第一章绪论主编修改版

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1、制作制作: :罗家祥罗家祥 审校审校: :胥布工胥布工深圳大学深圳大学机电与控制工程学院机电与控制工程学院自动控制原理电子课件版本 2.02011年6月主编修改版 制作制作: :罗家祥罗家祥 审校审校: :胥布工胥布工第一章第一章 绪论绪论版本版本 2.02.020112011年年6 6月主编修改版月主编修改版 深圳大学机电与控制工程学院制作制作- -罗家祥罗家祥 审审校校- -胥布工胥布工高等数学高等数学积分变换积分变换自动控制理论自动控制理论现代控制理论现代控制理论其它专业课程其它专业课程 1 1、专业基础课，自动化专业承上启下的课程、专业基础课，自动化专业承上启下的课程 2 2、理论实践

2、相结合、理论实践相结合理论性理论性非常非常强，概念多，内容多，抽象；强，概念多，内容多，抽象；实际应用紧密结合。能为解决实际控制问题提供理论和方法实际应用紧密结合。能为解决实际控制问题提供理论和方法自动控制原理的课程特点自动控制原理的课程特点3 3、自动控制技术是应用非常广泛的技术、自动控制技术是应用非常广泛的技术 电机控制、自动化生产线、火炮雷达控制、家用电器、机电机控制、自动化生产线、火炮雷达控制、家用电器、机械、冶金、石油、化工、电力电子、航空、航海、航天、械、冶金、石油、化工、电力电子、航空、航海、航天、核反应堆等。核反应堆等。制作制作- -罗家祥罗家祥 审审校校- -胥布工胥布工1

3、1、打好基础、打好基础高等数学（微积分）、积分变换（拉氏变换）高等数学（微积分）、积分变换（拉氏变换）2 2、做好预习、做好预习3 3、听好课、听好课讲课的速度较快、了解课程内容讲课的速度较快、了解课程内容掌握基本理论和基本方法掌握基本理论和基本方法4 4、做好习题、做好习题应用学到的基本理论和基本方法解决实际问题应用学到的基本理论和基本方法解决实际问题本课程学习方法本课程学习方法制作制作- -罗家祥罗家祥 审审校校- -胥布工胥布工自动控制原理自动控制原理 课程内容课程内容自动控制系统自动控制系统（定义见（定义见1.1节首段）节首段）Ch2：控制系统的：控制系统的数学模型数学模型Ch1：自动

4、控：自动控制系统的基本制系统的基本概念和要求概念和要求分析系统分析系统的性能的性能Ch7:控制系控制系统的统的校正校正Ch8:线性离线性离散控制散控制系统系统Ch9：非线性非线性控制系控制系统统Ch4: 时域分析时域分析 Ch5:根轨迹分析根轨迹分析 Ch6:频率特性分析频率特性分析 Ch3：控制系统的：控制系统的稳定性及特性稳定性及特性制作制作- -罗家祥罗家祥 审审校校- -胥布工胥布工第一章第一章 绪论绪论1.1 引言引言1.2 自动控制的基本原理自动控制的基本原理1.3 反馈控制系统的组成反馈控制系统的组成1.4 控制系统的分类控制系统的分类1.5 控制系统应用实例三则控制系统应用实例

5、三则1.6 控制系统的设计概述控制系统的设计概述1.7 本书内容安排本书内容安排1.8 小结小结制作制作- -罗家祥罗家祥 审审校校- -胥布工胥布工自动控制自动控制 在人不直接参与的情况下，利用自动控制装置使在人不直接参与的情况下，利用自动控制装置使工工作机械或生产过程自动地作机械或生产过程自动地按照预定规律运行，或使按照预定规律运行，或使被控量（工作机械或过程的某个物理参数）被控量（工作机械或过程的某个物理参数）按预定按预定的要求变化的要求变化。自动控制系统自动控制系统 由由自动控制装置自动控制装置与与被控对象被控对象以一定结构组成的、以一定结构组成的、能能完成某种控制任务的有机整体完成某

6、种控制任务的有机整体。两个定义两个定义制作制作- -罗家祥罗家祥 审审校校- -胥布工胥布工1.1 引言引言刻漏刻漏：最初两个壶最初两个壶, ,由上壶滴水到下面的受水壶由上壶滴水到下面的受水壶, ,液面使浮箭升起以示刻度（即时间）液面使浮箭升起以示刻度（即时间）( (图图之右之右) )。这里浮箭可看作是检测元件。这里浮箭可看作是检测元件。保持上壶的水位恒定，则是自动调节的保持上壶的水位恒定，则是自动调节的问题。用互相衔接的多级（问题。用互相衔接的多级（3 35 5级）水级）水壶解决的。莲华漏壶解决的。莲华漏( (图之左图之左) )由由4 4个壶组成。个壶组成。平水壶向平水小壶供水，平水小壶上有

7、平水壶向平水小壶供水，平水小壶上有溢水口，可使多余水泄入减水桶以保持溢水口，可使多余水泄入减水桶以保持水面恒定。水面恒定。在莲华漏中还采用一个浮子式阀门作为在莲华漏中还采用一个浮子式阀门作为自动切断阀。自动切断阀。当受水壶的水位升至满刻当受水壶的水位升至满刻度时，浮子式阀门就会自动阻塞上级平度时，浮子式阀门就会自动阻塞上级平水小壶的出水小孔，切断水滴。水小壶的出水小孔，切断水滴。1.1.1 自动控制理论发展简史自动控制理论发展简史 远古时期的自动装置远古时期的自动装置 (来自互联网来自互联网)制作制作- -罗家祥罗家祥 审审校校- -胥布工胥布工1.1 引言引言指南车指南车采用差动齿轮的机械原

8、理：采用差动齿轮的机械原理：车里面装有多个大小不同的齿轮，直行，小轮悬空；转弯时，一边的小轮在车里面装有多个大小不同的齿轮，直行，小轮悬空；转弯时，一边的小轮在辕、绳、滑轮的作用下降，与车轮和大轮发生辕、绳、滑轮的作用下降，与车轮和大轮发生啮合啮合传动。传动。若车子向左转若车子向左转9090度，度，左轮不动，右轮要转半周。与右轮相连的小齿轮也就转半周（即转过左轮不动，右轮要转半周。与右轮相连的小齿轮也就转半周（即转过1212个齿）个齿），经过小平轮传动到大平轮，则大平轮将以相反的方向转动，经过小平轮传动到大平轮，则大平轮将以相反的方向转动1212个齿，即个齿，即1/41/4周周（9090度），

9、仙人在和车一起左转度），仙人在和车一起左转9090度时，又由于齿轮的啮合传动右转了度时，又由于齿轮的啮合传动右转了9090度。度。其他运动情况的结果可以类推。其他运动情况的结果可以类推。仙人指向不变。仙人指向不变。(来自互联网来自互联网)制作制作- -罗家祥罗家祥 审审校校- -胥布工胥布工1.1 引言引言计里鼓车，计里鼓车，车中有一套减速齿轮系，车中有一套减速齿轮系，始终与车轮同时转动，其最末一只齿始终与车轮同时转动，其最末一只齿轮轴在车行一里时正好回转一周，车轮轴在车行一里时正好回转一周，车子上层的木人车上木人受凸轮牵动，子上层的木人车上木人受凸轮牵动，由绳索拉起木人右臂击鼓一次，以示由绳

10、索拉起木人右臂击鼓一次，以示里程。这一原理与现代汽车上的里程里程。这一原理与现代汽车上的里程表的原理相同。表的原理相同。候风地动仪候风地动仪的关键机构，是一根称为的关键机构，是一根称为“都柱都柱”的倒立摆，其重心高于摆动的倒立摆，其重心高于摆动中心。在受地震横波袭击时，由于惯中心。在受地震横波袭击时，由于惯性力作用，它将倒向震源方向，从而性力作用，它将倒向震源方向，从而带动该方向的传动部件，使相应方向带动该方向的传动部件，使相应方向的龙口上额起挠，龙口中的铜丸便掉的龙口上额起挠，龙口中的铜丸便掉落在蟾蜍口中。落在蟾蜍口中。 (来自互联网来自互联网)(来自互联网来自互联网)制作制作- -罗家祥罗

11、家祥 审审校校- -胥布工胥布工1.1 引言引言古代的自动装置主要是基于相对直观的古代的自动装置主要是基于相对直观的“因果关系因果关系”而而发明的，因而并未产生自动控制理论。发明的，因而并未产生自动控制理论。这与这与1818世纪末开始逐渐发展起来的、基于反馈原理的自世纪末开始逐渐发展起来的、基于反馈原理的自动装置有着本质的不同。动装置有着本质的不同。反馈使反馈使“因果关系因果关系”进一步发进一步发展成为更加复杂的展成为更加复杂的“因果因果- -果因关系果因关系”。由于反馈形成的回路使由于反馈形成的回路使“因果因果”双向相互作用，已不再双向相互作用，已不再是简单的逻辑关系，因此，人们为做到知其所

12、以然地设是简单的逻辑关系，因此，人们为做到知其所以然地设计好基于反馈原理的自动装置，必须对反馈控制理论加计好基于反馈原理的自动装置，必须对反馈控制理论加以研究，这也是反馈控制理论发展的初始推动力。以研究，这也是反馈控制理论发展的初始推动力。 近代控制理论的逐步形成和发展近代控制理论的逐步形成和发展制作制作- -罗家祥罗家祥 审审校校- -胥布工胥布工1.1 引言引言1 1、用于工业过程的自动反馈、用于工业过程的自动反馈控制器控制器- -飞球调速器飞球调速器17691769瓦特发明了飞球调速器，瓦特发明了飞球调速器，用来与蒸汽机的进气阀连接用来与蒸汽机的进气阀连接构成蒸汽机转速的闭环自动构成蒸汽

13、机转速的闭环自动调速系统。调速系统。2 2、动态特性研究的开始动态特性研究的开始：英：英国剑桥大学的数学和天文学家国剑桥大学的数学和天文学家艾里在艾里在1829-18351829-1835系统研究了系统研究了天文望远镜的速度控制，根据天文望远镜的速度控制，根据倒立摆离心力的原理首次发现倒立摆离心力的原理首次发现了了反馈系统的不稳定性反馈系统的不稳定性，并利，并利用微分方程分析了这种系统。用微分方程分析了这种系统。近代控制理论的逐步形成和发展近代控制理论的逐步形成和发展瓦特改良的蒸汽机瓦特改良的蒸汽机艾里艾里瓦特瓦特制作制作- -罗家祥罗家祥 审审校校- -胥布工胥布工1.1 引言引言3 3、反

14、馈调节系统稳定性问题的反馈调节系统稳定性问题的研究研究：18681868英国物理学家麦克斯韦发英国物理学家麦克斯韦发表了表了“论调速器论调速器”的论文，首的论文，首次论述该问题。次论述该问题。二三阶系统的稳定判据二三阶系统的稳定判据。18951895英国劳斯判据和德国数学英国劳斯判据和德国数学家赫尔维茨的家赫尔维茨的代数稳定条件代数稳定条件；18931893李雅普诺夫基于非线性运李雅普诺夫基于非线性运动的一般动的一般运动稳定问题运动稳定问题。4 4、反馈控制系统的频率特性研究反馈控制系统的频率特性研究：2020世纪世纪2020年代，电子管放年代，电子管放大器以及远距离通话的实现，研究如何减少放

15、大倍数增大而大器以及远距离通话的实现，研究如何减少放大倍数增大而导致信号失真的问题。美国贝尔电话实验室的工程师和科学导致信号失真的问题。美国贝尔电话实验室的工程师和科学家们逐步建立了反馈控制系统的频率特性分析方法。家们逐步建立了反馈控制系统的频率特性分析方法。李雅普诺夫李雅普诺夫制作制作- -罗家祥罗家祥 审审校校- -胥布工胥布工1.1 引言引言5 5、积分和微分控制的思想积分和微分控制的思想：19221922年俄裔年俄裔美国工程师米诺斯基在分析船舶驾驶控美国工程师米诺斯基在分析船舶驾驶控制系统的稳定性时首次提出。制系统的稳定性时首次提出。6 6、19341934年美国麻省理工的赫曾教授创立

16、年美国麻省理工的赫曾教授创立了了伺服控制理论伺服控制理论，首次提出轨迹跟踪在，首次提出轨迹跟踪在反馈控制中的重要性；反馈控制中的重要性；7 7、19361936年英国工程师考伦德：温度控制年英国工程师考伦德：温度控制系统的系统的PIDPID控制器控制器；8 8、19421942年美国工程师：年美国工程师：PIDPID参数整定准参数整定准则则，至今仍适用；，至今仍适用；9 9、二战期间及战后、二战期间及战后1010年：美国电信工程年：美国电信工程师伊万斯给出师伊万斯给出控制系统的图解分析法和控制系统的图解分析法和根轨迹综合法根轨迹综合法，创立，创立根轨迹法根轨迹法的完整理的完整理论。论。现代现代

17、PID控制器控制器制作制作- -罗家祥罗家祥 审审校校- -胥布工胥布工1.1 引言引言1010、19481948年美国数学家维纳出版专年美国数学家维纳出版专著著“控制论控制论”。19561956年我国科学家年我国科学家钱学森出版钱学森出版“工程控制论工程控制论”。1111、2020世纪世纪5050年代，年代，人造卫星和空人造卫星和空间技术的发展，成为自动控制理论间技术的发展，成为自动控制理论新的发展推动力新的发展推动力。极大值原理、动。极大值原理、动态规划理论、状态空间方法、多变态规划理论、状态空间方法、多变量最优控制和最优滤波理论。量最优控制和最优滤波理论。1212、2020世纪世纪707

18、0年代，随着大规模集年代，随着大规模集成电路数字计算机的发展，成电路数字计算机的发展，推动了推动了控制器应用高级控制算法的能力控制器应用高级控制算法的能力。1313、出现若干控制理论分支：系统、出现若干控制理论分支：系统辨识、鲁棒控制、协调控制、智能辨识、鲁棒控制、协调控制、智能控制等等。控制等等。(来自互联网来自互联网)制作制作- -罗家祥罗家祥 审审校校- -胥布工胥布工1.1 引言引言1.1.2 控制工程实践控制工程实践自动化的核心是自动化的核心是控制与系统控制与系统，控制工程实践，控制工程实践是实现自动化的手段。自动化最早出现在汽是实现自动化的手段。自动化最早出现在汽车工业，其初始概念

19、是指在工业生产（加工、车工业，其初始概念是指在工业生产（加工、制造等）过程中制造等）过程中采用自动控制代替人工控制。采用自动控制代替人工控制。1947年美国福特公司正式使用自动化一词，年美国福特公司正式使用自动化一词，其含义是指其含义是指加工采用连续方式加工采用连续方式，生产过程流生产过程流水式的自动进行水式的自动进行。从从20世纪世纪70年代开始，我国通过陆续引进国年代开始，我国通过陆续引进国外成套自动化生产线，我国工业生产逐步从外成套自动化生产线，我国工业生产逐步从局部自动化局部自动化，发展成今天的全方位、全流程，发展成今天的全方位、全流程的的综合自动化综合自动化。我国的自动化学术组织：中

20、国自动化学会，我国的自动化学术组织：中国自动化学会，1961年成立，第一届理事长钱学森院士。年成立，第一届理事长钱学森院士。制作制作- -罗家祥罗家祥 审审校校- -胥布工胥布工1.2.1 人工控制与自动控制人工控制与自动控制 人工控制人工控制人工控制：人工控制：人工控制是人工操作实现：测量、求误差、人工控制是人工操作实现：测量、求误差、控制、控制、再测量、再求误差、再控制的循环过程。再测量、再求误差、再控制的循环过程。1.2 自动控制的基本原理自动控制的基本原理1)1)操作员将期望的液位值操作员将期望的液位值( (即水即水 位高度位高度) )记在大脑中；记在大脑中；2)2)操作员用眼读取实际

21、液位值；操作员用眼读取实际液位值；3)3)操作员将液位期望值与实际值操作员将液位期望值与实际值比较得出偏差值；比较得出偏差值；4)4)操作员根据偏差的大小和性质操作员根据偏差的大小和性质（正负性），决定如何通过用（正负性），决定如何通过用手打开或关闭阀门的方式来调手打开或关闭阀门的方式来调节经过阀门的水量大小，达到节经过阀门的水量大小，达到维持液位恒定的控制目标。维持液位恒定的控制目标。 制作制作- -罗家祥罗家祥 审审校校- -胥布工胥布工自动控制：自动控制：没有人直接参与，利用自动控制装置，没有人直接参与，利用自动控制装置，使使工作机械或生产过程自动地按照预定规律运行工作机械或生产过程自动

22、地按照预定规律运行或或使使某些物理量按预定要求变化某些物理量按预定要求变化。1.2 自动控制的基本原理自动控制的基本原理连杆的长度连杆的长度 人的大脑人的大脑 记下期望液位记下期望液位浮子浮子 人的眼睛人的眼睛 实际液位实际液位 浮子和连杆浮子和连杆 人的大脑人的大脑 计算偏差计算偏差 杠杆机构杠杆机构的另一端的另一端 人的人的大脑和手大脑和手 判断偏差大小判断偏差大小和性质，带动和性质，带动水阀动作，调水阀动作，调节水量大小节水量大小自动控制自动控制人工控制人工控制制作制作- -罗家祥罗家祥 审审校校- -胥布工胥布工自动控制与人工控制的工作原理十分相似自动控制与人工控制的工作原理十分相似1

23、.2 自动控制的基本原理自动控制的基本原理 自动控制装置与人的器官对应的、能完成相应功能的元件有：自动控制装置与人的器官对应的、能完成相应功能的元件有： 给定元件：给定元件：能根据液位期望值来调节连杆长度的环节代替人的大脑能根据液位期望值来调节连杆长度的环节代替人的大脑记下液位期望值；记下液位期望值； 测量元件：测量元件：浮子作为传感器代替人的眼睛测取实际液位值；浮子作为传感器代替人的眼睛测取实际液位值； 比较元件：比较元件：浮子和连杆组合代替人的大脑计算出液位偏差值；浮子和连杆组合代替人的大脑计算出液位偏差值； 校正元件校正元件：杠杆机构代替人的大脑对偏差的大小和性质作出判断：杠杆机构代替人

24、的大脑对偏差的大小和性质作出判断（作为决策机构作出如何校正的决定）；（作为决策机构作出如何校正的决定）； 执行元件：执行元件：带动进水阀代替人手打开或关闭阀门调节经过阀门的水带动进水阀代替人手打开或关闭阀门调节经过阀门的水量大小。量大小。 由此可见，组成自动控制装置的元件一般应包括：由此可见，组成自动控制装置的元件一般应包括：给定元件，测量给定元件，测量元件，比较元件，校正元件和执行元件，元件，比较元件，校正元件和执行元件，而上述而上述液位自动控制系统液位自动控制系统就就是由这些元件和被控对象（水池）组成的有机整体。是由这些元件和被控对象（水池）组成的有机整体。 制作制作- -罗家祥罗家祥 审

25、审校校- -胥布工胥布工1.2 自动控制的基本原理自动控制的基本原理 假设水池液位处于期望值。假设水池液位处于期望值。以用以用户用水量突然增加为例，图户用水量突然增加为例，图1-21-2所示所示的简单液位自动控制系统的工作过程的简单液位自动控制系统的工作过程如下：如下： 当用户用水量突然增加，出水量当用户用水量突然增加，出水量增加到一个新值，此时水池液位下降增加到一个新值，此时水池液位下降导致浮子下降，浮子、连杆与杠杆机导致浮子下降，浮子、连杆与杠杆机构测出液位期望值与实际值之间的偏构测出液位期望值与实际值之间的偏差值，然后由杠杆机构带动进水阀打差值，然后由杠杆机构带动进水阀打开阀门增大进水量

26、。开阀门增大进水量。 由于由于新的出水量增加了新的出水量增加了，为了使进水量与出水量相等，浮，为了使进水量与出水量相等，浮子必须维持在比液位期望值更低的位置，子必须维持在比液位期望值更低的位置，只有通过使实际液只有通过使实际液位值低于期望值形成的落差才能使杠杆机构带动进水阀维持位值低于期望值形成的落差才能使杠杆机构带动进水阀维持阀门在新的开度，以便增加进水量达到进水与出水的新平衡。阀门在新的开度，以便增加进水量达到进水与出水的新平衡。制作制作- -罗家祥罗家祥 审审校校- -胥布工胥布工可消除误差的液位自动控制系统可消除误差的液位自动控制系统工作原理如下：工作原理如下：（1 1）用电位器和杠杆

27、机构记下液位期）用电位器和杠杆机构记下液位期望值的电位器给定值（电位器中点）；望值的电位器给定值（电位器中点）；（2 2）浮子作为传感器测量实际液位；）浮子作为传感器测量实际液位；（3 3）电位器和杠杆机构计算出电位器）电位器和杠杆机构计算出电位器上对应于期望值的给定值与对应于实际上对应于期望值的给定值与对应于实际值的测量值之间的偏差值（电压值）；值的测量值之间的偏差值（电压值）；（4 4）放大器与电动机组成的校正环节）放大器与电动机组成的校正环节对偏差的大小和性质进行判断，并据此对偏差的大小和性质进行判断，并据此决定电动机如何转动带动阀门（打开或决定电动机如何转动带动阀门（打开或关闭阀门）去

28、调节水量的大小。关闭阀门）去调节水量的大小。（5 5）只要电位器和杠杆机构比较所得的偏差不为零，则放大器与电动机组成的）只要电位器和杠杆机构比较所得的偏差不为零，则放大器与电动机组成的校正环节连续不断地产生控制作用，即进一步打开或关闭阀门，甚至使阀门达到校正环节连续不断地产生控制作用，即进一步打开或关闭阀门，甚至使阀门达到全开或全闭状态，使液位上升或下降，直到液位恢复到期望值为止。全开或全闭状态，使液位上升或下降，直到液位恢复到期望值为止。1.2 自动控制的基本原理自动控制的基本原理制作制作- -罗家祥罗家祥 审审校校- -胥布工胥布工1.2 自动控制的基本原理自动控制的基本原理1.2.2 开

29、环控制与闭环控制开环控制与闭环控制开环控制系统：开环控制系统：系统的输入与系统的输入与输出之间只有前向的信号传递，输出之间只有前向的信号传递，而没有反向的信号回传。而没有反向的信号回传。缺点缺点：开环控制系统的控制精：开环控制系统的控制精度和抑制干扰能力较差。度和抑制干扰能力较差。Mc恒定：恒定：ur , ua , n ur , ua , n ur 恒定：恒定：Mc , n Mc , n 制作制作- -罗家祥罗家祥 审审校校- -胥布工胥布工1.2 自动控制的基本原理自动控制的基本原理反馈反馈：系统从输出到输入：系统从输出到输入的反向信息传递，这种反的反向信息传递，这种反向信息传递称为反馈。向

30、信息传递称为反馈。闭环控制系统闭环控制系统：具有反馈：具有反馈的系统因信息在系统内的的系统因信息在系统内的传递形成了闭合环路，称传递形成了闭合环路，称为闭环系统。为闭环系统。Mc恒定：恒定：ur , ue u1 ua , n , uf , ue , u1 ua , n ur 恒定：恒定：Mc , n uf , ue , u1 ua , n 制作制作- -罗家祥罗家祥 审审校校- -胥布工胥布工开环：开环：单向控制，输入和输出单向控制，输入和输出间没有联系，系统输入与输出间没有联系，系统输入与输出间没有反馈回路。但受外界干间没有反馈回路。但受外界干扰小时，仍被大量使用。扰小时，仍被大量使用。闭环

31、：闭环：将输出量返回到输入端，将输出量返回到输入端，形成偏差，基于偏差产生控制形成偏差，基于偏差产生控制以减少或消除偏差。相对来看，以减少或消除偏差。相对来看，结构复杂、成本增加、存在稳结构复杂、成本增加、存在稳定性问题，但定性问题，但具有开环控制无具有开环控制无法替代的自动纠偏功能和较高法替代的自动纠偏功能和较高控制精度。控制精度。1.2 自动控制的基本原理自动控制的基本原理制作制作- -罗家祥罗家祥 审审校校- -胥布工胥布工1.2 自动控制的基本原理自动控制的基本原理1.2.3 对反馈控制系统的对反馈控制系统的基本要求基本要求 1稳定性稳定性 稳定性是指系统受扰稳定性是指系统受扰动后重新

32、恢复平衡的动后重新恢复平衡的能力。能力。不稳定的系统不稳定的系统一旦失去平衡就无法一旦失去平衡就无法重新恢复，由于实际重新恢复，由于实际应用中扰动是不可避应用中扰动是不可避免的，因此不稳定的免的，因此不稳定的系统无法正常运行。系统无法正常运行。 稳定衰稳定衰减过程减过程临界稳定临界稳定（也称为（也称为临界不稳临界不稳定）振荡定）振荡过程过程不稳定发不稳定发散过程散过程制作制作- -罗家祥罗家祥 审审校校- -胥布工胥布工1.2 自动控制的基本原理自动控制的基本原理2快速性快速性 快速性主要是用时间衡量一个稳快速性主要是用时间衡量一个稳定的系统对平衡状态的恢复或跟定的系统对平衡状态的恢复或跟随的

33、速度。随的速度。影响系统平衡状态的因素：影响系统平衡状态的因素：扰动使系统偏离平衡，扰动使系统偏离平衡，因控制任务的需要而改变系因控制任务的需要而改变系统的平衡状态。统的平衡状态。过渡过程越短，说明系统恢复平过渡过程越短，说明系统恢复平衡或跟随新的平衡状态的能力越衡或跟随新的平衡状态的能力越强，快速性就越好。强，快速性就越好。 制作制作- -罗家祥罗家祥 审审校校- -胥布工胥布工3准确性准确性 过渡过程结束后系统就过渡过程结束后系统就进入稳态，此时进入稳态，此时系统输系统输出量的期望值与实际值出量的期望值与实际值之差称为稳态误差之差称为稳态误差。 稳态误差越小，控制系稳态误差越小，控制系统的

34、稳态精度越高。统的稳态精度越高。 无差系统无差系统、有差系统有差系统。1.2 自动控制的基本原理自动控制的基本原理 上述上述稳定性、快速性和准确性三个方面往往是相互制约的稳定性、快速性和准确性三个方面往往是相互制约的。稳定裕度过大可能引起系统的快速性变差、过渡过程变长；稳定裕度过大可能引起系统的快速性变差、过渡过程变长；而单纯追求快速性，则可能加剧振荡，甚至引起不稳定。而单纯追求快速性，则可能加剧振荡，甚至引起不稳定。制作制作- -罗家祥罗家祥 审审校校- -胥布工胥布工1.3 反馈控制系统的组成反馈控制系统的组成 1.3.1 按构成系统的基本元件划分按构成系统的基本元件划分 测量元件测量元件

35、：测量系统的输出量，量纲转换。：测量系统的输出量，量纲转换。如：热电偶、各种传感器，对输出信号进行测量。如：热电偶、各种传感器，对输出信号进行测量。比较元件比较元件：形成参考输入信号与测量反馈信号的偏差。：形成参考输入信号与测量反馈信号的偏差。如：反向放大器、中位器连接电路等。如：反向放大器、中位器连接电路等。放大元件放大元件：对信号进行线性放大或提供功率放大。多级放大。：对信号进行线性放大或提供功率放大。多级放大。如：电压放大器等。如：电压放大器等。制作制作- -罗家祥罗家祥 审审校校- -胥布工胥布工1.3 反馈控制系统的组成反馈控制系统的组成 校正元件校正元件：基于偏差信号按一定函数规律

36、产生供执行元件执行的：基于偏差信号按一定函数规律产生供执行元件执行的 控制命令对系统进行校正以改善系统的动态和静态性能控制命令对系统进行校正以改善系统的动态和静态性能如：由放大器、电阻、电容组成的具有预定传递函数的电路。如：由放大器、电阻、电容组成的具有预定传递函数的电路。执行元件执行元件：也称执行器。用来执行校正元件产生的控制命令，以便：也称执行器。用来执行校正元件产生的控制命令，以便使被控对象的输出按期望值变化。使被控对象的输出按期望值变化。如：直流伺服电动机、交流伺服电动机、气缸、液压缸等。如：直流伺服电动机、交流伺服电动机、气缸、液压缸等。被控对象被控对象：也称受控对象，简称对象。需进

37、行控制的设备或装置的：也称受控对象，简称对象。需进行控制的设备或装置的工作过程工作过程如：电动机的控制，或反应器、传热过程、燃烧过程的控制等。如：电动机的控制，或反应器、传热过程、燃烧过程的控制等。制作制作- -罗家祥罗家祥 审审校校- -胥布工胥布工1.3 反馈控制系统的组成反馈控制系统的组成1.3.2 按系统内部基本功能环节划分按系统内部基本功能环节划分 传感器传感器：功能是感受被测量并按照一定的规律转换成可用的信：功能是感受被测量并按照一定的规律转换成可用的信号。当传感器的输出信号为标准信号时，则称其为变送器。号。当传感器的输出信号为标准信号时，则称其为变送器。控制器控制器：产生供执行机

38、构执行的控制信号；：产生供执行机构执行的控制信号；执行机构执行机构：根据控制器发出的命令去控制或调节被控过程；：根据控制器发出的命令去控制或调节被控过程；被控对象被控对象：描述系统从控制变量到被控变量之间的被控过程。：描述系统从控制变量到被控变量之间的被控过程。广义被控对象：广义被控对象：执行机构执行机构+ +被控对象被控对象控制变量：控制变量：可以是任何描述被控过程控制输入的物理量可以是任何描述被控过程控制输入的物理量广义被控对象的控制变量：广义被控对象的控制变量：控制信号常是电信号，电压或电流控制信号常是电信号，电压或电流制作制作- -罗家祥罗家祥 审审校校- -胥布工胥布工1.3 反馈控

39、制系统的组成反馈控制系统的组成1.3.3 若干常用术语若干常用术语控制系统控制系统由被控对象和控由被控对象和控制器等内部基本制器等内部基本功能环节按一定功能环节按一定的结构方式联接，的结构方式联接，为完成某种控制为完成某种控制任务而组成的一任务而组成的一个有机整体个有机整体 输入信号输入信号：系统外部输入的信号，也称输入量，如参考输系统外部输入的信号，也称输入量，如参考输入，外部干扰输入，其中参考输入也称为给定量（值），它入，外部干扰输入，其中参考输入也称为给定量（值），它是控制系统被控变量的反馈信号需保持或跟随的指令输入。是控制系统被控变量的反馈信号需保持或跟随的指令输入。输出信号输出信号：

40、系统向外部输出的信号，也称输出量，在单输系统向外部输出的信号，也称输出量，在单输出系统中，系统的输出信号就是被控对象的被控变量。出系统中，系统的输出信号就是被控对象的被控变量。制作制作- -罗家祥罗家祥 审审校校- -胥布工胥布工1.3 反馈控制系统的组成反馈控制系统的组成扰动信号：扰动信号：扰动可以是小的波动，也可以是大的波动，扰动信扰动可以是小的波动，也可以是大的波动，扰动信号也称为干扰信号。扰动在系统的方块图中属于外部输入。号也称为干扰信号。扰动在系统的方块图中属于外部输入。反馈信号反馈信号：指对被控变量测量取出的、经过：指对被控变量测量取出的、经过必要的量纲转换必要的量纲转换后后反向回

41、送到输入端的信号。反向回送到输入端的信号。 偏差信号偏差信号：指参考输入信号与反馈信号之差。：指参考输入信号与反馈信号之差。 误差信号误差信号：指系统输出量的期望值与实际值之差。由于偏差信：指系统输出量的期望值与实际值之差。由于偏差信号与误差信号之间存在确定对应关系，故两者经过量纲换算是号与误差信号之间存在确定对应关系，故两者经过量纲换算是等价的。本书中误差信号采用在输入端的定义，因此，若不加等价的。本书中误差信号采用在输入端的定义，因此，若不加说明误差信号即指偏差信号说明误差信号即指偏差信号。 制作制作- -罗家祥罗家祥 审审校校- -胥布工胥布工1.3 反馈控制系统的组成反馈控制系统的组成

42、控制信号控制信号：指控制器或者校正元件的输出信号，它是控制：指控制器或者校正元件的输出信号，它是控制器或者校正元件按一定控制规律产生的控制指令器或者校正元件按一定控制规律产生的控制指令控制变量：控制变量：简称控制量，指被控对象（被控过程）的控制简称控制量，指被控对象（被控过程）的控制输入变量。输入变量。 被控变量被控变量：简称被控量，指被控对象输出需按控制要求变：简称被控量，指被控对象输出需按控制要求变化的物理量，在单输出系统中，也就是系统得输出量。化的物理量，在单输出系统中，也就是系统得输出量。 控制通道：控制通道：控制变量通过被控对象（被控过程）到控制系控制变量通过被控对象（被控过程）到控

43、制系统输出的通道。统输出的通道。干扰通道干扰通道：干扰信号通过被控对象到系统输出的通道。：干扰信号通过被控对象到系统输出的通道。 制作制作- -罗家祥罗家祥 审审校校- -胥布工胥布工1.3 反馈控制系统的组成反馈控制系统的组成分析：分析：把研究对象分成较简单的组成部分，找出这些部分的本把研究对象分成较简单的组成部分，找出这些部分的本质属性和彼此之间的关系。质属性和彼此之间的关系。控制系统的分析是一种动态分析，即视研究对象为演化的系统。一般是先建立描述系统动态特性的数学模型，这样系统的结构已确定，而结构参数或参数范围已确定，然后采用数学工具作为主要手段对系统的动态性能进行分析。 综合：综合：综

44、合是分析的反义词。一般地说，综合就是将已有的关综合是分析的反义词。一般地说，综合就是将已有的关于研究对象各个部分的认识联结起来，形成对研究对象的统一于研究对象各个部分的认识联结起来，形成对研究对象的统一整体认识。整体认识。 控制系统的综合是指根据一定任务，利用系统分析的真知灼见，找出能够满足性能指标的控制系统整体结构和参数配置。反馈控制系统中，当被控对象，执行机构和传感器确定后，控制系统的综合主要是建立控制器数学模型，解决控制器参数配置或者参数优化问题，以满足整个控制系统的定量性能指标。制作制作- -罗家祥罗家祥 审审校校- -胥布工胥布工1.3 反馈控制系统的组成反馈控制系统的组成校正：校正

45、：在形成基本的控制系统或者确定了广义控制对在形成基本的控制系统或者确定了广义控制对象和相应的传感器数学模型之后，基于经典控制理论象和相应的传感器数学模型之后，基于经典控制理论所进行的校正装置设计工作。所进行的校正装置设计工作。校正的另一个含义类似控制一词，如：校正器。校正的另一个含义类似控制一词，如：校正器。 设计：设计：指控制系统的设计而非工程设计。控制系统的指控制系统的设计而非工程设计。控制系统的设计就是针对一个给定的控制任务，利用控制系统的设计就是针对一个给定的控制任务，利用控制系统的分析与综合方法，通过一系列反复的选择、评判和优分析与综合方法，通过一系列反复的选择、评判和优化，完成构造

46、一个控制系统的逐步试探过程。化，完成构造一个控制系统的逐步试探过程。 制作制作- -罗家祥罗家祥 审审校校- -胥布工胥布工1.4 自动控制系统的分类自动控制系统的分类1.4.1 按参考输入信号特征分类按参考输入信号特征分类 1恒值控制系统恒值控制系统 参考输入信号为恒定值，控制系统的任务就是参考输入信号为恒定值，控制系统的任务就是保持某保持某个被控量为一个给定的期望恒值个被控量为一个给定的期望恒值上。如：温度、水位上。如：温度、水位控制等。控制等。 2随动控制系统随动控制系统 随动控制系统一般习惯称为随动系统或伺服系统。此随动控制系统一般习惯称为随动系统或伺服系统。此类系统的类系统的参考输入

47、信号是预先未知的随时间变化的任参考输入信号是预先未知的随时间变化的任意函数意函数。随动系统的任务就是使系统的被控量以一定。随动系统的任务就是使系统的被控量以一定精度精度跟随参考输入信号的变化跟随参考输入信号的变化。 如：高射炮随动系统。如：高射炮随动系统。制作制作- -罗家祥罗家祥 审审校校- -胥布工胥布工1.4 自动控制系统的分类自动控制系统的分类3程序控制系统程序控制系统 程序控制系统的参考输入程序控制系统的参考输入信号是信号是预先设定的函数曲预先设定的函数曲线线。如：热处理炉温度的升温、如：热处理炉温度的升温、保温和降温过程的控制，保温和降温过程的控制，生产过程中的化学反应器生产过程中

48、的化学反应器开停车过程中的升温、保开停车过程中的升温、保温和降温曲线控制温和降温曲线控制 。温度上升预定曲线温度上升预定曲线制作制作- -罗家祥罗家祥 审审校校- -胥布工胥布工1.4 自动控制系统的分类自动控制系统的分类1.4.2 按系统环节间信号传按系统环节间信号传递形式分类递形式分类 1连续系统连续系统 ：信号传递：信号传递均为时间的连续函数均为时间的连续函数 2离散系统离散系统 ：至少一个：至少一个信号传递为脉冲序列或信号传递为脉冲序列或数字编码形式数字编码形式 3网络化控制系统：网络化控制系统：典型的网络化控制系统是指控典型的网络化控制系统是指控制器到执行器以及传感器到控制器之间的信

49、号传递是通制器到执行器以及传感器到控制器之间的信号传递是通过数据包计算机网络来实现。过数据包计算机网络来实现。 采样过程采样过程制作制作- -罗家祥罗家祥 审审校校- -胥布工胥布工1.4 自动控制系统的分类自动控制系统的分类1.4.3 按描述系统的动态方程分类按描述系统的动态方程分类 1线性系统线性系统 ：可以采用线性微分方程来描述的系统：可以采用线性微分方程来描述的系统 2非线性系统非线性系统：非线性系统中一般均包含非线性元件：非线性系统中一般均包含非线性元件 3定常系统定常系统：系统中不含参数随时间变化的元件：系统中不含参数随时间变化的元件 4时变系统时变系统：系统中含参数随时间变化的元

50、件：系统中含参数随时间变化的元件 制作制作- -罗家祥罗家祥 审审校校- -胥布工胥布工1.5 控制系统应用实例三则控制系统应用实例三则1.蒸汽机转速调节系统蒸汽机转速调节系统工作原理：工作原理：蒸汽机带动负载转动蒸汽机带动负载转动圆锥齿轮减速带动一对飞锤作水圆锥齿轮减速带动一对飞锤作水平旋转平旋转飞锤通过铰链带动套筒上、下滑飞锤通过铰链带动套筒上、下滑动拨动杠杆的一端动拨动杠杆的一端杠杆另一端通过连杆调节供汽阀杠杆另一端通过连杆调节供汽阀门的开度门的开度 蒸汽机：蒸汽机的转速保持在期望值附近蒸汽机：蒸汽机的转速保持在期望值附近 平衡平衡：飞锤旋转，套筒保持某高度，阀门处于一个平衡位置：飞锤旋

51、转，套筒保持某高度，阀门处于一个平衡位置当出现不平衡时当出现不平衡时： 负载负载 , 转速转速 ， 圆锥齿轮转动圆锥齿轮转动 ,飞锤速度飞锤速度 , 套筒位置套筒位置 ,杠杆杠杆右端右端 ,蒸汽阀门蒸汽阀门 ，转速转速 。 负载负载 , 转速转速 ， 圆锥齿轮转动圆锥齿轮转动 ,飞锤速度飞锤速度 , 套筒位置套筒位置 ,杠杆杠杆右端右端 ,蒸汽阀门蒸汽阀门 ，转速转速 。制作制作- -罗家祥罗家祥 审审校校- -胥布工胥布工1.5 控制系统应用实例三则控制系统应用实例三则2.2.加热炉温度控制系统加热炉温度控制系统 保持炉温保持炉温T恒定：恒定：由于扰动，当炉温由于扰动，当炉温T ，uf ,

52、ue , u1 , ua , 加热电阻丝电压加热电阻丝电压 , T 。制作制作- -罗家祥罗家祥 审审校校- -胥布工胥布工1.5 控制系统应用实例三则控制系统应用实例三则3.3.角位置随动系统角位置随动系统 旋转负载的角位置旋转负载的角位置 o快速跟随期望角快速跟随期望角位置位置 i : i ，ur , ur -uf = ue , u1 , ua , o .制作制作- -罗家祥罗家祥 审审校校- -胥布工胥布工1.6 控制系统设计概述控制系统设计概述 制作制作- -罗家祥罗家祥 审审校校- -胥布工胥布工1.7 本书内容安排本书内容安排第一部分：反馈控制系统的建模、稳定性与特性第一部分：反馈

53、控制系统的建模、稳定性与特性1 全书绪论：控制理论发展简史、自控系统基本原理、类全书绪论：控制理论发展简史、自控系统基本原理、类别、对控制系统的要求别、对控制系统的要求(稳快准稳快准)、设计控制系统的基本、设计控制系统的基本步骤；步骤；2 建立控制系统的建立控制系统的微分方程模型微分方程模型、传递函数传递函数、结构图、信、结构图、信号流图、几种号流图、几种模型间的转换模型间的转换；3 反馈控制系统的反馈控制系统的稳定性与特性稳定性与特性。第二部分：线性控制系统的分析与校正第二部分：线性控制系统的分析与校正4 时域分析方法时域分析方法：在时间域内分析系统的动态和稳态性能：在时间域内分析系统的动态

54、和稳态性能5 根轨迹分析方法根轨迹分析方法：利用特征根的分布分析系统性能与参：利用特征根的分布分析系统性能与参数关系数关系6 频率分析法频率分析法：在频率域内分析输入为典型的正弦函数时，：在频率域内分析输入为典型的正弦函数时，系统所表现出的特性，进而分析系统性能；系统所表现出的特性，进而分析系统性能；7 线性控制系统的线性控制系统的校正校正方法，使系统具有期望的性能。方法，使系统具有期望的性能。制作制作- -罗家祥罗家祥 审审校校- -胥布工胥布工1.7 本书内容安排本书内容安排第三部分：线性离散控制系统与非线性控制系统第三部分：线性离散控制系统与非线性控制系统8 线性线性离散控制系统离散控制

55、系统的分析与校正设计方法。离散控制系的分析与校正设计方法。离散控制系统、信号采样与保持、系统性能分析、系统设计；统、信号采样与保持、系统性能分析、系统设计；9 非线性控制系统非线性控制系统。非线性特性的类型、稳定性及特性、。非线性特性的类型、稳定性及特性、分析与综合。相平面法、描述函数法。分析与综合。相平面法、描述函数法。制作制作- -罗家祥罗家祥 审审校校- -胥布工胥布工1.8 小结小结自动控制与自动控制系统自动控制与自动控制系统在人不直接参与的条件下，利用自动控制装置使工作机在人不直接参与的条件下，利用自动控制装置使工作机械或生产过程自动地按预定的规律运行，或使被控量按械或生产过程自动地

56、按预定的规律运行，或使被控量按照预定的要求变化。照预定的要求变化。开环控制与闭环控制开环控制与闭环控制开环：输入与输出间只有前向信号的传递；开环：输入与输出间只有前向信号的传递；闭环：利用反馈信号比较参考输入信号获得偏差来产生闭环：利用反馈信号比较参考输入信号获得偏差来产生控制作用，使系统具有自动纠偏能力。控制作用，使系统具有自动纠偏能力。反馈控制系统的组成反馈控制系统的组成按构成系统的基本元件划分按构成系统的基本元件划分按系统内部基本功能环节划分按系统内部基本功能环节划分制作制作- -罗家祥罗家祥 审审校校- -胥布工胥布工1.8 小结小结反馈控制系统的基本要求反馈控制系统的基本要求稳定性：系统是稳定的，能运行的稳定性：系统是稳定的，能运行的快速性：系统能快速的响应快速性：系统能快速的响应准确性：系统输出与期望相差小准确性：系统输出与期望相差小控制系统的分类控制系统的分类按参考输入信号特征分类按参考输入信号特征分类按系统环节间信号传递形式分类按系统环节间信号传递形式分类 按描述系统的动态方程分类按描述系统的动态方程分类 控制系统的设计概述控制系统的设计概述如何设计出满足要求的控制系统的设计步骤。如何设计出满足要求的控制系统的设计步骤。制作制作- -罗家祥罗家祥 审审校校- -胥布工胥布工本章结束！本章结束！