自动控制原理
Automatic Control Theory 刘明俊
国防科技大学出版社
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1. 人类社会发展的三个时代
人力时代
人类主要依靠自身的肌体来完成能量变换和信息变换，但 是人类自身转换的功率和范围都极其有限，纵有九牛二虎之 力，也不能昼夜不停地工作着，因此创造的财富有限，最高 文明只达到封建社会。
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1.2 自动控制系统的工作原理
系统：为了达到某一目的，由一些对象相互作用，相互制 约，组成一个具有一 定运动规律的整体。
控制系统：指能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系 统，由被控对象和控制器构成的整体。
自动控制系统的性能，在很大程度上取决于系统中的控制器 为了产生控制作用而必须接收的信息，这个信息有两个可能 的来源： 1）来自系统外部，即由系统输入端输入的参考输入信号。 2）来自被控对象的输出端，即反映被控对象的行为或状态 的信息。
闭环控制系统框图
输入量
干扰量
控制器
控制对象
输出量 被控量
测量元件
反馈回路
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给定装置
－＋
给定电压
放大器
e
电机
M
减速器
－＋
热电偶 电阻丝
热电偶 输ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ电压
调压器 220～
给定电压 e 放 大 -器
电
减
动
速
机
器
热电偶
调
恒 期望炉温
压
温
器
炉
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工作原理：
当炉内实际温度与给定电位计表征的希望高度 一致时，热电偶输出电压与给定电压相等，电 动机不转动，系统相对平衡。当炉温因扰动出 现偏差时（如炉温低于希望值），偏差电压经 放大后驱动电动机转动，将调压器电刷向上移 动，使电阻丝两端电压增大，从而使炉温升高， 趋于希望值。
负反馈 比较元件
放大元件 —
执行机构
反馈校正元件
被控量 被控对象
测量元件
图1.5 闭环控系统基本组成
用“○”号代表比较元件，“—”号代表两者符号相反。
信号沿箭头方向从输入端到达输出端的传输通路称前向通
路；系统输出量经测量装置反馈到输入端的传输通路称主
反馈通路。前向通路与主反馈通路共同构成主回路。此外，
系统稳定性包括两个方面的含义。 （1）系统稳定，称为绝对稳定，即通常所说的稳定性。 （2）输出响应振荡的强烈程度，称为相对稳定性。 例如系统是绝对稳定的，但是在阶跃信号作用下，响应振荡 很强烈，而且振荡的衰减很慢，则该系统虽然属于稳定系统， 但相对稳定性差。
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过渡过程性能（快速性要求）：系统受到短暂的扰动
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开环控制系统 Open-loop Control System
◆定义：系统的控制输入量不受输出量影响的控制系统 ◆特点：系统的输出量与输入量间不存在反馈的通道，
这种控制方式称为开环控制 在开环控制系统中，不需要对输出量进行测量，也不 需要将输出量反馈到系统输入端与输入量进行比较。因此， 开环控制系统又称无反馈控制系统。
输入量
控制器
对象或过程
输出量 （被控量）
图1.1 开环控制系统方块图 13 （按输入量控制方式）
+
u0 +
++
功率
n
SM 负载
放大 ua
图1-2电动机速度控制系统
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•前馈控制(开环)
+
ug
+ u- i
udo R
放大 器
i
(a) 原理图
M 负载
ui
n
ug
给定信号
电压 放大
触发 器
(参考输入量)
机械化时代
当蒸汽机、发电机出现之后，既使用九牛二虎也不够形容 一台电动机之巨大威力了，而且可以不间断地保持着“精力 充沛”的状态工作着。人类的“力气”不知被放大多少亿倍！ 人类的力臂不知不觉被延长到几千公里之外！物质丰富了， 农民被改造成为工人，进入资本主义社会。
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自动化时代 在这个时代中，不仅能量变换、而且信息变
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把从被控对象输出端获得的信息通过中间环节（称为 反馈环节）再送回控制器的输入端的过程，称为反馈。 传送反馈信息的载体，称为反馈信号。是否采用反馈， 对控制系统的各个指标（即稳定性、快速性、准确性） 影响很大。
按控制方式
开环控制 闭环控制 （反馈控制） 复合控制
按对象方式
运动控制 （电机调速、机器人） 过程控制 （锅炉过程、化工过程）
换都由机器来完成，在人类活动所见的空间， 只要需要用“力”的地方，都会给它配上一个 小的脑袋－－单片机或微处理器之类的小脑袋。 不仅工业生产自动化了，农业生产、家务劳动、 交通运输、人居环境……凡是已知的规律，都 可以用自动化技术来完成。
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2．自动控制原理课程性质与地位
自动控制原理（自动控制理论 自动调节原理 反馈 控制理论，简称自控）是研究自动控制系统的共同规 律的技术科学。它是一门技术基础理论课，主要研究 自动控制系统的组成、分析和设计的理论。
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反馈在系统可以分正反馈和负反馈
负反馈主要通过输入、输出之间的差值作用于系统的其他部 分。这个差值反映了我们要求的输出和实际的输出之间的差别。 控制器的控制策略是不停减小这个差值，以使差值变小。例如， 人打算拿桌上的盒子。目测距离，确定方向，移动，不断测距 离，脑判断以消除偏差
正反馈在自动控制系统中主要是用来对小的变化进行放大， 从而可以使系统在一个稳定的状态下工作。而且正反馈可以与 负反馈配合使用，以使系统的性能更优。 例如，铀－235在中 子轰击下，通常会产生两个中等质子数的核，并放出2－3个中 子和大量能量。放出的中子有的则继续引起重核裂变。这样就 会使系统中的作用越来越剧烈。所以一般在核反应堆中通过控 制反应堆中铅棒与反应物接触的面积来控制核反应的剧烈程度21
蒸汽
温度计
热水
冷水 排水
热力系统的人工反馈控制
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热力系统的自动反馈控制
自动控制器
温度测 量装置
热水
控制阀 蒸汽 冷水
排水 热力系统的自动反馈控制
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闭环控制的优缺点
优点： 抑制干扰能力强 对参数变化不敏感 能获得满意的动态特性和控制精度
缺点： 增加了系统的复杂性，如果参数选取 不恰当，系统可能会振荡。
大一 公共基础课：英语 数学 物理 政治 大二 技术基础课：电路 电子 电机 计算机编程 大三 专业基础课：自控 供电 微机 电力电子技术 大四 专业课、设计：调速 计算机控制 毕业设计 自动控制原理是电气工程及其自动化专业的主干课 程，也是信电学院平台课程。同时也是一些硕士点考
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研必修课。
3．课程学时安排
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第一章 绪 论
1-1 自动控制的基本概念 1-2 自动控制系统工作原理 1-3 闭环控制系统的基本组成 1-4 自动控制系统的基本要求 1-5 自动控制系统的分类 1-6 控制系统举例 1-7 自动控制理论的发展史 1-8 控制系统的计算机辅助设计
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1.1 自动控制的基本概念
应用领域：冰箱、空调、洗衣机、电梯、汽车、电厂锅炉、 酿酒过程、航空航天等各种机器或生产过程控制以及军事 领域。
干扰量
输入量
控制器
控制对象
输出量 被控量
测量元件
反馈回路
图1.3 干扰补偿的复合控制系统方块图
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按输入前馈补偿的复合控制
前馈补偿
干扰量
输入量
控制器
控制对象
输出量 被控量
测量元件
反馈回路
图1.4 输入补偿的复合控制系统方块图
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1.3 闭环控制系统的基本组成
给定装置
输入量
串联校正
— （补偿）元件
电阻 R
晶阐管可 控整流器
扰动
i
电动 n
机 被控量
(b) 方块图
（按扰动量控制方式）
这种控制方式的前提条件：是干扰能够被测量 应用：交通红绿灯、自动洗衣机、生产流水线
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闭环（反馈）控制系统 Closed-loop Control System
闭环控制系统又称反馈控制系统，是应用最广泛的 控制方式。
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1-4 自动控制系统的基本要求
自动控制系统性能的基本要求（三个方面） 稳定性（先决条件）
系统受到短暂的扰动后其运动性能从偏差平衡点恢复到 原来平衡状态的能力。一切自动控制系统必须满足的最基本 要求。由系统的结构参数决定与外界因素无关。
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稳定的控制系统在阶跃信号或扰动信号的作用下，其 响应的暂态过程应该是收敛的。如果系统设计不当，则在阶 跃信号下或扰动信号的作用下，相应的幅值振荡可能成为等 幅振荡，甚至成为振幅逐渐增大的发散振荡，发生这种情况 的系统称为不稳定系统。
第六章 控制系统补偿与综合
8学时
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10学时5个实验，各班课代表去联系。 联系方式：汪宁老师 实验内容：
1.典型环节（比例、积分、惯性）测试 2.二阶系统单位阶跃响应及性能指标 3.高阶系统阶跃响应、根轨迹图绘制 4.频率特性（Nyquist图、Bode图）绘制 5.校正环节特性及系统阶跃响应
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4．成绩评定
后其运动性能从偏差平衡点恢复到原来平衡状态的能力，由 系统的结构参数决定与外界因素无关。
描述过渡过程性能可以用平稳性和快速性加以衡量， 一般称为动态性能。如：上升时间、峰值时间、调整时间、 超调量。
上课时间：一共14周，每周2次
星期一 1～2 星期三 3～4
答疑时间、地点：待定
一共64学时，讲课52学时， 习题2学时，实验10学时
讲课地点：教一南408，402
每章学时安排：
第一章 绪论
3学时