第一讲 第一章自动控制的一般概念 1.1引言 12自动控制系统示例 1.3闭环控制和开环控制 14自动控制系统的分类 15对自动控制系统的基本要求对本课程的基本要求 1.1引言 自动控制是一个非常有吸引力的研究领域,在过去的几十年中发展起来的理论和实 践解决了大量的自动化问题,使这个领域具有了通用的特点。正因如此,各工程专业都 对大学生和研究生开设了相关的课程。 在我们周围,确实存在着能实现自动控制的自然和人造系统:人体的许多功能可以 在不需要我们有意识地干涉的情况下完成,从而维持我们的生命;在日常生活中,我们 每天都可以碰到自动运行的人造系统,如电子的、机械的、化学的、水力的、金融的和 经济的。但大多数情况下,只有发生了故障,我们才意识到它们是自动运行的 尽管大多数人并不理解自动控制复杂的细节,但自动控制的成就令我们所有人着迷 和兴奋。一些系统在不需要人们干预的情况下,自动执行某些功能的能力对我们的生活 产生了戏剧性的影响,吸引了我们所有人的想象力。自动控制在人类的登月计划中起到 了关键的作用,而且在多少年里它都是科幻小说的中心话题。事实是,在过去的100年 里,科学技术的进步使大量系统的自动控制成为可能,从而提高了生产率,促进了经济 增长和改善了人们的生活质量。另外,对我们来说,高度复杂的科技社会对自动控制的 需求在21世纪将持续增长,我们必须准备应对这一挑战。 在这个星球上,我们的生活在很大程度上都依赖于自动运行的系统。当我们说一个 自动运行的系统时,就是指它的运行不需要人为的干预。自然界有很多这样的例子。将 人体作为一个例子来考虑,这个系统持续的自动控制是我们生存的基本要求。考虑我们 的体温保持在37℃的自动温控系统、心跳控制系统、眼球聚焦系统。从肾脏、肺和肝脏 的功能来看,它们也可以称为自动系统。这些系统和其他许多人体内的系统一样都是在 我们没有任何有意识干预的情况下自动运行的。实际上,在我们周围还有许多自动运行 的人造系统,日常生活我们要接触到或使用其中的许多系统。在一个现代化的居室内, 温度由温度调节装置自动控制,类似的还有水箱中热水的温度。导航控制系统使汽车自 动保持在设定车速,刹车防抱死系统自动防止汽车在湿滑的路面上打滑,在大型办公楼 或旅馆,电梯调度系统自动发送车辆搭载乘客。以上只是众多的自动运行系统的几个例
1 第一讲 第一章 自动控制的一般概念 1.1 引言 1.2 自动控制系统示例 1.3 闭环控制和开环控制 1.4 自动控制系统的分类 1.5 对自动控制系统的基本要求 对本课程的基本要求 1.1 引言 自动控制是一个非常有吸引力的研究领域，在过去的几十年中发展起来的理论和实 践解决了大量的自动化问题，使这个领域具有了通用的特点。正因如此，各工程专业都 对大学生和研究生开设了相关的课程。 在我们周围，确实存在着能实现自动控制的自然和人造系统：人体的许多功能可以 在不需要我们有意识地干涉的情况下完成，从而维持我们的生命；在日常生活中，我们 每天都可以碰到自动运行的人造系统，如电子的、机械的、化学的、水力的、金融的和 经济的。但大多数情况下，只有发生了故障，我们才意识到它们是自动运行的。 尽管大多数人并不理解自动控制复杂的细节，但自动控制的成就令我们所有人着迷 和兴奋。一些系统在不需要人们干预的情况下，自动执行某些功能的能力对我们的生活 产生了戏剧性的影响，吸引了我们所有人的想象力。自动控制在人类的登月计划中起到 了关键的作用，而且在多少年里它都是科幻小说的中心话题。事实是，在过去的 100 年 里，科学技术的进步使大量系统的自动控制成为可能，从而提高了生产率，促进了经济 增长和改善了人们的生活质量。另外，对我们来说，高度复杂的科技社会对自动控制的 需求在 21 世纪将持续增长，我们必须准备应对这一挑战。 在这个星球上，我们的生活在很大程度上都依赖于自动运行的系统。当我们说一个 自动运行的系统时，就是指它的运行不需要人为的干预。自然界有很多这样的例子。将 人体作为一个例子来考虑，这个系统持续的自动控制是我们生存的基本要求。考虑我们 的体温保持在 37℃的自动温控系统、心跳控制系统、眼球聚焦系统。从肾脏、肺和肝脏 的功能来看，它们也可以称为自动系统。这些系统和其他许多人体内的系统一样都是在 我们没有任何有意识干预的情况下自动运行的。实际上，在我们周围还有许多自动运行 的人造系统，日常生活我们要接触到或使用其中的许多系统。在一个现代化的居室内， 温度由温度调节装置自动控制，类似的还有水箱中热水的温度。导航控制系统使汽车自 动保持在设定车速，刹车防抱死系统自动防止汽车在湿滑的路面上打滑，在大型办公楼 或旅馆，电梯调度系统自动发送车辆搭载乘客。以上只是众多的自动运行系统的几个例
子,除此之外,每个人都可以举出类似的例子。 1.1.历史回顾 8世纪, James watt为控制蒸汽机速度设计的离心调节器。是自动控制领域的第 颋项重大成果。在控制理论发展初期,做出过重大贡献的众多学者中有迈納斯基 黑曾和奈魁斯特。 922年, Minorsky研制船舶操纵自动控制器,并证明了从系统的微分方程确定 系统的稳定性 1932年, Nyquist提出了一种相当简便的方法,根据对稳态正弦输入的开环响应, 确定闭环的稳定性。 1934年, Heze提出了用于位置控制系统的伺服机构的概念。过论了可以精确跟 踪变化的输入信景的继电式伺服机构 ·19世纪40年代,频率响应法为闭环控制系统提供了一种可行方法,丛20世纪 40年代末到5Q年代初,伊凡思 Evans提出并完善了根轨迹法 频率响应法和根轨迹法是古典控制理论的核心。由这两种方法设计出来的系统是稳 定的,并且或多或少地满足一组适当的性能要求。一般来说,这些系统是令人满意 的,但它不是某种意义上的最佳系统。 由于具有多输入和多输出的现代设备变得愈来愈复杂,所以需要大量方程来描 述现代控制系统。古典控制理论只涉及单输入、单输岀系统,对于多输入、多输岀 系统就无能为力了 9世纪60年代,数字计算机的出现为复杂系统的时域分析提供了可能。因此 用状态变量、基于时域分析的现代制理论应运而生,从而适应了现代设备且 益增加的复杂性,同时也满足了军事、空间技术和工程应用领域对精确度、重量 和成本方面的严格要 从1960年到1980,不论是确定性系统的最佳控制、还是随机系统的最佳控制, 及复杂系统的自适应和学习控制,都得到充分的研究。 从1980年到现在,现代控制理论进展集中于鲁棒控制、H∞控制及其相关课题。 如令,数字计算机的价格比较便宜,而且体积也变得更为紧凑,它们已成为控制系统中 不可缺少得组成部分。现代控制理论的近期应用已经扩充到非工程系统,诸如生物系统 生物医学系统、经济系统和社会经济系统。 1.1.2术语 对象过程系统扰动反馈控制反馈控制系统随动系统自动调整系统 过程控制系统
2 子，除此之外，每个人都可以举出类似的例子。 1.1.1 历史回顾 • 18 世纪，James Watt 为控制蒸汽机速度设计的离心调节器。是自动控制领域的第 一项重大成果。在控制理论发展初期，做出过重大贡献的众多学者中有迈纳斯基、 黑曾和奈魁斯特。 • 1922 年，Minorsky 研制船舶操纵自动控制器，并证明了从系统的微分方程确定 系统的稳定性。 • 1932 年，Nyquist 提出了一种相当简便的方法，根据对稳态正弦输入的开环响应， 确定闭环的稳定性。 • 1934 年，Hezen 提出了用于位置控制系统的伺服机构的概念。讨论了可以精确跟 踪变化的输入信号的继电式伺服机构。 • 19 世纪 40 年代，频率响应法为闭环控制系统提供了一种可行方法，从 20 世纪 40 年代末到 50 年代初，伊凡思 Evans 提出并完善了根轨迹法。 频率响应法和根轨迹法是古典控制理论的核心。由这两种方法设计出来的系统是稳 定的，并且或多或少地满足一组适当的性能要求。一般来说，这些系统是令人满意 的，但它不是某种意义上的最佳系统。 由于具有多输入和多输出的现代设备变得愈来愈复杂，所以需要大量方程来描 述现代控制系统。古典控制理论只涉及单输入、单输出系统，对于多输入、多输出 系统就无能为力了。 • 19 世纪 60 年代，数字计算机的出现为复杂系统的时域分析提供了可能。因此， 利用状态变量、基于时域分析的现代控制理论应运而生，从而适应了现代设备日 益增加的复杂性，同时也满足了军事、空间技术和工程应用领域对精确度、重量 和成本方面的严格要求。 • 从 1960 年到 1980，不论是确定性系统的最佳控制、还是随机系统的最佳控制， 及复杂系统的自适应和学习控制，都得到充分的研究。 • 从 1980 年到现在，现代控制理论进展集中于鲁棒控制、H∞控制及其相关课题。 如今，数字计算机的价格比较便宜，而且体积也变得更为紧凑，它们已成为控制系统中 不可缺少得组成部分。现代控制理论的近期应用已经扩充到非工程系统，诸如生物系统、 生物医学系统、经济系统和社会经济系统。 1.1.2 术语 • 对象 过程 系统 扰动 反馈控制 反馈控制系统 随动系统 自动调整系统 • 过程控制系统
对象是一个设备,它是由一些机器零件有机地组合在一起的,其作用是完成 个特定的动作。在下面的讨论中,称任何被控物体(如加热炉、化学反应器或 宇宙飞船)为对象 过程称任何被控制的运行状态为过程,其具体例子如化学过程、经济学过程 生物学过程。 系统完成一定任务的一些元、部件的组合。 系统是一个广义的概念系统不限于物理系统,系统的概念可以应用于抽象 的动态现象,如在经济学史遇到的一些现象因此,“系统”这个词,应数理艇 为包含了物理学,生物学和经济学等现象的系統 扰动扰动是一种对系统的输出产生不利影响的信号。如果扰动产生在系统内部 称为内扰;扰动产生在系统外部,则称为外扰。外扰是系统的输入量。 反偾控制反馈控制是这样一种控制过程,它能够在存在扰动的情况下,力图 减小系统的输出量与参考输入量(也称参据量)(或者任意变化的希望的状态) 之间的偏差,而且其工作正是基于这一偏差基础之上的。在这果,反馈控制仅仅 是对无法预计的扰动(既那预先无法知道的扰动)页设计的,因为对于可以预 计的或是只知的扰动来说,总是可以在系统加以校正的,因而对于他们的测是 寇全不必要的 反馈控制系统反馈控制系统是一种能对输出量与参考输入量进行比较,并力 图保持两者之间的既定关系的系统,它利用输出量与输入量的偏差来进行控制。 应当指出,反馈控制系统不限于工程范畴,在各种非工程范畴内,诸如经济学 和生物学中,也存在者反馈控制系统。 例如,人的机体在某秧意义上说,就类似天一个具有迕多接制变量的化工设惫 在这种运和化学反应网终的过程控制史,包貪煮许多制思路,惠实上人的机 烋是一个极其复杂的反镄控制系统 随动系统随动系统是一种反馈控制系统,在这种系统中,输出量是机械位移、 速度或者加速度。因此,随动系统这个术语,与位置(或速度或加速度)控制系 统是同义语。在现代工业中,广泛采用者随动系统。侧如,采用程底指令的机床 的全动化操作,就可以应用随动系统来定成 息动调系统自动调整系统是一独反锁接制系统套这种系统史,衾考输入量 或看的量感煮保技震值或煮随时间顺缓慢变化顺这种系统的基杰低 务,正是要在存在拔动的情况下将寒际的输出量保持在希裴的数偵上 思恒温器作为制器的家内加温系统就晨一种息动週整系統系统史的温唐飨
3 • 对象 是一个设备，它是由一些机器零件有机地组合在一起的，其作用是完成 一个特定的动作。在下面的讨论中，称任何被控物体（如加热炉、化学反应器或 宇宙飞船）为对象。 • 过程 称任何被控制的运行状态为过程，其具体例子如化学过程、经济学过程、 生物学过程。 • 系统 完成一定任务的一些元、部件的组合。 系统是一个广义的概念。系统不限于物理系统，系统的概念可以应用于抽象 的动态现象，如在经济学中遇到的一些现象。因此，“系统”这个词，应当理解 为包含了物理学，生物学和经济学等现象的系统。 • 扰动 扰动是一种对系统的输出产生不利影响的信号。如果扰动产生在系统内部 称为内扰；扰动产生在系统外部，则称为外扰。外扰是系统的输入量。 • 反馈控制 反馈控制是这样一种控制过程，它能够在存在扰动的情况下，力图 减小系统的输出量与参考输入量（也称参据量）（或者任意变化的希望的状态） 之间的偏差，而且其工作正是基于这一偏差基础之上的。在这里，反馈控制仅仅 是对无法预计的扰动（既那些预先无法知道的扰动）而设计的，因为对于可以预 计的或是已知的扰动来说，总是可以在系统加以校正的，因而对于他们的测量是 完全不必要的。 • 反馈控制系统 反馈控制系统是一种能对输出量与参考输入量进行比较，并力 图保持两者之间的既定关系的系统，它利用输出量与输入量的偏差来进行控制。 应当指出，反馈控制系统不限于工程范畴，在各种非工程范畴内，诸如经济学 和生物学中，也存在者反馈控制系统。 例如，人的机体在某种意义上说，就类似于一个具有许多控制变量的化工设备。 在这种运输和化学反应网络的过程控制中，包含者许多控制回路，事实上，人的机 体是一个极其复杂的反馈控制系统。 • 随动系统 随动系统是一种反馈控制系统，在这种系统中，输出量是机械位移、 速度或者加速度。因此，随动系统这个术语，与位置（或速度或加速度）控制系 统是同义语。在现代工业中，广泛采用者随动系统。例如，采用程序指令的机床 的全自动化操作，就可以应用随动系统来完成。 • 自动调整系统 自动调整系统是一种反馈控制系统，在这种系统中，参考输入量 或希望的输出量，或者保持常值，或者随时间而缓慢变化，而这种系统的基本任 务，正是要在存在扰动的情况下，将实际的输出量保持在希望的数值上。 用恒温器作为控制器的室内加温系统，就是一种自动调整系统，系统中恒温器的温度给
定偵〔即希的憑度偵)用来与寰肉的窾际涢度进行比较ε窺处涢度变化是该系統的 扰动。调整系统的低务,是保持所要求的室肉温度不受室外温度变化的影响。自动调整 系练的例子很多,例如,压力的自动控制以及电压、电流、流量和频案等电学量的自动 过程制系统自动週獒系统的输忠量是度厌力流量、液面或值(氢 离子浓度)等这样一些变量时,就叫过程制系统过程控制在工业史获得广泛 应用。像在加热炉的竭度控制中,炉温是根据预先制定的程底进行控制的,叫做 序控制。程底制是经常采用的一种过程控制系统。侧如,预先制定的程底可 以是:炉温在一底的时间间隱肉,先上生到某一给底度,然后在另一段时间 内再下隆到另一給定燙度。在这类程底制史,飨定曩是按照预先制定的规建 变化的s而控制罨则保持炉温紧紧地跟随飨底量的变化a应当指出,太多数程底 控制系统都包贪随动系统。作为系统的整体部件 1.2自动控制系统示例 热力系统的例子 热力系统的人工反馈控制 温度计 蒸汽 热水 冷水 排水 图1-1热力系统的人工反馈控制 在这人起了控制罨的作用,他希艱使热水湜度保持在飨定湜度上,为了测曩热水 的实际湜度,在热水的镟忠管道肉亥装了一支燙度计,燙度过测得的湿度就是系统的输 岀曩。操纵煮始终愍视着湜度计,发现湜度高于希望偵时,就减尖输送到系統中的蒸
4 定值（即希望的温度值），用来与室内的实际温度进行比较。室外温度变化是该系统的 扰动。调整系统的任务，是保持所要求的室内温度不受室外温度变化的影响。自动调整 系统的例子很多，例如，压力的自动控制以及电压、电流、流量和频率等电学量的自动 控制。 • 过程控制系统 当自动调整系统的输出量是温度、压力、流量、液面或 PH 值（氢 离子浓度）等这样一些变量时，就叫过程控制系统。过程控制在工业中获得广泛 应用。像在加热炉的温度控制中，炉温是根据预先制定的程序进行控制的，叫做 程序控制。程序控制是经常采用的一种过程控制系统。例如，预先制定的程序可 以是：炉温在一定的时间间隔内，先上生到某一给定温度，然后在另一段时间间 隔内再下降到另一给定温度。在这类程序控制中，给定量是按照预先制定的规律 变化的。而控制器则保持炉温紧紧地跟随给定量的变化。应当指出，大多数程序 控制系统都包含随动系统，作为系统的整体部件。 1.2 自动控制系统示例 热力系统的例子 热力系统的人工反馈控制 在这里人起了控制器的作用，他希望使热水温度保持在给定温度上，为了测量热水 的实际温度，在热水的输出管道内安装了一支温度计，温度计测得的温度就是系统的输 出量。操纵者始终监视着温度计，当发现温度高于希望值时，就减少输送到系统中的蒸 蒸汽 冷 水 热 水 温 度 计 图 1-1 热 力 系 统 的 人 工 反 馈 控 制 排水
汽曩:以降低其涢度:当发现湜度低无希靚的湜度时,操纵煮就反操纵蒸汽阀门,使 进入系統的蒸汽量增大,以提高这一混度 这种控制作用,是基于闭环揿制原現的。在这个傚子中,输忠量的反馈(水温) 衾考输入曩的比较,以及挖制作思,都是通过人来实现的这就是一种团环挖制系统 这类系统,可以叭做人忑反馈系统,或叫人工团环制系统 热力系统的自动反馈控制 如果用自动控制器来取代人工操作,如图1-2所示,就变成自动控制系统,或叫自动反 馈控制系统,自动闭环控制系统, 温度测 一一热水 量装置 自动控制器 控制阀 蒸汽 冷水 排水 图1-2热力系统的自动反馈控制 将自动制罨刻庶盘上指针的位置,标定在(转到)希朝的湿度,侧如8Q℃。系练 的缒战贔,即热水的实厥湜度,恵湜度测曩装買予以测定卮,与希的度偵进行比较 以产生误惹信景。为此,在进行比铰之煎,震通过变送罨将输出温度变成与输入量(即 飨定楨,参据量)根同的物理量。(变送器是将信最从一种物理量变换成另一种物理量 的装置s)在自动控制器中,产生的误差信景经过放大后,作为制罨的输忠量加到控 制阀上,从而改变制阀的开度,使进入系統的蒸汽量发生相应的变化,最后使实际的 水湜得到校正如果没有误差信景,然也就不必改变阀的开度了 在上述系统中,环境湜度的变化,以及输入冷水湜度的变化等,都可看作是系统的 处扰
5 汽量，以降低其温度；当发现温度低于希望的温度时，操纵者就反向操纵蒸汽阀门，使 进入系统的蒸汽量增大，以提高这一温度。 这种控制作用，是基于闭环控制原理的。在这个例子中，输出量的反馈（水温）与 参考输入量的比较，以及控制作用，都是通过人来实现的。这就是一种闭环控制系统， 这类系统，可以叫做人工反馈系统，或叫人工闭环控制系统。 热力系统的自动反馈控制 如果用自动控制器来取代人工操作，如图 1-2 所示，就变成自动控制系统，或叫自动反 馈控制系统，自动闭环控制系统。 将自动控制器刻度盘上指针的位置，标定在（转到）希望的温度，例如 80℃。系统 的输出量，即热水的实际温度，由温度测量装置予以测定后，与希望的温度值进行比较， 以产生误差信号。为此，在进行比较之前，需通过变送器将输出温度变成与输入量（即 给定植，参据量）相同的物理量。（变送器是将信号从一种物理量变换成另一种物理量 的装置。）在自动控制器中，产生的误差信号经过放大后，作为控制器的输出量加到控 制阀上，从而改变控制阀的开度，使进入系统的蒸汽量发生相应的变化，最后使实际的 水温得到校正。如果没有误差信号，当然也就不必改变阀的开度了。 在上述系统中，环境温度的变化，以及输入冷水温度的变化等，都可看作是系统的 外扰。 自动控制器 热水 冷水 蒸汽 温度测 量装置 排水 图1-2 热力系统的自动反馈控制 控制阀