自动控制原理第1章

自动控制原理课程性质：专业基础课学分：4学分学时分配：理论学时：58学时，实验学时：6学时。教材：《自动控制原理》,胡寿松主编，参考书目：《自动控制原理》,卢京潮主编，《自动控制理论》,夏德钤主编等。第1章控制系统导论

1-1自动控制的基本原理1-2自动控制系统示例1-3自动控制系统的分类1-4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.自动控制技术及其应用2.自动控制理论

※自动控制理论是研究关于自动控制系统组成、分析和设计的一般性理论，是研究自动控制共同规律的技术科学。

※学习和研究自动控制理论是为了探索自动控制系统中变量的运动规律和改变这种运动规律的可能性和途径，为建立高性能的自动控制系统提供必要的理论基础。

3.反馈控制原理

负反馈正反馈1-1自动控制的基本原理例题：龙门刨床速度控制系统(p3)4.发展过程自动控制理论的发展可分为四个主要阶段：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；第二阶段：现代控制理论的兴起和发展；第三阶段：大系统控制兴起和发展阶段；第四阶段：智能控制发展阶段。A.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。B.现代控制理论

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。C.大系统控制理论

多输入、多输出、多干扰、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。

D.智能控制

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。

经典控制理论基本框架：以传递函数作为描述系统的数学模型，以时域分析法、根轨迹法和频域分析法为主要分析设计工具。经典控制理论研究的对象：以线性定常系统为主的单输入单输出系统。现代控制理论基本框架：以状态方程作为描述系统的数学模型，以最优控制和卡尔曼滤波为核心的控制系统分析、设计的方法。现代控制理论研究的对象：多变量非线性、时变系统。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5.人工控制和自动控制

例1.1热力系统如图所示为一个热力系统。通过调节蒸汽阀门，使流出的热水保持一定的温度。如果由手工控制，就要求控制者观测温度计的指示值，调节阀门开关的开度。调节方法为：如果温度计的指示值高于期望值，则关小阀门，降低热水温度；否则，开大阀门，升高热水温度，从而使流出的热水保持设定的温度。

图1.1热力系统温度计热水排水蒸汽冷水例1.2直流电动机速度控制系统

如图所示直流电动机速度控制系统。控制目标是使电动机稳定在要求的转速上运行。从图中可见，对应滑动电阻器的触点的某一位置，有一给定电压，经过放大器放大，即为电动机电枢电压。在没有任何扰动的情况下，对应滑动电阻器的触点的某一位置，则有一电机转速与之对应。

图1.2直流电动机速度控制系统

上述两个系统都是由人工控制的，可以看出，人在控制过程中起三个作用：

（1）观测：用眼睛去观测温度计和转速表的指示值；（2）比较与决策：人脑把观测得到的数据与要求的数据相比较，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。

在自动控制中，用控制装置代替人来完成上述功能。例如，自动控制热力系统如图所示。图1.3

直流电动机自动调速系统如图1.4所示。

图1.4

自动控制：是在没有人参与的情况下，系统的控制器自动地按照人预定的要求控制设备或过程，使之具有一定的状态和性能。（采用控制装置使被控对象（如机器设备的运行或生产过程的进行）自动地按照给定的规律运行，使被控对象的一个或数个物理量（如电压、电流、速度、位置、温度、流量、浓度等）能够在一定的精度范围内按照给定的规律变化。）自动控制系统：具有自动控制功能的系统称为自动控制系统。被控量：描述被控对象工作状态的物理量，也就是系统的输出量。自动控制系统

例：飞球调节器

它是一个与蒸汽机轴相联的机械装置，当蒸汽机的负载减轻或者蒸汽温度升高等原因导致蒸汽机转速升高时，飞球调节器的转速也升高，离心力增加，飞球升高，带着套环上升，操纵汽阀联结器关小蒸汽阀门，从而降低蒸汽机速度。反之，当蒸汽机的负载增加或者蒸汽温度下降等原因导致蒸汽机转速降低时，飞球调节器的转速也下降，离心力减小，飞球降低，带着套环下降，操纵汽阀联结器开大蒸汽阀门，从而提高蒸汽机速度。可见，尽管存在负载、蒸汽温度变化等扰动，蒸汽机速度仍然可以稳定在设定值上。图1.5飞球调节器6.自动控制系统基本控制方式最常见的控制方式：开环控制、闭环（反馈）控制和复合控制。1）开环控制

定义：如果控制系统的被控量对系统没有控制作用，系统的控制输入不受输出影响的控制系统，这种控制系统称为开环控制系统。

开环控制系统的控制原理如图1.6所示。

2）闭环控制或反馈控制

定义：如果系统的被控量直接或间接地参与控制，这种系统称为闭环控制系统或更直接地称为反馈控制系统。

反馈控制系统的控制原理如图1.7所示。

开环和闭环控制系统的特点开环系统：系统的输出端与输入端不存在反馈回路，输出量对系统的控制作用不发生影响的系统。结构简单，稳定性好，容易设计和调整以及成本较低的优点，但控制精度较低。对那些负载恒定，扰动小，控制精度要求不高的实际系统，是有效的控制方式。闭环系统：系统输出信号与测量元件之间存在反馈回路由于增加了检测装置和反馈环节，结构较复杂，成本有所增加；但它提高了系统的控制精度和抗干扰能力；同时负反馈对系统稳定性产生不利影响。分析运算放大器时通常假设：a.分析运算放大器的输入阻抗为无穷大，输出阻抗为0，b.放大器无零漂，不计失调电压和失调电流，c.输入电压在一定范围内时放大器工作于线性状态。图所示的运算放大器输入电压和输出电压的关系：若运算放大器K变化则：输出增量为：？

3）复合控制

将前馈控制和反馈控制结合起来，这种系统称为复合控制系统。复合控制系统的原理如图1.8所示。

方框图的概念

方框：控制装置和被控对象分别用方框表示信号线：方框的输入和输出以及它们之间的联接用带箭头的信号线表示输入信号：进入方框的信号输出信号：离开方框的信号信号线方框信号线输入信号输出信号7.自动控制系统的基本组成被控对象：一般是指生产过程中需要进行控制的工作机械、装置或生产过程。描述被控对象工作状态的、需要进行控制和物理量就是被控量.给定元件：主要用于产生给定信号或控制输入信号。

测量元件：用于检测被控量或输出量，产生反馈信号。如果测出的物理量属于非电量，一般要转换成电量。比较元件：用来比较输入信号或反馈信号的偏差。它可以是一个差动电路，也可以是一个物理元件（如电桥电路、差动放大器、自整角机等）。放大元件：用来放大偏差信号的幅值和功率，使之能够推动执行机构调节被控对象。执行机构：用于直接对被控对象进行操作，调节被控量。校正元件：用来改善或提高系统的性能。常用串联或反馈的方式连接在系统中。

1-2自动控制系统示例图1.10电压调节原理示意图1.电压调节系统

2.函数记录仪

图1.12函数记录仪工作原理图图1.13函数记录仪系统方框图3.蒸汽机上的瓦特调速器图1.14瓦特调速器示意图工作原理是：根据希望的转速，设置输入量(控制量)。如果实际转速降低到希望的转速值以下，则调速器的离心力下降，从而使控制阀上升，进入蒸汽的蒸汽量增加，于是蒸汽机转速随之增加，直至上升到希望的转速值时为止。反之，若蒸汽机的转速增加到超过希望的转速值，调速器的离心力便会增加，造成控制阀向下移动。这样就减少了进入蒸汽机的蒸汽量，蒸汽机的转速也就随之下降，直到下降至希望的转速时为止。图1.15数控机床系统框图4.数控机床系统数控机床系统方框图如图1.15所示，根据对工件的加工要求，事先编制出控制程序，作为系统的输入量送入计算机。与工具架连接在一起的传感器，将刀具的位置信息变换为电压信号，再经过模－数转换器变为数字信号，并作为反馈信号送入计算机。计算机将输入信号与反馈信号比较，得到偏差信号，随后经数－模转换器将数字信号转变为模拟电压信号，经功率放大后驱动电动机，带动刀具按期望的规律运动。系统中的计算机还要完成指定的数学运算等，使系统有更高的工作质量。图中的测速电机反馈支路是用来改善系统性能的。1-3自动控制系统的分类1.恒值控制系统和随动控制系统

1）恒值控制系统（镇定系统或调节系统或恒值系统或自动调整系统）a.特点：给定输入一经设定就维持不变，希望输出量维持在某一特定值上。b.分析设计的重点：研究各种扰动对被控对象的影响以及抗扰动的措施。2.随动控制系统（随动系统或伺服系统或跟踪系统）a.自动跟踪系统：给定信号的变化规律是事先不能确定的随时间变化的信号。b.程序控制系统：给定的输入是预先设定的、按预定规律变化的信号。c.分析设计的重点：研究被控量跟随的快速性和准确性。2.线性系统与非线性系统

定义：如果一个系统具有下列性质：（1）输入x1(t)，产生输出y1(t)；（2）输入x2(t)，产生输出y2(t)；（3）输入c1x1(t)+c2x2(t)产生输出

c1y1(t)+c2y2(t)；其中，x1(t)、x2(t)

是任意的输入信号，c1、c2是任意的常数，则该系统是线性系统，否则是非线性系统。

从上面的叙述可以看出，“线性”性和叠加原理是等价的。叠加原理

在线性系统中，由n个输入xi(t)(i=1、2……n）共同产生的输出y(t)，等于各个输入xi(t)单独产生的输出yi(t)之和，即：

因此，线性系统满足叠加原理。反之，满足叠加原理的系统是线性系统。3.连续系统与离散系统

控制系统中存在各种形式的信号。按照时间变量取值的连续性与离散性，可将信号分为连续时间信号与离散时间信号，简称为连续信号与离散信号。

离散时间信号的幅值可以是连续的，也可以是离散的。若离散信号的幅值是连续的，则又可称为抽样信号。如果离散信号的幅值也被限定为某些离散值，即信号取值时间和幅值都是离散的，则又称为数字信号。

若系统中所有信号都是连续信号，则称为连续时间系统，简称为连续系统。如果系统中有一处或几处的信号是离散信号，则称为离散时间系统，简称为离散系统。

具有采样过程的离散控制系统通常又称为采样控制系统。若离散信号是以数码（数字）形式传递的，则又特别称为数字控制系统。

在离散系统中存在采样、保持、数字处理等过程，具有一些独特的性能。随着计算机的发展，离散系统得到越来越广泛的应用。

图1.16计算机控制系统4.定常系统与时变系统

如果控制系统的结构、参数在系统运行过程中不随时间变化，则称为定常系统或者时不变系统，否则，称为时变系统。5.SISO系统和MIMO系统

按照输入信号和输出信号的数目，可分为单输入单输出（SISO）系统和多输入多输出（MIMO）系统。

6.集中参数系统与分布参数系统

如果在系统分析与设计中，可以把一个系统看作有限多个理想的分立部件的总体，这类系统称为集中参数系统。

例如：电阻、电容、电感、阻尼、弹簧、质量等。集中参数系统由常微分方程描述。

如果系统只能看作由无穷多个无穷小的分立部件组成，则该系统为分布参数系统，它由偏微分方程描述。

例如，导线上的电压分布是时间和地点的函数，因此只能以偏微分方程描述，是一个分布参数系统。

1-4自动控制系统的基本要求

1.对控制系统性能的要求概括为三方面：稳定性(稳）：控制系统运行的必要条件，不稳定的系统是不能工作的。稳态性能（准）：过渡过程结束，到达稳态后系统的控制精度的度量。瞬态性能（快）：系统动态响应的快速性，系统的过渡过程越短越好。1）稳定性A.稳定性是控制系统最基本的性质。所谓稳定性是指控制系统偏离平衡状态后，自动恢复到平衡状态的能力。

B.当系统受到扰动后，其状态偏离了平衡状态，在随后有时间内，如果系统的输出响应能够最终回到原先的平衡状态，则系统是稳定的；反之，如果系统的输出响应逐渐增加趋于无穷，或者进入振荡状态，则系统是不稳定的。

D.一个稳定的控制系统其被控量偏离期望值的初始偏差应随着时间的增长逐渐减小或趋于零。C.判别系统是