第1章 自动控制一般概念

河南理工大学电气工程与自动化学院冯高明手机-mail:fgm@自动控制原理AutomationControlTheory

性质：本课程为理工科院校电类专业重要的必修专业基础课，是自动控制系统、微型计算机控制技术、过程控制、现代控制理论等专业课程的先修课程。

任务：通过本课程的学习，培养分析、设计控制系统的能力；掌握Matlab软件在控制系统的应用；通过实验环节的训练，培养工程实践能力。课程性质和课程任务[1]魏泽国编,《自动控制原理》煤炭工业出版社

[2]胡寿松编，《自动控制原理》科学出版社教材：主要参考书：[3]师宇杰编著,《自动控制原理—基于MATLAB仿真的多媒体授课教材》国防工业出版社教材及主要参考书杜庆楠主编，《自动控制原理》中国电力出版社下课坚持复习上课注意听讲独立完成作业注重章节联系擅于知识总结如何学好这门课？第一章自动控制的一般概念项目内容学习目的

了解自动控制的发展历史、基本原理，自动控制的研究内容和方法，掌握职能方框图的绘制。重点

自动控制的研究内容、方法和目的，职能方框图的绘制。难点

职能方框图。主要内容

1-2自动控制理论的发展历史和分类1-3自动控制系统和职能方框图1-4对控制系统的基本要求

1-1自动控制的基本概念和课程内容

(a)手动控制(b)自动控制1从实例看自动控制水温的手动控制和自动控制1-1自动控制的基本概念和课程内容防空导弹制导自动控制倒立摆系统(控制理论中最典型的例子)人工控制倒立摆系统Designacontrolsystemthatkeepsthependulumbalancedandtracksthecarttoacommandedposition!!!自动控制倒立摆系统如果是惯性非常小的倒立摆呢？如果是二级倒立摆呢？如果是三级、四级、……多级倒立摆呢？如果是运动中的倒立摆呢？如果是多自由度、万向节式的倒立摆呢？如果是倾斜控制式的倒立摆呢？如果是多级倒立摆中的每一级都要按任意设定的规律运动该如何控制呢？如果……三级倒立摆四级倒立摆自动化立体仓库（2）自动控制：在没有人直接干预的情况下，通过控制装置使被控对象自动按照预定的规律运行，使之具有一定的状态和性能。定义2自动控制原理的基本概念及课程内容（1）控制：掌握住对象不使任意活动或超出范围；或使其按控制者的意愿活动。（3）系统：由一些元部件按一定要求连接并具有某一特定功能的整体（侧重物理性质的）。（5）自动控制数学系统：反映自动控制物理系统数学或数值规律的各种数学表达形式。（4）自动控制物理系统：是指由控制装置和被控对象结合起来的，能够对被控对象的一些物理量（被控制量）进行自动控制的一个有机整体。（6）自动控制原理：研究单输入、单输出、集中参数、线性、时不变自动控制系统数学模型的分析和设计的一般理论。课程内容和结构：（1）建立数学模型。（2）系统性能分析：已知系统的结构和参数，分析和评价系统的稳定性和动态性能以及抗干扰能力（稳态性能）的优劣。（3）控制系统设计：按照给定的控制任务设计一个满足稳定性和动态性能要求及抗干扰性能要求的控制系统，并确定其结构和参数。3个三：三项内容：建模、系统分析、系统设计三种分析方法：时域法、根轨迹法、频域分析法每一种方法从三个方面进行分析：稳定性、稳态性能、动态性能产业革命时期的自动控制技术以1748年瓦特发明的蒸汽机中的离心调节器为代表。但瓦特对离心调节器出现的振荡现象无法解释。1-2自动控制的发展历史及分类1发展历史1877年和1895年英国学者劳斯和瑞士数学家胡尔维茨提出了可以判别高阶线性系统稳定性的判据。1868年(120年后)麦克斯韦利用描述系统的微分方程解释了这种现象，并提出了判别低阶系统稳定性的判据；经典控制理论(ClassicalControl)(1935-1950)

美国MIT的N.Wiener发表《控制论》(Cybernetics)一书(1948)，标志着控制论学科的诞生。N.Wiener二战期间的自动控制理论

在贝尔实验室Bode领导的火炮控制系统研究小组工作的Shannon提出继电器逻辑自动化理论(1938)，随后，发表专著《通信的数字理论》(TheMathematicalTheoryofCommunication)，奠定了信息论的基础(1948)。Shannon

MITRadiationLaboratory在研究SCR-584雷达控制系统的过程中，创立了NicholsChartDesignMethod，Hurwitz(1947)的数字控制系统(SampledDataSystem)一书的出版，美国W.Evans提出根轨迹法(RootLocusMethod)(1948)，标志以单输入线性系统为研究对象的经典控制研究工作完成。现代控制理论(ModernControl)

(1950-)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(发射、操纵、指导及跟踪)、卫星、航天器和星球大战以及计算机技术的出现。主要标志是航空航天技术的发展。二战后的自动控制理论(2)美国R.Bellman发表著名的DynamicProgramming，建立最优控制的基础(1957)。(3)国际自动控制联合会(IFAC)成立(1957)，中国为发起国之一，第一届学术会议于莫斯科召开(1960)。(1)苏联L.S.Pontryagin发表“最优过程数学理论”，提出极大值原理(MaximumPrinciple)(1956)L.S.Pontryagin(4)世界第一颗人造地球卫星(Sputnik)由苏联发射成功(1957)1957.Laika.Sputnik2(5)

苏联东方-１号飞船载着加加林进入人造地球卫星轨道，人类宇航时代开始了(1961)。宇宙哥伦布-加加林AstampissuedbyRussiatomemorizeY.GagarinCapsuleusedinfirstmannedorbitofearthIn1961,thefirsthumantopilotaspacecraft,YuriGagarin,waslaunchedbytheSovietUnionaboardVostokI.(6)苏联发射“月球9号”探测器，首次在月面软着陆成功(1966)，三年后(1969)，美国“阿波罗”11号把宇航员N.A.Armstrong送上月球。N.A.Armstrong阿姆斯壮(美国宇航员,1969年7月登陆月球,成为第一个登上月球的地球人)(7)美国“哥伦比亚”号航天飞机首次发射成功(1981年)。(8)中国批准863高技术计划，包括自动化领域的计算机集成制造系统和智能机器人两个主题(1986)。(10)日本SONY公司二足步行机械人SDR-4X(2002)。(9)日本安川公司娱乐机械狗(2001)。(12)第一台火星探测器Sojourner在火星表面软着陆(1996)。(11)美国旅行者Voyager一号、二号开始走出太阳系，对茫茫太空进行探索(1977)。(13)2007年10月24日，“嫦娥一号”顺利升空，古老的中华民族首次将自己的脚步迈入宇宙深空探测领域，向世人表明了中国人已具备月球探索的能力与雄心。

系统社会系统地球系统宇宙系统工程系统生物系统医学系统环境系统经济系统工程控制论人工控制自动控制半自动控制自动控制理论经典控制理论现代控制理论先进控制理论(智能)开环控制理论闭环控制理论复合控制理论非线性控制理论离散时间控制理论自动控制原理学习的重点2自动控制理论的分类研究对象数学工具常用分析方法局限性经典控制理论单输入-单输出线性定常系统微分方程，传递函数时域分析法，根轨迹分析法，频域分析法对复杂多变量系统、时变和非线性系统无能为力现代控制理论多输入-多输出变系数，非线性等系统线性代数、矩阵理论状态空间法比较繁琐（但由于计算机技术的迅速发展，这一局限性已克服）经典控制理论和现代控制理论的对比1-3自动控制系统和职能方块图被控制量：系统中所要控制的物理量，一般指系统的输出量。自动控制系统的元素被控对象：要求实现自动控制的机器设备或生产过程。给定值：根据生产要求，被控制量需要达到的数值。控制装置：能够对被控对象起控制作用的设备总称。扰动：破坏控制量与被控制量之间正常函数关系的因素，称为系统的扰动。内扰外扰扰动给定值和扰动统称为系统的输入量。开环控制系统：输出量与输入量之间没有反向联系，只靠输入量对输出量单向控制的系统叫开环控制系统。控制装置被控对象控制量扰动被控制量开环控制系统和闭环控制系统例1开环控制系统职能方块图电位器电压放大器可控硅功放直流电动机Purukn扰动ua直流电机转速控制系统－电压放大器可控硅功放M负载n电网电压+Vccurukua闭环控制系统（本课程学习的重点）:输出量与输入量之间有反向联系，靠输入量与主反馈信号之间的偏差对输出量进行控制的系统。控制装置被控对象控制量扰动被控制量检测装置反馈：是把系统输出量全部或一部分回送到输入端，以增强或减弱输入信号的效应。例2引入闭环控制后的直流电机转速控制系统电位器电压放大器可控硅放大器直流电动机测速机Purubuk-n扰动ua原理示意图职能方块图Guf－测速发电机电压放大器可控硅功放M负载n电网电压+Vccurukua闭环控制的实质：……按偏差控制检测偏差纠正偏差主反馈：直接取自系统输出端，经过测量和变换，又引入到系统输入端的信号ub叫主反馈信号，相应的反馈叫主反馈。前向通道：从系统输入端到输出量之间的通道称为前向通道。主反馈通道：从输出量到主反馈信号之间的通道称为主反馈通道。重要概念主回路：主反馈闭合了除系统输入信号和干扰信号以外的其它所有信号，所形成的闭合回路称为主回路。给定元件：给出与系统输出量希望值相对应的系统输入量的元件。局部反馈：对应内回路。测量元件：测量系统输出量的实际值，并把输出量的量纲转化成与输入量相同。比较元件：比较系统的输入量和主反馈信号，并给出两者之间的偏差。放大元件：对微弱的偏差信号进行放大和变换，使之具有足够的幅值和功率，以适应执行元件动作的要求。执行元件：根据放大后的偏差信号产生控制、动作，操作系统的输出量，使之按照输入量的变化规律而变化。前向通道主反馈通道比较元件偏差量主反馈量控制变量操作变量被控量给定元件绘制职能方块图，只需要在系统中找到图中所示的各种元件，再将它们“对号入座”就可以了。人热水阀水箱测量—手指-r理想温度e偏差环境水温c测量信号

人工完成水温手动控制系统职能方块图n调节器热水阀水箱测温计-r给定温度e偏差环境水温nc测量信号

调节记录仪水温自动控制系统职能方块图1）按给定值的形式划分a.恒值控制系统恒温、水位、恒压控制系统b.随动系统（也叫伺服系统，跟踪系统）飞机和舰船的操舵系统，雷达自动跟踪系统自动控制系统的分类a.连续控制系统（本课程研究对象的一般形式）b.离散控制系统2）按信号的形式分类

a.静态系统和动态系统（方程中有无微积分项）b.定常系统和时变系统（通过系数判定）c.线性系统和非线性系统线性系统满足叠加原理，具有叠加性和均匀性，可以用线性微分方程来描述；非线性系统，不适用叠加原理，用非线性微分方程来描述。3）按系统的特性分类从物理观点看线性系统的叠加原理：物理系统r(t)c(t)激励响应如果有：r(t)r1(t)+r2(t)r2(t)c1(t)c(t)c2(t)则有：r1(t)c1(t)+c2(t)叠加性kr(t)kc(t)均匀性(齐次性)叠加性+均匀性＝叠加原理从数学观点看线性系统的叠加原理：若表示系统的数学描述为c=f(r)，必成立关系式：1-4对控制系统的基本要求

给定信号和扰动是一个系统典型的外作用，我们希望系统只受给定信号的控制，而丝毫不受扰动的影响，我们只研究在给定信号作用下对系统性能的要求。注意：c(t)≡r(t)当输入信号突然发生跳变时，这时输出量还处在原有的平衡状态，这样就出现了偏差，这个偏差控制输出量达到新的平衡，这就是一个调节过程。t01c(t)理想调节过程注意：c(t)≡r(t)实际调节过程t01c(t)整个调节过程分为两个阶段:注意：c(t)≡r(t)t01c(t)aba.过渡过程反映系统的动态特性。b.稳态过程反映系统的稳态特性。阴影部分表示的是实际调节过程与理想调节过程的差异，面积越小，系统的调节质量越高。对系统性能的基本要求工程上归结为三个方面：稳定性：最终态要稳定

准确性：跟踪值要准确

快速性：响应速度要快1-振荡发散，2-单调发散，3、4、5最终趋于平衡状态，这类系统是稳定的。稳定性是对控制系统的最基本要求