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1、0 绪论1 自动控制系统的基本概念2 自动控制系统的数学模型3 自动控制系统的时域分析4 根轨迹法5 频率特性法6 控制系统的综合与校正7 非线性系统分析（不讲）8 线性离散系统的理论基础 （8.7、8.8不讲）章节目录2导 读为什么要介绍本章?自动化技术几乎渗透到国民经济的各个领域及社会生活的各个方面，是当代发展最迅速、应用最广泛、最引人注目的高科技，是推动新的技术革命和新的产业革命的关键技术，在某种程度上说，自动化是现代化的同义词。自动控制原理研究分析、设计自动控制系统的基本方法。本章主要讲什么内容?从介绍自动控制的发展历史入手，引出自动控制理论分析、设计自动控制系统的基本思想，然后介绍自
2、动控制的基本概念，以及对自动控制系统的基本要求，使读者对自动控制理论的总的目标有个大致的了解。第1章自动控制系统的基本概念0 绪论正文：绪论一、自动控制理论是研究“自动控制”共同规律的一门技术科学。l数控机床按照预定程序自动的对工件进行切削加工；l化学反应釜的温度或流量及压力自动的维持恒定；l雷达和计算机组成的火炮或导弹的发射和制导系统，自动的将炮弹或导弹引导到敌方目标；l轧钢机按照预定的轧制速度和板材厚度自动的变化轧辊速度和压下装置的位移；l人造卫星准确的进入预先计算好的轨道和位置，自动的保持正确的姿态运行并准确回收。这些都是以高水平的自动控制技术为前提的。4飞球调节器世界上公认的第一个自动
3、控制系统 1788年瓦特发明飞球调节器，进一步推动蒸汽机的应用，促进了工业的发展。 推动了社会进步是飞球调节器公认为第一个自动控制系统的最主要原因！5没有理论指导使控制技术停滞了一个世纪！ 飞球调节器有时使蒸汽机速度出现大幅度振荡。其它自动控制系统也有类似现象。 由于当时还没有自控理论，所以不能从理论上解释这一现象。为了解决这个问题，盲目探索了大约一个世纪之久。 控制理论发展经过了三个时期：第一阶段：经典控制理论（20世纪40年代末到50年代）。二战中自动火炮、雷达、飞机以及通讯系统的控制研究直接推动了经典控制的发展。l研究对象:线性定常单输入单输出系统l主要数学工具:微分方程、传递函数、结构
4、框图、频率特性等l主要研究方法:时域法、频域法、根轨迹法l主要解决的问题:单机装置的稳定性、快速性、准确性。正文：绪论7空间技术促使现代控制理论的产生现代控制理论促进了空间技术的发展 二次世界大战结束后，各国大力发展空间技术，经典控制理论不能满足需要，需要研究新的控制理论。 现代控制理论在空间技术取得巨大成功，促进了空间技术的发展。第二阶段：现代控制理论第二阶段：现代控制理论（形成于（形成于2020世纪世纪6060年年代）。代）。l l研究对象：机组自动化等的多输入多输出系研究对象：机组自动化等的多输入多输出系统。统。l l主要数学工具：一阶微分方程组、矩阵论、主要数学工具：一阶微分方程组、矩
5、阵论、状态空间法。状态空间法。l l主要方法：变分法、极大值原理等等主要方法：变分法、极大值原理等等l l重点问题：最优控制、随机控制和自适应控重点问题：最优控制、随机控制和自适应控制。制。l l核心控制装置：计算机核心控制装置：计算机正文：绪论9现代控制理论在工业过程控制方面遭遇滑铁卢，促使了智能控制技术的诞生 现代控制理论在空间技术取得巨大成功，但由于工业过程控制中普遍存在的不确定性和干扰，难以取得预期的效果。模拟人的控制技术智能控制，虽然不能实现精确的控制，但对各种复杂系统能够做到比较满意的控制。第三阶段：大系统理论和智能控制理论第三阶段：大系统理论和智能控制理论（形成（形成于上世纪于上
6、世纪7070年代）。年代）。 l l大系统理论是控制理论在广度上的拓展，例大系统理论是控制理论在广度上的拓展，例如控制对象延伸到了社会、经济、管理系统，如控制对象延伸到了社会、经济、管理系统，以及生态环境系统等复杂系统。以及生态环境系统等复杂系统。l l智能控制理论是控制理论在深度上的挖掘，智能控制理论是控制理论在深度上的挖掘，为解决模拟人脑功能，形成了新的学科为解决模拟人脑功能，形成了新的学科模拟人脑思维 形成 模糊控制、专家系统等模拟人脑结构或功能 形成 人工神经网络正文：绪论正文：绪论自动控制理论发展简史l经典控制理论 ( 19世纪初 ) 时域法 复域法 (根轨迹法) 频域法 l现代控制
7、理论 ( 20世纪60年代 ) 线性系统 自适应控制 最优控制 鲁棒控制 最佳估计 容错控制 系统辨识 集散控制 大系统复杂系统l智能控制理论 ( 20世纪70年代 ) 专家系统 模糊控制 神经网络 遗传算法1、授课对象： 材料成型及控制工程专业 2、本课程的性质和任务： 自动控制原理是材料成型及控制工程专业的一门重要的专业基础课。 通过本课程的教学（讲课、实验、答疑和习题），使学生了解自动控制系统的组成、特点及专业术语，学习并掌握经典控制理论的基本分析方法和设计方法，掌握实验技能，为设计和调试工业自动控制系统打下理论基础。并为进一步的理论学习和研究打下坚实的基础。正文：绪论三、课程介绍3、本
8、课程与相关课程的关系自动控制原理微积分积分变换复变函数电子技术电路理论现代控制理论过程控制系统各类专业课程大学物理电机拖动后续课程后续课程先行课程先行课程正文：绪论4、课程的理论体系理论体系：系统描述、系统分析、系统综合正文：绪论经典控制经典控制理论理论系统描述系统描述建立系统的数学模型建立系统的数学模型系统分析系统分析系统的动态性能包括稳定性系统的动态性能包括稳定性、准确性和快速性分析、准确性和快速性分析系统综合系统综合就是运用控制理论提供的方就是运用控制理论提供的方法对实际系统进行改造，以便改善系统的法对实际系统进行改造，以便改善系统的性能性能5、选用教材： 自动控制原理，顾树生、王建辉，
9、冶金工业出版社。 主要参考书目： 1杨自厚，自动控制原理，冶金工业出版社，2003.6。 2胡寿松，自动控制原理，国防工业出版社，2000年。 3绪方胜彦，卢伯英等译，现代控制工程，科学出版 社，1981年。 4李友善，自动控制原理，国防工业出版社 5孙虎章主编，自动控制原理，北京：中央广播电视大学出 版社，1984 6李光泉主编，自动控制原理，北京：机械工业出版社，1987 6、学时安排：52学时正文：绪论第一章举例: 液位控制系统给定液位给定液位阀水 池 调节器1-1 开环控制系统与闭环控制系统一、基本概念l自动控制：所谓自动控制，就是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置使机器
10、、设备或生产过程自动的按照给定的规律运行，使被控对象的一个或几个物理量按照预定的要求变化。l自动控制系统：为实现某一控制目标，所需要的所有物理部件的有机组合称为自动控制系统。第一章：第一节1 自动控制系统的基本概念l控制对象：（控制对象、调节对象、对象） 是指被控的设备或过程。l被控制量：（被调参数、输出量） 被控制的物理量。常常是表征设备或过程的运行情况或状态，且需要加以控制的参数l给定信号：（参考输入量） 设定的与被控参数期望值成比例的信号，其作用是为了保证输出量达到所要求的目标一、基本概念（上例中的水槽）（上例中的实际水位）。（上例中要求的液位）。l扰动信号：（扰动输入量） 是一种妨碍被
11、控参数达到期望值的外部作用。对系统工作不利。l测量信号： 检测仪表的输出经变送器变换后的与被控信号实际值成比例的信号。l偏差信号： 给定信号与测量信号的差值信号。l控制信号： 调节器（或控制器（内含算法，控制率）输出的信号。l执行机构：传动机构+调节机构一、基本概念+放大器M控制对象被控制量目标水位给定信号第一章扰动信号测量信号偏差信号执行机构第一章二、控制系统的传递方框图在研究自动控制系统时，为便于分析和在研究自动控制系统时，为便于分析和描述，将系统按基本组成部分分解，并描述，将系统按基本组成部分分解，并用传递方块图来表示。用传递方块图来表示。上例中，将系统按基本组成部分分解：二、控制系统的
12、传递方框图水槽注水阀减速器电动机放大器电位器浮子输入输出给定信号被控量测量信号F被控对象扰动信号偏差信号执行机构1.1.环节环节：是构成系统的基本组成部分。用一个方：是构成系统的基本组成部分。用一个方块表示。块表示。2.2.传递方块图传递方块图：将构成系统的所有环节用有向线：将构成系统的所有环节用有向线段连接起来所构成的系统结构图。段连接起来所构成的系统结构图。 其中其中 有向线段表示环节之间的信号传递关系；有向线段表示环节之间的信号传递关系； 指向环节的作用线表示输入；指向环节的作用线表示输入； 背向环节的作用线表示输出；背向环节的作用线表示输出； 整个系统的输出为被控参数；整个系统的输出为
13、被控参数； 整个系统的输入为给定信号和扰动信号；整个系统的输入为给定信号和扰动信号；二、控制系统的传递方框图 测量信号与给定信号通过相加点叠加，符号代表信号的极测量信号与给定信号通过相加点叠加，符号代表信号的极性。性。测量信号给定信号被调参数调节器执行机构对象检测仪表扰动信号闭环控制系统结构图二、控制系统的传递方框图 (1) (1) 传递方块图中信号的传递具有单向性传递方块图中信号的传递具有单向性. . (2) (2) 作用线只表示信号的传递方向作用线只表示信号的传递方向, ,不代表实际物流方不代表实际物流方向向. . (3) (3) 方块图可简可繁方块图可简可繁, ,以能清晰描述信号传递关系
14、以及以能清晰描述信号传递关系以及突出研究环节性能的原则突出研究环节性能的原则. .如过程控制中如过程控制中, ,实测对象特性实测对象特性往往包含检测仪表和执行机构特性往往包含检测仪表和执行机构特性( (广义对象特性广义对象特性),),所以所以上图也可简化为下图。上图也可简化为下图。关于传递方块图的几点说明关于传递方块图的几点说明给定值调节器被调参数对象干扰二、控制系统的传递方框图 (4) (4) 分析复杂系统时分析复杂系统时, ,也常用一个环节代表一个系统也常用一个环节代表一个系统. .简化方简化方块图块图 (5) (5) 尽管实际控制系统元器件各不相同尽管实际控制系统元器件各不相同, ,但概
15、括起来一般都但概括起来一般都应包括以下几个基本环节应包括以下几个基本环节 1.给定环节 2.比较环节 3.校正环节 4.放大环节 5.执行机构 6.控制对象 7.检测装置 控制系统结构框图1275634输入输出该图经常作为描述分析系统的工具应重点掌握。二、控制系统的传递方框图1.1.给定环节给定环节 设定被控量的给定装置设定被控量的给定装置, ,其精度直接影响对控制量的控制其精度直接影响对控制量的控制精度精度. .如电位器如电位器, ,自整角机等模拟信号自整角机等模拟信号, ,还有精度更高的数字给还有精度更高的数字给定装置。定装置。2.2.比较环节比较环节 将检测到的被控量与给定量比较得到偏差
16、信号将检测到的被控量与给定量比较得到偏差信号, ,该信号功该信号功率较小或物理性能比较时不同率较小或物理性能比较时不同, ,不能直接作用执行机构不能直接作用执行机构, ,需要需要增加中间环节增加中间环节3 3、4 4。3.3.校正环节校正环节 是为改善系统动态品质或稳态性能而加入的装置是为改善系统动态品质或稳态性能而加入的装置, ,他可以他可以对偏差信号按照某种规律进行运算对偏差信号按照某种规律进行运算. .比例、积分、微分等。比例、积分、微分等。主要环节介绍主要环节介绍二、控制系统的传递方框图 4. 4.放大环节放大环节 将偏差信号转换成适合于执行器工作的信号(功放,SCR)。注意: 2、3、4合为一体控制器(装置)。 5.5.执行机构执行机构 直接作用于控制对象（调节机构、传动装置、电机） 6.6.控制对象控制对象 要控制的机器,设备,或生产过程(水槽控制量水位；炉体炉温；轧辊辊速压下量.)。 7.7.检测装置检测装置 测量控制量并转换成与给定量同物理量信号，要求：精度高、反映灵敏、性能稳定的传感器(测速发电机、热电偶、自整角机)。主反馈：输出量引回到输入端的反馈为主反馈。局部反馈
