第1章 自动控制的一般概念

1、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 无人直接参与 机器设备或生产过程的工作状态和参数 自动实现某种规律的运行自动控制的应用领域军事工业军事工业航空航天航空航天家用电器电子、钢铁、石化等工业交通系统，楼宇系统，经济系统，社会系统 制造业制造业机器人机器人控制论的奠基人：N 维纳维纳 ，Norbert Wiener (18941964)18941894年年1111月月2626日生于美国密苏里州日生于美国密苏里州19641964年年3 3月

2、月1818日病逝于斯德哥尔摩。他于日病逝于斯德哥尔摩。他于19131913年在哈年在哈佛大学获哲学博士学位；随后赴欧洲，在英佛大学获哲学博士学位；随后赴欧洲，在英国剑桥大学和德国哥丁根大学研究数理逻辑；国剑桥大学和德国哥丁根大学研究数理逻辑；19151915年返回美国，在缅因大学执教；年返回美国，在缅因大学执教；19191919年年到马萨诸塞州理工学院任教。他曾于到马萨诸塞州理工学院任教。他曾于1934193419351935年到中国任清华大学客座教授。维纳的年到中国任清华大学客座教授。维纳的主要著作有：主要著作有：控制论控制论(1948)(1948)人有人人有人的用途，控制论和社会的用途，控

3、制论和社会(1950(1950） 在第二次世界大战时期，他承担火炮自动控制装置的设计工作，在第二次世界大战时期，他承担火炮自动控制装置的设计工作，把飞行轨迹的信息作为随机过程加以处理进行预测，把飞行轨迹的信息作为随机过程加以处理进行预测，揭示了神经系统揭示了神经系统与自控装置的共同工作机制，发现了极重要的负馈概念，即与自控装置的共同工作机制，发现了极重要的负馈概念，即稳定活动稳定活动的方法之一是把活动结果决定的一个量，作为信息的调节部分反馈回的方法之一是把活动结果决定的一个量，作为信息的调节部分反馈回控制器，这就是负反馈控制器，这就是负反馈。战后，他综合了控制和通讯系统共有的特点，。战后，他综

4、合了控制和通讯系统共有的特点，把这类系统与动物机体、神经系统、社会经济等等加以模拟，并从统把这类系统与动物机体、神经系统、社会经济等等加以模拟，并从统计观点出发研究了这些自控系统的一般规律，创立了控制论，从而对计观点出发研究了这些自控系统的一般规律，创立了控制论，从而对战后自然科学的发展和自动化技术的发展产生了巨大影响。战后自然科学的发展和自动化技术的发展产生了巨大影响。 控制理论可分为古典(经典)控制理论和现代控制理论两大部分。古典控制理论古典控制理论是以传递函数为基础，主要研究单输入、单输出控制系统的分析设计。现代控制理论现代控制理论是六十年代后发展起来的，以状态空间法为基础，研究多输入、

5、多输出、变参数、非线性、高精度、高效能等控制系统的分析设计问题的研究领域。包括最优控制、最佳滤波、系统辨识、自适应控制等理论课题。本课程只涉及古典控制理论。经典控制(Classical ControlClassical Control)( (40405050年代年代) ) 美国贝尔实验室的H. Bode(1938)，以及美国物理学家H.Nyquist(1940)提出频率响应法 二次世界大战中火炮，雷达，飞机以及通讯系统的控制研二次世界大战中火炮，雷达，飞机以及通讯系统的控制研究直接推动了经典控制的发展。究直接推动了经典控制的发展。现代控制现代控制(Modern Control) (Modern

6、 Control) (1950-1960)(1950-1960) 五十年代后兴起的现代控制起源于冷战时期的五十年代后兴起的现代控制起源于冷战时期的军备竞赛，如导弹军备竞赛，如导弹( (发射，操纵，指导及跟踪发射，操纵，指导及跟踪) )，卫，卫星，航天器和星球大战，以及计算机技术的出现。星，航天器和星球大战，以及计算机技术的出现。 研究的主要对象是多输入、多输出多变量系统。如，汽车看成是一个具有两个输入（驾驶盘和加速踏板）和两个输出（方向和速度）的控制系统。1、经典控制理论、经典控制理论 研究的主要对象是单输入、单输出单变量系统。如：调节电压改变电机的速度；调整方向盘改变汽车的运动轨迹等。 2、

7、现代控制理论、现代控制理论经典控制理论与现代控制理论比较经典控制理论与现代控制理论比较 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）研究办法时域法、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 3、大系统控制理论、大系统控制理论大系统控制理论是一种过程控制与信息处理相结合的动态系统工程理论，研究的对象具有规模庞大、结构复杂、功能综合、目标多样、因素众多等特点。它是一个多输入、多输出、多干扰

8、、多变量的系统。 如：人体，我们就可以看作为一个大系统，其中有体温的控制、情感的控制、人体血液中各种成分的控制等等。 大系统控制理论目前仍处于发展阶段。4 4、智能控制、智能控制这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。它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解决的复杂的控制问题。反馈控制系统的基本组成反馈控制系统的基本组成 控制系统的组成：输入部分、控制系统部分和输出部分。控制系统的组成：输入部分、控制系统部分和输出部分。 从物理角度上看，从物理角度上看，自动控制研究的是特定激励作用下的系统响应变化情况； 从数学角度上看，从数学角度上看

9、，研究的是输入与输出之间的映射关系。输入输出控制系统反馈控制系统的基本组成反馈控制系统的基本组成 人手取书人手取书1. 1. 温控系统温控系统人工控制人工控制调压器温度计电热丝炉子220反馈控制系统的基本组成反馈控制系统的基本组成反馈控制系统的基本组成反馈控制系统的基本组成 控制目标：要求炉子的温度恒定在期望的控制目标：要求炉子的温度恒定在期望的数值上。数值上。 控制过程：控制过程：输入信号（期望炉温）输出信号（实际炉温）脑（计算、比较）放大、执行（手臂、手）被控对象（电热丝、炉子）测量（眼睛）2.2.温控系统温控系统自动控制自动控制反馈控制系统的基本组成反馈控制系统的基本组成反馈控制系统的基

10、本组成反馈控制系统的基本组成 控制目标：要求炉子的温度恒定在期望的数值控制目标：要求炉子的温度恒定在期望的数值上。上。 控制过程：控制过程：buu+_实际温度电压放大器功率放大器炉子热电偶电机、减速器、调压器期望温度ru反馈控制系统的基本组成反馈控制系统的基本组成龙门刨床龙门刨床速度控制速度控制阀阀门门活活塞塞浮浮子子水水h h( (t t) )q q1 1( (t t) )q q2 2( (t t) )抽水马桶抽水马桶被控对象被控对象：要求实现自动控制的机器设备或生产过：要求实现自动控制的机器设备或生产过 程程(水箱水箱)。被控制量被控制量：指被控制系统所要控制的物理量，一般：指被控制系统所

11、要控制的物理量，一般 指系统的输出量。（水位高度）指系统的输出量。（水位高度）给定值给定值：根据生产要求，被控制量需要达到的数：根据生产要求，被控制量需要达到的数 值。（设定水位高度）值。（设定水位高度）扰动扰动：破坏给定值与被控制量之间正常函数关系的：破坏给定值与被控制量之间正常函数关系的 因素，称为系统的扰动。（流出量因素，称为系统的扰动。（流出量Q Q2 2）给定值和扰动统称为输入量。给定值和扰动统称为输入量。控制装置控制装置：能够对被控对象起控制作用的设备总：能够对被控对象起控制作用的设备总 称。（浮球、杠杆）称。（浮球、杠杆）组成系统的元部件：组成系统的元部件：6. 反馈反馈：通过测

12、量变送装置将系统通过测量变送装置将系统输出量送回输入输出量送回输入 端，并与输入信号相比较产生偏差信号的过端，并与输入信号相比较产生偏差信号的过 程称为反馈。若反馈信号与输入信号相减，程称为反馈。若反馈信号与输入信号相减， 使产生的偏差越来越小，则称为使产生的偏差越来越小，则称为负负反馈，若反馈，若 产生的偏差越来越大，则称为产生的偏差越来越大，则称为正正反馈反馈阀阀门门活活塞塞浮浮子子水水h h( (t t) )q q1 1( (t t) )q q2 2( (t t) )反馈控制系统的基本组成反馈控制系统的基本组成 测量元件 给定元件 比较元件 放大元件 执行元件 校正元件控制器控制器执行机

13、构执行机构受控对象受控对象测量、变送器测量、变送器测量信号测量信号给定值给定值被控量被控量干扰干扰偏差偏差rr enc控制量控制量自动控制系统典型方框图p反馈控制系统（闭环控制系统）p开环控制系统 （按给定控制、按扰动控制）p复合控制系统锅炉液位控制系统方框图锅炉液位控制系统方框图1.3 1.3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类1. 1. 根据结构划分根据结构划分 开环系统开环系统/闭环系统闭环系统2.2.按给定信号的形式按给定信号的形式 恒值系统恒值系统 / / 随动系统随动系统/ /程序控制系统程序控制系统 3.3.按系统是否满足叠加原理按系统是否满足叠加原理 线性系统线性系统 / /

14、非线性系统非线性系统4.4.按系统参数是否随时间变化按系统参数是否随时间变化 定常系统定常系统 / / 时变系统时变系统5.5.按信号传递的形式按信号传递的形式 连续系统连续系统 / / 离散系统离散系统一一.开环控制系统与闭环控制系统开环控制系统与闭环控制系统 控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有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。反向联系的控制。输出量(炉温) 控制装置被控对象输入信号(炉子)（调压器)恒温箱恒温箱开环控制系统开环控制系统 目前比较常见的开环控制系统有自动售货机，自目前比较常见的开环控制系统有自动售货机，自动洗衣机，自动流水线，包装机等。动洗衣机，自

15、动流水线，包装机等。 系统的控制装置和被控对象不仅有顺向作用，而且输系统的控制装置和被控对象不仅有顺向作用，而且输出端和输入端之间存在反馈关系，所以称为闭环控制系统，出端和输入端之间存在反馈关系，所以称为闭环控制系统，又称反馈控制系统。又称反馈控制系统。 恒温箱恒温箱闭环控制闭环控制系统系统UsTUUfTT热 电 偶电 压 放 大功 率放 大电 动 机减 速 器调 压 器电 炉开环控制与反馈控制的比较开环开环优点 :结构简单，成本低廉，工作稳定，当输入信号和扰动能预先知道时，控制效果较好。缺点：不能自动修正被控制量的偏离，系统的元件参数变化以及外来的未知扰动对控制精度影响较大。闭环闭环优点：具

16、有自动修正被控制量出现偏离的能力，可以修正元件参数变化以及外界扰动引起的误差，控制精度高。 缺点：被控量可能出现振荡，甚至发散。二二. . 恒值控制系统、随动控制系统及程序控制系统恒值控制系统、随动控制系统及程序控制系统恒值控制系统：输入量是恒定的常值输入量是恒定的常值, 任务任务:在各种扰在各种扰 动作用下都能使输出量保持在恒定希动作用下都能使输出量保持在恒定希 望值附近望值附近, 如温度、水位、转速控制系如温度、水位、转速控制系 统。统。恒值恒值控制系统实例控制系统实例恒温控制恒温控制随动控制系统随动控制系统 ：随动系统（也叫伺服系统，跟踪系随动系统（也叫伺服系统，跟踪系 统）这种控制系统

17、的输入量是事先不统）这种控制系统的输入量是事先不 知道的任意时间函数。任务：使输出知道的任意时间函数。任务：使输出 量迅速而准确地跟随输入量的变化而量迅速而准确地跟随输入量的变化而 变化。变化。比如：飞机和舰船的操舵系比如：飞机和舰船的操舵系 统，雷达自动跟踪系统。统，雷达自动跟踪系统。+_受信仪放大器减速器校正装置检测装置电机+随动系统实例随动系统实例火炮打飞机火炮打飞机程序控制系统：程序控制系统： 输入量按照给定的程序变化。任务：输入量按照给定的程序变化。任务： 使输出量按预先给定的程序指令而动使输出量按预先给定的程序指令而动 作。最典型的就是作。最典型的就是电梯升降控制、数电梯升降控制、

18、数 控车床和机器人控制系统。控车床和机器人控制系统。 机器人机器人三三. 线性控制系统、非线性控制系统线性控制系统、非线性控制系统 系统中系统中各环节各环节的特性在的特性在一定范围一定范围内都可用线性方程内都可用线性方程式描述，该系统称为线性系统。式描述，该系统称为线性系统。线性控制系统线性控制系统线性系统的主要特征是具有齐次性和叠加性。系统系统r2c2系统系统r1c1系统系统ar1 b r2ac1 bc2非线性控制系统非线性控制系统 系统中系统中任意一个环节任意一个环节具有非线性特性，该系统即为非具有非线性特性，该系统即为非线性系统。线性系统。非线性系统非线性系统不不满足叠加原理满足叠加原理

19、 在系统中只要有一个元器件的特性不能用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7章专门讨论。 四四. 线性定常系统和线性时变系统线性定常系统和线性时变系统)()()()()()(11101110trbtrdtdbtrdtdbtcatcdtdatcdtdammmmmnnnnn 线性系统线性系统线性时变系统线性时变系统线性定常系统线性定常系统方程中，输入输出函数及各阶导数皆为一次方程中的系数是时间的函数，随时间变化。方程中的系数是常数，不随时间

20、变化描述系统（环节）输入与输出关系的微分方程如下描述系统（环节）输入与输出关系的微分方程如下)()(8)(3)(33trtctcdtdtcdtd)(3)()()(trdtdtrtctcdtdt )()(5)(222trdtdttrtc 非线性时变系统非线性时变系统线性定常系统线性定常系统线性时变系统线性时变系统五五. 连续控制系统、离散控制系统连续控制系统、离散控制系统1-4 1-4 对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求可归纳成：对控制系统的基本要求可归纳成：稳、快、准稳、快、准。1.稳稳： 基本要求 要求系统要稳定2. 准准: 稳态要求 系统响应达到稳态后， 输出跟踪

21、精度要高3. 快快: 动态要求 系统阶跃响应的过渡过 程要平稳，快速 （1）阶跃信号）阶跃信号 （2）斜坡信号）斜坡信号 （3）脉冲信号）脉冲信号 （4）正弦信号）正弦信号1-5 自动控制系统的分析与设计工具自动控制系统的分析与设计工具Matlab草稿纸式编程语言草稿纸式编程语言良好的人机界面良好的人机界面结论可做一定等级的理论论据结论可做一定等级的理论论据Simulink工具箱工具箱第一章习题第一章习题1-1 下图是液位自动控制系统原理示意图。在任意情况下，希望液面C维持不变，试说明系统工作原理并画出系统方块图。 当电位器电刷位于中点位置时，电动机不动，控制阀门有一定的开度，使水箱中流入水量与流出水量相等，从而液面保持在希望高度c上。一旦流入水量或流出水量发生变化，