自动控制原理：第一章 自动控制的一般概念（1）

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1、Automatic Control Principle Page: 1自自动动控控制制原原理理 南南京京航航空空航航天天大大学学 自动控制原理自动控制原理Automatic Control Principle Automatic Control Principle Page: 2自自动动控控制制原原理理 南南京京航航空空航航天天大大学学 科学科学科学科学：反映现实世界各种现象客观规律的知识反映现实世界各种现象客观规律的知识反映现实世界各种现象客观规律的知识反映现实世界各种现象客观规律的知识体系体系体系体系 控制科学或控制理论控制科学或控制理论控制科学或控制理论控制科学或控制理论 技术技术技术技

2、术：在改造自然、改造社会的过程中所使在改造自然、改造社会的过程中所使在改造自然、改造社会的过程中所使在改造自然、改造社会的过程中所使用的手段用的手段用的手段用的手段方法方法方法方法 控制技术控制技术控制技术控制技术 工程：工程：应用科学应用科学应用科学应用科学知识和技术手段，知识和技术手段，知识和技术手段，知识和技术手段，有目的、有目的、有目的、有目的、有组织有组织有组织有组织、有计划开展、有计划开展、有计划开展、有计划开展的项目活动的项目活动的项目活动的项目活动 控制工程控制工程控制工程控制工程科学家认识世界、工程师创造世界！科学家认识世界、工程师创造世界！ 三个常用术语三个常用术语三个常用

3、术语三个常用术语 Automatic Control Principle Page: 3自自动动控控制制原原理理 南南京京航航空空航航天天大大学学 系统：系统：系统：系统：由若干关联要素、元件组成且具有一由若干关联要素、元件组成且具有一由若干关联要素、元件组成且具有一由若干关联要素、元件组成且具有一定功能结构的整体。定功能结构的整体。定功能结构的整体。定功能结构的整体。 信息：信息：信息：信息：反映客观世界中事物间相互联系相互反映客观世界中事物间相互联系相互反映客观世界中事物间相互联系相互反映客观世界中事物间相互联系相互作用的元素作用的元素作用的元素作用的元素的集合。的集合。的集合。的集合。

4、控制：控制：控制：控制：为实现特定目的而对事物施加的作用为实现特定目的而对事物施加的作用为实现特定目的而对事物施加的作用为实现特定目的而对事物施加的作用的集成的集成的集成的集成。 三个基本概念Automatic Control Principle Page: 4自自动动控控制制原原理理 南南京京航航空空航航天天大大学学 系统论：系统论：研究分析系统结构功能整体优化规研究分析系统结构功能整体优化规律的科学与方法。律的科学与方法。 信息论：信息论：研究信息采集、处理、传输规律的研究信息采集、处理、传输规律的科学与方法。科学与方法。 控制论：控制论：研究事物控制一般规律的科学与方研究事物控制一般规律

5、的科学与方法。法。三大科学技术研究方法：“三论”Automatic Control Principle Page: 5自自动动控控制制原原理理 南南京京航航空空航航天天大大学学 自动控制：自动控制：在在没有人直接参与没有人直接参与的情况下，利用的情况下，利用设备和技术手段，使事物的工作状态或过程设备和技术手段，使事物的工作状态或过程按照按照预定的要求预定的要求运行。运行。 自动控制原理：自动控制原理：介绍介绍自动控制理论的基础知识自动控制理论的基础知识和和自动控制系统分析设计的基本方法。自动控制系统分析设计的基本方法。 课程学习内容：涵盖经典控制理论的基本内容，包括控制系统的建模、时域分析法、

6、根轨迹分析法、频域分析法，离散控制系统等章节，为后续相关课程学习和自动控制技术应用奠定基础。Automatic Control Principle Page: 6自自动动控控制制原原理理 南南京京航航空空航航天天大大学学 绪方胜彦著，绪方胜彦著，现代控制工程现代控制工程胡胡寿松主编，寿松主编，自动控制原理自动控制原理习题集习题集( (第二版第二版) )知识基础知识基础高等数学、大学物理、工程数学、高等数学、大学物理、工程数学、电路、信号与系统等电路、信号与系统等教教 材材胡寿松主编胡寿松主编自动控制原理（第六版）自动控制原理（第六版）参考书目参考书目Automatic Control Prin

7、ciple Page: 7自自动动控控制制原原理理 南南京京航航空空航航天天大大学学 学习要求学习要求 1 1、认真预习、复习课程知识，独立按时完成习题、认真预习、复习课程知识，独立按时完成习题作业作业 2 2、勤于思考，大胆质疑，拓宽知识面，发展思维、勤于思考，大胆质疑，拓宽知识面，发展思维能力能力 3 3、认真完成课程实验，注重工程实践，理论联系、认真完成课程实验，注重工程实践，理论联系实际实际 课程考核课程考核 期末考试成绩（期末考试成绩（80%80%）+ +平时成绩（平时成绩（20%)20%)Automatic Control Principle Page: 8自自动动控控制制原原理理

8、 南南京京航航空空航航天天大大学学 第一章 自动控制的一般概念1.1 自动控制科学技术的发展1.2 自动控制的基本原理1.3 自动控制系统的分类1.4 自动控制系统的基本要求Automatic Control Principle Page: 9自自动动控控制制原原理理 南南京京航航空空航航天天大大学学 学习要求学习要求 认识自动控制技术的重要作用，掌认识自动控制技术的重要作用，掌握自动控制系统的工作原理和基本组成，明确握自动控制系统的工作原理和基本组成，明确控制性能的基本要求控制性能的基本要求。 重点难点重点难点 反馈工作原理、负反馈概念，控制反馈工作原理、负反馈概念，控制系统方块图绘制和工作

9、原理分析。系统方块图绘制和工作原理分析。Automatic Control Principle Page: 10自自动动控控制制原原理理 南南京京航航空空航航天天大大学学 1.1 自动控制科学的发展 自动控制技术应用是自动控制科学的起源和持续快速发展的不竭动力！ 自动控制技术在国民经济和社会生活的各个领域越来越得到广泛应用！ 高性能、高可靠性的自动控制技术为人类高水平活动提供了前提条件！1.自动控制技术的应用Automatic Control Principle Page: 11自自动动控控制制原原理理 南南京京航航空空航航天天大大学学 瓦瓦特特蒸蒸汽汽机机Automatic Control

10、Principle Page: 12自自动动控控制制原原理理 南南京京航航空空航航天天大大学学 中国古代计时器铜壶滴漏Automatic Control Principle Page: 13自自动动控控制制原原理理 南南京京航航空空航航天天大大学学 飞行者一号莱特兄弟Automatic Control Principle Page: 14自自动动控控制制原原理理 南南京京航航空空航航天天大大学学 汽车自动化生产线核电站反应堆控制棒四次工业技术革命机械化电气化自动化智能化Automatic Control Principle Page: 15自自动动控控制制原原理理 南南京京航航空空航航天天大大

11、学学 “捕食者捕食者”无人机实施攻击无人机实施攻击歼歼15舰载机着舰舰载机着舰神舟九号与天宫一号交会对接神舟九号与天宫一号交会对接以色列战区反导系统试验以色列战区反导系统试验Automatic Control Principle Page: 16自自动动控控制制原原理理 南南京京航航空空航航天天大大学学 开创：1868年， J.C.Maxwell 提出“反馈控制”概念 发展时期：19世纪60年代20世纪50年代 特点：以传递函数为数学工具，研究单输入单输出线性系统的分析和设计问题 2.自动控制理论的发展 经典控制理论重要贡献:1877年，Routh等提出时间域稳定判据1892年，Lyapuno

12、v提出稳定性理论1932年， A.Nyquist 提出频率域稳定判据1945年， H.W.Bode 提出频率域分析法1948年，W.R.Evans提出根轨迹分析法 1948年， Weiner发表著名的控制论Automatic Control Principle Page: 17自自动动控控制制原原理理 南南京京航航空空航航天天大大学学 发展时期：20世纪50年代20世纪70年代 特点：以状态空间为基础，研究多输入多输出线性定常系统的控制设计、性能优化、参数辨识和随机控制问题 (2)现代控制理论 重要贡献： 1953-1957年，R.Bellman提出最优控制的动态规划法 1959年，L.S.

13、Pontryagin等创立极大值原理 1960年，R.E.Kalman提出线性系统状态空间分析法 20世纪70年代，H.H.Rosenbrock等，创立现代频域法， Astrom、L.D.Landau发展自适应控制理论Automatic Control Principle Page: 18自自动动控控制制原原理理 南南京京航航空空航航天天大大学学 (3) 智能控制理论、先进控制理论 创立：1965年，Zadeh创立模糊集理论，傅京孙提出建立智能控制理论 发展时期：20世纪60年代起至今 特点：适应科学技术发展需要，利用信息技术，研究大规模、强耦合、非线性等复杂系统的有效控制问题 重要贡献： 2

14、0世纪70年代中期，Mamdani提出基于模糊语言规则的模糊控制 20世纪80年代起，大系统控制、神经网络控制、混沌控制、非线性系统控制等先进控制方法蓬勃发展Automatic Control Principle Page: 19自自动动控控制制原原理理 南南京京航航空空航航天天大大学学 1.2 自动控制系统的基本原理1. 自动控制系统的组成 被控对象：要求实现自动控制的物体 (机器、设备、过程等）控制装置：对被控对象实施控制作用的设施总和被控量：被控对象需要控制的物理量 控制系统：控制装置与被控对象结合，能够对被控量进行控制的有机整体飞轮转速蒸汽机+负荷调速器+蒸汽阀Automatic Co

15、ntrol Principle Page: 20自自动动控控制制原原理理 南南京京航航空空航航天天大大学学 用箭头离开方块的直线表示方块的输出信号一般将扰动等效集中作用于被控对象用方框表示系统的元部件、文字表示其功能控制量控制量控制量控制量扰动量扰动量扰动量扰动量被控量被控量控制装置被控对象用有向直线表示方块的信号及传递方向用箭头指向方块的直线表示方块的输入信号将控制系统的元部件、信号、结构、功能用将控制系统的元部件、信号、结构、功能用方块图方块图表示表示Automatic Control Principle Page: 21自自动动控控制制原原理理 南南京京航航空空航航天天大大学学 飞轮转速

16、设定蒸汽机蒸汽机蒸汽阀蒸汽阀负载飞球调节器飞球调节器飞轮转速蒸汽机转速控制系统控制装置给出与系统输出量希望值相应的控制输入信号 测量系统输出或控制所需要的物理量并作相应转换进行信号比较，给出差值对信号幅值和功率进行放大 驱动被控对象，使其输出发生变化改变系统的控制结构和参数，调整控制律Automatic Control Principle Page: 22自自动动控控制制原原理理 南南京京航航空空航航天天大大学学 控制元件的组合可构成不同结构的系统控制元件的组合可构成不同结构的系统单回路控制系统的组成单回路控制系统的组成通路：由元件构成的信号传输路径由元件构成的信号传输路径。前向通路 按信号传

17、输方向，由输入端到输出端所经过通路的集合。反馈通路 按信号传输方向，由输出端到输入端所经过通路的集合。回路：信号传递形成的闭合通路，也称环路。Automatic Control Principle Page: 23自自动动控控制制原原理理 南南京京航航空空航航天天大大学学 多回路控制系统系统：双回路控制系统的组成双回路控制系统的组成最外环的反馈通路为主反馈通路内环的反馈通路为局部反馈通路Automatic Control Principle Page: 24自自动动控控制制原原理理 南南京京航航空空航航天天大大学学 3. 控制系统基本控制方式开环控制方式：系统输入量或系统输入量或控制量与被控量

18、之间只有控制量与被控量之间只有顺向作用而无反向联系的控制过程。顺向作用而无反向联系的控制过程。 例1.2.1 电机转速控制系统电机转速控制系统控制量被控量被控量被控量被控量扰动量扰动量电位器电位器P Pa.电机转速控制系统电机转速控制系统( (开环开环) )原理图原理图开环控制系统：以开环控制方式组成的控制系统。Automatic Control Principle Page: 25自自动动控控制制原原理理 南南京京航航空空航航天天大大学学 电位器电压放大器功率放大器电动机Purukn扰动ua 电机转速控制系统电机转速控制系统( (开环开环) ) 方块图方块图工作原理：设定电位器位置设定电位器

19、位置 P P， 给定，电机工作在给定给定，电机工作在给定速度。旋转电位器使速度。旋转电位器使 升高，经电压放大、功率放大后升高，经电压放大、功率放大后驱动电机转速驱动电机转速 n n 提高。提高。当电机负载增减或电网电压波动时，导致电机转当电机负载增减或电网电压波动时，导致电机转速变化，与设定转速存在偏差，速变化，与设定转速存在偏差，怎样消除偏差？怎样消除偏差？手动调节电位器，相应改变给定电压，调节电位器，相应改变给定电压，可行？问题？问题？Automatic Control Principle Page: 26自自动动控控制制原原理理 南南京京航航空空航航天天大大学学 自动自动测量电机转速，

20、并与设定转速比较，利用转速差相测量电机转速，并与设定转速比较，利用转速差相应改变电压放大和功率输出，调节电机转速，消除偏差。应改变电压放大和功率输出，调节电机转速，消除偏差。可行？可行？ 电位器测速发电机b.b. 转速控制系统转速控制系统( (闭环闭环) )原理原理图图Automatic Control Principle Page: 27自自动动控控制制原原理理 南南京京航航空空航航天天大大学学 扰动电位器电压放大器功率放大器电动机测速电动机Pubuk -nua转速控制系统转速控制系统( (闭环闭环) )方块图方块图ur 工作原理：ur给定，如有扰动使给定，如有扰动使 n，则则 ,因为因为

21、n。控制特点：按偏差控制 被控量经测量转换后与输入量构成偏差，利用偏差产生控制作用并修正偏差，从而使系统达到控制要求。反馈控制原理 Automatic Control Principle Page: 28自自动动控控制制原原理理 南南京京航航空空航航天天大大学学 反馈增益：反馈信号与输出信号的幅值比。 闭环控制系统 负反馈控制系统反馈控制系统反馈极性：负反馈，反馈增益为正 正反馈，反馈增益为负Automatic Control Principle Page: 29自自动动控控制制原原理理 南南京京航航空空航航天天大大学学 闭环控制系统:（本课程主要内容) 1.系统具有纠正偏差的能力； 2.抗扰

22、性好，控制精度高； 3.结构较开环复杂。 4. 开环系统与闭环系统的比较开环控制系统： 1.结构简单； 2.控制精度对控制元件要求高； 3.抗干扰能力差。复合控制系统：开环闭环 1.利用闭环实现有效控制。 2.利用开环产生一定的补偿作用。Automatic Control Principle Page: 30自自动动控控制制原原理理 南南京京航航空空航航天天大大学学 开环控制系统闭环控制系统复合控制系统 1.3 自动控制系统的分类 2.按系统描述分类线性控制系统线性微分方程非线性控制系统非线性微分方程定常控制系统参数恒定时变控制系统参数时变鲁棒控制系统参数不确定连续控制系统时间状态皆连续离散控

23、制系统时间离散数字控制系统时间状态皆离散类别之间可再组合！1.按控制方式分类Automatic Control Principle Page: 31自自动动控控制制原原理理 南南京京航航空空航航天天大大学学 恒值控制系统控制输入量为常值随动系统(跟踪系统)控制输入为任意时变函数程序控制系统控制输入量按照给定的程序变化确定控制系统扰动输入为非随机信号随机控制系统扰动输入为随机信号 线性定常控制系统的分析设计方法是其它各类控制系统的研究基础。 系统都具有不同程度的时变性、非线性、随机性和不确定性，但在一定范围内或一定条件下，可近似为线性定常系统。3.按控制输入的变化规律分类按控制输入的变化规律分类

24、4.按扰动输入的性质分类Automatic Control Principle Page: 32自自动动控控制制原原理理 南南京京航航空空航航天天大大学学 1.4 对自动控制系统的基本要求 1.控制系统输入信号的类别控制系统输入信号的类别： 控制信号控制信号通常是给定的、确定的 扰动信号可能是未知的、不确定的 2.控制系统输入信号的作用：控制系统输入信号的作用： 控制作用使系统产生希望的响应 扰动作用使系统响应受到干扰，产生偏差 3.控制系统性能的基本要求：控制系统性能的基本要求： 理想要求系统输出应完全响应控制信号的作用， 应完全不受扰动信号的影响 实际情况系统存在惯性，系统响应不可能达到理

25、 想要求，输出变化存在过渡过程 Automatic Control Principle Page: 33自自动动控控制制原原理理 南南京京航航空空航航天天大大学学 稳定性：根本要求，是保证控制系统正常工作的先决条件。稳定系统才能随着时间推移，系统输出逐渐响应控制输入的作用和抑制扰动输入的影响。 快速性：动态要求，反映控制系统的动态性能。快速性好的系统过渡过程短，系统响应快，抑制扰动强。基本要求“稳、准、快” 准确性：稳态要求，体现控制系统的稳态性能。准确性高的系统过渡过程结束后，控制误差小，受扰动影响小，控制精度高。快速性和准确性是一对矛盾，相互依托、相互制约Automatic Control Principle Page: 34自自动动控控制制原原理理 南南京京航航空空航航天天大大学学 a.a.过渡过程过渡过程 反映系统的动态反映系统的动态特性。特性。b.b.稳态过程稳态过程 反映系统的稳态反映系统的稳态特性。特性。恒值控制系统的输出响应恒值控制系统的输出响应误差带误差带过渡过程稳态过程可分为可分为两个阶段两个阶段