自动控制（自动控制原理）

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1、自动控制原理自动控制原理授课教师：授课教师：杨敏杨敏联系电话：联系电话： 地地 址：址：主楼主楼906信息与控制系信息与控制系答疑时间：答疑时间：每周一次，时间待定每周一次，时间待定l欢迎任何形式的意见和建议!学学 时：时：48 48学时（学时（3 3学分）学分）教教 材：材：自动控制原理第自动控制原理第4 4版版 胡寿松主编胡寿松主编参考书参考书:自动控制原理自动控制原理 吴吴 麒麒 自动控制原理自动控制原理 李友善李友善 Matlab Matlab及有关该软件的工具书及有关该软件的工具书 作作 业：业：每章交一次每章交一次答答 疑：疑：每周一次（时间地点待定）每周一次（时间地

2、点待定）一一.介绍课程基本情况介绍课程基本情况二二.课程的性质和特点课程的性质和特点自动控制是一门技术学科，从方法论的角度来研究系自动控制是一门技术学科，从方法论的角度来研究系统的建立、分析与设计。统的建立、分析与设计。自动控制原理是本学科的技术基础课，自动控制原理是本学科的技术基础课，（1 1）自动控制理论的基础课程，该课程与其它课程的关）自动控制理论的基础课程，该课程与其它课程的关系。系。自动控制理论电机与拖动模拟电子技术线性代数微积分（含微分方程）复变函数、拉普拉斯变换电路理论大学物理（力学、热力学）信号与系统（2）自动控制理论已经发展为理论严密、系统完自动控制理论已经发展为理论严密、系

3、统完整、逻辑性很强的一门学科。从基本反馈控制原理整、逻辑性很强的一门学科。从基本反馈控制原理发展到：自适应控制、优化控制、鲁棒控制、大系发展到：自适应控制、优化控制、鲁棒控制、大系统控制、智能控制。统控制、智能控制。讨论的对象：因果系统讨论的对象：因果系统 、工程系统、工程系统系统的广义性：经济、社会、工程、生物、环境、医学系统的广义性：经济、社会、工程、生物、环境、医学 课程特点：研究系统的共性问题课程特点：研究系统的共性问题 实际系统物理模型数学模型方法（系统组成分析、设计三.本课程学习方法1、打好基础、打好基础 高等数学（微积分）、信号与系统高等数学（微积分）、信号与系统2、做好预习、做

4、好预习3、听好课、听好课讲课的速度较快、了解课程内容讲课的速度较快、了解课程内容掌握基本理论和基本方法掌握基本理论和基本方法4、做好习题、做好习题 应用学到的基本理论和基本方法解决实际问题应用学到的基本理论和基本方法解决实际问题第一章第一章 自动控制的一般概念自动控制的一般概念1.1 引言引言_历史的回顾历史的回顾1.2 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念1.3 反馈控制和开环控制反馈控制和开环控制1.4 自动控制系统的分类自动控制系统的分类1.5 对自动控制系统的基本要求对自动控制系统的基本要求1.6 本课程的研究任务本课程的研究任务1.1 引言引言_历史的回顾历史的回顾 自动控制

5、理论是研究自动控制共同规律的技术科学。既自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。既是一门古老的、已臻成熟的学科，又是一门正在发展的、具是一门古老的、已臻成熟的学科，又是一门正在发展的、具有强大生命力的新兴学科。从有强大生命力的新兴学科。从18681868年马克斯威尔提出低阶系年马克斯威尔提出低阶系统稳定性判据至今一百多年里，自动控制理论的发展可分为统稳定性判据至今一百多年里，自动控制理论的发展可分为四个主要阶段：四个主要阶段：第一阶段：经典控制理论的产生、发展和成熟；第一阶段：经典控制理论的产生、发展和成熟；第二阶段：现代控制理论的兴起和发展；第二阶段：现代控制理论的兴起和发展；第三阶段

6、：大系统控制兴起和发展阶段；第三阶段：大系统控制兴起和发展阶段；第四阶段：智能控制发展阶段。第四阶段：智能控制发展阶段。经典控制理论经典控制理论控控制制理理论论的的发发展展初初期期，是是以以反反馈馈理理论论为为基基础础的的自自动动调调节节原原理理，主主要要用用于于工工业业控控制制。第第二二次次世世界界大大战战期期间间，为为了了设设计计和和制制造造飞飞机机及及船船用用自自动动驾驾驶驶仪仪、火火炮炮定定位位系系统统、雷雷达达跟跟踪踪系系统统等等基基于于反反馈馈原原理理的的军军用用装装备备，进进一一步步促促进进和和完完善善了了自自动动控控制制理理论论的发展。的发展。1868年，马克年，马克斯威尔（斯

7、威尔（J.C.Maxwell）提出了低阶系统的稳定提出了低阶系统的稳定性代数判据性代数判据。1895年，数学家劳斯年，数学家劳斯（Routh）和赫尔威茨（和赫尔威茨（Hurwitz）分别分别独立地提出了高阶系统的稳定性判据，独立地提出了高阶系统的稳定性判据，即即Routh和和Hurwitz判判据。据。二战期间（二战期间（1938-19451938-1945年）奈奎斯特（年）奈奎斯特（H.NyquistH.Nyquist）提出了频提出了频率响应理论率响应理论 19481948年，伊万斯（年，伊万斯（W.R.EvansW.R.Evans）提出了根轨迹提出了根轨迹法。法。至此，控制理论发展的第一阶段

8、基本完成，形成了以频至此，控制理论发展的第一阶段基本完成，形成了以频率法和根轨迹法为主要方法的经典控制理论率法和根轨迹法为主要方法的经典控制理论。经典控制理论的基本特征经典控制理论的基本特征（1 1）主要用于线性定常系统的研究，即用于常系数线性微）主要用于线性定常系统的研究，即用于常系数线性微 分方程描述的系统的分析与综合；分方程描述的系统的分析与综合；（2 2）只用于单输入，单输出的反馈控制系统；）只用于单输入，单输出的反馈控制系统；（3 3）只讨论系统输入与输出之间的关系，而忽视系统的内）只讨论系统输入与输出之间的关系，而忽视系统的内 部状态，是一种对系统的外部描述方法。部状态，是一种对系

9、统的外部描述方法。研究对象：单输入单输出线性系统研究对象：单输入单输出线性系统数学基础：微积分、积分变换数学基础：微积分、积分变换系统描述方法：传递函数系统描述方法：传递函数研究方法：时域法、频率特性法、根轨迹法研究方法：时域法、频率特性法、根轨迹法核心概念：输出反馈核心概念：输出反馈适用系统：线性系统适用系统：线性系统 应应该该指指出出的的是是，反反馈馈控控制制是是一一种种最最基基本本最最重重要要的的控控制制方方式式，引引入入反反馈馈信信号号后后，系系统统对对来来自自内内部部和和外外部部干干扰扰的的响响应应变变得得十十分分迟迟钝钝，从从而而提提高高了了系系统统的的抗抗干干扰扰能能力力和和控控

10、制制精精度度。与与此此同同时时，反反馈馈作作用用又又带带来来了了系系统统稳稳定定性性问问题题，正正是是这这个个曾曾一一度度困困扰扰人人们们的的系系统统稳稳定定性性问问题题激激发发了了人人们们对对反反馈馈控控制制系系统统进进行行深深入入研研究究的的热热情情，推推动动了了自自动动控控制制理理论论的的发发展展与与完完善善。因因此此从从某某种种意意义义上上讲讲，古古典典控控制制理理论论是是伴伴随随着着反反馈馈控控制制技技术术的的产产生生和和发发展展而而逐逐渐渐完完善和成熟起来的。善和成熟起来的。现代控制理论现代控制理论 由由于于经经典典控控制制理理论论只只适适用用于于单单输输入入、单单输输出出的的线线

11、性性定定常常系系统统，只只注注重重系系统统的的外外部部描描述述而而忽忽视视系系统统的的内内部部状状态态，因因而而在在实实际应用中有很大局限性。际应用中有很大局限性。随着航天事业和计算机的发展，随着航天事业和计算机的发展，2020世纪世纪6060年代初，在经典年代初，在经典控制理论的基础上，以线性代数理论和状态空间分析法为基础控制理论的基础上，以线性代数理论和状态空间分析法为基础的现代控制理论迅速发展起来。的现代控制理论迅速发展起来。19541954年贝尔曼（年贝尔曼（R.BelmanR.Belman)提出动态规划理论提出动态规划理论19561956年庞特里雅金（年庞特里雅金（L.S.Pontr

12、yaginL.S.Pontryagin）提出极大值原理提出极大值原理19601960年卡尔曼年卡尔曼R.K.KalmanR.K.Kalman)提出多变量最优控制和最优滤波理论提出多变量最优控制和最优滤波理论 在数学工具、理论基础和研究方法上不仅能提供系统的外在数学工具、理论基础和研究方法上不仅能提供系统的外部信息（输出量和输入量），而且还能提供系统内部状态变量部信息（输出量和输入量），而且还能提供系统内部状态变量的信息。它无论对线性系统或非线性系统，定常系统或时变系的信息。它无论对线性系统或非线性系统，定常系统或时变系统，单变量系统或多变量系统，都是一种有效的分析方法统，单变量系统或多变量系统

13、，都是一种有效的分析方法。现代控制理论现代控制理论以状态空间法为基础自动控制，研究多输入以状态空间法为基础，研究多输入-多输多输出、时变、非线性一类控制系统的分析与设计问题。系统出、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。具有高精度和高效能的特点。研究对象：多输入多输出线性系统研究对象：多输入多输出线性系统数学基础：线性代数、矩阵理论数学基础：线性代数、矩阵理论系统描述方法：状态空间表达式系统描述方法：状态空间表达式研究方法：时域法研究方法：时域法核心概念：状态反馈核心概念：状态反馈适用系统：线性、非线性适用系统：线性、非线性1.2 自动控制系统的基本概念热力系统的人工

14、控制锅炉锅炉温度温度眼眼脑脑手手给定温度给定温度人人扰动扰动-热力系统的自动控制 锅炉锅炉温度测量环节温度测量环节控制阀控制阀 比较器比较器-温度温度给定给定温度温度自动控制器自动控制器归纳归纳1 1 控制的任务；控制的任务；2 2 自动控制；自动控制；3 3 自动控制系统；自动控制系统；4 4 输入量；输入量；5 5 输出量；输出量；6 6 扰动量；扰动量；7 7 控制装置控制装置；8 8 前向通道；前向通道；9 9 反馈通道。反馈通道。-扰动扰动-+1 1、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在无人直接参与的情况下，通过控制器使被控对象或过程自动地按照预定要求进行

15、。象或过程自动地按照预定要求进行。l3、输出量输出量 被控对象的输出量，是要求严格加以控制的物理被控对象的输出量，是要求严格加以控制的物理量。（定值或给定规律）量。（定值或给定规律）2 2、自动控制系统自动控制系统 将被控对象和控制装置（控制器）按照一定的将被控对象和控制装置（控制器）按照一定的方式连接起来构成的有机总体。方式连接起来构成的有机总体。4 4、控制装置控制装置 被控对象施加控制作用的机构的总体。被控对象施加控制作用的机构的总体。l6、扰动扰动 扰动是一种对系统的输出产生不利影响的信号。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；扰动产生在如果扰动产生

16、在系统内部称为内扰；扰动产生在 系统外部，则称为外扰。系统外部，则称为外扰。5 5、被控对象、被控对象 对象是一个设备，它是由一些机器零件有机地组对象是一个设备自动控制，它是由一些机器零件有机地组合在一起的，其作用是完成一个特定的动作。在合在一起的，其作用是完成一个特定的动作。在下面的讨论中，称任何被控物体（如加热炉、化下面的讨论中，称任何被控物体（如加热炉、化学反应器或宇宙飞船）为被控对象。简称对象。学反应器或宇宙飞船）为被控对象。简称对象。例题例题1-2 1-2 液位控制系统液位控制系统 图（图（I I）是一个液位控制系统原理图。自动控制器通）是一个液位控制系统原理图。自动控制器通过比较实际液位与

17、希望液位，并通过调整气动阀门的开度，过比较实际液位与希望液位，并通过调整气动阀门的开度，对误差进行修正，从而保持液位不变。图（对误差进行修正，从而保持液位不变。图（IIII）是该控制）是该控制系统的方框图。系统的方框图。比较、放大器比较、放大器：控控 制制 器器浮浮 子：测量元件子：测量元件气气 动动 阀阀 门：执行机构门：执行机构水水 箱箱：被控对象被控对象1.3 1.3 开环控制与反馈控制开环控制与反馈控制1.3.1 1.3.1 开环控制系统开环控制系统1.3.2 1.3.2 反馈控制系统反馈控制系统1.3.3 1.3.3 开环与反馈控制系统的比较开环与反馈控制系统的比较1.3.1 1.3

18、.1 开环控制开环控制 特点：系统的输出量不会对系统的控制作特点：系统的输出量不会对系统的控制作用发生影响。用发生影响。控制装置与被控对象之间只有顺向作用而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。没有反向联系的控制。例子：自动售货机、自动洗衣机、产品生产线、例子：自动售货机、自动洗衣机、产品生产线、数控机床、红绿灯等数控机床、红绿灯等例题例题例题例题1-4 1-4 开环炉温控制系统开环炉温控制系统被控对象：炉子被控对象：炉子被控量（输出量）：炉温被控量（输出量）：炉温控制装置：开关控制装置：开关K K和电热丝对和电热丝对被控制量起控制作用。被控制量起控制作用。输出量(炉温)控制

19、装置被控对象输入信号(炉子)(开关)开环控制的特点开环控制的特点 由由于于开开环环控控制制的的特特点点是是控控制制装装置置只只按按照照给给定定的的输输入入信信号号对对被被控控制制量量进进行行单单向向控控制制，而而不不对对控控制制量量进进行行测测量量并并反反向向影影响响控控制制作作用用。这这样样，当当炉炉温温偏偏离离希希望望值值时时，开开关关K K的的接接通通或或断断开开时时间间不不会会相相应应改改变变。因因此此，开开环环控控制制不不具具有有修修正正由由于于扰扰动动（使使被被控控制制量量偏偏离离希希望望值值的的因因素素）而而出出现现的的被被控控制制量量与与希希望望值值之之间间偏偏差差的的能能力力

20、，即抗干扰能力差。即抗干扰能力差。例题例题例题例题1-51-5温度自动温度自动控制系统原理图控制系统原理图 1.3.2 1.3.2 反馈控制反馈控制温度自动控制系温度自动控制系统方框图统方框图l反馈控制反馈控制 反馈控制是这样一种控制过程，它能够在存在扰动的反馈控制是这样一种控制过程，它能够在存在扰动的情况下，力图减小系统的输出量与参考输入量（也称参据情况下，力图减小系统的输出量与参考输入量（也称参据量）（或者任意变化的希望的状态）之间的偏差，而且其量）（或者任意变化的希望的状态）之间的偏差，而且其工作正是基于这一偏差基础之上的。工作正是基于这一偏差基础之上的。l反馈控制系统反馈控制系统 反馈

21、控制系统是一种能对输出量与参考输入量进行比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。中，也存在着反馈控制系统。反馈控制系统的基本组成反馈控制系统的基本组成 被控对象被控对象控制装置控制装置(由具有一定职能的各种基本元件组成)测量元件：测量元件：其职能是测量被控制

22、的物理量;给定元件：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）。比较元件：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。放大元件：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：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：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。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；系统输出量经测量元件反馈到输入端的

23、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。1.3.31.3.3 闭环与开环控制系统的比较闭环与开环控制系统的比较闭环控制系统的特点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。的影响。精度高、结构复杂，设计、分析麻烦。开环控制系统的特点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，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。抗扰动性较差。结构简单、调整方便、成本低。1.4 1.

24、4 自动控制系统的分类自动控制系统的分类l按控制方式分按控制方式分l按元件类型分按元件类型分l 按系统功用分按系统功用分l 按系统性能分按系统性能分l 按参据量变化规律分按参据量变化规律分开环控制开环控制反馈控制反馈控制复合控制复合控制 按控制方式分按控制方式分复合控制方式复合控制方式对对于于主主要要扰扰动动采采用用适适当当的的补补偿偿装装置置实实现现按按扰扰动动控控制制，同同时时，再再组组成成反反馈馈控控制制系系统统实实现现按按偏偏差差控控制制，以以消消除除其余扰动的影响。其余扰动的影响。系系统统的的主主要要扰扰动动已已被被补补偿偿，反反馈馈控控制制系系统统就就比比较较容容易易设计，控制效果

25、也会更好。设计，控制效果也会更好。被控量被控量 输入信号输入信号(-)补偿装置补偿装置 控制装置控制装置 受控对象受控对象机械系统机械系统恒张力系统恒张力系统电气系统电气系统机电系统机电系统全自动照相机，光机电结合全自动照相机，光机电结合液压系统液压系统伺服液压缸，汽车发动机，大型伺服液压缸，汽车发动机，大型 的仿真模拟台的仿真模拟台气动系统气动系统 生物系统生物系统按按元元件件类类型型分分l按系统功用分按系统功用分温度控制系统温度控制系统压力控制系统压力控制系统位置控制系统位置控制系统 线性系统线性系统非线性系统非线性系统连续系统连续系统定常系统定常系统时变系统时变系统确定性系统确定性系统不

26、确定性系统不确定性系统l按系统性能分按系统性能分离散系统离散系统一、线性连续控制系统一、线性连续控制系统 式中：c(t)被控量；r(t)系统输入量。系数a0，a1，an，b0，b1，bm若是常数，称为定常系统定常系统定常系统定常系统；若随时间变化，称为时变系统时变系统。这类系统可以用线性微分方程式描述：这类系统可以用线性微分方程式描述：二、线性定常离散控制系统二、线性定常离散控制系统 式中：mn，n为差分方程的次数；系数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。三、非线性控制系统三、非线性控制系统非线性方程的特点：系数与变量有关方程中含有变量及其导

27、数的高次幂或乘积项。恒值控制系统恒值控制系统随动系统随动系统程序控制系统程序控制系统l按参据量变化规律分按参据量变化规律分 1 1、恒恒值值控控制制系系统统（调调节节器器）：参参据据量量是是一一个个常常值值,要要求求被被控控量量也也等等于于一一个个常常值值。这这类类系系统统分分析析、设设计计的的重重点点是是研研究究各种扰动对被控对象的影响以及抗扰动的措施。各种扰动对被控对象的影响以及抗扰动的措施。过过程程控控制制系系统统：被被控控量量是是温温度度、流流量量、压压力力、液液位位等等生产过程参量。生产过程参量。2 2、随随动动系系统统（跟跟踪踪系系统统）：参参据据量量是是预预先先未未知知的的随随时

28、时间间任任意意变变化化的的函函数数，要要求求被被控控量量以以尽尽可可能能小小的的误误差差跟跟随随参参据据量量的的变变化化。这这类类系系统统分分析析、设设计计的的重重点点是是研研究究被被控控量量跟跟随随的快速性和准确性。的快速性和准确性。伺服系统：被控量是机械位置及其导数。伺服系统：被控量是机械位置及其导数。3、程程序序控控制制系系统统：参参据据量量是是按按预预定定规规律律随随时时间间变变化化的的函函数数，要求被控量迅速、准确地加以复现。要求被控量迅速、准确地加以复现。稳定性：稳定性：1）对恒值系统，要求当系统受到扰动后，经过一定时间对恒值系统，要求当系统受到扰动后，经过一定时间的调整能够回到原

29、来的期望值。的调整能够回到原来的期望值。2）对随动系统，被控制量始终跟踪参据量的变化。对随动系统，被控制量始终跟踪参据量的变化。稳定性是对系统的基本要求，不稳定的系统不能实现预定稳定性是对系统的基本要求，不稳定的系统不能实现预定任务。任务。稳定性通常由系统的结构决定与外界因素无关。稳定性通常由系统的结构决定与外界因素无关。1.5.1对自动控制系统性能的基本要求对自动控制系统性能的基本要求可以归结为可以归结为稳稳定性（长期稳定性）、定性（长期稳定性）、准准确性（精度）确性（精度）和和快快速性（相对稳定性）。速性（相对稳定性）。稳稳 准准快快1.5 1.5 对自动控制系统的基本要求对自动控制系统的

30、基本要求准确性：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。l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。稳定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。1.5.21.5.21.5.21.5.2典型外作用典型外作用典型外作用典型外作用2.典型外作用函数的条件：易获取性广泛的代表性良好的理论计算性1.目标：共同标准3.最常见的四个典型外作用阶跃函数阶跃函数斜坡函数斜坡函数脉冲函数脉冲函数稳态正弦稳态正弦

31、1、阶跃函数：阶跃函数阶跃函数(1).含有丰富的高频分量，可用来检测系统的快速性(2).含有丰富的低频分量，可用来检测系统的准确性(3).时域表达式：(4).频域表达式：2、斜坡函数：斜坡函数斜坡函数（1）.图形（2）.时域表达式（3）.频域表达式3、脉冲函数：脉冲函数脉冲函数（1）.图形（2）.时域表达式（3）.频域表达式（4）.物理上不能实现，只在数学上的定义4、稳态正弦函数：稳态正弦（有头无尾）稳态正弦（有头无尾）稳态正弦稳态正弦（1）.图形（2）.时域表达式（3）.频域表达式Ch1 小结掌握自动控制系统开环、闭环、正反馈、负反馈等基本概念掌握控制系统的基本组成，基本性能了解控制系统的基本分类方法，了解典型外作用