第1章自動控制的一般概念一、自動控制的基本原理與方式

二、自動控制系統示例三、自動控制系統的分類

四、對自動控制系統的基本要求

9/27/20231第1章自動控制的一般概念一、自動控制的基本原理與方式81.1自動控制的基本原理與方式1.1.1自動控制技術及應用自動控制:就是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設備（稱為控制器）操作被控對象（如機器、設備或生產過程）的某個狀態或參數（稱為被控量）使其按預先設定的規律自動運行。

如：飛機導航

9/27/202321.1自動控制的基本原理與方式1.1.1自動控制技術人造地球衛星

控制其準確地進入預定軌道運行并回收

無人駕駛飛機按預定軌跡飛行

漸露鋒芒地無人駕駛飛機

9/27/20233人造地球衛星

控制其準確地進入預定軌道運行并回收

制導導彈

現代的高新技術讓導彈長上了“眼睛”和“大腦”，利用負反饋控制原理去緊緊盯住目標.

我國研制的地空導彈(如右圖)雷達技術

雷達操作時，天線就要不停地轉動。天線的作用是把雷達中產生的無線電波按照一定的方向向外發射出去，并把被反射回來的無線電波接收下來。正因為天線所起的作用好似人的眼睛一樣，因此雷達要注視和偵察整個天空的狀況，天線就要不停地轉動，用一個驅動馬達使天線作360度的旋轉，這樣它就能在360度范圍內進行“搜索”。9/27/20234制導導彈

現代的高新技術讓導彈長上了雷達技術

雷達操作時，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。

9/27/20235自動控制技術應用于其他領域

8/8/20239/27/202368/8/20236工業自動生產線

9/27/20237工業自動生產線

1.1.2自動控制理論的發展

自動控制理論就是研究自動控制共同規律的技術科學，它的發展初期是以反饋理論為基礎的自動調節原理，隨著工業生產和科學技術的發展，現已發展成為一門獨立的學科——控制論。控制論包括工程控制論、生物控制論和經濟控制論。控制理論的發展過程一般可分為三個階段：

（1）第一階段。時間為本世紀40～60年代，稱為“經典控制理論”時期。經典控制理論主要是解決單輸入單輸出問題，主要采用傳遞函數、頻率特性、根軌跡為基礎的頻域分析方法。此階段所研究的系統大多是線性定常系統，對非線性系統，分析時采用的相平面法一般也不超過兩個變量，經典控制理論能夠較好地解決生產過程中的單輸入單輸出問題。這一時期的主要代表人物有伯德（H.W.Bode1905～）和伊文思（W.R.Evans）。伯德于1945年提出了簡便而實用的伯德圖法。1948年，伊文思提出了直觀而又形象的根軌跡法。9/27/202381.1.2自動控制理論的發展自動控制理論就是研（2）第二階段。時間為本世紀60～70年代，稱為“現代控制理論”時期。這個時期，由于計算機的飛速發展，推動了空間技術的發展。經典控制理論中的高階常微分方程可轉化為一階微分方程組，用以描述系統的動態過程，即所謂狀態空間法。這種方法可以解決多輸入多輸出問題，系統既可以是線性的、定常的，也可以是非線性的、時變的。這一時期的主要代表人物有龐特里亞金、貝爾曼（Bellman），及卡爾曼（R.E.Kalman，1930～）等人。龐特里亞金于1961年發表了極大值原理；貝爾曼在1957年提出了動態規化原則；1959年，卡爾曼和布西發表了關于線性濾波器和估計器的論文，即所謂著名的卡爾曼濾波。9/27/20239（2）第二階段。時間為本世紀60～70年代，稱為“現代控制理（3）第三階段。時間為本世紀70年代末至今。70年代末，控制理論向著“大系統理論”和“智能控制”方向發展。前者是控制理論在廣度上的開拓，后者是控制理論在深度上的挖掘。“大系統理論”是用控制和信息的觀點，研究各種大系統的結構方案、總體設計中的分解方法和協調等問題的技術基礎理論。而“智能控制”是研究與模擬人類智能活動及其控制與信息傳遞過程的規律，研究具有某些仿人智能的工程控制與信息處理系統。9/27/202310（3）第三階段。時間為本世紀70年代末至今。70年代末，控制1.1.3反饋控制原理

反饋控制是這樣的一種控制過程，它能構在存在擾動的情況下，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，而其工作正是基于這一偏差基礎之上的，這就是反饋控制的原理。

9/27/2023111.1.3反饋控制原理

反饋控制是這樣的一種控制過程，它能構例子9/27/202312例子8/8/202312

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。注意：

龍門刨床速度控制系統是一個有精差系統。速度最終達到的穩態值與原始給定速度之間始終有一個差值存在，這個差值是用來產生一個附加的電動機電樞電壓，以補償因增加負載而引起的速度下降。這個差值的存在是保證系統正常工作所必需的，一般稱為穩態誤差。如果從結構上加以改進，可以消除這個穩態誤差。

9/27/202313在工業控制中，龍門刨床速度控制系統就是按照反1.1.4反饋控制系統的基本組成

1)測量元件：檢測被控制的物理量。

2)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）。

3)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。

4)放大元件：偏差信號的放大，用以推動執行元件。

5)執行元件：直接推動被控對象，使被控量發生變化。

6)校正元件：也叫補償元件以改善系統性能。

9/27/2023141.1.4反饋控制系統的基本組成

1)測量元典型的反饋控制系統基本組成框：

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。9/27/202315典型的反饋控制系統基本組成框：信號從輸入端9/27/2023168/8/2023161.1.5自動控制系統基本控制方式（1）系統。即為達到某—目的，由相互制約的各個部分按—定規律組成的、具有一定功能的整體。（2）自動控制系統。指能夠對被控對象的工作狀態進行自動控制的系統，它一般由控制裝置（控制器）和被控對象所組成。（3）控制裝置。則是指對被控對象起控制作用的設備總體。（4）被控對象。是指要求實現自動控制的機器、設備或生產過程。例如，汽車、飛機、煉鋼、化工生產的鍋爐等。9/27/2023171.1.5自動控制系統基本控制方式（1）系統。即為達到某自動控制系統的性能，在很大程度上取決于系統中的控制器為了產生控制作用而必須接收的信息，這個信息有兩個可能的來源：1）來自系統外部，即由系統輸入端輸入的參考輸入信號。2）來自被控對象的輸出端，即反映被控對象的行為或狀態的信息。把從被控對象輸出端獲得的信息通過中間環節（稱為反饋環節）再送回控制器的輸入端的過程，稱為反饋。傳送反饋信息的載體，稱為反饋信號。是否采用反饋，對控制系統的各個指標（即穩定性、快速性、準確性）影響很大。因此系統的基本控制方式也按有無反饋分為三大類：開環控制、閉環控制、復合控制。9/27/202318自動控制系統的性能，在很大程度上取決于系統中的控制8/8/2反饋控制方式

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。

9/27/202319反饋控制方式按偏差進行控制，具有抑制擾動對被控量產開環控制

開環控制是在控制器與被控對象之間只有正向控制作用而沒有反饋控制作用，即系統的輸出量對控制量沒有影響。開環控制系統的示意圖如圖所示。

9/27/202320開環控制開環控制是在控制器與被控對象之間9/27/2023218/8/202321例子9/27/202322例子8/8/202322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。

9/27/202323復合控制方式按偏差控制和按擾動控制相結1.2自動控制系統示例9/27/2023241.2自動控制系統示例8/8/2023241、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。9/27/2023251、家用電冰箱溫控系統

控制器設定溫度與冰箱比較，下圖為家用冰箱恒溫系統的方框圖

9/27/202326下圖為家用冰箱恒溫系統的方框圖

2、鍋爐液位控制系統

9/27/2023272、鍋爐液位控制系統

8/8/2023279/27/2023288/8/2023283、龍門刨床速度控制系統

9/27/2023293、龍門刨床速度控制系統

8/8/2023299/27/2023308/8/2023304、電爐溫度控制系統

9/27/2023314、電爐溫度控制系統8/8/2023319/27/2023328/8/2023329/27/2023338/8/2023339/27/2023348/8/202334給定裝置放大器舵機飛機

反饋電位器

垂直陀螺儀θ0θ擾動俯仰角控制系統方塊圖飛機方塊圖9/27/202335給定裝置放大器舵機飛機反饋電位器垂直陀螺儀θ0θ擾動俯1.3自動控制系統的分類9/27/2023361.3自動控制系統的分類8/8/2023369/27/2023378/8/2023371、線性連續控制系統這類系統可以用線性微分方程描述，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。

9/27/2023381、線性連續控制系統這類系統可以用線性微分方程描述，一般形式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。

在恒值控制系統中，參據量可以隨生產條件的變化而改變，但是，一經調整后，被控量就應與調整好的參據量保持一致。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。

(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或其導數時，這類系統稱之為伺服系統。

(3)、程序控制系統

系統的參據量時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。9/27/2023391)、恒值控制系統

這類控制系統的參據量是一個常值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：

9/27/2023402、線性定常離散控制系統離散系統是指系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。9/27/2023413、非線性控制系統

系統中只要有一個元部1.5自動控制系統的基本要求1.5.1基本要求1穩定性一個控制系統能正常工作的首要條件是系統必須是穩定的，由于控制系統是具有反饋作用的閉環系統，因此，系統有可能趨向振蕩或不穩定，不穩定的系統是無法工作的。穩定的控制系統在階躍信號或擾動信號的作用下，其響應的暫態過程應該是收斂的。如果系統設計不當，則在階躍信號下或擾動信號的作用下，相應的幅值振蕩可能成為等幅振蕩，甚至成為振幅逐漸增大的發散振蕩，發生這種情況的系統稱為不穩定系統。系統穩定性包括兩個方面的含義。（1）系統穩定，稱為絕對穩定，即通常所說的穩定性。（2）輸出響應振蕩的強烈程度，稱為相對穩定性。例如系統是絕對穩定的，但是在階躍信號作用下，響應振蕩很強烈，而且振蕩的衰減很慢，則該系統雖然屬于穩定系統，但相對穩定性差。9/27/20234