反馈控制。
现代控制理论
方法:状态空间法为基础 ,最优化方法,卡尔曼滤波 ,动态规划,本质是时域法 对象: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。 手段:计算机,现代数学 特点:定量分析,系统具有 高精度和高效能的特点 目标：性能最优
1.4自动控制系统的分类
开环控制 • 控制方式分 闭环控制(反馈控制) 复合控制 温度控制系统 • 按系统功用分 压力控制系统 位置控制系统 ………
II.快速性：
对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般 称为动态性能。
高射炮射角随动系统，虽然炮身最终能跟踪目标，但如 果目标变动迅速，而炮身行动迟缓，仍然抓不住目标。
III. 准确性： 用稳态误差来表示。 在参考输入信号作用下，当系统达到稳态 后，其稳态输出与参考输入所要求的 期望输出之差叫做给定稳态误差。显 然，这种误差越小，表示系统的输出 跟随参考输入的精度越高。
1.7本课程的任务
课程所要研究的三大课题： 1）如何保证系统稳定 2) 如何从理论上对它的动态性能和稳态 精度进行定性的分析和定量的计算。 3）根据对系统性能的要求，如何合理地 设计校正装置.
一种重要方法：给定输入分析输出
1.8常采用的典型输入信号有：
1.8.1 阶跃函数
0 t < 0 它的数学表达式为： r(t ) = A t ≥ 0
公 元前300年到1年中
现代欧洲最先发明反馈控制的是荷兰的德勒贝尔（C. Drebbel），它使用了温度反馈控制
（亚历山大时代）
(二)、现代控制理论阶段
最早的在工业中使用 的压力反馈控制器 瓦特（ J.Watt），离 心调节器，1788年用 于限制蒸汽机引擎速 度。 •离心调节器是自 动控制领域的第 一项重大成果。
反馈本质——测量偏差，利用 偏差，减少（乃至消除）偏差
⑥反馈控制系统
反馈控制系统是一种能对输出量与参考 输入量进行比较，并力图保持两者之间的 既定关系的系统，它利用输出量与输入量 的偏差来进行控制。
应当指出，反馈控制系统不限于 工程范畴，在各种非工程范畴内， 诸如经济学和生物学中，也存在着 反馈控制系统。
1931年，美国开始出售带有线 性放大器和I(积分)作用的气动控制 器。 1932年奈奎斯特(Nyquist )提出 了负反馈系统的频率域稳定性判据 (针对美国长距离电话线路负反馈放 大器应用中出现的失真等问题)
Regeneration Theory , Bell system technical Journal,vol 13,1932
社会运动 生物过程 经济过程 温度压力的保持 轧钢造纸厚度的控制 工程施工过程 卫星的控制 导弹控制 无人驾驶飞机 工程控制论范畴
生物/经济等控制论范畴
测量,比较,控制,控制对象
例3:
遥控无人驾驶飞机
例4
“爱国者”地空导弹系统 导弹拦击视频
控制领域一个经典的例子：倒立摆
比较两系统：
热力系统控制水温
反馈控制系统的基本组成 • 被控对象（或过程）
控制装置 由具有一定职能的各种基本元件组成： • 测量元件：其职能是测量被控制的物理量； •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（即参考量）；
• 比较元件：把测量元件检测的被控量实际值 比较元件： 与给定元件给出的参考量进行比较，求出它们 之间的偏差； • 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 • 执行元件：直接推动被控对象，使其被控量发 生变化； • 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。
② 理论上：
1868年麦克斯韦尔(J.C.Maxwell)基于
微分方程描述从理论上给出了它的稳定 性条件。 1877年劳斯(E.J.Routh)以及1895年霍 尔维茨(A.Hurwitz) 高阶线性系统的稳 定性判据；
1892年李雅普诺夫 (A.M.Lyapunov) 给出了非线性系 统的稳定性判据。同一时期，维什哥 热斯基(I.A.Vyshnegreskii) 也用一种 正规的数学理论描述了这种理论。 1922年米罗斯基(N.Minorsky)给 出了位置控制系统的分析，并对PID 三作用控制给出了控制规律公式。
线性系统 齐次性、叠加性 非线性系统 连续系统 按系统 性能分 离散系统 定常系统 时变系统 确定性系统 随机系统 系统的统计特性 采样时间间隔
: 教材:
谢克明 主编
电子工业出版社
主要参考书:<自动控制理论>胡寿松编 <现代控制工程>绪方胜彥
自动控制原理是自动化学科的重要理论基础。
•基本概念 •基本原理 •分析和设计方法。 第一章:自动控制的基本概念
1.1基本概念
① 什么是控制?
所谓控制就是:对被控对象运动过程施加 一定的影响或措施使其过程按照指定路径向 预定目标发展。
② 过程
任何被控制的运行状态称为过程，其具 体例子如化学过程、经济学过程、生物学 过程。 ③ 系统 完成一定任务的一些元、部件的组合。 ④ 扰动 扰动是一种对系统的输出产生不利影响 的信号。如果扰动产生在系统内部称为内 扰；扰动产生在系统外部，则称为外扰。 外扰是系统的输入量之一。
⑤ 反馈控制
反馈控制是一种将输出量引入到输入端 进行比较,利用偏差来控制系统的过程.
直接控制
②什么是自动控制?
自动控制:在无人直接参与的情况下，通 过控制器使被控对象运动过程自动地按照预 定要求进行。
③ 人工控制的缺点:
速度低 精度低 效率低 不适应恶劣环境 不能进行复杂控制
1.2自动控制理论中的一些术语
(这里限于工程控制论范畴)
① 被控对象
是一个设备，它是由一些零件有机地 组合在一起，完成一个特定的目标设备。 任何被控物体（如加热炉、化学反应器 或宇宙飞船）为对象。
自动控制系统举例
气动阀门
给定希望液位
控制器 （比较、放大）
注入
Q1 H
浮子 Q 2
流出
液位系统原理图
控制器 希望液位 放大元件
注入 实际液位 气动阀门 水 箱
浮 子Leabharlann 液位系统方框图 控制器：比较、放大的作用 浮子：液面高度的反馈元件 Q2为系统的干扰量 气动阀门：执行机构 被控对象：水箱
1.6对自动控制系统的基本要求
① 开环控制
指系统输出量对输入量没有任何影响 的系统。结构如图所示。
•开环控制系统的特点：
顺向作用，没有反向的联系，没有修 正偏差能力，抗扰动性较差。结构简单、 调整方便、成本低。
② 闭环控制(反馈控制)
闭环控制系统: 将输出量引入到输 入端进行比较,利用偏差来控制的系统
正反馈 负反馈
• 闭环控制系统的特点： 偏差控制，可以抑制内、外扰动对被 控制量产生的影响。精度高、结构复杂， 设计、分析麻烦。 易产生不稳定
二战时期对控制系统的贡献： 自动导航系统， 自动瞄准系统， 自动雷达探测系统 在自动控制基础上发展的军事系统。 对高性能武器的要求还促进了对非线性 系统，采样数据系统以及随机控制系统 的研究。
1948年伊文斯(W.Evans)又进一步提 出了属于经典方法的根轨迹设计法，它 给出了系统参数变换与时域性能变化之 间的关系。至此，复数域与频率域的方 法进一步完善。 Graphical analysis of control system,Trans.amer.inst.Electrical
它表示一个在时出现的， 幅值为的阶跃变化函数，如图 所示。在实际系统中，如负荷 突然增大或减小，流量阀突然 开大或关小均可以近似看成阶 跃函数的形式。
A=1的函数称为单位阶跃函数，记作1(t)。因此， 幅值为的阶跃函数也可表示为
r(t ) = A⋅ 1(t )
出现在 t = t0 时刻的阶跃函数，表示为
0 t < t0 r(t − t0) = A t ≥ t0
斜坡函数从t =0时刻开始， 随时间以恒定速度增加。如图 所示。A=1时斜坡函数称作单 位斜坡函数。 斜坡函数等于阶跃函数对 时间的积分，反之，阶跃函数 等于斜坡函数对时间的导数。
1.8.2 斜坡函数（等速度函数） 0 t <0 它的数学表达式为 r(t ) = At t ≥ 0
Tamer Baser ,Twenty-Five Seminal papers(1932-1981)25篇
经典控制理论
方法:以传递函数为基础 的频域法 对象:单输入-单输出一类 定常控制系统的分析与 设计问题。 手段:图解 : 特点:定性分析,这些理论 由于其发展较早，现已 日臻成熟。 目标：稳定和达到一定 的性能
一般一个完整反馈控制系统的基本组成图
输入量 串联补 偿元件 放大 元件 执行 元件 反馈补 偿元件 测量元件 被控 对象 输出量
为改善系 统性能
主反馈
• 用“○”号代表比较元件，“—”号代表两者符号相反，“+” 号代表两者符号相同。 • 信号沿箭头方向从输入端到达输出端的传输通路称前向通路； • 输出量经测量元件反馈到输入端的传输通路称主反馈通路； • 前向通路与主反馈通路共同构成主回路。 • 此外，还有局部反馈通路以及由它构成的内回路。
1.3自动控制发展的历史
① 发展概况 经 典 控 制 理 论 现 代 控 制 理 论
状态空间分析法 最优化方法 Kalman滤波 动态规划 本质是: 时域分析法
18世纪--频域分析法 低阶系统时域分析法
时间: 上世纪 50~60年 代
① 实际应用方面:
最先使用反馈控制装置 凯特斯比斯(Kitesibbios)，希腊人, 使用的浮子调节器。以保持油面 高度稳定。 赫容（Heron） 《浮力学》 介绍浮阀控制液位的方法。 现代欧洲最先发明反馈控制 德勒贝尔（C. Drebbel），荷兰人， 它使用了温度反馈控制。
现代控制理论
方法:状态空间法为基础 ,最优化方法,卡尔曼滤波 ,动态规划,本质是时域法 对象: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。 手段:计算机,现代数学 特点:定量分析,系统具有 高精度和高效能的特点 目标：性能最优
1.4自动控制系统的分类
开环控制 • 控制方式分 闭环控制(反馈控制) 复合控制 温度控制系统 • 按系统功用分 压力控制系统 位置控制系统 ………
II.快速性：
对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般 称为动态性能。
高射炮射角随动系统，虽然炮身最终能跟踪目标，但如 果目标变动迅速，而炮身行动迟缓，仍然抓不住目标。
III. 准确性： 用稳态误差来表示。 在参考输入信号作用下，当系统达到稳态 后，其稳态输出与参考输入所要求的 期望输出之差叫做给定稳态误差。显 然，这种误差越小，表示系统的输出 跟随参考输入的精度越高。
1.7本课程的任务
课程所要研究的三大课题： 1）如何保证系统稳定 2) 如何从理论上对它的动态性能和稳态 精度进行定性的分析和定量的计算。 3）根据对系统性能的要求，如何合理地 设计校正装置.
一种重要方法：给定输入分析输出
1.8常采用的典型输入信号有：
1.8.1 阶跃函数
0 t < 0 它的数学表达式为： r(t ) = A t ≥ 0
公 元前300年到1年中
现代欧洲最先发明反馈控制的是荷兰的德勒贝尔（C. Drebbel），它使用了温度反馈控制
（亚历山大时代）
(二)、现代控制理论阶段
最早的在工业中使用 的压力反馈控制器 瓦特（ J.Watt），离 心调节器，1788年用 于限制蒸汽机引擎速 度。 •离心调节器是自 动控制领域的第 一项重大成果。
反馈本质——测量偏差，利用 偏差，减少（乃至消除）偏差
⑥反馈控制系统
反馈控制系统是一种能对输出量与参考 输入量进行比较，并力图保持两者之间的 既定关系的系统，它利用输出量与输入量 的偏差来进行控制。
应当指出，反馈控制系统不限于 工程范畴，在各种非工程范畴内， 诸如经济学和生物学中，也存在着 反馈控制系统。
1931年，美国开始出售带有线 性放大器和I(积分)作用的气动控制 器。 1932年奈奎斯特(Nyquist )提出 了负反馈系统的频率域稳定性判据 (针对美国长距离电话线路负反馈放 大器应用中出现的失真等问题)
Regeneration Theory , Bell system technical Journal,vol 13,1932
社会运动 生物过程 经济过程 温度压力的保持 轧钢造纸厚度的控制 工程施工过程 卫星的控制 导弹控制 无人驾驶飞机 工程控制论范畴
生物/经济等控制论范畴
测量,比较,控制,控制对象
例3:
遥控无人驾驶飞机
例4
“爱国者”地空导弹系统 导弹拦击视频
控制领域一个经典的例子：倒立摆
比较两系统：
热力系统控制水温
反馈控制系统的基本组成 • 被控对象（或过程）
控制装置 由具有一定职能的各种基本元件组成： • 测量元件：其职能是测量被控制的物理量； •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（即参考量）；
• 比较元件：把测量元件检测的被控量实际值 比较元件： 与给定元件给出的参考量进行比较，求出它们 之间的偏差； • 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 • 执行元件：直接推动被控对象，使其被控量发 生变化； • 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。
② 理论上：
1868年麦克斯韦尔(J.C.Maxwell)基于
微分方程描述从理论上给出了它的稳定 性条件。 1877年劳斯(E.J.Routh)以及1895年霍 尔维茨(A.Hurwitz) 高阶线性系统的稳 定性判据；
1892年李雅普诺夫 (A.M.Lyapunov) 给出了非线性系 统的稳定性判据。同一时期，维什哥 热斯基(I.A.Vyshnegreskii) 也用一种 正规的数学理论描述了这种理论。 1922年米罗斯基(N.Minorsky)给 出了位置控制系统的分析，并对PID 三作用控制给出了控制规律公式。
线性系统 齐次性、叠加性 非线性系统 连续系统 按系统 性能分 离散系统 定常系统 时变系统 确定性系统 随机系统 系统的统计特性 采样时间间隔