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自动控制原理
Automatic Control
绪论
1
1
教材及参考书
教材
《自动控制原理》(第3版)，刘文定、谢克明编， 电子工业出版社
参考书
《Automatic Control Systems》 Benjamin C.Kuo，高等教育出版社 《自动控制原理》，李素玲编，西安电子科技大学出版社 《自动控制理论》，夏德矜编， 机械工业出版社
12
12
输入 +
e(t)
e(t)
_ 采样开关
保持器
输出 被控过程
输入 +
输出
AD
计算机
DA
放大器 执行器 被控对象
_
反馈装置
13
13
自动控制系统的分类
按数学模型分类 线性系统
特点：系统由线性元件构成，描述运动规律的数学模型为线性微分方程。运动方程一 般形式：
andd ncnt( tan )-1dd n-1c n-1 t( t )a1ddct(a0tc)(t) 式主要中特：点r(是t)具—有—叠系 加统b m 性输d 和入d m 齐量rm 次；t(性c 。(ttb )m )—-1 —d 系d m -统1 m r-输t1(出 量t )b 1d drt (b 0 tr)(t)
• 主要针对线性定常系统，采用经典控制理论 • 时域响应，稳定性分析，根轨迹法
2
2
概述
自动化（Automation 或 Automatization ） 自动控制
在脱离人的直接干预，利用控制装置（简称控制器）使被控对象（或生产过程等）的 某一物理量（如温度、压力、PH值等）准确地按照预期的规律运行。
自动控制系统
实现上述控制目的，由相互制约的各部分按一定规律组成的具有特定功能的整体。
14
14
非线性系统
特点：在构成系统的环节中有一个或一个以上的非线性环节。 非线性的理论研究远不如线性系统那么完整，目前尚无通用的方法可以解决各类非线 性系统。 近似处理。
15
15
自动控制系统的分类
其他分类方式
按系统数学模型参数特性分：定常系统和时变系统 按功能分：温度控制系统、速度控制系统、位置控制系统等。 按元件组成分：机电系统、液压系统、生物系统等。
16
16
反馈控制系统的基本组成
一般的形式
输入信号 比较
输出信号
放大
执行
被控对象
测量
输入信号——系统控制目标的反映，是人的意志的具体体现
控制系统——主要完成对有关信号的变换、处理，发出控制
17
17
反馈控制系统的基本组成
一般组成：
被控对象—系统所控制和操纵的对象，输出被控量
控制器—接收变换和放大后的偏差信号，转化为被控制对象操作信号
从数学角度上看，研究的是输入与输出之间的映7射关7
自动控制系统的分类
按信号流向分类
开环控制系统 特点：系统的输出端与输入端不存在反馈回路，输 出量对系统的控制作用不发生影响的系统。
图纸
程序 指令
微型计算机
放大器
执行机构 （步进电机）
工作机床
切削刀具
8
8
自动控制系统的分类
闭环控制系统（反馈控制系统）
11
11
自动控制系统的分类
按输入信号数字特征来分类
连续系统
特点：系统各部分信号都是模拟的连续函数。目前工业中普遍采用的常规仪表PID调节器 控制的系统。
离散系统
特点：系统的某一处或几处信号以脉冲序列或数码形式传递的控制系统。系统中用脉冲 开关或采样开关，将连续信号转变为离散信号。其中离散信号以脉冲形式传递的系统又 叫脉冲控制系统，离散信号以数码形式传递的系统又叫数字控制系统。
特点：系统输出信号与测量元件之间存在反馈回路。 “闭环”这个术语的含义，就是将输出信号通过测量 元件反馈到系统的输入端，通过比较、控制来减小系 统误差。
微型计算机
放大器Biblioteka Baidu
执行机构
工作机床
切削刀具
位移
图纸
反馈测量元件
9
9
自动控制系统的分类
按输入信号分类
恒值控制系统（或称自动调节系统）
特点：输入信号是一个恒定的数值。工业生产中的恒温、恒压等自动控制系统都属于这一类型。 恒值控制系统可看成输入等于常值的过程控制系统。
根轨迹法和频率法
线性、非线性、定常、 时变系统
（多输入、多输出） 向量空间
（状态空间描述）
状态空间法
系统分析及给定输入、 揭示系统的内在规律，实
输出情况下的系统综 现在一定意义下的最优控
合
制与设计
6
6
控制系统的基本组成
控制系统的组成：输入部分、控制系统部分和输出部 分。
输入
输出
控制系统
从物理角度上看，自动控制研究的是特定激励作用下 的系统响应变化情况；
研究的主要对象是多输入、多输出——多变量系统。如，汽车看成是一个具有两个输 入（驾驶盘和加速踏板）和两个输出（方向和速度）的控制系统。计算机科学地发展， 极大地促进了控制科学地发展。
5
5
研究对象 描述方法 研究方法 研究目标
经典控制理论
现代控制理论
线性定常系统 （单输入、单输出）
传递函数 （输入、输出描述）
动态过程（好/快）
在输入信号到到达稳态的变化全过程，包括离预期值的振荡和过渡时间。反例：高射 炮射角随动系统，虽然炮身最终能跟踪目标，但如果目标变动迅速，而炮身行动迟缓， 仍然抓不住目标
19
19
课程主要任务
分析和设计反馈自动控制系统
建立系统的数学模型
• 传递函数，方框图，信号流图
根据模型分析系统特性
过程控制系统（或称程序控制系统）
特点：输入信号是一个已知的函数。系统的控制过程按预定的程序进行，要求被控量能迅速准确 地复现输入，如化工中的压力、温度、流量控制、数控机床等。
10
10
随动系统（或称跟踪系统）
特点：输入信号是一个未知变量。要求控制系统的输出量 能平稳地跟踪和复现输入信号变化。 如：火炮自动跟踪系统。 该系统要求有较好的跟踪能力。
放大变换环节—将偏差信号变换为适合控制器执行的信号
校正装置—为改善系统动态和静态特性而附加的装置 反馈环节—测量变送环节
18
18
控制系统性能的基本要求
稳定性（稳）
能工作（即达到稳态），并在有一定的环境和参数变化时，还能有稳定“裕量”
稳态精度（准）
系统进入稳态时，稳态值与预期的差别越小越好
3
3
控制理论的发展
原始控制设备
没有理论指导
经典控制理论
单输入(SI)
现代控制理论
多输入输出（MIMO）
大系统理论/复杂系统理论 智能控制理论
4
4
控制理论的发展
经典控制理论
研究的主要对象是单输入、单输出——单变量系统。如：调节电压改变电机的速度； 调整方向盘改变汽车的运动轨迹等。
现代控制理论
Automatic Control
绪论
1
1
教材及参考书
教材
《自动控制原理》(第3版)，刘文定、谢克明编， 电子工业出版社
参考书
《Automatic Control Systems》 Benjamin C.Kuo，高等教育出版社 《自动控制原理》，李素玲编，西安电子科技大学出版社 《自动控制理论》，夏德矜编， 机械工业出版社
12
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输入 +
e(t)
e(t)
_ 采样开关
保持器
输出 被控过程
输入 +
输出
AD
计算机
DA
放大器 执行器 被控对象
_
反馈装置
13
13
自动控制系统的分类
按数学模型分类 线性系统
特点：系统由线性元件构成，描述运动规律的数学模型为线性微分方程。运动方程一 般形式：
andd ncnt( tan )-1dd n-1c n-1 t( t )a1ddct(a0tc)(t) 式主要中特：点r(是t)具—有—叠系 加统b m 性输d 和入d m 齐量rm 次；t(性c 。(ttb )m )—-1 —d 系d m -统1 m r-输t1(出 量t )b 1d drt (b 0 tr)(t)
• 主要针对线性定常系统，采用经典控制理论 • 时域响应，稳定性分析，根轨迹法
2
2
概述
自动化（Automation 或 Automatization ） 自动控制
在脱离人的直接干预，利用控制装置（简称控制器）使被控对象（或生产过程等）的 某一物理量（如温度、压力、PH值等）准确地按照预期的规律运行。
自动控制系统
实现上述控制目的，由相互制约的各部分按一定规律组成的具有特定功能的整体。
14
14
非线性系统
特点：在构成系统的环节中有一个或一个以上的非线性环节。 非线性的理论研究远不如线性系统那么完整，目前尚无通用的方法可以解决各类非线 性系统。 近似处理。
15
15
自动控制系统的分类
其他分类方式
按系统数学模型参数特性分：定常系统和时变系统 按功能分：温度控制系统、速度控制系统、位置控制系统等。 按元件组成分：机电系统、液压系统、生物系统等。
16
16
反馈控制系统的基本组成
一般的形式
输入信号 比较
输出信号
放大
执行
被控对象
测量
输入信号——系统控制目标的反映，是人的意志的具体体现
控制系统——主要完成对有关信号的变换、处理，发出控制
17
17
反馈控制系统的基本组成
一般组成：
被控对象—系统所控制和操纵的对象，输出被控量
控制器—接收变换和放大后的偏差信号，转化为被控制对象操作信号
从数学角度上看，研究的是输入与输出之间的映7射关7
自动控制系统的分类
按信号流向分类
开环控制系统 特点：系统的输出端与输入端不存在反馈回路，输 出量对系统的控制作用不发生影响的系统。
图纸
程序 指令
微型计算机
放大器
执行机构 （步进电机）
工作机床
切削刀具
8
8
自动控制系统的分类
闭环控制系统（反馈控制系统）
11
11
自动控制系统的分类
按输入信号数字特征来分类
连续系统
特点：系统各部分信号都是模拟的连续函数。目前工业中普遍采用的常规仪表PID调节器 控制的系统。
离散系统
特点：系统的某一处或几处信号以脉冲序列或数码形式传递的控制系统。系统中用脉冲 开关或采样开关，将连续信号转变为离散信号。其中离散信号以脉冲形式传递的系统又 叫脉冲控制系统，离散信号以数码形式传递的系统又叫数字控制系统。
特点：系统输出信号与测量元件之间存在反馈回路。 “闭环”这个术语的含义，就是将输出信号通过测量 元件反馈到系统的输入端，通过比较、控制来减小系 统误差。
微型计算机
放大器Biblioteka Baidu
执行机构
工作机床
切削刀具
位移
图纸
反馈测量元件
9
9
自动控制系统的分类
按输入信号分类
恒值控制系统（或称自动调节系统）
特点：输入信号是一个恒定的数值。工业生产中的恒温、恒压等自动控制系统都属于这一类型。 恒值控制系统可看成输入等于常值的过程控制系统。
根轨迹法和频率法
线性、非线性、定常、 时变系统
（多输入、多输出） 向量空间
（状态空间描述）
状态空间法
系统分析及给定输入、 揭示系统的内在规律，实
输出情况下的系统综 现在一定意义下的最优控
合
制与设计
6
6
控制系统的基本组成
控制系统的组成：输入部分、控制系统部分和输出部 分。
输入
输出
控制系统
从物理角度上看，自动控制研究的是特定激励作用下 的系统响应变化情况；
研究的主要对象是多输入、多输出——多变量系统。如，汽车看成是一个具有两个输 入（驾驶盘和加速踏板）和两个输出（方向和速度）的控制系统。计算机科学地发展， 极大地促进了控制科学地发展。
5
5
研究对象 描述方法 研究方法 研究目标
经典控制理论
现代控制理论
线性定常系统 （单输入、单输出）
传递函数 （输入、输出描述）
动态过程（好/快）
在输入信号到到达稳态的变化全过程，包括离预期值的振荡和过渡时间。反例：高射 炮射角随动系统，虽然炮身最终能跟踪目标，但如果目标变动迅速，而炮身行动迟缓， 仍然抓不住目标
19
19
课程主要任务
分析和设计反馈自动控制系统
建立系统的数学模型
• 传递函数，方框图，信号流图
根据模型分析系统特性
过程控制系统（或称程序控制系统）
特点：输入信号是一个已知的函数。系统的控制过程按预定的程序进行，要求被控量能迅速准确 地复现输入，如化工中的压力、温度、流量控制、数控机床等。
10
10
随动系统（或称跟踪系统）
特点：输入信号是一个未知变量。要求控制系统的输出量 能平稳地跟踪和复现输入信号变化。 如：火炮自动跟踪系统。 该系统要求有较好的跟踪能力。
放大变换环节—将偏差信号变换为适合控制器执行的信号
校正装置—为改善系统动态和静态特性而附加的装置 反馈环节—测量变送环节
18
18
控制系统性能的基本要求
稳定性（稳）
能工作（即达到稳态），并在有一定的环境和参数变化时，还能有稳定“裕量”
稳态精度（准）
系统进入稳态时，稳态值与预期的差别越小越好
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控制理论的发展
原始控制设备
没有理论指导
经典控制理论
单输入(SI)
现代控制理论
多输入输出（MIMO）
大系统理论/复杂系统理论 智能控制理论
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控制理论的发展
经典控制理论
研究的主要对象是单输入、单输出——单变量系统。如：调节电压改变电机的速度； 调整方向盘改变汽车的运动轨迹等。
现代控制理论