自动控制原理 课件 第一章 自动控制原理概述

第一章自动控制原理概述自动控制原理1总学时：48授课：482课程性质：必修3考核方式：考试课程基本信息教材：《自动控制原理》，吴占和、齐秀飞编，东北大学出版社，2019.24参考文献：《自动控制原理基础教程》（第4版），胡寿松，科学出版社，2017.1《机械工程控制基础》(第7版)，杨叔子，华中科技大学出版社，2017.75授课目录第1章：自动控制原理概述第2章：自动控制系统的数学模型第3章：线性系统的时域分析法第5章：线性系统的频域分析法第6章：自动控制系统的校正第7章：Matlab在自动控制系统中的应用第4章：线性系统的根轨迹分析法1自动控制与自动控制系统2自动控制理论的发展3自动控制系统的组成框图和基本术语第一章自动控制原理概述4自动控制系统的控制方式567自动控制系统的分类自动控制系统的性能指标自动控制系统的分析与设计

自动控制就是要人不直接参与的条件下，利用控制器使被控制的对象（如机器、设备或生产过程）的某些物理量（或工作状态）能自动地按规定的规律变化（或运行）。

电网的电压与频率自动地保持不变。人造卫星按制定的轨道运行，并始终保持正确的姿态金属切割机床的速度在电压变化或负载变化时能自动保持不变控制系统：把实现自动控制所需要各个部件按一定的规律组合起来，取控制被控对象，这个组合体叫“控制系统”被控制的物理量通常有：温度、压力、流量、电压、转速、位移等[经典控制]：20世纪50年代末形成完整的体系，以传递函数为基础研究单输入、输出系统（SISO）的反馈控制系统。采用的方法主要有：时域分析法、根轨迹法和频率法。[现代控制]：60－70年代，以状态空间法为基础研究多输出输入（MIMO）系统，变参数、非线性、高精度等系统。采用的方法主要有：状态空间分析法。本课程研究经典控制的主要内容。[大系统理论和智能控制论]：大系统论是用控制和信息的观点研究大系统的结构方案、总体设计中的分析方法和协调问题，智能控制论是研究与模拟人类活动的机理的新的控制论。自动控制理论的发展简史1.1765瓦特飞锤控制器的应用，可以看成是自动控制学科发展的起点。概述2.1877年，劳斯(E．Routh)和1895年赫尔维茨(A．Hurwith)分别独立地提出了关于判断控制系统稳定性的代数判据。3.1948年维纳（N.Wiener）发表《控制论——关于在动物和机器中控制和通讯的科学》一文，是控制论正式成为一门学科的标志。1932年奈奎斯特(H．Nyquist)在研究负反馈放大器时创立了有名的稳定性判据，并提出了稳定裕量的概念。1945年伯德(H.W.Bode)提出了分析控制系统的另一种图解方法即频率法。1948年伊万斯(w.K．Evans)又创立了根轨迹法。点击查看主要事迹维纳趣事自动控制理论的发展简史概述4.1954年，钱学森用英文发表“工程控制论”，把控制论推广到其他领域。继而出现了生物控制论、经济控制论、社会控制论等。点击查看主要事迹自动控制理论的发展简史概述液位控制系统

人工控制测量实际液面的高度h0-------用眼实际液面高度ｈ0与希望液面高度h1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

人工控制中有三种职能作用：测量、比较和执行，而在自动控制系统中也必须有这三种，如图1-3所示。液位控制系统由以下五部分组成。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。图1-3液面自动控制系统被控对象-----水池测量元件-----浮子比较机构-----浮子的希望位置与实际位置之差放大机构-----提高系统的控制精度执行元件-----驱动被控对象，以改变被控制的量图1-5液面自动控制系统的方框图

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，其中图a）为引出点，图b）为比较点，图c）部件的框图。图1-4控制系统框图的基本组成单元故液位自动控制系统也可用图1-5来表示。图1-6典型反馈控制系统的方块图1)给定元件其功能是给出与期望的被控量相对应的系统输入量。3）比较元件其功能是把反馈元件检测到的被控量实际值与给定元件给出的输入量进行比较，求出它们之间的偏差。常用的比较元件有差动放大器、机械差动装置、电桥电路等。4）放大元件其功能是将比较元件给出的偏差信号进行放大，用来推动执行元件去控制被控对象。5）执行元件其功能是直接推动被控对象，使其被控量发生变化。用来作为执行元件的有阀、电动机、液压马达等。6）控制对象控制系统所要操作的对象，它的输出量为系统的被控制量，如恒温控制系统中的恒温箱。7)校正元件也叫补偿元件，它是结构或参数便于调整的元部件，用串联或反馈的方式连接在系统中，用以改善系统的性能。最简单的校正元件是由电阻、电容、电感或运算放大器等组成的无源或有源网络，复杂的则用计算机通过编程实现。2）反馈元件也叫检测元件，其功能是检测被控制的物理量，产生反馈信号（该反馈信号与被控制量具有确定的函数关系），如果这个物理量是非电量，一般要再转换为电量。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反馈的通道,这种控制方式叫开环控制开环控制的优缺点

结构简单，所用元器件少系统没有抗扰动功能，因而限制了系统的应用范围控制器被控对象控制量给定值r(t)u(t)y(t)图1-9开环控制系统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稳态精度高、动态性能好、稳定裕度大等。控制器被控对象控制量输出量给定值r(t)u(t)y(t)反馈元件偏差e(t)＋－图1-10闭环控制系统图1-11火力发电厂综合控制系统

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照元件特性分类连续控制系统和离散控制系统

控制系统中各部分的传输信号都是时间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按照信号传递方式分类按系统参数的变化特征分类

定常参数控制系统：(时不变系统)

时变参数控制系统

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。

程序控制系统又称过程控制系统，这种控制系统的给定量是按照一定的时间函数变化的，如数控机床的程序控制系统。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。按照参考输入量变化规律分类按自动控制系统的功能分类自动调节系统最优控制系统自适应控制系统自学习控制系统图1-7刀具跟随控制系统图1-8刀具跟随系统方块图控制系统性能的基本要素一、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、快速性

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、准确性

系统在输入信号或干扰信号作用后，重新进入稳定状态时输出量与给定的输入量之间的偏差（也常称为静态精度）。控制系统的静（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。简称：稳、快、准系统的分析：(1)建立系统的数学模型。(2)分析系统的性能，计算性能指标是否满足要求。(3)分析参数变化对上述性能指标的影响，决定如何合理地选取。系统的设计：(1)根据要求的性能指标综合出系统应有的数学模型。(2)根据已知的被控对象求出对象的数学模型，并画出系统结构图。(3)按结构图与数学模型关系，根据已知部分和系统应有的数学模型，即可求出控制器的数学模型和控制规律。(4)各部分结构确定后，按已定结构求出系统数学模型，进行性能分析，验证它在各种信号作用下是否满足要求，若不满足，及时修正。(5)结构参数最终确定后，可进行实验仿真，若效果理想即可制作样机。维纳趣事20世纪著名数学家诺伯特·维纳，从小就智力超常，三岁时就能读写，十四岁时就大学毕业了。几年后，他又通过了博士论文答辩，成为美国哈佛大学的科学博士。

在博士学位的授予仪式上，执行主席看到一脸稚气的维纳，颇为惊讶，于是就当面询问他的年龄。维纳不愧为数学神童，他的回答十分巧妙：“我今年岁数的立方是个四位数，岁数的四次方是个六位数，这两个数，刚好把十个数字0、1、2、3、4、5、6、7、8、9全都用上了，不重不漏。这意味着全体数字都向我俯首称臣，预祝我将来在数学领域里一定能干出一番惊天动地的大事业。”

维纳此言一出，四座皆惊，大家都被他的这道妙题深深地吸引住了。整个会场上的人，都在议论他的年龄问题。诺伯特·维纳(NorbertWiener，1894-1964)

维纳是美国数学家，控制论的创始人。维纳1894年11月26日生于密苏里州的哥伦比亚，1964年3月18日卒于斯德哥尔摩。主要成就建立维纳测度引进巴拿赫—维纳空间阐述位势理论发展调和分析维纳在其50年的科学生涯中，先后涉足哲学、数学、物理学和工程学，最后转向生物学，在各个领域中都取得了丰硕成果，称得上是恩格斯颂扬过的、本世纪多才多艺和学识渊博的科学巨人。他一生发表论文240多篇，著作14本。他的主要著作有《控制论》(1948)、《维纳选集》(1964)和《维纳数学论文集》(1980)。维纳还有两本自传《昔日神童》和《我是一个数学家》。他的主要成果有如下八个方面：发现维纳—霍普夫方法提出维纳滤波理论开创维纳信息论创立控制论点击返回钱学森简介钱学森（1911～）中国著名物理学家，世界著名火箭专家。浙江杭州人，生于上海。1934年毕业于上海交通大学机械工程系，1934年在美国麻省理工学院和加利福尼亚理工大学学习。

1935年赴美国研究航空工程和空气动力学，1938年获加利福尼亚理工学院博士学位。后留在美国任讲师、副教授、教授以及超音速实验室主任和古根罕喷气推进研究中心主任。

1938年获博士学位后留校任教并从事火箭研究。

1950年开始争取回归祖国，当时一位美国海军高级将领说：“钱学森无论走到哪里，都抵得上3～5个师的兵力，绝不能让他离开美国。”因此钱学森受到美国政府迫害，失去自由，历经5年于1955年才回到祖国。

1955年10月冲破种种阻力回国后，1958年起长期担任火箭导