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第一章 绪论

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学习要求

基本内容：概述：自动控制、自动控制系统的概念，自动控制系

统的两种基本形式（开环控制与闭环控制）。自动控制系统的组成和分类。自动控制理论发展简况：反馈控制理论的研究对象和方

法。自动控制理论的研究内容：系统分析和系统设计，对自

动控制系统的基本要求。

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教学要求：

使学生对古典反馈控制的基本理论和方法有一全面、整体的了解。

了解自动控制理论发展简况及反馈控制理论的研究对象和方法。

掌握自动控制系统的基本概念、术语，了解自动控制系统的组成和分类，及对自动控制系统稳、准、快三方面的基本要求。

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第一节 自动控制的基本概念

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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

人工控制

自动控制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

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自动控制的定义

在没有人直接参与下，利用控制装置，使被控对象的被控制量自动的按照预定规律变化。

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自动控制学科的特点

1.理论性、实践性强；2.应用广泛；

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自动控制理论的内容

经典控制理论(19世纪中叶--20世纪50年代)

线性

非线性

根轨迹法频域法时域法

波波夫法李雅普诺夫法描述函数法相平面法

离散 Z变换法

现代控制理论(60年代以

来)

状态反馈控制最优控制智能控制预测控制自适应控制模糊控制大系统多层分散控制

自动控制理论

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自动控制理论基本问题控制系统的分析

典型信号的响应 (阶跃响应,频率特性)系统的数学模型 (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 (系统性能,约束条件)：你想要得到什么样的系统，达到什么样的指标控制器的结构和参数设计和整定性能校核 (计算,仿真,实验)：系统的实现和分析

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第二节 自动控制中的两种控制方式

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开环控制系统举例

功率放大器 负载

电位器

M

例1.4.2 开环转速控制系统

电位器 放大器 电动机及负载

扰动

转速

开环控制系统特点：1. 信号从输入到输出无反馈,单向传递. 2. 结构简单.3. 控制精度不高,无法抑制扰动.

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闭环控制系统举例

例1.4.4 闭环转速控制系统

电压放大器 功率放大器 测速发电机

负载M

电位器 电动机及负载

传感器（测速发电机）

放大器

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闭环控制系统特点:

1. 有反馈回路; 2. 结构相对复杂; 3. 控制精度高,自动纠偏

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第三节 自动控制系统组成及方框图

自动控制系统的实现：控制装置＋受控对象

自动控制系统的图示：方框图(方框+箭头+求和圆+线条)，用于分析系统内各部分之间关系的图形．

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自动控制系统的组成：

电位器 电动机及负载

传感器（测速发电机）

放大器

给定器 调节器 执行器 受控过程

传感器

DVDV

反馈反馈PVPV

MVMV 被控量被控量PVPVSVSV

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自动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

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•工业过程中的反馈控制系统例子---

锅炉汽包水位控制系统

调节器

汽包变送器

主蒸汽

过热器

执行器

给水调节阀给水泵

省煤器

给水

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例1.3 水位控制系统执行器

杠杆

调节阀

水箱

浮子

+

-

测量水位PV

偏差量DV

控制量

调节位移MV

给水量

反馈元件

实际水位

设定水位SV

控制器：比较、放大的作用控制器：比较、放大的作用

浮子：液面高度的反馈元件浮子：液面高度的反馈元件

气动阀门：执行机构气动阀门：执行机构

被控对象：水箱被控对象：水箱

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第四节 自动控制系统的分类

1.4.1 按系统环节连接形式分类

设定器 控制器 被控对象

扰动

被控量

开环控制系统：

闭环控制系统 :

设定器 被控过程

传感器

控制器

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1.4.2 按控制依据信号性质分类控制器 被控过程

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

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1.4.3 按给定值变化规律分类

t

r

r

恒值控制系统给定值不随时间变化例 恒温，恒压系统

随动控制系统给定值按需求随机变化

例 雷达跟踪，靠模加工系统 t

程序控制系统给定值按条件（时间

或流程）变化例 金属热处理，化学水处理

r

t

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1.4.4 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

电加热炉电流 温度多变量控制系统

多入--多出 MIMO（Multiple ----）例 锅炉燃烧控制系统

电站锅炉燃料量送风量

工质温度工质压力

炉膛压力引风量

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1.4.5 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例 弹簧秤（在工作区）

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例 弹簧秤（不在工作区）

位移

力

位移

力

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1.4.6 按变量的时间特性分类变量连续时间控制系统

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

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

例 计算机控制系统

时间

变量

时间

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1.4.7 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

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

例 全自动洗衣机

变量

时间

变量

时间

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1.4.8 按变量的统计特性分类

变量

时间

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

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

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1.4.10 按控制器实现器件分类

机械型

电动型

气动型

计算机型

综合型

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第五节 控制系统性能分析概论典型试验信号

阶跃信号斜坡信号抛物线信号脉冲信号正弦信号

系统性能分析方法动态特性分析稳态特性分析

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阶跃信号（Step Function）

)( 0 00 )()( tut

tRtuRtr⎩⎨⎧

<≥=∗= -----单位阶跃函数

r（t）

R

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。

时间

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斜坡信号（Ramp Function）

)( 0 00 )()( tut

tRttutRtr⎩⎨⎧

<≥=∗∗= -----单位阶跃函数

r（t）

R t

t g（φ）=R

φ 时间 t

斜坡信号为匀速信号，适于测试匀速系统。

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抛物线信号（Parabolic Function）

⎩⎨⎧

<≥∗=∗∗=

0 00 5.0)(5.0)(

22

tttRtutRtr

u（t）-----单位阶跃函数

r（t）

0.5 R t 2

时间 t

抛物线信号为匀加速信号，适于测试匀加速系统。

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脉冲信号（Pulse Function）∞ t = 0

理想情况: r（t）= δ ( t ) = 0 t ≠ 0

时间 t

r（t）

A

h

dttdut )()( =δ

可用于测试系统抗冲击能力

A / h 0 <= t <= h

实际情况: r（t）= 0 t < 0, t > h

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正弦信号（Sine Function）

r（t）=Asin( ω t + φ )A -------- 幅值

ω -------- 频率

φ -------- 初相位

正弦信号为单频率信号，适于测试系统频率特性。

r（t）

时间 t

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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

y( t )

f(x(t))

x (t )

x

t

y

t

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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

线性

饱和非线性

死区非线性

继电非线性

x (t )

y( t )

t

x

y

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第六节 自动控制系统性能要求五个字：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

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小 结

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本章中，对自动控制系统的相关概念做了描述。

一、自动控制系统的概念及其自动控制系统的基本组成：

自动控制 在没有人直接参与的情况下，利用控制设备或装置，使得被控对象的被控量自动的按预定的规律变化。自动控制系统 能自动对被控对象的被控量（或工作状态）进行控制的系统。被控对象 指工作状态需要加以控制的机械、装置或过程。被控量 表征被控对象工作状态且需要加以控制的物理量，也是自动控制系统的输出量。给定值 希望被控量趋近的数值。扰动量 引起被控量发生不期望的变化的各种内部或外部的变量。控制器 起控制作用的设备或装置。

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二、自动控制系统的基本控制方式

自控控制系统的基本控制方式有开环控制、闭环控制；

开环控制是指控制器与控制对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制过程。

闭环控制又称为反馈控制，指控制器与控制对象之间既有顺向作用又有反向联系的控制过程。闭环控制系统的抗干扰性好。

开环控制适用于控制任务要求不高的场合，工程上绝大部分的控制系统为闭环控制系统。

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三、自动控制系统的分类

1 按给定输入的形式分类：恒值控制系统、随动控制系统、程序控制系统。

2 按元件的静态特性分类：线性控制系统、非线性控制系统。3 按信号是连续的还是离散的分类：连续（时间）控制系统、离

散（时间）控制系统。4 其他分类：多变量控制系统、计算机控制系统、最优控制、模

糊控制、神经网络控制等。

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四、 对控制系统的性能要求

稳定性、准确性、快速性

五、控制系统的典型输入信号

控制系统的典型输入信号有阶跃、斜坡、抛物线、脉冲、正弦信号等。