2023年2月4日自動控制原理

崔曉波Email:xiaobo68@163.com2023年2月4日本門課程的性質:1.重要的技術基礎課，闡述有關自動控制技術的基礎理論——經典控制論，研究“控制論”在工程中的應用。基本內容——控制論的基本理論、方法、特點、綜合設計方法。研究對象——自動控制系統，揭示自動控制系統中存在的信息轉換、傳遞和反饋。2.學習目的：①自動化發展的需要②與信息科學、系統科學關系緊密③掌握控制系統分析與設計的基本方法成績評定總評成績=平時成績+期末考試成績平時成績占20%，期末考試成績占80%無故曠課累計超1/3,抽查曠課五次，缺交作業（含實驗報告）三次，不得參加考試，成績0分2023年2月4日參考書目教材：程鵬主編，《自動控制原理》，高等教育出版社。參考書：1）胡壽松主編，《自動控制原理》，科學出版社，2007年第五版。2）FaridGolnaraghi.BenjaminC.Kuo.Automaticcontrolsystems3）薛定宇，控制系統仿真與計算機輔助設計，

第2版，機械工業出版社2023年2月4日2023年2月4日第1章控制系統的基本概念2023年2月4日1.1引言1.2開環控制系統和閉環控制系統1.3自動控制系統的組成1.4自動控制系統的分類1.5自動控制系統的應用實例1.6自動控制理論發展簡史1.7對自動控制系統的基本要求2023年2月4日1.1引言2023年2月4日一、控制系統基本概念1.控制（Control）：根據某種原理或方法，使特定對象（被控對象）的某些物理量（被控量）按照預期規律變化的操縱過程。2.人工控制（ManualControl）：由人直接或間接操作執行裝置的控制方式。2023年2月4日3.自動控制（AutomaticControl）：是指在沒有人直接參與的情況下，利用自動控制裝置（或稱為控制裝置或控制器），使機器、設備或生產過程（統稱為被控對象）的某個工作狀態或參數（稱為被控量）自動地按照預定的規律運行。4.自動控制理論：是研究有關自動控制共同規律的一門技術科學，是自動控制技術的基礎理論，根據發展的不同階段，其內容可分為經典控制理論、現代控制理論和智能控制理論。

2023年2月4日二、人工控制與自動控制

示例——水池水位控制

1.人工控制被控對象：水池被控量：水池的水位

觀測實際水位，將期望的水位值與實際水位相比較，兩者之差為誤差。根據誤差的大小和方向調節進水閥門的開度，即當實際水位高于要求值時，關小進水閥門開度，否則加大閥門開度以改變進水量，從而改變水池水位，使之與要求值保持一致。

2023年2月4日人腦：記住水位的期望值；人眼：觀察水池的實際水位；測量（測量反饋機構）人腦：將水池的期望值-實際值；比較（比較機構）人手：調節進水閥門的開度，執行控制作用。執行（執行機構）是一個反復觀察測量、比較、調整執行的過程，力圖將水池水位的期望值與實際值之間的差值減為0。

人工控制精度不高，人的反應不夠快，不少惡劣的場合人無法參與直接控制。自動控制系統可以解決以上問題。2023年2月4日2.自動控制

當實際水位低于要求水位時，電位器輸出電壓值為正，且其大小反映了實際水位與水位要求值的差值，放大器輸出信號將有正的變化，電動機帶動減速器使進水閥門開度增加，直到實際水位重新與水位要求值相等時為止。2023年2月4日電位計+連桿—人腦：記住水位的期望值；浮子—人眼：觀察水池的實際水位；電位計+連桿—人腦：反映誤差（=水位的期望值-實際值）；電動機—人手：調節進水閥門開度，執行控制作用。是一個反復觀察測量、比較、調整執行的過程，力圖將水池水位的期望值與實際值間的差值減為0，即誤差為0。控制過程：測量（測量反饋機構）—浮子比較（比較機構）—電位計+連桿執行（執行機構）—電動機2023年2月4日1.2開環控制系統和閉環控制系統2023年2月4日

控制系統的類型很多，它們的結構類型和所完成的任務也各不相同。控制系統中最常見的兩種控制方式是開環控制和閉環控制，這兩種控制的組合——即為復合控制，相對應的控制系統稱為開環控制系統、閉環控制系統和復合控制系統。

2023年2月4日示例——直流電動機轉速開環控制系統

給定電壓ug經放大后得到電樞電壓ua，改變ug可得不同的轉速n，該系統只有輸入量ug對輸出量n的單向控制作用。輸出端和輸入端之間不存在反饋回路。+_電壓放大器功率放大器Mc負載n電動機+_+_+電位器1.2.1開環控制系統2023年2月4日

只有輸入量的前向控制作用，輸出量并不反饋回來影響輸入量的控制作用，因而，將它稱為開環控制系統（Open-LoopControlSystem）。擾動控制信號

被控制量

給定電壓ug轉速n被控對象控制裝置Mc電壓放大器功率放大器直流電動機2023年2月4日

開環系統的優點——結構簡單，系統穩定性好，調試方便，成本低。因此，在輸入量和輸出量之間的關系固定，且內部參數或外部負載等擾動因素不大，或這些擾動因素可以預測并進行補償的前提下，應盡量采用開環控制系統。開環控制的缺點——當控制過程中受到來自系統外部的各種擾動因素，如負載變化、電源電壓波動等，以及來自系統內部的擾動因素，如元件參數變化等，都將會直接影響到輸出量，而控制系統不能自動進行補償，抗干擾性能差。因此，開環系統對元器件的精度要求較高。2023年2月4日1.2.2閉環控制系統電壓放大器功率放大器Mc負載n電動機+_+_+_uf電位器測速發電機+_ue=

ug-uf偏差2023年2月4日

直流電動機轉速閉環控制系統方塊圖

設上述系統原已在某個給定電壓ug相對于的轉速n狀態下運行，若一旦受到某些干擾（如負載轉矩突然增大）而引起轉速下降時，系統就會自動地產生相應的調整過程。偏差始終存在正反饋不能進行控制，會使系統的偏差越來越大。Mc↑→n↓→uf↓→ue（ue=ug-uf

）↑→ua↑→n↑n電

壓放大器ue輸入量Mc擾動輸出量功

率放大器直

流電動機＋ugua測

速發電機uf－2023年2月4日

閉環控制系統（Close-LoopControlSystem）又稱反饋控制系統（FeedbackControlSystem），是在閉環控制系統中，把輸出量檢測出來，經過物理量的轉換，再反饋到輸入端去與給定值（參考輸入）進行比較（相減），并利用比較后的偏差信號，以一定的控制規律產生控制作用，抑制內部或外部擾動對輸出量的影響，逐步減小以至消除這一偏差，從而實現要求的控制性能。

2023年2月4日

閉環控制的優點——抑制擾動能力強，與開環控制相比，對參數變化不敏感，并能獲得滿意的動態特性和控制精度。閉環控制的缺點——引入反饋增加了系統的復雜性，如果閉環系統參數的選取不適當，系統可能會產生振蕩，甚至系統失穩而無法正常工作，這是自動控制理論和系統設計必須解決的重要問題。自動控制理論主要研究閉環控制系統

2023年2月4日結論：

通過檢測、比較得到偏差，由偏差產生控制作用，由控制作用使偏差減少或消除的原理就是自動控制原理也稱反饋控制原理。（負反饋）2023年2月4日1.3自動控制系統的組成2023年2月4日1.3.1基本組成部分輸入量串聯校正元件放大元件執行元件被控對象擾動并聯校正元件反饋元件輸出量比較元件e(t)偏差信號主反饋信號b(t)測量反饋元件主反饋局部反饋＋＋－－給定元件2023年2月4日被控對象（或過程）——又稱控制對象或受控對象，指需要對它的某個特定的量進行控制的設備或過程。被控對象的輸出變量是被控變量，常常記作輸出信號或輸出量。被控對象除了受到控制作用外，還受到外部擾動作用。給定元件——其作用是給出與期望的輸出相對應的系統輸入量，是一類產生系統控制指令的裝置。測量反饋元件——如傳感器和測量儀表，感受或測量被控變量的值并把它變換為與輸入量同一物理量后，再反饋到輸入端以作比較。2023年2月4日比較元件——比較輸入信號與反饋信號，以產生反映兩者差值的偏差信號。放大元件——將微弱的信號作線性放大。校正元件——也叫補償元件，它是按某種函數規律變換控制信號，以利于改善系統的動態品質或靜態性能。執行元件——根據偏差信號的性質執行相應的控制作用，以便使被控制量按期望值變化。如電動機、氣動控制閥等。

2023年2月4日自動控制系統：是由被控對象和自動控制裝置按一定方式聯結起來的，以完成某種自動控制任務的有機整體。輸入信號：系統的輸入信號是指參考輸入，又稱給定量或給定值，它是控制著輸出量變化規律的指令信號。輸出信號：系統的輸出信號是指被控對象中要求按一定規律變化的物理量，又稱被控量，它與輸入量之間保持一定的函數關系。1.3.2自動控制系統中常用的名詞術語2023年2月4日反饋信號：由系統（或元件）輸出端取出并反向送回系統（或元件）輸入端的信號稱為反饋信號。反饋分為主反饋和局部反饋。偏差信號：它是指參考輸入與主反饋信號之差。偏差信號簡稱偏差。誤差信號：它是指系統輸出量的期望值與實際值之差，簡稱誤差。在單位反饋情況下，誤差值也就是偏差值，二者是相等的。擾動信號：簡稱擾動或干擾，它與控制作用相反，是一種不希望的、影響系統輸出的不利因素。擾動信號既可來自系統內部，又可來自系統外部，前者稱為內部擾動，后者稱為外部擾動。外部擾動是不希望的輸入信號。2023年2月4日1.4自動控制系統的分類2023年2月4日1.恒值調節系統：該類系統的輸入信號為一常數，擾動使被控量偏離理想值而出現偏差，利用偏差該系統可使被控量回復到理想值或接近理想值。上述的轉速閉環控制系統、水位控制系統均屬于此類系統。2.程序控制系統：輸入信號為已知的時間函數，如機械加工中的數控機床工作臺移動系統。

3.隨動系統：這類系統的給定量是時間的未知函數，系統能使被控量準確、快速地跟隨給定量變化。隨動系統又稱伺服系統。火炮自動瞄準系統、船舶自動舵均屬此類系統。1.4.1按輸入信號的特征分2023年2月4日1）線性系統：該類系統的特點在于組成系統的各環節的輸入輸出特性都是線性的，系統的性能可用線性微分方程（或差分方程）來描述。（滿足齊次性與疊加性）如果元件輸入為r(t)、r1(t)、r2(t)，對應的輸出為c(t)、c1(t)、c2(t)

如果r(t)=r1(t)+r2(t)時，c(t)=c1(t)+c2(t)滿足迭加性如果r(t)=a·r1(t)時，c(t)=ac1(t)滿足齊次性滿足迭加性和齊次性的元件才是線性元件。1.4.2按描述系統的動態方程分2023年2月4日2）非線性系統：該類系統的特點在于系統中含有一個或多個非線性元件。系統的性能需用非線性微分方程（或差分方程）來描述。注意：在實際中，絕大多數對象都具有非線性特性，而大多數儀器儀表也是非線性的，所以很少有真正意義上線性系統，一般是采用線性化措施將非線性系統處理成線性系統，這樣就可簡化分析和運算。(本質非線性除外)2023年2月4日1.定常系統：特性不隨時間變化的系統稱定常系統，又稱時不變系統。描述定常系統特性的微分方程或差分方程的系數不隨時間變化。定常系統分為定常線性系統和定常非線性系統。2.時變系統：特性隨時間變化的系統稱時變系統。對于時變系統，其輸出響應的波形不僅與輸入信號波形有關，而且還與參考輸入加入的時刻有關，這一特點，增加了對時變系統分析和研究的復雜性。1.4.3系統還可按其參數是否隨時間變化而分2023年2月4日1.4.4按信號的傳遞是否連續分1.連續系統：該類系統各環節間的信號均為時間t的連續函數。2.離散系統：該類系統在信號傳遞過程中有一處或多處的信號是脈沖序列或數字編碼。數字控制系統、采樣系統為離散系統。離散信號離散信號計算機被控對象擾動反饋元件e(t)＋－A/DD/A放大元件執行元件2023年2月4日1.5自動控制系統的應用實例2023年2月4日

爐溫控制系統的理想溫度由電壓ur給出，熱電偶檢測箱溫輸出電壓uf，偏差電壓ue=ur-uf，經電壓和功率放大后控制電機的速度和轉向，從而改變調壓器滑動觸頭的位置，改變爐溫控制系統的外施電壓達到恒定爐溫的目的。1.5.1爐溫控制系統2023年2月4日

溫度Tc下降，Tc↓→uf↓→

ue=ur-

uf↑→ua↑→電機向增大調壓器輸出電壓的方向加速旋轉→Tc↑→uf↑，直到Tc

=Tr，ue=0。原理：即當恒溫箱內溫度偏高時，使調壓器降壓，反之升壓，直到溫度達到給定值為止。此時偏差電壓ue=0，電機停轉。爐溫自動控制系統方框圖放大器電機減速器調壓器電爐熱電偶+-ufueurTcua給定裝置Tr擾動2023年2月4日1.5.2導彈發射架方位控制系統

放大器+_+_+_輸入軸給定裝置反饋裝置手輪發射架輸出軸ⅠⅡ導彈發射架方位控制系統原理圖隨動系統導彈發射架方位控制系統方塊圖放大器減速器導彈發射架－ua直流電動機電位器Ⅰ、Ⅱ2023年2月4日1.5.3計算機控制系統

軋鋼機計算機控制系統方塊圖軋鋼機計算機控制系統示意圖

2023年2月4日

鍋爐設備的壓力和溫度自動保持恒定數控機床按照預定的程序自動地切削工件導彈發射與制導系統，自動地使導彈攻擊敵方目標無人駕駛飛機按照預定航跡自動升降和飛行人造衛星準確地進入預定軌道運行并回收

自動控制技術的應用范圍已擴展到生物、醫學、環境、經濟管理和其它許多社會生活領域中，自動控制已成為現代社會活動中不可缺少的重要組成部分。2023年2月4日1.6自動控制理論發展簡史2023年2月4日一、歷史1.萌芽：18世紀第一次技術革命（機械化）時域分析①俄國人波爾佐諾夫發明鍋爐水位調節器②英國人瓦特發明蒸汽機離心飛錘式調速器，萌生了自動控制的基本原理③1877年，勞斯，1895年，赫維茨分別提出了系統穩定的代數判據（19世紀末）2023年2月4日2.奠定基礎（20世紀）——經典控制論①30~40年代，奈奎斯特提出系統穩定性的頻率判據奈氏圖、奈氏判據，從時域分析轉到頻域分析②1940年，伯德在頻率法中引入對數坐標系，伯德圖③1942年，哈里斯引入傳遞函數概念④1948年，伊萬恩提出根軌跡分析方法⑤1949年，英國人維納在火炮控制中發現了反饋的概念，出版了《控制——關于在動物和機器中控制和通訊的科學》，奠定了控制論的基礎

50年代中期，添加了非線性系統理論和離散控制理論，形成了完整的理論體系。2023年2月4日3.發展迅速滲透到許多學科，應用于火炮、導彈控制系統，數控、電力、冶金，自動化技術錢學森，1954年首創“工程控制論”，推廣到其它領域：

生物控制論：生命系統

經濟控制論：經濟運行與發展問題社會控制論：社會管理與社會服務問題隨著計算機技術的發展，控制論無論在內涵上，還是在深度上和廣度上都發展變化著，對促進生產的發展和社會進步產生深遠的影響。2023年2月4日二、分類1.經典控制理論

40~50年代，高階常微分方程以傳遞函數為基礎，研究單輸入、單輸出系統的分析和設計，針對線性定常系統，主要研究方法有時域分析法、根軌跡法和頻率特性法。2.現代控制理論

60~70年代以矩陣理論等近代數學方法作為工具，主要研究方法是狀態空間法，把高階常微分方程轉化為一階常微分方程組來描述系統，解決多輸入多輸出的問題，可處理多變量、非線性、時變系統。3.70年代至今巨大發展最優控制、系統辨識、多變量控制、自適應控制、專家系統、人工智能、神經網絡控制、模糊控制、大系統理論等等。2023年2月4日1.7對自動控制系統的基本要求2023年2月4日

要提高控制質量，就必須對自動控制系統的性能提出一定的具體要求。盡管自動控制系統有不同的類型，對每個系統都有不同的特殊要求。但總的說來，都是希望設計的控制過程盡量接近理想的控制過程。工程上常常從穩、準、快三個方面來評價自動控制系統的總體精度。2023年2月4日

1.穩——指控制系統的穩定性和平穩性。穩定性——指系統重新恢復平衡狀態的能力，它是自動控制系統正常工作的先決條件。一個穩定的控制系統