第二版自动控制原理第1章

1、第一章第一章 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念 n1-1 自动控制技术介绍自动控制技术介绍 n1-2 自动控制的基本原理自动控制的基本原理 n1-3 自动控制系统分类自动控制系统分类 n1-4 控制系统性能要求控制系统性能要求 1-1自动控制原理及技术介绍自动控制原理及技术介绍 1. 基本概念基本概念 n自动控制自动控制 在没有人直接参与的情况下，利用在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备外加的设备 或装置或装置，使，使机器、设备或生产过程机器、设备或生产过程的的某个工作某个工作 状态或参数状态或参数自动地按照预定规律运行。自动地按照预定规律运行。 n自动控制系统自动控制系统 为

2、实现某一控制目标所需要的所有物理部件的为实现某一控制目标所需要的所有物理部件的 有机组合体。有机组合体。 2.自动控制技术的自动控制技术的直观解释直观解释 手动控制 自动控制 手 眼睛 大脑 3.自控原理技术介绍自控原理技术介绍 n自动控制原理是分析各种自动控制装置的统一理自动控制原理是分析各种自动控制装置的统一理 论，是其内在的共通规律论，是其内在的共通规律 n自动控制系统：不需要人参与就能完成任务自动控制系统：不需要人参与就能完成任务 n现实生活中有各种各样的例子：自动照相机，现实生活中有各种各样的例子：自动照相机，洗洗 衣机衣机，自动交通灯（红绿灯），自动门，自动水，自动交通灯（红绿灯）

3、，自动门，自动水 开关开关 n工业中的例子也有很多：炼油化工装置自控系统，工业中的例子也有很多：炼油化工装置自控系统， 无人生产线，机器人，楼宇自动化无人生产线，机器人，楼宇自动化 身边的身边的自动控制自动控制实例有哪些？实例有哪些？ 现代化生活离不开自动控制！现代化生活离不开自动控制！ n军事航空航天：飞机，导弹，航天飞机，航天飞军事航空航天：飞机，导弹，航天飞机，航天飞 船，火炮自动跟踪系统、人造卫星船，火炮自动跟踪系统、人造卫星 n生物，医学、经济、社会等诸多领域都有自动控生物，医学、经济、社会等诸多领域都有自动控 制系统制系统 n自动控制技术已经成为现代社会中的不可缺少的自动控制技术已

4、经成为现代社会中的不可缺少的 一部分一部分 比人工作的更好、更快、更准比人工作的更好、更快、更准 把人从繁重危险的任务中解放出来把人从繁重危险的任务中解放出来 完成人无法完成的工作完成人无法完成的工作 n自动控制原理这门课程就是来研究这些自动控制自动控制原理这门课程就是来研究这些自动控制 装置或系统的基本工作规律和原理装置或系统的基本工作规律和原理 火星旅行者 SONY AIBO n从小大人就教我们，走路要看路。为什么呢？要是不看着路，走路走从小大人就教我们，走路要看路。为什么呢？要是不看着路，走路走 歪了也不知道，结果就是东撞西撞的。要是看着路呢？走歪了，马上歪了也不知道，结果就是东撞西撞的

5、。要是看着路呢？走歪了，马上 就看到，赶紧调整脚步，走回到正道上来。就看到，赶紧调整脚步，走回到正道上来。 n1、设定目标，对小朋友走路的例子来说，就是前进的路线。、设定目标，对小朋友走路的例子来说，就是前进的路线。 n2、测量状态，小朋友的眼睛看着路，就是在测量自己的前进方向。、测量状态，小朋友的眼睛看着路，就是在测量自己的前进方向。 n3、将测量到的状态和设定的目标比较，把眼睛看到的前进方向和心、将测量到的状态和设定的目标比较，把眼睛看到的前进方向和心 里想的前进方向作里想的前进方向作 n比较，判断前进方向是否正确；如果不正确，相差有多少。比较，判断前进方向是否正确；如果不正确，相差有多少

6、。 n4、调整行动，在心里根据实际前进方向和设定目标的偏差，决定调、调整行动，在心里根据实际前进方向和设定目标的偏差，决定调 整的量。整的量。 n5、实际执行，也就是实际挪动脚步，重回正确的前进方向。、实际执行，也就是实际挪动脚步，重回正确的前进方向。 4.自动控制理论研究简史自动控制理论研究简史 n经典控制理论：经典控制理论：20世纪世纪40-50年年 起源：二战军工技术的需求起源：二战军工技术的需求 目标：反馈控制系统的稳定性目标：反馈控制系统的稳定性 方法：微分方程、传递函数、根轨迹、频域分析方法：微分方程、传递函数、根轨迹、频域分析 应用系统应用系统:单输入单输出系统（单输入单输出系统

7、（SISO） n现代控制理论：现代控制理论：20世纪世纪60年代年代 起源：冷战时期，空间技术发展的需求起源：冷战时期，空间技术发展的需求 目标：最优控制目标：最优控制 方法：状态空间方程方法：状态空间方程 应用系统应用系统:多输入多输出系统（多输入多输出系统（MIMO） n智能控制理论：智能控制理论：20世纪世纪80年代年代 起源：智能技术和计算机技术的迅速发展起源：智能技术和计算机技术的迅速发展 目标：智能控制目标：智能控制 方法：专家系统、模糊控制技术、方法：专家系统、模糊控制技术、神经网络、智神经网络、智 能进化算法（蚁群）能进化算法（蚁群）等等等等 n重要的人物：重要的人物： 194

8、8，维纳，维纳控制论控制论 1954，钱学森，钱学森工程控制论工程控制论 l Cybernetics： or Control and Communication in the Animal and the Machine l Engineering Cybernetics 5.自动控制理论溯源自动控制理论溯源 n1769，瓦特，飞球调节器调节蒸汽机流量，瓦特，飞球调节器调节蒸汽机流量 n1877/1895, 劳思劳思/赫尔维茨稳定性判据赫尔维茨稳定性判据 n1932，乃奎斯特，频域稳定性分析，乃奎斯特，频域稳定性分析 n1948，维纳，维纳，控制论控制论 n1956，苏联，庞特里亚金，极大值原

9、理，苏联，庞特里亚金，极大值原理 n1956，贝尔曼，动态规划，贝尔曼，动态规划 n1960，卡尔曼，最优滤波器，卡尔曼，最优滤波器 n1954，钱学森，钱学森，工程控制论工程控制论 n20世纪世纪80年代至今，智能控制技术年代至今，智能控制技术 n现代意义上的自动控制开始于瓦特的蒸汽机。据说纽考门现代意义上的自动控制开始于瓦特的蒸汽机。据说纽考门 比瓦特先发明蒸汽机，但是蒸汽机的转速控制问题没有解比瓦特先发明蒸汽机，但是蒸汽机的转速控制问题没有解 决，弄不好转速飞升，机器损坏不说，还可能说大事故。决，弄不好转速飞升，机器损坏不说，还可能说大事故。 瓦特在蒸汽机的转轴上安了一个小棍，棍的一端和

10、放汽阀瓦特在蒸汽机的转轴上安了一个小棍，棍的一端和放汽阀 连着，棍的另一端是一个小重锤，棍中间某个地方通过支连着，棍的另一端是一个小重锤，棍中间某个地方通过支 点和转轴连接。转轴转起来的时候，重锤由于离心力的缘点和转轴连接。转轴转起来的时候，重锤由于离心力的缘 故挥起来。转速太高了，重锤挥得很高，放汽阀就被按下故挥起来。转速太高了，重锤挥得很高，放汽阀就被按下 去，转速下降；转速太低了，重锤不起来，放汽阀就被松去，转速下降；转速太低了，重锤不起来，放汽阀就被松 开，转速回升。这样，蒸汽机可以自动保持稳定的转速，开，转速回升。这样，蒸汽机可以自动保持稳定的转速， 即保证安全，又方便使用。也就是因

11、为这个小小的转速调即保证安全，又方便使用。也就是因为这个小小的转速调 节器，瓦特的名字和工业革命连在一起，而纽考门的名字节器，瓦特的名字和工业革命连在一起，而纽考门的名字 就要到历史书里去找了。就要到历史书里去找了。 n在负载等干扰变化的情况下，飞球必须有一个偏在负载等干扰变化的情况下，飞球必须有一个偏 离正常高度的持续偏差，以获得与负载变动相适离正常高度的持续偏差，以获得与负载变动相适 应的蒸汽流量的变化，速度控制有应的蒸汽流量的变化，速度控制有误差误差 n控制理论目前还在向更纵深、更广阔的领控制理论目前还在向更纵深、更广阔的领 域发展，无论在数学工具、理论基础、还域发展，无论在数学工具、理

12、论基础、还 是在研究方法上都产生了实质性的飞跃，是在研究方法上都产生了实质性的飞跃， 在信息与控制学科研究中注入了蓬勃的生在信息与控制学科研究中注入了蓬勃的生 命力，启发并扩展了人的思维方式，引导命力，启发并扩展了人的思维方式，引导 人们去探讨自然界更为深刻的运动机理。人们去探讨自然界更为深刻的运动机理。 n控制理论的深入发展，必将有力地推动社控制理论的深入发展，必将有力地推动社 会生产力的发展，提高人民的生活水平，会生产力的发展，提高人民的生活水平， 促进人类社会的向前发展。促进人类社会的向前发展。 n近二十年来，由于近二十年来，由于信息技术、计算机技术信息技术、计算机技术 的迅猛发展，工业

13、领域自动化要求更加迫的迅猛发展，工业领域自动化要求更加迫 切切，更使自动控制系统进入了黄金时代，更使自动控制系统进入了黄金时代。 n英国前首相英国前首相撒切尔撒切尔夫人夫人：“不自动化就破 产!”(Automation or Liquidation!)”(Automation or Liquidation!)。 n我们应我们应能能深切深切体会，体会，日常的工作和生活日常的工作和生活己己 经处在经处在“一切一切”尽尽在在自动控制的时代。自动控制的时代。 1-2 自动控制的基本原理自动控制的基本原理 1.人工控制原理人工控制原理 眼：眼：测量实际液位测量实际液位H 检测过程。检测过程。 脑：脑：将

14、实际液位将实际液位H和期望液位和期望液位Hs比较，根据两者偏差比较，根据两者偏差 正负及大小作出决策。正负及大小作出决策。比较、分析、决策过程。比较、分析、决策过程。 手：手：执行大脑命令，调节阀门开度。执行大脑命令，调节阀门开度。执行过程。执行过程。 例：液位控制系统 基本原理：使得实际液位H控 制在期望液位不变 期望液位：Hs i Q H A o Q u 原理方框图： 实际液位 脑 眼 给定值 s He 手 u 水槽 H o Q 扰动 H 测量值 i Q 2.自动控制自动控制 变送器(眼）：测量实际液位H并进行物理转换。 控制器（大脑）： 也叫调节器，将测量值mv和给 定值sv相比较，根据

15、两者的偏差进行运算，输出控 制信号u。 i Q H A o Q u LC svmv 执行器（手）：也叫调节阀，改变阀门开度。 oQ 自动控制原理方块图： 实际液位 控制器 变送器 给定值 s He 执行器 u 水槽 H o Q 扰动 H 测量值 i Q 实际液位 脑 眼 给定值 s He 手 u 水槽 H o Q 扰动 H 测量值 i Q 人工控制原理方块图：人工控制原理方块图： 3.反馈控制原理反馈控制原理 n反馈反馈 通过测量变换装置将系统或元件的输出量反送 到输入端，与输入信号相比较。反送到输入端的 信号称为反馈信号。 n负反馈负反馈 反馈信号与输人信号相减，其差为偏差信号 n负反馈控制

16、原理负反馈控制原理 将系统的输出信号引回输入端，与输入信号相减， 形成偏差信号。然后根据偏差信号产生相应的控 制作用，力图消除或减少偏差的过程。 4.自动控制系统结构自动控制系统结构 反馈，反馈通道，前向通道，闭环 输入变量：扰动输入，给定输入（参考输入） 输出变量 广义被控对象自动控制系统 控制器 测量变送器 给定输入 re 执行器 u 被控对象 c d 扰动输入 输出 b 测量值 自动控制装置 自动控制系统组成：控制器、执行器、测量变送器、自动控制系统组成：控制器、执行器、测量变送器、 被控对象被控对象 被控制量：被控制量： 在控制系统中按规定的任务需要加以控 制的物理量。 控制量：控制量

17、： 作为被控制量的控制指令而加给系统的输 入量也称控制输入。 扰动量：扰动量： 干扰或破坏系统按预定规律运行的输入量， 也称扰动输入。 自动控制系统的特点 存在反馈，输出量参与控制；基于偏差进行控制 反馈(偏差、闭环)控制系统 5. 控制系统方框图控制系统方框图 n用方框和箭头表示的控制系统元件作用图用方框和箭头表示的控制系统元件作用图 输出量输出量 环节名称环节名称 ( (或特性或特性) ) 输入量输入量 (a) (- -) e=r-b r (+) (- -) b (b) r e=r-b b 或或 (c) c 引出点引出点 c c 方框图中的几种表示法：方框图中的几种表示法： 被控量被控量

18、偏差偏差 信号信号 (- -) 参考参考 输入信号输入信号 r(t) 控制器控制器 (或调节器或调节器) u(t) 广义被控系统广义被控系统 e(t) c(t) 反馈信号反馈信号 控制量控制量 扰动扰动 给定给定 装置装置 校正校正 装置装置 放大放大 元件元件 执行执行 器器 被控被控 对象对象 反馈装置反馈装置 测量变送器测量变送器 (- -) ut ug 扰动扰动 给定给定 装置装置 放大器放大器 电动机电动机 转速反转速反 馈装置馈装置 触发器触发器 晶阐管可晶阐管可 控整流器控整流器 控控 制制 装装 置置 被控对象被控对象 n (b) 方框图方框图 ue udo a u c M n

19、 e uM 负载 + + consi f + + TG g u f u 压放功放 (a) 原理图原理图 6.基本控制方式基本控制方式 1）开环控制：）开环控制：不存在输出到输入的反馈，输出量不参不存在输出到输入的反馈，输出量不参 与控制与控制 按干扰进行控制（即前馈控制，对干扰进行补偿） 扰动必须可测！ 按给定值进行控制 例 a u c M n M负载负载 + + consi f + + g u 功放功放 g u n 功放功放 电机电机 负载负载 c M M电动机 例 + a u c M n e uM负载 + consi f + + g u b u 压放 功放 + i R g un 功放电机

20、负载 c M R 压放 e u b u 当负荷增加，阻力矩增加，引起当负荷增加，阻力矩增加，引起 转速降低，电机转子和旋转磁场转速降低，电机转子和旋转磁场 的转速差变大，引起输入电流变的转速差变大，引起输入电流变 大，电机功率上升。大，电机功率上升。 相反，当负荷减小，阻力矩减小，相反，当负荷减小，阻力矩减小， 引起转速升高，电机转子和旋转引起转速升高，电机转子和旋转 磁场的转速差变小，引起输入电磁场的转速差变小，引起输入电 流变小，电机功率下降。流变小，电机功率下降。 例例2 2：电机系统：电机系统 a u c M n e uM 负载 + + consi f + + TG g u f u 压

21、放功放 g u e u n 测速发电机 压放功放电机 负载 c M f u 2）闭环控制系统 0 n 期望转速： 存在输出到输入的反馈，输出量参与控制 TG 测速 发电机 例例 3）复合控制系统 + 压放压放 + a u c M n e u M 负载负载 + consi f + + TG g u f u 压放压放功放功放 i + g un 功放功放电机电机 负载负载 c M R 压放压放 b u e u 测速发电机测速发电机 f u 压放压放 方块图： + 压压 放放+ a u c M n e u M负负 载载 + consi f + + TG g u f u 压压 放放 功功 放放 i +

22、+ 1-3自动控制系统分类自动控制系统分类 1. 按输入信号特征分类按输入信号特征分类 1）恒值控制系统）恒值控制系统 u给定输入为常数，系统克服扰动影响给定输入为常数，系统克服扰动影响 u例：液位控制系统，温度控制系统等工业系统例：液位控制系统，温度控制系统等工业系统 2）随动控制系统）随动控制系统 u给定输入是随机时间变化的函数（未知）给定输入是随机时间变化的函数（未知） u 例：函数记录仪、心电图、火炮、自动跟踪系统例：函数记录仪、心电图、火炮、自动跟踪系统 3）程序控制系统）程序控制系统 u给定输入是预知的时间函数给定输入是预知的时间函数 u例：机床加工系统例：机床加工系统 n2.按描

23、述元件特性分类按描述元件特性分类 1）线性系统）线性系统 u组成系统的元件都是线性元件，输入输出的组成系统的元件都是线性元件，输入输出的 静态特性为线性关系静态特性为线性关系 u用线性微分方程描述用线性微分方程描述 2）非线性系统）非线性系统 u只要系统中有一个元部件是非线性的只要系统中有一个元部件是非线性的 u用非线性微分方程描述用非线性微分方程描述 如何区分一个系统是线性的还是非线性的呢？如何区分一个系统是线性的还是非线性的呢？ n3.按照传递信号类型分类按照传递信号类型分类 连续系统连续系统 u各个环节间的信号均为时间各个环节间的信号均为时间t的连续函数，的连续函数， 可用微分方程描述可

24、用微分方程描述 u例：水箱系统例：水箱系统 离散系统离散系统 u只要有一处信号是脉冲信号或者数字信号，只要有一处信号是脉冲信号或者数字信号， 定义在离散时刻上，用差分方程描述定义在离散时刻上，用差分方程描述 u例：计算机控制系统例：计算机控制系统 n都说瓦特的蒸汽机后，计算机是影响人类进程最都说瓦特的蒸汽机后，计算机是影响人类进程最 大的发明，计算机当然也对自动控制带来深刻的大的发明，计算机当然也对自动控制带来深刻的 影响。如前所述，控制理论基本上都是围绕微分影响。如前所述，控制理论基本上都是围绕微分 方程转的，所以在方程转的，所以在“本质本质”上是连续的。但是数上是连续的。但是数 字计算机是

25、离散的，也就是说，数字控制器的眼字计算机是离散的，也就是说，数字控制器的眼 睛不是一直盯着被控对象看的，而是一眨一眨的睛不是一直盯着被控对象看的，而是一眨一眨的 。数字控制器的。数字控制器的“手脚手脚”也不是一刻不停地连续也不是一刻不停地连续 动作的，而是一顿一顿的。这是数字计算机的天动作的，而是一顿一顿的。这是数字计算机的天 性使然。于是，传统的控制理论全部性使然。于是，传统的控制理论全部“翻译翻译”到到 离散时间领域，微分方程变成了差分方程，所有离散时间领域，微分方程变成了差分方程，所有 方法、结论都有了连续、离散两套，不尽相同，方法、结论都有了连续、离散两套，不尽相同， 但是大同小异。但

26、是大同小异。 n4.按照参数是否随时间变化分类按照参数是否随时间变化分类 定常系统定常系统 时变系统时变系统 n5.其他分类其他分类 单输入输出系统与多输入输出系统单输入输出系统与多输入输出系统 确定性系统与不确定性系统确定性系统与不确定性系统 集中参数系统与分布参数系统集中参数系统与分布参数系统 1-4 对控制系统性能的基本要求对控制系统性能的基本要求 时间时间tr 上上 升升 峰值时间峰值时间tp A B 超调量超调量% = A B 100% 调节时间调节时间ts “稳，快，准” 1.稳定性（最基本要求）稳定性（最基本要求） n系统在扰动消失后，由初始偏差状态恢复 到平衡状态的能力。 稳定

27、 不稳定 稳定性： (1) 对恒值系统，要求当系统受到扰动后，经对恒值系统，要求当系统受到扰动后，经 过一定时间的调整能够回到原来的期望值。过一定时间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对随动系统，被控制量始终跟踪参据量的 变化。变化。 稳定性是对系统的基本要求，不稳定的系统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。线性系统稳定性，通常由不能实现预定任务。线性系统稳定性，通常由 系统的结构决定与外界因素无关。系统的结构决定与外界因素无关。 n2.快速性快速性 动态性能动态性能:调节时间、上升时间调节时间、上升时间 对过渡过程的形式和快慢提出

28、要求，一般称为动态性对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称为动态性 能。能。 稳定高射炮射角随动系统，虽然炮身最终能跟踪目标，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，仍然抓不住但如果目标变动迅速，而炮身行动迟缓，仍然抓不住 目标。目标。 n3. 准确性准确性 稳态性能：稳态性能：稳态误差稳态误差 在参考输入信号作用下，当系统达到稳态后，其稳态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误差。显然，这种误差越

29、小，表示系统的输出跟随参 考输入的精度越高。考输入的精度越高。 1、理想脉冲函数（或冲击函数） 0 0 0 )()( t t tAtx Adttx )( 且 1-51-5 控制系统的典型输入信号 0 A t 0 0 0 t t 0 t A 0 t 等价于： 单位脉冲函数：1A 0 0 t 时刻的脉冲函数：)( 0 tt 采样性： )()()( 11 tfdttttf 0 0 0 )( 1)( tA t tAtx 2、阶跃函数 单位阶跃函数：1A 0 0 t t 0 t A 0 t 0 t A 0 t A 0 0 t t tAtt t A t t A t 0 0 00 0 11 0 t A 3、斜坡函数（或速度阶跃函数） 0 0 0 )()( tAt t ttAtx 0 2