绪论与第一章 自动控制的一般概念

1、自动控制原理自动控制原理Automatic Control TheoryEmail: 瓦特发明的离心调速蒸汽机模型 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、经济和科学研究的各个方面。 自动控制技术是建立在控制论基础上的，而控制论研究的是控制的一般性理论，它不具体面对某一类控制系统的，因此它是一门以理论为主的技术课程。 自动控制理论是一门理论性和工程性的综合科学。 前 言1控制理论的基础观念 研究系统共性的控制过程的理论，可以把实际对象的物理涵义抽象出来，因此，它一定是以数学工具作为主要研究手段的

2、。 2控制理论的研究对象 控制论的研究是面向系统的。 狭义地讲：根据期望的输出来改变控制输入，使系统的输出能达到某中预期的效果。 3控制论与数学及自动化技术的关系 控制论是应用数学的一个分支，它的某些理论的研究还要借助于抽象数学。而控制论的研究成果若要应用于实际工程中，就必须在理论 概念与用来解决这些实际问题的实用方法之间架起一座桥梁。 自动控制原理是控制论中的精华部分，是一门技术学科，自动控制原理是控制论中的精华部分，是一门技术学科，它研究系统的建立、分析与设计。它研究系统的建立、分析与设计。 自动控制原理自动控制原理是本学科的专业基础课。是本学科的专业基础课。 主要任务：分析控制对象，设计

3、控制器。主要任务：分析控制对象，设计控制器。 先修课程：先修课程：高等数学，大学物理，高等数学，大学物理，积分变换积分变换，电路，数，电路，数字电子技术，模拟电子技术字电子技术，模拟电子技术 要求：要求：1.课后复习拉氏变换的定义、基本性质与拉氏变换课后复习拉氏变换的定义、基本性质与拉氏变换 解微分方程的方法。解微分方程的方法。 2. 学习学习matlab入门基础入门基础n与其他课程的关系建筑电气专业：建筑电气设备安装与调试，实现监 控 学习本课程需要达到的要求 能够独立分析一控制对象，并设计出相应的控制器以按照预定的要求规律变化。根据期望的输出来改变控制输入，使系统的输出能达到某中预期的效果

4、。 授课教材 自动控制原理（第六版） 主编 胡寿松 科学出版社 64学时（授课56，实验8） 1-14周，每周4学时。4学分。 预习与复习 考试：闭卷，经典控制部，平时成绩。参考书目（美）（美）Richard C. Dorf，Robert H Bishop 现代控制系统（英文影印版），第十一版，（中文版对照）现代控制系统（英文影印版），第十一版，（中文版对照） Katsuhiko Ogata著，卢伯英等译，现代控制工程（著，卢伯英等译，现代控制工程（Modern Control Engineering）（第（第3 3版）版）吴麒吴麒, , 自动控制原理自动控制原理, ,清华大学出版社清华大学出

5、版社 顾树生顾树生, , 王建辉王建辉, , 自动控制原理教材自动控制原理教材 （东北大学考研教材）（东北大学考研教材）薛定宇，反馈控制系统分析与设计薛定宇，反馈控制系统分析与设计MATLAB语言应用，清华大学出版社语言应用，清华大学出版社薛定宇，控制系统仿真薛定宇，控制系统仿真课程体系结构 第一章 自动控制的一般概念（3学时） 第二章 控制系统的数学模型（9学时） 第三章 线性系统的时域分析法（9学时） 第四章 线性系统的根轨迹法（6学时） 第五章 线性系统的频域分析法（15学时） 第六章 线性系统的校正方法（7学时） 第七章 线性离散系统的分析与校正 第八章 非线性控制系统分析（7学时）

6、第九章 线性系统的状态空间分析与综合 第十章 动态系统的最优控制方法第一章 自动控制的一般概念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1.5自动控制系统的分析与设计工具1-1自动控制的基本原理与方式自动控制技术及其应用（含发展史）自动控制科学反馈控制原理反馈控制系统的基本组成自动控制系统基本控制方式自动控制技术及其应用 所谓自动控制，是指在没有人直接参与的情况下，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）自动地按照预定的轨迹运行。 与自动控制对应的是人工控制

7、。 举例 数控车床按预定的程序自动切削工件 化学反应炉的温度或压力自动维持恒定 雷达和计算机组成的导弹发射和制导系统 无人驾驶飞机按照预定航迹自动升降和飞行 人造卫星准确的进入预定轨道运行并回收返回自动控制发展历史（补充）几个发展时期：过去，现在和将来22中国古代指南车能自动计时的漏壶古希腊能自动开启大门的教堂只能称之为自动检测，还不能称为自动控制。古代：2318世纪末发明蒸汽机及离心调速器 第一次工业革命 大规模使用机器系统瓦特瓦特1788年发明年发明蒸汽机及其蒸汽机及其反馈反馈控制系统控制系统WattWatt的蒸汽机转速控制系统原理图的蒸汽机转速控制系统原理图蒸汽蒸汽机蒸汽机负负载载转速杠

8、杆 套筒弹簧飞锤圆锥齿轮转速检测转速阀门第一个发展时期第一个发展时期24瓦特发明的离心调速蒸汽机模型25WattWatt的蒸汽机转速控制系统原理图的蒸汽机转速控制系统原理图蒸汽蒸汽机蒸汽机负负载载转速杠杆 套筒弹簧飞锤圆锥齿轮转速检测转速阀门26稳定性与精度的问题。麦克斯韦，劳斯，赫尔维茨的稳定性理论稳定性的直观认识：当系统的输入信号为阶跃信号时，系统的输出可能为：稳定性的定义：外界扰动信号消失后，系统恢复到原来平衡状态的能力。与外界输入无关，只与系统结构与参数有关。28蒸汽机时代的工厂 大规模使用机器的工业生产，引发第一次工业革命，代表着自动化初级阶段的开始293019世纪下半叶发明电、发电

9、机及电动机 第二次工业革命（电气化） 大量采用电气控制装置生产设备中，大量采用继电器、接触器、断路器、放大器、电磁调速等各种简单的电子和电气控制装置，显著提高了生产效率和工厂的自动化水平。第二个发展时期第二个发展时期31接触器继电器断路器32331913年，美国福特汽车公司建成了最早的汽车装配流水线，1926年，建成了第一条加工汽车底盘的自动生产线。从而使单件生产方式发展成为大批量生产方式，显著提高了劳动效率和产品质量，降低了生产成本，对社会分工、社会结构、教育制度和经济发展都产生了重要影响。3419世纪末至20世纪中叶是自动化技术和理论发展的关键时期。发展的动力主要源于两方面：1.工业生产对

10、广泛应用各种自动化装置的需求2.第二次世界大战对改进武器系统性能的需求（主要是为了解决雷达跟踪、火炮控制、舰船控制、鱼雷导航、飞机导航等技术问题）由于大多数自动化系统都采用了反馈控制方式，因此迫切需要从理论上搞清楚反馈系统的基本原理和基本方法。几种沿用至今的著名方法都是在这一时期提出来的奈奎斯特（Nyquist)基于系统频率响应特性的分析方法伊万思（Evans)分析系统性能如何随增益而改变的根轨迹法李雅普诺夫（Lyapunov）关于运动稳定性分析方法等逐步形成分析和设计单输入单输出系统为主要内容的经典控制理论即自动控制原理的课程内容的绝大部分内容。35同一时期，美国数学家维纳(Wiener)在

11、1948年出版了著名的控制论一书，比较了工程控制系统与生物机体中某些控制机制以及人类的思考和行为方式，高度概括了各类系统的共同特征，强调了反馈控制原理的普遍适用性；控制的思想上升到哲学高度。1954年，我国著名科学家钱学森出版了工程控制论，系统阐述了控制论在工程领域的应用，对自动化的发展具有重要意义。3620世纪上半叶的“二战”、工业化及经典控制理论的成熟推动了自动化系统的广泛应用37第三个发展时期第三个发展时期20世纪60年代，航空航天领域发展迅速，涉及大量的多输入多输出系统的最优控制问题，用经典的控制理论已经难于解决，于是产生了以状态空间方法为核心的第二代控制理论（通常称为“现代控制理论”

12、）。基本方法为状态空间法。属于时域分析法。现代控制理论已经成功的应用于人造卫星的发射、登月飞行、导弹的制导、飞机的控制等。计算机的出现对自动化发展至关重要，怎么强调都不过分。1946年第一台电子数字计算机诞生以来，对自动化领域的发展奠定了基础。38古董计算机现代工业控制计算机主板39计算机应用于自动化领域，使得自动化技术发生了根本性的转变。由处理连续时间变量转变为处理离散时间变量或数字量。自动化系统变得更加“聪明”，能适应更为复杂的情况，改变控制方式只需要改变软件，即修改计算机程序，无须更换硬件设备，而且既能实现简单的控制，也能够实现模仿人类智能的高级控制或很复杂的最优控制，使系统性能达到最佳

13、状态。自动化系统越来越多的采用了计算机作为控制和调节装置。实现了数字化或计算机化。控制器D/A 执行器被控对象信号处理A/D传感器采用数字计算机作控制器的负反馈闭环系统4142第四个阶段第四个阶段20世纪70年代开始，随着微型计算机的普及和计算机网络的发展，自动化领域又开始一次重大革命。由基于单台计算机、单个受控设备的单机自动化演变为基于网络和多台计算机、多个受控设备的多机协同自动化，这一过程通常称为“网络化”。网络化的自动化系统目前已经广泛应用于各行各业，代表了自动化发展的大趋势。4344控制层控制层管理层管理层中央控制器中央控制器设计设计计划计划管理管理调度调度控制控制单元控制器单元控制器

14、数控系统数控系统Monitor45“管控一体化”系统示意图4647从理论发展上看，自动化系统的网络化使得系统规模越来越大，复杂程度越来越高，典型例子有 大型企业的综合自动化系统、全国铁路自动调度系统、国家电力网自动调度系统、空中交通管制系统、城市交通控制系统等，这些复杂大系统的分析与研究推动了大系统控制、网络控制、智能控制、非线性系统控制等相关理论和方法的发展。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，它的诞生与发展源于自动控制技术的应用。发展历史经历了初期、逐步成熟期、成熟期。 发展历史（初期）可追溯到我国古代的自动计时器和漏壶指南车自动控制技术广泛应用开始于欧洲工业革命（瓦

15、特发明蒸汽机，1788年，离心式调速器）1868年，麦克斯韦尔研究反馈系统的稳定性问题的论文“论调速器”。1892年，俄国科学家李雅普诺夫“论运动稳定性的一般问题”，提出了李亚普诺夫稳定性理论。1910年左右，PID控制器出现，并获得广泛应用。1927年，反馈放大器正式诞生后，“反馈”在自动控制技术中的核心地位得到确定。发展历史（逐步成熟期）20世纪40年，系统和控制思想空前活跃。1945年贝塔朗提出了系统论，1948年维纳提出了著名的控制论，至此完成了完整的控制理论体系以传递函数为基础的经典控制理论，主要研究单输入单输出、线性定常系统的分析和设计问题。20世纪50-60年代，人类开始征服太空

16、，1957年苏联成功发射第一个人造地球卫星，1968年美国阿波罗飞船成功登月。自动控制技术起到了关键性作用，也因此催生了20世纪60年代第二代控制理论现代控制理论的问世，其中包括以状态为基础的状态空间法，贝儿曼的动态规划法和庞特里亚金的极小值原理，以及卡尔曼滤波器。现代控制理论主要研究具有高性能、高精度和多耦合回路的多变量系统的分析和设计问题。发展历史（成熟期）20世纪70年代开始，随着计算机技术的发展，计算机广泛应用于传统的控制系统设计中，并且控制理论又产生了许多新的分支,如自适应控制，混杂控制，模糊控制，以及神经网络等。此外控制论的方法还被用来处理社会、经济、人口和环境等复杂系统的分析与控

17、制。1. 目前，控制理论还继续发展，正朝向以控制论、信息论和仿生学为基础的智能控制理论深入。返回反馈控制原理为实现各种复杂的控制任务，首先要将被控对象和控制装置按照一定的方式连接起来，组成一个有机总体，这就是自动控制系统。自动控制系统的基本组成：控制装置，被控对象。在自动控制系统中，被控对象的输出量即被控量是要求严格加以控制的物理量，它可以要求保持为某一恒定值，如温度、压力、液位等，也可以按照某个给定的规律运行，如飞行航迹、记录曲线等。控制装置则是对被控对象施加控制作用的机构的总体，它可以采用不同的原理和方式对被控对象进行控制。目前，最基本的控制系统是基于反馈控制原理组成的反馈控制系统。反馈控

18、制系统的基本组成结构反馈控制系统的基本组成结构：注：反馈控制是自动控制系统最基本的控制方式，也是应用最广泛的一种控制方式。我们所研究的控制原理主要就是针对反馈控制。 反馈控制的原理： 控制装置对被控对象施加的控制作用取自被控量的反馈信息，用来不断修正被控量与输入量之间的偏差，从而实现对被控对象的控制。 反馈控制实质上是偏差控制，反馈控制原理就是按偏差控制的原理。举例（详见教材）1. 人的一切活动都体现出反馈控制的原理。比如，人取书的反馈控制过程。返回2. 龙门刨床速度控制系统反馈控制系统的基本组成 反馈控制系统是由各种不同的元部件组成的。从完成自动控制这一职能来看，一个系统必然包含被控对象和控

19、制装置两大部分，而控制装置是由具有一定职能的各种基本元件组成的。 不同系统中，结构完全不同的元部件可以有相同的职能，因此将组成系统 的元部件按职能分类主要有以下几种：测量元件：检测被控的物理量，如果是非电量，一般转化为电量。如测速发电机、热电偶、各种变送器等给定元件：电位器比较元件：差动放大器、电桥电路、有源网络减法器放大元件：集成电路、晶闸管等组成的电压放大级或者功率放大器 执行元件：直接推动被控对象。阀、电动机，马达等。气动、液动、电动等。校正元件：有源网络控制系统中常用的名词术语 ：输入信号:泛指对系统的输出量有直接影响的外界输入信号,既包括控制信号又包括扰动信号。其中控制信号又称控制量

20、、参考输入、或给定值。输出信号(输出量):是指反馈控制系统中被控制的物理量,它与输入信号之间有一定的函数关系。反馈信号:将系统(或环节)的输出信号经变换、处理送到系统(或环节)的输入端的信号,称为反馈信号。若此信号是从系统输出端取出送入系统输入端,这种反馈信号称主反馈信号。而其它称为局部反馈信号。 偏差信号:给定输入信号与主反馈信号之差。误差信号:它指系统输出量的实际值与希望值之差。系统希望值是理想化系统的输出，实际上并不存在,它只能用与控制输入信号具有一定比例关系的信号来表示。在单位反馈情况下,希望值就是系统的输入信号,误差信号等于偏差信号。扰动信号:除控制信号以外,对系统的输出有影响的信号

21、。 返回自动控制系统基本控制方式反馈控制方式（最基本和最广泛的控制方式）开环控制方式 开环控制的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过程。 其特点是系统的输出量不会对系统的控制作用发生影响。 按给定量控制的开环控制系统，其控制作用直接由系统的输入量产生，给定一个输入量，就有一个输出量与之相对应，控制精度完全取决于所用的元件及校准的精度，这种开环控制方式没有自动修正偏差的能力，抗扰动能力差，但其结构简单、调整方便、成本低、在精度要求不高或扰动影响较小的情况下，具有一定的实用价值。 按扰动控制的开环控制系统。(适用于扰动可测量的场合，对扰动产生一种补偿作用，也成顺馈控制）复合控制

22、方式 开环控制和闭环控制方式各有优缺点,在实际工程中应根据工程要求及具体情况来决定。 如果事先预知输入量的变化规律,又不存在外部和内部参数的变化,则采用开环控制较好。 如果对系统外部干扰无法预测,系统内部参数又经常变化,为保证控制精度,采用闭环控制则更为合适。 如果对系统的性能要求比较高,为了解决闭环控制精度与稳定性之间的矛盾,可以采用开环控制与闭环控制相结合的复合控制系统。返回1-2 自动控制系统示例 飞机自动驾驶仪系统 飞机自动驾驶仪是一种能保持或改变飞机飞行状态的自动装置。它可以稳定飞行的姿态、高度和航迹；可以操纵飞机爬高、下滑和转弯。飞机与自动驾驶仪组成的自动控制系统称为飞机-自动驾驶

23、仪系统。扰动扰动飞机方块图飞机方块图 液位控制系统电阻炉温度微型计算机控制系统电阻炉温度微型计算机控制系统锅炉液位控制系统示意图转速控制系统 函数记录仪 胰岛素注射控制系统 磁盘驱动读取系统返回胰岛素注射控制系统磁盘驱动读取控制系统磁盘驱动读取控制系统 磁盘驱动器广泛用于各类计算机中，是控制工程的一个重要应用实例。磁盘驱动器读取装置的目标是将磁头准确定位，以便正确读取磁盘上磁道的信息，因此需要进行精确控制的变量是安装在滑动簧片上的磁头位置。磁盘转速在18007200r/min，磁头位置精度要求为1 ，且磁头由磁道a移动到磁道b的时间小于50ms.mTo be continued1-3 自动控制

24、系统的分类按信号流向划分1.开环控制系统 信号流动由输入端到输出端单向流动。 2.闭环控制系统（或称反馈控制系统） 若控制系统中信号除从输入端到输出端外,还有输出到输入的反馈信号,则构成闭环控制系统,也称反馈控制系统。按系统输入信号划分 1.恒值调节系统(自动调节系统) 这种系统的特征是输入量为一恒值,通常称为系统的给定值。控制系统的任务是尽量排除各种干扰因素的影响,使输出量维持在给定值(期望值)。如工业过程中恒温、恒压、恒速等控制系统。 2.随动系统(跟踪系统) 该系统的控制输入量是一个事先无法确定的任意变化的量,要求系统的输出量能迅速平稳地复现或跟踪输入信号的变化。如雷达天线的自动跟踪系统

25、和高炮自动描准系统就是典型的随动系统。在随动系统中，如果被控量是机械位置或其导数时，这类系统称之为伺服系统。 3.程序控制系统 系统的控制输入信号不是常值,而是事先确定的运动规律,编成程序装在输入装置中,即控制输入信号是事先确定的程序信号,控制的目的是使被控对象的被控量按照要求的程序动作。如数控车床就属此类系统。 按系统中是否有非线性元件划分 组成系统元器件的特性均为线性的,可用一个或一组线性微分方程来描述系统输入和输出之间的关系。线性系统的主要特征是具有齐次性和叠加性。 一般情况下，描述线性连续系统输入与输出关系的微分方程为:1.线性系统 2.非线性系统 在系统中只要有一个元器件的特性不能用

26、线性微分方程描述其输入和输出关系,则称为非线性系统。非线性系统目前还没有一种完整、成熟、统一的分析法。通常对于非线性程度不很严重,或做近似分析时,均可用线性系统理论和方法来处理。非线性系统分析将在第八章专门讨论。 1011110111( )( )( )( )( )( )( ) ( )( )( )( )( )( )( )( ) ( )nnnnnnmmmmmmd c tdc tdc ta ta tata t c tdtdtdtd r tdr tdr tb tb tbtbt r tdtdtdt2( )( ) ( )( )( )( )( ) ( )( )( )( )( )( )( )y ty t y

27、ty tr ty ta t y ty tr ty tay ty tr t非线性系统线性时变系统线性时不变系统举例：1011110111( )( )( )( )( )( )( ) ( )( )( )( )( )( )( )( ) ( )nnnnnnmmmmmmd c tdc tdc ta ta tata t c tdtdtdtd r tdr tdr tb tb tbtbt r tdtdtdt 按描述系统的微分方程中的各项系数是否为常数划分 1.定常系统（时不变系统） 如果描述系统特性的微分方程中各项系数都是与时间无关的常数,则称为定常系统。该类系统只要输入信号的形式不变,在不同时间输入下的输出响

28、应形式是相同的。 一般，线性连续定常系统，也称线性连续时不变系统（LTI，linear time invaritable）可表示为： 2.时变系统 如果描述系统特性的微分方程中只要有一项系数是时间的函数,此系统称为时变系统。 )()()()()()()()(1111011110trbdttdrbdttrdbdttrdbtcadttdcadttcdadttcdammmmmmnnnnnn按系统中是否有离散环节划分 1.连续系统 系统中所有元件的信号都是随时间连续变化的,信号的大小均是可任意取值的模拟量,称为连续系统。 2.离散系统 离散系统是指系统中有一处或数处的信号是脉冲序列或数码。 若系统中采

29、用了采样开关,将连续信号转变为离散的脉冲形式的信号,此类系统称为采样控制系统或脉冲控制系统。(采样信号） 若采用数字计算机或数字控制器,其离散信号是以数码形式传递的,此类系统称为数字控制系统（数字信号） 计算机控制系统均为离散控制系统。 一般，在离散系统中，既有连续模拟信号，也有离散的数字信号，因此离散系统要用差分方程描述，线性定常差分方程的一般形式为：011011()(1).(1)( )()(1).(1)( )nnmma c kna c knac ka c kb r kmbr kmbr kb r kmn)()()()()()()()(1111011110trbdttdrbdttrdbdttr

30、dbtcadttdcadttcdadttcdammmmmmnnnnnn计算机迭代求解按系统输入输出的端口数划分1.单输入单输出系统(单变量系统) (SISO) 系统的输入量和输出量各为一个,称为单输入单输出系统。 2.多输入多输出系统(多变量系统) (MIMO) 若系统的输入量和输出量多于一个,称为多输入多输出系统。 对于线性多输入多输出系统,系统的任何一个输出等于数个输入单独作用下输出的叠加。 返回系统分类课后题练习返回系统分类课后题练习1-4 对自动控制系统的基本要求 尽管自动控制系统有不同的类型，对每个系统也都有不同的特征要求，但对于各类系统来说，在已知系统的结构和参数时，我们感兴趣的都

31、是系统在某种典型输入信号下，其被控量变化的全过程。 自动控制系统是否能很好地工作,是否能精确地保持被控量按照预定的要求规律变化这取决于被控对象和控制器及各功能元器件的特性参数是否设计得当。 在理想情况下,控制系统的输出量和输入量,在任何时候均相等,系统完全无误差,且不受干扰的影响。 但在实际系统中,由于各种各样原因（尤其是系统的惯性）,系统在受到输入信号(也包括扰动信号)的激励时,被控量将偏离输入信号作用前的初始值,必须经历一段动态过程(过渡过程)系统才能稳定下来或者不稳定,系统控制性能的优劣,可以从这个动态过程中较充分地表现出来。 对每一类系统被控量变化全过程提出的共同基本要求都是一样的，且

32、可以归结为稳定性、快速性和准确性，即稳、快、准的要求。t01输入r(t)t01输入c(t)12理想的调节过程实际举例：液位控制系统 汽车减震系统基本要求的提法： 稳、准、快（好）稳定性 稳定工作是所有自动控制系统的最基本要求,是系统能否工作的前题。一个稳定的控制系统，其被控量偏离期望值的初始偏差应随时间的增长而逐渐减小，不稳定的控制系统，被控量与期望值之间的偏差逐渐增大。不稳定的系统根本无法完成控制任务。考虑到实际系统工作环境或参数的变动,可能导致系统不稳定,因此,我们除要求系统稳定外,还要求其具有一定的稳定裕量。准确性 稳态精度是指系统过渡到新的平衡工作状态以后,或系统对抗干扰重新恢复平衡后,最终保持的精度。稳态精度与控制系统的结构及参数,输入信号形式有关。快速性（动态性能好） 在满足稳定性的前提下，控制系统的过渡过程的形式和快慢，成为动态性能。控制系统 过渡过程的时间（即快速性）和最大震荡幅度（即超调量）一般都有具体要求。 典型外作用（输入信号） 在工程实践中，自动控制系统承受的外作用形式是多种多样的，既有确定性外作用，又有随机性外作用，对不同形式的外作用，系统被控量的变化情况（即响