1.1.2 人工控制与自动控制
煤气灶上油煎鸡 蛋时的油温控制 自行车速度控制 汽车驾驶 收音机音量调节
电饭煲 空调 抽水马桶 汽轮机转速控 制 导弹飞行控制 声控光控路灯
1.1.3 自动控制学科的特点
应用广泛
小至电子表,大至人造卫星,几乎包括 各个领域. 我院6个专业有4个学“自 控原理”课
日益重要
变 量 时间
例 热电偶测得电势，反映温度
开关量控制系统 系统中变量只有两个状态，0或1， 开或关
变 量
例 全自动洗衣机
时间
八. 按变量的统计特性分类
确定性变量控制系统 系统中的变量被认为是无噪声的 确定性变量
变 量 时间
随机性变量控制系统 系统中的变量被认为是有噪声的 随机性变量
变 量
时间
九. 按控制规律分类
五个字： 五个字：稳、准、快、壮、省 稳：扰动下不发散 准： 与设定值的偏差小 快： 用最少的时间达到要求 壮： 适应宽范围工况 省： 控制能量最省，波动小，效率高
常 规 控 制（PID） ） 智能控制 预测控制 最优控制 自适应控制 鲁棒控制 模糊控制 神经元控制
第五节 控制系统性能分析概论
一.典型试验信号 典型试验信号
阶跃信号 斜坡信号 抛物线信号 脉冲信号 正弦信号
二.系统性能分析方法 系统性能分析方法
动态特性分析 稳态特性分析
阶跃信号（ 阶跃信号（Step Function） ）
很难想象现代生活和生产过程没有自 动控制装置如何能够继续? 你敢让大 型发电机组用人工控制来运行吗? 你 愿意使用不能自动控制温度的电冰箱 吗？
1.1.4 控制科学与工程学科的内 控制科学与工程学科的内涵
控制科学与工程
控制理论与 检测技术与 模式识别与 控制工程 自动化装置 智能系统
系统工程
1.1.5 自动控制理论的基本问题
t 程序控制系统： 程序控制系统： 给定值按条件（时间 或流程）变化 r t
例 金属热处理，化学水处理
四. 按输入输出变量数分类
单变量控制系统 单入--单出 SISO（Single Input Single Output）
例 电加热炉温度控制系统
电流 电加热炉 温度 多变量控制系统 多入--多出 MIMO（Multiple ----）
正弦信号（ 正弦信号（Sine Function） ） r（t）=Asin( ω t + φ )
A -------- 幅值 ω -------- 频率 φ -------- 初相位 r（t）
时间 t
正弦信号为单频率信号，适于测试系统频率特性。
动态特性分析
y（t）= f ( x（t）) y (t ) ------ 输出 x (t ) --------- 输入 动态响应: 系统输出在典型测试信号下随时间变化的特性
1.1.1 控制的含义
控制（CONTROL）----某个主体使某个客体按照 一定的目的动作
主体---人：人工控制； 机器：自动控制 客体---指一件物体，一套装置，一个物化过程，
一个特定系统。
物体--飞船，电炉。（飞船控制） 装置--锅炉，汽机。（锅炉控制） 过程--燃烧，传动。（燃烧控制） 系统--电力，化工，冶金。（电力控制）
日常生活过程中的反馈控制系统例子--例1.2 水箱水位控制
第三节 自动控制系统的组成及方框图
自动控制系统： 控制装置＋受控对象 方框图(方框+箭头+求和圆+线条)：分析系统内各部分 之间关系的图解法． 自动控制系统的组成(如锅炉水位控制系统)：
给定器 SV DV 调节器 MV 执行器 受控过程 被控量PV 被控量PV
控制系统的分析
典型信号下的响应 (阶跃响应,频率特性) 数学模型 (传递函数,状态方程) 性能指标 (稳态误差,超调量)
控制系统的设计
性能要求 (性能指标,约束条件) 控制器的结构和参数设计和整定 性能校核 (计算,仿真,实验)
第二节 反馈控制系统的基本概念
信息反馈-------最基本的自动控制原理 反馈控制系统的中的常用术语：
给定值（参考输入值） 偏差值 控制量 被控量 扰动量(内扰,外扰) 自动控制装置 = 传感器 + 控制器 + 给定器 + 执 行器 受控过程（受控对象） 控制系统 = 受控过程＋控制装置
工业过程中的反馈控制系统例子--例1.1 锅炉汽包水位控制系统 主蒸汽 过热器 变送器 汽包 省煤器 调节器 给水 给水泵 执行器 给水调节阀
调 节 阀
MV
给 水 量
汽 包
实际 水位
-
器
测量水位PV 反馈元件
第四节 自动控制系统的分类
一. 按系统环节连接形式分类
开环控制系统 开环控制系统： 控制系统
设定器 控制器 扰动 被控对象 被控量
闭环控制系统 :
设定器 控制器 被控过程
传感器
开环控制系统举例
220v~ 电 热 丝
调压器 电 位 器
抛物线信号为匀加速信号，适于测试匀加速系统。
脉冲信号（ 脉冲信号（Pulse Function） ）
∞ t=0
理想情况: r（t）= δ ( t ) =
0
r（t） A
t≠0
δ (t) -----单位脉冲函数
实际情况:
h
A/h
时间 0 <= t <= h t
r（t）= 0 t < 0, t > h
du(t) 可用于测试系统抗冲击能力 δ (t) = dt
例 锅炉燃烧控制系统
燃料量 送风量 引风量 工质温度 工质压力 炉膛压力
电站锅炉
五. 按系统特性分类
线性控制系统 输入与输出成正比，可用叠加原理 用线性数学模型描述
位 移
例 弹簧秤（在工作区）
力
非线性控制系统 输入与输出不成正比，不可用 叠加原理 用非线性数学模型描述
位 移
例 弹簧秤（不在工作区）
第一章 绪论
第一节 概论 第二节 反馈控制系统的基本概念 第三节 自动控制系统的组成和方框图 第四节 自动控制系统的分类 第五节 控制系统性能分析概论 第六节 自动控制系统性能要求
第 一 节
1.1.1 控制的含义
概
论
1.1.2 人工控制与自动控制 1.1.3 自动控制学科的特点 1.1.4 自动控制理论的内容 1.1.5 自动控制理论的基本问题
二. 按控制依据信号性质分类
反馈控制系统：
控制器 被控过程

前馈控制系统：
控制器 控制器
被控过程
前馈---反馈 控制系统
控制器 被控过程
三. 按给定值变化规律分类
r 恒值控制系统： 恒值控制系统： 给定值不随时间变化
例 恒温，恒压系统
随动控制系统： 随动控制系统： 给定值按需求随机变化 r
t
例 雷达跟踪， 靠模加工系统
y( t ) x (t ) x y
f(x(t))
t
t
稳态特性分析
y（t = ∞）= f ( x) y (∞) ------稳态输出 x --------- 输入 稳态特性: 平衡状态下系统输出与输入的关系
y y( t ) x 线性 饱和非线性 死区非线性 继电非线性 x (t )
t
第六节 自动控制系统性能要求
t ≥0 t <0
u(t)-----单位阶跃函数
斜坡信号为匀速信号，适于测试匀速系统。
抛物线信号（ 抛物线信号（Parabolic Function） ）
0.5Rt 2 r(t) = 0.5Rt u(t) = 0
2
t ≥0 t <0
u（t）-----单位阶跃函数
r（t） 0.5 R t 2
时间 t
反馈PV 反馈PV 给定值 SV Setpoint-Value 偏差值 DV Deviation-value 操作值 MV Manipulation-Value 过程变量值 PV Process-Value
传感器
例1.3 锅炉水位控制系统
设定 水位
SV
+
偏差 量 调
DV
节 器
控 制 量
执 行 器
调节 位移
力
六. 按变量的时间特性分类
变 连续时间控制系统 量 系统中的变量可随时变化，连续， 不间断
例 重锤式转速控制系统
时间
离散时间控制系统 系统中存在离散变量，它们只在 固定时刻存在和变化
变 量
例 计算机控制系统
时间
七. 按变量的变化特性分类
模拟量控制系统 系统中的变量是反映物理量的模 拟变量，可以是任意数值
闭环控制系统举例
例1.4.3 闭环温度控制系统
调压器
220V~
减速器
M
温度 控 制器
热 电 偶
例1.4.4 闭环转速控制系统
电压放大器 功率放大器 M 负载 测速发电机
闭环控制系统特点: 闭环控制系统特点 1. 有反馈回路; 有反馈回路 2. 结构复杂; 结构复杂 3. 控制精度高,自动纠偏 控制精度高 自动纠偏
R t ≥ 0 r(t) = Ru(t) = 0 t < 0
r（t） R
u(t)-----单位阶跃 函 数
时间
阶跃信号含宽频带谐波分量，产生容易，是最常用系统 性能测试信号。
斜坡信号（ 斜坡信号（Ramp Function） ）
Rt r(t) = Rt u(t) = 0
r（t） Rt t g（φ）=R φ 时间 t
加 热 炉
例1.4.1 开环温度控制系统
功率放大器
M
负载
例1.4.2 开环转速控制系统
开环控制系统特点： 开环控制系统特点： 1. 信号从输入到输出无反馈 单向传递 信号从输入到输出无反馈,单向传递 单向传递. 2. 结构简单 结构简单. 3. 控制精度不高 无法抑制扰动 控制精度不高,无法抑制扰动 无法抑制扰动.