2017/3/27 第一章 绪论
1.1 自动控制系统的构成 二、自动控制系统的组成
• 简 单 的 水 箱 液 位 控 制
2017/3/27
第一章 绪论
水箱液位自动控制系统
2017/3/27
第一章 绪论
飞机示意图
反馈电位器
给定电位器
2017/3/27 第一章 绪论
飞机方块图
θ0
扰动
给 定 装 置
机床电机速度控制 雷达天线位置随动控 制 温度控制 压力控制 液位控制 汽车恒速行驶控制 卫星姿态控制 机器人运动控制
确定性系统与随机系统
• 确定性系统 系统的模型、参数、输入信号均为已知，输 出可以用数学方法加以准确地确定。 确定性系统可以用微分方程、差分方程、传 递函数等数学工具进行描述。 • 随机系统 系统输入信号具有随机性或输出测量具有随 机干扰时，对应系统称为随机系统。随机系统的 控制需要更多的数学工具，理论十分复杂。 • 本课程仅研究确定性系统
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第一章 绪论
国民收入经济运行反馈系统的简化框图
2017/3/27 第一章 绪论
1.3 自动控制系统的分类
• • • • • 开环控制系统与闭环控制系统 确定性系统与随机系统 连续系统与离散系统 线性系统和非线性系统 两类典型的反馈系统
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第一章 绪论
开环控制系统与闭环控制系统
自动控制原理
授课教师： 刘小河 2014年3月
2017/3/27 第一章 绪论
控制理论所要解决的主要问题
1
系统建模（实际问题抽象，数学描述）
2
3 4
系统分析 （稳定性， 动/静态性能）
系统综合
（方案选择，设计)
系统验证（数字仿真，半实物/实物仿真）
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第一章 绪论
控制理论是应用基础理论
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任课教师简介
• 研究方向：非线性系统控制，自适应控制与鲁棒 控制 • 主要学术成果 专著5部（独立编写3部），主编教材1部，主审教 材1部，参编教学参考书1部 发表论文100余篇，EI等检索近40篇 主持国家自然科学基金、北京市自然科学基金重 点项目、省部级项目及其他各类项目10余项，获 国家教学成果1等奖1项，省级教学成果1等奖2项， 科技进步奖3项，优秀论文、优秀教材奖多项
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第 1章
绪论
1.1 自动控制系统的构成 1.2 典型自动控制系统示例 1.3 自动控制系统的分类 1.4 自动控制系统的基本性能要求 1.5 自动控制理论研究的内容和方法
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第一章 绪论
• 自动控制技术在工业、国防和科学技术领域都起 着十分重要的作用 • 航空航天领域：卫星、飞船、飞机必须应用自动 控制系统保障系统的正常运行 • 国防领域：导弹制导系统、雷达跟踪系统、火炮 控制系统等大量应用自动控制技术 • 工业生产过程：对压力、流量、温度、化学成分 等的控制 • 电气装置：对电机转速、机械位移、电参量（电 压、电流、功率等）进行控制，以达到相应要求， 或保障系统正常运行。
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第一章 绪论
开环控制系统与闭环控制系统
2.
•
闭环控制系统
按负反馈原理组成的闭环控制系统才是真正意义上的自动控 制系统，反馈控制是自动控制最基本的形式，自动控制理论主要 就是围绕反馈控制来研究自动控制系统的。 • 优点：可以消除前向通道中各种扰动带来的影响，精度高， 动态响应好 • 缺点：系统参数设置不当时，会产生震荡或不稳定
2017/3/27 第一章 绪论
连续——离散控制系统
• 采样控制系统（数字控制系统） 工业过程中，被控对象通常是连续的，绝大多 控制系统的被控量是连续时间信号。 计算机等数字运算装置只能处理数字信号 为了用计算机进行控制，需要将一些信号转换 为离散的数字信号，采用计算机进行处理后，再 转换为连续信号进行控制，这样的系统称为采样 控制系统。 采样控制系统具有控制精度高、抗干扰能力 强、能实现复杂控制（如最优控制）等优点。
控制性能要求比较低或 扰动对系统性能影响不 大的场合。
闭环控制 通过测量装置将输 出信号传递到输入 端与期望信号进行 比较，得到偏差信 号作用于控制器， 产生控制信号使得 偏差朝着减小的趋 势变化，使系统的 运动趋于预定的目 标（例如趋于稳定 状态）。 2017/3/27
优点：通过设计控制器，可 使系统具有满意的动态 及稳态性能。可以减少 或部分消除各类干扰的 影响。可以减小系统参 数变化所造成的影响。 缺点：增加了系统的复杂度 ，提高了系统的成本。 可能造成系统的稳定性 问题。 应用场合：广泛应用于各种 具有较高的动态及稳态 性能指标的自动控制系 第一章 绪论 统
2017/3/27 第一章 绪论
连续系统与离散系统
• 连续系统 系统的模型可以由微分方程描述，输入、 输出信号均为时间的连续函数。 水位控制系统、电机调速控制系统等均 为连续系统。本课主要研究连续系统。 • 离散系统 离散系统的数学模型用差分方程描述， 输入、输出信号为离散信号。例如经济系 统可能为一个离散系统。
• 开环控制和闭环控制是按信号的传递路径来区 分的两种不同的控制形式。 1. 开环控制
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第一章 绪论
开环控制系统与闭环控制系统
2. 闭环控制系统
• 电动机的控制是闭环控制系统的典型例子
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第一章 绪论
开环控制系统与闭环控制系统
2.
•
闭环控制系统
自动控制最基本的形式，将被控量测量出来， 反馈至控制系统的输入端与给定信号进行比较得 出偏差信号，然后根据偏差对被控对象实施有效 控制，达到消除或减少偏差的目的。
第一章 绪论
小结
• 自动控制系统：由控制对象和控制装置按 一定方式连接起来，完成一定的控制任务 的总体的统称 自动控制系统应能克服各种扰动，使被 控量按给定的要求而变化（通常用一定的 性能指标来衡量） • 自动控制理论的任务：为满足一定的控制 要求，对控制系统，建立数学模型，对系 统的性能进行分析，进行控制器的设计
课程基本情况
• 作业：每章交1～2次 • 教师：刘小河 教授 (liuxiaohe551026@, 82427153, 教一楼318） • 辅导：研究生 • 成绩：阶段小测验 20% • 实验 10% • 平时 10% • 期末考试（笔试闭卷）60%
2017/3/27 第一章 绪论
关于学习的几点建议
典型例子 电机顺序启动控制 步进电机开环控制 自动门的开启控制 交通信号的顺序控制 广告灯的顺序控制 电饭锅的顺序控制
控制器的控制作用 优点：控制系统的设计、实 现比较简单。 由系统的给定输入 决定，经过执行机 缺点：当外界扰动或参数变 化而造成输出量偏离预 构控制被控对象， 期的目标时，对于这种 系统的输出不影响 偏差没有调节的能力。 控制作用。 应用场合：一般应用于动态
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第一章 绪论
课程基本情况
• 实验：模拟实验
• • • • • 实验1 实验2 实验3 实验4 实验5 典型环节模拟研究 二阶系统的瞬态响应研究 线性系统的稳定性研究 控制系统频率特性研究 控制系统的基本控制规律研究 2学时 2学时 2学时 2学时 2学时
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第一章 绪论
2017/3/27 第一章 绪论
任课教师简介
• 刘小河，工学博士，教授，博士生导师（北京交 通大学） • 2006-2013年任教育部教学指导委员会自动化分 委员会委员，中国自动化学会应用委员会委员， 中国高等学校研究会自动化学科委员会委员，中 国电子高教学会理事，北京市人工智能学会理事 • 北京信息科技大学学术委员会委员，北京信息科 技大学学报编委，北京信息科技大学自动化学院 院长，院学术委员会主任，学位分委员会主席， 控制科学与工程一级学科（校引领学科）带头人， 控制理论与控制工程学科（北京市重点建设学科） 学科带头人
放 大 器
舵 机
飞 机
θc
反馈电 位器 垂直 陀螺仪
2017/3/27 第一章 绪论 俯仰角控制系统方块图
典型的闭环自动控制系统的组成：
(1)被控对象 控制系统所要控制的设备或过程 (2)给定环节 产生给定输入信号的环节 (3)测量环节 随时将被控制量检测出来的装置 (4)比较环节 其功能是将给定的输入信号（被控制量的希 望值）与测量环节得到的被控制量实际值加以比较 (5)控制环节 它的功能是根据偏差信号，决策如何去操作 被控对象，实现被控量达到所希望的目标 (6)执行环节 按控制环节的控制决策，具体实施对控制对 象的操作
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第一章 绪论
反馈的作用
• 将输出量通过一定的测量装置将输出信号传递到 输入端与期望信号进行比较的方式称为反馈 • 正反馈和负反馈 • 反馈的基本作用依据偏差对系统施加影响，以使 偏差朝减小的方向演化。 • 可以通过设计控制器，使闭环控制系统具有满意 的动态性能。 • 反馈使系统在某些被控对象发生参数漂移情况下 仍然可以保持一定的控制目标。 • 当系统存在干扰时，反馈可以减少或部分消除干 扰的影响。 2017/3/27
2017/3/27
第一章 绪论
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1.1 自动控制系统的构成
一、名词解释
过程 — 任何一个（可被控制的）具有一系列逐渐变化的 运行状态的客观对象称为过程。如：化学过程、冶炼过程、 电机启动过程、生态过程等 系统 — 由若干个相互关联、互相作用的客体按一定规 律组合而成的具有特定功能的整体的对象统称。 自动控制 — 在没有人的参与下，利用控制（及检测）装 置使过程（或对象）自动按事先预定规律运行或使某些参 数按预定要求变化 自动控制系统 —是指能够实现“自动化”任务的设备， 它是人造系统，而且是工程技术领域的人造系统。自动控 制系统通常由控制部分和控制对象组成。