第一章控制系統(tǒng)導論

自動控制原理王春suwcl@163.com1本學期課程安排2■

教材：胡壽松，自動控制原理簡明教程(第二版)，科學出版社■課程內容：第一章～第六章■課程總學時：48,其中實驗：6■參考文獻：□黃堅：《自動控制及其應用》高等教育出版社2004.1□高國淼:自動控制原理，華南理工出版社□劉慧英：《自動控制原理導教、導學、導考》西北工大出版社2003□胡壽松，自動控制原理習題集，科學出版社課程教學網(wǎng)站：泰山學院教務處/省級精品課程/電子技術應用與創(chuàng)新系列課程：自動控制原理http:///ftp/ele.htm，南航精品課西北工業(yè)大學、東北大學（薛定宇教授Matlab大觀園）中國自控網(wǎng)：http:///課程學習指導成績構成3■

期末70%■

作業(yè)10%■

實驗10%■

點名10%考試形式■

考試：閉卷課程學習指導該課程與其它課程的關系線性代數(shù)微積分（含微分方程）復變函數(shù)、拉普拉斯變換自動控制原理電路理論大學物理（力學、熱力學）電機與拖動模擬電子技術各類控制系統(tǒng)課程4課程學習指導自動控制原理各章關系5第二章控制系統(tǒng)數(shù)學模型第一章控制系統(tǒng)導論第三章線性系統(tǒng)時域分析法第五章線性系統(tǒng)頻域分析法第四章線性系統(tǒng)根軌跡第六章線性系統(tǒng)的校正方法課程學習指導第一章控制系統(tǒng)導論6■

1-1自動控制的基本原理■

1-2自動控制系統(tǒng)示例■

1-3自動控制系統(tǒng)的分類■

1-4自動控制系統(tǒng)的基本要求■

1-5控制系統(tǒng)的分析與設計工具本章難點

1.深刻理解反饋的概念和思想；2.確定控制系統(tǒng)的被控對象、被控量、給定量等；3.繪制方塊圖，分析實際控制系統(tǒng)的基本原理。本章重點

1.自動控制和自動控制系統(tǒng)的含義；2.反饋和反饋控制的概念、反饋控制的特點；3.控制系統(tǒng)的組成、分類和特點；4.繪制方框圖定性分析的方法。(1-7)結束§1控制系統(tǒng)導論相關作業(yè)P191-1；1-2；1-5；1-81-1 自動控制的基本原理1.自動控制技術及其應用自動控制的概念自動控制是在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設備或裝置（稱控制裝置或控制器）對生產設備和工藝過程（統(tǒng)稱控制對象）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（被控量）自動地按照預定的規(guī)律運行。例如鍋爐溫度控制、化工過程流量、溫度、液位的控制等等。自動控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)是為實現(xiàn)某一控制目標所需要的所有物理部件的有機組合。8控制系統(tǒng)＝控制器＋被控對象§1控制系統(tǒng)導論自動控制技術的應用? 開始多用于工業(yè)：壓力、溫度、流量、位移、濕度、粘度自動控制? 后來進入軍事領域：飛機自動駕駛、火炮自動跟蹤、導彈、衛(wèi)星、宇宙飛船自動控制? 目前滲透到更多領域：大系統(tǒng)、交通管理、圖書管理等? 生物學系統(tǒng)：生物控制論、波斯頓假肢、人造器官? 經(jīng)濟系統(tǒng)：模擬經(jīng)濟管理過程、經(jīng)濟控制論9§1控制系統(tǒng)導論§1控制系統(tǒng)導論“勇氣”號在火星工作的英姿10§1控制系統(tǒng)導論負反饋放大器電路原理圖Ecc+12vR1510KR24.7KR451KR63KC210μC310μ+R1K C110μRL5.1KR7++T13DG6T23DG6usuiuoR3100R518K100R8 C41K 10μRf2K12§1控制系統(tǒng)導論13§1控制系統(tǒng)導論自動控制理論:關于自動控制系統(tǒng)的理論。自動控制成為一門科學是從1945發(fā)展起來的2.自動控制理論發(fā)展史?十八世紀以后，蒸汽機的使用提出了調速穩(wěn)定等問題1765年俄國人波爾祖諾夫發(fā)明了鍋爐水位調節(jié)器1784年英國人瓦特發(fā)明了調速器，蒸汽機離心式調速器1877年產生了赫氏判據(jù)和勞斯穩(wěn)定判據(jù)?十九世紀前半葉，動力使用了發(fā)電機、電動機促進了水利、水電站的遙控和程控的發(fā)展以及電壓、電流的自動調節(jié)技術的發(fā)展?十九世紀末，二十世紀初，使用內燃機促進了飛機、汽車、船舶、機器制造業(yè)和石油工業(yè)的發(fā)展，產生了伺服控制和過程控制?二十世紀初第二次世界大戰(zhàn)，軍事工業(yè)發(fā)展很快飛機、雷達、火炮上的伺服機構，總結了自動調節(jié)技術及反饋放大器技術，搭起了經(jīng)典控制理論的架子，但還沒有形成學科。14§1控制系統(tǒng)導論蒸汽機的速度控制：給定值慣性球蒸汽閥壓力蒸汽15受控蒸汽1-1自動控制的基本原理1. 經(jīng)典控制理論時期（1940-1960）第二次世界大戰(zhàn)時期開始：經(jīng)典控制理論逐漸發(fā)展成熟而形成為獨立學科。頻率分析法和根軌跡分析法，構成了經(jīng)典控制理論的基礎。在此期間，也產生了一些非線性系統(tǒng)的分析方法，如相

平面法和描述函數(shù)法等，以及采樣系統(tǒng)的分析方法。數(shù)學工具：主要是線性微分方程和基于拉普拉斯變換的傳遞函數(shù)。研究對象：基本是單輸入－單輸出系統(tǒng)。目標：反饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定典型成果：雷達—高炮跟蹤系統(tǒng)，軋鋼機控制系統(tǒng)，液壓伺服系統(tǒng)等。161-1自動控制的基本原理2.現(xiàn)代控制理論時期（20世紀50年代末-60年代初）50年代——70年代，空間技術與軍事技術的發(fā)展提出了許多復雜控制問題，用于導彈、人造衛(wèi)星和宇宙飛船上Kalman“控制系統(tǒng)的一般理論”奠定了現(xiàn)代控制理論的基礎數(shù)學工具：主要是狀態(tài)空間法研究對象：研究對象更為廣泛。如線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)、定常系統(tǒng)與時變系統(tǒng)、多輸入－多輸出系統(tǒng)、變量耦合系統(tǒng)等。目標：最優(yōu)控制典型成果：空間技術、軍事技術、多方面的工業(yè)技術我國：火箭發(fā)射控制技術，人口模型與中國人口控制171-1自動控制的基本原理3.大系統(tǒng)和智能控制時期（20世紀70年代）各學科相互滲透，要分析的系統(tǒng)越來越大，越來越復雜。70年代——至今，基于人腦的思維、學習、推理、決策功能研究與發(fā)展的，是當前控制理論學科研究的前沿領域。主要研究方向：自適應控制理論、模糊控制理論、人工神經(jīng)元網(wǎng)絡、渾沌理論研究等。主要研究成果：各種自動設計系統(tǒng)，神經(jīng)計算機，機器人控制系統(tǒng)，模式識別，人工推理機等。4.正在發(fā)展的各個領域

自適應控制大系統(tǒng)理論H∞魯棒控制非線性控制（微分幾何，混沌，變結構）181-1自動控制的基本原理3.反饋控制原理例１：液位控制系統(tǒng)期望液位：Hs被控對象 被控量擾動變量 操縱變量1、人工控制原理眼：測量實際液位H——檢測過程。腦：將實際液位H和期望液位HS比較，根據(jù)兩者偏差正負及大小作出決策?！容^、分析、決策過程。手：執(zhí)行大腦命令，調節(jié)閥門開度?！獔?zhí)行過程。191-1自動控制的基本原理工作原理的描述——方框圖：20HQi眼H測量值實際液位腦水槽手eHsu給定值1-1自動控制的基本原理測量元件(眼）：測量實際液位H并進行物理轉換?？刂破鳎ù竽X）：也叫調節(jié)器，將測量值mv和給定值sv相比較，

根據(jù)兩者的偏差進行運算，輸出控制信號u。執(zhí)行元件（手）：也叫執(zhí)行器，改變閥門開度。211-1自動控制的基本原理人工控制原理方框圖：uH實際液位腦手水槽眼Hs給定值HeQo擾動Qi測量值自動控制原理方塊圖：22Qo擾動HseuHQi實際液位控制器給定值H執(zhí)行器水槽測量元件測量值1-1自動控制的基本原理反饋：通過測量變換裝置將系統(tǒng)或元件的輸出量反送到輸入端，與輸入信號相比較。反送到輸入端的信號稱為反饋信號。負反饋：反饋信號與輸入信號相減，其差為偏差信號。負反饋控制原理：檢測偏差用以消除偏差。將系統(tǒng)的輸出信號引回輸入端，與輸入信號相減，形成偏差信號。然后根據(jù)偏差信號產生相應的控制作用，力圖消除或減少偏差的過程。231-1自動控制的基本原理被控制量：在控制系統(tǒng)中．按規(guī)定的任務需要加以控制的物理量?？刂屏浚鹤鳛楸豢刂屏康目刂浦噶疃咏o系統(tǒng)的輸入量．也稱控制輸入、參考輸入、參據(jù)量（給定量）。擾動量：干擾或破壞系統(tǒng)按預定規(guī)律運行的輸入量，也稱擾動輸入。外擾動和內擾動241-1自動控制的基本原理4.自動控制系統(tǒng)的基本組成擾動輸入reucd控制器給定輸入執(zhí)行器被控對象輸出測量變送器b測量值輸入變量：擾動輸入，給定輸入（參考輸入）；輸出變量；反饋，反饋通道，前向通道，閉環(huán)自動控制系統(tǒng) 自動控制裝置反饋控制系統(tǒng)的特點：反饋（偏差、閉環(huán)）控制系統(tǒng)存在反饋，輸出量參與控制；基于偏差進行控制1-1自動控制的基本原理被控對象控制器執(zhí)行器測量變送器控制器執(zhí)行器測量變送器1-1自動控制的基本原理測量儀表?壓力測量儀表?

非遠傳式壓力測量儀表?液柱式壓力計?應用彈性變形測量?

遠傳式壓力測量儀表?力平衡式壓力變送?電阻式壓力傳感器?電容式壓力傳感器271-1自動控制的基本原理?溫度測量儀表?膨脹式溫度計?熱電偶溫度計?熱電阻溫度計281-1自動控制的基本原理執(zhí)行儀表?將控制指令轉化為實際動作?

氣動調節(jié)閥?

液動調節(jié)閥?

電動執(zhí)行器?

變頻電機291-1自動控制的基本原理控制儀表301-1自動控制的基本原理5.自動控制系統(tǒng)基本控制方式(1)開環(huán)控制方式不存在輸出到輸入的反饋，輸出量不參與控制①按給定值進行控制②按干擾進行控制（即前饋控制，對干擾進行補償）擾動必須可測！——比較環(huán)節(jié)（疊加點）1-1自動控制的基本原理例 按給定值進行控制控制裝置與受控對象之間只有順向作用而無反向聯(lián)系。321-1自動控制的基本原理++uMcn++gua

M負載功放負載Mc

M——電動機ugn功放電機if =

cons例：按干擾進行控制（即前饋控制，對干擾進行補償）負載McR壓放ubugn功放電機ue331-1自動控制的基本原理+if=consuuaMcnue++gM負載功放Rub+壓放i■開環(huán)控制特點：控制量與輸出量之間僅有前向通路，而沒有反饋通路。輸出量不能對控制量產生影響?！?/p>

缺點：精度低，不能自動跟蹤控制目標要求?！?/p>

應用：由于開環(huán)控制系統(tǒng)結構簡單、維護容易、成本低、不存在穩(wěn)定性問題，因此應用于一些精度要求不高或擾動影響較小的場合。341-1自動控制的基本原理(2)閉環(huán)（反饋）控制方式存在輸出到輸入的反饋，輸出量參與控制例2：電機系統(tǒng)期望轉速：n0TG—測速發(fā)電機351-1自動控制的基本原理++if=consMc++uguanM負載壓放功放TGufueugue負載nMc壓放功放電機uf測速發(fā)電機■

閉環(huán)控制：■

閉環(huán)控制特點：（1）控制量與輸出量之間既有前向通路，又有反饋通路。可以由輸出量影響控制量產生調節(jié)作用。（2）由于采用反饋裝置，導致設備增多，線路復雜，成本高。（3）閉環(huán)系統(tǒng)存在穩(wěn)定性問題?！?/p>

本課程研究重點例子：電動機轉速控制系統(tǒng)伺服控制（隨動）系統(tǒng)361-1自動控制的基本原理3、復合控制方式（反饋+前饋）例ue37++if=cons++gu++uaMcnM負載壓放功放ufi壓放+TG1-1自動控制的基本原理381-1自動控制的基本原理基本控制方式

1.開環(huán)控制

2.閉環(huán)控制

3.復合控制Mc壓放ugn負載Rubue功放電機uf壓放測速發(fā)電機1-2 自動控制系統(tǒng)示例39?學會分析自動控制系統(tǒng)的工作原理?利用方框圖表示自動控制系統(tǒng)的組成輸入輸出控制系統(tǒng)對系統(tǒng)組成的理解?方框圖中的幾種組成元件表示法：1-2自動控制系統(tǒng)示例(a)環(huán)節(jié)名稱或特性輸入量輸出量引出點ccc(c)e=r-b或(+)re=r-bb(b)b(-)(-)r函數(shù)記錄儀電阻爐微機溫度控制系統(tǒng)鍋爐液位控制系統(tǒng)(1-41)結束1-2自動控制系統(tǒng)示例函數(shù)記錄儀(1-42)結束§1.2自動控制系統(tǒng)示例

函數(shù)記錄儀方框圖

1-2自動控制系統(tǒng)示例控制過程的描述：流程圖2、假設有擾動引起Hc變化（如用水量突然增大Q2↑）：動態(tài)Q2↑→

Hc↓→浮子↓→

△H<0

→閥門開度↑→Q1↑→Hc↑

↑↑

一直進行到Hc＝Hg，△H=0時控制結束，系統(tǒng)進入穩(wěn)定狀態(tài)為止。1、假設Hc與整定的水位Hg

相等：平衡狀態(tài)△H＝Hc

－Hg＝0→閥門開度不變→Q1＝Q2→Hc＝Hg，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)

(1-44)結束§1.2自動控制系統(tǒng)示例§1、2相關作業(yè)1-3自動控制系統(tǒng)分類5、按輸入信號變化規(guī)律分：恒值控制系統(tǒng)隨動控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)1、按數(shù)學描述方法分：線性、非線性系統(tǒng)時不變（定常）/時變系統(tǒng)2、按系統(tǒng)信號形式分：連續(xù)、離散系統(tǒng)3、按輸入信號數(shù)量分：

單輸入/多輸入4、按控制方式分：開環(huán)控制、閉環(huán)控制、復合控制6、按物理元件類型分：機械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、電子系統(tǒng)、機電系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、生物系統(tǒng)等。1-3自動控制系統(tǒng)的分類?

隨動系統(tǒng)與恒值系統(tǒng)?

線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)?

時變系統(tǒng)和定常系統(tǒng)?

連續(xù)系統(tǒng)與離散系統(tǒng)?

單輸入輸出系統(tǒng)與多輸入輸出系統(tǒng)?

確定性系統(tǒng)與不確定性系統(tǒng)?

集中參數(shù)系統(tǒng)與分布參數(shù)系統(tǒng)主要研究對象：線性時不變（LTI）多入單出連續(xù)系統(tǒng)式中：

r(t)——系統(tǒng)輸入量；

c(t)——系統(tǒng)輸出量由系數(shù)判定時變系統(tǒng)：系數(shù)隨時間而變定常系統(tǒng)：系數(shù)是實常數(shù)線性系統(tǒng)主要特點線性／非線性判定線性系統(tǒng)：無變量或其導數(shù)項的乘積或乘方項；無常數(shù)項非線性系統(tǒng)：有變量乘積或變量乘方項或有常數(shù)項疊加性齊次性(1-47)結束§1.3自控系統(tǒng)分類疊加原理：當多個信號作用于線性系統(tǒng)時，其總的響應等于各作用量單獨激勵所產生的響應之和。線性時不變（LTI）系統(tǒng)主要類型：（1）恒值控制系統(tǒng)

參考輸入（給定量）是個常值，要求被控量也等于常值。擾動引起被控量偏離參考量而出現(xiàn)偏差。系統(tǒng)主要控制目的：利用偏差產生控制作用，使被控量恢復到給定常值，克服擾動的影響。（2）隨動系統(tǒng)（或稱伺服系統(tǒng)）參考輸入預先未知，隨時間任意變化，要求被控量以盡可能小的誤差跟隨參考輸入量變化。系統(tǒng)主要控制目的：保證輸出對輸入的跟隨精度(1-48)結束§1.3自控系統(tǒng)分類§1-4自控系統(tǒng)的基本要求A超調量σ%=AB100%峰值時間tB“穩(wěn)，準，快”上升時間trp調節(jié)時間ts491.基本控制要求

（1）穩(wěn)定性穩(wěn)定性：系統(tǒng)在擾動消失后，由初始偏差狀態(tài)恢復到平衡狀態(tài)的能力。２、不穩(wěn)定501、穩(wěn)定§1-4自控系統(tǒng)的基本要求穩(wěn)定性：(1)對恒值系統(tǒng)，要求當系統(tǒng)受到擾動后，經(jīng)過一定時間的調整能夠回到原來的期望值。對隨動系統(tǒng)，被控制量始終跟蹤輸入量的變化。

穩(wěn)定性是對系統(tǒng)的基本要求，不穩(wěn)定的系統(tǒng)不能實現(xiàn)預定任務。線性系統(tǒng)穩(wěn)定性通常由系統(tǒng)的結構決定，與外界因素無關。51§1-4自控系統(tǒng)的基本要求調節(jié)時間、上升時間動態(tài)性能對過渡過程的形式和快慢提出要求，一般稱為動態(tài)性能。穩(wěn)定高射炮射角隨動系統(tǒng)，雖然炮身最終能跟蹤目標，但如果目標變動迅速，而炮身行動遲緩，仍然抓不住目標。穩(wěn)態(tài)性能穩(wěn)態(tài)誤差?無差系統(tǒng)?有差系統(tǒng)在參考輸入信號作用下，當系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)后，其穩(wěn)態(tài)輸出與參考輸入所要求的期望輸出之差叫做給定穩(wěn)態(tài)誤差。顯然，這種誤差越小，表示系統(tǒng)的輸出跟隨參考輸入的精度越高。521.基本控制要求

（2）快速性1.基本控制要求

（3）準確性§1-4自控系統(tǒng)的基本要求1為什么要使用典型的輸入信號？2典型輸入信號有哪幾種？它們?yōu)槭裁词堑湫偷模?典型輸入信號的數(shù)學模型、圖象？4典型輸入信號相互關系如何？典型信號是指具有最基本信號特征（波形）和數(shù)學描述，并能夠反映系統(tǒng)控制特性且易于實現(xiàn)的理想信號。采用典型的輸入信號，可以使