自動控制原理PrinciplesofAutomaticControl鄧穎娜E-mail:dengyingna@126.com《自動控制原理》參考教材《自動控制原理-簡明教程》——胡壽松，第3版，科學出版社。

課程性質和特點《自動控制原理》是一門技術學科，從方法論的角度來研究系統的建立、分析與設計?！蹲詣涌刂圃怼肥且婚T專業基礎課，與其他課程關系：微積分（含微分方程）電機與拖動模擬電子技術線性代數電路理論信號與系統自動控制理論復變函數、拉普拉斯變換大學物理（力學、熱力學）

如何學好這門課？

打好基礎

高等數學（微積分）、積分變換（拉氏變換）

做好預習

提前了解課程內容

聽好課

掌握基本理論和基本方法做好習題

應用學到的基本理論和基本方法解決實際問題考察方式

考試成績：70％平時成績：30％（包括作業、提問、測驗、出勤等）第1章控制系統導論自動控制系統的基本原理自動控制系統示例自動控制的分類自動控制系統的基本要求12341.1

自動控制的基本原理自動控制技術及應用自動控制理論反饋原理反饋控制系統的基本組成自動控制系統的基本控制方式本節主要內容為什么需要自動控制？什么是自動控制、自動控制系統？自動控制怎樣發展而來？

1.1.1自動控制技術及應用

為什么需要自動控制什么是自動控制？

在脫離人的直接干預，利用控制裝置（簡稱控制器）使被控對象（或生產過程等）的某一物理量（如溫度、壓力、PH值等）準確地按照預期的規律運行。自動化（Automation

或Automatization）什么叫自動控制？什么叫自動控制系統？自動控制主要研究解決什么問題（舉例說明）？

自動控制系統

為實現上述控制目的，由相互制約的各部分按一定規律組成的具有特定功能的整體。

自動控制的應用

飛機導航、姿態控制火炮、雷達、核動力、跟蹤系統航空航天工、農業生產過程飛機導航、姿態控制火炮、雷達、跟蹤系統航空航天現代化工廠工業生產過程化工過程軋鋼過程汽車加工裝箱加工過程自動控制是現代才有的嗎？？古代就有自動化方面的成就

公元前14世紀至前11世紀，自動計時漏壺

公元130年，張衡地動儀

公元235年，馬鈞指南車？？

1.1.2自動控制理論及其發展1769年瓦特發明蒸汽機1788年瓦特發明飛球調節器，進一步推動蒸汽機的應用，促進了工業的發展。推動了社會進步是飛球調節器公認為第一個自動控制系統的最主要原因！飛球調節器世界上公認的第一個自動控制系統20飛球調節器有時使蒸汽機速度出現大幅度振蕩。其它自動控制系統也有類似現象。由于當時還沒有自控理論，所以不能從理論上解釋這一現象。為了解決這個問題，盲目探索了大約一個世紀之久。

沒有理論指導使控制技術停滯了一個世紀！自動控制理論的開端1868年英國麥克斯韋爾的“論調速器”論文指出：不應單獨研究飛球調節器，必須從整個系統分析控制的穩定性。建立系統微分方程，分析微分方程解的穩定性，從而分析實際系統是否會出現不穩定現象。這樣，控制系統穩定性的分析，變成了判別微分方程的特征根的實部的正、負號問題。麥克斯韋爾的這篇著名論文被公認為自動控制理論的開端。經典控制理論20世紀40年代“經典控制理論”正式誕生，代表作是維納（Wiener）1948年發表的《控制論》（CyberneticsorControlandCommunicationintheAnimalandMachine）。維納成為控制論的創始人！控制論所討論的主要問題是一個系統的各個不同部分之間的相互作用的定性性質，以及整個系統的總體運動狀態。

“經典控制理論”以傳遞函數為數學工具，研究對象主要是單輸入單輸出的線性自動控制系統?，F代控制理論二次世界大戰結束后，各國大力發展空間技術，經典控制理論不能滿足需要，需要研究新的控制理論。20世紀60年代初，第一顆人造衛星上天，太空飛船成功登月，催生了“現代控制理論”?，F代控制理論在空間技術取得巨大成功，促進了空間技術的發展?！艾F代控制理論”以狀態空間法為基礎，主要研究多輸入多輸出、時變、非線性控制系統的分析和設計問題。

智能控制現代控制理論在空間技術取得巨大成功，但由于工業過程控制中普遍存在的不確定性和干擾，難以取得預期的效果。模擬人的控制技術——智能控制，雖然不能實現精確的控制，但對各種復雜系統能夠做到比較滿意的控制。自動控制理論發展簡史經典控制理論

(20世紀40年代)

時域法復域法(根軌跡法)

頻域法現代控制理論(20世紀60年代)

線性系統自適應控制最優控制魯棒控制最佳估計容錯控制系統辨識集散控制大系統復雜系統智能控制理論(20世紀70年代)

專家系統量子計算模糊控制DNA計算神經網絡群體智能進化計算自然計算。。。自動控制的定義所謂自動控制，是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設備或裝置（稱控制裝置或控制器），使工作機械、設備或整個生產過程（統稱被控對象）自動地按預定規律運行，或使其某些物理量（稱為被控量）按預定要求變化。

自動控制是在人工控制的基礎上發展起來的。下面以水池水位系統的人工控制與自動控制為例來說明自動控制的基本原理。

1.1.3反饋控制原理

水池水位系統的人工控制控制目的：水池中的水源源不斷地經過水管道流出，以供用戶使用。為了使水位上升或者下降都有足夠的余地，避免過滿或抽空，應使水池水位與要求值相等?？刂剖侄危焊淖冞M水閥門的開度。水池水位的人工控制過程測量過程用眼睛作測量工具，測量水位實際高度。決策過程通過大腦，將觀測到的實際液位與期望液位高度進行比較，得到偏差。根據偏差情況（正、負、大、小），進行分析運算，發出一控制命令；執行過程手執行大腦的命令，改變手操進水閥的開度，調節進水量，使水位偏差減?。环磸瓦M行上述過程，使水位實際值與要求值相等。由于有人直接參與控制，故稱為人工控制。

在本例中，水池水位是被控變量，水池是被控對象。以飛機的仰角控制為例：給定裝置放大器舵機飛機垂直陀螺儀θ0θc俯仰角控制系統方塊圖反饋電位器

反饋控制原理

在反饋控制系統中，控制裝置對被控對象施加的控制作用，是取自被控量的反饋信息，用來不斷修正被控量與輸入量之間的偏差，從而實現對被控量進行控制的任務。

輸入部分控制系統輸出部分理解方式從物理角度上看，自動控制研究的是特定激勵作用下的系統響應變化情況；從數學角度上看，研究的是輸入與輸出之間的映射關系

1.1.4反饋控制系統的組成

水池水位系統的自動控制若用自動控制裝置代替人完成人工操作過程，則可構成自動控制系統。

控制系統的基本組成框圖輸入信號——系統控制目標的反映，是人意志的具體體現。控制系統——主要完成對有關信號的變換、處理，發出控制量，驅動執行機構完成控制功能。包括放大器，執行裝置，測量元件等。輸出信號——系統的控制結果，反映了被控對象的運行狀態自動控制裝置測量元件：測量被控量的實際值，并進行物理量的變換（變送器）比較元件：測量值與給定值比較，獲得偏差調節元件：根據偏差產生控制信號。（控制器：包括比較元件和調節元件）執行元件：由控制信號改變操縱變量，作用于被控對象，使水位偏差減小（執行器，操作閥）

以上元件共同作用，反復檢測和控制，使得水位實際值與要求值相等。36（1）飛機的仰角控制系統1.2自動控制系統示例給定裝置放大器舵機飛機垂直陀螺儀θ0θc擾動俯仰角控制系統方塊圖反饋電位器

（2）爐溫控制系統

按信號傳遞路徑分類：

開環控制閉環控制復合控制

按系統的控制作用分類

恒值控制系統過程控制系統隨動系統按系統傳輸信號的性質來分類

連續系統離散系統按描述系統的數學模型不同來分類

線性系統非線性系統主要分類方法1.3自動控制系統的分類

按信號傳遞路徑分類閉環控制開環控制復合控制優點：簡單/穩定/成本低缺點：精度低

開環系統和閉環系統的結合優點：應用廣泛、精度高缺點：設備多、復雜對內部誤差不敏感穩定性不易控制

開環控制系統的輸出端與輸入端不存在反饋回路,輸出量對系統的控制作用不發生影響特點：簡單、穩定、成本低，精度低應用：控制量的變化規律可預知時；干擾易于抑制時；被控量很難測量時采樣開環控制

閉環控制（反饋控制）系統輸出信號與測量元件之間存在反饋回路,將輸出信號通過測量元件反饋到系統的輸入端，通過比較、控制來減小系統誤差特點：應用廣泛、精度高設備多、復雜對內部誤差不敏感、穩定性不易控制

按控制作用分類過程控制恒值控制隨動控制或稱自動調節系統輸入信號是恒定的數值代表系統：恒溫恒壓控制系統輸入信號是未知函數要求輸出量跟隨輸入信號變化代表系統：火炮跟蹤或稱程序控制系統輸入信號是已知的函數按照預定程序運行，被控量迅速、準確復現輸入代表系統：化工、流量控制

按系統傳輸信號的性質來分類

連續系統特點：系統各部分信號都是模擬的連續函數。目前工業中普遍采用的常規儀表PID調節器的控制系統。

離散系統特點：系統的某一處或幾處信號以脈沖序列或數碼形式傳遞的控制系統。方式：采用脈沖開關或采樣開關，將連續信號轉為離散信號。其中離散信號以脈沖形式傳遞的系統又叫脈沖控制系統離散信號以數碼形式傳遞的系統又叫數字控制系統。

按描述系統的數學模型不同來分類

線性系統

特點：系統由線性元件構成，描述運動規律的數學模型為線性微分方程。運動方程一般形式

非線性系統在構成系統的環節中有一個或一個以上的非線性環節。理論研究不如線性系統完整，目前尚無通用方法。1.4自動控制系統的基本要求

對控制系統性能的要求概括為三方面：穩定性（穩）控制系統運行的必要條件，不穩定的系統是不能工作的.快速性（快）系統動態響應的快速性，系統的過渡過程越短越好.準確性（準）過渡過程結束，到達穩態后系統的控制精度的度量.1.4.1性能要求

穩定性系統在受到擾動作用后自動返回原來的平衡狀態的能力。如果系統受到擾動作用（系統內或系統外）后，能自動返回到原來的平衡狀態，則該系統是穩定的。穩定系統的數學特征是其輸出量具有非發散性；反之，系統是不穩定系統。

快速性

在時域中，常用單位階躍信號作用下，系統輸出的超調量p,上升時間Tr，峰值時間Tp,過渡過程時間（或調整時間）Ts和振蕩次數N等特征量表示。單位階躍信號作用下，穩定系統的典型輸出響應曲線

在控制系統穩定的前提下，總是希望響應速度越快越好，而且超調量越小越好。自動控制原理50穩態誤差

指穩定系統在完成過渡過程后的穩態輸出偏離希望值的程度。穩態誤差越小，系統的精度越高，它由系統的穩態響應反映出來。

自動控制系統的性能指標分別描述了系統在穩定性、動態性能、穩態性能三個方面的要求，根