第一章绪论自动控制理论

自动控制理论主讲张军沈阳航空工业学院北方科技学院12/15/20231第一章绪论第一章概论

§1-1控制理论在

工程中的应用发展

12/15/20232第一章绪论控制理论是在产业革命的背景下，在生产和军事需求的刺激下，自动控制、电子技术、计算机科学等多种学科相互交叉发展的产物。12/15/20233第一章绪论

从二十世纪以来，特别是第二次世界大战以后，自动控制和自动化科学得到了迅速的发展。工业生产的自动化，改善了劳动条件，增加了产量，提高了质量。在军事装备上，自动控制技术大大地提高了武器的威力和精度。近年来，由于计算机的广泛应用和控制理论的发展，使得自动控制技术所能完成的任务更加复杂、应用的领域也越来越广泛。12/15/20234第一章绪论

全球瞩目的中国载人太空船神舟5号于2003年10月15日上午顺利发射成功。从这一天起，中国成为继俄罗斯和美国之后，第三个独立成功将人类送上太空的国家。神舟6号于2005年10月12日上午9:00在酒泉卫星发射中心发射升空;12/15/20235第一章绪论北京时间2008年9月25日21点10分04秒，我国第三艘载人飞船神舟7号成功发射，三名航天员翟志刚、刘伯明、景海鹏顺利升空。27日，翟志刚身着我国研制的“飞天”舱外航天服，在身着俄罗斯“海鹰”舱外航天服的刘伯明的辅助下，进行了19分35秒的出舱活动。中国随之成为世界上第三个掌握空间出舱活动技术的国家。2008年9月28日傍晚时分，神舟七号飞船在顺利完成空间出舱活动和一系列空间科学试验任务后，成功降落在内蒙古中部阿木古朗草原上。12/15/20236第一章绪论

载人宇宙飞船为确保载人安全以及为保持航天员高效率工作，需要很复杂的特设系统，例如，用于空气更新、废水处理和再生、通风、温度和湿度控制等的环境控制和生命保障系统；报话通信系统、仪表和照明系统、航天服、载人机动装置和逃逸救生系统等。12/15/20237第一章绪论

载人宇宙飞船除了要使飞船在返回过程中的制动过载限制在人的耐受范围内，还应使其落点精度比返回式卫星更高，从而及时发现和营救航天员。目前，掌握航天器返回技术的国家只有美国、俄罗斯和中国。12/15/20238第一章绪论

在工业中，机电工业是我国最重要的支柱产业之一，而传统的机电产品正在向机电一体化（mechatrnics）方向发展。机电一体化产品或系统的显著特点是控制自动化。机电控制型产品技术含量高，附加值大，在国内外市场上具有很强的竞争优势，形成机电一体化产品发展的主流。12/15/20239第一章绪论

当前国内外机电结合型产品，诸如典型的工业机器人、数控机床、自动导引车等都广泛地应用了控制理论。

自动控制技术已经成为生产（电力、机械、冶金、化工…）、军事、科研、企业管理等几乎一切领域中必不可少的手段。因此，各个领域的科学工作者和工程技术人员都必须具备一定的自动控制工程知识。12/15/202310第一章绪论

根据自动控制理论的内容和发展的不同阶段，控制理论可分为“经典控制理论”和“现代控制理论”两大部分。

“经典控制理论”的内容是以传递函数为基础，以频率法和根轨迹法作为分析和综合系统的基本方法，主要研究单输入、单输出这类控制系统的分析和设计问题。12/15/202311第一章绪论

“现代控制理论”是在“经典控制理论”的基础上，于20世纪60年代以后发展起来的。它的主要内容是以状态空间法为基础，研究多输入、多输出、时变参数、分布参数、随机参数、非线性等控制系统的分析和设计问题。

最优控制、最优滤波、系统辨识、自适应控制等理论都是这一领域重要的分支，近年来现代控制理论在大系统理论和人工智能控制等诸多领域有重大发展。12/15/202312第一章绪论

半个多世纪以来，控制理论从主要依靠手工计算的经典控制理论发展到依赖计算机的现代控制理论，发展了最优控制、自适应控制、智能控制。智能控制中，学习控制技术从简单的参数学习向较为复杂的结构学习、环境学习和复杂对象学习的方向发展；并发展了神经元网络、模糊逻辑、进化算法、专家系统、鲁棒控制与控制等技术。同时还发展了MATLAB等控制系统计算机辅助设计工具，使控制理论在工程上的应用更加方便。12/15/202313第一章绪论§1-2自动控制系统的基本概念12/15/202314第一章绪论自动控制：

在没有人直接参与的条件下，利用控制器使被控对象（如机器、设备或生产过程）的某些物理量（或工作状态）能自动地按照预定的规律变化（或运行）。12/15/202315第一章绪论如：人造卫星按指定的轨道运行，并始终保持正确的姿态，使它的太阳能电池一直朝向太阳，无线电天线一直指向地球；

数控加工中心、焊接机器人、温度控制系统等12/15/202316第一章绪论如温度、压力、力、流量、电压、转数、位移、角度等。一个共同点：

一个或一些被控物理量按给定量的变化而变化。

12/15/202317第一章绪论

一般地说，如何使被控量按给定量的变化规律而变化，是控制系统所要解决的基本任务。12/15/202318第一章绪论一、液位控制系统

人工控制测量实际液面的高度ｈ1-------用眼图1-1水池液面控制系统水池液面控制如图1-1所示。自动控制理论希望液面高度进水阀放水阀实际液面高度ｈ1与希望液面高度h0相比较

-------用脑按比较的结果，即液面高度偏差的正负去决定控制动作

-------用手被控对象12/15/202319第一章绪论人工控制中有三种职能作用：测量、比较和执行图1-2液面人工控制系统的方框图液面人工控制系统的方框图如图1-2所示。自动控制理论图1-1水池液面控制系统希望液面高度进水阀放水阀12/15/202320第一章绪论

自动控制在自动控制系统中也必须有测量、比较和执行这三种职能，如图1-3所示。液位控制系统由以下五部分组成。12/15/202321第一章绪论测量元件-----浮子图1-3液面自动控制系统

被控对象-----水池自动控制理论比较机构-----求浮子的希望位置与实际位置之差放大机构-----当误差信号不足以使执行元件动作时，一般都需要加放大元件，以提高系统的控制精度执行元件-----驱动被控对象，以改变被控制的量12/15/202322第一章绪论为了控制系统的表示简单明了，控制工程中一般用方框图表示系统的各个组件，组件的基本组成单元如图1-4所示。图1-4控制系统框图的基本组成单元自动控制理论引出点比较点部件的框图12/15/202323第一章绪论图1-3液面自动控制系统图1-5液面自动控制系统的方框图故液位自动控制系统也可用图1-5来表示。显然用框图表示比原理图更简单，而且信号在系统中的传递也更为清晰。因此在以后的讨论中，控制系统一般均以框图形式表示。12/15/202324第一章绪论

直流随动如图1-6所示。二、随动控制系统图1-6直流随动系统的原理图自动控制理论

直流随动系统是用一对电位器作为位置的检测元件，它们分别把系统的输入与输出的位置信号转换成与之成比例的电信号，并进行比较。12/15/202325第一章绪论图1-6直流随动系统的原理图图1-7直流随动系统的方框图12/15/202326第一章绪论图1-7直流随动系统的方框图图1-5液面自动控制系统的方框图自动控制框图的一般形式d(t)串联校正反馈校正12/15/202327第一章绪论自动控制框图的一般形式d(t)串联校正反馈校正d(t)12/15/202328第一章绪论§1-3

开环控制与闭环控制开环控制如果系统的输出量没有与参考输入相比较,即系统的输出与输入间不存在着反馈的通道,这种控制方式叫开环控制优点

结构简单，所用元器件少,成本低缺点系统没有抗扰动功能，因而大大限制了系统的应用范围12/15/202329第一章绪论开环直流调速系统晶闸管整流装置电动机触发器UgUd转速nTL扰动

当电动机的负载、交流电网的电压以及电动机的励磁稍有变化时，电动机的转速就会随之而变化，不能再维持Ug所期望的转速。12/15/202330第一章绪论数控机床开环定位控制系统

如果系统的给定输入与被控量之间的关系固定，且其内部参数或外来扰动的变化都较小，或这些扰动因素可以事先确定并能给予补偿，则采用开环控制也能取得较为满意的控制效果。分配器步进电机精密传动机构工作台控制脉冲工作台位移12/15/202331第一章绪论闭环控制

若把系统的被控制量反馈到它的输入端，并与参考输入相比较，这种控制方式叫闭环控制。相应的系统称为闭环控制系统闭环控制的优点

自动地消弱或清除来自系统内部或外部扰动对被控制量的影响12/15/202332第一章绪论闭环直流调速系统12/15/202333第一章绪论三种常用的分类方法自动控制理论§1-4

自动控制系统的分类

线性控制系统和非线性控制系统

若组成控制的元件都具有线性特性则称这种系统为线性控制系统

若在控制系统中有一个以上的元件具有非线性则称这种系统为非线性控制系统特点：不具有比例性，也不适用叠加原理系统的输出响应稳定性与其初始状态有关特点：

系统用微分方程、传递函数或状态方程来描述具有比例性并适用叠加原理按系统组成元件的性质分12/15/202334第一章绪论

恒值控制系统和随动控制系统按系统给定信号的性质分

恒值控制系统的参考输入量为常量，要求它的被控制量在任何扰动的作用下能尽快地恢复（或接近）原有的稳态值。如液位控制系统、恒温系统等；

随动控制系统的输入是一个变化量，要求系统的被控制量能快速准确地跟随参考输入信号的变化而变化。如转速调节系统，位置随动系统等。12/15/202335第一章绪论自动控制理论连续控制系统和离散控制系统按系统内部传输信号的性质分

若在控制系统内部有一个或一个以上的信号是时间Ｔ的离散信号，则称这类系统为离散控制系统。计算机控制系统是一种常见离散控制系统计算机控制系统的方框图

控制系统中各部传输信号都是时间Ｔ的连续函数，则称这类系统为连续控制系统12/15/202336第一章绪论自动控制理论§1-5

对控制系统性能的要求和本课程的任务控制系统的性能一般从以下三方面来评价一、稳定性

当系统受到某一扰动作用后，使被控制量偏离了原来的平衡状态，但当扰动一撤离，经过一定的时间，如果系统仍能回到原有的平衡状态，则称系统是稳定的。稳定是系统能正常运行的必要条件二、响应速度

要求系统的输出响应具有一定的快速性，它是系统的一个重要性能指标三、稳态精度

控制系统的稳态精度通常是用它的稳态误差来表示，稳态误差越小，系统的控制精度就越高12/15/202337第一