自动控制原理：第1章 绪 论

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1、1交通运输学院首页上页下页末页结束自动控制原理2024/7/30第一章第一章 绪绪 论论参考教材：参考教材：1 、自动控制原理，胡寿松，国防工业出自动控制原理，胡寿松，国防工业出 版社版社 2 、现代控制工程（第四版），、现代控制工程（第四版），【美美】Katsuhiko Katsuhiko Ogata Ogata 著，卢伯英，于海勋译。著，卢伯英，于海勋译。教材：自动控制原理（上），吴麒，清华大学出版社教材：自动控制原理（上），吴麒，清华大学出版社2交通运输学院首页上页下页末页结束自动控制原理第一章第一章 绪绪 论论平时成绩（平时成绩（30%） - 出勤 - 作业期末成绩（期末成绩（70%）

2、 - 考试成绩考核成绩考核3交通运输学院首页上页下页末页结束自动控制原理自动控制原理讲授内容自动控制原理讲授内容 自动控制的一般概念自动控制的一般概念 控制系统的数学模型控制系统的数学模型 线性系统的时域分析法线性系统的时域分析法 线性系统的根轨迹法线性系统的根轨迹法 线性系统的频域分析法线性系统的频域分析法第一章第一章 绪绪 论论4交通运输学院首页上页下页末页结束自动控制原理自动控制原理自动控制原理与其它课程的关系与其它课程的关系自动控制自动控制原理原理电机技术电机技术信号与系统信号与系统线性代数线性代数微积分（含微分方程）微积分（含微分方程）复变函数、拉普拉斯变换复变函数、拉普拉斯变换电路

3、理论电路理论大学物理（力学、热力学）大学物理（力学、热力学）电力电子技术电力电子技术各类控制系统课程各类控制系统课程第一章第一章 绪绪 论论5交通运输学院首页上页下页末页结束自动控制原理自动控制 在无人直接参与的情况下，利用控制装置，使工作机械、或生产过程（被控对象）的某一个物理量（被控量）按预定的规律（给定量）运行。6交通运输学院首页上页下页末页结束自动控制原理自动控制原理自动控制理论 是研究自动控制系统组成，进行系统分析设计的一般性理论 是研究自动控制过程共同规律的技术学科7交通运输学院首页上页下页末页结束自动控制原理2024/7/30第一节 控制理论在国民经济中的作用 一、自动控制技术应

4、用于军事、航天领域一、自动控制技术应用于军事、航天领域 高射炮、雷达、高射炮、雷达、导弹； 人造人造卫星；星； 宇宙宇宙飞船船。 二、自动控制技术应用于工业生产过程二、自动控制技术应用于工业生产过程 轧钢过程；程； 工工业窑炉；石油化工；窑炉；石油化工； 水泥建材；玻璃、造水泥建材；玻璃、造纸等等 三、自动控制技术应用于交通运输三、自动控制技术应用于交通运输 列车运行控制列车运行控制；道路交通控制等道路交通控制等。 四、自动控制技术应用于其他领域四、自动控制技术应用于其他领域 8交通运输学院首页上页下页末页结束自动控制原理2024/7/30 由于由于计算机等技算机等技术的的诞生和生和飞速速发展

5、，使得展，使得控制技控制技术水平不断提高，已水平不断提高，已扩大到大到经济与社会生与社会生活的各个活的各个领域，如通信、域，如通信、农业、医学、医学、环境保境保护、经济管理、家管理、家电（电饭煲，洗衣机）等，洗衣机）等领域，控域，控制技制技术已成已成为现代社会不可缺少的重要代社会不可缺少的重要组成部分。成部分。 近年来，我国在自近年来，我国在自动化化仪表、工表、工业调节器、器、数字控制技数字控制技术、航天工程等方面的研究和、航天工程等方面的研究和应用取用取得了得了长足足进展。展。 9交通运输学院首页上页下页末页结束自动控制原理2024/7/30第二节 自动控制和自动控制系统 观测实际水位，将水

6、位，将实际水位与要求的水位水位与要求的水位值相比相比较，得出两者偏差。根据偏，得出两者偏差。根据偏差的大小和方向差的大小和方向调节进水水阀门的开度，即当的开度，即当实际水位高水位高于要求于要求值时，关小，关小进水水阀门开度，否开度，否则加大加大阀门开度以开度以改改变进水量，从而改水量，从而改变水箱水箱水位，使之与要求水位，使之与要求值保持一保持一致。致。一、自动控制的概念一、自动控制的概念1、手动控制、手动控制图1-1 水箱水位的人工控制系统示意图水箱水位的手水箱水位的手动控制控制：10交通运输学院首页上页下页末页结束自动控制原理2024/7/30水箱水位的自动控制系统示意图 当当实际水位低于

7、要求水位水位低于要求水位时，电位器位器输出出电压值为正，且正，且其大小其大小反映了反映了实际水位与水位要水位与水位要求求值的差的差值，放大器，放大器输出信号出信号将有正的将有正的变化，化，电动机机带动减速器使减速器使阀门开度增加，直到开度增加，直到实际水位重新与水位要求水位重新与水位要求值相等相等时为止。止。2、自动控制、自动控制11交通运输学院首页上页下页末页结束自动控制原理2024/7/30浮子：浮子：测量作用量作用 连杆、杆、 电位器：比位器：比较作用作用 放大器：放大作用放大器：放大作用 电动机、减速器和机、减速器和阀门：执行元件作用行元件作用水位自水位自动控制的目的：使偏差消除或减小

8、控制的目的：使偏差消除或减小，使使实际水位达到要求的水位水位达到要求的水位值。12交通运输学院首页上页下页末页结束自动控制原理2024/7/30二、自动控制系统二、自动控制系统 为达到某一目的，由相互制约、相互联系的各个部件按照为达到某一目的，由相互制约、相互联系的各个部件按照一定规律构成且具有独立功能的整体称为一定规律构成且具有独立功能的整体称为系统系统。自动控制系统是由被控对象和自动控制装置按照一定方式自动控制系统是由被控对象和自动控制装置按照一定方式连接起来，能完成一定自动控制任务的总体。连接起来，能完成一定自动控制任务的总体。 通常，控制系统的通常，控制系统的输出量输出量称为称为被控制

9、量被控制量, ,是一种被测量是一种被测量和被控制的量。和被控制的量。 输入量分类：输入量分类： 给定输入给定输入（或称（或称参考输入、希望值参考输入、希望值等）：指对系统输等）：指对系统输出量的要求值出量的要求值. . 扰动输入扰动输入：指对系统输出量有不利影响的输入量：指对系统输出量有不利影响的输入量13交通运输学院首页上页下页末页结束自动控制原理2024/7/30自动控制系统的组成自动控制系统的组成 由两大由两大组成部分，即被控成部分，即被控对象和自象和自动控制装置（有控制装置（有时也称也称为控制器）控制器）。自自动控制装置又可分控制装置又可分为下列几个部下列几个部分：分：（1 1）测量元

10、件（或量元件（或测量装置）：用于量装置）：用于测量被控量的量被控量的实际值或或对被控量被控量进行物理量行物理量变换的装置。的装置。（2 2）比）比较元件（或比元件（或比较器）：它将被控量的器）：它将被控量的实际值（常取（常取负号）与被控量的要求号）与被控量的要求值（常取正号）相比（常取正号）相比较，得到偏，得到偏差的大小和符号。差的大小和符号。（3 3）放大元件：它能将偏差信号放大）放大元件：它能将偏差信号放大。（4 4）校正元件）校正元件: : 实现一定一定 “控制控制规律律”，形成适当的控制，形成适当的控制作用。作用。（5 5）执行元件：接受校正元件的行元件：接受校正元件的输出控制信号，出

11、控制信号，产生具体生具体的控制效果，使被控制量的控制效果，使被控制量产生生预期的改期的改变。14交通运输学院首页上页下页末页结束自动控制原理2024/7/30水箱水位控制系统方框图15交通运输学院首页上页下页末页结束自动控制原理2024/7/30自动控制系统中的术语和定义自动控制系统中的术语和定义参考输入参考输入r：输入到控制系统的指令信号：输入到控制系统的指令信号反馈环节反馈环节H H：将输出转换为主反馈信号的装置。：将输出转换为主反馈信号的装置。偏差偏差e：参考输入与反馈环节输出的差值信号，有时称误差。：参考输入与反馈环节输出的差值信号，有时称误差。控制环节控制环节Gc：接收偏差信号，通过

12、转换与运算，产生控制量。：接收偏差信号，通过转换与运算，产生控制量。控制量控制量u：控制环节的输出，作用于被控对象的信号。：控制环节的输出，作用于被控对象的信号。输出量给定值控制环节控制环节被控对象被控对象G0控制量r(t)u(t)c(t)反馈环节反馈环节H偏差e(t)扰动n比较环节自动控制系统示意图16交通运输学院首页上页下页末页结束自动控制原理2024/7/30扰动扰动n n：不希望的，影响输出的信号。：不希望的，影响输出的信号。被控对象被控对象G0G0：它接受控制量，并输出被控制量。：它接受控制量，并输出被控制量。输出输出c c：系统被控制量。：系统被控制量。比较环节：将主反馈信号和参考

13、输入信号进行比较，产生比较环节：将主反馈信号和参考输入信号进行比较，产生偏差量。偏差量。输出量给定值控制环节控制环节被控对象被控对象G0控制量r(t)u(t)c(t)反馈环节反馈环节H偏差e(t)扰动n比较环节自动控制系统示意图17交通运输学院首页上页下页末页结束自动控制原理2024/7/30 三、自动控制系统的分类三、自动控制系统的分类 （一）随动系统与（一）随动系统与恒恒值控制控制系统系统 随随动系系统又称又称为伺服系伺服系统。特点：特点：给定定值是是预先未先未知的、随知的、随时间任意任意变化，要求系化，要求系统被控量以尽可能小的被控量以尽可能小的误差跟随差跟随给定定值变化。化。（比如高射

14、炮跟踪敌机随动系统）（比如高射炮跟踪敌机随动系统） 恒恒值控制系控制系统特点：特点：系系统输入量（即入量（即给定定值）不）不变，但由于但由于扰动使被控量偏离要求使被控量偏离要求值，该系系统能根据偏差能根据偏差产生生控制作用，使被控量恢复到要求控制作用，使被控量恢复到要求值，并以一定的准确度保，并以一定的准确度保持在要求持在要求值附近附近。（如恒温控制系统）。（如恒温控制系统）18交通运输学院首页上页下页末页结束自动控制原理2024/7/30（二）线性系统和非线性系统二）线性系统和非线性系统 线性系性系统是指是指组成系成系统的元器件的静的元器件的静态特性特性为直直线，能用能用线性常微分方程描述其

15、性常微分方程描述其输出与出与输入关系的系入关系的系统。线性系性系统的主要特点是具有叠加性和的主要特点是具有叠加性和齐次性。次性。 本本课程研究程研究线性定常系性定常系统（或称（或称为线性性时不不变系系统、自治自治系统），简单涉及非线性系统。系统），简单涉及非线性系统。 非非线性系性系统是指是指组成系成系统的元器件中有一个以上具有的元器件中有一个以上具有非直非直线的静的静态特性的系特性的系统。非。非线性系性系统还可分可分为非非线性性时变系系统与非与非线性定常系性定常系统。 严格地格地说，实际上不存在上不存在线性系性系统，这是因是因为各种各种实际的物理系的物理系统总是具有不同程度的非是具有不同程度

16、的非线性，但只要非性，但只要非线性不性不严重，在一定范重，在一定范围内能用内能用线性系性系统的理的理论和方法和方法对待的系待的系统都可都可视为线性系性系统。19交通运输学院首页上页下页末页结束自动控制原理2024/7/30（三）连续系统与离散系统（三）连续系统与离散系统 连续系统连续系统，各部分的输入和输出信号都是连续变化的模，各部分的输入和输出信号都是连续变化的模拟量，可用微分方程来描述各部分输入拟量，可用微分方程来描述各部分输入-输出关系的系统。输出关系的系统。 离散系统离散系统，某一处或多处的信号以脉冲序列或数码形式，某一处或多处的信号以脉冲序列或数码形式传递的系统。传递的系统。 离散系

17、统也有线性离散系统和非线性离散系统、离散系统也有线性离散系统和非线性离散系统、定常离散系统和时变离散系统之分。定常离散系统和时变离散系统之分。（四）单输入（四）单输入- -单输出系统与多输入单输出系统与多输入- -多输出系统多输出系统 单输入单输出系统单输入单输出系统（SISO, Single Input Single Output)：只有一个输入量和一个输出量的控制系统，：只有一个输入量和一个输出量的控制系统，也称也称为单变量系量系统。 多输入多输出系统多输入多输出系统（MIMO, Multiple Inputs Multiple Outputs): 有多个输入量和多个输出量的控制系统，有多

18、个输入量和多个输出量的控制系统，也称也称为多多变量系量系统。20交通运输学院首页上页下页末页结束自动控制原理2024/7/30（五）确定系统与不确定系统（五）确定系统与不确定系统 确定系确定系统：若系若系统的的结构和参数是确定的、构和参数是确定的、预先可先可知的，系知的，系统的的输入信号（包括入信号（包括给定定输入和入和扰动）也是确定）也是确定的，的，则可用解析式或可用解析式或图表确切地表示，表确切地表示，这种系种系统称称为确定确定系系统。 不确定系不确定系统：系系统本身的本身的结构和参数不确定或作用构和参数不确定或作用于系于系统的的输入信号不确定入信号不确定时，则称称这种系种系统为不确定系不

19、确定系统。（六）集中参数系统和分布参数系统（六）集中参数系统和分布参数系统 能用常微分方程描述的系能用常微分方程描述的系统称称为集中参数系集中参数系统。 不能用常微分方程而必不能用常微分方程而必须用偏微分方程描述的系用偏微分方程描述的系统称称为分布参数系分布参数系统。 本课程中涉及的内容主要是单变量、集中参数、线性、本课程中涉及的内容主要是单变量、集中参数、线性、定常、连续系统。定常、连续系统。21交通运输学院首页上页下页末页结束自动控制原理2024/7/30第三节 开环控制和闭环控制根据有无反根据有无反馈作用，又可分作用，又可分为开开环控制系控制系统和和闭环控制系控制系统。 优点：简单，快速

20、优点：简单，快速 缺点：对扰动没有抑制能力缺点：对扰动没有抑制能力输出量控制器控制器被控对象被控对象控制量给定值r(t)u(t)y(t)开环控制系统反馈：将检测出来的输出量送回到输入端，并与输入信号反馈：将检测出来的输出量送回到输入端，并与输入信号比较的过程。比较的过程。一、开环控制开环控制在控制器与被控对象之间只有正向控制作用而没有反馈控制在控制器与被控对象之间只有正向控制作用而没有反馈控制作用，即系统的输出量对输入量没有影响。作用，即系统的输出量对输入量没有影响。 ( (只有顺向作用，控制单方向进行）只有顺向作用，控制单方向进行）22交通运输学院首页上页下页末页结束自动控制原理2024/7

21、/30二、闭环控制 引入测量元件构成闭环，通过负反馈构成按偏引入测量元件构成闭环，通过负反馈构成按偏差调节的闭环系统。通过信息双向流动反映了控制差调节的闭环系统。通过信息双向流动反映了控制量与被控制量（输出量）相互间的偏差。量与被控制量（输出量）相互间的偏差。控制器控制器被控对象被控对象控制量输出量给定值r(t)u(t)y(t)测量元件测量元件偏差e(t)特点：控制器与被控对象之间，不仅存在着正向作用，而且存在着反馈作用。闭环控制系统23交通运输学院首页上页下页末页结束自动控制原理2024/7/30优点：抗干扰能力强，优点：抗干扰能力强，稳态精度高、动态性能好、稳定裕稳态精度高、动态性能好、稳

22、定裕度大等等。度大等等。反馈有负反馈与正反馈之分。反馈有负反馈与正反馈之分。若反馈的若反馈的 信号是与输入信号相减，使产生的偏差越来越小，信号是与输入信号相减，使产生的偏差越来越小，则称为则称为负反馈负反馈。反之，称为反之，称为正反馈正反馈。反馈控制的目的就是采用负反馈，消除被控制量与目标值之反馈控制的目的就是采用负反馈，消除被控制量与目标值之间的偏差，是闭环控制间的偏差，是闭环控制 。24交通运输学院首页上页下页末页结束自动控制原理2024/7/30第四节 自动控制理论发展简介 自自动控制理控制理论是自是自动控制技控制技术的基的基础理理论，是一，是一门理理论性性较强的工程科学。根据自的工程科

23、学。根据自动控制技控制技术的的发展展进程，自程，自动控制理控制理论可分可分为：经典控制理典控制理论、现代代控制理控制理论以及智能控制理以及智能控制理论等。等。25交通运输学院首页上页下页末页结束自动控制原理自动控制理论发展简史经典控制理论经典控制理论 ( 19世纪初世纪初 ) 时域法时域法 复域法复域法 (根轨迹法根轨迹法) 频域法频域法 现代控制理论现代控制理论 ( 20世纪世纪60年代年代 ) 线性系统线性系统 自适应控制自适应控制 最优控制最优控制 鲁棒控制鲁棒控制 最佳估计最佳估计 容错控制容错控制 系统辨识系统辨识 集散控制集散控制 大系统复杂系统大系统复杂系统智能控制理论智能控制理

24、论 ( 20世纪世纪70年代年代 ) 专家系统专家系统 模糊控制模糊控制 神经网络神经网络 遗传算法遗传算法26交通运输学院首页上页下页末页结束自动控制原理自动控制原理-教学思路教学过程方框图27交通运输学院首页上页下页末页结束自动控制原理2024/7/30小结本本章章教教学学内内容容：自自动动控控制制的的作作用用、理理论论的的发发展展简简介、控制系统的基本构成、基本概念。介、控制系统的基本构成、基本概念。 目目的的：通通过过本本章章的的学学习习，使使学学生生对对自自动动控控制制发发展展的历史、系统的构成有基本了解。的历史、系统的构成有基本了解。 重重点点和和难难点点：自自动动控控制制系系统统的的构构成成、基基本本概概念念（开环控制、闭环控制、反馈）。（开环控制、闭环控制、反馈）。28交通运输学院首页上页下页末页结束自动控制原理本次课程作业参考教材参考教材安装安装Matlab自动控制系统的实例分析自动控制系统的实例分析2024/7/30