1、 第一章第一章 控制系统导论控制系统导论 信息控制类专业最重要的专业基础课之一信息控制类专业最重要的专业基础课之一自动控制原理自动控制原理电子信息学院控制理论与控制工程课程组电子信息学院控制理论与控制工程课程组 第一章第一章 控制系统导论控制系统导论 总学时：总学时：60学时学时 理教学时：理教学时：54学时学时 实验学时：实验学时：6学时学时 考核方式：闭卷考核方式：闭卷学时安排：学时安排： 第一章第一章 控制系统导论控制系统导论 参考书参考书2. 第一章第一章 控制系统导论控制系统导论 主要内容主要内容 第一章第一章 控制系统导论控制系统导论 第二章第二章 控制系统的数学模型控制系统的数学
2、模型 第三章第三章 控制系统的时域分析法控制系统的时域分析法 第四章第四章 控制系统的根轨迹分析法控制系统的根轨迹分析法 第五章第五章 控制系统的频域分析法控制系统的频域分析法 第六章第六章 控制系统的校正控制系统的校正 第一章第一章 控制系统导论控制系统导论 相关课程相关课程自动控制理论自动控制理论电路理论电路理论 电机与拖动电机与拖动大学物理大学物理信号与系统信号与系统复变函数复变函数拉氏变换拉氏变换模拟电子技术模拟电子技术线性代数线性代数 微积分微积分 各 类专业课线性系统现代控制理论 第一章第一章 控制系统导论控制系统导论 第一章第一章 控制系统导论控制系统导论 第一章第一章 控制系统
3、导论控制系统导论 n自动控制自动控制在没有人直接参与的情况下，利用在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或外加的设备或装置装置，使，使机器、设备或生产过程机器、设备或生产过程的的某个工作状态某个工作状态或参数或参数自动地按照预定规律运行。自动地按照预定规律运行。被控对象被控对象控制装置控制装置被控变量被控变量 近几十年来，自动控制技术正在迅猛的发展，并在工农近几十年来，自动控制技术正在迅猛的发展，并在工农业生产、交通运输、国防建业生产、交通运输、国防建设和航空航天事业等领域中获设和航空航天事业等领域中获得广泛应用。得广泛应用。 第一章第一章 控制系统导论控制系统导论 比如：人造地球卫星的发射
4、成功与安全返回。比如：人造地球卫星的发射成功与安全返回。 第一章第一章 控制系统导论控制系统导论 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； 第一章第一章 控制系统导论控制系统导论 交通系统：交通系统： 安全、快捷、舒适、准点安全、快捷、舒适、准点 第一章第一章 控制系统导论控制系统导论 钢铁生产钢铁生产 第一章第一章 控制系统导论控制系统导论 制造系统：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 第一章第一章 控制系统导论控制系统导论 家用电器：家用电器： 电扇：电扇：控制转速控制转速
5、电冰箱、空调、电饭煲：电冰箱、空调、电饭煲：控制温度控制温度 洗衣机：洗衣机：控制水位、强弱、时间等控制水位、强弱、时间等 第一章第一章 控制系统导论控制系统导论 智能建筑：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 第一章第一章 控制系统导论控制系统导论 工业机器人：工业机器人： 第一章第一章 控制系统导论控制系统导论 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：其他机器人： 第一章第一章 控制系统导论控制系统导论 自动控制的应用领域 军事工业军事工业 航空航天航空航天 制造业制造业 机器人机器人 流程工业流程工业 电子工业电子工业
6、家用电器家用电器 交通系统，楼宇系统，经济系统，社会系统交通系统，楼宇系统，经济系统，社会系统 第一章第一章 控制系统导论控制系统导论 随着生产和科学技术的发展，自动控制技术可随着生产和科学技术的发展，自动控制技术可以说已渗透到各种学科领域，成为促进当代生产发以说已渗透到各种学科领域，成为促进当代生产发展和科学技术进步的重要因素。展和科学技术进步的重要因素。 事实上，任何技术事实上，任何技术设备、工作机械或设备、工作机械或生产过程都必须按生产过程都必须按要求运行。例如：要求运行。例如：要使火炮能自动跟要使火炮能自动跟踪并命中飞行目标，踪并命中飞行目标，炮身就必须按照指炮身就必须按照指挥仪的命令
7、而作方挥仪的命令而作方位角和俯仰角的变位角和俯仰角的变动；动； 第一章第一章 控制系统导论控制系统导论 要把数吨重人造卫星送入数百公里要把数吨重人造卫星送入数百公里高空的轨道，高空的轨道，使其所携带的各种仪器能长期使用、准确地工作，使其所携带的各种仪器能长期使用、准确地工作，就必须保持卫星的正确姿态，使它的太阳能电池一就必须保持卫星的正确姿态，使它的太阳能电池一直朝向太阳，无线电发射天线一直指向地球；直朝向太阳，无线电发射天线一直指向地球； 第一章第一章 控制系统导论控制系统导论 要使数控机床能加工出高要使数控机床能加工出高 精度的工件，就必须保证精度的工件，就必须保证 其工作台或刀架的进给量
8、其工作台或刀架的进给量 准确地按照程序指令的设准确地按照程序指令的设 定值变化；定值变化；要想使轮船安全顺利要想使轮船安全顺利的航行，就必须按照的航行，就必须按照领航员的命令改变尾领航员的命令改变尾舵的方向；舵的方向； 第一章第一章 控制系统导论控制系统导论 所有这一切都是以高水平的自动控制技术为前提的。所有这一切都是以高水平的自动控制技术为前提的。要使炼钢炉提供优质的产品，就必须严格控制炉要使炼钢炉提供优质的产品，就必须严格控制炉温温等等。等等。 第一章第一章 控制系统导论控制系统导论 二、自动控制理论二、自动控制理论 研究自动控制规律的技术科学。研究自动控制规律的技术科学。历史回顾：历史回
9、顾： 18世纪，世纪，James Watt 为控制蒸汽机速度设计的离心调节器，为控制蒸汽机速度设计的离心调节器， 是自动控制领域的第一项重大成果。是自动控制领域的第一项重大成果。1922年，年，Minorsky研制出船舶操纵自动控制器，并证明了从研制出船舶操纵自动控制器，并证明了从 系统的微分方程确定系统的稳定性的方法。系统的微分方程确定系统的稳定性的方法。1932年，年，Nyquist提出了一种根据系统的开环频率响应提出了一种根据系统的开环频率响应(对稳对稳 态正弦态正弦 输入输入)，确定闭环系统稳定性的方法。，确定闭环系统稳定性的方法。 1934年，年，Hezen提出了用于位置控制系统的伺
10、服机构的概念提出了用于位置控制系统的伺服机构的概念, 讨论了可以精确跟踪变化的输入信号的机电伺服机构。讨论了可以精确跟踪变化的输入信号的机电伺服机构。 第一章第一章 控制系统导论控制系统导论 20世纪世纪40年代，频率响应法为闭环控制系统提供了一种可年代，频率响应法为闭环控制系统提供了一种可 行方法，行方法，Evans提出并完善了根轨迹法。提出并完善了根轨迹法。20世纪世纪50年代末，控制系统设计问题的重点从设计许多可年代末，控制系统设计问题的重点从设计许多可 行系统中的一种系统，转到设计在某种意义上的最佳系统。行系统中的一种系统，转到设计在某种意义上的最佳系统。20世纪世纪60年代，数字计算
11、机的出现为复杂系统的基于时域分年代，数字计算机的出现为复杂系统的基于时域分 析的现代控制理论提供了可能。析的现代控制理论提供了可能。从从1960年到年到1980，确定性系统、随机系统的最佳控制，及复，确定性系统、随机系统的最佳控制，及复 杂系统的自适应和学习控制，都得到充分的研究。杂系统的自适应和学习控制，都得到充分的研究。从从1980年到现在，现代控制理论进展集中于鲁棒控制、年到现在，现代控制理论进展集中于鲁棒控制、H 控制及其相关课题。控制及其相关课题。 第一章第一章 控制系统导论控制系统导论 经典控制理论经典控制理论 以传递函数为基础研以传递函数为基础研究单输入究单输入-单输出一类单输出
12、一类定常控制系统的分析定常控制系统的分析与设计问题。这些理与设计问题。这些理论由于其发展较早，论由于其发展较早，现已臻成熟。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、多输出、时变、非线性一类控时变、非线性一类控制系统的分析与设计制系统的分析与设计问题。系统具有高精问题。系统具有高精度和高效能的特点。度和高效能的特点。 第一章第一章 控制系统导论控制系统导论 经典控制理论经典控制理论现代控制理论现代控制理论研究对象研究对象线性定常系统线性定常系统（单输入、单输出）（单输入、单输出）线性、非线性、定常、线性、非线性、定常、时变系统
13、时变系统（多输入、多输出）（多输入、多输出）描述方法描述方法传递函数传递函数（输入、输出描述（输入、输出描述）向量空间向量空间（状态空间描述）（状态空间描述）研究办法研究办法时域法、根轨迹法和时域法、根轨迹法和频率法频率法状态空间法状态空间法研究目标研究目标系统分析及给定输入、系统分析及给定输入、输出情况下的系统综输出情况下的系统综合合揭示系统的内在规律，实揭示系统的内在规律，实现在一定意义下的最优控现在一定意义下的最优控制与设计制与设计 第一章第一章 控制系统导论控制系统导论 自动控制理论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第第二二章章第第
14、三三章章第第四四章章第第五五章章第第六六章章第第七七章章第第八八章章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 第一章第一章 控制系统导论控制系统导论 三、专业术语三、专业术语1、被控对象被控对象要求实现自动控制的机器、设要求实现自动控制的机器、设备或生产过程。备或生产过程。2、控制装置控制装置对被控对象起控制作用的设备对被控对象起控制作用的设备总体。总体。3、被控量被控量被控对象的输出量，也就是要求被控对象的输出量，也就是要求严格加以控制的物理量，它可以要求保持某严格加以控制的物理量，它可以要求保持某一恒定值，也可以要求按照某个给定的规律一恒定值，也可以要求按照
15、某个给定的规律运行。运行。 第一章第一章 控制系统导论控制系统导论 1-2 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式 1、开环控制、开环控制是指控制装置与被控对象之间只有是指控制装置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。顺向作用而没有反向联系的控制过程。被控制对象控制器给定量扰动量输出量 例如：自动售货机、自动洗衣机、红绿灯例如：自动售货机、自动洗衣机、红绿灯的转换、产品自动生产线、数控机床等一的转换、产品自动生产线、数控机床等一般都是开环系统。般都是开环系统。 第一章第一章 控制系统导论控制系统导论 例例1：开环液面控制系统：开环液面控制系统 第一章第一章 控制系统导论
16、控制系统导论 例例2：恒温箱温度控制系统：恒温箱温度控制系统 第一章第一章 控制系统导论控制系统导论 2、闭环控制是指控制装置与被控对象之间既有顺向作用又有反向联系的控制。 由于是根据负反馈原理按偏差进行控制，由于是根据负反馈原理按偏差进行控制，所以也称该系统为反馈控制系统。所以也称该系统为反馈控制系统。 第一章第一章 控制系统导论控制系统导论 例例3：闭环控制的液面控制系统：闭环控制的液面控制系统 第一章第一章 控制系统导论控制系统导论 例例4：闭环恒温箱温度控制系统：闭环恒温箱温度控制系统 第一章第一章 控制系统导论控制系统导论 v 开环和闭环控制系统开环和闭环控制系统的特点的特点 1、开
17、环系统：、开环系统：结构简单，稳定性好，容易设计和调整以及结构简单，稳定性好，容易设计和调整以及成本较低的优点，对那些负载恒定，扰动小，控制精度要成本较低的优点，对那些负载恒定，扰动小，控制精度要求不高的实际系统，是有效的控制方式。求不高的实际系统，是有效的控制方式。2、闭环系统：、闭环系统：由于增加了检测装置和反馈环节，结构较复由于增加了检测装置和反馈环节，结构较复杂，成本有所增加；但它提高了系统的控制精度和抗干扰杂，成本有所增加；但它提高了系统的控制精度和抗干扰能力；同时负反馈对系统稳定性产生不利影响。能力；同时负反馈对系统稳定性产生不利影响。 第一章第一章 控制系统导论控制系统导论 三、
18、复合控制三、复合控制是指闭环控制与开环控制相是指闭环控制与开环控制相结合的一种控制方式。结合的一种控制方式。控制器控制器被控制被控制对象对象扰动扰动补偿装置补偿装置给定量给定量输出量输出量 第一章第一章 控制系统导论控制系统导论 1-3 自动控制系统分类与组成自动控制系统分类与组成一、分类一、分类1. 按输入信号特征分类按输入信号特征分类 1）恒值控制系统）恒值控制系统 给定输入为常数，系统克服扰动影响给定输入为常数，系统克服扰动影响 例：液位控制系统，温度控制系统等工业系统例：液位控制系统，温度控制系统等工业系统 2）随动控制系统）随动控制系统 给定输入是随机时间变化的函数（未知）给定输入是
19、随机时间变化的函数（未知） 例：函数记录仪、火炮自动跟踪系统例：函数记录仪、火炮自动跟踪系统 3）程序控制系统）程序控制系统 给定输入是预知的时间函数给定输入是预知的时间函数 例：机床加工系统例：机床加工系统 第一章第一章 控制系统导论控制系统导论 2.按描述元件特性分类按描述元件特性分类 1）线性系统）线性系统 组成系统的元件都是线性元件，输入输出的静态特组成系统的元件都是线性元件，输入输出的静态特性为线性关系性为线性关系 用线性微分方程描述用线性微分方程描述 2）非线性系统）非线性系统 只要系统中有一个元部件是非线性的只要系统中有一个元部件是非线性的 用非线性微分方程描述用非线性微分方程描
20、述 第一章第一章 控制系统导论控制系统导论 3.按照传递信号类型分类按照传递信号类型分类 连续系统连续系统 各个环节间的信号均为时间各个环节间的信号均为时间t的连续函数，可用微分的连续函数，可用微分方程描述方程描述 例：水箱系统例：水箱系统 离散系统离散系统 只要有一处信号是脉冲信号或者数字信号，定义在只要有一处信号是脉冲信号或者数字信号，定义在离散时刻上，用差分方程描述离散时刻上，用差分方程描述 例：计算机控制系统例：计算机控制系统 第一章第一章 控制系统导论控制系统导论 4.按照参数是否随时间变化分类按照参数是否随时间变化分类 定常系统定常系统 时变系统时变系统5.其他分类其他分类单输入输
21、出系统与多输入输出系统单输入输出系统与多输入输出系统确定性系统与不确定性系统确定性系统与不确定性系统集中参数系统与分布参数系统集中参数系统与分布参数系统 第一章第一章 控制系统导论控制系统导论 二、闭环控制系统的组成二、闭环控制系统的组成串联校正放大元件执行元件被控对象测量元件局部反馈-给定量给定量输出量输出量(1)比较元件：输出量与输入量进行综合，产生偏差信号。比较元件：输出量与输入量进行综合，产生偏差信号。(2)放大元件：对偏差信号进行放大与变换。放大元件：对偏差信号进行放大与变换。(3)执行元件：对被控对象执行控制任务。执行元件：对被控对象执行控制任务。(4)校正元件：改善系统的性能。校
22、正元件：改善系统的性能。(5)被控对象：需要进行控制的机器、设备或生产过程。被控对象：需要进行控制的机器、设备或生产过程。(6)测量元件：对输出量进行测量。测量元件：对输出量进行测量。 第一章第一章 控制系统导论控制系统导论 14 对控制系统的基本要求一、对控制系统的基本要求可以归纳为三个字：一、对控制系统的基本要求可以归纳为三个字： 稳 准快0 1234500.20.40.60.811.21.4 第一章第一章 控制系统导论控制系统导论 1.稳定性（最基本要求）稳定性（最基本要求） 系统在扰动消失后，由初始偏差状态恢复到平衡系统在扰动消失后，由初始偏差状态恢复到平衡状态的能力。状态的能力。、稳
23、定、不稳定 第一章第一章 控制系统导论控制系统导论 稳定性稳定性： (1) 对恒值系统，要求当系统受到扰动后，经对恒值系统，要求当系统受到扰动后，经过一定时间的调整能够回到原来的期望值。过一定时间的调整能够回到原来的期望值。 (2) 对随动系统，被控制量始终跟踪参据量的对随动系统，被控制量始终跟踪参据量的变化。变化。 稳定性是对系统的基本要求，不稳定的系统不稳定性是对系统的基本要求，不稳定的系统不能实现预定任务。线性系统的稳定性，通常由系能实现预定任务。线性系统的稳定性，通常由系统的结构决定，与外界因素无关。统的结构决定，与外界因素无关。 第一章第一章 控制系统导论控制系统导论 2.快速性快速
24、性 动态性能动态性能:调节时间、上升时间调节时间、上升时间 对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称为动态性对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称为动态性能。能。 稳定高射炮射角随动系统，虽然炮身最终能跟踪目标，稳定高射炮射角随动系统，虽然炮身最终能跟踪目标，但如果目标变动迅速，而炮身行动迟缓，仍然抓不住但如果目标变动迅速，而炮身行动迟缓，仍然抓不住目标。目标。 3. 准确性准确性 稳态性能：稳态性能：稳态误差稳态误差 在参考输入信号作用下，当系统达到稳态后，其稳态在参考输入信号作用下，当系统达到稳态后，其稳态输出与参考输入所要求的期望输出之差叫做给定稳态输出与参考输入所要求的期望输出之差叫做给
25、定稳态误差。显然，这种误差越小，表示系统的输出跟随参误差。显然，这种误差越小，表示系统的输出跟随参考输入的精度越高。考输入的精度越高。 第一章第一章 控制系统导论控制系统导论 二、典型外作用二、典型外作用 为了便于用统一的方法研究和比较控制系统为了便于用统一的方法研究和比较控制系统的性能，通常选用几种确定性函数作为典型外作的性能，通常选用几种确定性函数作为典型外作用，选择外作用的标准是：用，选择外作用的标准是：（1）这种函数在现场或实验室容易得到。）这种函数在现场或实验室容易得到。（2）控制系统在这种函数作用下的性能应代表在）控制系统在这种函数作用下的性能应代表在实际工作条件下的性能。实际工作
26、条件下的性能。（3）这种函数的数学表达式简单、便于计算。）这种函数的数学表达式简单、便于计算。 第一章第一章 控制系统导论控制系统导论 1、阶跃函数 0 t00 t)( Rtrtr(t)RR=1时，称为单位阶跃函数，记为时，称为单位阶跃函数，记为l(t) 。2斜坡函数0 t00 t)(Rttrtr(t)RtR=1时，称为单位斜坡函数。 第一章第一章 控制系统导论控制系统导论 3抛物线函数抛物线函数0 t00 t)(2Rttrr(t)t0R=1/2时，称为单位抛物线函数。时，称为单位抛物线函数。4正弦函数正弦函数 )- tAsin(r(t)tr(t) 第一章第一章 控制系统导论控制系统导论 5脉冲函数脉冲函数)(t-t(t)- tAr(t)t00011lim0 第一章第一章 控制系统导论控制系统导论 第一章第一章 控制系统导论控制系统导论 第一章第一章 控制系统导论控制系统导论 人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。 第一章第一章 控制系统导论控制系统导论
