1、第第1 1章章 绪论绪论 第第1章章 绪论绪论 1.1 引言引言习题习题 第第1 1章章 绪论绪论 1.1 引引 言言1.1.1自动控制理论概述自动控制理论概述 自动控制理论是研究各种自动控制过程共同规律的技术学科。它的发展初期是以反馈理论为基础的自动调节理论。随着科学技术的进步，自动控制原理已发展成为一门独立的学科，它包括工程控制论、生物控制论、经济控制论和社会控制论。工程控制论是控制论中最成熟的分支，主要研究工程领域中控制系统信息分析、变换、传送的一般理论与设计应用。自动控制理论是工程控制论的一个分支，它只研究自动控制系统分析和设计的一般方法。根据自动控制技术发展的不同阶段，自动控制理论可
2、分为“经典控制理论”和“现代控制理论”两大部分。第第1 1章章 绪论绪论 经典控制理论是指20世纪50年代末期所发展形成的理论体系。经典控制理论主要是研究单输入单输出线性定常系统的分析和设计问题，其理论基础是描述系统输入输出关系的传递函数，主要采用时域分析方法和频域分析方法。现代控制理论是在20世纪60年代初期，为适应更复杂系统的设计，研究具有高性能、高精度的多输入-多输出系统而出现的新的控制理论。第第1 1章章 绪论绪论 自动控制原理是一门自动控制专业的基础理论课程，它属于技术基础课程，该课程讲述的是自动控制系统分析设计的一些基本方法，譬如根轨迹法、频域响应法、状态空间法等。它使用的系统数字
3、模型有传递函数和状态模型等，所处理的系统为线性系统和非线性系统等。本课程主要研究的系统是线性定常系统。第第1 1章章 绪论绪论 1.1.2自动控制的发展历史及现状自动控制的发展历史及现状自动控制技术在工业、农业、国防和科学技术现代化中起着十分重要的作用。自动控制技术水平的高低也是衡量科学技术先进与否的重要标志之一。随着国民经济和国防建设的发展，自动控制技术的应用日益广泛，其重要作用也越来越显著。自动控制的发展已有很长的历史，自动机和自动钟很早就发明了。大约在公元前3世纪，古代希腊人特西比奥斯（Ktesibios）发明的滴水时钟，至公元9世纪经阿拉伯人改进后成为一个典型的负反馈控制系统。工业革命
4、时期，瓦特（JamesWatt）发明的蒸汽发动机离心式调速机构，也是一个很好的负反馈控制系统。第第1 1章章 绪论绪论 现代控制论的产生和发展乃至形成一个独立的工程学科还是在近代。在瓦特发明蒸汽发动机离心式调速机构之后大约100年，麦克斯韦（J.C.Maxwell）发表的“论调节器”一文，利用线性微分方程对离心式调速机构的动态性能进行了分析和研究，这是关于反馈控制理论的第一篇正式论文。随后，1884年劳斯(E.J.Routh)，1892年李雅普诺夫，1895年赫尔维茨（A.Hurwitz）等人都对控制理论作出了重要的贡献。在这一时期，自动控制系统也开始较为广泛地应用于工业生产控制。在第一次世界
5、大战期间，自动控制被广泛应用于军事工业。特别是在第二次世界大战期间，由于军事的需要，使自动控制理论及其应用得到了很快的发展。飞机、火炮、舰船的快速精确控制，雷达跟踪和导弹制导技术的发展已达到了较高水平。战后，随着许多理论和实践成果的发表，使控制理论的发展推向高潮。1948年伊万斯（W.R.Evans）提出了根轨迹法。至此，经典控制理论已基本趋于完善。第第1 1章章 绪论绪论 经典控制理论在指导自动控制技术的发展和应用中起到了重大作用。但是，经典控制理论存在着严重的局限性：经典控制理论只限于处理线性非时变系统；只限于处理单输入单输出系统等。因此，经典控制理论对于时变系统，非线性系统（除简单例子外
6、）和多输入多输出系统是无法使用的。为了突破经典控制理论的局限性，从20世纪60年代初开始，一种新型的方法现代控制理论被提出，并得以迅速发展。现代控制理论是建立在状态空间的基础上的，其本质是利用状态方程求解问题。由于计算机技术的高速发展，使得复杂的数学问题得以解决，从而促进了现代控制理论的发展，并使其在应用中越来越显示出优越性。第第1 1章章 绪论绪论 1.1.3自动控制的基本方法自动控制的基本方法1.开环控制开环控制开环控制是指控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制过程。即被控量（系统输出）不影响系统控制的控制方式称为开环控制。所以，在开环控制中，不对被控量进行任何检测，在输出
7、端和输入端之间不存在反馈联系。开环控制又有两种方式，即用给定值操纵的控制方式和干扰补偿的控制方式。第第1 1章章 绪论绪论 1）用给定值操纵的控制方式用给定值操纵的开环控制系统的方框图如图1-1所示。图 1-1 用给定值操纵的开环控制 第第1 1章章 绪论绪论 这种控制方式的特点是：在给定输入端到输出端之间的信号传递是单向进行的。这种控制方式的缺点是：当受控对象或控制装置受到干扰，或者在工作过程中元件特性发生变化而影响被控量时，系统不能进行自动补偿，所以控制精度难以保证。但是由于它的结构比较简单，因此在控制精度要求不高或元器件工作特征比较稳定而干扰又很小的场合中应用比较广泛。第第1 1章章 绪
8、论绪论 2）用干扰补偿的控制方式用干扰补偿的开环控制方式的方框图如图1-2所示。图 1-2 用干扰补偿的开环控制 第第1 1章章 绪论绪论 这种控制方式的特点是：干扰信号经测量、计算、放大、执行等元件到输出端的传递也是单向进行的。用干扰补偿的控制方式只能用在干扰可以测量的场合。另外这种控制方式在工作过程中不能补偿由于元件及受控对象工作特性变化而对被控量所产生的影响。第第1 1章章 绪论绪论 2.闭环控制闭环控制 被控量对系统参与系统控制的控制方式称为闭环控制。闭环控制的方框图如图1-3所示。第第1 1章章 绪论绪论 图 1-3 闭环控制 第第1 1章章 绪论绪论 闭环控制的特点是在控制器和被控
9、对象之间，不仅存在着正向作用，而且还存在着反馈作用，即系统的输出信号对被控制量有直接影响。闭环控制中，在给定值和被控量之间，除了有一条从给定值到被控制量方向传递信号的前向通道外，还有一条从被控量到比较元件传递信号的反馈通道。控制信号沿着前向通道和反馈通道循环传递，所以闭环控制又称为反馈控制。第第1 1章章 绪论绪论 在闭环控制中，被控量时时刻刻被检测，或者再经过信号变换，并通过反馈通道送回到比较元件和给定值进行比较。比较后得到的偏差信号经放大元件进行放大后送入执行元件。执行元件根据所接收信号的大小和极性，直接对受控对象进行调节，以进一步减小偏差。由此可见，只要闭环控制系统出现偏差，不论该偏差是
10、由干扰造成的，还是由系统元件或受控对象工作特性变化所引起的，系统都能自行调节以减小偏差。故闭环控制系统又称为带偏差调节的控制系统。第第1 1章章 绪论绪论 闭环控制从原理上提供了实现高精度控制的可能性，它对控制元件的要求比开环控制低。但与开环控制系统相比，闭环控制系统的设计比较麻烦，结构也比较复杂，因而成本较高。闭环控制系统是自动控制中广泛应用的一种控制方式。当控制精度要求较高，干扰影响比较大时，一般都采用闭环控制系统。第第1 1章章 绪论绪论 3.开环控制与闭环控制的比较开环控制与闭环控制的比较 一般来说，开环控制结构简单、成本低、工作稳定，因此，当系统的输入信号及扰动作用能预先知道并且系统
11、要求精度不高时，可以采用开环控制。由于开环控制不能自动修正被控制量的偏离，因此系统的元件参数变化以及外来未知扰动对控制精度的影响较大。第第1 1章章 绪论绪论 闭环控制具有自动修正被控制量出现偏离的能力，因此可以修正元件参数变化及外界扰动引起的误差，其控制精度较高。但是正由于存在反馈，闭环控制也有其不足之处，就是被控制量可能出现振荡，严重时会使系统无法工作。这是由于被控量出现偏离之后，经过反馈便形成一个修正偏离的控制作用。这个控制作用和它所产生的修正偏离的效果之间，一般是有时间延迟的，使被控制量的偏差不能立即得到修正，从而有可能使被控制量处于振荡状态。因此，如果系统参数选择不当，不仅不能修正偏
12、离，反而会使偏离越来越大，而导致系统无法工作。自动控制系统设计的重要课题之一就是要解决闭环控制中的振荡或发散问题。第第1 1章章 绪论绪论 4.复合控制 复合控制就是将开环控制和闭环控制相结合的一种控制方式。实质上，它是在闭环控制回路的基础上，附加一个对输入信号或对扰动作用的前馈通路，来提高系统的控制精度。前馈通路通常由对输入信号的补偿装置或对扰动作用的补偿装置组成，分别称为按输入信号补偿和按扰动作用补偿的复合控制系统，如图1-4所示。第第1 1章章 绪论绪论 图 1-4 复合控制系统方框图(a)按输入作用补偿；(b)按扰动作用补偿第第1 1章章 绪论绪论 1.1.4 控制系统的分类控制系统的
13、分类 由于控制技术的广泛应用以及控制理论自身的发展，使得控制系统具有各种各样的形式，从不同的角度出发，分类的方式也不相同。本节仅介绍两种常见的分类方法。第第1 1章章 绪论绪论 1.按输入信号特征分类按输入信号特征分类 1）定值控制系统 给定信号（给定值）为一常值的控制系统称为定值控制系统。这类控制系统的任务是保证在扰动作用下使被控变量始终保持在给定值上。在生产过程中的温度、压力、流量、液位高度等大量的控制系统都属于这一类系统。第第1 1章章 绪论绪论 2）随动控制系统 给定信号是一个未知变化量的闭环控制系统称为随动控制系统。这类控制系统的任务是保证在各种条件下系统的输出（被控变量）以一定精度
14、跟随给定信号的变化而变化，所以这类控制系统又称为跟踪控制系统。如雷达无线跟踪系统，当被跟踪目标位置未知时属于这类系统。第第1 1章章 绪论绪论 3）程序控制系统 给定信号是一个按一定时间程序变化的时间函数的闭环控制系统就称为程序控制系统。如热处理炉温度控制系统的升温、保温、降温过程都是按照预先设定的规律进行控制的，所以该系统属于程序控制系统。第第1 1章章 绪论绪论 2.按所使用的数学方法分类按所使用的数学方法分类 1）线性控制系统和非线性控制系统 （1）线性控制系统。1.按输入信号特征分类 1）定值控制系统 给定信号（给定值）为一常值的控制系统称为定值控制系统。这类控制系统的任务是保证在扰动
15、作用下使被控变量始终保持在给定值上。在生产过程中的温度、压力、流量、液位高度等大量的控制系统都属于这一类系统。第第1 1章章 绪论绪论 2）随动控制系统给定信号是一个未知变化量的闭环控制系统称为随动控制系统。这类控制系统的任务是保证在各种条件下系统的输出（被控变量）以一定精度跟随给定信号的变化而变化，所以这类控制系统又称为跟踪控制系统。如雷达无线跟踪系统，当被跟踪目标位置未知时属于这类系统。第第1 1章章 绪论绪论 3）程序控制系统给定信号是一个按一定时间程序变化的时间函数的闭环控制系统就称为程序控制系统。如热处理炉温度控制系统的升温、保温、降温过程都是按照预先设定的规律进行控制的，所以该系统
16、属于程序控制系统。第第1 1章章 绪论绪论 2.按所使用的数学方法分类按所使用的数学方法分类1）线性控制系统和非线性控制系统（1）线性控制系统。当系统中各组成环节的特性可以用线性微分方程（或差分方程）来描述时，这类系统称为线性控制系统。线性控制系统的特点是可以运用叠加原理。在系统存在几个输入时，系统的输出等于各个输入分别作用于系统时的系统输出之和，当系统输入增大或缩小时，系统的输出也按比例增大或缩小。若描述控制系统特性的微分方程（或差分方程）的系数是常数而不是随时间变化的函数，则这种线性系统称为线性定常（或时不变）系统；若微分方程（或差分方程）的系数是时间的函数，则系统称为线性时变系统。第第1
17、 1章章 绪论绪论 （2）非线性控制系统。当系统中存在非线性的组成环节时，系统的特征就由非线性微分方程来描述，这样的控制系统称为非线性控制系统。对于非线性系统叠加原理是不适用的。严格地讲，实际的控制系统都具有不同程度的非线性。非线性特性根据其处理方法不同，可以分为本质非线性和非本质非线性两种。对于非本质非线性，其输入、输出的关系曲线没有间断点和折断点，且呈单值关系。因此当系统变化量变化范围不大时，为便于分析研究，可简化为线性关系来处理。这样可以应用成熟的线性控制理论进行分析和讨论。对于本质非线性特性，其输入、输出关系或是具有间断点和折断点，或是具有非单值关系。这类控制系统需要用非线性理论来分析
18、和研究。第第1 1章章 绪论绪论 2）连续控制系统与离散控制系统（1）连续控制系统。当控制系统中各组成环节的输入和输出信号都是时间的连续函数时，称此类系统为连续控制系统。连续控制系统的特征一般是用微分方程来描述的。信号的时间函数允许有间断点（不连续点）。若系统是线性的而且又是连续的，则称为线性连续系统。（2）离散控制系统。控制系统中只要有一个组成环节的输入信号或输出信号在时间上是离散的，就称为离散控制系统。离散系统与连续系统的区别仅在于信号只在特定离散的瞬时（如图1-5所示）是时间的函数，而在两离散的瞬时点之间信号是不确定的。第第1 1章章 绪论绪论 图1-5 离散信号 第第1 1章章 绪论绪
19、论 图 1-6 常见的非线性特性(a)饱和；(b)死区；(c)间隙；(d)干摩擦和粘性摩擦第第1 1章章 绪论绪论 3）单变量控制系统与多变量控制系统 （1）单变量控制系统。在一个控制系统中，如果只有一个被控变量和一个控制作用来控制被控对象，则称该系统为单变量控制系统，又称为单输入单输出系统。如图1-7所示。目前大量的过程控制系统都属于这类系统。第第1 1章章 绪论绪论 图 1-7 单变量控制系统 第第1 1章章 绪论绪论 （2）多变量控制系统。如果一个控制系统中的被控变量多于一个，控制作用也多于一个，而且各控制回路相互之间有耦合关系，则称这类控制系统为多变量控制系统，也称为多输入多输出控制系
20、统，如图1-8所示。第第1 1章章 绪论绪论 图 1-8 多变量控制系统 第第1 1章章 绪论绪论 1.1.5控制系统的研究内容和方法控制系统的研究内容和方法1.控制系统的研究内容控制系统的研究内容控制系统的类型很多，但研究的内容和方法是类似的。在研究控制系统时不是从具体控制系统的物理性质入手，而是从表征这些控制系统的数学模型出发，用数学（包括实验）的方法去构造一个人们所需要的数学模型，或是去研究这种系统的数学模型。因此，对于控制系统的研究主要分为两个内容，一是控制系统的分析，二是控制系统的综合。控制系统的分析是指在已知控制系统的数学模型的条件下，分析系统的性能，并研究性能指标与系统结构、参数
21、之间的关系，从而提出改善控制系统性能的途径和措施。而控制系统的综合是指根据生产实际对控制系统提出的性能指标的要求，用数学的方法去确定系统的某些参数或附加某种装置（称为校正装置）的过程，可见控制系统的综合是控制系统设计的一部分。第第1 1章章 绪论绪论 2.控制系统的研究方法控制系统的研究方法1）时域法时域法是一种以微分方程为基础而构成的数学模型，通常采用求解微分方程的途径，直接在时间域中对控制系统进行研究的一种方法。在一定的输入变量作用下，系统的输出变量时域表达式可以由微分方程求得（或由传递函数求得），从而计算出控制系统的时域性能指标。由这种方法得出的性能指标比较直观，并且系统的参数与性能指标
22、之间的关系比较清楚。由于目前计算技术的发展，求解微分方程的工作量大为减轻，因而使时域法的应用更为广泛。第第1 1章章 绪论绪论 2）频域法 对于一些不容易从理论推导得出系统微分方程的场合，可以通过频率响应求得系统的特性。由于这种方法简便，物理概念明了，因而在实践中得到了广泛的应用。3）根轨迹法 根轨迹法是一种以作图法为基础研究控制系统的方法。由于它是从系统的开环特性出发去研究系统的闭环特性的，因此方法简单，特别是在系统设计时较为方便。第第1 1章章 绪论绪论 1.1.6 对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求 对工作在不同场合下的控制系统有不同的性能要求。本节主要从控制的角度来讨论控制系统应
23、满足的基本要求。控制系统的任务是使被控量按参考输入保持常值或跟随参考输入变化。但是要在任何时间做到这一点并不容易。如图1-9所示的随动系统的指令电位器，在瞬间转动一个单位角度时，由于系统中惯性的存在以及能源功率的限制，因此工作机械不可能立即跟随转动相等的角度。第第1 1章章 绪论绪论 图 1-9 随动系统 第第1 1章章 绪论绪论 当偏差产生的控制作用使工作机械转过与给定值相等的角度时，由于惯性的关系，工作机械将仍以一定速度继续旋转，因而出现反向偏差。控制系统又产生反向控制作用，使工作机械反向转动。如此周而复始，出现了振荡的跟踪过程。控制系统的这一运动过程称为系统的动态过程。当系统结构及其参数
24、匹配合理时，经过一定时间后，被控量将趋于希望值。图1-10表示了在阶跃输入信号作用下几种系统被控量的变化过程，图中x（t）表示输入，y（t）表示输出。第第1 1章章 绪论绪论 图 1-10 控制系统的阶跃输入和输出 第第1 1章章 绪论绪论 显然，不是所有系统都能正常地工作。系统要能正常工作，必须满足如下基本要求。(1)稳定性。稳定性是指系统被控量偏离给定值而振荡时，系统抑制振荡的能力。对于稳定的系统，随着时间的增长，被控量将趋近于希望值。可见稳定性是保证系统正常工作的先决条件。图1-10（b）和图1-10（c）所示的系统是不稳定的，这种系统不能正常工作。图1-10（d）所示的系统是稳定的。第
25、第1 1章章 绪论绪论 (2)快速性。快速性是指被控量趋近希望值的快慢程度。快速性好的系统，它的过渡过程时间就短，就能复现快速变化的控制信号，因而具有较高的动态精度。图1-10（d）所示的系统1，其快速性要比系统2好。稳定性和快速性是反映系统动态过程好坏的尺度。第第1 1章章 绪论绪论 (3)精确性。精确性是指过渡过程结束后被控量与希望值接近的程度。也就是当系统过渡到新的平衡工作状态后，被控量与希望值偏差的大小。系统的这一性能指标称为系统的稳态精度。考虑到控制系统的动态过程在不同阶段中的特点，工程上常常从稳、快、准三个方面来评价系统的总体精度。第第1 1章章 绪论绪论 习习 题题 1.1 什么是系统？什么是被控对象？什么是控制？1.2 什么是自动控制？它对人类活动有什么意义？1.3 试列举几个日常生活中的开环控制系统和闭环控制系统，并说明它们的工作原理。第第1 1章章 绪论绪论 1.4 自动控制系统主要由哪几部分组成？各组成部分有什么功能？1.5 试用反馈控制原理来说明司机驾驶汽车是如何进行线路方向控制的，并画出系统方框图。1.6 洗衣机控制系统的方框图如习题1.6图所示，试设计一个闭环控制的洗衣机系统方框图。第第1 1章章 绪论绪论 习题1.6图 洗衣机控制系统
