自动控制原理
• 主讲：电信学部控制科学与控制工程学院
•
潘学军
• 课时：64学时
• 课程性质：必修课
• 助课
• 参考书：自动控制原理 孟华
•
机械工业出版社
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第一章 控制系统导论
§1-1 概述 §1-2 自动控制的基本方式 §1-3 自动控制系统中的常用术语 §1-4 自动控制系统的分类 §1-5 对控制系统的基本要求 §1-6 本门课程的主要内容
• 经典控制理论
研究对象：单输入、单输出系统 数学模型与工具：微分方程→传递函数 研究内容：确定模型，系统分析，系统设计
• 现代控制理论
研究对象：多输入、多输出系统 数学模型与工具：状态方程→传递矩阵 研究内容：最优控制，系统辨识，自适应控制
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§1-2 自动控制的基本方式
一、自动控制系统组成
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§1-1 概述
机器、设备 或生产过程
• 自动控制---在没有人直接参与的情况下，
通过控制器使被控对象的某 一
物理量（或工作状态）自动 地 • 自动控制原理按--照-自预动定控的制规技律术运的行基。础理论。
• 自动控制系统--- 为实现控制目的，由相互制
约的各部分按一定规律组成 的
具精品有课件 特定功能的整体。
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闭环控制的缺点：
1）结构复杂、成本高； 2）由于反馈的存在，使控制系统可能出现“振
荡”。
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3.复合控制
补偿装置
干扰
给定值 比较、计算 执行
受控对象
被控量
测量
闭环控制与补偿控制相结合 在闭环基础上增加一个干扰的补偿控制， 提高系统抗干扰能力。
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人反 测工馈量职控能制图应具备三条观察基本功能：干扰
预比期较目标分分析析决策
执行 工作对象
执行
参与控制的信号来自观察三条通道：
实际结果
给定值，干扰和被控量
自动控制方框图
干扰
测量
给定值 比较、计算
执行
被控对象 被控量
测量
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三、自动控制系统示例
（一）温度控制系统
热电偶
指定电位计 u r
uT
<
T
工件
u
V
u0
煤气
电动机 阀门
烘炉
混 合 器
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空气
r 电位计式桥路 u s
给定值
〉 u a 电动机构 工作机械
（执行、对象）
被控量 c
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（三）液位自动控制系统
液位控制系统
控制器
Q1
浮子
c
用水开关
Q2
电位器
减速器
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电动机
SM
if
§1-3 自动控制系统中的常用术语
扰动
比较环节
n
参考输入
偏差 控制环节 控制量 被控对象
e
Gc
u
G0
输出 c
主反馈 b
反馈环节 H
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§1-4 自动控制系统的分类
一、按输入信号特征分类 （1）恒值控制系统（或定值控制系统） （2）程序输控入制信系号统是一个恒定的数值。 （3何）克主随服要动输这研入系些究信统干各号（扰种是伺，干一使服扰个输对系已出系统知量统的）尽输时量出间保的函持影数在响，所以系设及定如
烘炉温度控制系统功能方框图
（计算）
ur
比较线路
（给定指令）
uT
u 放大器 u a
放大器
工件 环温
电动机
烘炉 T（被控量）
（对象）
热电偶
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（二）位置随动系统
原理图：
r电位计ur源自uc工作机械c
〉 u s
ua
m
ia
电动机
方框图控：制任务步：转使动工，作即机θc构(t跟)=随θ指r(t令)干机扰构力同矩
• 按I/O信号数量分：SI/SO , MI/MO • 按控制系统功能分：温度控制系统，速度控
制系统，位置控制系统
• 按系统元件组成分：机电系统，生物系统
，液压系统
• 按不同的控制理论分支设计的新型 控制系统分：最优控制系统，自适应控制系
热力系统自动控制流程图
人工控制
自动控制系统方框图
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系统组成：
• 被控对象 • 测量元件 • 控制装置 • 执行机构
二 、控制的基本方式 1.开环控制
开环控制之一：按给定值操作
干扰
给定值 计算
执行
被控量 被控对象
• 信号由给定值至被控量单向传递； • 抗干扰能力差，不能保证控制精度。
用于自动化流水线控制，如包装机等
统量的输的 能给出控 迅定量制 速值跟过 准上随输程 确。给入按地定信预复量号定现变是的给化一程定。个序量未进。知行函，数要，求要被求控
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二、按描述系统的数学模型不同分类
线1性.线系性统系—统可和用非线线性性微系分统方程或差分方程描述。
2.定线常性系统系和统时重变要系特统性—叠加性,均匀性 非定时非线常 变方线线性系 系程性性统 统系或系系： ；统差统统参 参分—特中数数方y描点各不是程述元—随时。系件时间统特间t的系性的变运数均函化动为随数方直变程线量为，大非y如小线性而微变分化
现代控制理论
20世纪60年代现代控制理论Modern control theory”以状 态空间法为基础，主要研究多输入多输出、时变、非线性控 制系统的分析和设计问题。
大系统理论
20世纪70年代, 自适应控制理论、鲁棒控制；主要处 理动态、多输入多输出、结精构品课复件 杂的系统
经典控制理论与现代控制理论比较：
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开环控制之二：按干扰补偿
测量
计算
执行
干扰 被控量
被控对象
干扰经测量、计算、执行至被控量单向传递 测量的是干扰，利用干扰产生控制作用，以补偿干
扰的影响
用于机械加工的恒速控制等
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2.闭环控制
闭环控制也称反馈控制，或按偏差调节。
干扰
给定值 比较、计算 执行
被控对象 被控量
测量
系统输出对控制作用 • 测量的是被控量；有直接影响--闭环系 • 只要被控量出现偏差统，系统就自动纠偏； • 控制精度高。
不满足叠加原理
o
x
ox
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三、按系统传输信号的性质分类
1、连续系统
▪系统中各元件x的(t) 输入量和输出量均为时间t
的连续函数；
tn
▪运动规律可用微o分方t1 t程2 t描3 t述4 。
t
2、离散系统
▪系统中只要有一个地方的信号是脉冲序列 或数字编码；
▪运动规律可用差分方程描述。
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其它分类方法
自动控制的发展简史
经典控制理论
20世纪40年代“经典控制理论(Classical control theory)” 正式诞生，代表作是维纳（Wiener）1948年发表的《控制 论》（Cybernetics or Control and Communication in the Animal and Machine）。经典控制理论以传递函数为 数学工具，研究对象主要是单输入单输出线性的一类自动控 制系统