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1、*1自动控制原理w 任课教师：钱伟 副教授w 单位：电气工程及自动化学院自动化系w 办公室：D218w Email：*2第一章 控制系统的一般概念第二章 控制系统的数学模型第三章 控制系统的时域分析第四章 根轨迹法第五章 线性系统频率响应分析第六章 线性控制系统的校正自自 动动 控控 制制 原原 理理END*3主要参考书目现代控制工程美 katsuhiko 著 卢伯英 译 电子工业出版社反馈控制系统分析与设计MATLAB语言应用薛定宇 著 清华大学出版社自动控制原理- 5版（普通高等教育“十一五”国家级规划教材），胡寿松主编，科学出版社，2007.6自动控制原理习题集胡寿松 主编 国防工业出版
2、社*4自动控制原理学习网站南京航空航天大学自动控制原理哈尔滨工业大学自动控制原理西北工业大学自动控制原理*5自 动 控 制 原 理 n1-1 引言n1-2 自动控制系统的基本概念n1-3 自动控制系统的分类n1-4 对自动控制系统的基本要求第一章 自动控制的一般概念*6第一章 自动控制的一般概念项 目内 容教 学 目 的了解自动控制的发展历史，基本原理，自动 控制的研究方法。教 学 重 点自动控制的研究方法、自动控制的研究目的教 学 难 点职能方框图。选择合适的自动控制实例，并 引出自动控制的结构和常用的研究方法，核 心概念 讲授技巧及 注意事项注意与所学的专业课的结合，介绍最新科技 动态*7
3、本 次 课 主 要 内 容 n了解自动控制原理在自动化专业知识体系中的重 要性。n了解自动控制理论的简单历史。n熟悉课程的定义、研究内容、对象、任务和目的 （重点1）。n控制系统的典型结构及举例。n对控制系统研究的第一步-建立系统的职能框图 （重点2）。n自动控制原理的基本概念。*8自动控制原理=单输入单输出线性时不变“ 自动控制系统”自动控制原理 1-1 引 言*9系统：由一些元部件按一定要求连接并具有某一特定 功能的整体。自动控制：在没有人直接干预的情况下，通过控制装 置使被控对象或过程自动按照预定的规律运行，使之 具有一定的状态和性能。自动控制系统：是指由控制装置与被控对象结合起来 的，
4、能够对被控对象的一些物理量（被控制量）进行 自动控制的一个有机整体。一、自 动 控 制*10自动控制系统的功能和组成是多种多样的，其结构有简单也有复杂。它可以只控制一个被控量，也可以控制多个被控量，这些被控量可以是物理量，也可以是更广泛的信息量。造纸机分部传动控制系统含有大量水分的纸张经过第一压榨棍后，去掉了一部分含水量，然后再进入第二压榨棍，再榨去一部分水分。第一和第二压榨棍分别由各自的电动机拖动，显然两个压榨棍的转速必须协调，否则将会拉断纸页或出现叠堆。 自动控制系统中压榨棍拖动电动机M的转速由测速发电机TG检测出来，并转换为速度反馈电压Uf。参考电压Ur，与反馈电压Uf相比较得偏差电压U
5、r-Uf，经过放大去控制拖动电机的转速，达到两个压榨棍的转速协调.*12谷物湿度控制系统谷物含水量直接影响面粉产量，谷物在混合成磨料前要先湿润，存在一个谷物出粉最多的湿度，谷物湿度可通过加水来调整。实际中输入谷物的水分，谷物流量和水压均是变化不定的，为努力消除扰动的影响，可在上部加一水箱以保证供水压力不变，可以加一个送料漏斗以维持谷物流量基本不变。剩下就是谷物水分控制，首先测量输入谷物水分含量，构成顺馈控制部分，同时测量输出谷物水分含量，构成反馈部分，调节器将两个传感器来的信号与要求的湿度信号结合起来，给出正确水流量所必须的自动阀门整定值。 *13烘烤炉温度控制系统若工件数量增加，烘炉的负荷加
6、大，而煤气流量一时没变，则炉温下降，导致偏差电压U0，故电机将阀门开大，增加煤气供给量，从而使炉温回升，直到重新等于给定值为止。 若负荷减小或煤气压力突然加大，则炉温升高，偏差电压U0，故电机自动关小阀门，减小供气量，从而使炉温回降，直到等于给定值为止。控制的任务是保持炉温恒定。而炉温既受工件数量以及环境温度的影响，又受煤气流量的控制。故调整煤气流量便可控制炉温。*14飞行器控制系统飞行器是六自由度运动体，包含角运动和线运动，一般分别称为绕质心运动 和质心运动。绕质心运动参数(如姿态角度、角速度)的测量主要利用惯性器件， 质心运动参数(如位置、速度、加速度)的测量有惯性测量方法和依靠外界参照信
7、 息的无线电测量、光学测量方法几类。 导航，是指利用敏感器件测量飞行器的运动参数，并将测量的信息直接或 经过变换、计算来表征飞行器在某种坐标系的角度、速度和位置等状态量。而由 测量、传递、变换、计算几个环节组成并给出飞行器初始状态和飞行运动参数的 系统则称为导航系统。制导系统的主要功能是利用导航系统提供的飞行器运动参数，对质心运动 进行控制，使飞行器从某一飞行状态达到期望的终端条件，保证飞行器以足够的 精度命中目标。 控制系统统的主要任务务是：消除或减小干扰和影响的后果，保证证在各种条件下的飞飞行稳稳定性；控制飞行器准确、可靠地完成飞飞行动动作，最后飞飞向目标标。 *15智能建筑 智能建筑，是
8、把现代建筑技术和信息技术有机地结合起来，设计和建造安 全、舒适、高效、节能、方便灵活的现代化建筑。 智能建筑通过综合布线系统与各种信息终端来“感知”建筑物内各个空间 的信息，经过计算机处理作出相应对策，使建筑物具有某种“智能”。建筑物的使用者和管理者可以对大楼的供热、供水、空调、电气、电梯、 照明、音乐、防火、防盗、电话、传真、闭路电视 (或卫星电视 )、计算机通 信、购物、保健等设施实现按需控制，对建筑物的关键部位或特殊部位进行监 控并提供与互联网的有效连接。智能建筑包含三大基本要素，即楼宇自动化(简称BA)系统、通信自动化( 简称CA)系统和办公自动化(简称OA)系统，三者是有机结合在一起
9、，成为智能 建筑“3A”结构。*16(a) 手动控制 (b) 自动控制图2.2 水温的手动控制和自动控制的示意图从实例看自动控制*17人热水阀水箱测量手指-r 理想温度e偏差环境水温n c测量信号 人工完成手动控制职能框图（注意这个框图的特点）*18水箱（被控对象）的水温（被控制量）的操作员（人工控 制器）要用手（测量环节-感觉传感器）来测试水的温度，并将 此温度与他要求的值（给定值）相比较（比较环节-大脑）得到 温度的偏差（偏差量）。同时他要决定（控制装置-大脑）：他 的手（执行器）应该朝哪个方向旋转加温用的蒸汽阀门（执行 机构）和旋转多大的角度（控制量）。采用自动控制时上述功 能都有各种的
10、元件和仪表来代替。例如，温度测量元件、控制 记录仪表和调节阀等。*19调节器热水阀水箱测温计-r 给定温度e偏差环境水温n c测量信号 调节记录仪自动控制职能框图（注意这个框图的特点）*20现在再来看一个控制理论中最典型的例子：倒立摆系统 。自动控制倒立摆！人工倒立摆系统思 考人工倒立摆系统：对于简单的一级倒立摆系统人工还可以玩 一玩，如果是惯性非常小的倒立摆呢？如果是二级倒立摆呢 ？如果是三级、四级、多级倒立摆呢？如果是运动中的 倒立摆呢？如果是多自由度、万向节式的倒立摆呢？如果是 倾斜控制式的倒立摆呢？如果是多极倒立摆中的每一级都要 按任意设定的规律来控制时又会如何呢？如果*22在许多复杂
11、的或快速作用的系统中，系统的响应对操作人员来说可能太快了，或对操作人员的技能要求可能高的不合理；又如某些要自行毁灭的系统，如导弹等，都需要排除人这个“元件”。在一些工业控制中，虽然人能够参与控制，但常常从经济的角度考虑，需要减少人工监视和控制，所以常利用某些设备来代替操作人员去完成同样的功能。事实上，在大多数情况下，自动控制系统比人工控制系统能更好地完成预期的作用，甚至能够进一步去完成操作人员不可能完成的任务。现在，让我们从课程的定义开始吧！*23系 统社会系统地球系统宇宙系统工程系统生物系统医学系统环境系统经济系统工 程 控 制 论人工控制自动控制半自动控制自 动 控 制 理 论经典控 制理
12、论现代控 制理论先进控 制理论 （智能 ）开环控 制理论闭环控 制理论复合控 制理论非线性 控制理 论离散时 间控制 理论自 动 控 制 原 理 学 习 的 重 点二、自动控制原理*24（1）自动控制理论：研究自动控制系统分析和设计的一般理 论。（2）自动控制原理：研究单输入、单输出、集中参数、线性 、时不变自动控制系统（的数学模型系统）分析和设计的一 般理论。1. 定义三、自动控制原理的定义及性质2. 研究对象单输入、单输出、集中参数、线性、时不变自动控制系统（数学模型）。*253.研究内容：（1）系统的分析：已知系统的结构和参数，分析和评价系统的稳态和动态性能以及抗干扰能力的优劣。 （2）
13、系统的设计：按照给定的任务（控制任务）设计一个满足稳态和动态性能要求及抗干扰性能要求的控制系统，并确定其结构和参数。4. 学习的目的： （1）学会并掌握分析评价研究对象规律的理论和方法； （2）学会并掌握构建一个符合要求的新的自动控制系统的思 路和可能性。分析是基础、设计是重点、满足要求才是目标。*26四、自动控制系统与控制理论的发展历史现代控制理论的发展经典控制理论发展控制理论的发展分为：经典控制：控制理论的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理，主要用于工业控制。第二次世界大战期间，为了设计和制造飞机及船用自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达跟踪系统等基于反馈原理的军用装备，进一步促进和完善
14、了自动控制理论的发展。*27I. 经典控制(Classical Control)(1935-1950)(1) 美国贝尔实验室的H. Bode(1938)，以及 Nyquist(1940)提出频率响应法(2) 美国Taylor仪器公司的J. G. Ziegler和N. B. Nichols提出PID参数的最佳调整法(1942)(3) 美国MIT的N. Wiener研究随机过程的预测(1942)，提出Wiener滤 波理论(1942)，发表控制论(Cybernetics)一书(1948)，标志着控 制论学科的诞生。N.B. NicholsN. Wiener*28(4) 在贝尔实验室Bode领导的火
15、炮控制系统研究小组工作的C. Shannon提 出继电器逻辑自动化理论(1938)，随后，发表专著通信的数字理论 (The Mathematical Theory of Communication)，奠定了信息论的基础(1948)C. E. Shannon*29(5) MIT Radiation Laboratory在研究SCR-584雷达控制系统的过程 中，创立了Nichols Chart Design Method，R. S. Philips的工作On Noise in Servomechanisms，以及Hurwicz (1947)的数字控制系统 (Sampled Data System
16、)(6) 美国W. Evans提出根轨迹法(Root Locus Method) (1948)，以单 输入线性系统为对象的经典控制研究工作完成。(7) 多本有关经典控制的经典名著相继出版，包括Ed. S. Smith的 Automatic Control Engineering (1942)，H. Bode的Network Analysis and Feedback Amplifier(1945)，以及钱学森的工程控制论 (Engineering Cybernetics) (1954)*30经典控制理论数学工具经典控制理论数学工具线性微分方程和基于拉普拉斯变换的传递函数。研究对象研究对象单输入单输出的线性定常系统。三大分析方法：三大分析方法：时域分析法根轨迹分析法经典控制理论的局限性：经典控制理论的局限性： 主要用于线性定常系统。只用于单输入单输出系统。
