第一章 自动控制系统概论

1、2020/7/4，北京邮电大学信息工程学院，自动控制理论，何荣波电话：1386555693电子邮件3360课程电子邮件：子东共知_密码：10002000电子信息学院，参考书，自动控制原理国防工业出版社李油山自动控制原理科学出版社胡守松自动控制原理研究生教学计划西北工业大学出版社刘会英自动控制原理考试选择与答题技巧哈尔滨工业大学出版社王瞳自动控制北京邮电大学信息工程学院，讲座内容：第一章第八章课时安排：一至三小时； 第二，10小时；第三，10小时；四八个小时；5、10小时；六六个小时；七八个小时；八小时或八小时：实验安排：六小时，大约16周；课堂作业：安排好课堂，认真及时地完成作业，检查你所学的

2、内容；考试：闭卷考试(约19周)，2020/7/4，北京邮电大学信息工程学院。自动控制理论是研究自动控制系统组成并进行系统分析和设计的一般理论；这是一门研究自动控制过程一般规律的技术学科。从技术角度来说，关注工程应用并不是一个非常严格的理论。学习方法：抽象的技术基础课以数学、物理及相关学科为理论基础，运用正确的思维方法和信息传递、处理和反馈控制的观点，在数学基础课和专业课之间架起一座桥梁，并将二者紧密结合。在学习本课程之前，你应该有良好的数学、力学和电学基础，并对机械等其他学科有一定的了解。没有必要过分追求数学论证的严密性，但我们必须充分注意数学结论的准确性和物理概念的清晰性。要重视实验和练习

3、，独立完成作业，这有助于理解基本概念和应用基本方法。2020/7/4，北京邮电大学信息工程学院，本课程与其他课程的关系：2020/7/4，北京邮电大学信息工程学院，第1章自动控制系统概述1.1自动控制的基本概念1.2开环控制和闭环控制1.3自动控制系统的基本类型1.4自动控制系统的性能要求，本章要点：(1)反馈控制的工作原理及相关概念；(2)控制系统的类型；(3)控制系统的基本要求；(1)了解自动控制的概念和研究对象及任务；(2)掌握反馈的含义，学会分析动态系统中信息流的过程，掌握系统或过程中存在的反馈。(3)理解正反馈和负反馈的概念。(4)了解控制系统中的基本术语和变量。(5)了解控制系统的

4、基本要求。1.1自动控制系统的基本概念在工业、农业、交通和国防的各个方面，自动控制在所有要求高的场合都是不可缺少的。自动控制：在没有直接参与的情况下，机器、设备或生产过程(受控对象)的某个工作状态或参数(受控量)通过使用额外的设备或装置(控制装置或控制器)按照预定规则(给定量)自动运行。自动控制系统：能够自动控制受控对象工作状态的系统。包括受控对象和控制装置。自动控制的目的：提高产品质量；提高劳动生产率；改善工作条件，降低劳动强度；提高生活质量等。自动控制系统示例(1)，水位控制系统示例1，自动控制系统示例(1)，自动控制系统示例(2)，自动控制系统示例(2)，第一阶段：经典(自动)控制理论，

5、也称为自动控制理论。它的发展大致经历了以下几个过程：在胚胎阶段，如果我们要追溯自动控制的发展历史2.公元10861089年(宋哲宗元佑元年)，中国发明的水运仪像台是一个闭环自动调节系统。水运仪器图像平台，2020年7月4日，北京邮电大学信息工程学院，指南机是中国古代的伟大发明之一，也是世界上最早的控制论机器之一。用英国著名科学史专家李约瑟(Joseph Needham)的话来说，中国古代的指南车“可以说是人类历史上走向控制论机器的第一步”，是人类的“第一个内部稳定器”。2020/7/4，北京邮电大学信息工程学院，整个水运仪器平台高12米，宽7米，分为三层，相当于一栋四层楼。在最上面的板房里有一

6、个浑天仪。房子的屋顶可以自由打开，通常是关闭的，以防下雨。这已经有了现代天文观测室的原型；中间层有一头大象；下层可以分成五个小的木制亭子。每个小木亭里有几个木制人物，五楼有162个木制人物。他们履行各自的职责：在某个时刻，木制人物会出来演奏钟、鼓或乐器，报告时间，指示时间等。木制亭子后面放置两级高精度雕刻和一套机械传动装置。可以说，这是整个水运仪器平台的“心脏”部分。漏水壶里的水用来驱动传动装置，浑天仪、大象和报时装置会一步一步地移动。这台仪器的制造水平很高，充分体现了中国古代人民的智慧和创造力。水运仪像台是我国古代的一种大型天文仪器，由宋代天文学家苏颂等人创建。它是一种综合观测仪器，集成了观

7、测天象、演示天象、测量时间丢失和报告时间的机械装置。事实上，这是一个小天文台。一千年前，中国发明了一种铜壶滴漏计时器。在最初阶段，随着科学技术和工业生产的发展，自动控制技术在18世纪逐渐应用于现代工业。最突出的代表是瓦特发明的蒸汽机离心调速器，它加快了第一次工业革命的步伐。瓦特，2020/7/4，北京邮电大学信息工程学院现代控制理论课程，3个发展阶段。1868年，麦克斯韦解决了蒸汽机速度控制系统中剧烈振荡的不稳定问题，并提出了一个简单的稳定性代数判据。1895年，劳斯和赫维茨将麦克斯韦的思想扩展到由高阶微分方程描述的更复杂的系统，并分别提出了两个著名的稳定性判据劳斯判据和赫维茨判据。它基本上满

8、足了20世纪初控制工程师的需求。第二次世界大战中，由于控制系统需要精确的跟踪和补偿能力，1932年，奈奎斯特提出了频率响应法来研究系统的频域特性，为具有高动态品质和高静态精度的军事控制系统提供了必要的分析工具。4.1940年，波德引入对数坐标系，使频率法更适合工程应用。1948年，伊万斯提出了在复杂领域研究系统的根轨迹法。基于奈奎斯特频率响应法和埃文斯根轨迹法的理论称为经典控制理论(或自动控制理论)。1947年，控制论的创始人韦纳将控制论引起的自动化与第二次工业革命联系起来，并于1948年出版了动物与机器中的控制与交流控制论，论述了控制理论的一般方法，扩展了反馈的概念，为控制理论学科奠定了基础

9、。2020/7/4，北京邮电大学信息工程学院，物理与电学。18岁时，他在哈佛大学获得了两个数学和哲学博士学位，后来去了德国和英国学习，并把著名哲学家罗素和数学家希尔伯特作为教师继续深造。维也纳是阿尔第二次世界大战结束时，有两个大问题特别引起了他的兴趣，一个是电子计算机，另一个是枪支命中率。维纳与一位年轻的工程师合作。从驾驶汽车的简单动作中，他发现人们使用一种叫做“反馈”的控制方法来使汽车按要求行驶。维纳邀请神经学家进行联合研究，发现机器和人的控制功能是相似的。后来，维纳与许多著名科学家进行了讨论，听取了彼此的批评甚至“攻击”，并最终在1948年发表了他的研究成果，名为控制论。维纳维纳出生在哥伦

10、比亚的一个犹太家庭。维纳4岁开始阅读。9岁时，他上了中学，11岁时，他进入大学学习数学。他的知识已经超过了一年级的水平，所以他转而学习化学。2.中国著名科学家钱学森将控制理论应用于工程实践，并于1954年发表了工程控制论。从40年代到50年代末，经典控制理论的发展和应用在全世界的科学水平上取得了巨大的飞跃，自动控制技术被广泛应用于工业、农业、交通和国防建设的几乎所有领域。可以说，工业革命和战争促进了经典控制理论的发展。在第二阶段，现代控制理论和科学技术的发展不仅需要迅速发展控制理论，而且为现代控制理论的发展准备了两个重要条件：现代数学和数字计算机。现代数学，如函数分析和现代代数，为现代控制理论

11、提供了各种分析工具。数字计算机为现代控制理论的发展提供了一个应用平台。自20世纪50年代末以来，随着计算机的飞速发展，核能技术和空间技术的发展得到了推动，使得多输入多输出系统、非线性系统和时变系统应运而生。现代控制理论与经典控制理论的区别，1.2开环控制与闭环控制，1开环控制系统与2闭环控制系统，输出与输入之间没有反向联系，只依靠输入单向控制输出的系统称为开环控制系统。开环控制也可以称为前馈控制，因为控制功能是由输入信号直接向前传递的，而不是由返回输入信号的输出信号控制的，所以它被称为前馈控制。系统输出通过反馈环节返回到控制部分，形成闭环系统，称为闭环控制系统。闭环控制也称为反馈控制系统)，1

12、.2.1 1.2.1开环控制，1.2.1开环控制，数控机床原理图，数控机床开环控制框图，1.2.1开环控制。特点：无反馈环节优点：结构简单，系统稳定性好，成本低缺点：当控制过程受各种干扰因素影响时，特别是当输出偏差因不可预测的干扰因素而超过允许的极限时，开环控制系统不能满足技术要求。适用场合：输出与输入之间的关系是固定的，内部参数或外部负载等扰动因素不大，或者这些扰动因素引起的误差可以预测、确定和补偿。应尽可能采用开环控制系统，如自动生产线和自动洗衣机。1.2.2闭环控制、1.2.2闭环控制、1.2.2闭环控制、电炉箱自动控制框图、1.2.2闭环控制，例如：位置跟随系统、1.2.2闭环控制。绘

13、制框图时，给定的元素通常放在最左边，受控对象排列在最右边。也就是说，输入量在最左端，输出量在最右端。从左到右(即从输入到输出)的通道称为前馈路径或前馈路径，将输出信号引回到输入端的通道称为反馈通道或反馈路径。框图中每个符号的含义、信号中符号的比较点(物理量)和组件框图的传输方向表示负反馈，系统的输出信号被引回到输入端，与输入信号比较，得到的偏差信号用于控制，达到减小偏差和消除偏差的目的。构成闭环控制系统核心的闭环(反馈)控制系统的特点是：(1)系统内部有反馈，信号流形成闭环；(2)偏差起调节作用；(1.2.2)闭环控制，具有反馈环节的优点：可自动补偿，控制精度高。缺点：增加检测、反馈比较和调节

14、器等组件会使系统变得复杂并增加成本。此外，闭环控制会带来副作用，使系统的稳定性变差，甚至导致不稳定。这是采用闭环控制时必须注意和解决的问题。应用：当开环控制不能满足控制要求时，可以采用闭环控制。开环控制和闭环控制的比较思考问题：下图是阀门手动控制系统的示意图。操作员根据仪器显示的液体浓度调节阀门，以控制处理罐的输出液体浓度。(1)系统是开环控制还是闭环控制系统。(2)指出什么是输入，什么是输出。根据系统的数学描述，线性控制系统的输入和输出是成正比的，而非线性控制系统的输入和输出可以用具有叠加原理的线性数学模型来描述，但不能用具有叠加原理的非线性数学模型来描述。自动控制系统的分类如果线性系统的参

15、数不随时间变化，则称之为线性时不变系统；否则，它被称为线性时变系统。这本书主要讨论线性时不变系统。根据输入信号，常值控制系统(或自动调节系统)的特征在于输入信号是常值。常值控制系统主要研究各种干扰对系统输出的影响以及如何克服这些干扰。伺服控制系统(或伺服系统)的特性：输入信号是一个未知函数，它要求输出以一定的精度跟随给定的量的变化。雷达天线控制系统是典型的伺服控制系统。程序控制系统的特点：输入信号是一个已知的时间函数，系统的控制过程是按照预定的程序进行的，这就要求控制量能够快速准确地再现。2020/7/4，北京邮电大学信息工程学院，根据信号传输的连续性，连续时间控制系统各部分的信号是一个连续的

16、模拟函数，例如，离散时间控制系统的一个或几个部分由工业上常用的常规的PID调节器控制，以及信号以脉冲序列或数字形式传输的控制系统，例如，计算机控制的温度控制系统，2020/7/4，北京邮电大学信息工程学院，1.4自动控制系统的性能要求自动控制系统的要求在时域上可以概括为三个性能指标：(1)保证系统正常运行的稳定性前提。(2)牢固性为了更好地完成控制任务，有必要对过渡过程的形式和速度提出要求。(3)精度要求系统的最终响应精度。上述要求，称为稳定、快速和准确。不同的系统对稳定性、速度和精度有不同的要求。同一系统的稳定性、速度和精度是相互制约的。“稳定”和“快速”是解释系统动力学(过渡过程)的品质。“准”是指系统的稳态(静态)质量。，稳定性图，2020年7月4日，北京邮电大学信息工程学院，自动控制系统中受控变量变化的动态特性，(a)单调过程，(b)衰减振荡过程，(c)恒幅振荡过程，(d)逐步扩大振荡过程，2020年7月4日，北京邮电大学信息工程学院，单元阶跃响应，2020/。自动