1、课程名称：自动控制原理学时数：42学时教材：,主要参考资料：,1.胡寿松主编,自动控制原理,科学出版社,第五版。2.王建辉等主编,自动控制原理,清华大学出版社,2007,4。3吴仲阳主编,自动控制原理,高等教育出版社,2005,8.4.Morris Driels著,Linear Control Systems Engineering, 清华大学出版社,2000,12。,主讲教师：谢昭莉联系方式：,研究生助教：张瑞成联系方式： ,助教职责：理论课批改作业、答疑、习题 课辅导，实验课辅导等。,第1章 自动控制系统的基本概念,1.1 自动控制理论发展简史,1.2 自动控制系统的一般概念,1.5 本课
2、程的学习任务和学习要求,End,1.4 对自动控制系统的基本要求,Charpter1 Basic Concept of Automatic Control System,1.3 自动控制系统的分类,经典控制(Classical Control)(4050年代),美国贝尔实验室的H. Bode(1938)，以及美国物理学家H.Nyquist(1940)提出频率响应法,二次世界大战中火炮，雷达，飞机以及通讯系统的控制研究直接推动了经典控制的发展。,现代控制(Modern Control) (1950-1960),五十年代后兴起的现代控制起源于冷战时期的军备竞赛，如导弹(发射，操纵，指导及跟踪)，卫
3、星，航天器和星球大战，以及计算机技术的出现。,自动控制的应用领域,军事工业航空航天,家用电器电子、钢铁、石化等工业交通系统，楼宇系统，经济系统，社会系统 ,电扇：控制转速洗衣机：控制水位、强弱、时间等电冰箱、空调、电饭煲：控制温度,制造业,机器人,控制无处不在,抽水马桶,二.自动控制系统:为实现某一控制目标所需要的所有物理部件的有机组合体。一般由控制器，控制对象，测量元件等组成。,被控对象：要求实现自动控制的机器设备或生产过 程(水箱)。,被控制量：指被控制系统所要控制的物理量，一般 指系统的输出量。（水位高度）,给定值：根据生产要求，被控制量需要达到的数 值。（设定水位高度）,扰动：破坏给定
4、值与被控制量之间正常函数关系的 因素，称为系统的扰动。（流出量Q2）,给定值和扰动统称为输入量。,控制装置：能够对被控对象起控制作用的设备总 称。（浮球、杠杆）,三.自动控制系统的常用术语,6. 反馈：通过测量变送装置将系统输出量送回输入 端，并与输入信号相比较产生偏差信号的过 程称为反馈。若反馈信号与输入信号相减， 使产生的偏差越来越小，则称为负反馈，若 产生的偏差越来越大，则称为正反馈,四. 原理方框图：,教学过程方框图,抽水马桶自动控制方框图,自动控制系统典型方框图,1.3 自动控制系统的分类,1. 根据结构划分 开环系统/闭环系统2.按给定信号的形式 恒值系统 / 随动系统/程序控制系
5、统 3.按系统是否满足叠加原理 线性系统 /非线性系统4.按系统参数是否随时间变化 定常系统 / 时变系统5.按信号传递的形式 连续系统 / 离散系统,一.开环控制系统与闭环控制系统,控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制。,恒温箱,开环控制系统,目前比较常见的开环控制系统有自动售货机，自动洗衣机，自动流水线，包装机等。,系统的控制装置和被控对象不仅有顺向作用，而且输出端和输入端之间存在反馈关系，所以称为闭环控制系统，又称反馈控制系统。,恒温箱,闭环控制系统,开环控制与反馈控制的比较,开环优点 :结构简单，成本低廉，工作稳定，当输入信号和扰动能预先知道时，控制效果较好。,缺点：
6、不能自动修正被控制量的偏离，系统的元件参数变化以及外来的未知扰动对控制精度影响较大。,闭环优点：具有自动修正被控制量出现偏离的能力，可以修正元件参数变化以及外界扰动引起的误差，控制精度高。,缺点：被控量可能出现振荡，甚至发散。,二. 定值控制系统、随动控制系统及程序控制系统,定值控制系统：输入量是恒定的常值, 任务:在各种扰 动作用下都能使输出量保持在恒定希 望值附近, 如温度、水位、转速控制系 统。,定值控制系统实例恒温控制,随动控制系统,：随动系统（也叫伺服系统，跟踪系 统）这种控制系统的输入量是事先不 知道的任意时间函数。任务：使输出 量迅速而准确地跟随输入量的变化而 变化。比如：飞机和
7、舰船的操舵系 统，雷达自动跟踪系统。,随动系统实例火炮打飞机,程序控制系统：,输入量按照给定的程序变化。任务： 使输出量按预先给定的程序指令而动 作。最典型的就是电梯升降控制、数 控车床和机器人控制系统。,机器人,三. 线性控制系统、非线性控制系统,系统中各环节的特性在一定范围内都可用线性方程式描述，该系统称为线性系统。,线性控制系统,线性系统的主要特征是具有齐次性和叠加性。,非线性控制系统,系统中任意一个环节具有非线性特性，该系统即为非线性系统。非线性系统满足叠加原理。,在系统中只要有一个元器件的特性不能用线性微分方程描述其输入和输出关系,则称为非线性系统。非线性系统还没有一种完整、成熟、统
8、一的分析法。通常对于非线性程度不很严重,或做近似分析时,均可用线性系统理论和方法来处理。 非线性系统分析将在第7章专门讨论。,四. 线性定常系统和线性时变系统,线性系统,线性时变系统,线性定常系统,方程中，输入输出函数及各阶导数皆为一次,方程中的系数是时间的函数，随时间变化。,方程中的系数是常数，不随时间变化,描述系统（环节）输入与输出关系的微分方程如下,非线性时变系统,线性定常系统,线性时变系统,五. 连续控制系统、离散控制系统,二.快速性,系统响应的快速性，是指在系统稳定性的前提下，通过系统的自动调节，最终消除因外作用改变而引起的输出量与给定量之间偏差的快慢程度。一般用调节时间来衡量 。,
9、三.准确性,系统响应的准确性，是指在系统的自动调节过程结束后，其输出量与给定量之间仍然存在的偏差大小，也称稳态精度。准确性一般用稳态误差来衡量。,四. 对控制系统的基本要求,对控制系统的基本要求可归纳成：稳、快、准。,1.稳： 基本要求 要求系统要稳定,2. 准: 稳态要求 系统响应达到稳态后， 输出跟踪精度要高,3. 快: 动态要求 系统阶跃响应的过渡过 程要平稳，快速,动态性能指标定义,峰值时间tp,A,B,调节时间ts,五. 自动控制系统的设计原则,自动控制系统设计的目的是要保证系统的输出在给定性能指标的基础上跟踪输入信号，并且要有一定的抗干扰能力。,设计步骤：,（1）系统分析,（2）系
10、统设计,（3）仿真试验,（4）系统实现,1.5 本课程的学习任务和学习要求,自动控制原理研究各类控制系统的共性问题、共同规律、分析和设计控制系统的基本理论和方法。,（属于“方法论”的科学）,研究方法：建模 、 分析、设计,自动控制的核心概念：反馈论、系统论,2）根据对系统性能的要求，如何合理地调整参数或设计校正装置，使系统的性能能全面地满足技术上的要求。,1）对于一个具体的控制系统，如何从理论上对它的稳定性、动态性能和稳态精度进行定性的分析和定量的计算。,本课程所要研究的两大课题：,自动控制是一门技术学科，从方法论的角度来研究系统的建立、分析与设计。本课程与其它课程的关系。,第1章 自动控制系统的基本概念 3学时 第2章 控制系统的数学模型 8学时 第3章 时域分析法 8学时 第4章 根轨迹法 6学时 第5章 频域分析法 9学时 第6章 控制系统的综合与校正 8学时,教学计划-42学时,本章习题,P 11P12习题1.3 习题1.4习题1.6,4 如图1-4是水位自动控制系统的示意图，图中Q1，Q2分别为进水流量和出水流量。控制的目的是保持水位为一定的高度。试说明该系统的工作原理并画出其方框图。,题1-4图 水位自动控制系统,6 题图1-6是仓库大门自动控制系统的示意图，试说明该系统的工作原理，并画出其方框图。,题1-6图仓库大门自动控制系统示意图,
