自动控制原理简明教程第1章课件.ppt

1、自动控制原理简明教程第1章课件第1章第2页本门课程的性质本门课程的性质:1.重要的专业基础课，阐述有关自动控制技术的基础理论重要的专业基础课，阐述有关自动控制技术的基础理论经典控制论，研究经典控制论，研究“控制论控制论”在工程在工程中的应用。中的应用。基本内容基本内容控制论的基本理论、方法、特点、综合设计方法。控制论的基本理论、方法、特点、综合设计方法。研究对象研究对象自动控制系统，揭示自动控制系统中存在的信息转换、传递和反馈。自动控制系统，揭示自动控制系统中存在的信息转换、传递和反馈。2.学习目的：学习目的：自动化发展的需要自动化发展的需要 与信息科学、系统科学关系紧密与信息科学、系统科学关

2、系紧密 掌握控制系统分析与设计的基本方法掌握控制系统分析与设计的基本方法第1章第3页成绩组成：成绩组成：期末考试占期末考试占 70%，平时成绩占，平时成绩占 30%先修基础：先修基础：拉普拉斯变换、拉普拉斯变换、高等数学、大学物理、积分变换、电路、数字电子技术、模拟电子技术高等数学、大学物理、积分变换、电路、数字电子技术、模拟电子技术 请按时到课！请按时到课！Tel：18259287297 Email：第1章第4页第第1章章 控制系统导论控制系统导论 第1章第5页第1章第6页1.1 1.1 引言引言第1章第7页一、控制系统基本概念一、控制系统基本概念1.控制（控制（Control）：根据某种原

3、理或方法，使特定对象（被控对象）的某些物理量（被控量）按）：根据某种原理或方法，使特定对象（被控对象）的某些物理量（被控量）按照预期规律变化的操纵过程。照预期规律变化的操纵过程。2.人工控制（人工控制（Manual Control）：由人直接或间接操作执行装置的控制方式。）：由人直接或间接操作执行装置的控制方式。第1章第8页人工控制的例子人工控制的例子 示例示例水池水位控制水池水位控制 人工控制人工控制被控对象：水池被控对象：水池被控量：水池的水位被控量：水池的水位 观测实际水位，将期望的水位值与实际水位相比较，两者之差为误差。根据误差的大小和方向调节观测实际水位，将期望的水位值与实际水位相比

4、较，两者之差为误差。根据误差的大小和方向调节进水阀门的开度，即当实际水位高于要求值时，关小进水阀门开度，否则加大阀门开度以改变进水量，进水阀门的开度，即当实际水位高于要求值时，关小进水阀门开度，否则加大阀门开度以改变进水量，从而改变水池水位，使之与要求值保持一致。从而改变水池水位，使之与要求值保持一致。第1章第9页人眼：观察水池的实际水位；人眼：观察水池的实际水位；测量（测量反馈机构）测量（测量反馈机构）人脑：记住水位的期望值；人脑：记住水位的期望值；比较比较水池的期望值水池的期望值-实际值；实际值；（比较机构）、控制（比较机构）、控制人手：调节进水阀门的开度，执行控制作用。人手：调节进水阀门

5、的开度，执行控制作用。执行（执行机构）执行（执行机构）是一个反复观察测量、比较、调整执行的过程，力图将水池水位的期望值与实际值之间的差是一个反复观察测量、比较、调整执行的过程，力图将水池水位的期望值与实际值之间的差值减为值减为0。人工控制精度不高，人的反应不够快，不少恶劣的场合人无法参与直接控制。自动控制系统可以人工控制精度不高，人的反应不够快，不少恶劣的场合人无法参与直接控制。自动控制系统可以解决以上问题。解决以上问题。第1章第10页3.自动控制自动控制（Automatic Control）：是指在没有人直接参与的情况下，利用自动控制装置（或称为）：是指在没有人直接参与的情况下，利用自动控制

6、装置（或称为控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称为被控对象）的某个工作状态或参数（称为被控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称为被控对象）的某个工作状态或参数（称为被控量）自动地按照预定的规律运行。控量）自动地按照预定的规律运行。第1章第11页自动控制的例子自动控制的例子 当实际水位低于要求水位时，电位器输出电压值为正，且其大小反映了实际水位与水位要求值的差当实际水位低于要求水位时，电位器输出电压值为正，且其大小反映了实际水位与水位要求值的差值，放大器输出信号将有正的变化，电动机带动减速器使进水阀门开度增加，直到实际水位重新与水位值，放大器输出信号将有正的变化，电动机带动

7、减速器使进水阀门开度增加，直到实际水位重新与水位要求值相等时为止。要求值相等时为止。期望水位期望水位ShowShow 第1章第12页电位计电位计+连杆连杆人脑：记住水位的期望值；人脑：记住水位的期望值；浮子浮子人眼：观察水池的实际水位；人眼：观察水池的实际水位；电位计电位计+连杆连杆人脑：人脑：反映反映误差（误差（=水位的期望值水位的期望值-实际值）；实际值）；电动机电动机人手：调节进水阀门开度，执行控制作用。人手：调节进水阀门开度，执行控制作用。是一个反复观察测量、比较、调整执行的过程，力图将水池水位的期望值与实际值间的差值是一个反复观察测量、比较、调整执行的过程，力图将水池水位的期望值与实

8、际值间的差值减为减为0，即误差为，即误差为0。控制过程：测量（测量反馈机构）控制过程：测量（测量反馈机构）浮子浮子 比较（比较机构）比较（比较机构）电位计电位计+连杆连杆 执行（执行机构）执行（执行机构）电动机电动机第1章第13页4.自动控制理论：自动控制理论：是研究有关自动控制共同规律的一门技术科学，是自动控制技术的基础理论，根据是研究有关自动控制共同规律的一门技术科学，是自动控制技术的基础理论，根据发展的不同阶段，其内容可分为经典控制理论、现代控制理论和智能控制理论。发展的不同阶段，其内容可分为经典控制理论、现代控制理论和智能控制理论。第1章第14页1.2 1.2 自动控制系统的组成自动控

9、制系统的组成 第1章第15页1.2.1 一个典型的反馈控制系统的基本组成部分一个典型的反馈控制系统的基本组成部分 输入量输入量串联串联校正元件校正元件放大放大元件元件执行执行元件元件被控被控对象对象扰动扰动并联并联校正元件校正元件反馈元件反馈元件输出量输出量比较比较元件元件e(t)偏差偏差信号信号主反馈信号主反馈信号b(t)测量反馈元件测量反馈元件主反馈主反馈局部反馈局部反馈()c t()r t给定给定元件元件信号从输入端沿箭头方向到达输出端的传输通道称前向通路，系统输出量经测量元件反馈信号从输入端沿箭头方向到达输出端的传输通道称前向通路，系统输出量经测量元件反馈到输入端的传输通道称主反馈通路

10、。前向通路与主反馈通路共同组成主回路。到输入端的传输通道称主反馈通路。前向通路与主反馈通路共同组成主回路。ShowShow 第1章第16页被控对象（被控过程）被控对象（被控过程）又称控制对象或受控对象，指需要对它的某个特定的量进行控制的设又称控制对象或受控对象，指需要对它的某个特定的量进行控制的设备或过程。被控对象的输出变量是被控变量，常常记作输出信号或输出量。被控对象除了受到控备或过程。被控对象的输出变量是被控变量，常常记作输出信号或输出量。被控对象除了受到控制作用外，还受到外部扰动作用。制作用外，还受到外部扰动作用。给定元件给定元件其作用是给出与期望的输出相对应的系统输入量，是一类产生系统

11、控制指令的装置。其作用是给出与期望的输出相对应的系统输入量，是一类产生系统控制指令的装置。测量反馈元件测量反馈元件如传感器和测量仪表，感受或测量被控变量的值并把它变换为与输入量同一物如传感器和测量仪表，感受或测量被控变量的值并把它变换为与输入量同一物理量后，再反馈到输入端以作比较。理量后，再反馈到输入端以作比较。第1章第17页比较元件比较元件比较输入信号与反馈信号，以产生反映两者差值的偏差信号。比较输入信号与反馈信号，以产生反映两者差值的偏差信号。放大元件放大元件将微弱的信号作线性放大。将微弱的信号作线性放大。校正元件校正元件也叫补偿元件，它是按某种函数规律变换控制信号，以利于改善系统的动态品

12、质或也叫补偿元件，它是按某种函数规律变换控制信号，以利于改善系统的动态品质或静态性能。静态性能。执行元件执行元件根据偏差信号的性质执行相应的控制作用，以便使被控制量按期望值变化。如电动根据偏差信号的性质执行相应的控制作用，以便使被控制量按期望值变化。如电动机、气动控制阀等。机、气动控制阀等。第1章第18页自动控制系统：是由被控对象和自动控制装置按一定方式联结起来的，以完成某种自动控制任自动控制系统：是由被控对象和自动控制装置按一定方式联结起来的，以完成某种自动控制任务的有机整体。务的有机整体。输入信号输入信号r(t)：系统的输入信号是指参考输入，又称给定量或给定值，它是控制着输出量变化规：系统

13、的输入信号是指参考输入，又称给定量或给定值，它是控制着输出量变化规律的指令信号。律的指令信号。输出信号输出信号c(t)：系统的输出信号是指被控对象中要求按一定规律变化的物理量，又称被控量，它：系统的输出信号是指被控对象中要求按一定规律变化的物理量，又称被控量，它与输入量之间保持一定的函数关系。与输入量之间保持一定的函数关系。1.2.2 自动控制系统中常用的名词术语自动控制系统中常用的名词术语补充补充 第1章第19页反馈信号：由系统（或元件）输出端取出并反向送回系统（或元件）输入端的信号称为反馈信号。反馈信号：由系统（或元件）输出端取出并反向送回系统（或元件）输入端的信号称为反馈信号。反馈分为主

14、反馈反馈分为主反馈b(t)和局部反馈。和局部反馈。偏差信号偏差信号e(t)：它是指参考输入与主反馈信号之差。偏差信号简称偏差。：它是指参考输入与主反馈信号之差。偏差信号简称偏差。e(t)=r(t)-b(t)误差信号：它是指系统输出量的期望值与实际值之差，简称误差。在单位反馈情况下，误差值也就误差信号：它是指系统输出量的期望值与实际值之差，简称误差。在单位反馈情况下，误差值也就是偏差值，二者是相等的。是偏差值，二者是相等的。扰动信号扰动信号f(t)：简称扰动或简称扰动或干扰，是除控制信号以外干扰，是除控制信号以外,对系统的输出有影响的信号。扰动是不对系统的输出有影响的信号。扰动是不希望的输希望的

15、输入信号。入信号。P5 P5 第1章第20页1.3 1.3 开环控制系统和闭环控制系统开环控制系统和闭环控制系统第1章第21页 控制系统的类型很多，它们的结构类型和所完成的任务也各不相同。控制系统中最常见的两种控控制系统的类型很多，它们的结构类型和所完成的任务也各不相同。控制系统中最常见的两种控制方式是开环控制和闭环控制，这两种控制的组合制方式是开环控制和闭环控制，这两种控制的组合即为复合控制，相对应的控制系统称为开环控即为复合控制，相对应的控制系统称为开环控制系统、闭环控制系统和复合控制系统。制系统、闭环控制系统和复合控制系统。第1章第22页自动控制系统的基本控制方式自动控制系统的基本控制方

16、式第1章第23页示例示例直流电动机转速开环控制系统直流电动机转速开环控制系统 给定电压给定电压ug经放大后得到电枢电压经放大后得到电枢电压ua，改变，改变ug可得不同的转速可得不同的转速n，该系统只有输入量，该系统只有输入量ug对输出量对输出量n的的单向控制作用。输出端和输入端之间不存在反馈回路。单向控制作用。输出端和输入端之间不存在反馈回路。+_电电 压压放大器放大器功功 率率放大器放大器Mc负载负载n电动机电动机+_+_+电位器电位器augu1.3.1 开环控制系统开环控制系统第1章第24页 只有输入量的前向控制作用，输出量并不反馈回来影响输入量的控制作用，因而，将它称为只有输入量的前向控

17、制作用，输出量并不反馈回来影响输入量的控制作用，因而，将它称为开环控制系统（开环控制系统（Open-Loop Control System）。）。扰动扰动控制控制 信号信号 被控被控 制量制量 给定电压给定电压ug g转速转速n被控对象被控对象控制装置控制装置Mc电压电压放大器放大器功率功率放大器放大器直流直流电动机电动机第1章第25页 开环系统的优点开环系统的优点结构简单，系统稳定性好，调试方便，成本低。因此，在输入量和输出量之结构简单，系统稳定性好，调试方便，成本低。因此，在输入量和输出量之间的关系固定，且内部参数或外部负载等扰动因素不大，或这些扰动因素可以预测并进行补偿的前提间的关系固定

18、，且内部参数或外部负载等扰动因素不大，或这些扰动因素可以预测并进行补偿的前提下，应尽量采用开环控制系统。下，应尽量采用开环控制系统。开环控制的缺点开环控制的缺点当控制过程中受到来自系统外部的各种扰动因素，如负载变化、电源电压波当控制过程中受到来自系统外部的各种扰动因素，如负载变化、电源电压波动等，以及来自系统内部的扰动因素，如元件参数变化等，都将会直接影响到输出量，而控制系统不动等，以及来自系统内部的扰动因素，如元件参数变化等，都将会直接影响到输出量，而控制系统不能自动进行补偿，抗干扰性能差。因此，开环系统对元器件的精度要求较高。能自动进行补偿，抗干扰性能差。因此，开环系统对元器件的精度要求较

19、高。第1章第26页1.3.2 闭环控制系统闭环控制系统电电 压压放大器放大器功功 率率放大器放大器Mc负载负载n电动机电动机+_+_+_uf电位器电位器测速发电机测速发电机+_guauue=ug-uf偏差偏差ffuK第1章第27页 直流电动机转速闭环控制系统方块图直流电动机转速闭环控制系统方块图 设上述系统原已在某个给定电压设上述系统原已在某个给定电压ug相对于的转速相对于的转速n状态下运行，若一旦受到某些干扰（如负载状态下运行，若一旦受到某些干扰（如负载转矩突然增大）而引起转速下降时，系统就会自动地产生相应的调整过程。转矩突然增大）而引起转速下降时，系统就会自动地产生相应的调整过程。偏差始终

20、存在偏差始终存在 Mcnufue（ue=ug-uf ）uan n电电 压压放大器放大器ue输输入入量量Mc扰动扰动输输出出量量功功 率率放大器放大器直直 流流电动机电动机ugua测测 速速发电机发电机uf第1章第28页总结一下：总结一下：闭环控制系统的工作原理：闭环控制系统的工作原理：检测输出量（被控制量）的实际值；检测输出量（被控制量）的实际值；将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比较，得出偏差；将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比较，得出偏差；用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得输出量维持期望的输出。用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得输出量维持期望的输出。第1章第29页 由

21、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量与参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。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。显然：反馈控制建立在偏差基础上，其控制方式是显然：反馈控制建立在偏差基础上，其控制方式是“检测偏差再纠正偏差检测偏差再纠正偏差”。ShowShow 第1章第30页 闭环控制系统闭环控制系统（Close-Loop Control System）又称反馈控制系统（）又称反馈控制系统（Feedback Cont

22、rol System），），是在闭环控制系统中，把输出量检测出来，经过物理量的转换，再反馈到输入端去与给定值（参是在闭环控制系统中，把输出量检测出来，经过物理量的转换，再反馈到输入端去与给定值（参考输入）进行比较（相减），并利用比较后的偏差信号，以一定的控制规律产生控制作用，抑制考输入）进行比较（相减），并利用比较后的偏差信号，以一定的控制规律产生控制作用，抑制内部或外部扰动对输出量的影响，逐步减小以至消除这一偏差，从而实现要求的控制性能。内部或外部扰动对输出量的影响，逐步减小以至消除这一偏差，从而实现要求的控制性能。第1章第31页 闭环控制的优点闭环控制的优点抑制扰动能力强，与开环控制相比，

23、对参数变化不敏感，并能获得满抑制扰动能力强，与开环控制相比，对参数变化不敏感，并能获得满意的动态特性和控制精度。意的动态特性和控制精度。闭环控制的缺点闭环控制的缺点引入反馈增加了系统的复杂性，如果闭环系统参数的选取不适当，系引入反馈增加了系统的复杂性，如果闭环系统参数的选取不适当，系统可能会产生振荡，甚至系统失稳而无法正常工作，这是自动控制理论和系统设计必须解决的统可能会产生振荡，甚至系统失稳而无法正常工作，这是自动控制理论和系统设计必须解决的重要问题。重要问题。自动控制理论主要研究闭环控制系统自动控制理论主要研究闭环控制系统 1.3.3 复合控制系统复合控制系统注意！正反馈不能进行控制，会使

24、系统的偏差越来越大。注意！正反馈不能进行控制，会使系统的偏差越来越大。第1章第32页1.4 1.4 自动控制系统的应用实例自动控制系统的应用实例第1章第33页 炉温控制系统的理想温度由电压炉温控制系统的理想温度由电压ur给出，热电偶检测箱温输出电压给出，热电偶检测箱温输出电压uf，偏差电压，偏差电压ue=ur-uf，经电压和，经电压和功率放大后控制电机的速度和转向，从而改变调压器滑动触头的位置，改变炉温控制系统的外施电压达功率放大后控制电机的速度和转向，从而改变调压器滑动触头的位置，改变炉温控制系统的外施电压达到恒定炉温的目的。到恒定炉温的目的。1.4.1 炉温控制系统炉温控制系统第1章第34

25、页 温度温度Tc下降，下降，Tc uf ue=ur-uf ua 电机向增大调压器输出电压的方向加速旋转电机向增大调压器输出电压的方向加速旋转Tcuf，直到，直到Tc=Tr，ue=0。原理：原理：即当恒温箱内温度偏高时，使调压器降压，反之升压，直到温度达到给定值为止。此时偏差电压即当恒温箱内温度偏高时，使调压器降压，反之升压，直到温度达到给定值为止。此时偏差电压ue=0=0，电机停转。，电机停转。炉温自动控制系统方框图炉温自动控制系统方框图放大器放大器电机减速器电机减速器调压器调压器电炉电炉热电偶热电偶+-ufueurTcua给定装置给定装置Tr扰动扰动第1章第35页1.4.2 导弹发射架方位控

26、制系统导弹发射架方位控制系统 放大器放大器+_+_+_输入轴输入轴给定装置给定装置反馈装置反馈装置手轮手轮发射架发射架输出轴输出轴r0E0Erueuau00u导弹发射架方位控制系统原理图导弹发射架方位控制系统原理图随动系随动系统统导弹发射架方位控制系统方块图导弹发射架方位控制系统方块图放大器放大器减速器减速器导导 弹弹发射架发射架ua直直 流流电动机电动机电位器电位器、re0eu0第1章第36页钢铁轧制：轧出厚度一致的高精度铁板（厚度控制，张力控制）轧出厚度一致的高精度铁板（厚度控制，张力控制）1.4.3 钢铁轧制控制系统示例钢铁轧制控制系统示例 第1章第37页1.4.3 钢铁轧制计算机控制系

27、统钢铁轧制计算机控制系统 轧钢机计算机控制系统方块图轧钢机计算机控制系统方块图轧钢机计算机控制系统示意图轧钢机计算机控制系统示意图 第1章第38页1.4.4 函数记录仪函数记录仪 P8ABCD第1章第39页写成方块图形式：写成方块图形式：1.4.5 锅炉液位控制系统锅炉液位控制系统 P9第1章第40页 n锅炉设备的压力和温度自动保持恒定锅炉设备的压力和温度自动保持恒定n数控机床按照预定的程序自动地切削工件数控机床按照预定的程序自动地切削工件n导弹发射与制导系统，自动地使导弹攻击敌方目标导弹发射与制导系统，自动地使导弹攻击敌方目标n无人驾驶飞机按照预定航迹自动升降和飞行无人驾驶飞机按照预定航迹自

28、动升降和飞行n人造卫星准确地进入预定轨道运行并回收人造卫星准确地进入预定轨道运行并回收 自动控制技术的应用范围已扩展到生物、医学、环境、经济管理和其它许多社会生活领域中，自动自动控制技术的应用范围已扩展到生物、医学、环境、经济管理和其它许多社会生活领域中，自动控制已成为现代社会活动中不可缺少的重要组成部分。控制已成为现代社会活动中不可缺少的重要组成部分。第1章第41页1.5 1.5 自动控制系统的分类自动控制系统的分类第1章第42页自动控制系统的分类自动控制系统的分类下面介绍几种常用的自动控制系统分类方法。下面介绍几种常用的自动控制系统分类方法。1.5.1 按控制方式来分按控制方式来分1.5.

29、2 按描述系统的动态方程分按描述系统的动态方程分1.5.3 按系统参数是否随时间变化而分按系统参数是否随时间变化而分1.5.4 按系统输入信号的变化规律不同来分按系统输入信号的变化规律不同来分1.5.5 按信号的传递是否连续分按信号的传递是否连续分重要重要 第1章第43页n开环控制系统开环控制系统n反馈控制系统反馈控制系统n复合控制系统复合控制系统第1章第44页1）线性系统：该类系统的特点在于组成系统的各环节的输入输出特性都是线性的，系统的性能可用线）线性系统：该类系统的特点在于组成系统的各环节的输入输出特性都是线性的，系统的性能可用线性微分方程（或差分方程）来描述。（满足齐次性与叠加性）性微

30、分方程（或差分方程）来描述。（满足齐次性与叠加性）假设元件输入为假设元件输入为r(t)、r1(t)、r2(t)，对应的输出为，对应的输出为c(t)、c1(t)、c2(t)：如果如果r(t)=r1(t)+r2(t)时，时，c(t)=c1(t)+c2(t)满足迭加性满足迭加性 如果如果r(t)=ar1(t)时，时，c(t)=ac1(t)满足齐次性满足齐次性w 满足迭加性和齐次性的元件才是线性元件。满足迭加性和齐次性的元件才是线性元件。第1章第45页2）非线性系统：该类系统的特点在于系统中含有一个或多个非线性元件。系统的性能需用非线性微）非线性系统：该类系统的特点在于系统中含有一个或多个非线性元件。

31、系统的性能需用非线性微分方程（或差分方程）来描述。分方程（或差分方程）来描述。非线性微分方程：非线性微分方程：系数与变量有关，或者方程中含有变量及其导数的高次幂或乘积项。系数与变量有关，或者方程中含有变量及其导数的高次幂或乘积项。重要重要 第1章第46页常见非线性情况常见非线性情况饱和非线性死区非线性间隙非线性继电器非线性第1章第47页注意：注意：在实际中，绝大多数对象都具有非线性特性，而大多数仪器仪表也是非线性的，所以很少有真正在实际中，绝大多数对象都具有非线性特性，而大多数仪器仪表也是非线性的，所以很少有真正意义上线性系统，一般是采用线性化措施将非线性系统处理成线性系统，这样就可简化分析和

32、运算。意义上线性系统，一般是采用线性化措施将非线性系统处理成线性系统，这样就可简化分析和运算。第1章第48页1.定常系统：特性不随时间变化的系统称定常系统，又称时不变系统。描述定常系统特性的微分方程或定常系统：特性不随时间变化的系统称定常系统，又称时不变系统。描述定常系统特性的微分方程或差分方程的系数不随时间变化。定常系统分为定常线性系统和定常非线性系统。差分方程的系数不随时间变化。定常系统分为定常线性系统和定常非线性系统。2.时变系统：特性随时间变化的系统称时变系统。对于时变系统，其输出响应的波形不仅与输入信号波时变系统：特性随时间变化的系统称时变系统。对于时变系统，其输出响应的波形不仅与输

33、入信号波形有关，而且还与参考输入加入的时刻有关，这一特点，增加了对时变系统分析和研究的复杂性。形有关，而且还与参考输入加入的时刻有关，这一特点，增加了对时变系统分析和研究的复杂性。第1章第49页定常：输入一定，输出不变。（方程系数为常数）定常：输入一定，输出不变。（方程系数为常数）时变（不定常）：时变（不定常）：输入一定，输出随时间发生变化。输入一定，输出随时间发生变化。重要重要 第1章第50页1.恒值调节系统：该类系统的输入信号为一常数，扰动使被控量偏离理想值而出现偏差，利用偏差该恒值调节系统：该类系统的输入信号为一常数，扰动使被控量偏离理想值而出现偏差，利用偏差该系统可使被控量回复到理想值

34、或接近理想值。上述的炉温闭环控制系统、锅炉水位控制系统均属于此系统可使被控量回复到理想值或接近理想值。上述的炉温闭环控制系统、锅炉水位控制系统均属于此类系统。类系统。2.随动系统：这类系统的给定量是时间的未知函数，系统能使被控量准确、快速地跟随给定量变化。随动系统：这类系统的给定量是时间的未知函数，系统能使被控量准确、快速地跟随给定量变化。随动系统又称伺服系统。如上述函数记录仪、导弹发射架方位控制系统随动系统又称伺服系统。如上述函数记录仪、导弹发射架方位控制系统。3.程序控制系统：输入信号为已知的时间函数，如机械加工中的数控机床工作台移动系统。程序控制系统：输入信号为已知的时间函数，如机械加工

35、中的数控机床工作台移动系统。第1章第51页1.连续系统：该类系统各环节间的信号均为时间连续系统：该类系统各环节间的信号均为时间t的连续函数。的连续函数。2.离散系统：该类系统在信号传递过程中有一处或多处的信号是脉冲序列或数字编码。数字控制系统、离散系统：该类系统在信号传递过程中有一处或多处的信号是脉冲序列或数字编码。数字控制系统、采样系统为离散系统。采样系统为离散系统。离散信离散信号号离散信离散信号号计算机计算机被控被控对象对象扰动扰动反馈元件反馈元件e(t)()c t()r tA/DD/A放大放大元件元件执行执行元件元件采样数字控制系统结构图采样数字控制系统结构图第1章第52页1.6 1.6

36、 对自动控制系统的基本要求对自动控制系统的基本要求第1章第53页 要要自动控制系统是否能很好地工作自动控制系统是否能很好地工作,是否能精确地保持被控量按照预定的要求规律变化这取决于被是否能精确地保持被控量按照预定的要求规律变化这取决于被控对象和控制器及各功能元器件的特性参数是否设计得当。控对象和控制器及各功能元器件的特性参数是否设计得当。在在理想情况下理想情况下,控制系统的输出量和输入量控制系统的输出量和输入量,在任何时候均相等在任何时候均相等,系统完全无误差系统完全无误差,且不受干扰的影响。且不受干扰的影响。实际系统中实际系统中,由于各种各样原因由于各种各样原因,系统在受到输入信号系统在受到

37、输入信号(也包括扰动信号也包括扰动信号)的激励时的激励时,被控量将偏离输入被控量将偏离输入信号作用前的初始值信号作用前的初始值,经历一段动态过程经历一段动态过程(过渡过程过渡过程),则系统控制性能的优劣则系统控制性能的优劣,可以从动态过程中较充可以从动态过程中较充分地表现出来。分地表现出来。自动控制系统性能的自动控制系统性能的第1章第54页图图1 1 自动控制系统被控量变化的动态特性自动控制系统被控量变化的动态特性自动控制系统被控量变化的动态特性有以下几种自动控制系统被控量变化的动态特性有以下几种 单调过程单调过程衰减振荡衰减振荡 等幅振荡等幅振荡 渐扩振荡渐扩振荡 不稳定不稳定稳定稳定稳定稳

38、定不稳定不稳定第1章第55页自动控制系统其动态过程多属于图自动控制系统其动态过程多属于图1（b）的的衰减振荡衰减振荡情况。控制系统的动态过程不仅要是稳定的，情况。控制系统的动态过程不仅要是稳定的，并且希望过渡过程时间（又称调整时间）越短越好，最大振荡幅度（用超调量衡量）越小越好，衰并且希望过渡过程时间（又称调整时间）越短越好，最大振荡幅度（用超调量衡量）越小越好，衰减得越快越好减得越快越好（用衰减比衡量）（用衰减比衡量）。工程上常常从工程上常常从稳、快、准三个方面来评价自动控制系统的总体精度。稳、快、准三个方面来评价自动控制系统的总体精度。第1章第56页给定值阶跃变化时的衰减振荡过渡过程典型曲

39、线给定值阶跃变化时的衰减振荡过渡过程典型曲线 第1章第57页稳态性能指标稳态性能指标稳态误差是描述系统稳态性能的唯一指标。稳态误差是描述系统稳态性能的唯一指标。指系统过渡过程终了时被控参数稳态值与给定值之差：指系统过渡过程终了时被控参数稳态值与给定值之差：一般要求稳态误差越小越好或为零。一般要求稳态误差越小越好或为零。()sseyr 第1章第58页动态性能指标动态性能指标生产过程中干扰无时不在，控制系统时时刻刻都处在一种频繁的、不间断的动态调节过程中。所以，生产过程中干扰无时不在，控制系统时时刻刻都处在一种频繁的、不间断的动态调节过程中。所以，在过程控制中，了解或研究控制系统的动态特性比其静态

40、特性更为重要、更有意义。在过程控制中，了解或研究控制系统的动态特性比其静态特性更为重要、更有意义。描述系统动态指标主要包括：描述系统动态指标主要包括：1.衰减比衰减比 n2.超调量超调量3.过渡过程时间过渡过程时间 ts第1章第59页衰减比衰减比 衡量系统过渡过程稳定性的一个动态指标：衡量系统过渡过程稳定性的一个动态指标：为保持足够的稳定裕度，一般取衰减比为为保持足够的稳定裕度，一般取衰减比为4:110:1。其中。其中4:1衰减比常作为评价过渡过程衰减比常作为评价过渡过程动态性能的一个理想指标。动态性能的一个理想指标。21BBn 超调量用来反映系统受扰动后的超调情况和衡量系统的稳定性。超调量用

41、来反映系统受扰动后的超调情况和衡量系统的稳定性。第1章第60页超调量与过渡过程时间超调量与过渡过程时间超调量：超调量：过渡过程时间过渡过程时间ts指系统从受扰动作用时起，直指系统从受扰动作用时起，直到被控参数进入新的稳态值到被控参数进入新的稳态值5%（或（或2%）的范围内所经历的最短时间。的范围内所经历的最短时间。要求要求、ts 应越小越好应越小越好。%100)()()(yytyp第1章第61页1.稳定性(稳)考虑动态过程在不同阶段中的特点考虑动态过程在不同阶段中的特点,工程上通常从稳、快、准三个方面来衡量自动控制系统：工程上通常从稳、快、准三个方面来衡量自动控制系统：稳定工作是所有自动控制系

42、统的最基本要求稳定工作是所有自动控制系统的最基本要求,是系统能否工作的前题。不稳定的系统根本无法完成是系统能否工作的前题。不稳定的系统根本无法完成控制任务。考虑到实际系统工作环境或参数的变动控制任务。考虑到实际系统工作环境或参数的变动,可能导致系统不稳定可能导致系统不稳定,因此因此,我们除要求系统稳定外我们除要求系统稳定外,还要求其具有一定的稳定裕量。还要求其具有一定的稳定裕量。第1章第62页即过渡过程继续的时间长短。过渡过程越短，说明系统快速性越好，过渡过程持即过渡过程继续的时间长短。过渡过程越短，说明系统快速性越好，过渡过程持续时间越长，说明系统响应迟钝，难以实现快速变化的指令信号。续时间

43、越长，说明系统响应迟钝，难以实现快速变化的指令信号。是指系统在过渡过程结束后，偏差的最终值的大小，称为稳态误差，它是衡量系是指系统在过渡过程结束后，偏差的最终值的大小，称为稳态误差，它是衡量系统稳态精度的重要指标。稳态误差越小，表示系统的准确性越好，被控量（输出量）的期望值与统稳态精度的重要指标。稳态误差越小，表示系统的准确性越好，被控量（输出量）的期望值与实际值之间的差值就越小。实际值之间的差值就越小。第1章第63页 由于被控对象的具体情况不同，各系统对稳、快、准的要求各有侧重。而且对同一系统，由于被控对象的具体情况不同，各系统对稳、快、准的要求各有侧重。而且对同一系统，稳、快、准的要求常常

44、是相互制约的。过分提高过程的快速性，可能会引起系统强烈的振荡，稳、快、准的要求常常是相互制约的。过分提高过程的快速性，可能会引起系统强烈的振荡，而过分追求稳定性，又可能使系统反应迟缓，最终导致准确性变坏。如何分析和解决这些矛而过分追求稳定性，又可能使系统反应迟缓，最终导致准确性变坏。如何分析和解决这些矛盾，将是本学科研究的主要内容。盾，将是本学科研究的主要内容。对于偏差始终存在的系统对于偏差始终存在的系统准确性：希望放大环节的放大系数大准确性：希望放大环节的放大系数大平稳性：希望放大环节的放大系数小平稳性：希望放大环节的放大系数小需要注意的是：第1章第64页1.选取原则选取原则（1）在现场及实

45、验中容易产生）在现场及实验中容易产生（2）系统在工程中经常遇到，并且是最不利的外作用。）系统在工程中经常遇到，并且是最不利的外作用。（3）数学表达式简单，便于理论分析。）数学表达式简单，便于理论分析。为了能对不同的控制系统的性能用统一的标准来恒量，通常需要选择几种典型的外作用。为了能对不同的控制系统的性能用统一的标准来恒量，通常需要选择几种典型的外作用。阶跃函数阶跃函数 斜坡函数斜坡函数 脉冲函数脉冲函数 正弦函数正弦函数第1章第65页（2）图形：）图形：表示在表示在t=0时刻出现了幅值为时刻出现了幅值为R的跳变，是最不利的外作用。的跳变，是最不利的外作用。R=1时的阶跃函数叫单位阶跃函数，常

46、时的阶跃函数叫单位阶跃函数，常用用1(t)表示。常用阶跃函数作为评价系统动态性能的典型外作用。所以阶跃函数在自动控制系统的表示。常用阶跃函数作为评价系统动态性能的典型外作用。所以阶跃函数在自动控制系统的分析中起着特别重要的作用。分析中起着特别重要的作用。R0 tr(t)2.阶跃函数阶跃函数（1）数学表达式：）数学表达式：0,00,)(ttRtr第1章第66页（1）数学表达式：）数学表达式：（2）图形：）图形：如如R=1,叫单位斜坡函数，表示从叫单位斜坡函数，表示从t=0时刻，以恒速时刻，以恒速R变化。变化。跟踪通信卫星的天线控制系统，数控机床加工斜面时的给跟踪通信卫星的天线控制系统，数控机床加

47、工斜面时的给 进指令等，都可以采用斜坡信号作为进指令等，都可以采用斜坡信号作为典型输入信号。典型输入信号。0 t r(t)0,00,)(ttRttr3.斜坡函数斜坡函数R第1章第67页4.脉冲函数脉冲函数 （1 1）矩形脉冲函数数学表达式）矩形脉冲函数数学表达式 (2)(2)图形：图形：r(t)0tA/,0()0,0Atr ttt 或脉冲函数是对脉冲函数是对趋于趋于0 0，求极限得到的。数学表达式为，求极限得到的。数学表达式为:Adttr)(0,00,)(tttr第1章第68页需要注意的是：脉冲函数在现实中是不存在的，只是数学上的定义。在现实系统中常把作用时间很需要注意的是：脉冲函数在现实中是

48、不存在的，只是数学上的定义。在现实系统中常把作用时间很短，幅值很大而强度有限的一些外作用近似看作脉冲函数。当短，幅值很大而强度有限的一些外作用近似看作脉冲函数。当A=1A=1时，称为单位脉冲函数，记作时，称为单位脉冲函数，记作(t),(t),强度为强度为A A的脉冲函数的脉冲函数r(t)r(t)表示成表示成 r(t)=A(t)r(t)=A(t)第1章第69页5.正弦函数正弦函数 （1 1）数学表达式：）数学表达式：sin,0()0,0Awttr tt A为振幅，为振幅，w=2f 为正弦函数的角频率。上式的初始相角为正弦函数的角频率。上式的初始相角=0，如果初始相角，如果初始相角不等于不等于0，

49、那么正弦，那么正弦函数函数r(t)的表达式为：的表达式为：r(t)=Asin(wt-)(2)(2)图形：图形：r(t)tA第1章第70页正弦函数也是控制系统常见的一种典型外作用，很多实际的随动系统就是经常在这种正弦函数作正弦函数也是控制系统常见的一种典型外作用，很多实际的随动系统就是经常在这种正弦函数作用下工作的。更为重要的是，系统在正弦函数作用下的响应，即频率特性，是自动控制理论中研用下工作的。更为重要的是，系统在正弦函数作用下的响应，即频率特性，是自动控制理论中研究系统性能的重要依据究系统性能的重要依据.第1章第71页1.7 1.7 自动控制理论发展简史自动控制理论发展简史 补充补充 第1

50、章第72页一、历史一、历史1.萌芽：萌芽：18世纪第一次技术革命（机械化）时域分析世纪第一次技术革命（机械化）时域分析俄国人波尔佐诺夫发明锅炉水位调节器俄国人波尔佐诺夫发明锅炉水位调节器英国人瓦特发明蒸汽机离心飞锤式调速器，萌生了自动控制的基本原理英国人瓦特发明蒸汽机离心飞锤式调速器，萌生了自动控制的基本原理1877年，劳斯，年，劳斯，1895年，赫尔维茨分别提出了系统稳定的代数判据（年，赫尔维茨分别提出了系统稳定的代数判据（19世纪末）世纪末）第1章第73页2.奠定基础（奠定基础（20世纪）世纪）经典控制论经典控制论3040年代，奈奎斯特提出系统稳定性的频率判据年代，奈奎斯特提出系统稳定性的