自動控制原理石家莊鐵道大學四方學院電氣工程系(A)教材及參考書《自動控制原理》（第五版）胡壽松科學出版社《自動控制原理及應用》黃堅高教出版社《自動控制原理》吳麒主編，清華大學出版社《自動控制原理》李友善國防工業出版社《自動控制理論》夏德黔機械工業出版社與其它課程的關系自動控制理論電路理論電機學大學物理信號與系統復變函數拉氏變換模擬電子技術線性代數微積分各類專業課電力拖動自動控制系統現代控制理論課程的特點

課程特點：研究系統的共性問題（專業基礎課）數學模型實際系統物理模型系統分析和設計（時域法、頻域法、根軌跡法）系統性能指標課程的內容、任務和要求1-8章三大系統（線性連續、線性離散、非線性）三大方法（時域、根軌跡、變換域-頻域和Z域）主要對系統的控制要求（穩、準、快）進行研究。主要內容（1）對于具體的控制系統，如何從理論上對它的動態性能和穩態精度進行定性的分析和定量計算。（2）根據對系統性能的要求，如何合理的設計校正裝置，使系統的性能能全面的滿足技術上的要求。課程的內容、任務和要求任務理解自動控制原理的基本概念；掌握對控制系統的基本要求掌握建立和簡化自控系統的數學模型重點掌握時域分析法、根軌跡法和頻域分析法理解自動控制系統的校正的一般方法；掌握采樣控制系統的分析；了解非線性系統分析；課程的內容、任務和要求課程要求學習方法和要求熟悉并理解基本概念，掌握系統分析的方法和規律。靈活運用所學知識解決實際問題。建立新的思維方式，聽課、記筆記（問題、重點、難點）、課下多看課件、多做練習。學習方法學習要求控制理論的發展史經典控制理論以反饋控制為基礎的自動調節原理，主要用于工業，二戰用于軍事促進和完善了理論的發展基本特征：線性定常系統單入單出系統只討論輸入輸出關系忽略內部狀態（外部描述）。提高了抗干擾能力和控制精度，帶來了穩定性問題發展史現代控制理論多變量變參數的最優控制狀態空間法計算機控制理論自適應控制、混雜控制、模糊控制智能控制針對被控對象、環境、任務、目標的復雜性被控量具有不確定性，且目標難以辨識采用人的思維方式和處理問題的技巧。１.４對自動控制系統的基本要求１.１自動控制的基本原理與方式１.２自動控制系統示例１.３自動控制系統的分類

本章主要內容：第1章自動控制的一般概念本章要求1.了解自動控制的基本概念、原理；2.掌握反饋控制系統的組成及各部分作用；3.掌握由系統原理圖畫方框圖的方法（重點）4.掌握自動控制系統的分類、性能指標；5.了解自動控制系統的基本控制方式。1.1自動控制的基本原理與方式

所謂自動控制，是指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），使機器、設備或生產過程（統稱被控對象）的某個工作狀態或參數（即被控量）自動地按照預定的規律運行。

1、自動控制技術及其應用對被控對象起控制作用的設備總體輸出量、輸出信號雷達技術應用：國防科技導彈發射和制導系統

工業自動生產線工業生產現代化的工廠交通運輸自動控制技術應用于其他領域

由于計算機等技術的誕生和飛速發展，使得控制技術水平不斷提高，已擴大到經濟與社會生活的各個領域，如通信、交通、醫學、環境保護、經濟管理等領域，控制技術已成為現代社會不可缺少的重要組成部分。近年來，我國在自動化儀表、工業調節器、數字控制技術、航天工程、核動力工程等方面的研究和應用取得了長足進展。

2、反饋控制原理

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，用于不斷修正被控量和輸入量之間的偏差，從而實現對被控對象進行控制的任務。

反饋控制力圖減小系統的輸出量與參考輸入量（也稱參據量）之間的偏差，也稱為按偏差控制。如人取桌上書的過程（見下圖）：龍門刨床速度控制系統原理圖在工業控制中，龍門刨床速度控制系統就是按照反饋控制原理進行工作的。當負載波動時，必然會引起速度變化，由于龍門刨床不允許速度變化過大，因此必須對速度進行控制。有差系統。3、反饋控制系統的基本組成

反饋控制系統包括被控對象和控制裝置，是由各種不同的元部件組成的。一般包括：a)測量元件：檢測被控制的物理量。b)給定元件：給出與期望的被控制量相對應的系統輸入量（即參據量）。c)比較元件：把測量元件檢測的被控量的實際值與給定元件給出的參據量進行比較，求出它們之間的偏差。d)放大元件：偏差信號的放大，用以推動執行元件。e)執行元件：直接推動被控對象，使被控量發生變化f)校正元件：也叫補償元件以改善系統性能。反饋信號被控量偏差信號-輸入信號r(t)控制器u(t)受控系統e(t)c(t)

控制量

擾動

放大

元件

執行

機構

受控

對象

反饋裝置

(測量元件)反饋控制系統的方框圖表示比較元件或比較點，它的輸出量等于各輸入量的代數和，各輸入量若為“＋”號可以不標，若為“－”號必須在箭頭旁標注負號。引出點，表示信號在此分兩路，兩路信號相同，不存在分流問題。方框表示它所代表部分的名稱和功能，而不畫出具體結構，用方框之間帶箭頭的直線說明各部分之間的信號傳遞系統方框圖符號組成：“”典型的反饋控制系統基本組成框圖：

信號從輸入端到達輸出端的傳輸通路稱為前向通路；系統輸出量經測量元件反饋到輸入端的傳輸通路稱為主反饋通路。前向通路與主反饋通路共同構成主回路。此外，還有局部反饋通路。只包含一個主反饋通路的系統稱為單回路系統，有兩個或兩個以上反饋通路的系統稱為多回路系統。常用名詞術語自動控制系統：由被控對象和自動控制裝置按一定方式聯接起來的，以完成某種自動控制任務的有機整體。輸入信號：參考值、給定值、期望值輸出信號：被控量反饋信號：由系統的輸出端送回到系統的輸入端的信號。偏差信號：輸入信號和反饋信號之差。擾動信號：一種對系統的輸出產生不利影響的信號。4、自動控制系統基本控制方式(1)、反饋控制方式(閉環控制、按偏差控制)

按偏差進行控制，具有抑制擾動對被控量產生影響的能力和較高的控制精度。教學系統實際水平作業、答疑環節偏差反饋量大綱要求學生教師_(2)、開環控制方式指控制裝置與被控對象之間只有順向作用而沒有反向聯系的控制過程。前饋補償控制

有一開環調速系統如圖所示。電位計的輸出電壓Ur經兩級放大，使伺服電機上的端電壓也隨之改變。從而使負載具有所要求的轉速。試說明該系統的給定值和被控量，并畫出該系統的方塊圖。下圖為發電機－電動機調速系統的方框圖(3)、復合控制方式

按偏差控制和按擾動控制相結合的控制方式稱為復合控制方式。水溫控制系統控制系統的比較開環控制系統：

1.結構簡單、成本低廉；

2.調試方便；

3.抗干擾能力差，控制精度不高。閉環控制系統：

1.系統具有糾正偏差的能力；

2.抗擾性好，控制精度高；

3.包含元件多，結構復雜，價格高；

4.參數應選擇適當。復合控制系統＝前饋＋閉環(兼有兩者的優點，精度很高)1.2自動控制系統示例1、家用電冰箱溫控系統控制器設定溫度與冰箱比較，產生偏差值，當偏差電壓達到使繼電器接通時，壓縮機工作，將蒸發器中高溫低壓氣態制冷液送制冷卻器散熱，降溫后的低溫低壓制冷液壓縮成高壓液態進入蒸發器，急速降壓擴散成氣體，吸收箱體內熱量，使冰箱溫度下降，如此循環操作，使箱體溫度達到希望溫度，此時繼電器斷開，壓縮機停止工作。下圖為家用冰箱恒溫系統的方框圖

2、鍋爐液位控制系統當蒸汽的耗汽量與鍋爐進水量相等時，液位保持在正常標準值。當過鍋爐給水量不變，而蒸汽負荷發生變化時，液位也相應發生變化；或者當蒸汽負荷不變，而給水管道水壓發生變化時，引起鍋爐液位發生變化。但只要實際液位高度與正常給定液位之間出現偏差時，調節器均應立即進行控制，去開大或者關小給水閥門，使液位恢復到給定值。下圖為鍋爐液位控制系統的方框圖3、龍門刨床速度控制系統下圖示為龍門刨床速度控制系統。當負載發生變化時，如何控制速度。例如：下圖為龍門刨床速度控制系統的方框圖40

液位控制系統原理圖。在這里，自動控制器通過比較實際液位與希望液位，并通過調整氣動閥門的開度，對誤差進行修正，從而保持液位不變。41控制器：比較、放大的作用浮子：液面高度的測量反饋元件氣動閥門：執行機構被控對象：水箱1.3自動控制系統的分類

自動控制系統有多種分類方法，一般，為了全面反映自動控制系統的特點，常常將各種分類方法組合應用。開環控制閉環控制(反饋控制)復合控制按控制方式分線性系統非線性系統連續系統定常系統時變系統確定性系統不確定性系統按系統性能分離散系統√√√√√√恒值控制系統隨動系統程序控制系統按參據量變化規律分1、線性連續控制系統

這類系統可以用線形微分方程式描述，其一般形式為：系數a0，‥，an，b0,‥bn是常數時，稱為定常系統；系數a0，‥，an，b0,‥bn隨時間變化時，稱為時變系統。線性定常連續系統按其輸入量的變化規律又可分為恒值控制系統、隨動系統和程序控制系統。本課程研究的控制系統(1)、恒值控制系統

這類控制系統的參據量是一個常值，要求被控量亦等于一個常值，故又稱為調節器。在工業控制中，如果被控量是生產過程參量時，這種控制系統則稱為過程控制系統，它們大多數屬于恒值控制系統。研究重點是各種擾動對被控對象的影響，以及抗干擾的措施。水溫控制系統(2)、隨動系統

系統的參據量是預先未知的隨時間任意變化的函數，要求被控量以盡可能小的誤差跟隨參據量的變化，故又稱為跟隨系統。在隨動系統中。擾動的影響是次要的，系統分析、設計的重點是研究被控量跟隨的快速性和準確性。在隨動系統中，如果被控量是機械位置或其導數時，類系統稱之為伺服系統。導彈制導系統(3)、程序控制系統

系統的參據量是按預定規律隨時間變化的函數，要求被控量迅速、準確地加以復現。程序控制系統和隨動系統的參據量都是時間函數，不過前者是已知的時間函數，后者是未知的任意時間函數，而恒值控制系統也可視為程序控制系統的特例。2、線性定常離散控制系統離散系統是指系統的某處或多處的信號為脈沖序列或數碼形式，因而信號在時間上是離散的。離散系統一般用差分方程描述，其一般形式可用下式表示：3、非線性控制系統

系統中只要有一個元部件的輸入－輸出特性是非線性的，這類系統就稱為非線性控制系統，

實際物理系統中都含有不同程度的非線性元部件，如放大器和電磁元件的飽和特性，運動部件的死區、間隙和摩擦特性等。對于非線性程度不大的情況，可在一定范圍內進行線性化。特點：系數與變量有關，或者方程中含有變量及其導數的高次冪或者乘積項，或者方程中含有常數項，不滿足線性性質。1.4對自動控制系統的基本要求1、基本要求的提法可以歸結為穩定性（長期穩定性）、準確性（精度）和快速性（相對穩定性）。51

穩

準

快

穩定性-基本要求(先決條件)

：穩定性是對系統的基本要求，不穩定的系統不能實現預定任務。穩定性，通常由系統的結構決定與外界因素無關。

c()c(t)t01321--衰減振蕩（穩定）2--等幅振蕩（不穩定）3--發散（不穩定）準確性(accuracy)--穩態要求控制系統的穩態精度ess是衡量控制系統精度的重要指標r(t)t0c(t)r(t)c1(t)ess用穩態誤差ess來表示。在參考輸入信號作用下，當系統達到穩態后，其穩態輸出與參考輸入所要求的期望輸出之差叫做給定穩態誤差。是通過動態過程時間長短來表征的。時間越短，表明快速性越好，反之亦然。快速性表明了系統輸出對輸入響應的快慢程度快速性(rapidness)--動態要求r(t)t0c(t)r(t)c1(t)c2(t)一般稱為動態性能。

穩定性、快速性和準確性往往是互相制約的。在設計與調試的過程中,若過分強調某方面的性能,則可能會使其他方面的性能受到影響.

怎樣根據工作任務的不同,分析和設計自動控制系統，使其對三方面的性能有所側重，并兼顧其它正是自控原理課程要解決的問題。2、典型的外作用

為了便于用統一的方法研究和比較控制系統的性能，通常選用幾種確定性函數作為典型外作用。可選作典型外作用的函數應具備以下條件：

1)這種函數在現場或實驗室中容易得到；

2)控制系統在這種函數作用下的性能應代表在實際工作條件下的性能（具有實際意義）。

3)這種函數的數學表達式簡單，便于理論計算。

(1)、階躍函數

函數表達式為：

在任意時刻t0出現的階躍函數可表示為

(2)、斜坡函數斜坡函數的數學表達式為：如雷達－高射炮防空系統，當雷達跟蹤的目標以恒定速率飛行時，可視為該系統工作于斜坡函數作用之下。(3)、脈沖函數

脈沖函數定義為：強度為A的脈沖函數可表示為。在t0時刻出現的單位脈沖函數為。注意：脈沖函數僅用于分析研究，現實中并不存在。(4)、正弦函數

正弦函數的數學表達式為：正弦函數是控制系統中常用的一種典型外作用，很多實際的隨動系統就是常