胡寿松简明教程ch1-刘2015修改

1、自动控制原理自动控制原理 教 材 及 主 要 参 考 书 授课教师： 刘小燕、刘国才、徐学奎（助教） 课程网站：湖南大学课程中心 自动控制原理网页 教材： 自动控制原理简明教程 第三版，胡寿松，科学出版社 自动控制原理（第五版） 胡寿松 科学出版社 参考书目： 自动控制原理习题解析 科学出版社 成绩计分规则 总评成绩=实验成绩20%+期中考试成绩15%+平时成绩(含授课考勤5%， 小班考勤5%，作业5%)15%+期末考试成绩50% 课程网站 （用学号登陆， 查找教师姓名“刘小燕”，即可 看到。 l总评成绩=实验成绩20%+期中考试成绩15%+平时成绩 (含授课考勤5%，小班考勤5%，作业5%)

2、15%+期末考试 成绩50% 本课程是自动化专业的特色（系统概念），承上启下的地位本课程是自动化专业的特色（系统概念），承上启下的地位 引申其他：考研的必选课程，国内高校自动化的强势学科特点引申其他：考研的必选课程，国内高校自动化的强势学科特点 先修课程 第一章 绪论 1-1 自动控制的基本原理与方式 1-2 自动控制系统示例 1-3 自动控制系统的分类 1-4 对自动控制系统的基本要求 1-1 1-1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式 无论是人们的日常生活、工业生产，还是空间探索、导弹制导等尖端科技领 域中，自动控制技术无所不在、无所不能。自动控制理论和技术已经渗透到社会、

3、经济和科学研究的各个方面。 1954年第一台工业机器人 1.自动控制技术及其应用 汽车自动焊接生产线月球车（月面巡视器） 自动控制定义自动控制定义：在：在无人直接参与无人直接参与的情况下，利用外加的的情况下，利用外加的 设备或装置（称控制装置或控制器），使机器、设备或生设备或装置（称控制装置或控制器），使机器、设备或生 产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控 量）自动地量）自动地按预定的规律按预定的规律（给定量）运行。（给定量）运行。（强调控制的（强调控制的 目的，自动的含义）目的，自动的含义） 自动控制系统：自动控制系统：指能够完

4、成自动控制任务的设备，一般指能够完成自动控制任务的设备，一般 由由控制装置控制装置和和被控对象被控对象组成。组成。 1-1 1-1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式 2.自动控制科学 自动控制科学是研究自动控制共同规律的技术科学。自动控制科学是研究自动控制共同规律的技术科学。 控制理论的发展过程一般可分为三个阶段： （1）第一阶段。时间为本世纪4060年代，称为“经典控制理论”时 期。经典控制理论主要是解决单输入单输出问题，主要采用传递函数、 频率特性、根轨迹为基础的频域分析方法。此阶段所研究的系统大多 是线性定常系统，对非线性系统，分析时采用的相平面法一般也不超 过两个变量，

5、经典控制理论能够较好地解决生产过程中的单输入单输 出问题。这一时期的主要代表人物有伯德（H.W.Bode 1905）和伊文 思（W.R.Evans）。伯德于1945年提出了简便而实用的伯德图法。1948 年，伊文思提出了直观而又形象的根轨迹法。 1-1 1-1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式 1-1 1-1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式 （2）第二阶段。时间为本世纪6070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

6、。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，1930）等人。 庞特里亚金于1961年发表了极大值原理；贝尔曼在1957年提出了动态规划 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。 （3）第三阶段。时间为本世纪70年代末至今。70年代末，控制理论 向着“大系统理论”和“智能控制”方向发展。前者是控制理论在广 度上的开拓，后者是控制理论在深度上的挖掘。“大系统理论”是用 控制和信息的观点，研究各种大系统的结

7、构方案、总体设计中的分解 方法和协调等问题的技术基础理论。而“智能控制”是研究与模拟人 类智能活动及其控制与信息传递过程的规律，研究具有某些仿人智能 的工程控制与信息处理系统。 1-1 1-1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式 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） 线性、非线性、定常、 时变系统 （多输入、多输出） 描述方法 传递函数 （输入、输出描述） 向量空间 （状态空间描述） 研究办法根轨迹法和频率法状态空间法 研究目标系统分析及给定输入、 输出情况下的系统综合。 揭示系统的内在规律，实现 在一定意义下的最优控制与 设计。 经典控制理论

8、与现代控制理论区别经典控制理论与现代控制理论区别 1-1 1-1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式 3.自动控制系统 为实现各种复杂的控制任务，首先要将控制对象和控制装置按一 定的方式连接起来，组成一个总体，即自动控制系统。 控制系统从信号传送的特点或系统的结构形式看，可分为开环控 制系统和闭环控制系统（按反馈控制的原理构造的系统） 1-1 1-1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式 （1 1） 开环控制系统开环控制系统 控制器与被控对象之间只有正向的控制作用。 输出量对控制量没有影响。 输入输出间没有反馈回路。 用方块代用方块代 表系统中表系统中 具有相应具有相

9、应 职能的元职能的元 部件；用部件；用 箭头表示箭头表示 元部件之元部件之 间信号的间信号的 传递方向传递方向 教室内电风扇的 控制系统类比 原理图原理图 老师详细板书方 块图的来由 1-1 1-1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式 教室内电风扇的 控制系统类比 老师详细板书方 块图的来由 开环控制系统的特点： 1. 结构简单、造价低。 2. 系统的控制精度取决于给定信号的标定精度及控制器及被控对象 参数的稳定性。 3. 开环系统抗干扰能力差，控制精度较低。 应用场合： 1. 控制量的变化规律可以预知。 2. 被控量很难测量。 应用较为广泛，如家电、加热炉、车床等等。 如何提高

10、抗干扰能力？-以人工调节热水器出水温度为例，引出人工控制中使用的反馈方法 1-1 1-1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式 （2 2）闭环控制系统（反馈控制系统）闭环控制系统（反馈控制系统） 将输出量引入到输入端，使输出量对控制作用产生直接的影响。 形成闭环控制系统 1-1 1-1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式 控制系统框图（方块图）的表达元素： （1） ：元件 （2） ：信号（物理量）及传递方向 （3） ：比较点（信号叠加） （4） ：引出点（分支） （5）+/- ：符号的意义（正、负反馈） 前向通道：系统输入量到输出量之间的通道。 反馈通道：从输出量到反

11、馈信号之间的通道。 比较环节：输出量为各输入量的代数和。 输入量：ur 输出量（被控量）：n 反馈量：uf 控制量：ua 偏差量(ue)给定量 (ur )反馈量(uf ) 1-1 1-1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式 闭环控制系统的特点：闭环控制系统的特点： 1.1. 系统对外部或内部干扰系统对外部或内部干扰( (如内部件参数变动如内部件参数变动) )的影响不甚敏感。的影响不甚敏感。 2.2. 出于采用反馈装置，导致设备增多，线路复杂。出于采用反馈装置，导致设备增多，线路复杂。 3.3. 闭环系统存在稳定性问题。由于反馈通道的存在，对于那些惯性较闭环系统存在稳定性问题。由于

12、反馈通道的存在，对于那些惯性较 大的系统，若参数配合不当，控制性能可能变得很差甚至出现发大的系统，若参数配合不当，控制性能可能变得很差甚至出现发 散或等幅振荡等不稳定的情况。散或等幅振荡等不稳定的情况。 注意注意：对于主反馈必须采用：对于主反馈必须采用负反馈负反馈。若采用正反馈将使偏差越来越大。若采用正反馈将使偏差越来越大。 闭环控制系统（反馈控制系统）：通过反馈回路使系统构成闭环并按偏 差的性质产生控制作用，以求减小或消除偏差(从而减小或消除误差)的 控制系统。 1-1 1-1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式 4.反馈控制系统的基本组成 （控制器） 教师板书 广义被控对象

13、1-1 1-1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式 测量元件用以测量被控的物理量，并将其转换成与输入量同一物理量后， 再反馈到输入端以作比较。如果这个物理量是非电量，一般转换为电量。 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。 比较元件其职能是把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的输入 量进行比较，求出它们的偏差。 放大元件其职能是将比较元件给出的偏差信号进行放大，用来推动执行元 件去控制被控对象。 执行元件 其职能是直接推动被控对象，使其被控量发生变化。 校正元件 也叫补偿元件，它是结构或参数便于调整的元部件，用串联或 反馈的方式连接在系统中，以改善系统的性

14、能。 1-1 1-1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式 常用的名词术语常用的名词术语 输入信号：也叫参考输入，给定量或给定值，它是控制着输出量变化规律的 指令信号。 输出信号：是指被控对象中要求按一定规律变化的物理量，又称被控量，它 与输入量之间保持一定的函数关系。 反馈信号：由系统(或元件)输出端取出并反向送回系统(或元件)输入端的信 号称为反馈信号。反馈有主反馈和局部反馈之分。 偏差信号：它是指参考输入与主反馈信号之差。 误差信号：指系统输出量的实际值与期望值之差，简称误差。扰动信号：简 称扰动或干扰、它与控制作用相反，是一种不希望的、影响系统输出的不利 因素。扰动信号既可

15、来自系统内部，又可来自系统外部，前者称内部扰动， 后者称外部扰动。 1-1 1-1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式 5.自动控制系统的基本控制方式 反馈控制方式 开环控制方式 复合控制方式 1-1 1-1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式 复合控制复合控制就是开环控制和闭环控制相结合的一种控制。实质上，它是在闭 环控制回路的基础上，附加了一个输入信号或扰扰动作用的顺馈通路，来 提高系统的控制精度。 控制装置被控对象 cr 补偿装置 a.按输入作用补偿 b.按扰动作用补偿 d 控制装置被控对象 cr 补偿装置 1-1 1-1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基

16、本原理与方式 1-1 1-1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式 举例：飞机的俯仰角控制 给定装置放大器舵机飞机 反馈电位器 垂直陀螺仪 0 c 扰动 控制系统方块图控制系统方块图 1-3 1-3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类 按控制方式分：开环控制、反馈控制、复合控制等 按系统功用分：温度控制系统、压力控制系统等 按系统特性分：线性系统和非线性系统、连续系统和离散系统、定 常系统和时变系统、确定性系统和不确定性系统。 按输入量变化规律分：恒值控制系统、随动系统和程序系统等 1.线性连续控制系统 这类系统用线性微分方程式描述，其一般形式为 )()()()( )()()()

17、( 1 1 1 10 1 1 1 10 trbtr dt d btr dt d btr dt d b tcatc dt d atc dt d atc dt d a mm m m m m nn n n n n c(t):被控量；r(t):系统输入量。 mn bbbaaa, 1010 1、常数-线性定常系统 2、随时间变化-时变系统 1-3 1-3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类 按输入量的变化规律分; 1、恒值控制系统 2、随动系统 3、程序控制系统 恒值控制系统（又称自动调节系统） 输入信号为常数。主要强调抗扰性。 随动系统（又称伺服系统） 输入信号是预先不知道的随时间任意变化的函数，控

18、制系统 能使输出信号以任意高的精度跟随给定值的变化 。主要强调 跟随性。 程序控制系统 输入信号是已知的、预先设定好的时间的函数。 1-3 1-3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类 2.线性定常离散控制系统 离散系统是指系统的某处或多处的信号为脉冲序列或数码形式，因而 信号在时间上是离散的。连续系统经过采样开关的采样就可以转换成 离散信号。离散系统用差分方程描述。 3、非线性控制系统 系统中只要有一个元部件是非线性的，这类系统称为非线性系统。要 用非线性微分（或差分）方程来描述其特征。 )() 1() 1()()() 1() 1()( 110110 krbkrbmkrbmkrbkcakca

19、nkcankca mmnn 1-3 1-3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类 1.3 对自动控制系统的基本要求 基本要求：基本要求： 在某种典型输入信号作用下，系统输出参数能稳定、快速、 准确的跟踪输入。 简称：稳、准、快 稳稳 稳定性 绝对稳定性 相对稳定性 （简称稳定性） （反映平稳性 表征系统动态过程的平稳程度） 稳定是保证系统正常工作的先决条件，不稳定的系统是无法实现 预定的控制任务的。 准准 准确性 （表征系统的稳态精度） 快快 快速性 （表征系统的动态过程响应速度） 观察日常生活中，观察日常生活中，哪些是开环控制系统？闭环控制系统？复合控制系统？ l以下为源版本PPT 第一章

20、绪论 序 自动控制 自动控制原理 研究自动控制共同规律的一门技术科学。 在没有人直接参与的情况下，利用附加的设备或装 置，使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动 的按照预定的规律运行。 发展概况： 阶段 形成时期理论基础分析方法研究对象研究重点数学工具 30-50年代 经典 控制论 时域、复域 (1948)、频域 (1932) SISO (Single-input, Single-output) 反馈控制 系统 微分方程、 拉氏变换、 复变函数等 60-70年代 现代 控制论 状态空间 时域 MIMO (Multiple-input Multiple-output) 最优控制 自适应控

21、 制等 矩阵理论 (线性代数) 70年代至今 大系统理论 智能控制 时域复域频 域法，模糊 集法 多因素 多层次 复杂对象 大系统 复杂系统 智能控制 1.1 自动控制的基本原理与方式 1. 常用术语常用术语 电动机电机，是自动控制系统中的常用部件。 电动机D 电压U转速n, 负载ML 定性的讲，当负载ML一定时， 电压U增大 转速n提高； 当电压U一定时，负载ML增大转速n减小。 想一想：当负载变化时，要想保持转速恒定，应该怎么办？ 例： 龙门刨自动调速系统。 该系统的控制目的是：当负载变化时，维持转速n不变。 原理性结构图：原理性结构图： 放大器放大器 u 触发器触发器晶闸管晶闸管 k u

22、 测速发电机测速发电机 电动机电动机 a un 负载负载 0 u 比较电路比较电路 t u P3 图1-2 常用术语常用术语: 控制量、扰动量、被控量、反馈量、偏差量、中间变量、被控对象控制量、扰动量、被控量、反馈量、偏差量、中间变量、被控对象 2. 反馈控制系统的一般构成反馈控制系统的一般构成 被控 对象 输出量输出量 扰动量扰动量 执行 元件 放大 元件 输入量输入量 _ 反馈量反馈量 偏差偏差 测量元件 串联 校正 _ 反馈校正 3. 基本控制方式基本控制方式 闭环控制系统（反馈控制系统） 开环控制系统 复合控制系统 1.1 自动控制的基本原理与方式 （1 1）闭环控制系统（反馈控制系统

23、）闭环控制系统（反馈控制系统） 1）结构特征：信息循环往复传递，按偏差进行控制； 2）系统特点：按偏差控制，（因此必须有输出量的测量装置）； 抗干扰性好，控制精度高； 系统较复杂，有稳定性问题。 （2 2）开环控制系统）开环控制系统 1）结构特征：信息单向传递，没有形成闭合回路 2）系统特点： 控制系统结构简单，成本低廉； 控制精度差，抗干扰能力差； 3）使用场合：多用于系统结构参数稳定和扰动信号较弱的场合。 如：自动售货机、自动报警器、自动化流水线、全自动洗衣机等。 1.1 自动控制的基本原理与方式 1.1 自动控制的基本原理与方式 （3）复合控制系统 是前馈（顺馈）和反馈相结合的控制方式 在自动控制系统中，前馈通常有两种方式：按扰动补偿与按给定补偿。 例如， P7（图1-7）上的电动机转速复合控制系统（按扰动补偿）。 电动机 输出量输出量 扰动量扰动量 输入量输入量 _ 反馈量反馈量 偏差偏差 测速发电机 电压 放大 功率 放大 电阻R 电压 放大 按扰动补偿的前馈控制方式仅适用于干扰可测量的场合。 1.2 控制系统的分类 按控制方式： 开环控制、闭环控制、复合控制 按元件类型： 机械、电气、机电、液压、气动、生物 按系统功用： 速度控