1、自动控制原理自动控制原理讲授讲授 程曼程曼河北农业大学河北农业大学机电工程学院机电工程学院1一、课程简介一、课程简介 自动控制原理是电气类专业的一门自动控制原理是电气类专业的一门重要的专业技术基础课。该课程主要讲重要的专业技术基础课。该课程主要讲授经典控制理论的三大分析方法（时域授经典控制理论的三大分析方法（时域分析法，根轨迹分析法和频域分析法）分析法，根轨迹分析法和频域分析法）、自动控制系统综合与校正的一般方法、自动控制系统综合与校正的一般方法和非线性系统等内容。和非线性系统等内容。 通过对本课程的学习，要求学生系通过对本课程的学习，要求学生系统地掌握自动控制的基本原理和基本方统地掌握自动控
2、制的基本原理和基本方法，并能对控制系统进行定性分析、定法，并能对控制系统进行定性分析、定量计算和综合设计量计算和综合设计。2二、课程体系设置二、课程体系设置（一）结构体系：理清（一）结构体系：理清“三纵三横三纵三横”。 这里讲的这里讲的“三纵三纵”：指系统在三域（时：指系统在三域（时域、复域、频域）中的数学模型；域、复域、频域）中的数学模型；“三横三横”：指系统特性（稳定性、稳态特性、动：指系统特性（稳定性、稳态特性、动态特性）的三分析。态特性）的三分析。 1 1、“三纵三纵”： 结合系统的数学模型，讲清工程上实际结合系统的数学模型，讲清工程上实际求解与数学上理论计算之间的内在联系与求解与数学
3、上理论计算之间的内在联系与区别。具体地说，就是要搞清楚几种数学区别。具体地说，就是要搞清楚几种数学模型之间的相互关系。模型之间的相互关系。32 2、“三横三横”： 掌握系统分析的三要素：稳定性、静掌握系统分析的三要素：稳定性、静态特性和动态特性。态特性和动态特性。 性能指标是衡量一个系统好坏的重要性能指标是衡量一个系统好坏的重要标志，也是对系统进行校正的主要依据标志，也是对系统进行校正的主要依据，抓住这条线，就是抓住了系统分析改，抓住这条线，就是抓住了系统分析改造的关键，有利于学生建立一个造的关键，有利于学生建立一个“横向横向”的思路。的思路。 4（二）内容体系（二）内容体系 ：5三、课程内容
4、（共三、课程内容（共4848学时）学时）第一章第一章 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念 学时数学时数: 4: 4第二章第二章 线性连续系统的数学模型线性连续系统的数学模型 学时数：学时数：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 学时数：学时数：1010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 学时数：学时数：第五章第五章 控制系统的频率特性分析法控制系统的频率特性分析法 学时数：学时数：1 1第六章第六章 频率校正方法频率校正方法 学时数：学时数：3 3第七章第七章 非线性系统分析学时数：非线性系统分析学时数：3 3总复习及小测验学时数：总复习及小
5、测验学时数：6专业的培养目标专业的培养目标对高级工程技术人才的要求对高级工程技术人才的要求如何学习才能成为人才如何学习才能成为人才该课程的学习方法与要求该课程的学习方法与要求四、课程的学习目的、方法与要求四、课程的学习目的、方法与要求7（一）（一）专业的培养目标 明确学习目的电气工程及其自动化专业电气工程及其自动化专业 培养具有培养具有创新意识创新意识和和创新能力创新能力、综合素质综合素质高、适应能力强的，能够从事与电高、适应能力强的，能够从事与电气工程有关的系统运行、自动控制、电力电子技术、信息处理、试验分析、研制气工程有关的系统运行、自动控制、电力电子技术、信息处理、试验分析、研制开发、经
6、济管理以及电子与计算机技术应用等领域工作的宽口径开发、经济管理以及电子与计算机技术应用等领域工作的宽口径“复合型复合型”高级高级工程技术人才工程技术人才。8 工程技术人员工程技术人员（包括其他技术家）和科学家的职责不同。（包括其他技术家）和科学家的职责不同。 科学家的任务是科学家的任务是如何认识如何认识，因而他可以选择自己感兴趣的研究课题；，因而他可以选择自己感兴趣的研究课题； 工程师的任务是工程师的任务是如何实现如何实现，所以他必须解决面临的实际问题。工程问题受到，所以他必须解决面临的实际问题。工程问题受到多方面因素的制约，工程师必须在多种可能方案中做出选择，谋求最可靠、最经济、多方面因素的
7、制约，工程师必须在多种可能方案中做出选择，谋求最可靠、最经济、最实用的解决方法。最实用的解决方法。 工程技术人员的任务工程技术人员的任务 将来我们做什么将来我们做什么9（ 二）二）对工程技术人才的要求 合格人才是什么样的一个工程师接受任务的时候总会问自己这样的问题：一个工程师接受任务的时候总会问自己这样的问题：会不会做是否在科学技术上掌握了必须的知识和技是否在科学技术上掌握了必须的知识和技能，能够解决工程上的难题。能，能够解决工程上的难题。可不可以做是否在政策法规和社会公德允许的条是否在政策法规和社会公德允许的条件下的工程。件下的工程。该不该做是否拥有了良好的生态可行性和工程持是否拥有了良好的
8、生态可行性和工程持续性，并且能在人、才、物和时空约束条件下经济合续性，并且能在人、才、物和时空约束条件下经济合理地完成任务。理地完成任务。如何去做拿出切实可行的解决方案。拿出切实可行的解决方案。10（三）（三）如何学习才能成为人才第一境界：第一境界：总结知识的能力总结知识的能力自我学习的能力自我学习的能力综合知识的能力综合知识的能力第二境界：第二境界：发现问题的能力发现问题的能力解决问题的能力解决问题的能力第三境界：第三境界：创造思维的能力创造思维的能力11n课程重要性课程重要性自动控制原理自动控制原理是工科的技术基础课，该课程与其它课程的关系是工科的技术基础课，该课程与其它课程的关系承上启承
9、上启下的课程。下的课程。（四）（四）该课程的学习方法与要求 了解课程特点明确学习方法与要求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各 类类 专业课专业课线性系统线性系统现代控现代控 制理论制理论12实际实际系统系统物理物理模型模型数学数学模型模型方法（系统组成方法（系统组成分析、设计）分析、设计）自动控制是一门技术学科，从方法论的角度来研究系统的建立、分析与设计。自动控制是一门技术学科，从方法论的角度来研究系统的建立、分析与设计。研究控制系统的共性问题
10、。研究控制系统的共性问题。 提供了研究思想与研究方法n课程特点及性质课程特点及性质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13本课程学习方法本课程学习方法打好基础打好基础复习学过的基础课复习学过的基础课认真听课认真听课掌握基本理论和基本方法掌握基本理论和基本方法做好习题做好习题锻炼解决实际问题的能力锻炼解决实际问题的能力本课程学习要求本课程学习要求学会分析、解决工程问题的基本思路和方法学会分析、解决工程问题的基本思路和方法14五、教学方法五、教学方法突出教学中的重点与难点问题，采用启发与突出教学中的重点与难点问题，采用启发与讨论的方式，多列举实际工程中的应用示例讨论的方
11、式，多列举实际工程中的应用示例，力求理论联系实际；，力求理论联系实际；采用传统与现代教学手段相结合，将实际控采用传统与现代教学手段相结合，将实际控制系统与控制原理相结合，把抽象的系统动制系统与控制原理相结合，把抽象的系统动态过程与系统结构、参数关系形象化，以便态过程与系统结构、参数关系形象化，以便于学生理解；于学生理解；加强实践教学环节，在加深对理论知识理解加强实践教学环节，在加深对理论知识理解的基础上，提高学生动手解决问题的能力。的基础上，提高学生动手解决问题的能力。15五、选用教材五、选用教材 自动控制原理（第二版）自动控制原理（第二版） 孙炳达孙炳达 主编主编机械工业出版社出版机械工业出
12、版社出版 该书基本概念清楚，数学推导严谨该书基本概念清楚，数学推导严谨，理论系统性强，例题具有代表性，图，理论系统性强，例题具有代表性，图解说明性强，习题丰富，文字简洁。解说明性强，习题丰富，文字简洁。16几点要求：几点要求：其它其它。关于关于出勤出勤课堂课堂纪律纪律关于关于作业作业17 第一章第一章 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念n1-1 引言引言n1-2 自动控制的基本方式自动控制的基本方式n1-3 自动控制系统的组成自动控制系统的组成n1-4 自动控制系统的分类自动控制系统的分类n1-5 对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求n1-6 自动控制系统的发展简史自动控制系统的
13、发展简史18一、自动控制的基本概念一、自动控制的基本概念现代科学技术中的自动控制技术现代科学技术中的自动控制技术得到得到 了广泛的应用了广泛的应用 航天器航天器 工业控制工业控制 机器人机器人 家用电器家用电器 自动控制的特征：自动控制的特征： 通过对各类机器、各种物理参量、工业生产过程等的控制直接造福于社通过对各类机器、各种物理参量、工业生产过程等的控制直接造福于社会。会。 自动控制：自动控制： 在无人直接参与下，利用控制装置操纵受控对象，使受控对象的被控在无人直接参与下，利用控制装置操纵受控对象，使受控对象的被控量按给定信号变化规律去变化。量按给定信号变化规律去变化。 自动自动控制控制示意
14、示意 图图控制器控制器给定值给定值 检测元件检测元件 受控对象受控对象被控量被控量自动控制系统自动控制系统控制装置控制装置: :受控对象受控对象: :机器、设备、机器、设备、生产过程等生产过程等控制器、检控制器、检测元件等测元件等分析和设计自动控制系统的性能。分析和设计自动控制系统的性能。自动控制原理的主要任务：自动控制原理的主要任务： 下面通过一些实例来说明自动控制和自动控制系统的基本概念下面通过一些实例来说明自动控制和自动控制系统的基本概念1-1 引言引言19例例 水温人工控制系统水温人工控制系统 受控对象受控对象:水箱水箱热传导器件热传导器件系统的构成：系统的构成：被控制量被控制量:水温
15、水温阀门阀门显示仪表显示仪表蒸汽蒸汽排水排水冷水冷水热水热水工作过程：工作过程： 蒸汽通过热传导蒸汽通过热传导器件把热量传递给水器件把热量传递给水,水的温度与蒸汽的流量水的温度与蒸汽的流量成正比成正比. 手动调节阀门的手动调节阀门的开度，从而调节蒸汽的开度，从而调节蒸汽的流量流量,来控制水的温度来控制水的温度.但人工难以实现稳定的高质量控制但人工难以实现稳定的高质量控制. 20例例 水温自动控制系统水温自动控制系统系统中增加了：系统中增加了：控制器控制器电机电机加入给定信号加入给定信号工作原理：工作原理：检测实际温度检测实际温度产生控制信号产生控制信号 通过电机调节阀门的开通过电机调节阀门的开
16、度度 从而调节蒸汽流入，从而调节蒸汽流入，控制水的温度控制水的温度. 实现没有实现没有人直接参入的自动水温人直接参入的自动水温控制控制.21 为了方便地分析系统性能，一般用框图来表示系统的结构，水温自为了方便地分析系统性能，一般用框图来表示系统的结构，水温自动控制系统可用框图表示为：动控制系统可用框图表示为： 要使自动控制系统满足工程实际的需要要使自动控制系统满足工程实际的需要 , 必须研究自动控制系统的结必须研究自动控制系统的结构参数与系统性能之间的关系。构参数与系统性能之间的关系。实际实际温度温度偏差偏差反馈量反馈量预期预期温度温度_控制器控制器执行机构执行机构阀门阀门水箱水箱22例：人工
17、控制与自动控制：水箱水位控制问题人工控制给定水位出水口阀门进水口阀门水箱大脑手眼人工控制过程归纳：用眼观察水位，目测出实际水位高度并反馈到大脑中（测量过程）（测量过程）在脑中与要求水位进行比较，得出偏差大小，决定手的操作动作（决策过程）（决策过程）手执行大脑决定的动作，打开或关闭阀门（执行过程）（执行过程）23传感器代替眼看测量出实际水位高度并反馈到控制器在控制器中将实际水位与设定水位进行比较得出偏差值，对偏差信号进行放大送到执行器执行器执行开关阀门动作自动控制共同特点：共同特点：通过检测被控量，得到与给定值的偏差，并去纠通过检测被控量，得到与给定值的偏差，并去纠正偏差，进而减小偏差。正偏差，
18、进而减小偏差。 在在人工控制人工控制中偏差是通过人眼观测后，由人脑判断、决中偏差是通过人眼观测后，由人脑判断、决策得出的；策得出的； 在在自动控制自动控制系统中偏差则是通过反馈，由控制器系统中偏差则是通过反馈，由控制器进行比较、计算产生的。进行比较、计算产生的。给定水位出水口阀门进水口阀门水箱控制器执行机构传感器 自动控制过程归纳：24杆杠长度杆杠长度例例 液位自动控制系统液位自动控制系统h水箱水箱杆杠杆杠浮球浮球阀门阀门进水进水系统组成：系统组成：出水出水被控制量：被控制量：水位高度水位高度工作原理：工作原理： 调节杠杆长度调节杠杆长度 L ，通，通过杠杆机构调节阀门的开度，过杠杆机构调节阀
19、门的开度，从而调节进水量以控制液位从而调节进水量以控制液位的高度。的高度。L25系统的结构框图如图所示系统的结构框图如图所示: 杠杠 杆杆浮球浮球hr(s)h(t)阀门阀门水箱水箱机机 构构26分析控制系统的工作原理分析人要做这个事情的思路分析控制系统的结构设计与组成系统分析控制系统的性能指标是否能够完成任务自动控制理论研究和分析控制系统共性的理论 自动控制就是利用控制装置代替人去自动地完成人要完成的事情271开环控制开环控制有顺向作用而无反向联系有顺向作用而无反向联系.自动控制系统从控制的基本方式看，可分为开环控制、闭环控制和复合控自动控制系统从控制的基本方式看，可分为开环控制、闭环控制和复
20、合控制。制。开环控制开环控制控制装置与受控对象之间只控制装置与受控对象之间只n1-2 自动控制的基本方式自动控制的基本方式28例例 转台速度开环控制系统转台速度开环控制系统 这种转台在这种转台在CD机、计算机磁盘驱动器等现代装置中广泛应用机、计算机磁盘驱动器等现代装置中广泛应用.转台转台电机电机电源和放电源和放 大装置大装置速度设置速度设置系统组成：系统组成：由图可见：由图可见： 被控制量速度没有反馈被控制量速度没有反馈到输入端与给定信号比较到输入端与给定信号比较,为开环控制系统。为开环控制系统。29预期速度预期速度实际转速实际转速直流电动机直流电动机转台转台放大器放大器 系统结构和控制过程均
21、很简单，但抗扰能力差，控制精度不高，故一系统结构和控制过程均很简单，但抗扰能力差，控制精度不高，故一般只能用于对控制性能要求较低的场合。般只能用于对控制性能要求较低的场合。 转台速度开环控制系统结构图转台速度开环控制系统结构图:开环控制的特点：开环控制的特点： 2闭环控制闭环控制 有顺向作用，而且还有反向联系有顺向作用，而且还有反向联系.闭环控制闭环控制: 闭环控制又称为闭环控制又称为反馈控制反馈控制或或偏差控制偏差控制。 控制装置与受控对象之间，不但控制装置与受控对象之间，不但 30例例 转台速度闭环控制系统转台速度闭环控制系统实现对速度的闭环控制。实现对速度的闭环控制。 测速发电机是一种测
22、速发电机是一种传传 感器感器 测出电动机的速度测出电动机的速度与给定信号比较产生与给定信号比较产生偏差电压偏差电压.31测速机测速机偏差偏差反馈量反馈量预期速度预期速度实际转速实际转速直流电动机直流电动机转台转台放大器放大器_ 当实际速度受扰动的影响发生变化时，通过系统的调节，从而消除扰当实际速度受扰动的影响发生变化时，通过系统的调节，从而消除扰动对速度的影响。动对速度的影响。转台速度闭环控制系统结构图转台速度闭环控制系统结构图32放大装置放大装置例例 位置随动系统位置随动系统环型电位器环型电位器电机电机电源电源齿轮齿轮系统组成：系统组成：负载负载给定转角给定转角r输出转角输出转角c工作过程：
23、工作过程：r=cUd= 0UdrcUd0电动机带动齿轮转动电动机带动齿轮转动,系系统闭环调节统闭环调节.电动机静止电动机静止33m mr r _c cu ue eu ud d放大器放大器电位器电位器电动机电动机减速器减速器位置随动系统结构图位置随动系统结构图34例例 转速负反馈直流电动机调速系统转速负反馈直流电动机调速系统直流电机直流电机测速发电机测速发电机电源和放电源和放 大装置大装置负载负载系统组成：系统组成：UnUf给定电压给定电压反馈电压反馈电压e=Un-Uf 转速取决于给定转速取决于给定电压与反馈电压的电压与反馈电压的差值。差值。35 调速系统结构图调速系统结构图unufeudn_直
24、流电动机直流电动机放大器放大器测速机测速机 由电网电压波动，负载变化以及其他部分的参数变化所引起的转速变化，由电网电压波动，负载变化以及其他部分的参数变化所引起的转速变化，都可以通过系统的自动调整加以抑制。都可以通过系统的自动调整加以抑制。 nUfeUdn 减小或消除由于扰动所形成的偏差值，具有较高的控制精度和较强的抗减小或消除由于扰动所形成的偏差值，具有较高的控制精度和较强的抗扰能力。扰能力。闭环控制系统具有的特点：闭环控制系统具有的特点：36开环控制特点：系统的输出与输入之间没有反馈通道没有反馈通道，输出量没有与输入量相比较，即输出量不参与对系统的控制，只输出量不参与对系统的控制，只有输入
25、量对输出量产生控制作用有输入量对输出量产生控制作用系统没有抗干扰能力结构简单，所用的元器件少、成本低输入量输入量控制器控制器被控对象被控对象输出量输出量干扰干扰执行机构执行机构应用应用：多用于系统结构参数稳定和干扰较小的场合。 如：自动化流水线、自动洗衣机 37闭环控制特点：通过检测装置构成的通过检测装置构成的反馈通道反馈通道将输出量送回输入端，与给定将输出量送回输入端，与给定信号进行比较，产生信号进行比较，产生偏差偏差, ,此偏差经过控制器产生控制作用此偏差经过控制器产生控制作用, ,使使输出量按照要求的规律变化输出量按照要求的规律变化 系统具有抗干扰能力，能实现高精度控制系统具有抗干扰能力
26、，能实现高精度控制因系统按偏差调节，有时间延迟，输出量的偏离不能立即得因系统按偏差调节，有时间延迟，输出量的偏离不能立即得到修正，有可能使输出量处于振荡状态，使系统无法工作。到修正，有可能使输出量处于振荡状态，使系统无法工作。 应用：应用：对系统有精度要求时广泛采用反馈控制是最基本的闭对系统有精度要求时广泛采用反馈控制是最基本的闭环控制方式。环控制方式。输入量输入量控制器控制器被控对象被控对象输出量输出量干扰干扰执行机构执行机构检测装置检测装置ugufnno38uf三、复合控制1。按输入信号补偿的复合控制输入量输入量控制器控制器被控对象被控对象输出量输出量干扰干扰执行机构执行机构检测装置检测装
27、置补偿装置补偿装置补偿装置补偿装置补偿装置补偿装置补偿装置补偿装置nougtuug输入量tuug补偿量C方波信号 微分 脉冲信号补偿量tuug输入量应用：提高系统跟踪输入信号的能力和精度tnn0输出量tnn0输出量tnn0输出量tnn0输出量392。按干扰作用补偿的复合控制输出量输出量输入量输入量控制器控制器被控对象被控对象干扰干扰执行机构执行机构检测装置检测装置补偿装置补偿装置检测出干扰量，通过补偿装置对输入信号进行补偿以抵消干扰对系统输出量的影响应用：增强系统的抗干扰能力40n1-3 自动控制系统的组成自动控制系统的组成输出量输出量给定给定环节环节被控对象被控对象干扰干扰执行机构执行机构
28、反反 馈馈校正装置校正装置放大环节放大环节串联校正串联校正装置装置检测装置检测装置要求实现自动控制的设备或过程被控设备或过程中需要控制的参数即被控参数被控参数测量测量被控参数的传感器与测量电路，它将系统的实际输出反馈到输入端设定与系统输出希望值相对应的输入指令指令改善系统性能的环节，因为串联在系统的输入端，又称串联校正校正输入与输出之间进行比较，产生偏差偏差信号，该偏差信号描述了系统期望值与实际值之间的误差误差将微小的偏差信号进行放大放大，使之达到控制执行机构的能量要求执行控制任务，驱动被控对象的动力设备改善局部环节性能的装置，用反馈的方法调整局部信号达到校正校正的目的，所以称反馈校正（或并联
29、校正）顺着从输入到输出的信号传递方向走出的通道称为前向通道前向通道将输出（局部输出）送回到输入（局部输入）的通道被称为反馈通道反馈通道连接输入与系统输出的反馈通道被称为主主反馈通道将局部输出送回到局部输入的通道被称为局部局部反馈通道典型闭环系统结构框图典型闭环系统结构框图41n1-4 自动控制系统的分类自动控制系统的分类按系统结构分，开环 / 闭环控制系统按输入量形式分，恒值 / 随动控制系统按信号传递形式分，连续 / 离散控制系统按系统是否满足叠加性分，线性 / 非线性控制系统按系统执行装置分，机电 / 液压 / 气压控制系统等 可以从不同角度对控制系统进行分类：可以从不同角度对控制系统进行
30、分类：42 系统输入量为常值，要求被控量也等于常值。 系统的基本任务是当出现扰动时，使系统的输出量保持为恒定的期望值 工业产生中的温度、压力、流量、液面等参数的控制电力系统的电网电压、频率控制等 2.程序控制系统 系统输入量按预定规律变化，系统的控制过程按预定的程序进行。数控机床按预定程序自动地切削工件。 石油化学工业中的反应塔。 一一. .按输入量的特征按输入量的特征 1.恒值控制系统43系统输入量随时间任意变化。系统输出量常是机械位移、速度、加速度、力、力矩等机械量。系统的基本任务是使系统输出量能快速、准确地跟随输入量变化。机械加工中的仿形机床。 武器装备中的火炮自动瞄准系统、雷达跟踪系统
31、、导弹目标自动跟踪系统 3.伺服系统又称随动系统44系统的给定值为一定值，而控制任务就是克服扰动，使被控量保持恒值。系统的给定值为一定值，而控制任务就是克服扰动，使被控量保持恒值。 例如：电机速度控制、恒温、例如：电机速度控制、恒温、恒压、水位控制系统等。恒压、水位控制系统等。 1.恒值控制系统：恒值控制系统： 452.随动系统：随动系统： 系统给定值按照事先不知道的时间函数变化，并要求被控量跟随给定系统给定值按照事先不知道的时间函数变化，并要求被控量跟随给定值变化。值变化。如：火炮自动跟踪系统、如：火炮自动跟踪系统、轮舵位置控制系统等。轮舵位置控制系统等。463.程序控制系统：程序控制系统：
32、 系统的给定值按照一定的时间函数变化，并要求被控量随之变化。系统的给定值按照一定的时间函数变化，并要求被控量随之变化。 例如：例如：数控伺服数控伺服 系统系统47自动化生产线：自动化生产线：48二、连续控制系统和离散控制系统二、连续控制系统和离散控制系统控制系统中各部分的信号若都是时间 t 的连续函数，则称这类系统为连续控制系统。在控制系统各部分的信号中只要有一个是时间 t 的离散信号，则称这种系统为离散控制系统。l脉冲和数码都属于离散信号。l计算机控制系统就是一种常见的离散控制系统。l计算机只能接受和处理数字信号，计算机的输出经D/A转换加给放大器，然后再去驱动执行元件，或由计算机直接输出数
33、字信号，经数字放大器后驱动数字式执行元件。49三、线性控制系统和非线性控制系统三、线性控制系统和非线性控制系统用非线性方程描述的系统，称为非线性系统。线性系统特性线性系统特性叠加性叠加性齐次性齐次性（均匀性）如果微分方程或差分方程的系数为常数，则称为线性定常数系统；否则，称为线性时变系统。可用线性微分方程或差分方程描述的系统，称为线性系统。 50n1-5 对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求 控制系统应用于不同场合，对它有不同的性能要求。但从控制工程的角度控制系统应用于不同场合，对它有不同的性能要求。但从控制工程的角度来看，却有一些共同的标准。常见的评价系统优劣的性能指标基本有三个方面：来
34、看，却有一些共同的标准。常见的评价系统优劣的性能指标基本有三个方面：稳稳、快快、准准。 二、快速性二、快速性一、稳定性一、稳定性三、准确性三、准确性51 系统受外作用力后系统受外作用力后,其动态过程的振荡倾向和系统恢复平衡的能力其动态过程的振荡倾向和系统恢复平衡的能力。一、稳定性一、稳定性稳定性：稳定性： 如果系统受外作用力经过一段时间，其被控量达到某一稳定状态如果系统受外作用力经过一段时间，其被控量达到某一稳定状态，则系统是稳定的。，则系统是稳定的。否则为不稳定的。否则为不稳定的。稳定系统的动态过程稳定系统的动态过程r(t)t0c(t)1r(t)c(t)不稳定系统的动态过程不稳定系统的动态过
35、程(a) 给定信号作用给定信号作用c(t)(b) 扰动信号作用扰动信号作用d(t)t0c(t)r(t)t0c(t)r(t)c(t)d(t) 不稳定的系统是无法正常工作的。不稳定的系统是无法正常工作的。 52 一种过渡过程是收敛的，即过渡过程结束后，系统又趋于平衡状态，这类系统称为稳定的； 另一种过渡过程是发散的，这类系统称为不稳定的； 等幅振荡也被认为是不稳定的。 显然，系统稳定是保证系统能正常工作的首要条件。 53 通过动态过程时间长短表征。时间越短，表明快速性越好，反之通过动态过程时间长短表征。时间越短，表明快速性越好，反之亦然。亦然。二、快速性二、快速性r(t)t0c(t)r(t)c1(
36、t)c2(t) 快速性表明了系统输出对输入响应的快慢程度快速性表明了系统输出对输入响应的快慢程度54 由输入给定值与输出响应的终值之间的差值由输入给定值与输出响应的终值之间的差值ess大小表征。大小表征。三、准确性三、准确性r(t)t0c(t)r(t)c(t)ess55过渡过程结束后，输出量的期望值与实际值之差。 数控机床的加工误差小于0.02mm。 一般恒速、恒温控制系统的稳态误差都在给定值的1%以内。同一个系统，稳、快、准是相互制约的。同一个系统，稳、快、准是相互制约的。提高快速性，可能会引起系统强烈振动。提高快速性，可能会引起系统强烈振动。改善了平稳性，控制过程又可能很迟缓，甚至精度也会
37、变差。改善了平稳性，控制过程又可能很迟缓，甚至精度也会变差。分析和解决这些矛盾，将是本学科讨论的重要内容。分析和解决这些矛盾，将是本学科讨论的重要内容。56n1-6 自动控制系统的发展简史自动控制系统的发展简史经典控制理论（19世纪初）时域法；时域法；复域法（根轨迹）；复域法（根轨迹）；频域法频域法现代控制理论（20世纪50年代）线性控线性控制制最优控最优控制制最佳估最佳估计计系统识系统识别别自适应控制自适应控制鲁棒控制鲁棒控制容错控制容错控制集散控制集散控制大系统复杂系大系统复杂系统统智能控制理论（20世纪70年代）专家控制专家控制 模糊控制模糊控制神经网络神经网络 遗传算法遗传算法5714
38、001900 工业机器时代亚历山大的希罗发明开闭庙门和分发圣水等自动装置 (100年) 。中国张衡发明水运浑象，研制出自动测量地震的候风地动仪 (132年)。自动控制的发展简史58中国马钧研制出用齿轮传动的自动指示方向的指南车 (235年) 中国明代宋应星所著工开物记载有程序控制思想的提花织机结构图 (1637年)59 英国 J. Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度 (1788年)60钱学森的工程控制论( Engineering Cybernetics) (1954)6162美国 MIT研制出第一台数控机床 (1952)63美国研制出第一台工业机器人样机 (1954)64计算机集成制造的概
39、念(1969)65由加工中心和工业机器人组成的柔性制造单元 (1976)66中国批准 863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题 (1986)67世界第一颗人造地球卫星由苏联发射成功(1957)68苏联东方-号飞船载着加加林进入人造地球卫星轨道,人类宇航时代开始了 (1961)。69苏联发射“月球”9号探测器，成功(1966)。三年后 (1969)，美国“阿波罗” 11号把宇航员送上月球。70火箭部分火箭部分-2077个传感器个传感器阿波罗阿波罗1010（1969年年5月月18日日 ）飞船部分飞船部分-1218个传感器，个传感器，对对32953295个测量参数进行
40、检测。个测量参数进行检测。 阿波罗阿波罗1111(1969.7.16-24)(1969.7.16-24)阿波罗阿波罗1010阿波罗阿波罗111171“勇气号勇气号”火星车火星车留下的轮辙的照片留下的轮辙的照片“勇气号勇气号”拍摄的火星拍摄的火星玄武岩的照片玄武岩的照片 2003年年6月月10日日“机遇号机遇号”拍摄的火星沙丘拍摄的火星沙丘 2003年年6月月25日日2004年年1月月3日和日和24日分别登上火日分别登上火星星72 第一台火星探测器在火星表面软着陆(1996)73747576工业机器人简单移物77军用机器人美国78人形机器人操作机79小车跷跷板2007年全国电子设计大赛80本章小
41、结本章小结 本章介绍了自动控制理论的应用领域、本章介绍了自动控制理论的应用领域、发展过程、基本方式和组成、分类以及基发展过程、基本方式和组成、分类以及基本要求等相关基本概念。通过一些控制系本要求等相关基本概念。通过一些控制系统实例讨论了手动控制、自动控制的工作统实例讨论了手动控制、自动控制的工作原理、方框图。原理、方框图。81 掌握自动控制系统的基本概念、术掌握自动控制系统的基本概念、术语，了解自动控制系统的组成和分语，了解自动控制系统的组成和分类。类。 掌握自动控制系统的基本控制方式掌握自动控制系统的基本控制方式（开环、闭环（反馈）控制、复合（开环、闭环（反馈）控制、复合控制）及特点。控制）
42、及特点。 了解对自动控制系统的基本要求。了解对自动控制系统的基本要求。 了解自动控制系统的定性分析方法了解自动控制系统的定性分析方法。 了解本门课程的意义与作用。了解本门课程的意义与作用。82 重点：重点：自动控制系统中的有关概念名自动控制系统中的有关概念名词及术语；自动控制系统开环控制与词及术语；自动控制系统开环控制与闭环控制的区分闭环控制的区分;自动控制系统的组成自动控制系统的组成及工作原理。及工作原理。83 1. 液位控制系统液位控制系统 图（图（a a）是一个液位控制系统原理图。在这）是一个液位控制系统原理图。在这里，自动控制器通过比较实际液位与希望里，自动控制器通过比较实际液位与希望
43、液位，并通过调整气动阀门的开度，对误液位，并通过调整气动阀门的开度，对误差进行修正，从而保持液位不变。差进行修正，从而保持液位不变。 图（图（b b）是该控制系统的方块图。）是该控制系统的方块图。自动控制系统习题自动控制系统习题84H H注注入入控控制制器器（比比较较、放放大大）Q Q1 1浮浮子子流流出出Q Q2 2（I I） 原原理理图图气气动动阀阀门门图（a） 液位控制系统85 希望液位实实际际液液位位放放大大元元件件气气动动阀阀门门水水 箱箱浮浮 子子控制器 注入（II） 控制系统方块图控制器：比较、放大的作用控制器：比较、放大的作用浮子：液面高度的反馈元件浮子：液面高度的反馈元件 Q
44、2Q2为系统的干扰量为系统的干扰量气动阀门：执行机构气动阀门：执行机构被控对象：水箱被控对象：水箱图（b） 液位控制系统86眼 睛 测 量 装 置 （ 浮 子 ） 手 气 动 阀 门头 脑 控 制 器 ， 比 较 、 计 算希希望望液液位位实实际际液液肌肌肉肉、手手阀阀 门门水水 箱箱眼眼 睛睛（III） 相相对对应应的的人人工工操操纵纵系系统统方方块块图图 脑脑87M给 定 装 置放 大 器电 机减 速 器调 压 器 220热 电 偶电 阻 丝 放大器期望炉温电动机减速器调压器恒温炉热电偶给定电压-ee给定电压给定电压热电偶热电偶输出电压输出电压习题88当炉内实际温度与给定电位计表征的希望温
45、度当炉内实际温度与给定电位计表征的希望温度一致时，热电偶输出电压与给定电压相等，电一致时，热电偶输出电压与给定电压相等，电动机不转动，系统相对平衡。当炉温因扰动出动机不转动，系统相对平衡。当炉温因扰动出现偏差时（如炉温低于希望值），偏差电压经现偏差时（如炉温低于希望值），偏差电压经放大后驱动电动机转动，将调压器电刷向上移放大后驱动电动机转动，将调压器电刷向上移动，使电阻丝两端电压增大，从而使炉温升高，动，使电阻丝两端电压增大，从而使炉温升高，趋于希望值。趋于希望值。 工作原理：工作原理：89后面内容直接删除就行资料可以编辑修改使用资料可以编辑修改使用资料仅供参考，实际情况实际分析The user can demonstrate on a projector or computer, or print the presentation and make it into a film to be used in a wider field作业作业 1-3 1-492
