自动控制原理 主讲教师：崔 治 工作地点：L2-205 联系方式：zhicui@yeah.net

第一章 自动控制的一般概念 1-1 自动控制的任务 1-2 自动控制的基本方式 1-3 对控制系统的性能要求

1-1 自动控制的任务 1、自动控制的基本概念 何谓控制 1-1 自动控制的任务 1、自动控制的基本概念 何谓控制 自动控制：是指在没有人直接参与的条件下，利用控制装置使被控对象按照预定的技术要求进行工作。 自动控制系统：是指能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统，它由被控对象和控制装置组成。 控制

自动控制的任务，是在没有人直接参与下，利用控制装置操纵被控对象，使被控量等于给定值。

2、自动控制的应用典范

人造地球卫星

 无人驾驶飞机

制导导弹  现代的高新技术让导弹长上了 “眼睛”和“大脑”，利用负反馈 控制原理去紧紧盯住目标.    我 国研制的地空导弹 (如右图) 雷达技术 雷达操作时，天线就要不停地转动。天线的作用是把雷达 中产生的无线电波按照一定的方向向外发射出去，并把被 反射回来的无线电波接收下来。正因 为天线所起的作用好似人的眼睛一样， 因此雷达要注视和侦察整个天空的状 况，天线就要不停地转动，用一个驱 动马达使天线作360度的旋转，这样它 就能在360度范围内进行“搜索”。

3、自动控制发展史 ★前期控制(1400 BC--1900) 古巴比伦、古埃及和中国.自动计时漏壶 古罗马.采用浮球调节器来保持燃油液面高度的油灯（凯撒时代）；传说秦陵中也存在类似装置 中国. 候风地动仪.张衡（东汉）；

利用齿轮传动自动指示方向的指南车 (三国时期)；曹军将之用于盗墓 宋应星所著《天工开物》记载的提花织机结构图（明末）；

英国 J. Watt制造出第一台可调速蒸汽机(1788年)。

★经典控制（20世纪前半叶） 基于：战争需求 基本方法：传递函数，根轨迹法，频率特性法 代表人物：维纳、伯德、伊文思

*现代控制(20世纪50年代)

美国MIT 的Servomechanism Laboratory 研制出第一台数控机床(1952)；

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)。

*智能控制(1980后) SONY 娱乐机器狗 （2008年） SONY 二足步行机器人

*未来，或远或近

1-2 自动控制的基本方式 干扰 分析 执行 工作对象 观察 预期目标 实际结果 c 干扰 n 比较 执行 被控对象 测量 - r 给定值 1-2 自动控制的基本方式 干扰 分析 执行 工作对象 观察 预期目标 实际结果 c 干扰 n 比较 执行 被控对象 测量 - r 给定值 e 偏差 被控量 c 反馈信号

控制系统 测量元件 干扰 n 比较 执行 被控对象 测量 - r 给定值 e 偏差 被控量 c 反馈信号 被控对象 比较元件 控制系统 测量元件 比较元件 控制装置 执行机构 给定元件 放大元件 校正装置

锅炉气鼓水位控制系统 蒸汽 水位计 给定值 传感器 控制器 气鼓 执行机构 控制阀 给水 阀门

一、按给定值操纵的开环控制 主要特点： 输出不影响输入，对输出不需要测量，通常容易实现； 组成系统的元部件精度高，系统的精度才能高； 控制方式： 单向传递，一定的给定值对应一定的输出量；控制精度取决于系统事先的调整精度；对干扰无法自动补偿；结构简单，成本低廉。多用于系统结构参数稳定和扰动信号较弱的场合,如自动售货机，自动报警器，自动流水线等。 控制装置 被控制 对象 给定值 被控 量 按给定值 控制的原 理方框图

直流电机转速控制系统示意图 方框图为： 电位器 电压 放大器 可控硅 功放 直流 电动机 P ur uk n 干扰 ua 电位器（产生给定电压ur）0~10V 转速0~1000转 方框图为： 电位器 电压 放大器 可控硅 功放 直流 电动机 P ur uk n 干扰 ua

二、按干扰补偿的开环控制 原理：利用对干扰信号的测量产生控制作用，以补偿干扰对输出量的影响。由于干扰信号经测量装置、控制器至被控对象的输出量是单向传递的，故属于开环控制方式。常用于机械的恒速控制以及电源系统的稳压、稳频控制。 测量 干扰 控制器 被控 对象 被控 量 按干扰补偿 的原理方框图

三、按偏差调节的闭环控制 主要特点： 输出影响输入，所以能削弱或抑制干扰； 低精度元件可组成高精度系统； 控制器 被控 对象 输入 输出 主要特点： 输出影响输入，所以能削弱或抑制干扰； 低精度元件可组成高精度系统； 因为可能发生超调，振荡，所以稳定性很重要。 控制方式： 正反馈，负反馈。我们所讲述的反馈系统如果无特殊说明，一般都指负反馈。

直流电机转速反馈控制系统

水箱内部示意图 水箱原来处于一个平衡状态，q1(t)=q2(t)=0。如果打开阀门，冲水，冲好后关上阀门，h(t)发生变化，水位下降，△h变大，通过浮子反馈到执行机构。机械杠杆带动活塞打开， q1(t)变大，使△h 变小，浮子上浮，活塞也上升，直至达到新的平衡。

四、复合控制 输出量 输入信号 (-) 补偿装置 控制装置 被控对象

自动控制系统示例 例1 家用冰箱温度控制系统

例2 温度控制系统

炉温控制系统方框图 炉温控制系统方框图

例3 函数记录仪

例4 水温调节系统 水温调节系统工作原理图

水温调节系统 水温调节系统方框图

例5 学科前沿——倒立摆控制系统

倒立摆系统的输入为小车的位移和摆杆的倾斜角度期望值，计算机在每一个采样周期中采集来自传感器的小车与摆杆的实际位置信号，与期望值进行比较后，通过控制算法得到控制量，再经数模转换驱动直流电机实现倒立摆的实时控制。 倒立摆控制系统是一个复杂的、不稳定的非线性系统，其控制方法在军工、航天、机器人和一般工业过程领域中都有着广泛的用途，如机器人行走过程中的平衡控制、火箭发射中的垂直度控制和卫星飞行中的姿态控制等。

自动控制系统的分类 按给定信号的形式 恒值系统 / 随动系统 按系统是否满足叠加原理 线性 / 非线性 按给定信号的形式 恒值系统 / 随动系统 按系统是否满足叠加原理 线性 / 非线性 按系统参数是否随时间变化 定常 / 时变 按信号传递的形式 连续 / 离散 按输入输出变量的多少 单变量 / 多变量

1-3 对控制系统的性能要求 一. 稳：（基本要求） 二. 准：（稳态要求） 三. 快：（动态要求） 要求系统要稳定 1-3 对控制系统的性能要求 一. 稳：（基本要求） 要求系统要稳定 二. 准：（稳态要求） 系统响应达到稳态时，输出跟踪精度要高 三. 快：（动态要求） 系统阶跃响应的过渡过程要平稳，快速

四.灵敏度 系统中元件参数的改变对系统响应的影响，可以用灵敏度来表示。 五.抗干扰性 系统的抗干扰性，直接与系统的稳态精度有关，是衡量控制系统品质的一个重要参数。 上述的4 和5两个指标结合起来，称为系统的稳健性指标。 一个控制系统，如果具有低的灵敏度和良好的抗干扰性，则我们称为系统是稳健的（Robust,鲁棒）。

Matlab（矩阵实验室） Simulink（仿真设计模块） 自动控制系统的分析与设计工具 Matlab（矩阵实验室） Simulink（仿真设计模块）

自动控制原理课程的任务与体系结构

课 程 小 结 1. 自动控制的一般概念 基本控制方式 控制系统的基本组成 控制系统的分类 对控制系统的要求 课程研究的内容 课 程 小 结 1. 自动控制的一般概念 基本控制方式 控制系统的基本组成 控制系统的分类 对控制系统的要求 课程研究的内容 2. 要求掌握的知识点 反馈控制系统的特点及原理 由系统工作原理图绘制方框图

作业（1） 1-1 从第三周起，每逢单周星期三，由学习委员将作业送至L2-205。