自动控制原理简明教程.ppt

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1、第1章第1页EXIT2023年年1月月15日日自动控制原理自动控制原理 刘菲菲刘菲菲第1章第2页EXIT2023年年1月月15日日课程性质和特点课程性质和特点1.本门课程的性质本门课程的性质:自自动动控控制制是是一一门门基基础础性性的的技技术术学学科科，从从方方法法论论的的角角度度来研究系统的建立、分析与设计。来研究系统的建立、分析与设计。经典经典（古典古典），），现代现代。基基本本内内容容自自动动控控制制的的一一般般概概念念、物物理理系系统统的的数数学学模模型型、控控制制系系统统的的一一般般分分析析方方法法、系系统统的的设设计计或或校校正正以以及及线性离散系统的初步知识线性离散系统的初步知识

2、 研研究究对对象象自自动动控控制制系系统统，揭揭示示自自动动控控制制系系统统中中存存在的信息转换、传递和在的信息转换、传递和反馈反馈。第1章第3页EXIT2.课程特点：课程特点：研究系统的共性问题研究系统的共性问题3.先修基础：先修基础：高等数学、大学物理、微积分、电路、数字电子技高等数学、大学物理、微积分、电路、数字电子技术、模拟电子技术、信号与系统术、模拟电子技术、信号与系统（含拉氏变换、傅氏变含拉氏变换、傅氏变换、换、z变换）变换）2023年年1月月15日日实际实际系统系统物理物理模型模型数学数学模型模型方法（系统组成方法（系统组成分析、设计）分析、设计）第1章第4页EXIT2023年年

3、1月月15日日自动控制课程的主要任务自动控制课程的主要任务 本课程的主要内容是阐述本课程的主要内容是阐述构成、分析和设计自动控构成、分析和设计自动控制系统的基本理论制系统的基本理论。对实际系统。对实际系统,建立研究问题的数学模建立研究问题的数学模型型,进而利用所建立的数学模型来讨论构成、分析、综合进而利用所建立的数学模型来讨论构成、分析、综合自动控制系统的基本理论和方法。自动控制系统的基本理论和方法。作为研究自动控制系统的分析与综合的方法来说作为研究自动控制系统的分析与综合的方法来说,对单输入单输出系统常采用的是对单输入单输出系统常采用的是时域法、频域法、根时域法、频域法、根轨迹法以及目前广泛

4、应用的计算机辅助设计。轨迹法以及目前广泛应用的计算机辅助设计。第1章第5页EXIT2023年年1月月15日日成绩组成：成绩组成：期末考试占期末考试占 70%，平时成绩占，平时成绩占 30%考勤：10作业：10实验：10注：五次点名不到即取消考试资格（不能参加期注：五次点名不到即取消考试资格（不能参加期 末及补考考试）末及补考考试）第1章第6页EXIT第第1 1章章 控制系统导论控制系统导论 1.11.1 自动控制的基本原理自动控制的基本原理1.21.2 自动控制系统的应用实例自动控制系统的应用实例1.3 1.3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类1.4 1.4 自动控制系统的基本要求自动控制

5、系统的基本要求2023年年1月月15日日第1章第7页EXIT2023年年1月月15日日1.1 1.1 1.1 1.1 自动控制的基本原理自动控制的基本原理自动控制的基本原理自动控制的基本原理第1章第8页EXIT2023年年1月月15日日一、控制系统基本概念一、控制系统基本概念1.控控制制（Control）：根根据据某某种种原原理理或或方方法法，使使特特定定对对象象（被被控控对对象象）的的某某些些物物理理量量（被被控控量量）按按照照预预期期规规律律变变化化的操纵过程。的操纵过程。2.人人工工控控制制（Manual Control）：由由人人直直接接或或间间接接操操作作执执行装置的控制方式。行装置

6、的控制方式。第1章第9页EXIT2023年年1月月15日日人工控制的例子人工控制的例子 示例示例水池水位控制水池水位控制 人工控制人工控制被控对象：水池被控对象：水池被控量：水池的水位被控量：水池的水位 观观测测实实际际水水位位，将将期期望望的的水水位位值值与与实实际际水水位位相相比比较较，两两者者之之差差为为误误差差。根根据据误误差差的的大大小小和和方方向向调调节节进进水水阀阀门门的的开开度度，即即当当实实际际水水位位高高于于要要求求值值时时，关关小小进进水水阀阀门门开开度度，否否则则加加大大阀阀门门开开度度以以改改变变进进水水量量，从从而而改改变变水水池池水水位位，使使之之与与要要求求值值

7、保持一致。保持一致。第1章第10页EXIT2023年年1月月15日日人眼人眼：观察水池的实际水位；：观察水池的实际水位；测量（测量反馈机构）测量（测量反馈机构）人脑人脑：记住水位的期望值；：记住水位的期望值；比较比较水池的期望值水池的期望值-实际值；实际值；（比较机（比较机构）、控制构）、控制人手人手：调节进水阀门的开度，执行控制作用。：调节进水阀门的开度，执行控制作用。执行（执行机构）执行（执行机构）是一个反复观察测量、比较、调整执行的过程，力图将水池水位是一个反复观察测量、比较、调整执行的过程，力图将水池水位的期望值与实际值之间的差值减为的期望值与实际值之间的差值减为0。人人工工控控制制精

8、精度度不不高高，人人的的反反应应不不够够快快，不不少少恶恶劣劣的的场场合合人无法参与直接控制。自动控制系统可以解决以上问题。人无法参与直接控制。自动控制系统可以解决以上问题。第1章第11页EXIT2023年年1月月15日日3.自自动动控控制制（Automatic Control）：是是指指在在没没有有人人直直接接参参与与的的情情况况下下，利利用用自自动动控控制制装装置置（或或称称为为控控制制装装置置或或控控制制器器），使使机机器器、设设备备或或生生产产过过程程（统统称称为为被被控控对对象象）的的某某个个工工作作状状态态或或参参数数（称称为为被被控控量量）自自动动地地按按照照预预定定的的规规律运

9、行。律运行。第1章第12页EXIT2023年年1月月15日日自动控制的例子自动控制的例子 当当实实际际水水位位低低于于要要求求水水位位时时，电电位位器器输输出出电电压压值值为为正正，且且其其大大小小反反映映了了实实际际水水位位与与水水位位要要求求值值的的差差值值，放放大大器器输输出出信信号号将将有有正正的的变变化化，电电动动机机带带动动减减速速器器使使进进水水阀阀门门开开度度增增加加，直到实际水位重新与水位要求值相等时为止。直到实际水位重新与水位要求值相等时为止。期望水位期望水位ShowShow 第1章第13页EXIT2023年年1月月15日日电位计电位计+连杆连杆人脑人脑：记住水位的期望值；

10、：记住水位的期望值；浮子浮子人眼人眼：观察水池的实际水位；：观察水池的实际水位；电位计电位计+连杆连杆人脑人脑：反映反映误差误差（=水位的期望值水位的期望值-实际实际值）；值）；电动机电动机人手人手：调节进水阀门开度，执行控制作用。：调节进水阀门开度，执行控制作用。是是一一个个反反复复观观察察测测量量、比比较较、调调整整执执行行的的过过程程，力力图图将将水水池池水水位位的的期期望望值值与与实实际际值值间间的的差差值值减减为为0，即即误误差差为为0。控制过程：测量（测量反馈机构）控制过程：测量（测量反馈机构）浮子浮子 比较（比较机构）比较（比较机构）电位计电位计+连杆连杆 执行（执行机构）执行（

11、执行机构）电动机电动机第1章第14页EXIT自动控制和人工控制比较自动控制和人工控制比较（1）基基本本原原理理相相同同：都都是是建建立立在在“测测量量偏偏差差,修修正正偏偏差差”的的基基础础上上,并并且且为为了了测测量量偏偏差差,必必须须把把系系统统的的实实际际输输出出连连接接（反反馈馈）到到输输入入端。自动控制的基本原理因此有时也称为端。自动控制的基本原理因此有时也称为反馈控制原理反馈控制原理。（2）两种控制的区别：）两种控制的区别：自动控制用控制器代替人完成控制。自动控制用控制器代替人完成控制。2023年年1月月15日日第1章第15页EXIT2023年年1月月15日日4.反反馈馈控控制制原

12、原理理：在在自自动动控控制制系系统统中中，通通过过控控制制装装置置对对被被控控对对象象施施加加的的控控制制作作用用，利利用用被被控控量量的的反反馈馈信信息息，不不断断修修正正被被控控量量与与输输入入量量之之间间的的偏偏差差，从从而而实实现现对对被被控控对对象象进进行行控制的任务。控制的任务。5.自自动动控控制制理理论论：是是研研究究有有关关自自动动控控制制共共同同规规律律的的一一门门技技术术科科学学，是是自自动动控控制制技技术术的的基基础础理理论论，根根据据发发展展的的不不同同阶阶段段，其其内内容容可可分分为为经经典典控控制制理理论论、现现代代控控制制理理论论和和智智能能控控制理论制理论。第1

13、章第16页EXIT自动控制理论的发展历程经典控制理论40405050年代形成年代形成 适用于适用于SISOSISO（单输入单输出）系统（单输入单输出）系统 基于：二战军工技术基于：二战军工技术目标：反馈控制系统的稳定目标：反馈控制系统的稳定 基本方法：基本方法：时域分析法、根轨迹法、频率特性法。时域分析法、根轨迹法、频率特性法。现代控制理论60706070年代形成年代形成 适用于适用于MIMO MIMO（多输入多输出）系统（多输入多输出）系统 基于：基于：冷战时期空间技术，计算机技术冷战时期空间技术，计算机技术目标：最优控制目标：最优控制基本方法：状态空间表达式基本方法：状态空间表达式2023

14、年年1月月15日日第1章第17页EXIT2023年年1月月15日日研究对象研究对象数学工具数学工具常用分析方法常用分析方法局限性局限性经典控经典控制理论制理论单输入单输入-单输单输出线性定常出线性定常系统系统微分方程，微分方程，传递函数传递函数时域分析法，时域分析法，频域分析法频域分析法,根轨迹分析法根轨迹分析法对复杂多变量系统、对复杂多变量系统、时变和非线性系统时变和非线性系统无能为力无能为力现代控现代控制理论制理论多输入多输入-多输多输出变系数，出变系数，非线性等系非线性等系统统线性代数、线性代数、矩阵理论矩阵理论状态空间法状态空间法比较繁琐（但由于比较繁琐（但由于计算机技术的的迅计算机技

15、术的的迅速发展，这一局限速发展，这一局限性已克服性已克服)第1章第18页EXIT2023年年1月月15日日二二、反馈控制系统的基本组成部分反馈控制系统的基本组成部分 输入量输入量串联串联校正元件校正元件放大放大元件元件执行执行元件元件被控被控对象对象扰动扰动反馈反馈校正元件校正元件反馈元件反馈元件输出量输出量比较比较元件元件e(t)偏差偏差信号信号主反馈信号主反馈信号b(t)测量反馈元件测量反馈元件主反馈主反馈局部反馈局部反馈给定给定元件元件信信号号从从输输入入端端沿沿箭箭头头方方向向到到达达输输出出端端的的传传输输通通道道称称前前向向通通路路，系系统统输输出出量量经经测测量量元元件件反反馈馈

16、到到输输入入端端的的传传输输通通道道称称主反馈通路主反馈通路。前向通路与主反馈通路共同组成。前向通路与主反馈通路共同组成主回路主回路。ShowShow 第1章第19页EXIT2023年年1月月15日日被被控控对对象象（被被控控过过程程）又又称称控控制制对对象象或或受受控控对对象象，指指需需要要对对它它的的某某个个特特定定的的量量进进行行控控制制的的设设备备或或过过程程。被被控控对对象象的的输输出出变变量量是是被被控控变变量量，常常常常记记作作输输出出信信号号或或输输出出量量。被被控控对对象象除除了了受受到到控控制制作作用用外外，还还受受到到外外部部扰扰动动作用。作用。给给定定元元件件其其作作用

17、用是是给给出出与与期期望望的的输输出出相相对对应应的的系系统统输入量，是一类产生系统控制指令的装置。输入量，是一类产生系统控制指令的装置。测测量量反反馈馈元元件件如如传传感感器器和和测测量量仪仪表表，感感受受或或测测量量被被控控变变量量的的值值并并把把它它变变换换为为与与输输入入量量同同一一物物理理量量后后，再再反反馈到输入端以作比较。馈到输入端以作比较。第1章第20页EXIT2023年年1月月15日日比比较较元元件件比比较较输输入入信信号号与与反反馈馈信信号号，以以产产生生反反映映两两者差值的偏差信号。者差值的偏差信号。放大元件放大元件将微弱的信号作线性放大。将微弱的信号作线性放大。校校正正

18、元元件件也也叫叫补补偿偿元元件件，它它是是按按某某种种函函数数规规律律变变换换控制信号，以利于改善系统的动态品质或静态性能。控制信号，以利于改善系统的动态品质或静态性能。执执行行元元件件根根据据偏偏差差信信号号的的性性质质执执行行相相应应的的控控制制作作用用，以以便便使使被被控控制制量量按按期期望望值值变变化化。如如电电动动机机、气气动动控控制制阀阀等。等。只只包包含含一一个个主主反反馈馈通通路路的的系系统统称称单单回回路路系系统统；有有两两个或两个以上反馈通路的系统称多回路系统。个或两个以上反馈通路的系统称多回路系统。第1章第21页EXIT2023年年1月月15日日自自动动控控制制系系统统：

19、是是由由被被控控对对象象和和自自动动控控制制装装置置按按一一定定方方式联结起来的，以完成某种自动控制任务的有机整体。式联结起来的，以完成某种自动控制任务的有机整体。输输入入信信号号r(t)：系系统统的的输输入入信信号号是是指指参参考考输输入入，又又称称给给定定量或给定值量或给定值，它是控制着输出量变化规律的指令信号。，它是控制着输出量变化规律的指令信号。输输出出信信号号c(t)：系系统统的的输输出出信信号号是是指指被被控控对对象象中中要要求求按按一一定定规规律律变变化化的的物物理理量量，又又称称被被控控量量，它它与与输输入入量量之之间间保保持一定的函数关系。持一定的函数关系。自动控制系统中常用

20、的名词术语自动控制系统中常用的名词术语补充补充 第1章第22页EXIT2023年年1月月15日日反反馈馈信信号号：由由系系统统（或或元元件件）输输出出端端取取出出并并反反向向送送回回系系统统（或或元元件件）输输入入端端的的信信号号称称为为反反馈馈信信号号。反反馈馈分分为为主主反反馈馈b(t)和局部反馈。和局部反馈。偏偏差差信信号号e(t)：它它是是指指参参考考输输入入与与主主反反馈馈信信号号之之差差。偏偏差差信信号简称偏差。号简称偏差。e(t)=r(t)-b(t)误误差差信信号号：它它是是指指系系统统输输出出量量的的期期望望值值与与实实际际值值之之差差，简简称称误误差差。在在单单位位反反馈馈情

21、情况况下下，误误差差值值也也就就是是偏偏差差值值，二二者者是相等的。是相等的。扰扰动动信信号号f(t)：简简称称扰扰动动或或干干扰扰，是是除除控控制制信信号号以以外外,对对系系统统的输出有影响的信号。扰动是不的输出有影响的信号。扰动是不希望的输入信号。希望的输入信号。P5 P5 第1章第23页EXIT2023年年1月月15日日 控控制制系系统统的的类类型型很很多多，它它们们的的结结构构类类型型和和所所完完成成的的任任务务也也各各不不相相同同。控控制制系系统统中中最最常常见见的的两两种种控控制制方方式式是是开开环环控控制制和和闭闭环环控控制制（反反馈馈控控制制），这这两两种种控控制制的的组组合合

22、即即为为复复合合控控制制，相相对对应应的的控控制制系系统统称称为为开开环环控控制制系系统统、闭闭环环控控制制系系统统和和复复合合控控制制系系统统。三、三、自动控制系统基本控制方式自动控制系统基本控制方式第1章第24页EXIT2023年年1月月15日日自动控制系统的基本控制方式自动控制系统的基本控制方式第1章第25页EXIT1.开环控制系统开环控制系统指控制装置与被控对象之间只有顺向作用输出量并不反馈回来影响输入量的控制作用，因而将它称为开环开环控制系统控制系统（Open-Loop Control System）。）。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，

23、不对被控量进行任何检测，在输出端和输入端之间不存在反馈联系。2023年年1月月15日日常用开环控制系统原理框图（给定控制）第1章第26页EXIT2023年年1月月15日日示例示例直流电动机转速开环控制系统直流电动机转速开环控制系统 给给定定电电压压ug经经放放大大后后得得到到电电枢枢电电压压ua，改改变变ug可可得得不不同同的的转转速速n，该该系系统统只只有有输输入入量量ug对对输输出出量量n的的单单向向控控制制作作用用。输出端和输入端之间不存在输出端和输入端之间不存在反馈回路反馈回路。+_电电 压压放大器放大器功功 率率放大器放大器Mc负载负载n电动机电动机+_+_+电位器电位器1.开环控制

24、系统开环控制系统第1章第27页EXIT2023年年1月月15日日 常见的开环系统还有洗衣机，微波炉等。常见的开环系统还有洗衣机，微波炉等。扰动扰动控制控制 信号信号 被控被控 制量制量 给定电压给定电压ug g转速转速n被控对象被控对象控制装置控制装置Mc电压电压放大器放大器功率功率放大器放大器直流直流电动机电动机第1章第28页EXIT2023年年1月月15日日 开开环环系系统统的的优优点点结结构构简简单单，系系统统稳稳定定性性好好，调调试试方方便便，成成本本低低。因因此此，在在输输入入量量和和输输出出量量之之间间的的关关系系固固定定，且且内内部部参参数数或或外外部部负负载载等等扰扰动动因因素

25、素不不大大，或或这这些些扰扰动动因因素素可以预测并进行补偿的前提下，应尽量采用开环控制系统。可以预测并进行补偿的前提下，应尽量采用开环控制系统。开开环环控控制制的的缺缺点点当当控控制制过过程程中中受受到到来来自自系系统统外外部部的的各各种种扰扰动动因因素素，如如负负载载变变化化、电电源源电电压压波波动动等等，以以及及来来自自系系统统内内部部的的扰扰动动因因素素，如如元元件件参参数数变变化化等等，都都将将会会直直接接影影响响到到输输出出量量，而而控控制制系系统统不不能能自自动动进进行行补补偿偿，抗抗干干扰扰性性能差能差。因此，开环系统对元器件的精度要求较高。因此，开环系统对元器件的精度要求较高。

26、第1章第29页EXIT补充：按扰动控制的开环系统2023年年1月月15日日用干扰补偿的开环控制 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1章第30页EXIT2.闭环控制系统闭环控制系统 输出量与输入量之间有反向联系，靠输入量与主反馈信号之间的输出量与输入量之间有反向联系，靠输入量与主反馈信号之间的偏差对输出量进行控制。偏差对输出量进行控制。在控制器和被控对象之间，在控制器和被控对象之间，不仅存在不仅存在着正向作用，着正向作用，而

27、且还存在着反馈作用，而且还存在着反馈作用，即系统的输出信号对被即系统的输出信号对被控制量有直接影响。控制量有直接影响。反馈反馈：是把系统输出量全部或一部分回送到输入端，以增强或减弱：是把系统输出量全部或一部分回送到输入端，以增强或减弱输入信号的效应。输入信号的效应。2023年年1月月15日日闭环控制原理框图 第1章第31页EXIT2023年年1月月15日日 闭环控制系统示例闭环控制系统示例电电 压压放大器放大器功功 率率放大器放大器Mc负载负载n电动机电动机+_+_+_uf电位器电位器测速发电机测速发电机+_ue=ug-uf偏差偏差第1章第32页EXIT2023年年1月月15日日 直流电动机转

28、速闭环控制系统方块图直流电动机转速闭环控制系统方块图 设设上上述述系系统统原原已已在在某某个个给给定定电电压压ug相相对对于于的的转转速速n状状态态下下运运行行，若若一一旦旦受受到到某某些些干干扰扰（如如负负载载转转矩矩突突然然增增大大）而引起转速下降时，系统就会自动地产生相应的调整过程。而引起转速下降时，系统就会自动地产生相应的调整过程。偏差始终存在偏差始终存在 Mcnufue（ue=ug-uf ）uan n电电 压压放大器放大器ue输输入入量量Mc扰动扰动输输出出量量功功 率率放大器放大器直直 流流电动机电动机ugua测测 速速发电机发电机uf第1章第33页EXIT2023年年1月月15日

29、日总结一下：总结一下：闭环闭环控制系统的工作原理：控制系统的工作原理：检测输出量（被控制量）的实际值；检测输出量（被控制量）的实际值；将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比较，将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比较，得出偏差；得出偏差；用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得输用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得输出量维持期望的输出。出量维持期望的输出。第1章第34页EXIT2023年年1月月15日日 由于存在输出量反馈，上述系统能在存在无法预计扰动由于存在输出量反馈，上述系统能在存在无法预计扰动的情况下，自动减少系统的输出量与参考输入量（或者的情况下，自动减少系统的输出量与参考输入

30、量（或者任意变化的希望的状态）之间的偏差，故称之为任意变化的希望的状态）之间的偏差，故称之为反馈控反馈控制制。显然：显然：反馈控制反馈控制建立在建立在偏差偏差基础上，其控制方式是基础上，其控制方式是“检检测偏差再纠正偏差测偏差再纠正偏差”。ShowShow 第1章第35页EXIT2023年年1月月15日日 闭闭环环控控制制系系统统（Close-Loop Control System）又又称称反反馈馈控控制制系系统统（Feedback Control System），是是在在闭闭环环控控制制系系统统中中，把把输输出出量量检检测测出出来来，经经过过物物理理量量的的转转换换，再再反反馈馈到到输输入入

31、端端去去与与给给定定值值（参参考考输输入入）进进行行比比较较（相相减减），并并利利用用比比较较后后的的偏偏差差信信号号，以以一一定定的的控控制制规规律律产产生生控控制制作作用用，抑抑制制内内部部或或外外部部扰扰动动对对输输出出量量的的影影响响，逐逐步步减减小小以以至至消消除除这这一一偏偏差差，从从而而实实现现要要求的控制性能。求的控制性能。第1章第36页EXIT2023年年1月月15日日 闭闭环环控控制制的的优优点点抑抑制制扰扰动动能能力力强强，与与开开环环控控制制相相比比，对对参参数数变变化化不不敏敏感感，并并能能获获得得满满意意的的动动态态特特性性和和控制精度控制精度。闭闭环环控控制制的的

32、缺缺点点引引入入反反馈馈增增加加了了系系统统的的复复杂杂性性，如如果果闭闭环环系系统统参参数数的的选选取取不不适适当当，系系统统可可能能会会产产生生振振荡荡，甚甚至至系系统统失失稳稳而而无无法法正正常常工工作作，这这是是自自动动控控制制理理论论和和系系统设计必须解决的重要问题。统设计必须解决的重要问题。注意！注意！正反馈正反馈不能进行控制，会使系统的偏差越来越大。不能进行控制，会使系统的偏差越来越大。自动控制理论主要研究自动控制理论主要研究闭环闭环控制系统控制系统 第1章第37页EXIT开环与闭环系统的比较开环与闭环系统的比较开环控制系统：开环控制系统：1.结构简单经济结构简单经济 2.调试方

33、便调试方便 3.抗干扰能力差，控制精度不高。抗干扰能力差，控制精度不高。闭环控制系统：闭环控制系统：1.系统具有纠正偏差的能力。系统具有纠正偏差的能力。2.抗扰性好，控制精度高。抗扰性好，控制精度高。3.包含元件多，结构复杂，价格高。包含元件多，结构复杂，价格高。4.参数应选择适当参数应选择适当。开环闭环复合控制系统（兼有两者的优点，精度很高）开环闭环复合控制系统（兼有两者的优点，精度很高）2023年年1月月15日日第1章第38页EXIT3.复合控制系统复合控制系统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。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

34、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2023年年1月月15日日第1章第39页EXIT2023年年1月月15日日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1章第40页EXIT例：我们在日常生活中经常遇到的抽水马桶，例：我们在日常生活中经常遇到的抽水马桶，也是一个典型的闭环控制系统。也是一个典型的闭环控制系统。2023年年1月月15日日 自动控制理论主要研究自动控制理论主要研究闭环闭环控制系统控制系统 水箱原来处于一个平衡水箱原来处于一个平衡状态，状态，q1(t)=q2(t)=0。如。如果

35、打开阀门，冲水，冲好果打开阀门，冲水，冲好后关上阀门，后关上阀门，h(t)发生变发生变化，水位下降，化，水位下降，h变大，变大，通过浮子反馈到执行机构。通过浮子反馈到执行机构。机械杠杆带动活塞打开，机械杠杆带动活塞打开，q1(t)变大，使变大，使h 变小，变小，浮子上浮，活塞也上升，浮子上浮，活塞也上升，直至达到新的平衡。直至达到新的平衡。第1章第41页EXIT2023年年1月月15日日原理方框图：原理方框图：这就是负反馈控制系统，检测偏差，然后这就是负反馈控制系统，检测偏差，然后进行调节，使偏差减小，最后直至消除偏差。进行调节，使偏差减小，最后直至消除偏差。按偏差控制。按偏差控制。第1章第4

36、2页EXIT自动控制系统一般原理框图（闭环）自动控制系统一般原理框图（闭环）2023年年1月月15日日控制器控制器执行机构执行机构被控对象被控对象输入信号输入信号给定值给定值偏差偏差-测量变送器测量变送器输出量输出量去掉扰动后的自动控制系统原理图去掉扰动后的自动控制系统原理图第1章第43页EXIT2023年年1月月15日日1.2 1.2 1.2 1.2 自动控制系统的应用实例自动控制系统的应用实例自动控制系统的应用实例自动控制系统的应用实例第1章第44页EXIT2023年年1月月15日日 炉炉温温控控制制系系统统的的理理想想温温度度由由电电压压ur给给出出，热热电电偶偶检检测测箱箱温温输输出出

37、电电压压uf，偏偏差差电电压压ue=ur-uf，经经电电压压和和功功率率放放大大后后控控制制电电机机的的速速度度和和转转向向，从从而而改改变变调调压压器器滑滑动动触触头头的的位位置置，改改变变炉炉温温控控制制系系统统的的外外施电压达到恒定炉温的目的。施电压达到恒定炉温的目的。1.2.1 炉温控制系统炉温控制系统第1章第45页EXIT2023年年1月月15日日 温温度度Tc下下降降，Tc uf ue=ur-uf ua 电电机机向向增增大大调调压压器器输输出出电电压压的的方方向向加加速速旋旋转转Tcuf，直直到到Tc=Tr，ue=0。原原理理：即即当当恒恒温温箱箱内内温温度度偏偏高高时时，使使调调

38、压压器器降降压压，反反之之升升压压，直到温度达到给定值为止。此时偏差电压直到温度达到给定值为止。此时偏差电压ue=0=0，电机停转。，电机停转。炉温自动控制系统方框图炉温自动控制系统方框图放大器放大器电机减速器电机减速器调压器调压器电炉电炉热电偶热电偶+-ufueurTcua给定装置给定装置Tr扰动扰动第1章第46页EXIT2023年年1月月15日日1.2.2 导弹发射架方位控制系统导弹发射架方位控制系统 放大器放大器+_+_+_输入轴输入轴给定装置给定装置反馈装置反馈装置手轮手轮发射架发射架输出轴输出轴导弹发射架方位控制系统原理图导弹发射架方位控制系统原理图随随动动系系统统导弹发射架方位控制

39、系统方块图导弹发射架方位控制系统方块图放大器放大器减速器减速器导导 弹弹发射架发射架ua直直 流流电动机电动机电位器电位器、第1章第47页EXIT2023年年1月月15日日钢铁轧制：轧出厚度一致的高精度铁板轧出厚度一致的高精度铁板（厚度控制，张力控制）（厚度控制，张力控制）1.2.3 钢铁轧制控制系统示例钢铁轧制控制系统示例 第1章第48页EXIT2023年年1月月15日日1.2.3 钢铁轧制计算机控制系统钢铁轧制计算机控制系统 轧钢机计算机控制系统方块图轧钢机计算机控制系统方块图轧钢机计算机控制系统示意图轧钢机计算机控制系统示意图 第1章第49页EXIT2023年年1月月15日日1.2.4

40、函数记录仪函数记录仪 P8ABCD第1章第50页EXIT2023年年1月月15日日写成方块图形式：写成方块图形式：1.2.5 锅炉液位控制系统锅炉液位控制系统 P9第1章第51页EXIT2023年年1月月15日日 n锅炉设备的压力和温度自动保持恒定锅炉设备的压力和温度自动保持恒定n数控机床按照预定的程序自动地切削工件数控机床按照预定的程序自动地切削工件n导弹发射与制导系统，自动地使导弹攻击敌方目标导弹发射与制导系统，自动地使导弹攻击敌方目标n无人驾驶飞机按照预定航迹自动升降和飞行无人驾驶飞机按照预定航迹自动升降和飞行n人造卫星准确地进入预定轨道运行并回收人造卫星准确地进入预定轨道运行并回收 自

41、自动动控控制制技技术术的的应应用用范范围围已已扩扩展展到到生生物物、医医学学、环环境境、经经济济管管理理和和其其它它许许多多社社会会生生活活领领域域中中，自自动动控控制制已已成为现代社会活动中不可缺少的重要组成部分。成为现代社会活动中不可缺少的重要组成部分。第1章第52页EXIT2023年年1月月15日日1.3 1.3 1.3 1.3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类自动控制系统的分类自动控制系统的分类第1章第53页EXIT2023年年1月月15日日自动控制系统的分类自动控制系统的分类下面介绍几种常用的自动控制系统分类方法。下面介绍几种常用的自动控制系统分类方法。1.3.1 按控制方式来分

42、按控制方式来分1.3.2 按描述系统的动态方程分按描述系统的动态方程分1.3.3 按系统参数是否随时间变化而分按系统参数是否随时间变化而分1.3.4 按系统输入信号的变化规律不同来分按系统输入信号的变化规律不同来分1.3.5 按信号的传递是否连续分按信号的传递是否连续分重要重要 第1章第54页EXIT2023年年1月月15日日1.3.1 按控制方式来分按控制方式来分1.开环控制系统开环控制系统2.反馈控制系统反馈控制系统3.复合控制系统复合控制系统第1章第55页EXIT2023年年1月月15日日1）线线性性系系统统：该该类类系系统统的的特特点点在在于于组组成成系系统统的的各各环环节节的的输输入

43、入输输出出特特性性都都是是线线性性的的，系系统统的的性性能能可可用用线线性性微微分分方方程程（或或差分方程）来描述。差分方程）来描述。（满足齐次性与叠加性）（满足齐次性与叠加性）假假设设元元件件输输入入为为r(t)、r1(t)、r2(t)，对对应应的的输输出出为为c(t)、c1(t)、c2(t)：如果如果r(t)=r1(t)+r2(t)时，时，c(t)=c1(t)+c2(t)满足迭加性满足迭加性 如果如果r(t)=ar1(t)时，时，c(t)=ac1(t)满足齐次性满足齐次性w 满足迭加性和齐次性的元件才是线性元件。满足迭加性和齐次性的元件才是线性元件。1.3.2 1.3.2 按描述系统的动态

44、方程分按描述系统的动态方程分按描述系统的动态方程分按描述系统的动态方程分线性微分方程一般形式线性微分方程一般形式线性微分方程一般形式线性微分方程一般形式第1章第56页EXIT2023年年1月月15日日2）非非线线性性系系统统：该该类类系系统统的的特特点点在在于于系系统统中中含含有有一一个个或或多多个个非非线线性性元元件件。系系统统的的性性能能需需用用非非线线性性微微分分方方程程（或或差差分分方程）来描述。方程）来描述。非线性微分方程：非线性微分方程：系系数数与与变变量量有有关关，或或者者方方程程中中含含有有变变量量及及其其导导数数的的高高次次幂或乘积项。幂或乘积项。重要重要 第1章第57页EX

45、IT2023年年1月月15日日常见非线性情况常见非线性情况饱和非线性死区非线性间隙非线性继电器非线性第1章第58页EXIT2023年年1月月15日日注意：注意：在在实实际际中中，绝绝大大多多数数对对象象都都具具有有非非线线性性特特性性，而而大大多多数数仪仪器器仪仪表表也也是是非非线线性性的的，所所以以很很少少有有真真正正意意义义上上线线性性系系统统，一一般般是是采采用用线线性性化化措措施施将将非非线线性性系系统统处处理理成成线线性性系系统统，这这样就可简化分析和运算。样就可简化分析和运算。第1章第59页EXIT2023年年1月月15日日1.定定常常系系统统：特特性性不不随随时时间间变变化化的的

46、系系统统称称定定常常系系统统，又又称称时时不不变变系系统统。描描述述定定常常系系统统特特性性的的微微分分方方程程或或差差分分方方程程的的系系数数不不随随时时间间变变化化。定定常常系系统统分分为为定定常常线线性性系系统统和和定常非线性系统定常非线性系统。2.时时变变系系统统：特特性性随随时时间间变变化化的的系系统统称称时时变变系系统统。对对于于时时变变系系统统，其其输输出出响响应应的的波波形形不不仅仅与与输输入入信信号号波波形形有有关关，而而且且还还与与参参考考输输入入加加入入的的时时刻刻有有关关，这这一一特特点点，增增加加了了对对时时变变系系统统分分析析和和研研究究的的复复杂杂性性。描描述述定

47、定常常系系统统特特性性的的微分方程或差分方程的微分方程或差分方程的系数系数随时间变化，为时间的函数。随时间变化，为时间的函数。1.3.3 1.3.3 按按按按系统参数是否随时间变化而分系统参数是否随时间变化而分系统参数是否随时间变化而分系统参数是否随时间变化而分第1章第60页EXIT2023年年1月月15日日定常：定常：输入一定，输出不变。输入一定，输出不变。（方程系数为常数）（方程系数为常数）时变（不定常）：时变（不定常）：输入一定，输出随时间发生变化。输入一定，输出随时间发生变化。也就是说：也就是说：也就是说：也就是说：重要重要 第1章第61页EXIT2023年年1月月15日日1.恒值调节

48、系统（定值系统）：恒值调节系统（定值系统）：该类系统的输入信号为一恒该类系统的输入信号为一恒定常数，扰动使被控量偏离理想值而出现偏差，利用偏差该定常数，扰动使被控量偏离理想值而出现偏差，利用偏差该系统可使被控量回复到理想值或接近理想值。上述的炉温闭系统可使被控量回复到理想值或接近理想值。上述的炉温闭环控制系统、锅炉水位控制系统均属于此类系统。环控制系统、锅炉水位控制系统均属于此类系统。2.随随动动系系统统：这这类类系系统统的的给给定定量量是是时时间间的的未未知知函函数数，系系统统能能使使被被控控量量准准确确、快快速速地地跟跟随随给给定定量量变变化化。随随动动系系统统又又称称伺伺服服系统系统。如

49、函数记录仪、导弹自动跟踪系统。如函数记录仪、导弹自动跟踪系统。3.程程序序控控制制系系统统：输输入入信信号号为为已已知知的的时时间间函函数数，如如机机械械加加工工中的数控机床工作台移动系统，洗衣机，回流焊加热炉。中的数控机床工作台移动系统，洗衣机，回流焊加热炉。1.3.4 1.3.4 按输入信号的变化规律不同按输入信号的变化规律不同按输入信号的变化规律不同按输入信号的变化规律不同（针对线性定常连续系统）（针对线性定常连续系统）（针对线性定常连续系统）（针对线性定常连续系统）区别？区别？区别？区别？第1章第62页EXIT2023年年1月月15日日1.3.5 1.3.5 按信号的传递是否连续分按信

50、号的传递是否连续分按信号的传递是否连续分按信号的传递是否连续分1.连续系统：连续系统：该类系统各环节间的信号均为时间该类系统各环节间的信号均为时间t的连续函数。的连续函数。2.离离散散系系统统：该该类类系系统统在在信信号号传传递递过过程程中中有有一一处处或或多多处处的的信信号号是是脉脉冲冲序序列列或或数数字字编编码码。数数字字控控制制系系统统、采采样样系系统统为为离离散散系统。系统。采采样样数数字字控控制制系系统统（计计算算机机控控制制系系统统）通通过过A/DA/D转转换换器器，将将采采样样信信号号转转换换为为数数字字信信号号进进行行运运算算、处处理理，得得到到的的结结果果再再经经过过D/AD