第一章 自动控制系统的基本概念

1、教学目的教学目的：掌握自动控制系统的基本概念、系统：掌握自动控制系统的基本概念、系统 组成、了解自动控制原理研究的内容组成、了解自动控制原理研究的内容教学重点教学重点：开环控制系统、闭环控制系统的概念：开环控制系统、闭环控制系统的概念教学难点教学难点：闭环控制系统的控制过程：闭环控制系统的控制过程本章授课学时本章授课学时：4 4第一章第一章 引引 论论第一节第一节 自动控制系统的一般概念自动控制系统的一般概念第二节第二节 开环控制和闭环控制开环控制和闭环控制 第三节第三节 自动控制系统的类型自动控制系统的类型第四节第四节 控制系统性能的基本要求控制系统性能的基本要求 和本课程的主要任务和本课程

2、的主要任务 本本 章章 研研 究究 内内 容容第一章第一章 引引 论论第五节第五节 自动控制系统实例自动控制系统实例 返回返回自动控制系统自动控制系统自动控制自动控制本本章章返返回回1.1 自动控制系统的一般概念自动控制系统的一般概念相关概念相关概念举例：举例： 对路灯的控制有两种方式：对路灯的控制有两种方式：依靠肉眼观察路面亮度依靠肉眼观察路面亮度对开关进行控制对开关进行控制依靠检测元件自动检测路面亮度依靠检测元件自动检测路面亮度对开关进行控制对开关进行控制两者控制目的相同，但控制手段不同两者控制目的相同，但控制手段不同手动完成手动完成自动完成自动完成本本章章返返回回1.1 自动控制系统的一

3、般概念自动控制系统的一般概念 自动控制自动控制 就是指在没有人直接参与的情况下，利用控制器就是指在没有人直接参与的情况下，利用控制器使被控对象使被控对象( (如机器、设备和生产过程如机器、设备和生产过程) )的某些物理量的某些物理量( (或工作状态或工作状态) )能自动地按照预定的规律变化能自动地按照预定的规律变化( (或运行或运行) ) 自动控制系统自动控制系统 完成自动控制过程的所有元件与装置组成的整体完成自动控制过程的所有元件与装置组成的整体就称为自动控制系统。就称为自动控制系统。1.1 自动控制系统的一般概念自动控制系统的一般概念自动控制系统由自动控制系统由各种控制装置各种控制装置被控

4、制对象被控制对象组成组成图图1.1 直流电动机转速控制系统直流电动机转速控制系统(V-M系统系统) 给给定定装装置置被被控控对对象象控制器控制器给定量或输入量给定量或输入量 n被控量被控量输出量输出量控控制制量量扰动量扰动量TL直流电动机转速控制系统结构框图直流电动机转速控制系统结构框图输出量与输入量之间没有直接的联系，对扰动所输出量与输入量之间没有直接的联系，对扰动所引起的输出的变化，系统没有调节或控制作用。引起的输出的变化，系统没有调节或控制作用。干扰干扰输入量输入量 输出量输出量单方向控制单方向控制图图1.3 有人直接参与有人直接参与调节时的方块图调节时的方块图1.1 自动控制系统的一般

5、概念自动控制系统的一般概念干扰干扰手动调节手动调节测测速速发发电电机机 放大器放大器给给定定装装置置图图1.4 无人直接参与无人直接参与的电机调速系统的电机调速系统自动调节自动调节反馈量反馈量偏差偏差n图图1.5 闭环控制的电机调速系统方块图闭环控制的电机调速系统方块图输入量输入量 输出量输出量控制控制影响影响负反馈负反馈反馈量反馈量干扰干扰偏差偏差反馈控制系统反馈控制系统1.2 开环控制和闭环控制开环控制和闭环控制闭环控制闭环控制闭环控制系统的基本组成闭环控制系统的基本组成开环控制开环控制1.2.1 开环控制开环控制 220V220V电阻炉（受控对象）电阻炉（受控对象）自偶变压器（控制器）自

6、偶变压器（控制器）温度温度 T Tc c( (被控量）被控量）u uc c控制量控制量 控制目标控制目标 u uc c T Tc c扰动量扰动量 n n 自耦变自耦变压器压器电阻炉电阻炉控制量控制量u uc c输出量输出量 T Tc c电阻炉温度控制系统电阻炉温度控制系统 开环控制开环控制 只有输入量对输出量产生控制作用，而没有输出量参只有输入量对输出量产生控制作用，而没有输出量参与对系统的控制；当出现扰动时，如果没有人工干预，给与对系统的控制；当出现扰动时，如果没有人工干预，给定量与输出量之间的对应将被改变，即系统输出量（实际定量与输出量之间的对应将被改变，即系统输出量（实际输出）将偏离给定

7、量所要求的数值（理想输出）。输出）将偏离给定量所要求的数值（理想输出）。单方向控制单方向控制开环控制的特点开环控制的特点：结构简单、成本低、工作易稳定、：结构简单、成本低、工作易稳定、 抗干扰能力差（精度不高）。抗干扰能力差（精度不高）。开环控制适用范围开环控制适用范围：精度要求不高的场合。：精度要求不高的场合。1.2.2 闭环控制闭环控制M-+- + - +u ug gu uf fu uu uc c反馈量反馈量给定量给定量 控制量控制量偏差偏差放大器放大器 加热器加热器 炉温闭环控制系统炉温闭环控制系统自偶变压器自偶变压器变速器变速器被控量炉温被控量炉温T Tc c热电偶热电偶检测装置检测装

8、置可逆伺服可逆伺服电动机电动机比例积分调节器比例积分调节器图图1.7 实现比例积分控制规律的电机调速系统实现比例积分控制规律的电机调速系统 U0nUnUd0UdtCR1URRU1001RP2图图1.8 闭环控制系统方块图闭环控制系统方块图前向通道前向通道反向通道反向通道对反馈环内前向通道上的各种扰动都具有控制作用对反馈环内前向通道上的各种扰动都具有控制作用 反馈环反馈环反馈量反馈量 闭环控制闭环控制（又称反馈控制或偏差控制）（又称反馈控制或偏差控制） 不仅存在输入到输出的控制，也存在输出经不仅存在输入到输出的控制，也存在输出经检测装置反馈到输入端形成闭环，参与系统的控检测装置反馈到输入端形成闭

9、环，参与系统的控制，称此系统为闭环控制系统。制，称此系统为闭环控制系统。 闭环控制的实质：闭环控制的实质： 控制的过程控制的过程 不断地进行检测偏差、纠正偏差的过程不断地进行检测偏差、纠正偏差的过程 自动控制系统的任务：自动控制系统的任务： 克服各种扰动的影响，使系统按照给定量所克服各种扰动的影响，使系统按照给定量所设定的规律运行。设定的规律运行。闭环控制的特点：闭环控制的特点：精度高、抗干扰能力强精度高、抗干扰能力强 结构复杂、成本高结构复杂、成本高闭环控制的适用范围：闭环控制的适用范围：高精度控制系统中高精度控制系统中 1.2.3 闭环控制系统的基本组成闭环控制系统的基本组成本本章章返返回

10、回第三节第三节 自动控制系统的类型自动控制系统的类型连续系统和离散系统连续系统和离散系统单输入单输出系统与多输入多输出系统单输入单输出系统与多输入多输出系统线性系统和非线性系统线性系统和非线性系统定常系统和时变系统定常系统和时变系统第三节第三节 自动控制系统的类型自动控制系统的类型 按信号流向分按信号流向分 开环系统开环系统 闭环系统闭环系统 恒值系统恒值系统 按输入量变化规律分按输入量变化规律分 随动系统随动系统 程序控制系统程序控制系统 按系统输入量和输出量的关系分按系统输入量和输出量的关系分 线性系统线性系统 非线性系统非线性系统 本本章章返返回回本本节节返返回回按系统传输信号与时间的关

11、系分按系统传输信号与时间的关系分 连续系统连续系统 离散系统离散系统按系统参数随时间的变化情况分按系统参数随时间的变化情况分 定常系统定常系统 时变系统时变系统按系统输入输出信号个数分按系统输入输出信号个数分 单输入单输出系统单输入单输出系统 多输入多输出系统多输入多输出系统第三节第三节 自动控制系统的类型自动控制系统的类型本本章章返返回回本本节节返返回回本本章章返返回回本本节节返返回回 同时满足同时满足叠加性叠加性与与均匀性均匀性的系统。的系统。一、线性系统和非线性系统一、线性系统和非线性系统 线性系统线性系统 叠加性：叠加性： 是指当几个输入信号共同作用于系统时，总的是指当几个输入信号共同

12、作用于系统时，总的输出等于每个输入单独作用时产生的输出之和。输出等于每个输入单独作用时产生的输出之和。均匀性：均匀性： 是指当输入信号增大若干倍时，输出也相应增是指当输入信号增大若干倍时，输出也相应增大同样的倍数。大同样的倍数。线性系统线性系统T( )r(tr(t) ) c(tc(t) ) 均匀性和叠加性：均匀性和叠加性：( ) ( )c tT r t1122( ) ( )( ) ( )c tT r tc tT r t121212 ( )( ) ( ) ( )( )( )T r tr tT r tT r tc tc t1 1111 12 22222( ) ( )( )( ) ( )( )T a

13、 r taT r ta c tT a r ta T r ta c t叠加性：叠加性：均匀性：均匀性：1 12 211221 12 2( )( ) ( ) ( )( )( )T a r ta r taT r ta T r ta c ta c t) t ( r ) t (bdt) t (dr) t (b.dt) t ( rd) t (bdt) t ( rd) t (b) t ( c ) t (adt) t (dc) t (a.dt) t ( cd) t (adt) t ( cd) t (am1m1m1m1mm0n1n1n1n1nn0式中：式中：r r(t(t) ) 系统的输入量系统的输入量 a a

14、n n(t(t) ) 系统参数系统参数 c(tc(t) ) 系统的输出量系统的输出量 b bm m(t(t) ) 系统参数系统参数线性系统运动规律用线性系统运动规律用线性微分方程线性微分方程描述：描述：本本章章返返回回本本节节返返回回) t ( rbdt) t (drb.dt) t ( rdbdt) t ( rdb) t ( cadt) t (dca.dt) t ( cdadt) t ( cdam1m1m1m1mm0n1n1n1n1nn0线性定常系统：线性定常系统： 线性微分方程各项系数为常数的系统。线性微分方程各项系数为常数的系统。2、非线性控制系统非线性控制系统 不满足叠加性与均匀性的系统

15、。不满足叠加性与均匀性的系统。 继电器特性继电器特性 饱和特性饱和特性 不灵敏区特性不灵敏区特性输入输入输入输入输入输入输出输出输出输出输出输出本本章章返返回回本本节节返返回回 系统中只要有一个元件的特性是非线性的，系统中只要有一个元件的特性是非线性的，该系统即为非线性的控制系统该系统即为非线性的控制系统 系统中含有系统中含有非线性元件非线性元件二、二、 定常系统和时变系统定常系统和时变系统 定常系统定常系统：系统的参数不随时间的变化而变化：系统的参数不随时间的变化而变化 时变系统时变系统：系统的参数随时间的变化而变化：系统的参数随时间的变化而变化00 ()()T r ttc tt性质：在同样

16、的起始状态下，系统的输出性质：在同样的起始状态下，系统的输出( (响应响应) ) 与输入信号作用于系统的时刻与输入信号作用于系统的时刻无关无关 性质：在同样的起始状态下，系统的输出性质：在同样的起始状态下，系统的输出( (响应响应) ) 与输入信号作用于系统的时刻与输入信号作用于系统的时刻有关有关 本本章章返返回回本本节节返返回回三、连续数据系统和离散数据系统三、连续数据系统和离散数据系统连续信号：时间上连续。连续信号：时间上连续。离散信号：时间上离散。离散信号：时间上离散。模拟信号：时间连续，幅值连续。模拟信号：时间连续，幅值连续。采样信号：时间离散，幅值连续。采样信号：时间离散，幅值连续。

17、数字信号：时间离散，幅值也离散。数字信号：时间离散，幅值也离散。连续系统连续系统: : 系统中的各变量都是连续信号。系统中的各变量都是连续信号。离散系统：离散系统：系统中一处或几处存在离散信号。系统中一处或几处存在离散信号。四、单输入单输出系统与多输入多输出系统四、单输入单输出系统与多输入多输出系统 单输入单输出系统单输入单输出系统(SISO)(SISO)：单变量系统单变量系统 系统的输入量与输出量各为一个系统的输入量与输出量各为一个 理论基础：古典控制理论理论基础：古典控制理论多输入多输出系统多输入多输出系统(MIMO)(MIMO)：多变量系统多变量系统 系统的输入量与输出量多于一个系统的输

18、入量与输出量多于一个理论基础：现代控制理论理论基础：现代控制理论 本课程的主要任务本课程的主要任务控制系统性能的基本要求控制系统性能的基本要求本本章章返返回回第四节第四节 控制系统性能的基本要求控制系统性能的基本要求 和本课程的主要任务和本课程的主要任务 稳稳性能好的自动控制系统应该具备性能好的自动控制系统应该具备 准准 特点特点 快快稳稳稳定性稳定性自动控制系统首要考虑的问题自动控制系统首要考虑的问题准准准确性准确性反映系统的稳态性能（精度）反映系统的稳态性能（精度）快快快速性快速性反映系统过渡过程的暂态性能反映系统过渡过程的暂态性能一、控制系统性能的基本要求一、控制系统性能的基本要求扰动扰

19、动c c(t(t）t tc c(t(t）t t稳定系统稳定系统不稳定系统不稳定系统本本章章返返回回本本节节返返回回 稳定性稳定性本本章章返返回回本本节节返返回回控制系统稳定是系统正常工作的首要条件控制系统稳定是系统正常工作的首要条件稳定性还包含有过渡过程的平稳性的含义稳定性还包含有过渡过程的平稳性的含义 相对稳定性相对稳定性扰动扰动c c(t(t）t t稳定系统稳定系统相对稳定性高相对稳定性高本本章章返返回回本本节节返返回回负载扰动负载扰动负载扰动负载扰动 e essss 0 0 e essss = 0 = 0有差系统有差系统无差系统无差系统ttc(t) 准确性（稳态性能）准确性（稳态性能）用

20、稳态误差用稳态误差e essss衡量衡量c(t)系统的暂态过程有以下几种情况：系统的暂态过程有以下几种情况： o t o t o t o t 给定突然变化给定突然变化 负载突然变化负载突然变化 单调过程单调过程本本章章返返回回本本节节返返回回 快速性（快速性（暂态性能）暂态性能）c(t)c(t)c2(t)c1(t) 给定突然变化给定突然变化 负载突然变化负载突然变化 持续振荡状态持续振荡状态 n n n n o o t t o o t t 给定突然变化给定突然变化 负载突然变化负载突然变化 n n2 2n n1 1本本章章返返回回本本节节返返回回 o o t t o o t t 衰减振荡过程衰

21、减振荡过程c(t)c(t)c2(t)c1(t)c0(t) 发散振荡状态发散振荡状态 给定突然变化给定突然变化 负载突然变化负载突然变化系统的暂态性能指标系统的暂态性能指标 系统的暂态性能由暂态性能指标衡量系统的暂态性能由暂态性能指标衡量最大超调量最大超调量上升时间上升时间过渡过程时间过渡过程时间( (或调节时间或调节时间) )振荡次数。振荡次数。本本章章返返回回本本节节返返回回5%或或2%c(c( ) )r(t) t ts s t tr r t t 系统对突加给定信号的动态响应曲线系统对突加给定信号的动态响应曲线0 0阶跃输入阶跃输入阶跃响应阶跃响应本本章章返返回回本本节节返返回回cmax cmax- c( ) c(tc(t) ) 1、建立数学模型：、建立数学模型： 时域时域微分方程微分方程 复域、频域复域、频域传递函数传递函数 z域域差分方程差分方程2、系统分析、系统分析稳定性分析、动态分析、稳态性能分析稳定性分析、动态分析、稳态性能分析3、系统综合（设计、校正）、系统综合（设计、校正） 自动控制原理研究的主要内容自动控制原理研究的主要内容基础基础目的目的第五节第五节 自动控制系统实例自动控制系统实例例：烘烤炉温度控制系统的原理图例：烘烤炉温度控制系统的原理图热电偶热电偶被控被控对象对象被控量被控量给定量给定量偏差偏差反馈量反馈量执执行行元元件件控制量控制量烘烤炉温