第一章--自动控制的一般概念讲述

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1、第一章第一章 自动控制自动控制概论概论v自动化（自动化（AutomationAutomation）是指机器或装置在无人干预的情况下按规定的程序或是指机器或装置在无人干预的情况下按规定的程序或指令自动地进行操作或运行，脱离具体物理对象而去指令自动地进行操作或运行，脱离具体物理对象而去研究自动化是毫无意义的。研究自动化是毫无意义的。自动化自动化是延伸人类体能和智能、提高劳动生产率和产是延伸人类体能和智能、提高劳动生产率和产品质量的关键技术。品质量的关键技术。v控制（控制（ControlControl）是人们为实现所要达到的目标而采用的方法与手段，是人们为实现所要达到的目标而采用的方法与手段，因而可

2、以脱离具体物理对象而去研究控制。因而可以脱离具体物理对象而去研究控制。相应的控相应的控制论可分为工程控制论、社会控制论、经济控制论、制论可分为工程控制论、社会控制论、经济控制论、生物控制论等。生物控制论等。2.2.自动化的含义自动化的含义自动控制是一门不断发展的、综合性的技术科学自动控制是一门不断发展的、综合性的技术科学涉及到的学科涉及到的学科:物理、化学、数学、计算机、人工智能、信息物理、化学、数学、计算机、人工智能、信息论、生命科学以及社会科学。论、生命科学以及社会科学。控制技术的运用从工业控制已进入到生物控制、控制技术的运用从工业控制已进入到生物控制、医学、环境控制、社会经济、人口控制等

3、各个领域。医学、环境控制、社会经济、人口控制等各个领域。自动化专业自动化专业的主干学科为的主干学科为:控制科学与工程，控制科学与工程，并与电气工程、信息与通信工程、计算机科学与技并与电气工程、信息与通信工程、计算机科学与技术、仪器科学与技术等学科相关。术、仪器科学与技术等学科相关。我国首批设立的专业：工业电气自动化我国首批设立的专业：工业电气自动化 国防院校：国防院校：自动控制自动控制自自动动化化我国自动化学科专业领域包括：我国自动化学科专业领域包括：1 1个一级学科、个一级学科、5 5个二级学科，即个二级学科，即0811 0811 控制科学与工程控制科学与工程 081101 081101 控

4、制理论与控制工程控制理论与控制工程 081102 081102 检测技术与自动化装置检测技术与自动化装置 081103 081103 系统工程系统工程 081104 081104 模式识别与智能系统模式识别与智能系统 081105 081105 导航、制导与控制导航、制导与控制自动控制原理自动控制原理课程介绍课程介绍v先修课程：先修课程：工程数学工程数学/信号与系统信号与系统v教学内容：教学内容：利用各种数学方法对控制系统进行分利用各种数学方法对控制系统进行分析和设计析和设计v实践环节：实践环节：控制方法的控制方法的MATLAB软件实现软件实现 省略数学证明省略数学证明 淡化解题技巧淡化解题技

5、巧补充内容：补充内容：MATLAB MATLAB控制类工具箱的使用控制类工具箱的使用配套教材配套教材:v胡寿松胡寿松.自动控制原理基础教程自动控制原理基础教程科学出版社科学出版社,2013.,2013.v胡寿松胡寿松.自动控制原理简明教程（第自动控制原理简明教程（第2版）版）科学出版社科学出版社,2008.,2008.教材教材:v胡寿松胡寿松.自动控制原理（第自动控制原理（第6版）版）科学出版社科学出版社,2013.,2013.参考书目参考书目:v王正林王正林.MATLAB/SimulinkMATLAB/Simulink与控与控制系统仿真制系统仿真 (第第3 3版版)电子工业电子工业出版社出版

6、社 ,2012.,2012.v 薛定宇薛定宇.控制系统计算机辅助控制系统计算机辅助设计设计MATLABMATLAB语言与应用语言与应用(第第3 3版版)清华大学出版社清华大学出版社,2012.,2012.考核形式考核形式:上课情况上课情况(20分分)+作业作业(20分分)+实践测试实践测试(30分分)+期末考试期末考试(30分分)v古典（经典）控制理论古典（经典）控制理论 自动控制原理（理论）自动控制原理（理论）（17871960）以传递函数为基础研究单以传递函数为基础研究单输入单输出定常控制系输入单输出定常控制系统的分析与设计问题。这统的分析与设计问题。这些理论由于其发展较早，些理论由于其发

7、展较早，现已臻成熟。现已臻成熟。v现代（近代）控制理论现代（近代）控制理论 （19601980）以状态空间法为基础，研究多以状态空间法为基础，研究多输入多输出控制系统的分输入多输出控制系统的分析与设计问题。系统具有高析与设计问题。系统具有高精度和高效能的特点。精度和高效能的特点。最优控制最优控制、自适应控制、自适应控制 计算机控制、系统辨识计算机控制、系统辨识v智能控制理论（智能控制理论（1980）以人工智能为基础，研究复杂对象（车间、工厂、集以人工智能为基础，研究复杂对象（车间、工厂、集团）、复杂任务、复杂环境。团）、复杂任务、复杂环境。管理和控制一体化管理和控制一体化:计算机集成制造系统，

8、复杂控制系统计算机集成制造系统，复杂控制系统1.2 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念自动控制自动控制，是指在没有人直接参与的情况下，利，是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称为控制器或控制装置），用外加的设备或装置（称为控制器或控制装置），使机器、设备或生产过程（统称被控对象）的某使机器、设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（统称被控量）自动地按照预个工作状态或参数（统称被控量）自动地按照预定的规律运行。定的规律运行。自动控制系统自动控制系统，是指能够对被控制对象的工作状是指能够对被控制对象的工作状态进行自动控制的系统。态进行自动控制的系统。控制器被控

9、对象r(t)c(t)1.2.1 反馈控制原理反馈控制原理 在自动控制系统中，被控量是要求严格加以在自动控制系统中，被控量是要求严格加以控制的物理量；而作为对被控对象施加控制作用控制的物理量；而作为对被控对象施加控制作用的控制装置，可以采用不同的原理和方式完成赋的控制装置，可以采用不同的原理和方式完成赋予的任务。其中，最基本的控制原理就是予的任务。其中，最基本的控制原理就是反馈控反馈控制原理制原理。基于反馈控制原理组成的控制系统被称基于反馈控制原理组成的控制系统被称为为反馈控制系统反馈控制系统。在反馈控制系统中，控制装置对被控对象施在反馈控制系统中，控制装置对被控对象施加控制作用，而控制装置接受

10、的信号是取自被控加控制作用，而控制装置接受的信号是取自被控量的反馈信号与给定值相比较生成的偏差，量的反馈信号与给定值相比较生成的偏差，根据根据偏差值的大小产生控制作用偏差值的大小产生控制作用，实现控制任务。，实现控制任务。实际行驶方向预期行驶方向图图1.1 汽车驾驶控制原理框图汽车驾驶控制原理框图测量测量预期预期路线路线大脑大脑方向盘方向盘汽车汽车实际实际路线路线眼睛和其他眼睛和其他感觉器官感觉器官手手图图1.2 汽车驾驶控制原理框图汽车驾驶控制原理框图 控制系统的基本组成控制系统的基本组成图图1.3 控制系统职能方框图控制系统职能方框图 比较比较执行执行测量测量被控对象被控对象实测值实测值干

11、扰干扰测量测量给定值给定值被控量被控量控制器控制器应具有三种基本职能，即应具有三种基本职能，即测量测量、比较比较和和执行执行。1.测量元件测量元件的职能是检测被控制的物理量，如果所的职能是检测被控制的物理量，如果所测量的物理量为非电量，一般要将其转换为电量。测量的物理量为非电量，一般要将其转换为电量。2.比较元件比较元件的职能的职能是将测量元件检测到的被控量的是将测量元件检测到的被控量的实际值与给定值相比较，计算求出二者间的偏差。实际值与给定值相比较，计算求出二者间的偏差。3.放大元件放大元件的职能是的职能是将比较元件给出的偏差信号将比较元件给出的偏差信号放大，以驱动执行元件去控制被控对象。放

12、大，以驱动执行元件去控制被控对象。4.执行元件执行元件的职能是的职能是直接推动被控对象，使被控量直接推动被控对象，使被控量发生变化发生变化。1.2.3 技术术语技术术语1.被控对象被控对象:是指要求实现自动控制的机器、设是指要求实现自动控制的机器、设备或生产过程。备或生产过程。3.控制器：控制器：又称调节器、控制装置，由控制元又称调节器、控制装置，由控制元件组成，它接受指令信号，输出控制作用信号件组成，它接受指令信号，输出控制作用信号于被控对象。于被控对象。2.被控量：被控量：表征被控对象工作状态的物理参量表征被控对象工作状态的物理参量(或状态参量或状态参量)，如转速、压力、温度、电压、位，如

13、转速、压力、温度、电压、位移等。移等。4.给定值或指令信号给定值或指令信号r(t)：要求控制系统按一定要求控制系统按一定规律变化的信号，是系统的输入信号。规律变化的信号，是系统的输入信号。5.干扰信号干扰信号n(t)：又称扰动值，是一种对系统的又称扰动值，是一种对系统的被控量起破坏作用的信号。被控量起破坏作用的信号。6.反馈信号反馈信号b(t)：是指被控量经测量元件检测后是指被控量经测量元件检测后回馈送到系统输入端的信号。回馈送到系统输入端的信号。7.偏差信号偏差信号e(t)：是指给定值与被控量的差值，是指给定值与被控量的差值，或指令信号与反馈信号的差值。或指令信号与反馈信号的差值。液位控制系

14、统液位控制系统控制器控制器减速器减速器电动机电动机电位器电位器浮子浮子用水开关用水开关Q2Q1cifSM 下面通过具体例子来说明自动控制和自动控制下面通过具体例子来说明自动控制和自动控制系统的概念系统的概念控制任务：控制任务：维持水箱内水位恒定维持水箱内水位恒定控制装置：控制装置：阀门、控制器阀门、控制器受控对象：受控对象：水箱、供水系统水箱、供水系统被控量：被控量：水箱内水位的高度水箱内水位的高度给定值给定值：控制器刻度盘指针标定控制器刻度盘指针标定的预定水位高度的预定水位高度测量装置测量装置：浮子浮子比较装置比较装置：控制器刻度盘控制器刻度盘干扰：干扰：水的流出量和流入量的水的流出量和流入

15、量的变化都将破坏水位保持变化都将破坏水位保持恒定恒定自动控制，即没有人直接参与的控制。其基本任务是：自动控制，即没有人直接参与的控制。其基本任务是：在无人直接参与的情况下，利用控制装置操纵被控对在无人直接参与的情况下，利用控制装置操纵被控对象，使被控制量等于给定值。象，使被控制量等于给定值。自动控制系统：指能够完成自动控制任务的设备，一般由控制装置控制装置和被控对象被控对象组成。由此可见：由此可见：1.3.1 1.3.1 开环控制开环控制 1.按给定值控制按给定值控制 执行被控对象计算给定值被控量干扰+图图1.4 开环控制框图开环控制框图1.3 自动控制的基本方式自动控制的基本方式 温度计温度

16、计 加热电阻丝加热电阻丝调压器调压器u(a)原理图原理图220V输出量输出量(手柄位置手柄位置)输入量输入量 调压器调压器 加热加热 电阻丝电阻丝 电炉电炉 恒温箱恒温箱 受控对象受控对象(温度温度)扰动量扰动量(b)方块图方块图控制装置控制装置炉温控制系统炉温控制系统 按给定值操纵的开环控制按给定值操纵的开环控制特点：特点：控制装置只按给定值来控制受控对象。控制装置只按给定值来控制受控对象。优点：控制系统结构简单，相对来说成本低。优点：控制系统结构简单，相对来说成本低。缺点：缺点：对可能出现的被控量偏离给定值的偏差没有任何修正能力，抗干扰能力差，控制精度不高。1.3.2 1.3.2 闭环控制

17、闭环控制 图图1.5 闭环控制框图闭环控制框图 v用用“”号代表比较装置，号代表比较装置，“”号代表两者符号相反。信号号代表两者符号相反。信号沿箭头方向从输入端到达输出端的传输通路称沿箭头方向从输入端到达输出端的传输通路称前向通路前向通路；系统；系统输出量经测量装置反馈到输入端的传输通路称输出量经测量装置反馈到输入端的传输通路称主反馈通路主反馈通路。前。前向通路与主反馈通路共同构成主回路。向通路与主反馈通路共同构成主回路。被控量被控量偏差偏差信号信号(-)参考参考 输入信号输入信号r(t)调节器调节器(或控制器或控制器)u(t)受控系统受控系统e(t)c(t)反馈信号反馈信号 控制量控制量 扰

18、动扰动 给定给定 装置装置 校正校正 装置装置 放大放大 元件元件 执行执行 机构机构 受控受控 对象对象 反馈装置反馈装置(测量元件测量元件)给定装置：给定装置：产生给定值或输入信号（量）（即参考量或期望值）产生给定值或输入信号（量）（即参考量或期望值）测量装置：测量装置：测量被控制的物理量（被控量），用于产生反馈信号测量被控制的物理量（被控量），用于产生反馈信号 各种传感器：测速发电机、电位计、热电偶等。各种传感器：测速发电机、电位计、热电偶等。比较装置：比较装置：把测量元件检测的实际值（被控量）与给定元件把测量元件检测的实际值（被控量）与给定元件 给出的参考量进行比较，求出它们之间的偏差

19、。给出的参考量进行比较，求出它们之间的偏差。如差动放大器、自整角机。如差动放大器、自整角机。放大装置：放大装置：将比较元件给出的偏差进行放大，用来推动执行元件将比较元件给出的偏差进行放大，用来推动执行元件 去控制被控对象，如放大器、晶闸管。去控制被控对象，如放大器、晶闸管。执行机构：执行机构：直接推动被控对象，使其被控量发生变化。直接推动被控对象，使其被控量发生变化。如步进电机，继电器开关。如步进电机，继电器开关。补偿装置：补偿装置：它是结构或参数便于调整的元件或机构，用串联或它是结构或参数便于调整的元件或机构，用串联或 反馈的方式连接在系统中，以改善控制系统性能。反馈的方式连接在系统中，以改

20、善控制系统性能。工业应用的控制系统：电动、汽（气）动、液动。工业应用的控制系统：电动、汽（气）动、液动。控制任务控制任务：保持转台的实际转速等于期望转速。被控对象被控对象：转台。被控量被控量：转台转速。例例 转台速度控制系统转台速度控制系统 转台速度闭环控制系统原理方框图转台速度闭环控制系统原理方框图 给定电位器给定电位器反馈电位器反馈电位器例例 飞机飞机-自动驾驶仪系统自动驾驶仪系统飞机自动驾驶系统原理图控制任务控制任务：系统在任何扰动作用下，保持飞机俯仰角不变。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。飞机。被控量被控量：飞机的俯仰角飞机的俯仰角 。俯仰角控制系统原

21、理方框图俯仰角控制系统原理方框图函数记录仪原理示意图函数记录仪原理示意图RQRWuLtur变换器变换器放大器放大器绳轮绳轮电机电机测速机测速机减速器减速器函数记录仪方块图1.3.3.1.3.3.复合控制复合控制 执行被控对象计算给定值测量被控量干扰+-测量计算图图1.6 复合控制框图复合控制框图 v定义：通常把系统受到外作用后，被控量随时间定义：通常把系统受到外作用后，被控量随时间变化的全过程，称为动态过程或过渡过程。变化的全过程，称为动态过程或过渡过程。工程上常从稳、快、准三个方面来评价控制系统。工程上常从稳、快、准三个方面来评价控制系统。稳：稳：指控制系统的稳定性与平稳性。指控制系统的稳定

22、性与平稳性。快：快：指控制系统的快速性。指控制系统的快速性。准：准：指控制系统的最终精度（稳态精度）。指控制系统的最终精度（稳态精度）。1.4 自动控制系统的基本要求自动控制系统的基本要求 1 1 稳定性稳定性 稳定性稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件。是保证控制系统正常工作的先决条件。对于稳定的控制系统，被控量偏离期望值后，经过一对于稳定的控制系统，被控量偏离期望值后，经过一段过渡时间后，被控量应恢复到原来状态。段过渡时间后，被控量应恢复到原来状态。对于不稳定的控制系统，其被控量偏离期望值的偏差对于不稳定的控制系统，其被控量偏离期望值的偏差将会越来越大，最终发散将会越来越大，最终发散。O

23、tc(t)r(t)12 控制系统动态过程曲线控制系统动态过程曲线如上图所示，系统在外力作用下，输出逐渐与期望值一致，如上图所示，系统在外力作用下，输出逐渐与期望值一致，则系统是稳定的，如曲线则系统是稳定的，如曲线所示；反之，输出如曲线所示；反之，输出如曲线所示，所示，则系统是不稳定的。则系统是不稳定的。稳：稳：指控制系统的稳定性与平稳性指控制系统的稳定性与平稳性2 2 快速性快速性 快速性快速性即动态过程进行时间的长短。即动态过程进行时间的长短。过程时间越短，说明系统的快速性越好，过程时间持续过程时间越短，说明系统的快速性越好，过程时间持续越长，说明系统响应迟钝，难以实现快速变化的指令信越长，

24、说明系统响应迟钝，难以实现快速变化的指令信号。号。稳定性和快速性反映了系统的过渡过程的性能。稳定性和快速性反映了系统的过渡过程的性能。Otc(t)r(t)12 控制系统的动态过程控制系统的动态过程快：快：指控制系统的快速性指控制系统的快速性3 3 准确性准确性 当系统结束过渡过程后，被控量达到稳定值（平当系统结束过渡过程后，被控量达到稳定值（平衡状态），这个稳定值与期望值的误差，就是系衡状态），这个稳定值与期望值的误差，就是系统的统的稳态误差稳态误差。它是衡量系统稳态精度的指标，它是衡量系统稳态精度的指标，反映了动态过程后期的性能。反映了动态过程后期的性能。以上分析的稳、快、准三方面的性能指标

25、往往由于被以上分析的稳、快、准三方面的性能指标往往由于被控对象的具体情况不同，各系统要求也有所侧重，而控对象的具体情况不同，各系统要求也有所侧重，而且同一个系统的稳、快、准的要求是相互制约的。且同一个系统的稳、快、准的要求是相互制约的。1.5 控制系统的计算机辅助设控制系统的计算机辅助设计计v控制系统的计算机辅助设计发展概况控制系统的计算机辅助设计发展概况 第一阶段：第一阶段：6070年代，采用一个或者几个控制系统计算年代，采用一个或者几个控制系统计算程序组成的控制系统计算机辅助设计软件包。程序组成的控制系统计算机辅助设计软件包。第二阶段：第二阶段：7080年代，功能齐全的用于多变量系统设计年

26、代，功能齐全的用于多变量系统设计的计算机辅助设计软件包。的计算机辅助设计软件包。第三阶段：第三阶段：80中期开始，产生中期开始，产生仿真软件仿真软件MATLABMATLAB控制系控制系统计算机辅助设计仿真系统。统计算机辅助设计仿真系统。v控制系统计算机辅助设计的主要内容控制系统计算机辅助设计的主要内容 计算机辅助建立系统模型计算机辅助建立系统模型 数学模型表示方式之间的相互转换数学模型表示方式之间的相互转换 计算机辅助分析和设计控制系统计算机辅助分析和设计控制系统 数字仿真实验采用目前世界上最为流行的计数字仿真实验采用目前世界上最为流行的计算机仿真软件算机仿真软件MATLABMATLAB。它是

27、一个功能十分强大。它是一个功能十分强大的系统，是集数值计算、图形管理、程序开发为的系统，是集数值计算、图形管理、程序开发为一体的环境，已经成为一种实用的全新计算机高一体的环境，已经成为一种实用的全新计算机高级编程语言。级编程语言。在欧美大学里，诸如应用代数、数理统计、在欧美大学里，诸如应用代数、数理统计、自动控制、数字信号处理、模拟与数字通信、时自动控制、数字信号处理、模拟与数字通信、时间序列分析、动态系统仿真等课程的教科书都把间序列分析、动态系统仿真等课程的教科书都把MATLABMATLAB作为内容。作为内容。MATLABMATLAB更是研究和解决工更是研究和解决工程计算问题的一种标准软件，

28、被用来解决一些实程计算问题的一种标准软件，被用来解决一些实际课题和数学模型问题。际课题和数学模型问题。MATLABMATLAB仿真软件仿真软件SIMULINK在工程实际中，控制系统的结构往往很复杂，如果不借助专用的系统建模软件，则很难准确地把一个控制系统的复杂模型输入计算机，对其进行进一步的分析与仿真。1990年，Math Works软件公司为MATLAB提供了新的控制系统模型图输入与仿真工具，并命名为SIMULAB，该工具很快就在控制工程界获得了广泛的认可，使得仿真软件进入了模型化图形组态阶段。但因其名字与当时比较著名的软件SIMULA类似，所以1992年正式将该软件更名为SIMULINK。

29、SIMULINK简介简介qSIMULINK是MATLAB软件的扩展，它是实现动态系统建模和仿真的一个软件包，它与MATLAB语言的主要区别在于，其与用户交互接口是基于Windows的模型化图形输入。q所谓模型化图形输入是指SIMULINK提供了一些按功能分类的基本的系统模块，用户只需知道这些模块的输入输出及模块的功能，而不必考察模块内部是如何实现的，通过对这些基本模块的调用，再将它们连接起来就可以构成所需要的系统模型（以.mdl文件进行存取），进而进行仿真与分析。vSIMULINK是一个进行动态系统建模、仿真和综合分析的集成软件包。它可以处理的系统包括：线性、非线性系统；离散、连续及混合系统；

30、单任务、多任务离散事件系统。v在SIMULINK环境中，用户可观察到摩擦、风阻、齿隙、饱和、死区等非线性因素和各种随机因素对系统行为的影响。还可以在仿真进程中改变感兴趣的参数，实时地观察系统行为的变化。v在MATLAB6.x版中，可直接在SIMULINK环境中运作的工具包很多，已覆盖通信、控制、信号处理、电力系统等诸多领域，所涉内容专业性极强。本章小结本章小结1正确理解自动控制的三种基本控制方式，正确理解自动控制的三种基本控制方式，尤其闭环负反馈按偏差控制的原理更要清楚。尤其闭环负反馈按偏差控制的原理更要清楚。2在已知自动控制系统工作原理图的条件下，在已知自动控制系统工作原理图的条件下，熟练地给出该系统的职能方框图，正确标示出熟练地给出该系统的职能方框图，正确标示出系统各职能元件的名称和信号的名称。系统各职能元件的名称和信号的名称。