《自动控制原理》第一章绪论教学目的与要求：1、了解自动控制理论的发展简史；2、熟练掌握负反馈控制原理：3、熟悉自动控制系统的基本概念：4、理解自动控制的基本方式：5、理解控制系统的性能要求：教学重点：1、掌握有关自动控制理论的一些基本概念：2、掌握负反馈控制原理；教学难点：负反馈控制原理教学时数：4学时教学方法：讲授法教学手段：黑板与多媒体结合教学过程：81-1引言1.1.1自动控制理论及应用自动控制理论是研究自动控制共同规律的一门科学，目前已形成工程控制论、生物控制论、经济控制论和社会控制论等多个分支，其中工程控制论是控制论中的一个重要分支。本课程主要研究工程领域的自动控制。所谓自动控制就是指在没有人直接参与的情况下，利用控制装置使整个生产过程或设备自动地按预定规律运行，或使其某个参数按要求变化。当前，自动控制技术已在工农业生产、交通运输、国防建设和航空、航天事业等领域中获得广泛应用。比如：人造地球卫星的发射成功与安全返回；运载火箭的准确发射，导弹的准确击中目标；数控车床按照预定程序自动地切削工件；化学反应炉的温度或压力自动地维持恒定以及冰箱、洗衣机、微波炉等家用电器。随着生产和科学技术的发展，自动控制技术已渗透到各种学科领域，1
《自动控制原理》 第一章 绪论 1 教学目的与要求： 1、了解自动控制理论的发展简史； 2、熟练掌握负反馈控制原理； 3、熟悉自动控制系统的基本概念； 4、理解自动控制的基本方式； 5、理解控制系统的性能要求； 教学重点： 1、掌握有关自动控制理论的一些基本概念； 2、掌握负反馈控制原理； 教学难点： 负反馈控制原理 教学时数： 4 学时 教学方法： 讲授法 教学手段： 黑板与多媒体结合 教学过程： §1－1 引 言 1.1.1 自动控制理论及应用 自动控制理论是研究自动控制共同规律的一门科学，目前已形成工程控制 论、生物控制论、经济控制论和社会控制论等多个分支，其中工程控制论是控 制论中的一个重要分支。本课程主要研究工程领域的自动控制。 所谓自动控制就是指在没有人直接参与的情况下，利用控制装置使整个生 产过程或设备自动地按预定规律运行，或使其某个参数按要求变化。 当前，自动控制技术已在工农业生产、交通运输、国防建设和航空、航天 事业等领域中获得广泛应用。比如：人造地球卫星的发射成功与安全返回；运 载火箭的准确发射，导弹的准确击中目标；数控车床按照预定程序自动地切削 工件；化学反应炉的温度或压力自动地维持恒定以及冰箱、洗衣机、微波炉等 家用电器。随着生产和科学技术的发展，自动控制技术已渗透到各种学科领域
《自动控制原理》第一章绪论成为促进当代生产发展和科学技术进步的重要因素。1.1.2自动控制理论的发展史按其发展的不同阶段，通常可把自动控制理论分为经典控制理论和现代控制理论两大部分。经典控制理论是20世纪40年代到50年代形成的一门独立学科。它的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理，主要用于工业控制。第二次世界大战期间，由于生产和军事的需要，各种控制系统的理论研究和分析方法就应运而生。1932年奈奎斯特（H.Nyquist）在研究负反馈放大器时创立了著名的稳定性判据，并提出了稳定裕量的概念。在此基础上，1945年伯德（H.W.Bode）提出了分析控制系统的一种图解方法即频率法，致使研究控制系统的方法由初期的时域分析转到频域分析。随后，1948年伊文斯（w.R.Evans）又创立了另一种图解法即有名的根轨迹法。追溯到1877年，劳斯（E.Routh）和1895年赫尔维茨（A.Hurwitz）分别独立地提出了关于判断控制系统稳定性的代数判据。这些都是经典控制理论的重要组成部分。50年代中期，经典控制理论又增加了非线性系统理论和离散控制理论。至此，形成了比较完整的经典控制理论体系。由于空间技术的发展，各种高速、高性能的飞行器相继出现，要求高精度地处理多变量、非线性、时变和自适应等控制问题，20世纪60年代初又形成了现代控制理论。现代控制理论的基础是：1956年庞特里亚金提出的极大值原理，1957年贝尔曼（R.Be1lman）提出的动态规划，1960年卡尔曼（R.E.Kalman）提出的最优滤波理论以及状态空间方法的应用。从上世纪60年代至今40多年来，现代控制理论又有巨大的发展，并形成了若干学科分支，如线性控制理论、最优控制理论、动态系统辨识、自适应控制、大系统理论等。经典控制理论以传递函数为数学工具，研究单输入、单输出自动控制系统的分析与设计问题，主要研究方法有时域分析法、根轨迹法和频率特性法。而现代控制理论则以矩阵理论等近代数学方法作为工具，不仅研究系统的输入、输出特性，而且还研究系统的内部特性。它适于研究多输入、多输出的复杂系统，这些系统可以是线性的、非线性的、定常的或时变的，其主要研究方法为状态空间法。目前，自动控制理论还在继续发展，正向以控制论、信息论、仿生学为基础的智能控制理论深入。2
《自动控制原理》 第一章 绪论 2 成为促进当代生产发展和科学技术进步的重要因素。 1.1.2 自动控制理论的发展史 按其发展的不同阶段，通常可把自动控制理论分为经典控制理论和现代控 制理论两大部分。 经典控制理论是 20 世纪 40 年代到 50 年代形成的一门独立学科。它的发展 初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理，主要用于工业控制。第二次世界 大战期间，由于生产和军事的需要，各种控制系统的理论研究和分析方法就应 运而生。1932 年奈奎斯特（H.Nyquist）在研究负反馈放大器时创立了著名的 稳定性判据，并提出了稳定裕量的概念。在此基础上，1945 年伯德（H.W.Bode） 提出了分析控制系统的一种图解方法即频率法，致使研究控制系统的方法由初 期的时域分析转到频域分析。随后，1948 年伊文斯（W.R.Evans）又创立了另 一种图解法即有名的根轨迹法。追溯到 1877 年，劳斯（E.Routh）和 1895 年赫 尔维茨（A.Hurwitz）分别独立地提出了关于判断控制系统稳定性的代数判据。 这些都是经典控制理论的重要组成部分。50 年代中期，经典控制理论又增加了 非线性系统理论和离散控制理论。至此，形成了比较完整的经典控制理论体系。 由于空间技术的发展，各种高速、高性能的飞行器相继出现，要求高精度 地处理多变量、非线性、时变和自适应等控制问题，20 世纪 60 年代初又形成 了现代控制理论。现代控制理论的基础是：1956 年庞特里亚金提出的极大值原 理，1957 年贝尔曼（R.Bellman）提出的动态规划，1960 年卡尔曼（R.E.Kalman） 提出的最优滤波理论以及状态空间方法的应用。从上世纪 60 年代至今 40 多年 来，现代控制理论又有巨大的发展，并形成了若干学科分支，如线性控制理论、 最优控制理论、动态系统辨识、自适应控制、大系统理论等。 经典控制理论以传递函数为数学工具，研究单输入、单输出自动控制系统 的分析与设计问题，主要研究方法有时域分析法、根轨迹法和频率特性法。而 现代控制理论则以矩阵理论等近代数学方法作为工具，不仅研究系统的输入、 输出特性，而且还研究系统的内部特性。它适于研究多输入、多输出的复杂系 统，这些系统可以是线性的、非线性的、定常的或时变的，其主要研究方法为 状态空间法。 目前，自动控制理论还在继续发展，正向以控制论、信息论、仿生学为基础的 智能控制理论深入
《自动控制原理》 第一章 绪论81一2自动控制的基本原理与方式一、人工控制：如图1一1所示，水位保持系统。若要求在出水量随意的条件下，保持水位高度不变：操作人员需先测实际水位，并在脑子中与要求的水位进行比较。若低于要求的水位，则需开大进水阀门。否则应关小进水阀门。若两者正好相等，则进水阀门不动。根据系统原理图可画出其方框图如图1一2所示。进水要求水位实际二水位二水池R出水图1一1水位人工控制系统原理图出水量要求水位实际水位比较，计算执行水池测量人图1-2水位人工控制系统方框图二、自动控制：该水池若改为由自动控制装置代替操作人员：由浮子（测量元件）测出实际水位，再与要求的水位比较。然后得出偏差再由调节元件根据偏差的大小和正负产生控制信号。最后由执行元件根据信号产生控制作用。如图?T实际水位进水33连杆区浮子
《自动控制原理》 第一章 绪论 3 §1－2 自动控制的基本原理与方式 一、人工控制： 如图 1－1 所示，水位保持系统。若要求在出水量随意的条件下，保持水 位高度不变：操作人员需先测实际水位，并在脑子中与要求的水位进行比较。 若低于要求的水位，则需开大进水阀门。否则应关小进水阀门。若两者正好相 等，则进水阀门不动。根据系统原理图可画出其方框图如图 1－2 所示。 二、自动控制： 该水池若改为由自动控制装置代替操作人员：由浮子（测量元件）测出实 际水位，再与要求的水位比较。然后得出偏差再由调节元件根据偏差的大小和 正负产生控制信号。最后由执行元件根据信号 产生控制作用。如图 进水 水 池 要求水位 实际 水位 出水 图 1－1 水位人工控制系统原理图 进水 浮子 实 际 水 位 出水 < + - 连 杆 电机 M 图 1－2 水位人工控制系统方框图
《自动控制原理》第一章绪论1-3所示。在此：浮子测水位，由连杆和电位器进行比较：浮子低则电位器上得到正电压，经放大后使电机向进水阀门开大的方向旋转：反之，当浮子高时，电位器上得到负电压，电机向阀门关小的方向旋转；若水位正好，则电位器上电压为零，电机不转，阀门不动。其方框图如图1一4所示。出水量要求水位实际水位电位器水池连杆比较控制器》图1一4水位自动控制系统方框图三、基本概念1．自动控制一在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置使整个生产过程或工作机械自动的按预定规律运行、或使其某个参数按要求变化。2.控制装置一外加的设备或装置，亦叫控制器。3.受控装置一被控制的机器或物体。4.被控量一表征被控对象工作状态的物理参量，也叫输出量。5.给定量一要求被控量所应保持的数值。也叫输入量或叫参考输入。6.干扰量一系统不希望的外作用，也叫扰动输入。如水位自动控制系统：水池一受控对象，要求水位一给定量，实际水位一输出量，出水量一干扰信号，浮子一测量元件，连杆、电位器一比较元件，放大器、电极、减速器一调节和执行元件。4
《自动控制原理》 第一章 绪论 4 1－3 所示。 在此：浮子测水位， 由连杆和电位器进行比较： 浮子低则电位器上得到正 电压，经放大后使电机向 进水阀门开大的方向旋转； 反之，当浮子高时，电位器 上得到负电压，电机向阀门关小的方向旋转；若水位正好，则电位器上电压为 零，电机不转，阀门不动。 其方框图如图 1－4 所示。 三、基本概念 1．自动控制—在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置使整个生产 过程或工 作机械自动的按预定规律运行、或使其某个参数按要求变化。 2．控制装置—外加的设备或装置，亦叫控制器。 3．受控装置—被控制的机器或物体。 4．被控量—表征被控对象工作状态的物理参量，也叫输出量。 5．给定量—要求被控量所应保持的数值。也叫输入量或叫参考输入。 6．干扰量—系统不希望的外作用，也叫扰动输入。 如水位自动控制系统： 水池—受控对象，要求水位—给定量，实际水位—输出量， 出水量—干扰信号，浮子—测量元件，连杆、电位器—比较元件， 放大器、电极、减速器—调节和执行元件。 图 1－4 水位自动控制系统方框图
《自动控制原理》第一章绪论四、自控系统的基本概念：1.自动控制系统一由受控对象和控制器按一定方式连接起来的、完成一定自动干扰量控制任务的总体。如图1一5所示。2.自动控制的任务一利用控制器操纵受被控量给定量控对象，使其被控量按技术要求变化。受控对象控制器若r(t)一给定量，c(t)一被控量，自控系统则自控的任务之数学表达式为：图1-5自动控制系统使被控量满足c(t)～r(t).3．自控系统的组成：输出量输入量放大执行受控对象+串联校正反馈校正测量图1一6自动控制系统的组成<1>给定元件：其职能是给出与期望的被控量相对应的系统输入量。一般为电位器。<2>比较元件：其职能是把测量到的被控量实际值与给定元件给出的输入量进行比较，求出他们之间的偏差。常用的有差动放大器、机械差动装置、电桥电路等。<3>测量元件：其职能是检测被控制量的物理量。如测速机、热电偶、自整角机、电位器、旋转变压器等。<4>放大元件：其职能是将比较元件给出的偏差信号进行放大，用来推动执行元件去控制受控对象。如：电子管、晶体管、集成电路、晶闸管等组成的电压、功率放大器。<5>执行元件：其职能是直接推动受控对象，使其被控量发生变化。如：阀门、电机、液压马达等。<6>校正元件：也叫补偿元件，它是结构或参数便于调整的元件。用串联或并联5
《自动控制原理》 第一章 绪论 5 四、自控系统的基本概念： 1．自动控制系统—由受控对象和控制器按一定方式连接起来的、完成一定自动 控制任务的总体。如图 1－5 所示。 2．自动控制的任务—利用控制器操纵受 控对象，使其被控量按技术要求变化。 若 r(t)—给定量，c(t)—被控量， 则自控的任务之数学表达式为： 使被控量满足 c(t) ≈r(t). 3．自控系统的组成： <1>给定元件：其职能是给出与期望的被控量相对应的系统输入量。一般为电位 器。 <2>比较元件：其职能是把测量到的被控量实际值与给定元件给出的输入量进行 比较，求出他们之间的偏差。常用的有差动放大器、机械差动装置、电桥电路 等。 <3>测量元件：其职能是检测被控制量的物理量。如 测速机、热电偶、自整 角机、电位器、旋转变压器等。 <4>放大元件：其职能是将比较元件给出的偏差信号进行放大，用来推动执行元 件去控制受控对象。如：电子管、晶体管、集成电路、晶闸管等组成的电压、 功率放大器。 <5>执行元件：其职能是直接推动受控对象，使其被控量发生变化。如：阀门、 电机、液压马达等。 <6>校正元件：也叫补偿元件，它是结构或参数便于调整的元件。用串联或并联 给定量 控制器 受控对象 被控量 干扰量 自控系统 图 1－5 自动控制系统 串联校正 放大 执行 受控对象 反馈校正 测量 输入量 输出量 图 1－6 自动控制系统的组成