三、线性控制系统和非线性控制系统
▲可用线性微分方程或差分方程描述的系统，称为线 性系统。
线性系统特性
叠加性 齐次性（均匀性）
如果微分方程或差分方程的系数为常数，则称为线 性定常数系统；否则，称为线性时变系统。
▲用非线性方程描述的系统，称为非线性系统。
1Hale Waihona Puke 5 对控制系统的基本要求控制系统应用于不同场合，对它有不同 的性能要求。但从控制工程的角度来看，却 有一些共同的标准。常见的评价系统优劣的 性能指标基本有三个方面：稳、快、准。
中国明代宋应星所著 《天工开物》记载有程序 控制思想的提花织机结构 图 (1637年)
中国马钧研制出用齿 轮传动的自动指示方 向的指南车 (235年)
英国 J. Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度 (1788 年)
钱学森的《工程控制论》( Engineering Cybernetics) (1954)
○同一个系统，稳、快、准是相互制约的。 ○提高快速性，可能会引起系统强烈振动。 ○改善了平稳性，控制过程又可能很迟缓，甚 至精度也会变差。 ○分析和解决这些矛盾，将是本学科讨论的重 要内容。
1-5 自动控制系统的发展简史
●经典控制理论（19世纪初）
时域法； 复域法（根轨迹）； 频域法
●现代控制理论（20世纪50年代）
• 本课程学习要求 学会分析、解决工程问题的基本思路和方法
第一章 自动控制系统的基本概念
1-1 引言 1-2 自动控制的基本方式 1-3 自动控制系统的组成 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 自动控制系统的发展简史
1-1 引言
自动控制理论是一个什么样的课程？
德国V-2飞弹 1942
年年底进行了试验，44 年使用。这种飞弹长14 米，射程为300公里， 可携带950公斤炸药， 飞行高度为9.6万米， 飞行速度 5800公里/小 时，发射后一分钟便可 燃烧掉4吨乙烷和5吨液 态氧。它是最早用电磁 制导系统控制的武器， 不易被侦探，可达到突 然袭击的效果。
n
输出量
执行机构 被控对象
no
检测装置
ug输入量 uf
控制器
闭环控制特点：
干扰
执行机构
n
被控对象
输出量
no
检测装置
★通过检测装置构成的反馈通道将输出量送回输入端，与给定信号进
★系统具有抗干扰能力，能实现高精度控制
★因系统按偏差调节，有时间延迟，输出量的偏离不能立即得到修正
应用：对系统有精度要求时广泛采用反馈控制是最基本的闭 环控制方式。
自动控制
控制器
执行机构
阀门
进水口
水 箱
自动控制过程归纳：
▲传感器代替眼看测量出实 际水位高度并反馈到控制器
▲在控制器中将实际水位与 传 感 器 设定水位进行比较得出偏差 给 定 水 位 值，对偏差信号进行放大送
阀 门 到执行器
出 水 口 ▲执行器执行开关阀门动作
共同特点：通过检测被控量，得到与给定值
举例说明自动控制的概念
例：人工控制与自动控制：水箱水位控制问题
人工控制
人工控制过程归纳：
手
阀门
大脑
▲用眼观察水位，目测出实 际水位高度并反馈到大脑中
（测量过程）
进水口
水 箱
眼 ▲在脑中与要求水位进行比 给 定 水 位 较，得出偏差大小，决定手
阀 门 的操作动作（决策过程）
出 水 口 ▲手执行大脑决定的动作， 打开或关闭法门（执行过程）
一种过渡过程是收敛的，即过渡过程结 束后，系统又趋于平衡状态，这类系统称 为稳定的；
另一种过渡过程是发散的，这类系统称为 不稳定的；
等幅振荡也被认为是不稳定的。
显然，系统稳定是保证系统能正常工作的 首要条件。
二、快速性
通快过速动性态表过明程了时系间统输长出短对表输征入。响时应间 越的短快，慢表程明度快速性越好，反之亦然。
线性控制 自适应控制 最优控制 鲁棒控制 最佳估计 容错控制 系统识别 集散控制
大系统复杂系统
●智能控制理论（20世纪70年代）
专家控制 模糊控制 神经网络 遗传算法
自动控制的发展简史
1400——1900 工业机器时 代
亚历山大的希罗发明开闭 庙门和分发圣水等自动装 置 (100年) 。
中国张衡发明水运浑象， 研制出自动测量地震的候 风地动仪 (132年)。
石油化学工业中的反应塔。
3.伺服系统又称随动系统
▲系统输入量随时间任意变化。系统输出量常是 机械位移、速度、加速度、力、力矩等机械量。 ▲系统的基本任务是使系统输出量能快速、准确 地跟随输入量变化。 ▲机械加工中的仿形机床。
武器装备中的火炮自动瞄准系统、雷达跟踪 系统、导弹目标自动跟踪系统
二、连续控制系统和离散控制系统
r(t) c(t) c1(t)
r(t)
c2(t)
0
t
三、准确性
由输入给定值与输出响应的终值之
间的差值ess大小表征。
r(t)
c(t) c(t)
ess
r(t)
0
t
过渡过程结束后，输出量的希望值与实际值之差。
数控机床的加工误差小于0.02mm。
一般恒速、恒温控制系统的稳态误差都在给定值 的1%以内。
例 转速负反馈直流电动机调速系统
给系定统电组压成：
反直馈流电电压机
测e=速U发n-U电f 机
Un
于与电大给反转源装定馈速和置电电取放压压决
Uf
的差负值载。
直流电机闭环调速系统
+U
电 ug
位 器
电压 放大
功率 放大器
电动机
n
M
生产机械 其他部件
ug输入量 uf
+
uf
TG 测 速 发 电 机
控制器
干扰
执行机构
阀门
进水口
水 箱
控制器
传感器 给定水位
阀门
出水口
·控制装置
控制器+执行器+传感 器 ·被控对象
水箱（水位是被控量）
工 指令 作 原 理
控制装置
控制器 执行机构
干扰
输出量
被控对象
检 测 装 置 被控对象
一、开环控制
控制装置与受控对象之间只有顺向作用而无反向联系.
例 转台速度开环控制系统
系统组成： 由转图被台可控见制电：量机速度 没电有源反馈和到放输入 端与大给装定置信号比 较统速。,为度开设环置控制系
▲控制系统中各部分的信号若都是时间 t 的连续函数， 则称这类系统为连续控制系统。
▲在控制系统各部分的信号中只要有一个是时间 t 的离 散信号，则称这种系统为离散控制系统。
脉冲和数码都属于离散信号。
计算机控制系统就是一种常见的离散控制系统。
计算机只能接受和处理数字信号，计算机的输出 经D/A转换加给放大器，然后再去驱动执行元件， 或由计算机直接输出数字信号，经数字放大器后 驱动数字式执行元件。
检测装置
检测出干扰量，通过补偿装置对输入信号 进行补偿以抵消干扰对系统输出量的影响
应用：增强系统的抗干扰能力
1-3顺自着动从控输入制到系输统出的的组信成号传递方向走
出的通道称为前向通道
干扰
给定 环节
串联校正
放大环节
执行机构
输出量 被控对象
反馈
测设出应改的串输量希的定输进偏差统将串善联入环值被望输与入行差信希系改 法联系在端节之控将值入系信与比号望统善调统系，，校连间参局相统指输较描值号的局整正性统又接因将号之机典的数称部对令输出，述与，将入实部局能的称输为进达微构型误的反输之 产 了 实该（输际环 部入行 到小 的闭差传称馈出间 生 系 际偏局出输节 信称与控的 能放环感校为送部（出性 号为系制偏 量大检系器正局回输局反测能 达主统执，差 要校统反与部（到装入部馈正的 到反输行信 求执 驱使结馈测置或反局装）输到装校馈出行动构通量置并馈部动的出输置正通的控被框道电通联输力通）入，的道反控制图路校道入设道送端用目馈被 或 需 的 被要 自 的对任，正的备被回反的通控过参控要求动过设象务它）通称到馈，道设程数参控实控程备的，道为输的所被备中即数制现制或被方以
1-4 自动控制系统的分类
可以从不同角度对控制系统进行分类：
●按系统结构分，开环 / 闭环控制系统 ●按输入量形式分，恒值 / 随动控制系统 ●按信号传递形式分，连续 / 离散控制系统 ●按系统是否满足叠加性分，线性 / 非线性控 制系统 ●按系统执行装置分，机电 / 液压 / 气压控制 系统等
自动控制原理
讲授 张曙光
河北农业大学 机电工程学院
该课程的学习方法与要求
——了解课程特点明确学习方法与要求
课程重要性
☆《自动控制原理》是工科的技术基础课，
该课程与其它课程的关系——承上启下的课
程
信号与系统
电路理论
复变函数 拉氏变换模拟电子技术
电机与拖动
线性代数
大学物理 自动控制理论
微积分
各类 专业课
二战时期的航空母舰和飞机
美国 MIT研制出第一台数控机床 (1952)
美国研制出第一台工业机器人样机 (1954)
计算机集成制造的概念(1969)
由加工中心 和工业机器 人组成的柔 性制造单元 (1976)
中国批准 863高技术计划，包括自动化领域的计算机集成 制造系统和智能机器人两个主题 (1986)
输入量
控制器
执行机构
干扰 输出量
被控对象
开环控制特点：
★系统的输出与输入之间没有反馈通道，输出量没有与输 ★系统没有抗干扰能力 ★结构简单，所用的元器件少、成本低
应用：多用于系统结构参数稳定和干扰较小的场合。 如：自动化流水线、自动洗衣机