自动控制原理第1章课件

1、准备知识准备知识n高等数学高等数学 微积分知识、微分方程微积分知识、微分方程n电路分析电路分析n 基本的电子学和力学知识基本的电子学和力学知识参考书目参考书目n信号与系统信号与系统 郑君里郑君里 高等教育出版高等教育出版社社n自动控制原理及其应用自动控制原理及其应用 黄坚黄坚 高等高等教育出版社教育出版社n自动控制原理自动控制原理，胡寿松主编，国防，胡寿松主编，国防工业出版社，工业出版社，2008 2008 n自动控制原理自动控制原理，李友善主编，国防，李友善主编，国防工业出版社工业出版社 19891989年年nmatlabmatlab概述概述系统的数学模型系统的数学模型控制系统的时域分析法控

2、制系统的时域分析法根轨迹法根轨迹法频率特性法频率特性法授课内容授课内容课程特点及要求课程特点及要求要求要求：学习用：学习用经典控制论分析系统的经典控制论分析系统的动态和稳态性能动态和稳态性能方法方法特点特点：理论分析数学运算较多，要有耐心；理论分析数学运算较多，要有耐心；在进行数学分析的同时不要忽略工程意义。在进行数学分析的同时不要忽略工程意义。知识点前后联系较多、系统性强，不要缺课。知识点前后联系较多、系统性强，不要缺课。第一章 概述1.2 自动控制系统的分类自动控制系统的分类明确系统常用的分类方式，明确系统常用的分类方式，掌握各类别的含义和信息特征掌握各类别的含义和信息特征 1.1 自动控

3、制与自动控制系统自动控制与自动控制系统明确什么叫自动控制，明确什么叫自动控制，正确理解被控对象、控制装置和自控系统等概念。正确理解被控对象、控制装置和自控系统等概念。1.4 自动控制理论发展简述自动控制理论发展简述了解自动控制理论发展了解自动控制理论发展的三个主要阶段。的三个主要阶段。1.3 对控制系统性能的要求对控制系统性能的要求明确对自控系统的基明确对自控系统的基本要求，正确理解三大性能指标的含义。本要求，正确理解三大性能指标的含义。第一章第一章 概述概述1.5 自动控制技术发展简述自动控制技术发展简述了解自动控制理论发了解自动控制理论发展的历程展的历程1.1 自动控制与自动控制系统自动控

4、制与自动控制系统一、自动控制的基本概念一、自动控制的基本概念二、控制系统的基本组成部分二、控制系统的基本组成部分第一章第一章 概述概述三、控制系统的基本控制方式三、控制系统的基本控制方式第一章第一章 概述概述提问：提问：请举出我们在日常生活中见到请举出我们在日常生活中见到的自动控制系统的实例。的自动控制系统的实例。一、自动控制的基本概念一、自动控制的基本概念自动控制：自动控制： 自动控制系统自动控制系统控制装置控制装置受控对象受控对象 在无人直接参与下，利用控制装置在无人直接参与下，利用控制装置操纵受控对象，使受控对象的被控量按操纵受控对象，使受控对象的被控量按给定信号变化。给定信号变化。 控

5、制器控制器给定值给定值 检测元件检测元件 受控对象受控对象被控量被控量控制器控制器给定值给定值 检测元件检测元件 受控对象受控对象被控量被控量 自动控制示意图自动控制示意图自动控制原理的主要任务：自动控制原理的主要任务：分析和设计自动控制系统的性能。分析和设计自动控制系统的性能。10闭环控制闭环控制开环开环控制控制11所谓自动控制，是指在没有人直接参与的情况下，利用所谓自动控制，是指在没有人直接参与的情况下，利用操纵机器、设备或生产过程，使其自操纵机器、设备或生产过程，使其自动按预定规律运行的技术。动按预定规律运行的技术。定义：定义：图1-1人脑控制过程示意图 图1-2仿人控制系统方框图 遥测

6、、遥感121.1.2 自动控制技术的发展历史与现状自动控制技术的发展历史与现状 外加设备或装置，通常包括测量仪器、控制装置和外加设备或装置，通常包括测量仪器、控制装置和执行机构。没有检测与执行设备，单独的控制器是无执行机构。没有检测与执行设备，单独的控制器是无法发挥作用的。法发挥作用的。 发展历史13 以传递函数为基础的经典控制理论，它主要研究单以传递函数为基础的经典控制理论，它主要研究单输入输入-单输出、线性定常控制系统的分析和设计问题。单输出、线性定常控制系统的分析和设计问题。 以状态为基础的状态空间法（现代控制理论基础），以状态为基础的状态空间法（现代控制理论基础），主要研究具有高性能、

7、高精度的多变量变参数系统的最优主要研究具有高性能、高精度的多变量变参数系统的最优控制问题，控制问题， 有线或无线有线或无线最好所有信号最好所有信号传输线都应符传输线都应符合现场总线制合现场总线制l 自动控制理论是研究自动控制技术共同规律的自动控制理论是研究自动控制技术共同规律的基础科学，以反馈理论为基础的自动调节原理。基础科学，以反馈理论为基础的自动调节原理。141.2 自动控制系统的基本控制方式自动控制系统的基本控制方式1.2.1 开环控制系统开环控制系统u所谓开环控制系统就是控制器与被控对所谓开环控制系统就是控制器与被控对象之间只有顺向作用而无反向联系，即象之间只有顺向作用而无反向联系，即

8、控制是单方向进行的；系统的输出量并控制是单方向进行的；系统的输出量并不影响其控制作用，控制作用直接由系不影响其控制作用，控制作用直接由系统输入量产生。统输入量产生。 直流电动机直流电动机功率放功率放大大 器器激磁回路激磁回路constIf激磁电流激磁电流au电枢电压电枢电压VrV15l开环控制系统开环控制系统是最基本的不是最基本的不带反馈（检测带反馈（检测装置）的自动装置）的自动控制系统，其控制系统，其在生产过程及在生产过程及生活设施中随生活设施中随处可见。处可见。 返回返回16输入量输入量 输出量输出量图1-4 开环控制系统示意图控制器控制器执行器执行器 缺陷：缺陷：由于系统周围环境的变化会

9、给系统造成干扰，由于系统周围环境的变化会给系统造成干扰，开环控制系统的输出量不可能精确地对应于输入量，开环控制系统的输出量不可能精确地对应于输入量，因此开环系统因此开环系统不具备克服输出量与输入量之间的偏不具备克服输出量与输入量之间的偏差的能力，它的准确性和稳态精度都不高。差的能力，它的准确性和稳态精度都不高。如果系如果系统输入量再随时间变化，而系统的被控对象一般都统输入量再随时间变化，而系统的被控对象一般都存在惯性，所以存在惯性，所以不可能瞬时完成对输入量的响不可能瞬时完成对输入量的响应。应。抗干扰能力差抗干扰能力差 171.2.2 闭环控制系统闭环控制系统 18前向通路给控制系统给控制系统

10、引入反馈，即把引入反馈，即把输出量馈送到系输出量馈送到系统输入端，以便统输入端，以便与输入信号进行与输入信号进行比较，取其偏差比较，取其偏差作为控制器的输作为控制器的输入，如图所示。入，如图所示。这样的系统称为这样的系统称为19外扰外扰由系统的动力源或负载变化以及外部因由系统的动力源或负载变化以及外部因 素引起。素引起。 扰动量扰动量内扰内扰 由组成系统的元部件参数的变化引起。由组成系统的元部件参数的变化引起。l注意：注意：加在控制器上的信号是输入量和反馈量之间加在控制器上的信号是输入量和反馈量之间的差的差(偏差偏差)。控制器所产生的控制作用力图减小或者消。控制器所产生的控制作用力图减小或者消

11、除这种偏差。除这种偏差。 l带有负反馈的闭环控制带有负反馈的闭环控制又称为又称为偏差控制偏差控制 20液位闭环控制系统21炉温闭环控制系统 冷水 电加热器 温控开关 水箱 给定温度 热水 测温元件 图1-6 电加热器系统燃气温度控制系统炉温开环控制系统22 冷水 电加热器 温控开关 水箱 给定温度 热水 测温元件 图1-6 电加热器系统控制器控制器温控开关温控开关输入量输入量期望温度期望温度输出量输出量测温元件测温元件检测到的实际水温检测到的实际水温偏差偏差由温控开关由温控开关确定确定外扰外扰注入的冷水注入的冷水和流出的热水和流出的热水执行机构执行机构电加热电加热器器23优势：优势：有效地抑制

12、有效地抑制提高系统的抗扰动性能，增强鲁棒性，提高系统的抗扰动性能，增强鲁棒性，改善系统的稳态精度，提高响应速度改善系统的稳态精度，提高响应速度 。 问题：问题：惯性使控制作用不能及时校正系统误差。如惯性使控制作用不能及时校正系统误差。如果控制系统的强激作用与被控对象的惯性匹配不当，果控制系统的强激作用与被控对象的惯性匹配不当，还可能产生振荡，甚至不稳定还可能产生振荡，甚至不稳定。1.2.3 复合控制系统复合控制系统使用条件：使用条件：当单独采用开环控制或闭环控制不能得当单独采用开环控制或闭环控制不能得到理想的控制效果时，可以采用开环和闭环控制相到理想的控制效果时，可以采用开环和闭环控制相结合的

13、复合控制系统。结合的复合控制系统。 24图1-7 复合控制示意图作用：作用：带有负反馈的闭环控制起主调节作用，带有负反馈的闭环控制起主调节作用，而带有前馈的开环控制则起辅助作用。而带有前馈的开环控制则起辅助作用。 25图1-8 电动机复合控制系统 电动机速电动机速度复合控制系度复合控制系统是按扰动作统是按扰动作用补偿的复合用补偿的复合控制系统。负控制系统。负载大小的改变载大小的改变引起转速变化，引起转速变化，反映在图反映在图1-8（b）中即为）中即为负载转矩负载转矩Mc的改变。的改变。实例：实例：261.3 自动控制系统的基本类型自动控制系统的基本类型1.3.1 调节系统和随动系统调节系统和随

14、动系统调节系统或恒值系统调节系统或恒值系统系统的系统的输入量恒定不变输入量恒定不变的。的。输入量输入量并非被控对象的实并非被控对象的实际输入而是希望输出能够际输入而是希望输出能够达到的期望值，所以又称达到的期望值，所以又称其其为参考输入为参考输入。随动系统随动系统系统的输出能够紧紧跟随其输入变化，系统的输出能够紧紧跟随其输入变化，并要求具有一定的跟随精度。并要求具有一定的跟随精度。在这种系统中，输入量在这种系统中，输入量的变化往往是任意的，非预知的。的变化往往是任意的，非预知的。 基本控制方式：开、基本控制方式：开、闭环，复合闭环，复合27 给定转速 给 实际转速 定 电 位 直流 测 速 器

15、 电动机 发电机 生产机构图1-9 电动机转速恒值调节系统 电压和功率放大器工作原理：工作原理：测速发电机将检测到的实际转速转换成测速发电机将检测到的实际转速转换成电压反馈到输入端，通过运算放大器与参考输入电压反馈到输入端，通过运算放大器与参考输入（给定转速的电压当量）进行比较，取其偏差进行（给定转速的电压当量）进行比较，取其偏差进行控制。控制。l 电、汽加热系统（图电、汽加热系统（图1-6所示）也是一个温度恒所示）也是一个温度恒值调节系统。值调节系统。日常生活中还有许多如压力、水位、流日常生活中还有许多如压力、水位、流量以及电压、电流等参量的恒值调节系统。量以及电压、电流等参量的恒值调节系统

16、。28 输出角度 同位仪 电压和功率放大器 直流电动机 炮身 输入角度图1-10 地空导弹跟踪系统示意图 29 输出角度输出角度 同位仪同位仪 电压和功率放大器电压和功率放大器 直流电动机直流电动机 炮身炮身 输入角度输入角度图图1-10 火炮跟踪系统示意图火炮跟踪系统示意图 工作原理：工作原理： 同位仪是误差检测装置，输入信号是火炮跟踪同位仪是误差检测装置，输入信号是火炮跟踪目标的监测角度，反馈装置把炮架转动的角度送入同位仪，目标的监测角度，反馈装置把炮架转动的角度送入同位仪，放大装置输出相应的偏差信号，使直流电动机带动火炮的炮放大装置输出相应的偏差信号，使直流电动机带动火炮的炮架转动，如此

17、直至反馈的角度信号与输入的角度信号相等时，架转动，如此直至反馈的角度信号与输入的角度信号相等时，放大装置的输出功率为零，电动机停止转动。由于火炮的目放大装置的输出功率为零，电动机停止转动。由于火炮的目标是飞行物体，因此系统的输入角度必须根据实际目标方位标是飞行物体，因此系统的输入角度必须根据实际目标方位随时调整，所以火炮跟踪系统是一个随动系统。随时调整，所以火炮跟踪系统是一个随动系统。例例 水温人工控制系统水温人工控制系统缺点：难以实现稳定的高质量的控制缺点：难以实现稳定的高质量的控制人在控制过程中起三个作用： （1）观测：用眼睛去观测温度计指示值； （2）比较与决策：人脑把观测得到的数据与要

18、求的数据相比较，并进行判断，根据给定的控制规律给出控制量； （3）执行：根据控制量用手具体调节，如调节阀门开度、改变触点位置。例例 水温自动控制系统水温自动控制系统系统中增加了：系统中增加了：控制器控制器电机电机加入给定信号加入给定信号工作原理：工作原理：检测实际温度检测实际温度产生控制信号产生控制信号 通过电机调通过电机调节阀门的开度节阀门的开度 从而调节蒸从而调节蒸汽流入，控制汽流入，控制水的温度水的温度. 实实现没有人直接现没有人直接参入的自动水参入的自动水温控制温控制. 为了方便地分析系统性能，一般用为了方便地分析系统性能，一般用框图来表示系统的结构，如图所示框图来表示系统的结构，如图

19、所示:输出值输出值偏差偏差反馈量反馈量给定值给定值_控制器控制器执行机构执行机构放大元件放大元件被控对象被控对象检测变送装置检测变送装置二、自动控制系统的基本组成二、自动控制系统的基本组成比较器比较器 将将反馈量反馈量与与给定值给定值进行比较，以求进行比较，以求偏差偏差。1.基本组成部分差动放大器、电桥、机械的差动装置输出值输出值偏差偏差反馈量反馈量给定值给定值_控制器控制器执行机构执行机构放大元件放大元件被控对象被控对象检测变送装置检测变送装置二、自动控制系统的基本组成二、自动控制系统的基本组成控制器控制器是控制装置的核心，主要完成数据是控制装置的核心，主要完成数据的计算与分析。的计算与分析

20、。微处理器是控制系统的大脑是控制系统的大脑输出值输出值偏差偏差反馈量反馈量给定值给定值_控制器控制器执行机构执行机构放大元件放大元件被控对象被控对象检测变送装置检测变送装置二、自动控制系统的基本组成二、自动控制系统的基本组成放大器放大器达到控制器与执行机构的功率匹配。达到控制器与执行机构的功率匹配。执行机构执行机构 直接推动被控对象的控制量发生变化。直接推动被控对象的控制量发生变化。电机、调节阀是控制系统的双手是控制系统的双手输出值输出值偏差偏差反馈量反馈量给定值给定值_控制器控制器执行机构执行机构放大元件放大元件被控对象被控对象检测变送装置检测变送装置二、自动控制系统的基本组成二、自动控制系

21、统的基本组成被控对象被控对象是控制系统所控制和操纵的对象。是控制系统所控制和操纵的对象。设备或生产工艺流程输出值输出值偏差偏差反馈量反馈量给定值给定值_控制器控制器执行机构执行机构放大元件放大元件被控对象被控对象检测变送装置检测变送装置二、自动控制系统的基本组成二、自动控制系统的基本组成检测变送装置检测变送装置 检测被控对象的控制量，并且一般检测被控对象的控制量，并且一般将其转换为电信号并传送出去。将其转换为电信号并传送出去。是控制系统的感觉器官是控制系统的感觉器官各种传感器输出值输出值偏差偏差反馈量反馈量给定值给定值_控制器控制器执行机构执行机构放大元件放大元件被控对象被控对象检测变送装置检

22、测变送装置二、自动控制系统的基本组成二、自动控制系统的基本组成系统系统一些相互作用以完成某个目标的元素或组一些相互作用以完成某个目标的元素或组成部分的集合。成部分的集合。2.常见名词术语例例 水温自动控制系统水温自动控制系统输出值输出值偏差偏差反馈量反馈量给定值给定值_控制器控制器执行机构执行机构放大元件放大元件被控对象被控对象检测变送装置检测变送装置二、自动控制系统的基本组成二、自动控制系统的基本组成控制控制为了达到某一合适的目的，对能实为了达到某一合适的目的，对能实现此目的的对象所施加的必要的操现此目的的对象所施加的必要的操作。作。输出值输出值偏差偏差反馈量反馈量给定值给定值_控制器控制器

23、执行机构执行机构放大元件放大元件被控对象被控对象检测变送装置检测变送装置二、自动控制系统的基本组成二、自动控制系统的基本组成给定量给定量r(t)又称为系统又称为系统输入量输入量，是指人为指定的，是指人为指定的并且要求系统输出量参照变化的外部并且要求系统输出量参照变化的外部信号指令。信号指令。例例 水温自动控制系统水温自动控制系统人为指定的锅炉温度即为给定值输出值输出值偏差偏差反馈量反馈量给定值给定值_控制器控制器执行机构执行机构放大元件放大元件被控对象被控对象检测变送装置检测变送装置二、自动控制系统的基本组成二、自动控制系统的基本组成受控量受控量c(t)是指要求按预定规律变化的物理量，是指要求

24、按预定规律变化的物理量，位于系统的输出端，又称之为位于系统的输出端，又称之为被控被控量量或或输出量输出量。例例 水温自动控制系统水温自动控制系统锅炉的实际温度即为输出值输出值输出值偏差偏差反馈量反馈量给定值给定值_控制器控制器执行机构执行机构放大元件放大元件被控对象被控对象检测变送装置检测变送装置二、自动控制系统的基本组成二、自动控制系统的基本组成反馈反馈是系统的某一输出量从输出端经变换、是系统的某一输出量从输出端经变换、处理到达系统输入端的过程。处理到达系统输入端的过程。返回的全部或部分输出信号。返回的全部或部分输出信号。反馈量反馈量反馈量反馈量等于等于输出值输出值的反馈。的反馈。单位反馈单

25、位反馈输出值输出值偏差偏差反馈量反馈量给定值给定值_控制器控制器执行机构执行机构放大元件放大元件被控对象被控对象检测变送装置检测变送装置二、自动控制系统的基本组成二、自动控制系统的基本组成偏差偏差给定量与反馈量之差。给定量与反馈量之差。误差误差系统输出的实际值与期望值之差系统输出的实际值与期望值之差。单位单位反馈时反馈时误差等于偏差误差等于偏差从输入端定义的误差（便于理论分析）从输入端定义的误差（便于理论分析）从输出端定义的误差（便于工程应用）从输出端定义的误差（便于工程应用）例例 水温自动控制系统水温自动控制系统锅炉的实际温度与要求温度的差即为误差。控制系统的实际温度通过检测变送装置变为电压

26、信号与设定的电压的差即为偏差。输出值输出值偏差偏差反馈量反馈量给定值给定值_控制器控制器执行机构执行机构放大元件放大元件被控对象被控对象检测变送装置检测变送装置二、自动控制系统的基本组成二、自动控制系统的基本组成干扰信号干扰信号 影响系统输出的不利因素影响系统输出的不利因素。干扰干扰内部干扰信号内部干扰信号外部干扰信号外部干扰信号例例 水温自动控制系统水温自动控制系统内部干扰信号：内部干扰信号：电网的波动电网的波动电机的异常电机的异常外部干扰信号：外部干扰信号：温度的波动温度的波动三、自动控制系统的基本控制方式三、自动控制系统的基本控制方式1开环控制开环控制有顺向作用而无反向联系有顺向作用而无

27、反向联系.自动控制系统一般有两种基本控制自动控制系统一般有两种基本控制方式方式.开环控制开环控制控制装置与受控对象之间只控制装置与受控对象之间只例例 转台速度开环控制系统转台速度开环控制系统转台转台 电机电机电源和放电源和放 大装置大装置速度设置速度设置系统组成：系统组成：例例 转台速度开环控制系统转台速度开环控制系统 这种转台在这种转台在CD机、计算机磁盘驱动器机、计算机磁盘驱动器等现代装置中广泛应用等现代装置中广泛应用.由图可见：由图可见： 被控制量速被控制量速度没有反馈到度没有反馈到输入端与给定输入端与给定信号比较信号比较,为开为开环控制系统。环控制系统。预期速度预期速度实际转速实际转速

28、直流电动机直流电动机转台转台放大器放大器 系统结构和控制过程均很简单，但抗系统结构和控制过程均很简单，但抗扰能力差，控制精度不高，故一般只能用扰能力差，控制精度不高，故一般只能用于对控制性能要求较低的场合。于对控制性能要求较低的场合。 转台速度开环控制系统结构图转台速度开环控制系统结构图:开环控制的特点：开环控制的特点： 2闭环控制闭环控制 有顺向作用，而且还有反向联系有顺向作用，而且还有反向联系.闭环控制闭环控制: 闭环控制又称为闭环控制又称为反馈控制反馈控制或或按偏差控制按偏差控制。 控制装置与受控对象之间，不但控制装置与受控对象之间，不但 测速机测速机偏差偏差反馈量反馈量预期速度预期速度

29、实际转速实际转速直流电动机直流电动机转台转台放大器放大器_ 当实际速度受扰动的影响发生变化时当实际速度受扰动的影响发生变化时，通过系统的调节，从而消除扰动对速度，通过系统的调节，从而消除扰动对速度的影响。的影响。转台速度闭环控制系统结构图转台速度闭环控制系统结构图例例 转速负反馈直流电动机调速系统转速负反馈直流电动机调速系统直流电机直流电机测速发电机测速发电机电源和放电源和放 大装置大装置负载负载系统组成：系统组成：UnUf给定电压给定电压反馈电压反馈电压e=Un-Uf 转速取决转速取决于给定电压于给定电压与反馈电压与反馈电压的差值。的差值。 调速系统结构图调速系统结构图unufeudn_直流

30、电动机直流电动机放大器放大器测速机测速机 由电网电压波动，负载变化以及其他由电网电压波动，负载变化以及其他部分的参数变化所引起的转速变化，都可部分的参数变化所引起的转速变化，都可以通过系统的自动调整加以抑制。以通过系统的自动调整加以抑制。 nUf eUd n 减小或消除由于扰动所形成的偏差值，减小或消除由于扰动所形成的偏差值，具有较高的控制精度和较强的抗扰能力。具有较高的控制精度和较强的抗扰能力。闭环控制系统具有的特点：闭环控制系统具有的特点：3复合控制复合控制 测量出外部作用，形成与外部作用相测量出外部作用，形成与外部作用相反的控制量与外部作用共同使被控量基本反的控制量与外部作用共同使被控量

31、基本不受影响。不受影响。前馈补偿控制前馈补偿控制复合控制具有两种基本形式复合控制具有两种基本形式.前馈补偿控制：前馈补偿控制：复合控制：复合控制：反馈控制反馈控制+(a) 按输入前馈补偿的复合控制按输入前馈补偿的复合控制给定值给定值被控制量被控制量_受控对象受控对象检测元件检测元件控制器控制器前馈控制前馈控制(b) 按扰动前馈补偿的复合控制按扰动前馈补偿的复合控制检测元件检测元件_前馈控制前馈控制扰动扰动被控制量被控制量给定值给定值受控对象受控对象控制器控制器_1.2自动控制系统的分类自动控制系统的分类一、线性系统和非线性系统一、线性系统和非线性系统 自动控制系统的分类方法较多，常自动控制系统

32、的分类方法较多，常见的有以下几种见的有以下几种 由线性微分方程或线性差分方程所由线性微分方程或线性差分方程所描述的系统称为线性系统；由非线性方描述的系统称为线性系统；由非线性方程所描述的系统称为非线性系统。程所描述的系统称为非线性系统。第一章第一章 概概 述述 线性系统线性系统的的“线性线性”包含两个重要包含两个重要的概念：的概念：齐次性齐次性和和叠加性。叠加性。同时具有齐同时具有齐次性与叠加性的系统称为次性与叠加性的系统称为线性系统，线性系统，不不满足齐次性或叠加性的系统为满足齐次性或叠加性的系统为非线性系非线性系统。统。1.2自动控制系统的分类自动控制系统的分类)()()()()()()(

33、)(1111011110trbtrdtdbtrdtdbtrdtdbtcatcdtdatcdtdatcdtdammmmmmnnnnnn微分方程的标准式齐次性齐次性 是指当输入信号是指当输入信号x x( (t t) )增加为原来的增加为原来的a a倍，响应倍，响应y y( (t t) )也增加为原来的也增加为原来的a a倍。倍。叠加性叠加性 是指当几个激励信号同时作用于系是指当几个激励信号同时作用于系统时，系统的总响应等于每个激励单独作统时，系统的总响应等于每个激励单独作用所产生的响应之和。用所产生的响应之和。1.2自动控制系统的分类自动控制系统的分类1.2自动控制系统的分类自动控制系统的分类bt

34、artc)()(出之间的关系为：例：某一系统输入与输btratcbtratc)()()()(齐次性：不满足齐次性btratcbtratc)()()()(2211的输出分别为：两输入信号分别作用时叠加性：)()()()()(2121tctcbtrtratc出为：两信号同时作用时的输不满足叠加性二、定常系统和时变系统二、定常系统和时变系统定常系统定常系统: 若系统微分方程的系数为常数，则若系统微分方程的系数为常数，则称之为线性定常系统。此类系统为本书称之为线性定常系统。此类系统为本书主要讨论对象。主要讨论对象。 系统数学模型微分方程的系数不是系统数学模型微分方程的系数不是时间变量的函数。时间变量的

35、函数。否则称为时变系统。否则称为时变系统。1.2自动控制系统的分类自动控制系统的分类三、连续系统和离散系统三、连续系统和离散系统连续系统：连续系统： 系统中各部分的信号都是时间的连续系统中各部分的信号都是时间的连续函数即模拟量。函数即模拟量。离散系统：离散系统： 系统中有一处或多处信号为时间的系统中有一处或多处信号为时间的离散函数，如脉冲或数码信号。离散函数，如脉冲或数码信号。 若系统中既有模拟量也有离散信号，若系统中既有模拟量也有离散信号，则又可称之为采样系统。则又可称之为采样系统。1.2自动控制系统的分类自动控制系统的分类四、恒值系统、随动系统和四、恒值系统、随动系统和 程序控制系统程序控

36、制系统 系统的给定值为一定值，而控制任系统的给定值为一定值，而控制任务就是克服扰动，使被控量保持恒值。务就是克服扰动，使被控量保持恒值。 例如：电机速度控制、恒温、恒压、例如：电机速度控制、恒温、恒压、 水位控制系统等。水位控制系统等。 恒值系统：恒值系统： 1.2自动控制系统的分类自动控制系统的分类随动系统：随动系统： 系统给定值按照事先不知道的时系统给定值按照事先不知道的时间函数变化，并要求被控量跟随给定间函数变化，并要求被控量跟随给定值变化。值变化。程序控制系统：程序控制系统： 系统的给定值按照一定的时间函系统的给定值按照一定的时间函数变化，并要求被控量随之变化。数变化，并要求被控量随之

37、变化。1.2自动控制系统的分类自动控制系统的分类 火炮随动控制1.3 对控制系统性能的要求对控制系统性能的要求 常见的评价系统优劣的性能指标是常见的评价系统优劣的性能指标是从动态过程中定义出来的。对系统性能从动态过程中定义出来的。对系统性能的基本要求有三个方面。的基本要求有三个方面。 二、快速性二、快速性一、稳定性一、稳定性三、准确性三、准确性第一章第一章 概概 述述 系统受外作用力后系统受外作用力后,其动态过程的振其动态过程的振荡倾向和系统恢复平衡的能力。荡倾向和系统恢复平衡的能力。一、稳定性一、稳定性1.3 对控制系统性能的要求对控制系统性能的要求稳定性：稳定性： 如果系统受外作用力经过一

38、段时间如果系统受外作用力经过一段时间，其被控量达到某一稳定状态，则系统，其被控量达到某一稳定状态，则系统是稳定的。是稳定的。否则为不稳定的。否则为不稳定的。稳定系统的动态过程稳定系统的动态过程r(t)t0c(t)1r(t)c(t)不稳定系统的动态过程不稳定系统的动态过程(a) 给定信号作用给定信号作用c(t)(b) 扰动信号作用扰动信号作用d(t)t0c(t)r(t)t0c(t)r(t)c(t)d(t) 不稳定的系统是无法正常工作的。不稳定的系统是无法正常工作的。 通过动态过程时间长短表征。时间通过动态过程时间长短表征。时间越短，表明快速性越好，反之亦然。越短，表明快速性越好，反之亦然。二、快

39、速性二、快速性r(t)t0c(t)r(t)c1(t)c2(t) 快速性表明了系统输出对输入响应快速性表明了系统输出对输入响应的快慢程度的快慢程度1.3 对控制系统性能的要求对控制系统性能的要求 由输入给定值与输出响应的终值由输入给定值与输出响应的终值之间的差值之间的差值ess大小表征。大小表征。三、准确性三、准确性r(t)t0c(t)r(t)c(t)ess1.3 对控制系统性能的要求对控制系统性能的要求 稳定性、快速性和准确性往往是互稳定性、快速性和准确性往往是互相制约的。在设计与调试的过程中相制约的。在设计与调试的过程中,若过若过分强调某方面的性能分强调某方面的性能,则可能会使其他方则可能会

40、使其他方面的性能受到影响面的性能受到影响. 怎样根据工作任务的不同怎样根据工作任务的不同,分析和设分析和设计自动控制系统，使其对三方面的性能有计自动控制系统，使其对三方面的性能有所侧重所侧重 ，并兼顾其它正是自控原理课程，并兼顾其它正是自控原理课程要解决的问题。要解决的问题。1.3 对控制系统性能的要求对控制系统性能的要求72稳态性能（精度）：稳态性能（精度）：输出响应的稳态误差。输出响应的稳态误差。稳定性：稳定性：系统能够正常工作的基本前提系统能够正常工作的基本前提动态性能：动态性能：系统输出响应的快速性和超调量系统输出响应的快速性和超调量73系统分析系统分析将给定物理系统抽象成将给定物理系

41、统抽象成数学模型数学模型，然后用已经成熟的数学方法和计算机对系统进行动、然后用已经成熟的数学方法和计算机对系统进行动、静态性能的静态性能的定性或定量分析定性或定量分析； 系统综合系统综合已知被控对象及其给定性能指标，已知被控对象及其给定性能指标，寻求寻求合适的控制规律和设计校正模型，合适的控制规律和设计校正模型，建立能使被建立能使被控对象满足性能要求的控制系统。控对象满足性能要求的控制系统。 74建立数学模型建立数学模型系统性能分析系统性能分析控制器的设计控制器的设计YN 1.确定控制目标确定控制目标2.辨别被控变量辨别被控变量完成设计完成设计7.分析系统性能、优化分析系统性能、优化参数参数5

42、.求被控对象、传感器和执行器求被控对象、传感器和执行器的数学模型的数学模型6.选择控制器和需要调整选择控制器和需要调整的参数的参数4.建立系统框图并确定执行器建立系统框图并确定执行器3.列出变量的指标列出变量的指标范围范围性能满足指标要求否？性能满足指标要求否？自动控制理论所要研究的自动控制理论所要研究的三个基本问题三个基本问题特点：特点： 主要研究物理系统在上主要研究物理系统在上述三方面的共同特征，抽述三方面的共同特征，抽象性强，数学性强，理论象性强，数学性强，理论性强。性强。 本书不涉及非线性系统，主要本书不涉及非线性系统，主要介绍线性定常系统的建模、分析介绍线性定常系统的建模、分析和设计

43、方法，其中设计仅限于对和设计方法，其中设计仅限于对系统性能的修正或校正。系统性能的修正或校正。 75滑动曲柄滑动曲柄轴心轴心磁道磁道a磁道磁道b 滑动磁头滑动磁头图图1-16 1-16 硬盘驱动系统的基本结构图硬盘驱动系统的基本结构图曲柄的滑动头曲柄的滑动头驱动电机驱动电机硬盘硬盘图图2-47 弹性连接的滑动曲柄示意图弹性连接的滑动曲柄示意图 电机电机 弹性曲柄弹性曲柄 磁磁头头读写曲臂读写曲臂 自动控制理论研究的是如何按受控对自动控制理论研究的是如何按受控对象和环境特征，通过能动地采集和运用信象和环境特征，通过能动地采集和运用信息，施加控制作用使系统在不确定的条件息，施加控制作用使系统在不确

44、定的条件下正常运行并具有预定功能。它是研究自下正常运行并具有预定功能。它是研究自动控制共同规律的技术科学，其主要内容动控制共同规律的技术科学，其主要内容涉及受控对象、环境特征、控制目标和控涉及受控对象、环境特征、控制目标和控制手段以及它们之间的相互作用。制手段以及它们之间的相互作用。1.4 自动控制理论发展简述自动控制理论发展简述第一章第一章 概概 述述第一章第一章 概概 述述1.4 自动控制理论发展简述自动控制理论发展简述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、已古老的、已臻成熟的学科臻成熟的学科，又是一门正在发展的

45、、具有强大生命力的，又是一门正在发展的、具有强大生命力的新兴学科新兴学科。从从18681868年马克斯威尔（年马克斯威尔（J.C.MaxwellJ.C.Maxwell）提出低阶系统稳定性判据至今一）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四个主要阶段：百多年里，自动控制理论的发展可分为四个主要阶段：第一阶段：第一阶段：经典控制理论（或古典控制理论）的产生、发展和成熟；经典控制理论（或古典控制理论）的产生、发展和成熟；第二阶段：第二阶段：现代控制理论的兴起和发展；现代控制理论的兴起和发展；第三阶段：第三阶段：大系统控制兴起和发展阶段；大系统控制兴起和发展阶段；第四阶段：第四

46、阶段：智能控制发展阶段。智能控制发展阶段。一一. .经典自动控制理论经典自动控制理论n劳斯（劳斯（18771877年）和赫维茨（年）和赫维茨（18951895年）年） 稳定性的代数判据稳定性的代数判据n19321932年年 奈奎斯特奈奎斯特 稳定性判据，稳定稳定性判据，稳定裕量裕量n19451945年年 伯德伯德 伯德图法伯德图法n19481948年年 伊文斯伊文斯 根轨迹法。根轨迹法。n2020世纪世纪5050年代中期，非线性系统理论和年代中期，非线性系统理论和离散控制理论离散控制理论1.4 自动控制理论的发展自动控制理论的发展特点特点：单输入单输出单输入单输出是本课程介绍的主要内容是本课程

47、介绍的主要内容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）主要用于线性定常系统的研究，即用于常系数线性性微分方程描述的系统的分析与综合；微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）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。内部状态，是一种对系统的外部描述方法。 基本方法：根轨迹法，频率法，基本方法：根轨迹法，频率法，PIDPID调节器调节器 （频域）（频域）1.4 自动控制理

48、论的发展自动控制理论的发展二二. .现代自动控制理论（现代自动控制理论（2020世纪世纪60-7060-70年代）年代）n19561956年年 庞特里亚金庞特里亚金 极大值原理极大值原理n19571957年年 贝尔曼贝尔曼 提出了动态规划提出了动态规划n19601960年年 卡尔曼卡尔曼 最优滤波理论和状态空最优滤波理论和状态空间方法间方法1.4 自动控制理论的发展自动控制理论的发展特点特点：多输入多输出多输入多输出三三.“.“大系统理论大系统理论”和和“智能控制智能控制”(20(20世纪世纪6060年代至今年代至今 ) )1.4 自动控制理论的发展自动控制理论的发展大系统理论大系统理论 20

49、20世纪世纪7070年代开始，现代控制理论继续向深度和年代开始，现代控制理论继续向深度和广度发展，出现了一些新的控制方法和理论。如广度发展，出现了一些新的控制方法和理论。如（1 1）现代频域方法现代频域方法 以传递函数矩阵为数学模型，研究线以传递函数矩阵为数学模型，研究线性定常多变量系统；性定常多变量系统；（2 2）自适应控制理论和方法）自适应控制理论和方法 以系统辨识和参数估计为基础，在实时辨识基础上以系统辨识和参数估计为基础，在实时辨识基础上在线确定最优控制规律；在线确定最优控制规律；（3 3）鲁棒控制方法）鲁棒控制方法 在保在保证系统稳定性和其它性能基础上，设计不变的鲁棒证系统稳定性和其

50、它性能基础上，设计不变的鲁棒控制器，以处理数学模型的不确定性。控制器，以处理数学模型的不确定性。 1.4 自动控制理论的发展自动控制理论的发展83n随着控制理论应用范围的扩大，从个别小系统的随着控制理论应用范围的扩大，从个别小系统的控制，发展到若干个相互关联的子系统组成的大控制，发展到若干个相互关联的子系统组成的大系统进行整体控制，从传统的工程控制领域推广系统进行整体控制，从传统的工程控制领域推广到包括经济管理、生物工程、能源、运输、环境到包括经济管理、生物工程、能源、运输、环境等大型系统以及社会科学领域。等大型系统以及社会科学领域。n 大系统理论是过程控制与信息处理相结合的大系统理论是过程控

51、制与信息处理相结合的系统工程理论，具有规模庞大、结构复杂、功能系统工程理论，具有规模庞大、结构复杂、功能综合、目标多样、因素众多等特点。它是一个多综合、目标多样、因素众多等特点。它是一个多输入、多输出、多干扰、多变量的系统。输入、多输出、多干扰、多变量的系统。大系统大系统理论目前仍处于发展和开创性阶段。理论目前仍处于发展和开创性阶段。 1.4 自动控制理论的发展自动控制理论的发展智能控制智能控制 是近年来新发展起来的一种控制技术，是人工智能在控制是近年来新发展起来的一种控制技术，是人工智能在控制上的应用。智能控制的概念和原理主要是针对被控对象、环境、上的应用。智能控制的概念和原理主要是针对被控

52、对象、环境、控制目标或任务的复杂性提出来的，它的控制目标或任务的复杂性提出来的，它的指导思想是依据人的指导思想是依据人的思维方式和处理问题的技巧，解决那些目前需要人的智能才能思维方式和处理问题的技巧，解决那些目前需要人的智能才能解决的复杂的控制问题。解决的复杂的控制问题。被控对象的复杂性体现为被控对象的复杂性体现为: :模型的不模型的不确定性，高度非线性，分布式的传感器和执行器，动态突变，确定性，高度非线性，分布式的传感器和执行器，动态突变，多时间标度，复杂的信息模式，庞大的数据量，以及严格的特多时间标度，复杂的信息模式，庞大的数据量，以及严格的特性指标等。性指标等。智能控制是驱动智能机器自主

53、地实现其目标的过程智能控制是驱动智能机器自主地实现其目标的过程智能控制是从智能控制是从“仿人仿人”的概念出发的。其方法包括学习控制、的概念出发的。其方法包括学习控制、模糊控制、神经元网络控制和专家控制等方法。模糊控制、神经元网络控制和专家控制等方法。 1.4 自动控制理论的发展自动控制理论的发展一一. .前期控制前期控制(1400 BC-1900)(1400 BC-1900)n中国，埃及和巴比伦出现中国，埃及和巴比伦出现自动计时漏壶自动计时漏壶 (1400 (1400 BC-1100BC)BC-1100BC)；n希腊希腊PhilonPhilon发明了采用发明了采用浮球调节器浮球调节器来保持燃油液来保持燃油液面高度的油灯（面高度的油灯（BC250BC250）；）；n中国张衡发明水运浑象，研制出自动测量地震的中国张衡发明水运浑象，研制出自动测量地震的候风地动仪候风地动仪（13