第一章自动控制系统的基本概念

输入量
控制器
执行机构
干扰 输出量
被控对象
开环控制特点：
★系统的输出与输入之间没有反馈通道，输出量没有与输 ★系统没有抗干扰能力 ★结构简单，所用的元器件少、成本低
应用：多用于系统结构参数稳定和干扰较小的场合。 如：自动化流水线、自动洗衣机
二、闭环控制
控制装置与受控对象之间既 有顺向作用也有无反向联系.
Байду номын сангаас
1-4 自动控制系统的分类
可以从不同角度对控制系统进行分类：
●按系统结构分，开环 / 闭环控制系统 ●按输入量形式分，恒值 / 随动控制系统 ●按信号传递形式分，连续 / 离散控制系统 ●按系统是否满足叠加性分，线性 / 非线性控 制系统 ●按系统执行装置分，机电 / 液压 / 气压控制 系统等
石油化学工业中的反应塔。
3.伺服系统又称随动系统
▲系统输入量随时间任意变化。系统输出量常是 机械位移、速度、加速度、力、力矩等机械量。 ▲系统的基本任务是使系统输出量能快速、准确 地跟随输入量变化。 ▲机械加工中的仿形机床。
武器装备中的火炮自动瞄准系统、雷达跟踪 系统、导弹目标自动跟踪系统
二、连续控制系统和离散控制系统
▲控制系统中各部分的信号若都是时间 t 的连续函数， 则称这类系统为连续控制系统。
▲在控制系统各部分的信号中只要有一个是时间 t 的离 散信号，则称这种系统为离散控制系统。
脉冲和数码都属于离散信号。
计算机控制系统就是一种常见的离散控制系统。
计算机只能接受和处理数字信号，计算机的输出 经D/A转换加给放大器，然后再去驱动执行元件， 或由计算机直接输出数字信号，经数字放大器后 驱动数字式执行元件。
一、稳定性 二、快速性 三、准确性
一、稳定性
(a)稳给不系定定稳性统信不定：受稳号稳的外定作定系作系用系统用统统是力的的无后动动法态(,态其b正)过过动扰常程程态动工过信作程号的作的。用振 ， 是荡0 c稳r其倾((ttr定被如))向(t的)控果和。量系系c统达统10(否t)c恢r到受(则(tt复某外))r为(tt平一作)不c衡(稳用t稳)0的力定定cdd(能((经状t的tt)))力过态。。t一，c段则(t时系) 间统t
的偏差，并去纠正偏差，进而减小偏差。
自动控制就是利用控制装置代替人去 自动地完成人要完成的事情
★分析控制系统的工作原理——分析人要做 这个事情的思路
★分析控制系统的结构——设计与组成系统
★分析控制系统的性能指标——是否能够完 成任务
自动控制理论
——研究和分析控制系统共性的理论
1-2 自动控制的基本方式
世界第一颗人造地球卫星由苏联发射成功(1957)
n
输出量
执行机构 被控对象
no
检测装置
ug输入量 uf
控制器
闭环控制特点：
干扰
执行机构
n
被控对象
输出量
no
检测装置
★通过检测装置构成的反馈通道将输出量送回输入端，与给定信号进
★系统具有抗干扰能力，能实现高精度控制
★因系统按偏差调节，有时间延迟，输出量的偏离不能立即得到修正
应用：对系统有精度要求时广泛采用反馈控制是最基本的闭 环控制方式。
德国V-2飞弹 1942
年年底进行了试验，44 年使用。这种飞弹长14 米，射程为300公里， 可携带950公斤炸药， 飞行高度为9.6万米， 飞行速度 5800公里/小 时，发射后一分钟便可 燃烧掉4吨乙烷和5吨液 态氧。它是最早用电磁 制导系统控制的武器， 不易被侦探，可达到突 然袭击的效果。
三、复合控制 1。按输入信号补偿的补复偿合控量制
输入量
ug
补偿装置
控制器 方波信号 uf
C
干扰
执行机构 被控对象 微分 脉冲信号
输出量
no
检测装置
u 输补入偿量量
ug
n
输出量
n0
t
t
应用：提高系统跟踪输入信号的能力和精度
2。按干扰作用补偿的复合控制
输入量
补偿装置
干扰
控制器 执行机构 被控对象 输出量
r(t) c(t) c1(t)
r(t)
c2(t)
0
t
三、准确性
由输入给定值与输出响应的终值之
间的差值ess大小表征。
r(t)
c(t) c(t)
ess
r(t)
0
t
过渡过程结束后，输出量的希望值与实际值之差。
数控机床的加工误差小于0.02mm。
一般恒速、恒温控制系统的稳态误差都在给定值 的1%以内。
检测装置
检测出干扰量，通过补偿装置对输入信号 进行补偿以抵消干扰对系统输出量的影响
应用：增强系统的抗干扰能力
1-3顺自着动从控输入制到系输统出的的组信成号传递方向走
出的通道称为前向通道
干扰
给定 环节
串联校正
放大环节
执行机构
输出量 被控对象
反馈
测设出应改的串输量希的定输进偏差统将串善联入环值被望输与入行差信希系改 法联系在端节之控将值入系信与比号望统善调统系，，校连间参局相统指输较描值号的局整正性统又接因将号之机典的数称部对令输出，述与，将入实部局能的称输为进达微构型误的反输之 产 了 实该（输际环 部入行 到小 的闭差传称馈出间 生 系 际偏局出输节 信称与控的 能放环感校为送部（出性 号为系制偏 量大检系器正局回输局反测能 达主统执，差 要校统反与部（到装入部馈正的 到反输行信 求执 驱使结馈测置或反局装）输到装校馈出行动构通量置并馈部动的出输置正通的控被框道电通联输力通）入，的道反控制图路校道入设道送端用目馈被 或 需 的 被要 自 的对任，正的备被回反的通控过参控要求动过设象务它）通称到馈，道设程数参控实控程备的，道为输的所被备中即数制现制或被方以
举例说明自动控制的概念
例：人工控制与自动控制：水箱水位控制问题
人工控制
人工控制过程归纳：
手
阀门
大脑
▲用眼观察水位，目测出实 际水位高度并反馈到大脑中
（测量过程）
进水口
水 箱
眼 ▲在脑中与要求水位进行比 给 定 水 位 较，得出偏差大小，决定手
阀 门 的操作动作（决策过程）
出 水 口 ▲手执行大脑决定的动作， 打开或关闭法门（执行过程）
一.按输入量的特征
1.恒值控制系统
▲系统输入量为常值，要求被控量也等于常值。 ▲系统的基本任务是当出现扰动时，使系统的输出 量保持为恒定的希望值 ▲工业产生中的温度、压力、流量、液面等参数的 控制电力系统的电网电压、频率控制等
2.程序控制系统
▲系统输入量按预定规律变化，系统的控制过程按 预定的程序进行。 ▲数控机床按预定程序自动地切削工件。
自动控制原理
讲授 张曙光
河北农业大学 机电工程学院
该课程的学习方法与要求
——了解课程特点明确学习方法与要求
课程重要性
☆《自动控制原理》是工科的技术基础课，
该课程与其它课程的关系——承上启下的课
程
信号与系统
电路理论
复变函数 拉氏变换模拟电子技术
电机与拖动
线性代数
大学物理 自动控制理论
微积分
各类 专业课
○同一个系统，稳、快、准是相互制约的。 ○提高快速性，可能会引起系统强烈振动。 ○改善了平稳性，控制过程又可能很迟缓，甚 至精度也会变差。 ○分析和解决这些矛盾，将是本学科讨论的重 要内容。
1-5 自动控制系统的发展简史
●经典控制理论（19世纪初）
时域法； 复域法（根轨迹）； 频域法
●现代控制理论（20世纪50年代）
三、线性控制系统和非线性控制系统
▲可用线性微分方程或差分方程描述的系统，称为线 性系统。
线性系统特性
叠加性 齐次性（均匀性）
如果微分方程或差分方程的系数为常数，则称为线 性定常数系统；否则，称为线性时变系统。
▲用非线性方程描述的系统，称为非线性系统。
1-5 对控制系统的基本要求
控制系统应用于不同场合，对它有不同 的性能要求。但从控制工程的角度来看，却 有一些共同的标准。常见的评价系统优劣的 性能指标基本有三个方面：稳、快、准。
现代控 线性系统 制理论
课程特点
☆自动控制是一门技术学科，从方法论的角 度来研究系统的建立、分析与设计。研究控 制系统的共性问题
——提供了研究思想与研究方法
实际 系统
物理 模型
数学 模型
方法（系统组成 分析、设计）
☆自动控制技术是应用非常广泛的技术
• 本课程学习方法 ☆打好基础——复习学过的基础课 ☆认真听课——掌握基本理论和基本方法 ☆做好习题——锻炼解决实际问题的能力
中国明代宋应星所著 《天工开物》记载有程序 控制思想的提花织机结构 图 (1637年)
中国马钧研制出用齿 轮传动的自动指示方 向的指南车 (235年)
英国 J. Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度 (1788 年)
钱学森的《工程控制论》( Engineering Cybernetics) (1954)
线性控制 自适应控制 最优控制 鲁棒控制 最佳估计 容错控制 系统识别 集散控制
大系统复杂系统
●智能控制理论（20世纪70年代）
专家控制 模糊控制 神经网络 遗传算法
自动控制的发展简史
1400——1900 工业机器时 代
亚历山大的希罗发明开闭 庙门和分发圣水等自动装 置 (100年) 。
中国张衡发明水运浑象， 研制出自动测量地震的候 风地动仪 (132年)。
自动控制——指在没有人直接参与的情况下，
利用外加装置（控制装置或控制器）使机器、 设备或生产过程（被控对象）的某状态或参 数（被控量）按规定的程序或指令自动地进 行操作或运行。
单轴执行机构
双轴执行机构
自动控制系统——为实现某一自动控制目 标所需要的所有物理部件的有机组合体。
自动控制理论——研究自动控制系统的组 成，进行系统分析、设计的一般性理论。
自动控制
控制器
执行机构
阀门
进水口
水 箱
自动控制过程归纳：
▲传感器代替眼看测量出实 际水位高度并反馈到控制器
▲在控制器中将实际水位与 传 感 器 设定水位进行比较得出偏差 给 定 水 位 值，对偏差信号进行放大送
阀 门 到执行器
出 水 口 ▲执行器执行开关阀门动作
共同特点：通过检测被控量，得到与给定值
一种过渡过程是收敛的，即过渡过程结 束后，系统又趋于平衡状态，这类系统称 为稳定的；
另一种过渡过程是发散的，这类系统称为 不稳定的；
等幅振荡也被认为是不稳定的。
显然，系统稳定是保证系统能正常工作的 首要条件。
二、快速性
通快过速动性态表过明程了时系间统输长出短对表输征入。响时应间 越的短快，慢表程明度快速性越好，反之亦然。
• 本课程学习要求 学会分析、解决工程问题的基本思路和方法
第一章 自动控制系统的基本概念
1-1 引言 1-2 自动控制的基本方式 1-3 自动控制系统的组成 1-4 自动控制系统的分类 1-5 对控制系统的基本要求 1-6 自动控制系统的发展简史
1-1 引言
自动控制理论是一个什么样的课程？
这种转台在CD机、计算机磁盘驱动器等现代 装置中广泛应用.
直流电机开环调速系统
+U
电 ug
位 器
功率 放大器
n
M
生产机械 其他部件
电动机
输入量
控制器
执行机构
干扰 输出量
被控对象
干扰（扰动）：在输入量不变的 输器控成执入给制，行量定器 将 的：的： 弱 大由电电小 功电压情 电 的位的 率位ug压 影况器输信执动变响下+入号行机功化因，被速械输被不量机+率机等素如部出控一控变构n放械将负件量对定对的成：器传引载：象等象生可直组动起扭于的：调产流机输矩电实速需机调构出变机际系要械速转化转转统的或电速、速速一的其变供n（输定他）化电出转注机，意即：
二战时期的航空母舰和飞机
美国 MIT研制出第一台数控机床 (1952)
美国研制出第一台工业机器人样机 (1954)
计算机集成制造的概念(1969)
由加工中心 和工业机器 人组成的柔 性制造单元 (1976)
中国批准 863高技术计划，包括自动化领域的计算机集成 制造系统和智能机器人两个主题 (1986)
例 转速负反馈直流电动机调速系统
给系定统电组压成：
反直馈流电电压机
测e=速U发n-U电f 机
Un
于与电大给反转源装定馈速和置电电取放压压决
Uf
的差负值载。
直流电机闭环调速系统
+U
电 ug
位 器
电压 放大
功率 放大器
电动机
n
M
生产机械 其他部件
ug输入量 uf
+
uf
TG 测 速 发 电 机
控制器
干扰
执行机构
阀门
进水口
水 箱
控制器
传感器 给定水位
阀门
出水口
·控制装置
控制器+执行器+传感 器 ·被控对象
水箱（水位是被控量）
工 指令 作 原 理
控制装置
控制器 执行机构
干扰
输出量
被控对象
检 测 装 置 被控对象
一、开环控制
控制装置与受控对象之间只有顺向作用而无反向联系.
例 转台速度开环控制系统
系统组成： 由转图被台可控见制电：量机速度 没电有源反馈和到放输入 端与大给装定置信号比 较统速。,为度开设环置控制系