《自动控制原理》课程授课教案（讲稿）第一章 绪论

第周，第讲次课程名称：《自动控制原理》摘要第一章：绪论授课题目（章、节）本讲目的要求及重点难点：【目的要求】对自动控制的发展简史和一般概念进行介绍，对开环控制系统与闭环控制系统进行说明，并掌握自动控制系统的组成，分类。自动控制系统的性能指标定义。【重点】闭环控制系统的组成和和基本环节。1.1概述（自动控制的一般概念）一、本门课程的性质1.重要的技术基础课，阐述有关自动控制技术的基础理论一一经典控制理论，研究“控制理论”在工程中的应用。基本内容一一控制理论的基本理论、方法、特点、综合设计方法。研究对象一一系统，揭示系统中存在的信息转换、传递和反馈。为后续课程应用控制理论奠定理论基础：计算机控制技术、现代控制理论、自动控制系统（交流调速、直流调速）。2.学习目的：①自动化发展的需要②与信息科学、系统科学关系紧密③从总体上分析、认识、改造系统3.课本：《自动控制原理》，顾树生，冶金工业出版社参考书：《自动控制原理简明教程》，胡寿松，科学出版社《自动控制理论（第四版）》，孙扬声，中国电力出版社二、控制系统基本概念1.控制（Control）：根据某种原理或方法，使特定对象（被控对象）的某些物理量（被控量）按照预期规律变化的操纵过程。2.控制系统（ControlSystem）：就是通过执行规定的功能来实现某一给定目标的些相互关联单元的组合。人工控制（ManualControl）：由人直接或间接操作执行装置的控制方式；自动控制（AutomaticControl)：无需人去直接或间接操纵执行机构，利用控制装置控制被控制量自动地按预定的规律变化的过程。示例一一恒温控制系统。图1-1是恒温自动控制系统图，恒温箱的理想温度由电压u1给出，热电偶检测箱温，输出电压u2并反馈回去与给定电压相比较得出偏差电压△u=u1-u2，经电压和功率放大后控制电机的速度和转向，从而改变调压器滑动触头的位置，改变恒温箱的外施电压达到恒定箱温的目的。即当恒温箱内温度偏高时，使调压器降压，反之升压，直到温度达到给定值为止。此时偏差电压△U=0，电机停转

课程名称：《自动控制原理》 第 周，第 讲次 摘 要 授课题目（章、节） 第一章：绪论 本讲目的要求及重点难点： 【目的要求】对自动控制的发展简史和一般概念进行介绍，对开环控制系统与闭环控制系统进行 说明，并掌握自动控制系统的组成，分类。自动控制系统的性能指标定义。 【重 点】闭环控制系统的组成和和基本环节。 1.1 概述（自动控制的一般概念） 一、本门课程的性质 1.重要的技术基础课，阐述有关自动控制技术的基础理论——经典控制理论，研究“控制理论” 在工程中的应用。 基本内容——控制理论的基本理论、方法、特点、综合设计方法。研究对象——系统，揭示系统 中存在的信息转换、传递和反馈。为后续课程应用控制理论奠定理论基础：计算机控制技术、现 代控制理论、自动控制系统（交流调速、直流调速）。 2.学习目的：① 自动化发展的需要 ② 与信息科学、系统科学关系紧密 ③ 从总体上分析、认识、改造系统 3. 课本： 《自动控制原理》，顾树生，冶金工业出版社 参考书： 《自动控制原理简明教程》，胡寿松，科学出版社 《自动控制理论（第四版）》，孙扬声，中国电力出版社 二、控制系统基本概念 1. 控制（Control ）：根据某种原理或方法，使特定对象（被控对象）的某些物理量 （被控量）按照预期规律变化的操纵过程。 2. 控制系统（Control System）：就是通过执行规定的功能来实现某一给定目标的一 些相互关联单元的组合。 人工控制（Manual Control） ：由人直接或间接操作执行装置的控制方式； 自动控制（Automatic Control）：无需人去直接或间接操纵执行机构，利用控制 装置控制被控制量自动地按预定的规律变化的过程。 示例——恒温控制系统 ⚫ 图 1-1 是恒温自动控制系统图，恒温箱的理想温度由电压 u1 给出，热电偶检 测箱温，输出电压u2并反馈回去与给定电压相比较得出偏差电压Δu= u1- u2， 经电压和功率放大后控制电机的速度和转向，从而改变调压器滑动触头的位 置，改变恒温箱的外施电压达到恒定箱温的目的。即当恒温箱内温度偏高时， 使调压器降压，反之升压，直到温度达到给定值为止。此时偏差电压Δu=0， 电机停转

热电偶电热丝调压器U-恒温箱图1-1恒温自动控制系统图为了便于了解系统的结构及作用原理，可将系统用结构图表示，该系统的结构图如图1-2表示。扰动实际箱温给定温度控制对象执行机构电位器X放大器检测元件图1-2恒温自动控制结构图1.2开环控制系统和闭环控制系统控制系统的类型很多，它们的结构类型和所完成的任务也各不相同。控制系统从信息传送的特点或系统的结构特点来看可分为开环控制系统和闭环控制系统，以及同时具有开环结构和闭环结构的复合控制系统。一、开环控制系统只有输入量的前向控制作用，输出量并不反馈回来影响输入量的控制作用，因而，我们将它称为开环控制系统（Open-LoopControlSystem）。开环控制系统结构图可用图1-3表示

图 1-1 恒温自动控制系统图 ⚫ 为了便于了解系统的结构及作用原理，可将系统用结构图表示，该系统的结 构图如图 1-2 表示。 图 1-2 恒温自动控制结构图 1. 2 开环控制系统和闭环控制系统 控制系统的类型很多，它们的结构类型和所完成的任务也各不相同。控制系统从 信息传送的特点或系统的结构特点来看可分为开环控制系统和闭环控制系统，以及同 时具有开环结构和闭环结构的复合控制系统。 一、开环控制系统 只有输入量的前向控制作用，输出量并不反馈回来影响输入量的控制作用，因而， 我们将它称为开环控制系统（Open-Loop Control System）。开环控制系统结构图可 用图 1-3 表示

扰动量被控制对象控制器给定量输出量图1-3开环控制结构图开环系统的优点一一结构简单，系统稳定性好，调试方便，成本低。因此，在输入量和输出量之间的关系固定，且内部参数或外部负载等扰动因素不大，或这些扰动因素可以预测并进行补偿的前提下，应尽量采用开环控制系统。开环控制的缺点一一当控制过程中受到来自系统外部的各种扰动因素，如负载变化、电源电压波动等，以及来自系统内部的扰动因素，如元件参数变化等，都将会直接影响到输出量，而控制系统不能自动进行补偿。因此，开环系统对元器件的精度要求较高。示例一一直流电动机开环调速系统图1-4是直流电动机开环调速系统。给定电压ug经放大后得到电板电压ua：改变ug可得不同的转速n，该系统只有输入量ug对输出量n的单向控制作用。输出端和输入端之间不存在反馈回路。因而，输出量n对输入量ug没有任何影响和联系，输出量的改变不会产生控制作用。u.C电位器C电压力率u放大器放大器负载电动机图1-4直流电动机开环调速系统二、闭环控制系统闭环控制系统（Close-LoopControlSystem）又称反馈控制系统（FeedbackControlSystem），是在闭环控制系统中，把输出量检测出来，经过物理量的转换，再反馈到输入端去与给定值（参考输入）进行比较（相减），并利用比较后的偏差信号，以一定的控制规律产生控制作用，抑制内部或外部扰动对输出量的影响，逐步减小以至消除这一偏差，从而实现要求的控制性能。如恒温控制系统。闭环控制结构图如图1-5

图 1-3 开环控制结构图 开环系统的优点——结构简单，系统稳定性好，调试方便，成本低。因此，在输入量 和输出量之间的关系固定，且内部参数或外部负载等扰动因素不大，或这些扰动因素 可以预测并进行补偿的前提下，应尽量采用开环控制系统。 开环控制的缺点——当控制过程中受到来自系统外部的各种扰动因素，如负载变化、 电源电压波动等，以及来自系统内部的扰动因素，如元件参数变化等，都将会直接影 响到输出量，而控制系统不能自动进行补偿。因此，开环系统对元器件的精度要求较 高。 示例——直流电动机开环调速系统 图 1-4 是直流电动机开环调速系统。给定电压 ug 经放大后得到电枢电压 ua，改变 ug 可得不同的转速 n，该系统只有输入量 ug 对输出量 n 的单向控制作用。输出端和 输入端之间不存在反馈回路。因而，输出量 n 对输入量 ug 没有任何影响和联系，输 出量的改变不会产生控制作用。 图 1-4 直流电动机开环调速系统 二、闭环控制系统 闭环控制系统（Close-Loop Control System）又称反馈控制系统（Feedback Control System） ，是在闭环控制系统中，把输出量检测出来，经过物理量的转换， 再反馈到输入端去与给定值（参考输入）进行比较（相减），并利用比较后的偏差信 号，以一定的控制规律产生控制作用，抑制内部或外部扰动对输出量的影响，逐步减 小以至消除这一偏差，从而实现要求的控制性能。 如恒温控制系统。闭环控制结构 图如图 1-5。 给定量 输出量 控 制 器 被 控 制 对 象 对 象 电 压 放大器 功 率 放大器 Mc 负载 n 电动机 + _ + _ + _ + E 电位器 a u u g 扰动量

扰动量控制器控制对象输出量给定量检测装置图1-5闭环控制结构图闭环控制的优点一一抑制扰动能力强，与开环控制相比，对参数变化不敏感，并能获得满意的动态特性和控制精度。闭环控制的缺点一一但是引入反馈增加了系统的复杂性，如果闭环系统参数的选取不适当，系统可能会产生振荡，甚至系统失稳而无法正常工作，这是自动控制理论和系统设计必须解决的重要问题。自动控制理论主要研究闭环控制系统1.3自动控制系统的组成一、基本组成部分扰动比较r(t)元件c(t)执行串联被控给定放大元件元件元件对象输出量输入量校正元件偏差信号e主反并联馈校正元件局部反馈信R反馈元件主反馈测量反馈元件被控对象（或过程）一一又称控制对象或受控对象，指需要对它的某个特定的量进行控制的设备或过程。被控对象的输出变量是被控变量，常常记作或，被控对象除了受到控制作用外，还受到外部扰动作用。给定元件一一其作用是给出与期望的输出相对应的系统输入量，是一类产生系统控制指令的装置。?测量反馈元件一一如传感器和测量仪表，感受或测量被控变量的值并把它变换为与输入量同一物理量后，再反馈到输入端以作比较。?一比较输入信号与反馈信号，以产生反映两者差值的偏差信号。比较元件.放大元件一将微弱的信号作线性放大。?校正元件一一也叫补偿元件，它是按某种函数规律变换控制信号，以利于改善系统的动态品质或静态性能。执行元件一一根据偏差信号的性质执行相应的控制作用，以便使被控制量按?期望值变化。如电动机、气动控制阀等。二、自动控制系统中常用的名词术语系统：自动控制系统是由被控对象和自动控制装置按一定方式联结起来的，以完成某种自动控制任务的有机整体。2输入信号：系统的输入信号是指参考输入，又称给定量或给定值，它是控制

图 1-5 闭环控制结构图 闭环控制的优点——抑制扰动能力强，与开环控制相比，对参数变化不敏感，并能获 得满意的动态特性和控制精度。 闭环控制的缺点——但是引入反馈增加了系统的复杂性，如果闭环系统参数的选取不 适当，系统可能会产生振荡，甚至系统失稳而无法正常工作，这是自动控制理论和系 统设计必须解决的重要问题。 自动控制理论主要研究闭环控制系统 1. 3 自动控制系统的组成 一、基本组成部分 ⚫ 被控对象（或过程）——又称控制对象或受控对象，指需要 对它的某个特定 的量进行控制的设备或过程。被控对象的输出变量是被控变量，常常记作或。 被控对象除了受到控制作用外，还受到外部扰动作用。 ⚫ 给定元件——其作用是给出与期望的输出相对应的系统输入量，是一类产生 系统控制指令的装置。 ⚫ 测量反馈元件——如传感器和测量仪表，感受或测量被控变量的值并把它变 换为与输入量同一物理量后，再反馈到输入端以作比较。 ⚫ 比较元件——比较输入信号与反馈信号，以产生反映两者差值的偏差信号。 ⚫ 放大元件——将微弱的信号作线性放大。 ⚫ 校正元件——也叫补偿元件，它是按某种函数规律变换控制信号，以利于改 善系统的动态品质或静态性能。 ⚫ 执行元件——根据偏差信号的性质执行相应的控制作用，以便使被控制量按 期望值变化。如电动机、气动控制阀等。 二、自动控制系统中常用的名词术语 ⚫ 系统：自动控制系统是由被控对象和自动控制装置按一定方式联结起来的， 以完成某种自动控制任务的有机整体。 ⚫ 输入信号：系统的输入信号是指参考输入，又称给定量或给定值，它是控制 串联 校正元件 放大 元件 执行 元件 被控 对象 扰动 并联 校正元件 反馈元件 输入量 输出量 比较 元件 偏差 主 信号e 反 馈 信 号 测量反馈元件 主反馈 局部反馈 ＋ ＋ － － 给定 元件 r(t) c(t) 控制器 给定量 控制对象 检测装置 扰动量 扰动 输出量

着输出量变化规律的指令信号。·输出信号：系统的输出信号是指被控对象中要求按一定规律变化的物理量，又称被控量，它与输入量之间保持一定的函数关系。反馈信号：由系统（或元件）输出端取出并反向送回系统（或元件）输入端S的信号称为反馈信号。反馈分为主反馈和局部反馈。偏差信号：它是指参考输入与主反馈信号之差。偏差信号简称偏差。?误差信号：它是指系统输出量的实际值与期望值之差，简称误差。在单位反O馈情况下，误差值也就是偏差值，二者是相等的。·扰动信号：简称扰动或干扰，它与控制作用相反，是一种不希望的、影响系统输出的不利因素。扰动信号既可来自系统内部，又可来自系统外部，前者称为内部扰动，后者称为外部扰动。1.4自动控制系统的分类1.按输入信号的特征分1）恒值调节系统：该类系统的输入信号为一常数，扰动使被控量偏离理想值而出现偏差，利用偏差该系统可使被控量回复到理想值或接近理想值。上述的转速闭环控制系统、恒温控制系统均属于此类系统，2）随动系统：这类系统的给定量是时间的未知函数，系统能使被控量准确、快速地跟随给定量变化。随动系统又称伺服系统。火炮自动瞄准系统、船舶自动舵均属此类系统。2.按描述系统的动态方程分1）线性系统：该类系统的特点在于组成系统的各环节的输入输出特性都是线性的，系统的性能可用线性微分方程（或差分方程）来描述。2）非线性系统：该类系统的特点在于系统中含有一个或多个非线性元件。系统的性能需用非线性微分方程（或差分方程）来描述。3.按信号的传递是否连续分1）连续系统：该类系统各环节间的信号均为时间t的连续函数，其运动规律可用微分方程描迷。2）离散系统：该类系统在信号传递过程中有一处或多处的信号是脉冲序列或数字编码，其运动规律可用差分方程描述。数字控制系统、采样系统为离散系统。4.系统还可按其参数是否随时间变化而分定常系统或时变系统。1.5自动控制系统的性能指标一、对自动控制系统的基本要求要提高控制质量，就必须对自动控制系统的性能提出一定的具体要求。尽管自动控制系统有不同的类型，对每个系统都有不同的特殊要求。但总的说来，都是希望设计的控制过程尽量接近理想的控制过程。工程上常常从稳、准、快三个方面来评价自动控制系统的总体精度。1.稳一一指控制系统的稳定性和平稳性。·稳定性一一指系统重新恢复平衡状态的能力，它是自动控制系统正常工作的先决条件。一个稳定的控制系统，其被控量偏离期望值的初始偏差应随时间的增长逐渐减小或趋于零。·平稳性一一指过渡过程振荡的振幅与频率。即被控量围绕给定值摆动的幅度和摆动的次数。好的过渡过程摆动的幅度要小，摆动的次数要少。2.快一一是指控制系统的快速性，即过渡过程继续的时间长短。过渡过程越短，说明系统快速性越好，过渡过程持续时间越长，说明系统响应迟钝，难以实现快速变化的指令信号。3.准一一是指系统在过渡过程结束后，其被控量（或反馈量）对给定值的偏差而言，这一偏差称为稳态误差，它是痕量系统稳态精度的重要指标。稳态误差越小，表示系

着输出量变化规律的指令信号。 ⚫ 输出信号：系统的输出信号是指被控对象中要求按一定规律变化的物理量， 又称被控量，它与输入量之间保持一定的函数关系。 ⚫ 反馈信号：由系统（或元件）输出端取出并反向送回系统（或元件）输入端 的信号称为反馈信号。反馈分为主反馈和局部反馈。 ⚫ 偏差信号：它是指参考输入与主反馈信号之差。偏差信号简称偏差。 ⚫ 误差信号：它是指系统输出量的实际值与期望值之差，简称误差。在单位反 馈情况下，误差值也就是偏差值，二者是相等的。 ⚫ 扰动信号：简称扰动或干扰，它与控制作用相反，是一种不希望的、影响系 统输出的不利因素。扰动信号既可来自系统内部，又可来自系统外部，前者 称为内部扰动，后者称为外部扰动。 1. 4 自动控制系统的分类 1.按输入信号的特征分 1）恒值调节系统：该类系统的输入信号为一常数，扰动使被控量偏离理想值而出现 偏差，利用偏差该系统可使被控量回复到理想值或接近理想值。上述的转速闭环控制 系统、恒温控制系统均属于此类系统。 2）随动系统：这类系统的给定量是时间的未知函数，系统能使被控量准确、快速地 跟随给定量变化。随动系统又称伺服系统。火炮自动瞄准系统、船舶自动舵均属此类 系统。 2.按描述系统的动态方程分 1）线性系统：该类系统的特点在于组成系统的各环节的输入输出特性都是线性的， 系统的性能可用线性微分方程（或差分方程）来描述。 2）非线性系统：该类系统的特点在于系统中含有一个或多个非线性元件。系统的性 能需用非线性微分方程（或差分方程）来描述。 3.按信号的传递是否连续分 1）连续系统：该类系统各环节间的信号均为时间 t 的连续函数，其运动规律可用微 分方程描述。 2）离散系统：该类系统在信号传递过程中有一处或多处的信号是脉冲序列或数字编 码，其运动规律可用差分方程描述。数字控制系统、采样系统为离散系统。 4.系统还可按其参数是否随时间变化而分定常系统或时变系统。 1.5 自动控制系统的性能指标 一、对自动控制系统的基本要求 要提高控制质量，就必须对自动控制系统的性能提出一定的具体要求。尽管自动 控制系统有不同的类型，对每个系统都有不同的特殊要求。但总的说来，都是希望设 计的控制过程尽量接近理想的控制过程。工程上常常从稳、准、快三个方面来评价自 动控制系统的总体精度。 1. 稳——指控制系统的稳定性和平稳性。 ⚫ 稳定性——指系统重新恢复平衡状态的能力，它是自动控制系统正常工作的 先决条件。一个稳定的控制系统，其被控量偏离期望值的初始偏差应随时间 的增长逐渐减小或趋于零。 ⚫ 平稳性——指过渡过程振荡的振幅与频率。即被控量围绕给定值摆动的幅度 和摆动的次数。好的过渡过程摆动的幅度要小，摆动的次数要少。 2. 快——是指控制系统的快速性，即过渡过程继续的时间长短。过渡过程越短，说 明系统快速性越好，过渡过程持续时间越长，说明系统响应迟钝，难以实现快速变化 的指令信号。 3. 准——是指系统在过渡过程结束后，其被控量（或反馈量）对给定值的偏差而言， 这一偏差称为稳态误差，它是痕量系统稳态精度的重要指标。稳态误差越小，表示系

统的准确性越好。由于被控对象的具体情况不同，各系统对稳、快、准的要求各有侧重。而且对同一系统，稳、快、准的要求常常是相互制约的。过分提高过程的快速性，可能会引起系统强烈的振荡，而过分追求稳定性，又可能使系统反应迟缓，最终导致准确性变坏。如何分析和解决这些矛盾，将是本学科研究的主要内容

统的准确性越好。 由于被控对象的具体情况不同，各系统对稳、快、准的要求各有侧重。而且对同 一系统，稳、快、准的要求常常是相互制约的。过分提高过程的快速性，可能会引起 系统强烈的振荡，而过分追求稳定性，又可能使系统反应迟缓，最终导致准确性变坏。 如何分析和解决这些矛盾，将是本学科研究的主要内容