1、1/本学期课程安排/教材： 自动控制原理(第五版)/ 作者：胡寿松 出版：科学出版社 讲授内容：第一章第六章 课程学时：总64学时(其中实验16学时) 考核方式：平时成绩+实验成绩+期末考试/2/参考文献： 胡寿松，自动控制原理习题集，科学出版社 吴麒/ 自动控制原理/ 清华大学出版社，2006 戴忠达/自动控制理论基础。清华大学出版社，2005/ Dorf R C/ Modern control system(10th Edition) 王万良/ 自动控制原理/高等教育出版社。 各类相关期刊杂志，网上资料 自动化学报，控制与决策，控制理论与应用 计算机测量与控制，微计算机信息，控制工程 在线

2、交流 信控学院学术论坛自控原理http///8080/acbbs/index/asp/3/本课程与其他课程的关系/各类控制系统课程/ 现代控制理论，线性系统，计算控制技术 检测技术，控制仪表，系统仿真/电机与拖动/模拟电子技术/线性代数/微积分（含微分方程/复变函数、拉普拉斯变换/电路分析/大学物理（力学、热力学/化工原理/第一章 自动控制系统的一般概念/1-1 自动控制的基本原理与方式/一、自动控制技术及其应用/几个基本概念/什么是控制/掌握住对象，不使其任意活动或超出范围，或使 其按照控制者的意愿活动/什么是自动控制(技术)/在没有人直接参与的条件下，利用控制装置使被控 对象按照预定的技术

3、要求进行工作。 或： 利用外加设备或装置(控制装置、***)，使 机器、设备或生产过程(被控对象)的某个工作状态或参 数(被控量)自动地按预定的规律运行(控制目标/自动控制技术的直观解释/手动控制/自动控制/手/眼睛/大脑/自控原理技术介绍/自动控制原理是分析各种自动控制装置的统一理论，是其内在的共通规律 自动控制系统：不需要人参与就能完成任务 现实生活中有各种各样的例子：自动照相机，洗衣机，自动交通灯（红绿灯），自动门，自动水开关 工业中的例子也有很多：炼油化工装置自控系统，无人生产线，机器人，楼宇自动化/身边的自动控制实例有哪些/现代化生活离不开自动控制/军事航空航天：飞机，***，航天飞机

4、，航天飞船，火***自动***系统、人造卫星 生物，医学、经济、社会等诸多领域都有自动控制系统 自动控制技术已经成为现代社会中的不可缺少的一部分 比人工作的更好、更快、更准 把人从繁重危险的任务中***出来 完***无法完成的工作 自动控制原理这门课程就是来研究这些自动控制装置或系统的基本工作规律和原理/火星旅行者/SONY AIBO/飞机导航系统/制导***/现代的高新技术让***长上了“眼睛”和“大脑”，利用负反馈控制原理去紧紧盯住目标/哈勃望远镜特殊地卫星/中巴资源卫星/人造地球卫星控制其准确地进入预定轨道运行并回收/雷达技术/雷达操作时，天线就要不停地转动。天线的作用是把雷达中产生的无线电波按照一定

5、的方向向外发射出去，并把被反射回来的无线电波接收下来。正因为天线所起的作用好似人的眼睛一样，因此雷达要注视和侦察整个天空的状况，天线就要不停地转动，用一个驱动马达使天线作360度的旋转，这样它就能在360度范围内进行“搜索/什么是自动控制系统/为到达某一目的，由相互制约的各个部件按一定规律 ***成的具有一定功能的整体，一般由控制装置和被控对象组成/被控对象 ：指需要给以控制的机器、设备或生产过程。被 控对象是控制系统的主体，例如火箭、锅炉、机器人、电 冰箱等/控制装置 ：指对被控对象起控制作用的设备总体/被控量 ：指被控对象中要求保持给定值、要按给定规律变 化的物理量。被控量又称输出量、输出信

6、号/给定值 ：是作用于自动控制系统的输入端并作为控制依据 的物理量。给定值又称输入信号、输入指令、参考输入/应用领域：生物、医学、经济管理等人类活动的各个领域/二、自动控制理论/研究自动控制共同规律的技术科学/问题4：如何使给定对象满足性能指标？ 系统综合/问题3：给定对象是否满足性能指标要求？ 系统分析/问题2：如何描述控制目标？ 性能指标/问题1：如何描述一个对象？ 数学模型/反馈量 ：由被控量通过反馈元件所产生的信号，它是被控 量的函数/干扰量 ：除给定值之外，凡能引起被控量变化的信号，都 是干扰。干扰又称扰动/自动控制理论的发展/经典(古典)控制理论/现代控制理论/智能控制理论/二战期

7、间(20世纪40年代)，为了设计和制造飞机及船用 自动驾驶仪、火***定位系统、雷达***系统以及其它基于反 馈原理的***装备，促进和完善了自动控制理论的发展。战 后已形成了完整的自动控制理论体系，这就是以传递函数为 基础的经典控制理论，它主要研究单输入单输出、线性定 常系统的分析和设计问题。主要数学工具是积分变换，用频 率特性法及根轨迹法研究控制系统的动态特性的理论/研究具有高性能、高精度的多变量变参数系统的最优 控制问题。以微分方程、线性代数及数值计算为主要数学 工具，用状态空间法研究系统状态运动的理论/正向以控制论、信息论、仿生学为基础的智能控制理论深入/自动控制理论研究简史/经典控制理论：2

8、0世纪40-50年 起源：二战军工技术的需求 目标：反馈控制系统的稳定性 方法：微分方程、传递函数、根轨迹、频域分析 应用系统/单输入单输出系统（SISO） 现代控制理论：20世纪60年代 起源：冷战时期，空间技术发展的需求 目标：最优控制/方法：状态空间方程 应用系统/多输入多输出系统（MIMO） 智能控制理论：20世纪80年代 起源：智能技术和计算机技术的迅速发展 目标：智能控制 方法：专家系统、模糊控制技术、神经网络、智能进化算法等等 重要的人物： 1948，维纳控制论 1954，钱学森工程控制论/Cybernetics： or Control and Communication in

9、the Animal and the Machine/Engineering Cybernetics/自动控制理论溯源/1769，瓦特，飞球调节器调节蒸汽机流量 1877/1895/ 劳思/赫尔维茨稳定性判据 1932，乃奎斯特，频域稳定性分析 1948，维纳，控制论 1956，苏联，庞特里亚金，极大值原理 1956，贝尔曼，动态规划 1960，卡尔曼，最优滤波器 1954，钱学森，工程控制论 20世纪80年代至今，智能控制技术/在负载等干扰变化的情况下，飞球必须有一个偏离正常高度的持续偏差，以获得与负载变动相适应的蒸汽流量的变化，速度控制有误差/控制理论目前还在向更纵深、更广阔的领域发展，无

10、论在数学工具、理论基础、还是在研究方法上都产生了实质性的飞跃，在信息与控制学科研究中注入了蓬勃的生命力，启发并扩展了人的思维方式，引导人们去探讨自然界更为深刻的运动机理。 控制理论的深入发展，必将有力地推动社会生产力的发展，提高人民的生活水平，促进人类社会的向前发展/近二十年来，由于信息技术、计算机技术的迅猛发展，工业领域自动化要求更加迫切，更使自动控制系统进入了黄金时代。 英国前首相撒切尔夫人：“不自动化就破产!”(Automation or Liquidation!)。 我们应能深切体会，日常的工作和生活己经处在“一切”尽在自动控制的时代/实例（示意图/人工（手动）控制： （1）对象：储液

11、系统 （2）目标：液位 （3）眼睛：观察 液位变化 （4）大脑：分析、比 较、判断 （5）手/脚：动作执行/实例（示意图/自动控制： （1）对象：储液系统 （2）目标：液位 （3）传感器：检测 液位变化 （4）***：控制功能 （5）执行器：完成控制 动作/传感器/信号/信号驱动设备/控制原理框图（控制理念/例1：人用手拿物品/控制目标：手拿到物品/1/手/抓取物品。功能：受控对象、执行部件。 2/大脑/协调眼、手工作。功能：比较物品与手之间的 接近程度(比较元件)；控制手的动作(控制部件)。 3/眼睛/观察物品与手的位置。功能：检测元件/相关部件/大 脑/例2：龙门刨***速度控制系统/控制目标

12、：刀架速度恒定/相关部件/放大器 FD/控制部件/实现方式：输入恒定电压 ，电机速度 恒定/1/电机(SM)。功能：执行部件。 2/测速机(TG)。功能：将速度信号转换为电信号，检测元件。 3/放大器(FD)。功能：比较、放大，比较元件。 4/ 调节触发器(CF)。功能：电压放大。 5/ 晶闸管整流装置(KZ)。功能：整流、功率放大，输出电枢 电压/三、反馈控制原理/反馈控制：将输出量送回到输入端，并用于控制/负反馈：输出量送回到输入端，与输入信号相减，使偏 差越来越小/有静差系统：在稳态时被控量与设定值存在偏差。这个 误差称为稳态误差/按偏差控制(误差控制) ：根据设定值(期望值)与输出值

13、(实际值)的偏差量，确定对象的动作/正反馈：输出量送回到输入端，与输入信号相加，使偏 差越来越大/无静差系统：在稳态时被控量与设定值不存在偏差/四、反馈控制系统的基本构成/给定元件：设定被控量的期望值，产生系统输入量(参据量/比较元件：比较设定值与实际值，产生相应的偏差信号/测量元件：检测被控对象的输出量，将其转换为电信号。 也称为传感器、传感元件/放大元件：对偏差信号进行放大，包括信号放大和功率放大/校正元件：为改善系统性能，连接在系统中的部件。也 叫补偿元件。可以有串联补偿、反馈补偿、顺馈补偿/执行元件：直接使输出量产生变化的部件/反馈元件：将输出量引回到输入端的部件/典型反馈系统组成：单

14、闭环系统/典型反馈系统组成：双闭环系统/控制原理与方式/开环控制/开环控制系统是指无被控量反馈的控制系统/即需要控制的是被控对象的某一量(被控量)/而测量的只是给定信号/被控量对于控制作用没有任何影响的系统。结构如图所示/信号由给定值至被控量单向传递。这种控制较简单/但有较大的***/即对象或控制装置受到干扰/或工作***性参数发生变化/会直接影响被控量/而无法自动补偿。因此/系统的控制精度难以保证。从另一种意义理解/意味着对受控对象和其它控制元件的技术要求较高。如数控线切割机进给系统、包装机等多为开环控制/反馈控制 闭环控制（核心/闭环控制的定义是有被控制量反馈的控制/其原理框如图所示。从系统中

15、信号流向看/系统的输出信号沿反馈通道又回到系统的输入端/构成闭合通道/故称闭环控制系统/或反馈控制系统/前/正向通道/反/负向通道/这种控制方式/无论是由于干扰造成/还是由于结构参数的变化引起被控量出现偏差/系统就利用偏差去纠正偏差/故这种控制方式为按偏差调节。 闭环控制系统的突出优点是利用偏差来纠正偏差/使系统达到较高的控制精度。但与开环控制系统比较/闭环系统的结构比较复杂/构造比较困难。需要指出的是/由于闭环控制存在反馈信号/利用偏差进行控制/如果设计得不好/将会使系统无***常和稳定地工作。另外/控制系统的精度与系统的稳定性之间也常常存在矛盾/开环控制和闭环控制方式各有优缺点/在实际工程中

16、应根据工程要求及具体情况来决定。如果事先预知输入量的变化规律/又不存在外部和内部参数的变化/则采用开环控制较好。如果对系统外部干扰无法预测/系统内部参数又经常变化/为保证控制精度/采用闭环控制则更为合适。如果对系统的性能要求比较高/为了解决闭环控制精度与稳定性之间的矛盾/可以采用开环控制与闭环控制相结合的复合控制系统/五、自动控制系统的基本控制方式/反馈控制方式/开环控制方式：被控对象各部件的信号只沿着顺向传递， 输出量不会对系统的控制产生影响/顺馈控制方式：在干扰可测量的时候，将干扰量测量出 来，送到输入端，产生干扰补偿信号，以减少干扰对系 统的影响。本质：按扰动开环控制/复合控制方式：将反

17、馈控制与顺馈结合的控制方式/1-2 自动控制系统示例/一、函数记录仪/控制目标：纪录笔按要求到达规定位置/控制量：纪录笔位置/控制对象：纪录笔/记录笔运动原理：给定一个电压信号，设定位移量，在输入 作用下启动电机，带动齿轮、绳系，拖动纪录笔运动/位置精度考虑：为了使纪录笔能准确到达指定位置，应将纪 录笔的位置测量出来，用来反馈/电机拖动考虑：纪录笔有惯性，希望电机速度能按所需位移 量进行控制，所以将电机转速测量出来，用来反馈/二、飞机自动驾驶仪系统/控制目标：按设定的规律，控制飞机的飞行姿态/飞行姿态：横向，巡航方向。纵向，飞机的升降/舵机控制：位置伺服控制(内回路)。位移传感器测量/纵向控制

18、：给定一个电压信号，设定飞机爬升(俯冲)的倾角 /该信号经过放大，控制升降舵的移动。升降舵的角度， 决定了飞机爬升(俯冲)的倾角/外回路：飞机倾角 的反馈控制。垂直陀螺仪测量/自动驾驶仪：根据飞行要求，提供设定的电压信号。并与测 量到的输出信号，产生相应的控制规律/三、电阻炉微型计算机温度控制系统/控制目标：电炉温度在设定的范围内/工作原理：电阻丝通过晶闸管主电路加热。温度依靠电阻丝 中的电流大小来调节/温度检测：热电偶/计算机***特点：微型计算机采用数字量，按节拍工作/***：微型计算机/四、锅炉液位控制系统/控制目标：锅炉内水位在设定范围(进水量与蒸发水量平衡/调节量：通过调节进水阀门开

19、赌的大小，改变进水量/工作原理：由液位测量装置（变送器）测出液位信号，与 设定值比较，若液位降低，则加大阀门开度，反之则减小/1-3 自动控制系统的分类/按控制方式/按被控对象/按系统性能/按给定值变化规律/按系统功用/参据量是一个常值，要求被控量也等于一个常值(不一定相等)，又称为调节器系统或自动调整系统。如前述锅炉液位系统、炉温调节系统。 工业控制中，若被控量是温度、压力、流量、液位等生产过程参量时，这种控制系统称为过程控制系统，它们多数属于恒值控制系统/参据量是预先未知的随时间任意变化的函数，要求被控量以尽可能小的误差跟随参据量的变化，故又称为***系统。如前述自动驾驶仪系统。若参据量是机

20、械位置或其导数时，这类系统称为伺服系统/控制输出量，使之按设定的规律变化。如数控机***、 自动生产线/恒值控制系统(调节器/随动系统(伺服系统/程序控制系统/1/ 按输入信号特征分类 1）恒值控制系统 给定输入为常数，系统克服扰动影响 例：液位控制系统，温度控制系统等工业系统 2）随动控制系统 给定输入是随机时间变化的函数（未知） 例：函数记录仪火***、自动***系统 3）程序控制系统 给定输入是预知的时间函数 例：机***加工系统/线性系统/组成系统的元器件的特性均为线性(或基本线性)，能用线性常微分方程描述其输入与输出关系的系统/当系数 都是常数时，称为定常或时不变或自治系统；当系数 至少有一个是随

21、时间变化时，称为时变或非自治系统/线性系统的主要特点是具有齐次性和叠加性/即有：若输入 时，输出为 ；输入 时，输出为 。则输入为 时，输出为/非线性控制系统/严格地说，实际物理系统中都含有程度不同的非线性元部件，但只要非线性不严重，能用线性系统理论和方法对待的系统均可称为线性系统/系统中只要有一个元部件的输入 输出特性是非线性的系统，用非线性微分(或差分)方程描述其特性。 非线性方程的特点是系数与变量有关，或方程中含有变量及其导数的高次幂或乘积项。如/连续系统：各部分的输入 输出信号都是连续函数的模拟量/某处或多处的信号为脉冲系列或数码形式，因而信号在时间上是离散的。连续信号经采样开关的采样

22、就可以转换成离散信号去进行控制的系统称为采样控制系统或脉冲控制系统/离散系统描述的特点：用差分方程来描述/离散系统/单变量系统：输入量和输出量各有一个，结构简单/多变量系统：输入量和输出量多于一个，结构复杂/确定系统：结构和参数是确定的、已知的，系统输入信号 也是确定的，可用解析式或图表确切表示的系统/不确定系统：当系统本身或作用于该系统的输入 信号不确定的系统/1-4 对自动控制系统的基本要求/一、基本要求的提法/稳定性/稳定性是指系统在没有外加信号激励条件下，能否最 终停留在一个固定的位置上。输出量偏离平衡状态后应 该随着时间收敛并且最后回到初始的平衡状态。稳定性的 要求是系统工作的首要条

23、件/平衡点：系统停留的固定点/特点：稳定性与外加输入无关，由系统结构决定/快速性是指当系统输出量与给定的输入量之间产生偏 差时，消除这种偏差的快速程度。一般用过渡过程的时间 来描述，它是反映暂态响应的一个指标/快速性/准确性/准确性是指在系统稳定后被控制量与期望值接近程度 的描述，或称为静态精度。它是反映系统稳态响应的一个 性能指标/过渡过程：系统从开始运动到回到平衡点稳定下来的过程， 也叫动态过程、暂态响应/稳态：系统稳定后的状态/稳态误差：系统稳定后被控制量与期望值的偏差/同一系统稳、准、快是相互制约的/由于受控对象的具体情况不同，各种系统对它们的侧重 也不同。例如随动系统对快速性要求较高，而自动调整系统 对稳定性提出较严格的要求/对控制系统性能的基本要求/稳定性（最基本要求/系统在扰动消失后，由初始偏差状态恢复到平衡状态的能力/稳定/不稳定/稳定性： (1) 对恒值系统，要求当系统受到扰动后，经过一定时间的调整能够回到原来的期望值。 (2) 对随动系统，被控制量始终***参据量的变化。 稳定性是对系统的基本要求，不稳