1、第一章第一章 自动控制一般自动控制一般概念概念掌握经典掌握经典线性定常连续系统、线性定常离散线性定常连续系统、线性定常离散系统、非线性控制系统系统、非线性控制系统的分析与综合方法的分析与综合方法;掌握反馈控制原理的应用掌握反馈控制原理的应用以及分析和设计的以及分析和设计的一般规律一般规律;具备具备分析和设计自动控制系统的初步能力分析和设计自动控制系统的初步能力，对与理论有关的实际物理问题有一般的了解。对与理论有关的实际物理问题有一般的了解。本课程的任务：本课程的任务：(1)建立系统的数学模型建立系统的数学模型：这是从工程实际到理论的：这是从工程实际到理论的一个抽象过程一个抽象过程。（第二章）；
2、（第二章）；(2)系统分析：系统分析：即系统是已知的，求系统的三大性能即系统是已知的，求系统的三大性能指标。分析方法分别为：指标。分析方法分别为：(a)基于微分方程理论的时域分析法（第三章）基于微分方程理论的时域分析法（第三章）(b)基于传递函数的根轨迹法（第四章）基于传递函数的根轨迹法（第四章）(c)基于频率特性的频域分析法基于频率特性的频域分析法(第五章第五章)(3)系统校正系统校正(设计设计)（第六章（第六章)第七章介绍了第七章介绍了线性离散系统线性离散系统进行分析和校正进行分析和校正;第八章介绍了第八章介绍了非线性系统非线性系统的分析方法。的分析方法。总学时：总学时：80（其中理论课学
3、时：（其中理论课学时：74 实验学时：实验学时：6）总学分：总学分：5期末考试和平时考核相结合。期末考试和平时考核相结合。其中，期末考试成绩占其中，期末考试成绩占70%，平时考核成绩占，平时考核成绩占30%。期末考试采取闭卷考试形式；平时考核包括实验、作业期末考试采取闭卷考试形式；平时考核包括实验、作业和平时上课情况。和平时上课情况。1.吴麒主编，吴麒主编，自动控制原理自动控制原理，清华大学出版社，清华大学出版社2.陈渝光主编，陈渝光主编，电气自动控制原理与系统电气自动控制原理与系统，机械，机械工业出版社工业出版社3.李友善主编，李友善主编，自动控制原理自动控制原理，国防科技出版社，国防科技出
4、版社5.王划一等，王划一等，自动控制原理自动控制原理，国防工业出版社国防工业出版社第一章第一章 自动控制的一般概念自动控制的一般概念1-1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式1-2 自动控制系统示例自动控制系统示例1-3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类1-4 对自动控制系统的基本要求对自动控制系统的基本要求1-5 自动控制系统的分析与设计工具自动控制系统的分析与设计工具 一、自动控制的一、自动控制的基本原理基本原理是什么？是什么？二、典型自动控制系统的二、典型自动控制系统的基本组成基本组成有哪些？有哪些？三、自动控制系统的三、自动控制系统的基本要求基本要求是什么？是什么？1
5、-1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式 自动控制技术及其应用自动控制技术及其应用 自动控制科学自动控制科学 反馈控制原理反馈控制原理 反馈控制系统的基本组成反馈控制系统的基本组成 自动控制系统基本控制方式自动控制系统基本控制方式 现代社会和现代生活现代社会和现代生活 离不开对一些物理量的离不开对一些物理量的控制控制，包，包括实现对这种控制的括实现对这种控制的自动化自动化。例如例如:公共电网上的电压是公共电网上的电压是50Hz、220伏的交流电。电压伏的交流电。电压偏离这些给定值，会引起电器工作的不正常，甚至损坏。偏离这些给定值，会引起电器工作的不正常，甚至损坏。为此，在发电厂就
6、要设法控制电压、频率这两物理量为为此，在发电厂就要设法控制电压、频率这两物理量为恒恒值值，这要采用，这要采用自动调压自动调压和和自动调频自动调频装置。装置。在工业生产中，如在化肥厂控制反应釜（塔）内温度在工业生产中，如在化肥厂控制反应釜（塔）内温度和压力为和压力为恒值恒值，使化学反应速度加快。，使化学反应速度加快。在机械加工厂金属切削机床上，经常是控制工件或刀在机械加工厂金属切削机床上，经常是控制工件或刀具的转速为具的转速为恒值恒值，使产品的质量、产量能提高。，使产品的质量、产量能提高。什么是自动化？什么是自动化？1.1.自动控制技术及应用自动控制技术及应用 (a)手动控制手动控制 (b)自动
7、控制自动控制 水温的手动控制和自动控制的示意图水温的手动控制和自动控制的示意图 自动控制时利用自动控制时利用各种元件和仪表各种元件和仪表来进行温度的测量、来进行温度的测量、与给定值进行比较、决定蒸汽阀往哪个方向旋转和旋与给定值进行比较、决定蒸汽阀往哪个方向旋转和旋转多大的角度。如，转多大的角度。如，温度测量元件、控制记录仪表和温度测量元件、控制记录仪表和调节阀等。调节阀等。什么是自动化？什么是自动化？什么是自动控制（什么是自动控制（Automatic Control）？）？控制理论在发展社会生产力中的作用控制理论在发展社会生产力中的作用(1).军事、航天领域军事、航天领域火炮、雷达、跟踪系统；
8、火炮、雷达、跟踪系统；人造卫星、宇宙飞船。人造卫星、宇宙飞船。(2)工业生产过程工业生产过程轧钢过程轧钢过程化工化工水泥制造水泥制造造纸造纸(3)现代农业生产现代农业生产疫疫情情检检测测自自动动灌灌概概农农产产品品质质量量检检测测(1)古代自动装置：古代自动装置：公元前公元前14世纪至公元前世纪至公元前11世纪，在中国出现了世纪，在中国出现了自动计时装置刻漏自动计时装置刻漏；三国时期，使用了自动指示方向的三国时期，使用了自动指示方向的指南车指南车；公元一世纪古埃及和希腊的发明家创造了教堂公元一世纪古埃及和希腊的发明家创造了教堂庙门的自动开启庙门的自动开启和铜祭司和铜祭司自动洒圣水自动洒圣水等设
9、备；等设备；中国的天文学家张衡发明了对天体运行自动仿中国的天文学家张衡发明了对天体运行自动仿真的浑天仪和真的浑天仪和自动检测地震的地动仪。自动检测地震的地动仪。2.自动控制科学自动控制科学 经典控制理论：经典控制理论：主要研究单输入主要研究单输入单输出（单输出（单变单变量量）、）、线性定常线性定常系统的分析和设计问题。系统的分析和设计问题。如：调节电压改变电机的速度；调整方向盘改变汽车如：调节电压改变电机的速度；调整方向盘改变汽车的运动轨迹等。的运动轨迹等。现代控制理论：现代控制理论：主要研究具有高性能、高精度的主要研究具有高性能、高精度的多多变量变参数变量变参数系统的最优控制问题。系统的最优
10、控制问题。如，汽车看成是一个具有两个输入（驾驶盘和加速踏板）如，汽车看成是一个具有两个输入（驾驶盘和加速踏板）和两个输出（方向和速度）的控制系统。和两个输出（方向和速度）的控制系统。经典控制理论与现代控制理论比较经典控制理论与现代控制理论比较项目项目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线性定常系统系统(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)研究办法研究办法根轨迹法和频率
11、法根轨迹法和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系统分析及给定输入、输出情况下的入、输出情况下的系统综合系统综合揭示系统的内在规律，揭示系统的内在规律，实现在一定意义下的最实现在一定意义下的最优控制与设计优控制与设计 是是一种过程控制与信息处理相结合的动态系统工程理一种过程控制与信息处理相结合的动态系统工程理论论。研究的对象具有规模庞大、结构复杂、功能综合、目标研究的对象具有规模庞大、结构复杂、功能综合、目标多样、因素众多等特点，是多样、因素众多等特点，是多输入、多输出、多干扰、多多输入、多输出、多干扰、多变量变量的系统。的系统。如：交通运输、生物工程、社会经济和空间技术
12、等。如：交通运输、生物工程、社会经济和空间技术等。是是人工智能在控制上的应用人工智能在控制上的应用。它的指导思想是依据人。它的指导思想是依据人的思维方式和处理问题的技巧，解决那些目前需要人的智的思维方式和处理问题的技巧，解决那些目前需要人的智能才能解决的复杂的控制问题。能才能解决的复杂的控制问题。自动控制系统：自动控制系统：将将被控对象被控对象和和控制装置控制装置按照一定按照一定的方式连接起来的一个有机总体。的方式连接起来的一个有机总体。3.3.反馈控制原理反馈控制原理被控量被控量(被控对象的输出量被控对象的输出量)：是要求是要求严格加以控严格加以控制的物理量制的物理量，可以要求其保持为某一，
13、可以要求其保持为某一恒定值恒定值或按或按照某个照某个给定规律给定规律运行。运行。控制装置：控制装置：是对被控对象施加控制作用的机构的是对被控对象施加控制作用的机构的总体。总体。反馈控制原理：反馈控制原理：在在反馈控制系统中反馈控制系统中，控制装置对，控制装置对被控对象施加的控制作用，是取自被控对象施加的控制作用，是取自被控量的反馈被控量的反馈信息信息，用来不断，用来不断修正修正被控量与输入量之间的偏差被控量与输入量之间的偏差，从而实现被控对象进行控制的任务。从而实现被控对象进行控制的任务。液位控制系统液位控制系统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被控
14、对象：被控对象：水箱；水箱；被控量：被控量：液位；液位；执行元件：执行元件：阀门阀门;控制装置：控制装置：电动机；电动机；测量元件：测量元件：浮子；浮子；给定元件：给定元件：电位器。电位器。阀门阀门J方块图：方块图：是将组成系统的各部分，每一个部分用一个是将组成系统的各部分，每一个部分用一个功功能方块表示能方块表示，然后用，然后用有向线段有向线段将它们将它们依次连接依次连接起来，并起来，并标明信号标明信号。反反馈馈控控制制系系统统控控 制制装装 置置+-比较元件比较元件被被 控控 对对 象象前向通路前向通路反馈通路反馈通路前向通路：前向通路：信号从输入端沿箭头方向到达输出端的传输通信号从输入端
15、沿箭头方向到达输出端的传输通路；路；反馈通路：反馈通路：系统输出量经测量元件反馈到输入端的传输通系统输出量经测量元件反馈到输入端的传输通路。路。反反馈馈控控制制系系统统控控 制制装装 置置+-比较元件比较元件被被 控控 对对 象象J反馈：反馈：将检测出来的将检测出来的输出量送回到系统的输入端输出量送回到系统的输入端，并，并与输入信号相比较与输入信号相比较产生偏差产生偏差的过程的过程。J负反馈：负反馈：若反馈信号与输入信号若反馈信号与输入信号相减相减，称为，称为负反馈负反馈；J正反馈：正反馈：若反馈信号与输入信号若反馈信号与输入信号相加相加，称为，称为正反馈正反馈。4 4、反馈控制系统的基本组成
16、、反馈控制系统的基本组成一个反馈控制系统组成主要有：一个反馈控制系统组成主要有：(1).测量元件测量元件：其职能是：其职能是检测被控制的物理量检测被控制的物理量，如果，如果这个物理量是非电量，一般要再转换为电量。这个物理量是非电量，一般要再转换为电量。如，测速发电机用于检测电动机轴的速度并转换为电压；如，测速发电机用于检测电动机轴的速度并转换为电压；温度控制系统中：温度传感器；压力控制系统中：压力传感温度控制系统中：温度传感器；压力控制系统中：压力传感器；速度控制系统中：速度传感器等。器；速度控制系统中：速度传感器等。(3).比较元件：比较元件：其职能是求出其职能是求出给定值给定值与与反馈值反
17、馈值之间的之间的偏差偏差。如差动放大器、电桥电路等。如差动放大器、电桥电路等。(2).给定元件：给定元件：其职能是其职能是给出给出与期望被控量相对应的与期望被控量相对应的系统系统输入量输入量（或参据量）。（或参据量）。如：电位器。如：电位器。(4).放大元件：放大元件：其职能是将比较元件给出的其职能是将比较元件给出的偏差信号偏差信号进行放大进行放大，用来推动执行元件去控制被控对象。，用来推动执行元件去控制被控对象。(5).执行元件：执行元件：其职能是其职能是直接推动被控对象直接推动被控对象，使其，使其被控量发生变化。被控量发生变化。如阀门、电动机、液压马达等。如阀门、电动机、液压马达等。(6)
18、.校正元件或称为补偿元件校正元件或称为补偿元件，用以改善系统的性能。，用以改善系统的性能。单回路系统：单回路系统：只包含一个反馈通路的系统。只包含一个反馈通路的系统。图图1-5 反馈控制系统基本组成反馈控制系统基本组成多回路系统：有两个或两个以上多回路系统：有两个或两个以上反馈通路的系统。反馈通路的系统。反馈控制上的外作用：反馈控制上的外作用：一种是有用输入；一种是有用输入；一种是扰一种是扰动。动。urufuenuaufueua控制量控制量输出量对系统的控制作用不发生输出量对系统的控制作用不发生 影响。影响。ur(t)n(t)ua uru放大放大滤波滤波A/D变换变换器器单单板板计计算算机机触
19、触发发器器D/A变变换换器器电炉电炉热电偶热电偶电电阻阻丝丝图图1-12 电阻炉温度微机控制系统电阻炉温度微机控制系统3.电阻炉微型计算机温度控制系统电阻炉微型计算机温度控制系统1-2 自动控制系统实例自动控制系统实例图图1-13 锅炉液位控制系统示意图锅炉液位控制系统示意图4.锅炉液位控制系统锅炉液位控制系统给定值给定值图图1-14 锅炉液位控制系统方块图锅炉液位控制系统方块图第一章第一章 自动控制的一般概念自动控制的一般概念1-1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式1-2 自动控制系统示例自动控制系统示例1-3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类1-4 对自动控制系统的基本
20、要求对自动控制系统的基本要求1-5 自动控制系统的分析与设计工具自动控制系统的分析与设计工具开环控制开环控制闭环控制闭环控制(反馈控制反馈控制)复合控制复合控制.机械系统机械系统恒张力系统恒张力系统电气系统电气系统机电系统机电系统全自动照相机，光机电结合全自动照相机，光机电结合液压系统液压系统伺服液压缸，汽车发动机，伺服液压缸，汽车发动机，大型的仿真模拟台大型的仿真模拟台气动系统气动系统 生物系统生物系统1-3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类按按系统功用系统功用分分1.1.线性连续控制系统线性连续控制系统 当组成系统的各元件的当组成系统的各元件的输入输入/输出关系特性是线性特输出关系特性
21、是线性特性性，系统的状态和性能可以，系统的状态和性能可以用线性微分方程或线性差分用线性微分方程或线性差分方程来描述方程来描述时，则称这种系统为时，则称这种系统为线性系统线性系统。特点特点：可以运用：可以运用叠加原理叠加原理。线性连续系统的线性微分方程式一般形式为：线性连续系统的线性微分方程式一般形式为：)()()()()()()()(1111011110trbtrdtdbtrdtdbtrdtdbtcatcdtdatcdtdatcdtdammmmmmnnnnnn 上式中：上式中：c(t)是被控量（输出量）；是被控量（输出量）；r(t)是输入量；是输入量；a0、a1、a2an；b0、b1、b2bm
22、是系统系数。是系统系数。当当系数为常数系数为常数时，称为时，称为线性定常线性定常系统；系统；当当系数随时间变化系数随时间变化时，称为时，称为时变时变系统。系统。(1)恒值控制系统恒值控制系统(或称自动调节系统、自动镇定系统或称自动调节系统、自动镇定系统)：特点特点：输入量（参据量）是一个：输入量（参据量）是一个恒定的数值恒定的数值。任务：任务：当系统受到各种干扰时，该系统能维持被控量当系统受到各种干扰时，该系统能维持被控量（输出量）与参据量相应的恒值关系。（输出量）与参据量相应的恒值关系。常见的温度控制系统、压力控制系统、液位控制系统等常见的温度控制系统、压力控制系统、液位控制系统等都属于恒值
23、控制系统。都属于恒值控制系统。(2)随动系统随动系统（或称跟踪系统）：（或称跟踪系统）：特点：特点：输入量是事先未知的输入量是事先未知的随机信号随机信号。任务任务：要求被控量以足够的精度，快速、准确地跟：要求被控量以足够的精度，快速、准确地跟随输入量的变化。随输入量的变化。如，军事上的自动炮火系统，雷达跟踪系统，航天、如，军事上的自动炮火系统，雷达跟踪系统，航天、航海中的自动导航系统，自动驾驶系统等。航海中的自动导航系统，自动驾驶系统等。线性定常连续系统按线性定常连续系统按输入量的变化输入量的变化可分为可分为:(3)程序控制系统程序控制系统（或称过程控制系统）：（或称过程控制系统）：特点特点：
24、输入量是：输入量是按预定规律随时间变化按预定规律随时间变化的函数。的函数。任务任务：要求被控量迅速、准确地按预定的规律变化。：要求被控量迅速、准确地按预定的规律变化。如：机床数控加工系统，加热炉温度自动变化控制等。如：机床数控加工系统，加热炉温度自动变化控制等。离散系统是指系统的某处或多处的信号为离散系统是指系统的某处或多处的信号为脉冲序列脉冲序列或或数码形式数码形式。2.2.线性定常离散控制系统线性定常离散控制系统线性差分方程的一般形式为：线性差分方程的一般形式为：)()1()1()()()1()1()(110110krbkrbmkrbmkrbkcakcankcankcammnn 式中：式中
25、：mn，n为差分方程的次数；为差分方程的次数；a0、a1 an；b0、b1、bm是常系数；是常系数；r(k)、c(k)分别为输入和输出采样序列。分别为输入和输出采样序列。输入输出采样开关+_()e t()e t保持器被控过程输入输出+_A DD A计算机放大器执行器被控对象反馈装置 非线性系统用非线性微分方程或非线性差分方程非线性系统用非线性微分方程或非线性差分方程描述。描述。非线性系统非线性系统不满足叠加原理不满足叠加原理。系统中只要存在一个系统中只要存在一个非线性特性非线性特性的元件，系统就由的元件，系统就由非线性方程来描述，这类系统就称为非线性控制系统。非线性方程来描述，这类系统就称为非
26、线性控制系统。3.3.非线性控制系统非线性控制系统 非线性方程的特点是非线性方程的特点是系数与变量有关系数与变量有关，或者方程中，或者方程中含有变量及其导数的高次幂或乘积项含有变量及其导数的高次幂或乘积项，例如：，例如：)()()()()(2trtytytyty 第一章第一章 自动控制的一般概念自动控制的一般概念1-1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式1-2 自动控制系统示例自动控制系统示例1-3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类1-4 对自动控制系统的基本要求对自动控制系统的基本要求1-5 自动控制系统的分析与设计工具自动控制系统的分析与设计工具1-4 对自动控制系统的基
27、本要求对自动控制系统的基本要求 当自动控制系统受到干扰或者人为要求给定值改变，当自动控制系统受到干扰或者人为要求给定值改变，被控量就会发生变化，偏离给定值。通过系统的自动控被控量就会发生变化，偏离给定值。通过系统的自动控制作用，经过一定的过渡过程，被控量又恢复到原来的制作用，经过一定的过渡过程，被控量又恢复到原来的稳定值或者稳定到一个新的给定值。稳定值或者稳定到一个新的给定值。被控量在变化过程中的过渡过程被控量在变化过程中的过渡过程称为动态过程称为动态过程（即随时间而变的过程），（即随时间而变的过程），被控量处于平衡状态称为被控量处于平衡状态称为静态或稳态静态或稳态。自动控制系统最基本的要求是
28、自动控制系统最基本的要求是被控量的稳态误被控量的稳态误差（偏差）为零或在允许的范围内差（偏差）为零或在允许的范围内。对于一个好的。对于一个好的自动控制系统来说，一般要求稳态误差在被控量额自动控制系统来说，一般要求稳态误差在被控量额定值的定值的25之内。之内。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 自动控制系统还应满足动态过程的性能要求，自动自动控制系统还应满足动态过程的性能要求，自动控制系统被控量变化的动态特性有以下几种。控制系统被控量变化的动态特性有以下几种。(a)单调过程单调过程 (b)衰减振荡过程衰减振荡过程:(c)等幅振荡过程等幅振荡过程(d)发散振荡过程发散
29、振荡过程 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（b）所示所示的的衰减振荡衰减振荡的情况。控制系统的动态过程不仅要是的情况。控制系统的动态过程不仅要是稳定稳定的，并且希望的，并且希望过渡过程时间过渡过程时间（又称调整时间）（又称调整时间）越短越好越短越好，振荡幅度越小越好振荡幅度越小越好，衰减得越快越好。，衰减得越快越好。综上所述，对于一个自动控制的性能要求可以综上所述，对于一个自动控制的性能要求可以概括为三方面：概括为三方面：稳定性，快速性和准确性稳定性，快速性和准确性。(1)稳定性：稳定性：稳定性是保证控制系统正常工作的稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件先决条件
30、。一个稳定的控制系统，其被控量偏离期望值的一个稳定的控制系统，其被控量偏离期望值的偏差偏差应随时间逐渐减小并应随时间逐渐减小并趋于零趋于零。稳定的稳定的恒值控制恒值控制系统，被控量因扰动而偏离期望值后，系统，被控量因扰动而偏离期望值后，经过一个过渡过程时间经过一个过渡过程时间，被控量被控量应恢复到应恢复到原来的期望值原来的期望值状态；状态；稳定的稳定的随动随动系统，被控量应能系统，被控量应能始终跟踪输入量始终跟踪输入量的变化。的变化。(2)快速性：快速性：要求系统的过渡过程具有一定的快速性。要求系统的过渡过程具有一定的快速性。对控制系统的对控制系统的过渡过程的时间过渡过程的时间（即快速性）和（
31、即快速性）和最大最大振荡幅度振荡幅度（即超调量）一般都有具体要求。（即超调量）一般都有具体要求。过渡过程过渡过程要快要快，超调量，超调量尽可能小尽可能小，称为动态性能好。，称为动态性能好。(3)准确性：准确性：被控量的被控量的稳态值与期望值稳态值与期望值的的误差误差，称为稳态误差。，称为稳态误差。稳态误差是衡量控制系统稳态误差是衡量控制系统控制精度控制精度的重要标志。的重要标志。Matlab是一种数值计算型科技应用软件。是一种数值计算型科技应用软件。Matlab有广泛的数据分析资源和应用开发工具。有广泛的数据分析资源和应用开发工具。在控制器设计、仿真和分析方面的功能通过在控制器设计、仿真和分析方面的功能通过Matlab控制工具箱完成。控制工具箱完成。Matlab软件常用的有软件常用的有6个控制类工个控制类工具箱具箱:(1)、系统辨识工具箱、系统辨识工具箱 (2)、控制系统工具箱、控制系统工具箱 (3)、鲁棒控制工具箱、鲁棒控制工具箱 (4)、模型预测控制工具箱、模型预测控制工具箱 (5)、模糊逻辑工具箱、模糊逻辑工具箱 (6)、非线性控制设计模块、非线性控制设计模块 1-5 自动控制系统的分析与设计工具自动控制系统的分析与设计工具 作业：作业：1-4,1-102020/11/553谢谢观赏！
