自动控制原理自动控制原理2021/7/12021/7/11 1设和航空航天事业等领域中获得广泛应用设和航空航天事业等领域中获得广泛应用。比如：人造地球卫星的比如：人造地球卫星的发射成功与安全返回。发射成功与安全返回。2021/7/12021/7/12 2导弹的准确击中目标，导弹的准确击中目标，雷达系统的准确跟踪目标；雷达系统的准确跟踪目标；2021/7/12021/7/13 3交通系统：安全、快捷、舒适、准点2021/7/12021/7/14 4钢钢铁铁生生产产2021/7/12021/7/15 5制造系统：数控机床数控机床加工生产线加工生产线自动码垛机器人自动码垛机器人自动包装机器人自动包装机器人2021/7/12021/7/16 6家用电器：电扇：控制转速电冰箱、空调、电饭煲：控制温度洗衣机：控制水位、强弱、时间等2021/7/12021/7/17 7 智能建筑：通信通信电梯电梯供水供水通风通风空调空调安防安防抄表抄表2021/7/12021/7/18 8工业机器人：2021/7/12021/7/19 9拉提琴拉提琴灵巧手灵巧手排排 爆爆步行步行吹笛吹笛足球比赛足球比赛其他机器人：2021/7/12021/7/11010 自动控制的应用领域军事工业航空航天制造业机器人流程工业电子工业家用电器交通系统，楼宇系统，经济系统，社会系统 钢铁、石化、钢铁、石化、钢铁、石化、钢铁、石化、造纸、制药等造纸、制药等造纸、制药等造纸、制药等2021/7/12021/7/11111控制的定义控制的定义 控制的本意：为了达到某种目的对事物进控制的本意：为了达到某种目的对事物进行支配、管束、管制、管理、监督、镇压。行支配、管束、管制、管理、监督、镇压。 自动控制：在没有人直接参与的情况下，自动控制：在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（控制装置或控制利用外加的设备或装置（控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（被控对器），使机器、设备或生产过程（被控对象）的某个工作状态或参数（被控量）自象）的某个工作状态或参数（被控量）自动地按照预定的规律运行。动地按照预定的规律运行。2021/7/12021/7/11212引引 言言 自自动动控控制制学学科科由由自自动动控控制制技技术术和和自自动动控控制理论两部分组成。制理论两部分组成。 近几十年来，自动控制技术正在迅猛的发近几十年来，自动控制技术正在迅猛的发展，并在工农业生产、交通运输、国防建展，并在工农业生产、交通运输、国防建2021/7/11.2.1 人工控制控制系统可以由人工控制，也可以采用自动控制。控制系统可以由人工控制，也可以采用自动控制。图图11 水位人工控制原理图水位人工控制原理图如图如图11所示，所示， 水位保持系统。水位保持系统。1. 2 人工控制和自动控制第一章第一章 自动控制概论自动控制概论2021/7/1若要求在出水量随意的条件下，保持水位高度不变：若要求在出水量随意的条件下，保持水位高度不变：操作人员需先测实际水位，并在脑子中与要求的水位进操作人员需先测实际水位，并在脑子中与要求的水位进行比较。若低于要求的水位，则需开大进水阀门。否则行比较。若低于要求的水位，则需开大进水阀门。否则应关小进水阀门。若两者正好相等，则进水阀门不动。应关小进水阀门。若两者正好相等，则进水阀门不动。人工控制人工控制第一章第一章 自动控制概论自动控制概论2021/7/1根据系统原理图可画出其方框图如图12所示。 图图12 水位人工控制系统方框图水位人工控制系统方框图人工控制人工控制第一章第一章 自动控制概论自动控制概论2021/7/12、自动控制： 该水池若改为由自动控制装置代替操作人员：由 浮子测出实际水位，与要求的水位比较。然后得出偏 差再由调节元件根据偏差的大小和正负产生控制信号。 最后由执行元件根据信号产生控制作用。如图1-3所示。图图13 水位自动控制系统原理图水位自动控制系统原理图第一章第一章 自动控制概论自动控制概论2021/7/1 在此：浮子测水位，由连杆和电位器进行比较：浮子低则电位器上得到正电压，经放大后使电机向进水阀门开大的方向旋转；反之，当浮子高时，电位器上得到负电压，电机向阀门关小的方向旋转；若水位正好，则电位器上电压为零，电机不转，阀门不动。图图14水位自动控制系统方框图水位自动控制系统方框图自动控制自动控制第一章第一章 自动控制概论自动控制概论2021/7/1 由于存在输出量反馈，上述系统能在存在无由于存在输出量反馈，上述系统能在存在无法预计扰动的情况下，自动减少系统的输出法预计扰动的情况下，自动减少系统的输出量与参考输入量（或者任意变化的希望的状量与参考输入量（或者任意变化的希望的状态）之间的偏差，故称之为反馈控制。态）之间的偏差，故称之为反馈控制。 显然：显然： 反馈控制建立在偏差基础上，其控制反馈控制建立在偏差基础上，其控制方式是方式是“检测偏差再纠正偏差检测偏差再纠正偏差”。2021/7/1在控制系统中，如果返回的信息的作用是抵消在控制系统中，如果返回的信息的作用是抵消输入信息，称为输入信息，称为负反馈负反馈，负反馈可以使系统趋，负反馈可以使系统趋于稳定；于稳定；若其作用是增强输入信息，则称为正反馈，正若其作用是增强输入信息，则称为正反馈，正反馈可以使信号得到加强。反馈可以使信号得到加强。 2021/7/1 按其发展的不同阶段，可把自动控制理论分为按其发展的不同阶段，可把自动控制理论分为经典控制理论经典控制理论和和现代控制理论现代控制理论两大部分。两大部分。 经典控制理论也就是自动控制原理，是经典控制理论也就是自动控制原理，是2020世纪世纪4040年代到年代到5050年代形成的一门独立学科年代形成的一门独立学科。自动控制理论的发展概况自动控制理论的发展概况2021/7/1经典控制理论经典控制理论 以传递函数为基础研究以传递函数为基础研究单输入单输入-单输出一类定常单输出一类定常控制系统的分析与设计控制系统的分析与设计问题。这些理论由于其问题。这些理论由于其发展较早，现已臻成熟。发展较早，现已臻成熟。现代控制理论现代控制理论 以状态空间法为基础，以状态空间法为基础，研究多输入研究多输入-多输出、时多输出、时变、非线性一类控制系变、非线性一类控制系统的分析与设计问题。统的分析与设计问题。系统具有高精度和高效系统具有高精度和高效能的特点。能的特点。2021/7/1自动控制理论经典控制理论经典控制理论现代控制理论现代控制理论非线性控制系统非线性控制系统线性控制系统线性控制系统连续控制系统连续控制系统离散控制系统离散控制系统2021/7/1现代控制（现代控制（1950-Now ）2021/7/1 美国美国MIT 的的Servomechanism Laboratory 研研制出第一台数控机床制出第一台数控机床(1952)；2021/7/1 美国美国George Devol研制出第一台工业机器人研制出第一台工业机器人样机样机(1954) ，两年后，被称为机器人之父的，两年后，被称为机器人之父的Joseph Engelberger（约瑟夫（约瑟夫恩格伯格恩格伯格 ）创立了第一家机器人公司：创立了第一家机器人公司：Unimation；2021/7/1 美国的美国的M. E. Merchant 提出计算机集成制造提出计算机集成制造的概念的概念(1969)；2021/7/1 日本日本Fanuc 公司研制出由加工中心和工业机公司研制出由加工中心和工业机器人组成的柔性制造单元器人组成的柔性制造单元(1976)；2021/7/1 中国批准中国批准 863高技术计划，包括自动化领域高技术计划，包括自动化领域的计算机集成制造系统和智能机器人两个主的计算机集成制造系统和智能机器人两个主题题 (1986)。2021/7/1日本安川公司娱乐机械狗日本安川公司娱乐机械狗 (2001)；日本SONY公司二足步行机械人SDR-4X(2002)；2021/7/11. 3 自动控制的基本方式一、一、开环控制系统：开环控制系统：1.定义：定义：开环控制开环控制控制器与被控对象之间只控制器与被控对象之间只 有顺向作用而没有反向联系的控制过程。有顺向作用而没有反向联系的控制过程。2.特点：被控量对系统的控制作用不产生影响，特点：被控量对系统的控制作用不产生影响， 需要控制的是需要控制的是c(t)，而测量的只是，而测量的只是r(t).第一章第一章 自动控制概论自动控制概论2021/7/131图图17 开环直流调速系统开环直流调速系统开环控制系统（续）开环控制系统（续）1. 例如：直流电机开环调速系统如图例如：直流电机开环调速系统如图17所示。所示。第一章第一章 自动控制概论自动控制概论2021/7/132 给定电压放大后得到电枢电压给定电压放大后得到电枢电压ua，从而控制，从而控制转速转速n。 改变改变ugua改变改变n改变，改变，ug与与n一一对一一对应。但是，当负载变化时（干扰量），会使应。但是，当负载变化时（干扰量），会使n改改变，即使变，即使ug不变，不变，n 也改变。也改变。ua（ug）与）与n的关的关系不精确，抗扰动能力差，系统控制精度难以保系不精确，抗扰动能力差，系统控制精度难以保证，应用少。证，应用少。开环控制系统（续）开环控制系统（续）第一章第一章 自动控制概论自动控制概论2021/7/133水位高度控制系统原理图水位高度控制系统原理方框图2021/7/134例例: 电子门铃的开环电子控制系统电子门铃的开环电子控制系统 用手按动按钮开关用手按动按钮开关, ,输入一个触发信号输入一个触发信号 音乐集成电路经过触发后工作音乐集成电路经过触发后工作, ,产产生一组载有生一组载有”音乐音乐”的电信号的电信号. . 扬声器将电信号转变为音乐声扬声器将电信号转变为音乐声. . 输出的音乐声的变化对系统的控制状态输出的音乐声的变化对系统的控制状态并不产生影响并不产生影响, ,即不存在反馈即不存在反馈. .输入输入: : 控制控制( (处理处理): ): 输出输出: : 特点特点: :2021/7/135二、闭环控制系统二、闭环控制系统：1.定义：定义：闭环控制闭环控制被控量与给定值比较后用被控量与给定值比较后用其偏差对系统进行控制。亦称反馈控制。其偏差对系统进行控制。亦称反馈控制。2.特点：不论什么原因使被控量偏离期望值而出特点：不论什么原因使被控量偏离期望值而出现偏差时，必定会产生一个相应的控制作用去现偏差时，必定会产生一个相应的控制作用去减小或消除这个偏差，使被控量与期望值趋于减小或消除这个偏差，使被控量与期望值趋于一致。需要控制的是一致。需要控制的是c(t)、而测量的是、而测量的是c(t)对对r(t)的偏差。只要的偏差。只要c(t)出现偏差，系统就自行纠正。出现偏差，系统就自行纠正。3. 例如：直流电机闭环调速系统如图例如：直流电机闭环调速系统如图18所示。所示。第一章第一章 自动控制概论自动控制概论2021/7/136图图18 闭环直流调速系统闭环直流调速系统闭环控制系统（续）闭环控制系统（续）第一章第一章 自动控制概论自动控制概论2021/7/137 负载负载TL(TeTL)nun uu1ua n 或温度或温度TRaEnun uu1ua n 系统精度高、抗干扰能力强、应用广泛。系统精度高、抗干扰能力强、应用广泛。闭环控制系统（续）闭环控制系统（续）第一章第一章 自动控制概论自动控制概论2021/7/138家用电冰箱的结构和制冷原理图家用电冰箱的结构和制冷原理图组成：压缩机、冷却器和散热器，它们之间用一根管道相连。组成：压缩机、冷却器和散热器，它们之间用一根管道相连。管道里装有一种沸点很低的制冷剂。压缩机在管道的底部，它使管道里装有一种沸点很低的制冷剂。压缩机在管道的底部，它使制冷剂不断地在管道里循环。制冷剂流动到狭窄的毛细管时，受制冷剂不断地在管道里循环。制冷剂流动到狭窄的毛细管时，受到强大压力，由气态变成液态，通过散热器对外放出热量。当制到强大压力，由气态变成液态，通过散热器对外放出热量。当制冷剂通过较粗的管道组成的冷却器时，由于压力突然降低，制冷冷剂通过较粗的管道组成的冷却器时，由于压力突然降低，制冷剂由液态立即变为气态，从而吸收电冰箱内的热量，使电冰箱内剂由液态立即变为气态，从而吸收电冰箱内的热量，使电冰箱内的温度降低，达到制冷的效果。的温度降低，达到制冷的效果。2021/7/139根据开环电子控制系统和闭环控制系统的区别进行分析、根据开环电子控制系统和闭环控制系统的区别进行分析、判断，在你认为正确的表格中打判断，在你认为正确的表格中打开环电子开环电子控制系统控制系统闭环电子闭环电子控制系统控制系统电子表电子表电取暖系统电取暖系统空调空调半自动洗衣机半自动洗衣机可调亮度的台灯可调亮度的台灯自动洗衣机自动洗衣机电热水器2021/7/140飞机自动驾驶系统原理图2021/7/141控制任务控制任务：系统在任何扰动作用下，保持飞机俯仰角不变。被控对象被控对象：飞机。被控量被控量：飞机的俯仰角 。 俯仰角控制系统原理方框图2021/7/142 把输出量直接或间接地反馈到把输出量直接或间接地反馈到系统的输入端，形成闭环，参与系统的输入端，形成闭环，参与控制，这种系统叫控制，这种系统叫闭环控制系统闭环控制系统。实际的闭环控制系统，都实际的闭环控制系统，都是以负反馈的形式出现是以负反馈的形式出现如下图所示系统如下图所示系统炉温控制系统：炉温控制系统：2021/7/143输入量输入量输出量输出量图图16 自动控制系统的组成自动控制系统的组成 自动控制的任务自动控制的任务利用控制器操纵受控对象，使其利用控制器操纵受控对象，使其被控量按技术要求变化。若被控量按技术要求变化。若r(t)给定量，给定量，c(t)被被控量，则自控的任务之数学表达式为：使被控量满控量，则自控的任务之数学表达式为：使被控量满足足c(t) r(t)。自控系统的组成如。自控系统的组成如1-6图所示。图所示。1.4 自动控制系统的基本组成自动控制系统的基本组成第一章第一章 自动控制概论自动控制概论2021/7/144给定元件：其职能是给出与期望的被控量相对给定元件：其职能是给出与期望的被控量相对 应的系统输入量。一般为电位器。应的系统输入量。一般为电位器。比较元件：其职能是把测量到的被控量实际值比较元件：其职能是把测量到的被控量实际值 与给定元件给出的输入量进行比较，求出他们与给定元件给出的输入量进行比较，求出他们 之间的偏差。常用的有差动放大器、机械差动之间的偏差。常用的有差动放大器、机械差动 装置、电桥电路、计算机等。装置、电桥电路、计算机等。测量测量(反馈反馈)元件：其职能是检测被控制量的物理量。元件：其职能是检测被控制量的物理量。 如测速机、热电偶、自整角机、电位器、旋转如测速机、热电偶、自整角机、电位器、旋转 变压器、浮子等。变压器、浮子等。基本组成（续）基本组成（续）第一章第一章 自动控制概论自动控制概论2021/7/145放大元件：其职能是将比较元件给出的偏差放大元件：其职能是将比较元件给出的偏差 信号进行放大，用来推动执行元件去控制受信号进行放大，用来推动执行元件去控制受 控对象。如：晶体管、集成电路、晶闸管等控对象。如：晶体管、集成电路、晶闸管等 组成的电压、功率放大器。组成的电压、功率放大器。执行元件：其职能是直接推动受控对象，使执行元件：其职能是直接推动受控对象，使 其被控量发生变化。如：阀门、电机、液压其被控量发生变化。如：阀门、电机、液压 马达等。马达等。基本组成（续）基本组成（续）第一章第一章 自动控制概论自动控制概论2021/7/146自控系统的特点：自控系统的特点：从信号传送看：从信号传送看：c(t)经测量后回到输入端，构成经测量后回到输入端，构成闭环，具有反馈形式，且为负反馈。闭环，具有反馈形式，且为负反馈。从控制作用的产生看：由偏差产生的控制作用使从控制作用的产生看：由偏差产生的控制作用使系统沿减小或消除偏差的方向运动系统沿减小或消除偏差的方向运动偏差控制。偏差控制。校正元件：也叫补偿元件，它是结构或参数便于校正元件：也叫补偿元件，它是结构或参数便于 调整的元件。用串联或并联（反馈）的方式连接调整的元件。用串联或并联（反馈）的方式连接 于系统中，以改善系统的性能。如：电阻、电容于系统中，以改善系统的性能。如：电阻、电容 组成的无源或有源网络，还有计算机。组成的无源或有源网络，还有计算机。基本组成（续）基本组成（续）第一章第一章 自动控制概论自动控制概论2021/7/147自动控制系统的常用术语自动控制系统的常用术语二、常用术语及符号二、常用术语及符号 1 1）输入量（指令）输入量（指令）v(t)v(t)来自反馈系统之外的对系统所施来自反馈系统之外的对系统所施加的控制作用。加的控制作用。 2 2）参考输入）参考输入r(t)r(t)输入元件的输出，它是系统的实际输入输入元件的输出，它是系统的实际输入量。量。上一页上一页 下一页下一页2021/7/148自动控制系统的组成及常用术语自动控制系统的组成及常用术语 3 3）输出量（被控制量）输出量（被控制量）y(t)y(t)被控对象中要求按一定规律被控对象中要求按一定规律变化的物理量，它与输入量之间保持一定的函数关系。变化的物理量，它与输入量之间保持一定的函数关系。 4 4）主反馈信号）主反馈信号b(t)b(t)反馈元件的输出。反馈元件的输出。 5 5）偏差信号）偏差信号e1(t)e1(t)比较元件的输出，它等于参考输入与比较元件的输出，它等于参考输入与主反馈信号之差。主反馈信号之差。 6 6）扰动）扰动n(t)n(t)不需要的而又影响系统输出的物理量。它可不需要的而又影响系统输出的物理量。它可来自系统之外，也可来自系统内部。来自系统之外，也可来自系统内部。 7 7）误差）误差e(t)e(t)希望的或要求的输出量与实际的输出量之希望的或要求的输出量与实际的输出量之差。差。上一页上一页 返回返回2021/7/149如水位自动控制系统：如水位自动控制系统：图图13 水位自动控制系统原理图水位自动控制系统原理图干扰干扰信号信号 测量测量元件元件 输出量输出量 受控对象受控对象 比较元件比较元件 第一章第一章 自动控制概论自动控制概论2021/7/150图图15 自动控制系统自动控制系统给定量给定量控制器控制器被控量被控量干扰量干扰量自控系统自控系统受控对象受控对象第一章第一章 自动控制概论自动控制概论2021/7/151二、控制系统的传递方框图在研究自动控制系统时，为便于分析和描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，并用传述，将系统按基本组成部分分解，并用传递方块图来表示。递方块图来表示。上例中，将系统按基本组成部分分解：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2021/7/1521.1.环环节节（方方框框）：是构成系统的基本组成部分。用一个方块表示。2.2.传传递递方方框框图图：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。 其中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； 背向环节的作用线表示输出； 整个系统的输出为被控参数； 整个系统的输入为给定信号和扰动信号；二、控制系统的传递方框图2021/7/153 测测量量信信号号与与给给定定信信号号通通过过相相加加点点叠叠加加，符符号号代代表表信信号的极性。号的极性。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闭环控制系统结构图二、控制系统的传递方框图2021/7/154尽尽管管实实际际控控制制系系统统元元器器件件各各不不相相同同, ,但但概概括括起起来来一一般般都都应应包括以下几个基本环节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2021/7/1551.1.1.1.给定环节给定环节给定环节给定环节 设设定定被被控控量量的的给给定定装装置置, ,其其精精度度直直接接影影响响对对控控制制量量的的控控制制精精度度. .如如电电位位器器, ,自自整整角角机机等等模模拟拟信信号号, ,还还有有精精度度更更高高的的数数字字给给定装置。定装置。2.2.2.2.比较环节比较环节比较环节比较环节 将将检检测测到到的的被被控控量量与与给给定定量量比比较较得得到到偏偏差差信信号号, ,该该信信号号功功率率较较小小或或物物理理性性能能比比较较时时不不同同, ,不不能能直直接接作作用用执执行行机机构构, ,需需要要增加中间环节增加中间环节3 3、4 4。3.3.3.3.校正环节校正环节校正环节校正环节 是是为为改改善善系系统统动动态态品品质质或或稳稳态态性性能能而而加加入入的的装装置置, ,他他可可以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。二、控制系统的传递方框图2021/7/156 4.4.4.4.放大环节放大环节放大环节放大环节 将偏差信号转换成适合于执行器工作的信号(功放,SCR)。注意注意: 2、3、4合为一体控制器(装置)。 5.5.5.5.执行机构执行机构执行机构执行机构 直接作用于控制对象（调节机构、传动装置、电机） 6.6.6.6.控制对象控制对象控制对象控制对象 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.)。 7.7.7.7.检测装置检测装置检测装置检测装置 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)。2021/7/157主反馈：主反馈：输出量引回到输入端的反馈为主反馈。局部反馈：局部反馈：在正向通道里，后面环节的输出对前面环节的返回影响称为局部反馈。1275634输入输出8注意：注意：主反馈一定是负反馈，局部反馈可正可负。主反馈一定是负反馈，局部反馈可正可负。二、控制系统的传递方框图2021/7/158例 1 炉温控制系统2021/7/159 炉温控制系统方框图炉温控制系统方框图炉温控制系统方框图2021/7/1601. 5 自动控制系统的分类自动控制系统的分类1.5.1 从信号传送的特点或系统结构特点分类从信号传送的特点或系统结构特点分类 可以将控制系统分为开环控制系统、闭可以将控制系统分为开环控制系统、闭 环控制系统和复合控制系统三大类，前环控制系统和复合控制系统三大类，前 已述及，故不赘述。已述及，故不赘述。第一章第一章 自动控制概论自动控制概论2021/7/161可分为线性控制系统和非线性控制系统可分为线性控制系统和非线性控制系统 线性系统的数学描述：线性系统的数学描述： 线性函数，如线性微分方程、线性差分方程、线性函数，如线性微分方程、线性差分方程、 线性代数方程。线性系统具有齐次性和叠加线性代数方程。线性系统具有齐次性和叠加 性，其优点是数学处理简便，理论体系完整。性，其优点是数学处理简便，理论体系完整。 非线性控制系统：非线性控制系统： 用非线性方程描述的系统，不满足叠加原理。用非线性方程描述的系统，不满足叠加原理。1.5.3 按数学描述分类按数学描述分类第一章第一章 自动控制概论自动控制概论2021/7/1621.5.4 按时间信号的性质分类按时间信号的性质分类可分为连续控制系统和离散控制系统：可分为连续控制系统和离散控制系统： 连续控制系统：系统中各变量均对时间连续。连续控制系统：系统中各变量均对时间连续。离散控制系统：系统中一处或几处的变量为离离散控制系统：系统中一处或几处的变量为离 散信号，如计算机控制系统或采样控制系统。散信号，如计算机控制系统或采样控制系统。0t t连续信号连续信号0t t离散信号离散信号第一章第一章 自动控制概论自动控制概论2021/7/163 定常系统：定常系统： 系统的参数不随时间变化的系统。描述其系统的参数不随时间变化的系统。描述其 动态特性的微分方程或差分方程的系数为动态特性的微分方程或差分方程的系数为 常数。常数。 时变系统：时变系统： 系统的参数随时间而变化。描述其动态特性系统的参数随时间而变化。描述其动态特性 的微分方程或差分方程的系数不为常数。的微分方程或差分方程的系数不为常数。 可分为定常系统与时变系统可分为定常系统与时变系统1.5.5 按系统参数是否随时间变化分类按系统参数是否随时间变化分类第一章第一章 自动控制概论自动控制概论2021/7/1641.6 应用举例应用举例第一章第一章 自动控制概论自动控制概论2021/7/1651.6 应用举例应用举例第一章第一章 自动控制概论自动控制概论2021/7/166例1-1 烘烤炉温度控制系统 放大器混合器放大器煤气空气电动机热电偶工件 uruauuTT控制阀受控对象？被控量？给定装置？干扰？ 测量元件？执行机构？2021/7/167受控对象烘烤炉；被控量炉温；给定装置电位器；干扰加热工件、煤气压力波动、环境温度 、电源电压等 ； 测量元件热电偶；执行机构可逆电动机静态u=0；动态u0。工件增多（负载增大）工件减少（负载减小）放大器电动机烘炉热电偶给定值被控量工件环境温度 uruT图1-10烘炉温度控制系统方框图放大器uauT 系统的工作原理：2021/7/168 系统有各种各样，对每个系统也都有不同的特殊系统有各种各样，对每个系统也都有不同的特殊要求，但对于各类系统来说，在已知系统的结构和参要求，但对于各类系统来说，在已知系统的结构和参数时，研究的和感兴趣的却是系统在某种典型输入信数时，研究的和感兴趣的却是系统在某种典型输入信号下，其被控量变化的全过程。也就是说，研究的内号下，其被控量变化的全过程。也就是说，研究的内容和方法都是相同或相似的，如：恒值系统研究扰动容和方法都是相同或相似的，如：恒值系统研究扰动作用引起被控量变化的全过程；随动系统研究被控量作用引起被控量变化的全过程；随动系统研究被控量如何克服扰动影响并跟随给定量的变化过程。所以对如何克服扰动影响并跟随给定量的变化过程。所以对于各种控制系统的要求可归纳为：于各种控制系统的要求可归纳为：系统的系统的c(t)必须迅速、必须迅速、准确的按输入量的变化而变化，克服扰动影响。准确的按输入量的变化而变化，克服扰动影响。1.7 自动控制系统的基本要求自动控制系统的基本要求第一章第一章 自动控制概论自动控制概论2021/7/169 实际中，由于机械部分质量、惯量的存在以及实际中，由于机械部分质量、惯量的存在以及电路中电路中L.C的存在，输出不会是理想状态。要有一个的存在，输出不会是理想状态。要有一个过渡过程，最后趋于新的稳态值。因此，从稳、快、过渡过程，最后趋于新的稳态值。因此，从稳、快、准三方面来评价系统的总体精度。准三方面来评价系统的总体精度。 图117图118基本要求（续）基本要求（续）第一章第一章 自动控制概论自动控制概论2021/7/170稳定性稳定性1.稳定性指动态过程的振荡倾向和系统重新恢复稳定性指动态过程的振荡倾向和系统重新恢复平衡状态的能力。平衡状态的能力。2.稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件，稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件，一个稳定的系统，其一个稳定的系统，其c(t)偏离期望值的初始偏差偏离期望值的初始偏差应随应随t的延长逐渐减小或趋于零。的延长逐渐减小或趋于零。(如曲线如曲线和和)3.一个不稳定的系统，其一个不稳定的系统，其c(t)偏离期望值的初始偏偏离期望值的初始偏差将随着差将随着t的增长而发散。无法实现预定的任务。的增长而发散。无法实现预定的任务。（如曲线（如曲线）第一章第一章 自动控制概论自动控制概论2021/7/171c(t)t0基本要求（续）基本要求（续）第一章第一章 自动控制概论自动控制概论2021/7/172 快速性快速性 1.快速性指动态过程进行的时间长短。快速性指动态过程进行的时间长短。2.T过长：系统长久出现大偏差，难以复现快速变过长：系统长久出现大偏差，难以复现快速变化的指令信号。（例雷达、导弹等）化的指令信号。（例雷达、导弹等）3.若满足既稳又快，则系统的动态精度高。（如：若满足既稳又快，则系统的动态精度高。（如：飞机自动驾驶仪系统、当飞机受到阵风干扰偏飞机自动驾驶仪系统、当飞机受到阵风干扰偏离航线。若系统自动恢复原航线的速度过快，离航线。若系统自动恢复原航线的速度过快，则乘客感到不适。函数记录仪还可能损坏记录则乘客感到不适。函数记录仪还可能损坏记录笔。）笔。）第一章第一章 自动控制概论自动控制概论2021/7/173 准确性准确性 准确性指系统过渡过程结束到新准确性指系统过渡过程结束到新的平衡工作状态以后或系统受干扰后的平衡工作状态以后或系统受干扰后重新恢复平衡，最终保持的精度。反重新恢复平衡，最终保持的精度。反映后期性能。映后期性能。第一章第一章 自动控制概论自动控制概论2021/7/174 说明说明1.因受控对象的不同，各种系统对稳、准、快的因受控对象的不同，各种系统对稳、准、快的要求有所侧重。如：恒值系统要求有所侧重。如：恒值系统-对稳（平衡）对稳（平衡）要求严格。而对随动系统要求严格。而对随动系统-快、准要求高。快、准要求高。2.同一个系统稳、快、准是相互制约的，提高过同一个系统稳、快、准是相互制约的，提高过渡过程的快速性，可能会引起振荡；改善了平渡过程的快速性，可能会引起振荡；改善了平稳性，过渡过程又很迟缓。稳性，过渡过程又很迟缓。3.本课程的主要内容就是如何分析和解决上述矛本课程的主要内容就是如何分析和解决上述矛盾。盾。第一章第一章 自动控制概论自动控制概论2021/7/1751.7.2 典型输入信号 1阶跃函数（位置函数）：阶跃函数（位置函数）： n n当当A=1时，称为单位时，称为单位阶跃函数，阶跃函数，n n记作记作n n且且tr (t)0A第一章第一章 自动控制概论自动控制概论2021/7/12021/7/17676当当B =1时，时， 称为单称为单 位斜坡函数。位斜坡函数。 2斜坡函数（等速度函数）斜坡函数（等速度函数）n n斜坡函数的导数是阶跃函数。斜坡函数的导数是阶跃函数。n n记作：记作：tr (t)0第一章第一章 自动控制概论自动控制概论2021/7/12021/7/177773抛物抛物线线函数（等加速度函数）函数（等加速度函数）称称为单为单位抛物位抛物线线函数，函数，记记作作 且且 抛物抛物线线函数的函数的导导数是斜坡函数。数是斜坡函数。tr (t)0第一章第一章 自动控制概论自动控制概论2021/7/12021/7/178784脉冲函数：脉冲函数：第一章第一章 自动控制概论自动控制概论2021/7/12021/7/17979抛物线信号的导数是斜坡信号，斜坡信号的导抛物线信号的导数是斜坡信号，斜坡信号的导数是阶跃信号，而阶跃信号的导数是脉冲信号。数是阶跃信号，而阶跃信号的导数是脉冲信号。4脉冲函数（脉冲函数（续续）tr ( (t t) )05正弦函数：正弦函数：第一章第一章 自动控制概论自动控制概论2021/7/12021/7/18080 选典型信号时应尽量接近实际工作情况，如输选典型信号时应尽量接近实际工作情况，如输 入具有突变情况时选阶跃函数，输入随时间增入具有突变情况时选阶跃函数，输入随时间增 加而变化时选斜坡函数，周期性变化时选正弦加而变化时选斜坡函数，周期性变化时选正弦 函数等。函数等。典型输入信号（续）典型输入信号（续）第一章第一章 自动控制概论自动控制概论2021/7/12021/7/18181（1）自动控制是在没有人直接参与的情况下，利用控制）自动控制是在没有人直接参与的情况下，利用控制装置使被控对象自动地按要求的运动规律变化。自动控制装置使被控对象自动地按要求的运动规律变化。自动控制系统是由被控对象和控制器按一定方式联接起来的、完成系统是由被控对象和控制器按一定方式联接起来的、完成一定自动控制任务的有机整体。一定自动控制任务的有机整体。（2）自动控制系统可以是开环控制、闭环控制或复合控）自动控制系统可以是开环控制、闭环控制或复合控制。最基本的控制方式是闭环控制，亦称反馈控制。制。最基本的控制方式是闭环控制，亦称反馈控制。（3）自动控制系统的分类方法很多，其中最常见的是按）自动控制系统的分类方法很多，其中最常见的是按给定信号的特点进行分类，可分为恒值系统、随动系统和给定信号的特点进行分类，可分为恒值系统、随动系统和程控系统。程控系统。（4）在分析系统的工作原理时，应注意系统各组成部分）在分析系统的工作原理时，应注意系统各组成部分具有的职能，并能用原理方框图进行分析。原理方框图是具有的职能，并能用原理方框图进行分析。原理方框图是分析控制系统的基础。分析控制系统的基础。（5）对自动控制系统性能的基本要求可归结为稳、快、）对自动控制系统性能的基本要求可归结为稳、快、准三个字。准三个字。本章小结本章小结第一章第一章 自动控制概论自动控制概论2021/7/12021/7/18282（6）常用的典型输入信号有阶跃函数、斜坡函数、抛物线）常用的典型输入信号有阶跃函数、斜坡函数、抛物线 函数、脉冲函数和正弦函数。函数、脉冲函数和正弦函数。（7）自动控制理论是研究自动控制技术的基础理论，其研）自动控制理论是研究自动控制技术的基础理论，其研 究内容主要分为系统分析和系统设计两个方面。究内容主要分为系统分析和系统设计两个方面。本章小结（续）本章小结（续）第一章第一章 自动控制概论自动控制概论2021/7/12021/7/18383 结束语结束语若有不当之处，请指正，谢谢！若有不当之处，请指正，谢谢！