自动控制原理-第1章-自动控制的一般概念
自动控制原理
自动控制系统复试问题汇总第一章自动控制的一般概念闭环（反馈）控制系统：是指控制器与被控对象之间既有顺向作用又有反溃作用的的控制系统。
它是按照偏差进行控制，控制精度较高，但系统所使用的元件较多，结构复杂，系统的性能分析和设计比较麻烦。
实质是利用反馈的作用减小误差。
开环控制系统；是指输出量（被控量）对系统的控制作用无任何影响的控制系统。
没有自动修正偏差的能力，抗扰动性较差，但结构简单，调整方便。
反馈控制系统的组成：组成控制系统的元件有给定元件（给定电压的电位计等），放大元件（电压放大器、功率放大器等），执行元件（阀、电动机等），被控元件，测量元件（传感器、测速发电机等），比较元件（差动放大器等），校正元件也叫补偿元件（有源网络等）。
控制：是指为了克服干扰的影响，达到期望的目标而对被控对象的某一个（或一些）物理量进行的操作。
控制器/校正装置：对偏差进行处理，代替人完成控制的自动控制装置，产生控制作用的装置。
自动控制：在无人参与的情况下，控制器使被控对象按预定规律运行的过程。
自动控制系统：控制器和被控对象按一定方式连接起来完成某种控制任务的有机整体。
自动控制的工作原理：通过测量获取偏差，由偏差产生控制作用，控制作用使得偏差减小或消除，是被控量趋于要求值。
比较元件：将检测元件提供的输出值和给定装置的定值进行比较获得偏差。
检测元件：测量被控量并反馈到输入端。
执行机构：接收控制作用并对控制对象施加控制作用。
反馈信号:由系统输出端取出并反向送回系统输入端的信号误差信号：被控量期望值与实际值之差。
偏差信号：输入信号与主反馈信号之差。
扰动信号：与控制作用相反，使被控量偏离期望值。
线性连续控制系统：按输入变量的变化规律不同可分为恒值控制系统、随动控制系统、程序控制系统。
恒值控制系统：输入信号是一个恒定不变的常数，要求是被控量稳定在期望值附近，问题是存在使被控量偏离期望值的扰动，任务是增强系统的抗干扰能力，扰动作用于系统时使得被控量尽快恢复到期望值。
自动控制原理
（1）被控对象 被控制的工艺设备、机器或生产过程。 （水箱） （2）测量元件
其职能是测量被控制的物理量
（3）给定元件 其职能是给出与期望的被控量相对应的系统输入量（即参据量）。 （4）比较元件 把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的参据量进 行比较，求出它们之间的偏差。
（5）放大元件 将比较元件给出的偏差进行放大，用来推动执行元件去控制被 控对象。 （7）控制器 对控制对象产生控制作用的装臵称为控制器，有时也称为 控制元件、调节器等。 （6）校正元件 亦称补偿元件，它是结构或参数便于调整的元件，用串联或 反馈的方式连接在系统中，以改善系统性能。 （8）执行元件 直接作用于被控对象，使其被控量发生变化的元件称为 执行元件（阀门） 。
第一章 自动控制的一般概念
1-1自动控制的基本控制原 理与方式
1-2 基本控制方式 1-3 控制系统的类型 1-4 对控制系统的基本要求
1-1自动控制的基本控制原理与方式
一、自动控制基本术语 1、人工控制
2、自动控制
控制器
Q1
浮子
电位器
c
用水开关 SM
减速器 电动机
Q2
if
（1）自动控制(automatic control)
（7）反馈控制系统(feedback control system) 通过测量、比较而得到偏差，由偏差产控制作用而使偏差 消除或减少，使被控量趋近于要求值 。又称为反馈控制 系统。
二、自动控制理论的发展历史
1、胚胎萌芽期（1945年以前） • 十八世纪以后，蒸汽机的使用提出了调速稳定等问题 • 1765年俄国人波尔祖诺夫发明了锅炉水位调节器 • 1784年英国人瓦特发明了调速器，蒸汽机离心式调速器 • 1877年产生了古氏判据和劳斯稳定判据 • 十九世纪前半叶，动力使用了发电机、电动机促进了水利、水电 站的遥控和程控的发展以及电压、电流的自动调节技术的发展 • 十九世纪末，二十世纪初，使用内燃机促进了飞机、汽车、船舶、 机器制造业和石油工业的发展，产生了伺服控制和过程控制 • 二十世纪初第二次世界大战，军事工业发展很快。飞机、雷达、 火炮上的伺服机构，总结了自动调节技术及反馈放大器技术，搭 起了经典控制理论的架子，但还没有形成学科。
自动控制原理概述
自自自动动动控控制制原给得理定特值得征主:要任务:
被控量
控制分通析过和对设各计类自机控动器制器控、制各系种受统物控对得理象性参能量。、工
自业动示生图控下意产制面过系通程统过等得一得基些控本实制概例直念来接检说造测明福元自于件 动社控会制。和
第一节 自动控制与自动控制系统
例 水温人工控制系统 系工统作得过构程成: : 受控手蒸对动汽象调通:水箱 节被过阀控热门制传得导量开器:水温 度件,把从热而阀量调门传节 蒸递热汽给传得水导流,水器量得件, 来温控度显制与示水蒸仪得汽表 温得蒸度流汽、量成排正水 比冷、水但人工热难水以实现稳定得高质量控制、
第二节 自动控制系统得分类
三、连续系统和离散系统
连续系统:
系统中各部分得信号都就是时间得连 续函数即模拟量。
离散系统: 系统中有一处或多处信号为时间得离 散函数,如脉冲或数码信号。 若系统中既有模拟量也有离散信号, 则又可称之为采样系统。
第二节 自动控制系统得分类
四、恒值系统、随动系统和 程序控制系统
前馈补偿控制
前馈通道
主通道
给定值 _ 控制器
被控 制量
受控对象
检测元件
反馈控制
第一节 自动控制与自动控制系统
(b) 按扰动前馈补偿得复合控制
前馈补偿控制
扰动
主通道
前馈通道
被控
制量
给定值 _ 控制器
受控对象
检测元件
反馈控制
第一章 概 述
第二节 自动控制系统得分类
自动控制系统得分类方法较多,常见 得有以下几种
自动控制原理概述
第一章 概述
第一节 自动控制与自动控制系统
一、自动控制得基本概念 二、控制系统得基本构成
自动控制原理课件第一章 胡寿松
4
1.1.3 反馈控制原理 自动控制系统: 为实现各种控制任务, 自动控制系统: 为实现各种控制任务,将被控对象和控制装置按 照一定的方式连接起来的一个有机总体. 照一定的方式连接起来的一个有机总体. 反馈控制: 反馈控制: 在自动控制系统中将被控量以负反馈的形式与输入量 进行比较,并利用偏差来不断消除偏差的控制过程. 进行比较,并利用偏差来不断消除偏差的控制过程. 人本身就是一个具有高度复杂控制能力的反馈控制系统
+
电动机
RW
-
Up
>
K2 SD
i
M
fz
Ua D 减速器 CF n
K1
调速系统（ 调速系统（闭环）
∆U
UCF Ur
E
Ur ＋ UCF －
∆U
＞ K1
USD
SD
Up CF
＞ K2
Ua
D
n
调速系统（ 图1-6 调速系统（闭环）及其职能方块图
11
闭环系统的特点： 闭环系统的特点： 利用偏差消除偏差； ① 利用偏差消除偏差； 能抑制内部或外部扰动对系统的影响， ② 能抑制内部或外部扰动对系统的影响，可用低成本元件构 成高精度系统； 成高精度系统； 稳定性是个重要问题。 ③ 稳定性是个重要问题。 注意： 注意： 在实际系统中，一个元件常兼有两种或两种以上的职能； ① 在实际系统中，一个元件常兼有两种或两种以上的职能； 上述元件不一定都是电气元件，有时可以是机械、气动、 ② 上述元件不一定都是电气元件，有时可以是机械、气动、 液压等元件，从而可以构成机械、气动、液压等控制系统， 液压等元件，从而可以构成机械、气动、液压等控制系统，但其工 作原理都是一致的。 作原理都是一致的。 12
自动控制原理_详细解析
水位自动控制系统
•给定值： 控制器刻度盘指针标定 的预定水位高度； •测量装置：
气动阀门 流入 Q1
控制器
浮子 水箱 H 流出 Q2
浮子；
•比较装置： 控制器刻度盘； •干扰： 水的流出量和流入量的 变化都将破坏水位保持 恒定；
水位自动控制系统
由此可见： 自动控制即没有人直接参与的控制，其基本任务是： 在无人直接参与的情况下，只利用控制装置操纵被控 对象，使被控制量等于给定值。 自动控制系统：指能够完成自动控制任务的设备，一 般由控制装置和被控对象组成。
第一章 自动控制的一般概念
1-1 自动控制的任务 1-２自动控制的基本方式 1-３对控制系统的性能要求
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1-1 自动控制的任务
通常，在自动控制技术中，把工作的机器设备 称为被控对象，把表征这些机器设备工作状态 的物理参量称为被控量，而对这些物理参量的 要求值称为给定值或希望值（或参考输入）。 则控制的任务可概括为：使被控对象的被控量 等于给定值。
(2 3)
• 例2. 设有一弹簧质 量 阻尼动力系统如 图所示，当外力F(t)作 用于系统时，系统将 产生运动，试写出外 力F(t)与质量块的位移 y(t)之间的动态方程。 其中弹簧的弹性系数 为k，阻尼器的阻尼系 数为f，质量块的质量 为m。
F(t)
M
k y(t)
f
解：分析质量块m受力，有 外力F, 弹簧恢复力 Ky（t） 阻尼力 fdy (t ) / dt 惯性力 md 2 y / dt 2 由于m受力平衡，所以
2-5 系统的脉冲响应函数 2-6 典型反馈系统传递函数
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北京航空航天大学
基本要求 1.了解建立系统动态微分方程的一般方法。 2. 熟悉拉氏变换的基本法则及典型函数的拉 氏变换形式。
自动控制原理：第1章 自动控制的基本概念 (2)
m
Md ML
J s2 Bs
c
1
i
m
将每个子方程的结构图按照相互关系，正确地连接起来， 得到下图
自动控制原理
27
2.4.3 结构图的等效变换
(1)结构图的基本组成形式 1）串联连接
C(s) G2 (s)U (s) G2 (s)G1(s)R(s)
C(s) R(s)
G1(s)G2 (s)
2）并联连接
在控制系统稳定的前提下，总是希望响应越快越好，而 且超调量越小越好。
自动控制原理
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1.4 对控制系统的性能要求
1.4.3 稳态误差
控制系统在稳定的情况下，希望的输出与实际的输出之 差称为误差，误差的稳态分量称为稳态误差（或称为静态误 差），一般用ess表示。
自动控制系统的性能指标分别描述了系统在稳定性、动态 性能、稳态性能三个方面的要求，根据这些性能指标，就可以 判别系统性能的优劣。
i
(2-6)
式（2-5）或（2-6）就是描述简单水槽对象特性的数 学模型。它是一个一阶常系数微分方程式。
T为时间常数。 K 为放大系数。
自动控制原理
16
2.3 传递函数
2.3.1 传递函数的概念
RC电路如下：根据克希霍夫定律， 可列写微分方程
Ri(t) uc (t) ur (t)
uc
(t)
1 C
1
uc (t) C idt
（2）消去中间变量i后，得输入输出微分方程式
LC
d
2uc (t) dt 2
RC
duc (t) dt
uc
(t)
ur
(t)
或
T1T2
d
2uc (t) dt 2
自动控制原理(第一章)
Automatic Control Theory——Basic Concept of Automatic Control Theory——Basic
① 恒值控制系统
系统的输入量是一个常值，要求被控量也等于一个 系统的输入量是一个常值，要求被控量也等于一个 一个常值 常值。 常值。 基本任务：当出现扰动时， 基本任务：当出现扰动时，使得系统的输出量保持 恒定的希望值。 为恒定的希望值。
Automatic Control Theory——Basic Concept of Automatic Control Theory——Basic
1-1 自动控制的基本原理
1） 自动控制技术及其应用 ）
控制器 自动控制(Automatic Control)是指在没有人直接参 是指在没有人直接参 自动控制 是指在 的情况下， 机器、 与的情况下，利用外加的设备和装置，使机器、 设备或生产过程的某个工作状态或参数，自动地 按照预定的规律运行。 按照预定的规律运行。
1-2 自动控制系统示例
函数记录仪 飞机-自动驾驶仪系统 飞机 自动驾驶仪系统 电阻炉微型计算机温度控制系统 锅炉液位控制系统
Automatic Control Theory——Basic Concept of Automatic Control Theory——Basic
1-3 自动控制系统的分类
Automatic Control Theory——Basic Concept of Automatic Control Theory——Basic
2）快速性 ）
对控制系统过渡过程的时间的要求。 对控制系统过渡过程的时间的要求。
期望 温度
大脑
手 眼睛
调压器
恒温箱
自动控制原理-自动控制的一般概念
的信号必须是同一种物理量, 否则不能进行比较. 在直流 电动机转速自动控制系统中, 需要进行比较的二个物理量 一个是电压, 一个是转速, 所以要把转速通过测速发电机 的转换, 变成电压后再比较. 方框图中信号的常用名称: r(t): 系统的输入信号, 其中使系统具有预定性能或预 定输出的, 又可称为给定输入信号或参考输入信号, 如电 位器的输出电压. c(t): 系统的输出信号, 或叫输出量, 又常叫做系统对 输入的响应, 如电动机的转速. b(t): 叫反馈信号. 而把系统中输出信号转换成反馈信 号的元件或装置, 称为反馈元件或反馈装置, 如测速发电 机. e(t): 叫偏差信号. 是r(t)与b(t)比较的结果.
u(t): 是控制器的输出信号, 叫控制信号. 需特别指出的是: 以上所有信号都是时间 t 的函数. 还有一种信号, 叫干扰信号, 它的作用是破坏系统具有预 定性能或预定输出, 也是时间 t 的函数. 干扰信号根据具 体情况, 在系统中可有不同的作用点. 闭环系统的特点: 系统的输出信号经反馈与输入信号 进行比较, 系统按比较的结果e(t)进行控制, 凡具有这一特 点的系统叫闭环控制系统, 也常叫做反馈控制系统. 在反馈控制系统中, 如果反馈信号的作用是加强输入 信号的作用, 则称为正反馈控制系统; 如果反馈信号的作 用是减弱输入信号的作用, 则称为负反馈控制系统. 自控 理论中主要研究的是负反馈控制系统. 假如系统的输出信号不反馈到系统的输入端与输入信 号进行比较, 则这类系统叫开环控制系统.
c(t ) Sr (t ) S r1 (t ) r2 (t )
Sr1 (t ) Sr2 (t ) c1 (t ) c2 (t )
对于线性连续定常系统, 可用线性常系数微分方程来描述其 运动特性, 一般可写成如下形式的微分方程:
自动控制第一章
（2）第二阶段。时间为20世纪60～70年代，称为“现 代控制理论”时期。这个时期，由于计算机的飞速发展， 推动了空间技术的发展。经典控制理论中的高阶常微分 方程可转化为一阶微分方程组，用以描述系统的动态过 程，即所谓状态空间法。这种方法可以解决多输入-多输 出问题，系统既可以是线性的、定常的，也可以是非线 性的、时变的。这一时期的主要代表人物有庞特里亚金、 贝尔曼（Bellman）及卡尔曼（R.E.Kalman）等人。 庞特里亚金于1961年发表了极大值原理；贝尔曼在 1957年提出了动态规化原则；1959年，卡尔曼和布西 发表了关于线性滤波器和估计器的论文，即所谓著名的 卡尔曼滤波。
加到反馈控制系统上的外作用有两种类型，一种是有 用输入，一种是扰动。有用输入决定系统被控量的变化规 律；而扰动是系统不希望有的外作用，它破坏有用输入对 系统的控制。在实际系统中，扰动总是不可避免的。如电 源电压的波动，环境温度、压力以及负载的变化等。
基本术语
自动控制 —利用控制装置自动地操纵机器设备或生产过程，
实现步骤：
1、用脑记住水位的希望值 2、用眼睛和测量工具测量实际值 3、比较希望值与实际值得出偏差值 4、根据偏差的大小和正负用手调节进水阀门
人在参与控制中起了以下三方面的作用 1) 测量实际液面高度h1—眼睛。
2) 测得的实际液面高度h1与希望液面高度h0相比较—脑。
3) 根据比较的结果，按照偏差的正负去决定的动作—手。
例子 数控车床按照预定程序自动切削工件 化学反应炉的温度或压力自动地维持恒定 无人驾驶飞机按照预定航迹自动升降和飞行 人造卫星准确地进入预定轨道运行并回收
应用范围 空间技术、军事科技、生物、 交通、环境等
优点
提高劳动生产率，改善劳动 条件，探索未知世界
自动控制原理重要概念
第1章自动控制概念1.自动控制指：在没有人直接参与下，利用外加设备和装置，使机器设备或生产过程的某个工作状态或参数自动按照预定的规律运行。
2.外加设备或装置称为控制器或控制装置；机器设备或生产过程称为控制对象；被控制的工作状态或参数称为被控量或输出量；期望输出的值或状态称为给定量，妨碍控制的因素称为扰动量，给定量和扰动量统称为输入量。
（如下图）。
3.自动控制方式（按控制系统的结构区分）:开环控制信号只从控制装置向被控对象传递，而无反向传递（即无反馈），即信号传递路径不构成闭合回路。
结构简单，成本低。
但因为没有反馈，所以没有减少误差的功能。
当受到干扰后误差较大。
结构简单、成本低，但误差大闭环控制（自控的主要研究对象）通过测量装置检测输出量，并与输入量进行比较，进而使控制装置按照二者偏差来调节输出量。
此系统存在信号的反向传递（即有反馈），构成了闭合回路。
（注：由给定量至被控量的通道称为前向通道，由被控量至系统输入端通道称为反馈通道。
）误差小，在工程上广泛应用误差小，广泛应用复合控制（略）4.自动控制系统的分类：①线性控制系统和非线性控制系统1.线性系统元件的输入输出特性具有线性特性（线性不是指一条直线）。
满足叠加原理和齐次原理（同电路）。
2.即系统中的元件是线性元件，那么称为线性系统。
非线性系统就是系统中有非线性元件。
3.严格的线性系统是不存在的，工程上对一些非线性元件常常简化和近似处理，当作线性元件对待。
②连续控制系统和离散控制系统（同信号与系统）连续控制系统：信号是时间t的连续函数。
离散控制系统：信号是脉冲序列。
③其他分类（略）5.自动控制系统的要求：稳定；快速；准确。
第2章控制系统的数学模型本章介绍①微分方程②传递函数③方块图④信号流图，等数学模型的建立。
数学模型指：描述系统输入量、输出量以及内部各变量之间的相互关系的数学表达式。
微分方程反映元件输入量与输出量之间的方程，是在时域内描述系统动态过程的数学模型。
自动控制原理知识点
第一章自动控制的一般概念1.1 自动控制的基本原理与方式1、自动控制、系统、自动控制系统◎自动控制：是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律（给定值）运行。
◎系统：是指按照某些规律结合在一起的物体（元部件）的组合，它们相互作用、相互依存，并能完成一定的任务。
◎自动控制系统：能够实现自动控制的系统就可称为自动控制系统，一般由控制装置和被控对象组成。
除被控对象外的其余部分统称为控制装置，它必须具备以下三种职能部件。
•测量元件：用以测量被控量或干扰量。
•比较元件：将被控量与给定值进行比较。
•执行元件：根据比较后的偏差，产生执行作用，去操纵被控对象。
参与控制的信号来自三条通道，即给定值、干扰量、被控量。
2、自动控制原理及其要解决的基本问题◎自动控制原理：是研究自动控制共同规律的技术科学。
而不是对某一过程或对象的具体控制实现（正如微积分是一种数学工具一样）。
◎解决的基本问题：•建模：建立系统数学模型（实际问题抽象，数学描述）•分析：分析控制系统的性能（稳定性、动/稳态性能）•综合：控制系统的综合与校正——控制器设计（方案选择、设计）3、自动控制原理研究的主要内容4、室温控制系统5、控制系统的基本组成◎被控对象：在自动化领域，被控制的装置、物理系统或过程称为被控对象（室内空气）。
◎控制装置：对控制对象产生控制作用的装置，也称为控制器、控制元件、调节器等（放大器）。
◎执行元件：直接改变被控变量的元件称为执行元件（空调器）。
◎测量元件：能够将一种物理量检测出来并转化成另一种容易处理和使用的物理量的装置称为传感器或测量元件（热敏电阻）。
◎比较元件：将测量元件和给定元件给出的被控量实际值与参据量进行比较并得到偏差的元件。
◎放大元件：放大偏差信号的元件。
◎校正元件（补偿元件）：结构参数便于调整的元件，用于改善系统性能。
自动控制原理第一章绪论控制系统的一般概念
模糊控制 神经网络
智能控制理论
遗传算法
温度计
炉子 电热丝
调压器 220
自动控制
炉子 热电偶 _ 电热丝 +
给定信号 _+
u
ub
ur
电压 放大器
电动机
功率 +
放大器 _E
减速器 调压器
220
二.自动控制要解决的基本问题
自动控制是使一个或一些被控制 的物理量按照另一个物理量即控制量 的变化而变化或保持恒定，一般地说 如何使控制量按照给定量的变化规律 变化，就是一个控制系统要解决的基 本问题。
缺点：被控量可能出现振荡，甚至发散。
适用场合：系统元件参数变化和扰动无法预计的场合。
§3 反馈控制系统的组成
校正元件：基于偏差信号按一定函数规律产生供执行元件执行的 控制命令对系统进行校正以改善系统的动态和静态性能
如：由放大器、电阻、电容组成的具有预定传递函数的电路。 执行元件：也称执行器。用来执行校正元件产生的控制命令，以便
• 闭环控制(closed-loop control)
闭环控制工作原理： 外部作用：
给定量：使 c跟踪r 干扰量：使 c偏离r
控制目的：排除干扰因素、影响、使被控量随给定量变化。
1)、有反馈，能够成闭回路 是按偏差控制的、
2)、偏差信号起控制作用
具有负反馈的闭环系统
优点：具有自动修正被控制量出现偏离的能力，可以修 正元件参数变化以及外界扰动引起的误差，控制精 度高。
• 被控变量：简称被控量，指被控对象输出需按控制要 求变化的物理量，在单输出系统中，也就是系统得输 出量。
• 控制通道：控制变量通过被控对象（被控过程）到控 制系统输出的通道。
自动控制原理1卢京潮
第一章 自动控制的一般概念习题及答案1-1 根据题1-15图所示的电动机速度控制系统工作原理图，完成： (1) 将a ，b 与c ，d 用线连接成负反馈状态；(2) 画出系统方框图。
解 〔1〕负反馈连接方式为：d a ↔，c b ↔；〔2〕系统方框图如图解1-1 所示。
1-2 题1-16图是仓库大门自动控制系统原理示意图。
试说明系统自动控制大门开、闭的工作原理，并画出系统方框图。
图1-16 仓库大门自动开闭控制系统解 当合上开门开关时，电桥会测量出开门位置与大门实际位置间对应的偏差电压，偏差电压经放大器放大后，驱动伺服电动机带动绞盘转动，将大门向上提起。
与此同时，和大门连在一起的电刷也向上移动，直到桥式测量电路到达平衡，电动机停止转动，大门到达开启位置。
反之，当合上关门开关时，电动机带动绞盘使大门关闭，从而可以实现大门远距离开闭自动控制。
系统方框图如图解1-2所示。
1-3 图1-17为工业炉温自动控制系统的工作原理图。
分析系统的工作原理，指出被控对象、被控量和给定量，画出系统方框图。
图1-17 炉温自动控制系统原理图解 加热炉采用电加热方式运行，加热器所产生的热量与调压器电压c u 的平方成正比，c u 增高，炉温就上升，c u 的高低由调压器滑动触点的位置所控制，该触点由可逆转的直流电动机驱动。
炉子的实际温度用热电偶测量，输出电压f u 。
f u 作为系统的反馈电压与给定电压r u 进行比较，得出偏差电压e u ，经电压放大器、功率放大器放大成a u 后，作为控制电动机的电枢电压。
在正常情况下，炉温等于某个期望值T °C ，热电偶的输出电压f u 正好等于给定电压r u 。
此时，0=-=f r e u u u ，故01==a u u ，可逆电动机不转动，调压器的滑动触点停留在某个合适的位置上，使c u 保持一定的数值。
这时，炉子散失的热量正好等于从加热器吸取的热量，形成稳定的热平衡状态，温度保持恒定。
自动控制原理 胡寿松
第六版前言第一章自动控制的一般概念1-1 自动控制的基本原理与方式1-2 自动控制系统示例1-3 自动控制系统的分类1-4 对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习题第二章控制系统的数学模型2-1 控制系统的时域数学模型2-2 控制系统的复数域数学模型2-3 控制系统的结构图与信号流图2-4 控制系统建模实例习题第三章线性系统的时域分析法3-1 系统时间响应的性能指标3-2 一阶系统的时域分析3-3 二阶系统的时域分析3-4 高阶系统的时域分析3-5 线性系统的稳定性分析3-6 线性系统的稳态误差计算3-7 控制系统时域设计习题第四章线性系统的根轨迹法4-1 根轨迹法的基本概念4-2 根轨迹绘制的基本法则4-3 广义根轨迹4-4 系统性能的分析4-5 控制系统复域设计习题第五章线性系统的频域分析法5-1 频率特性5-2 典型环节与开环系统的频率特性5-3 频率域稳定判据5-4 稳定裕度5-5 闭环系统的频域性能指标5-6 控制系统频域设计习题第六章线性系统的校正方法6-1 系统的设计与校正问题6-2 常用校正装置及其特性6-3 串联校正6-4 前馈校正6-5 复合校正6-6 控制系统校正设计习题第七章线性离散系统的分析与校正7-1 离散系统的基本概念7-2 信号的采样与保持7-3 z变换理论7-4 离散系统的数学模型7-5 离散系统的稳定性与稳态误差7-6 离散系统的动态性能分析7-7 离散系统的数字校正7-8 离散控制系统设计习题第八章非线性控制系统分析8-1 非线性控制系统概述8-2 常见非线性特性及其对系统运动的影响8-3 相平面法8-4 描述函数法8-5 非线性控制的逆系统方法8-6 非线性控制系统设计习题第九章线性系统的状态空间分析与综合9-1 线性系统的状态空间描述9-2 线性系统的可控性与可观测性9-3 线性定常系统的反馈结构及状态观测器9-4 李雅普诺夫稳定性分析9-5 控制系统状态空间设计习题第十章动态系统的最优控制方法10-1 最优控制的一般概念10-2 最优控制中的变分法10-3 极小值原理及其应用10-4 线性二次型问题的最优控制10-5 控制系统优化设计。
自动控制原理 第一章
钱学森
§1.1 自动控制的基本原理与方 式
经典控制理论—标志阶段 经典控制理论 标志阶段(3/3) 标志阶段
• 从20世纪40年代到50年代末,经典控制理论的发展与应用 使整个世界的科学水平出现了巨大的飞跃,几乎在工业、 农业、交通运输及国防建设的各个领域都广泛采用了自动 化控制技术。
– 第二次世界大战期间,反馈控制方法被广泛用于设计研制飞机自 动驾驶仪、火炮定位系统、雷达天线控制系统以及其他军用系统。 – 这些系统的复杂性和对快速跟踪、精确控制的高性能追求,迫切 要求拓展已有的控制技术,促使了许多新的见解和方法的产生。 – 同时,还促进了对非线性系统、采样系统以及随机控制系统的研 究。 – 可以说工业革命和战争促使了经典控制理论的发展。
§1.1 自动控制的基本原理与方 式
经典控制理论
经典控制理论即古典控制理论 。它的发展大致 经历了以下几个过程： –萌芽阶段 萌芽阶段 – 起步阶段 –发展阶段 发展阶段 – 标志阶段
§1.1 自动控制的基本原理与方 式
经典控制理论--萌芽阶段 经典控制理论 萌芽阶段
• 早在古代,劳动人民就凭借生产实践中积累的丰富经验和 对反馈概念的直观认识,发明了许多闪烁自动控制 自动控制智慧火 自动控制 花的杰作。 • 如果要追朔自动控制技术的发展历史,早在两千年前中国 就有了自动控制技术的萌芽 萌芽。 萌芽
– 例如,两千年前我国发明的 指南车,就是一种开环 开环自动 指南车 开环 调节系统。
指南车
§1.1 自动控制的基本原理与方 式
经典控制理论—起步阶段(1/4) 经典控制理论 起步阶段(1/4) 起步阶段
• 随着科学技术与工业生产的发展,到十七、十八世 十八世 纪,自动控制技术逐渐应用到现代工业中。 – 1681年法国物理学家、发明家巴本巴本(D. Papin)发明了用做安全调节装置的锅炉压力调 节器; – 1765年俄国人普尔佐诺夫(I. Polzunov)发明了 蒸汽锅炉水位调节器等；
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系统职能方框图的建立
[定义] 根据控制系统各部件的职能 画出的方框图。
输入量
环节
输出量
设定 水位
控制器 杠杆
人脑/手
误差
阀门
水箱
浮子/眼
干扰
实际 水位
正/负反馈液位控制系统
负反馈
正反馈
l1 H
Q1
l2 Q2
l1 Q1
H l2
Q2
室温控制系统元件框图
E
r ＋ －
e 空调器
热传导 室内空气等 c
y
-
计算 执行
测量 干扰 +
受控对象
被控量
测量
特点：主要扰动进行干扰补偿，并结合偏差控制实现 良好的控制效果。
最优控制：要求控制系统实现对某种性能标准最 好的控制。
自适应控制：当系统特性或元件参数变化时，能 自动测量这些变化并自动改变系统的结构和参数， 使系统适应环境的变化并始终保持最优的性能。
给定值：又称为指令输入信号，它与被控变量是同一 物理单位，用来表示被控变量的设定值（室内温度的 设定值） 。
参考输入信号：代表指令输入信号与反馈信号进 行比较的基准信号称为参考输入信号（电位器的 输出电压）。
偏差信号：参考输入信号与反馈信号之差称为偏 差信号（e= r - y）。
扰动信号：是加于系统上的不希望的外来信号， 它对被控变量产生不利的影响（周围环境温度的 变化及房间散热条件的变化等）。
热敏电阻
图 1-1 室温控#43; 元件 -
控制器
e 执行元 件
扰动信号
控制对 c 象
被控变量 输出信号
y
测量元件
室温控制系统功能框图
控制系统中常用的信号和变量
输入信号：由外部加到系统中的变量，它不 受系统中其他变量的影响和控制。
输出信号：由系统或元件产生的变量，其中 最受关注的输出信号又称为被控变量（室内 的实际温度）。
1.2 自动控制系统分类
一． 开环控制和闭环控制 按照控制方式和策略，系统可分为开环控制系统和
闭环控制系统两大类。
输入量
控制器
控制量
输出量 控制对象
输入量
偏差量
图1-3 开环控制系统
控制器
控制量
控制对象
输出量
反馈装置
图1-4 闭环控制系统
1、开环控制系统
控制器和控制对象间只有正向控制作用，系统的 输出量不会对控制器产生任何影响；
这些装置相互配合，承担着控制的职能，通常称之为控制器 （或控制装置）。任何一个控制系统，都是由被控对象和控制 器两部分所组成的。
自动控制系统
自动控制系统 ：被控对象和自动控制装置按照一 定方式连接起来，完成一定控制任务的总体（能 够对被控对象的工作状态实现自动控制的系统）
控制装置：对被控对象起控制作用的设备的总体 被控对象：需要控制的设备或生产过程
思考：被控对象、被控量？如何实现控制 控制目的：避免水过满或抽空，应使水池水位与预 定水位相等 控制手段：改变进水阀门的开度
人工控制过程：测量（眼）、决策（脑）、执行（手）
自动控制和人工控制极为相似，自动控制系统只不过 是把某些装置有机地组合在一起，以代替人的职能而 已。浮子（眼睛），连杆和电位器（大脑） ，电动机 （手）。
自动控制系统的基本控制方式
1. 开环控制 2. 闭环控制 3. 复合控制
开环控制
输入信号
控制装置
输出信号
被控对象
输入端与输出端只有信号的前向通道, 不存在由输出端 到输入端的反馈通路,即,系统的输入不受输出的影响
优点：结构简单、成本低、稳定性好 缺点：抗干扰能力差，不能自动修正被控量产生的偏差
适用场合：干扰不强或可预测、元件比较稳定、控制精度 要求不高的场合，如洗衣机、红绿灯
对偏差信号进行放大，使之有足够的能量驱动执行元件实现控制功能。
5执行元件：
直接对受控对象进行操纵的元件，使被控量变化，如电动机、液压马达等。
6校正元件： 用以改善系统控制 质量的装置。
校正元件分为串联和并联两种。 控制系统中比较元件、放大元件、执行元件和反馈元件等共 同起控制作用，统称为控制器。 实际的控制系统中，扰动总是不可避免的，扰动分为内部扰 动和外部扰动。但在控制系统中，扰动集中表现在控制量与 被控量的偏差上，因此，可以将控制系统的扰动等效为对控 制对象的干扰。
使设备或生产过程的物理量保持恒定或按一定规律的变化
被控对象 被控量 输入量、给定值、希望值
自动控制的概念
在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或 装置（称控制装置或控制器），使机器、设备或 生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参 数（即被控量）自动地按照预定的规律（给定值） 运行。
下面以水池水位系统的人工控制与自动控制为 例说明自动控制的原理
[实质] 检测偏差 纠正偏差
系统原理方框图
控制系统的工作原理
从恒温箱控制系统功能框图（职能方框图）可见： 给定量位于系统的输入端，称为系统输入量，也称 为参考输入量（信号）。
被控量位于系统的输出端，称为系统输出量。
输出量（全部或一部分）通过测量装置返回系统的 输入端，使之与输入量进行比较，产生偏差（给定信 号与返回的输出信号之差）信号。输出量的返回过程 称为反馈。返回的全部或部分输出信号称为反馈信号。
闭环控制系统的组成
1给定元件： 产生给定信号或输入信号。 2测量元件： 测量被控制量（输出量），产生 反馈信号。为便于传输，反馈信 号通常为电信号。
注意：在机械、液压、气动、机 电等系统中存在着内在反馈，需要将这些量转化为电信号。
3比较元件：
对给定信号和反馈信号进行比较，产生偏差信号。
4放大元件：
控制系统的组成
被控对象
控制系统
控制装置
测量元件 比较元件
放大元件 执行元件 校正装置 给定元件
控制系统的组成 被控对象：在自动化领域，被控制的装置、 物理系统或过程（室内空气） 。
控制器：对控制对象产生控制作用的装置称 为控制器，有时也称为控制元件、调节器等 （放大器） 。
执行元件：直接改变被控变量的元件称为执 行元件（空调器） 。
根据偏差大小和方向调节调 压器，控制加热电阻丝的电 流以调节温度回复到要求值。
2.恒温箱自动控制系统
[动态过程]
恒温箱实际温度由热电 偶转换为对应的电压u2
恒温箱期望温度由电 压u1给定，并与实际 温度u2比较得到温度 偏差信号u=u1-u2
温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动执行电动 机，并通过传动机构拖动调压器动触头。当温度偏高时， 动触头向减小电流的方向运动，反之加大电流，直到温度 达到给定值为止，此时，偏差u=0,电机停止转动。
反馈信号：指被控量经测量元件检测后回馈送到系统输入 端的信号。
偏差信号：指给定值与被控量的差值，或指令信号与反馈 信号的差值。
控制系统的工作原理
1.人工控制恒温箱
[动态过程]
1
2
观测恒温箱内的温度（被控 制量）
3
[实质]检测偏差再纠正偏差。
与要求的温度（给定值）进 行比较得到温度偏差的大小 和方向
总之，自动控制技术的应用几乎无所不在 。
1.1 自动控制系统简介
控制 （人工控制和自动控制）
在许多工业生产过程或生产设备运行中，为了保证 正常的工作条件，往往需要对某些物理量(如温度、 压力、流量、液位、电压、位移、转速等)进行控制， 使其尽量维持在某个数值附近，或使其按一定规律 变化。要满足这种需要，就应该对生产机械或设备 进行及时的操作，以抵消外界干扰的影响。 控制：为了满足预期要求所进行的操作
显然：反馈控制建立在偏差基础上，其控制方式 是“检测偏差再纠正偏差”。
自动控制系统的工作原理— 负反馈
将系统的输出信号引回输入端，与输 入信号相比较，利用所得的偏差信号进行 控制，达到减小偏差、消除偏差的目的。
____ 构成闭环控制系统的核心
闭环(反馈)控制系统的特点：
(1) 系统内部存在反馈，信号流动构成闭合回路 (2) 偏差起调节作用
智能控制：具有智能信息处理、智能反馈和智能 控制决策的控制方式。
自动控制：在无人直接参与的情况下，使被控对象的一个 物理量（被控量）按预定规律（给定量）运行。
自动控制系统：按照一定方式把被控对象和控制器连接起 来完成各种控制任务的有机整体。
基
被控对象：指完成一定技术要求的工作机器、装置或生产 过程等。
自动控制系统= 控制装置+被控对象 测量元件
控制器 执行元件
自动控制系统的方框图
方框图可直观的表达控制系统的组成及信
号之间的传递关系
出水量
水位给定值 ＋
偏差
控制器
进水量
进水调节阀
水池
水位实际值
水位测量值
浮子
方框图中各符号的意义
方框（块）图 中的符号
元部件 信号（物理量）及传递方向 比较点 引出点(分支点) 表示负反馈
综上所述
控制系统的工作原理：
检测输出量（被控制量）的实际值；
将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比较 得出偏差；
用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得输 出量维持期望的输出。
由于存在输出量反馈，上述系统能在存在无法预 计扰动的情况下，自动减少系统的输出量与参考 输入量（或者任意变化的希望的状态）之间的偏 差，根据偏差值的大小产生控制作用，实现控制 任务，这是反馈控制的基本原理，故称之为反馈 控制。
闭环控制
输入信号 偏差信号
控制装置
被控对象
输出信号
反馈装置
输出端和输入端之间存在反馈回路，输出量对控制过 程有直接影响,应用反馈，减少偏差。