自动控制原理

该种复合控制方框图。附加的补偿装置所提供的 控制作用，主要起到对扰动影响“防患未然”的效果。
补偿装置 输入
扰动 输出
+
+
-
控制器
被控对象
22
1-4 自动控制系统的分类基本组成
1.4.1 按给定信号的特征划分 给定信号是系统的指令信息。它代表了系统希望 的输出值，反映了控制系统要完成的基本任务和职能。 1.恒值控制系统：给定输入维持不变，希望输出维 持在某一特定值上。 液位控制系统，直流电动机调速系统等等。 2.随动控制系统：给定信号上预先不知道的随时 间任意变化的函数。控制系统能够使被控量以尽可能 小的误差跟随给定值的变化。 跟踪卫星的雷达天线系统 3.程序控制系统：给定值按预先给定的规律变化 23 的控制系统。机械加工中的程序控制机床等等。
水箱
实际液位
希望液位
控制器
气动 阀门 浮子
水箱
实际液位
比较两图可以看出，自动控制实现人工控制的功能， 存在必不可少的三种代替人的职能的基本元件：
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测量元件与变送器（代替眼睛）；
自动控制器（代替大脑）；
执行元件（代替肌肉、手）。
这些基本元件与被控对象相连接，一起构成一个自 动控制系统。下图是典型控制系统方框图。
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在控制系统中，控制装置对被控对象所施加的控 制作用，若能取自被控量的反馈信息，即根据实际输 出来修正控制作用，实现对被控对象进行控制的任务， 这种控制原理称为反馈控制原理。正是由于引入了反 馈信息，使整个控制过程成为闭合的。因此，按反馈 原理建立起来的控制系统，叫做闭环控制系统。在闭 环控制系统中，其控制作用的基础是被控量与给定值 之间的偏差。 人本身就是一个具有高度复杂控制能力的闭环系 统。比如，人可以用手拿到放在桌上的书等物，体现 了闭环控制的原理。 直流电动机转速闭环控制的例子。
1.4.3 按信号传递的连续性划分 1.连续系统 连续系统的特点是系统中各元件的输入信号和输 出信号都是时间的连续函数。这类系统的运动状态是 用微分方程来描述的。 连续系统中各元件传输的信息在工程上称为模拟 量，多数实际物理系统都属于这一类，其输入输出一 般用r(t)和c(t)表示。 c(t) r(t) t
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开环控制的特点： （1）结构简单、调整方便、成本低。 （2）给定一个输入，有相应的一个输出。
（3）在系统方框图中，作用信号是单方向传递的， 形成开环。
（4）输出不影响输入。 （5）若系统有外界扰动时，系统输出量不可能有准 确的数值，即开环控制精度不高，或抗干扰能力差。
1.3.2 闭环控制
定义：凡是系统输出信号对控制作用有直接影响的 系统，都叫做闭环控制系统。
c*(t)
0
1.4.4 按系统的输入与输出信号的数量划分 1.单变量系统（SISO）
2.多变量系统（MIMO）
1.4.5 自动控制系统的基本组成
在形形色色的自动控制系统中，反馈控制是最基 本的控制方式之一。一个典型的反馈控制系统总是由 控制对象和各种结构不同的职能元件组成的。除控制 对象外，其他各部分可统称为控制装置。每一部分各 司其职，共同完成控制任务。下面给出这些职能元件 的种类和各自的职能。
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在实际系统中，由于总是存在着不同性质的储能 元件。并且也由于能源功率的限制，使得系统放大能 力必然有限。因而使相应的运动加速度不会太大，速 度和位移不会瞬间变化，而要经历一段时间，即系统 运动必然有一个渐变的过程。 c(t) r(t)
0 （3）稳态误差：要求系统最终的响应准确度，限制 在工程允许的范围之内，是系统控制精度的恒量。
王划一 杨西 侠 编著
1
第一章 绪论
主要内容：
1.自动控制、自动控制系统的概念
2.自动控制的两种基本方式 3.自动控制系统的类型 4.自动控制系统的要求和分析设计 5.自动控制理论的发展概况
2
第一章 绪论
§1-1 引言
§1-2 自动控制的基本知识
§1-3 自动控制系统的基本控制方式
§1-4 自动控制系统的分类及基本组成
5
h
流出
这种出水量与进水量的不平衡现象必然要经常发 生的。这使得这种“水位恒定的要求”变得难以实现 了。 所谓控制就是强制性地改变某些物理量（如上例 中的进水量），而使另外某些特定的物理量（如液面 高度h）维持在某种特定的标准上。人工控制的例子。
这 种 人 为 流入 地强制性地改 变进水量，而 使液面高度维 持恒定的过程， 即是人工控制 过程。
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输 入
给定 元件
+
-
串联 校正 元件
+
-
放大 元件
执行 元件
输 对 出 象
反馈校正 元件
测量变送 元件
给定元件：其职能是给出与期望的输出相对应的 系统输入量，是一类产生系统控制指令的装置。
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测量元件：其职能是检测被控量，如果测出的物 理量属于非电量，大多情况下要把它转换成电量，以 便利用电的手段加以处理。 比较元件：其职能是把测量元件检测到的实际输 出值与给定元件给出的输入值进行比较，求出它们之 间的偏差。 放大元件：其职能是将过于微弱的偏差信号加以 放大，以足够的功率来推动执行机构或被控对象。 执行元件：其职能是直接推动被控对象，使其被 控量发生变化。 校正元件：为改善或提高系统的性能，在系统基 本结构基础上附加参数可灵活调整的元件。工程上称 为调节器。常用串联或反馈的方式连接在系统中。
1.4.2 按系统的数学描述划分 1.线性系统 当系统各元件输入输出特性是线性特性，系统的 状态和性能可以用线性微分（或差分）方程来描述时， 则称这种系统为线性系统。 所谓线性特性是指元件的静特性是一条过原点的 直线，也称其为线性元件。因此，由线性元件组成的 系统则必是线性系统。线性系统的一个突出特点就是 满足叠加原理，可运用叠加原理的两个性质，作为鉴 别系统是否为线性系统的依据。 2.非线性系统 系统中只要存在一个非线性特性的元件，系统就 24 由非线性方程来描述，这种系统称为非线性系统。
+
功率 放大器 电压 放大器
+
M R i
负载
+
控制过程可用方框图表示成如图示的形式。
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电压 放大器
检测 电阻
负载 变化
给定 不变 电位器
+
+
功率 放大器
电动机
转速
把负载变化视为外部扰动输入，对输出转速产生 的影响及控制补偿作用，分别沿箭头的方向从输入端 传送到输出端，作用的路径也是单向的，不闭合的。 有时我们称按扰动控制为顺馈控制。
扰动输入 参考输入

控制器
执行 元件
测量变 送元件
对象
输出
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1.2.3 自动控制中的一些术语及方框图 1.常用术语
控制对象
参考输入
控制器
扰动
系统
特性
系统输出
操作量
2.系统方框图
将系统中各个部分都用一个方框来表示，并注上 文字或代号，根据各方框之间的信息传递关系，用有 向线段把它们依次连接起来，并标明相应的信息。 突出了系统中各环节输入与输出的关系及各环节 之间的相互影响，便于定性和定量分析。
1.按给定控制 下图是一个直流电动机转速控制系统。
电动机 电 位 器 负载
功率 放大器
M
当调节电位器滑臂位置时，改变功率放大器的输入电压， 从而改变电动机的电枢电压，最终改变电动机的转速。以上的
控制过程，用方框图简单直观地表示出来。
滑臂位置 电位器 功率 放大器 电动机 转速
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2.按扰动控制
图示是一个按扰动控制的直流电动机转速控制系 统。
上，附加一个输入信号（给定或扰动）的顺馈通路， 对该信号实行加强或补偿，以达到精确的控制效果。 常见的方式有以下两种： 1.附加给定输入补偿
补偿装置 输出
输入
+
-
控制器
被控对象
通常，附加的补偿装置可提供一个顺馈控制信号， 与原输入信号一起对被控对象进行控制，以提高系统 21 的跟踪能力。
2.附加扰动输入补偿
0
t
25
0
2.离散系统
控制系统中只要有一处的信号是脉冲序列或数码 时，该系统即为离散系统。这种系统的状态和性能一 般用差分方程来描述。实际物理系统中，信息的表现 形式为离散信号的并不多见，往往是控制上的需要， 人为地将连续信号离散化，我们称其为采样。 c(t) c(t) t c*(t) 0 t
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出能有某种预期的效果。
3.控制论与数学及自动化技术的关系
4
1.2 自动控制的基本知识
1.2.1 自动控制问题的提出
一个简单的水箱液面，因生产和生活需要，希望 液面高度h 维持恒定。当水的流入量与流出量平衡时， 水箱的液面高度维持在预定的高度上。
流入 当水的流出量
增大或流入量减
小，平衡则被破 水箱 坏，液面的高度 不能自然地维持 恒定。
§1-5 对控制系统的要求和分析设计 §1-6 自动控制理论的发展概况
3
1-1 引言
1.控制理论的基础观念 控制理论是建立在有可能发展一种一般方法来研 究各式各样系统中控制过程这一基础上的理论。 2.控制理论的研究对象 控制理论研究的对象可狭义地定义为这样一种信 息系统，即根据期望的输出来改变输入，使系统的输
水箱 h 流出
6
1.2.2 自动控制的定义及基本职能元件 1.自动控制的定义 自动控制就是在没有人直接参与的情况下，利用 控制器使被控对象（或过程）的某些物理量（或状态） 自动地按预先给定的规律去运行。 当出水与进水的
控制 器
浮子 水 箱 平衡被破坏时，水箱 水位下降 (或上升)， 出现偏差。这偏差由 浮子检测出来，自动 控制器在偏差的作用 下，控制阀门开大(或 流出 关小)，对偏差进行修 正，从而保持液面高 7 度不变。
流入
h
2. 自动控制的基本职能元件 自动控制的实现,实际上是由自动控制装置来代替人 的基本功能，从而实现自动控制的。画出以上人工控制 与自动控制的功能方框图进行对照。
流入 控制器 流入 浮子 水箱 水箱 流出
h
h
流出
眼睛 大脑
肌肉、手

浮子 自动控制器
执行元件
8
希望液位
大脑
肌肉和 阀门
眼睛
0
31
t
t
1.5.2 控制系统的分析和设计 1.系统分析 系统给定，在规定的工作条件下，对它进行分析研 究，其中包括稳态性能和动态性能分析，看是否满足要 求，以及分析某个参数变化时对上述性能指标的影响， 决定如何合理地选取等。 2.系统的设计 系统设计的目的，是要寻找一个能够实现所要求性 能的自动控制系统。因此，在系统应完成的任务和应具 备的性能已知的条件下，根据被控对象的特点，构造出 适合的控制器是设计的主要任务。应进行的步骤如下： （1）熟悉对系统性能的要求。 （2）根据要求的性能指标综合确定系统的数学模型。32
29
1.5 对控制系统的要求和分析设计
1.5.1 对系统的要求 各类控制系统为达到理想的控制目的，必须具备以 下两个方面的性能 (基本要求) ： （a）使系统的输出快速准确地按输入信号要求的期 望输出值变化。 （b）使系统的输出尽量不受任何扰动的影响。 对自控系统性能的要求一般可归纳为三大性能指标： （1）稳定性：要求系统绝对稳定且有一定的稳定裕 量。 （2）瞬态质量：要求系统瞬态响应过程具有一定的 快速性和变化的平稳性。
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电动机 电 位 器 负载 功率 放大器 M
F 给定 位置 电位器
测速发动机
负载 扰动 ua 电动机 转速
ur
+
e
uf
功率 放大器
测速发动机
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闭环控制的特点： ① 控制作用不是直接来自给定输入，而是系统的偏 差信号，由偏差产生对系统被控量的控制； ② 系统被控量的反馈信息又反过来影响系统的偏差 信号，即影响控制作用的大小。这种自成循环的控制作用， 使信息的传递路径形成了一个闭合的环路，称为闭环。 ③ 提高了控制精度。 闭环控制系统的典型方框图如图所示。
输入 偏差
+
-
控制器
被控对象
输出
反馈元件
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三.开环与闭环控制系统的比较 闭环系统的优点是采用了反馈，因而使系统的响 应对外部干扰和内部系统的参数变化均相当不敏感。 这样，对于给定的控制对象，有可能采用不太精密且 成本较低的元件构成精密的控制系统。在开环情况下， 就不可能做到这一点。 从稳定性的观点出发，开环控制系统比较容易建 造，因为对开环系统来说，不存在稳定性的问题。但 是在闭环系统中，稳定性则始终是一个重要问题。因 为闭环系统可能引起过调误差，从而导致系统做等幅 振荡或变幅振荡。 工程上常采用的复合控制方法，就是把两者结合 起来使用。复合控制实质上是在闭环控制回路的基础 20
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1.2 自动控制系统的基本控制方式
1.3.1 开环控制 开环控制是最简单的一种控制方式，我们可以给 出开环控制的一般定义： 定义：控制量与被控量之间只有顺向作用而没有 反向联系。 开环控制系统的典型方框图如图所示。
控制量 被控量
控制器
被控对象
交通指挥红绿灯，自动洗衣机，自动售货机，产品 12 自动生产线，数控车床等等。