自動(dòng)控制原理第一章緒論

1、高等數(shù)學(xué) 積分變換自動(dòng)控制理論 現(xiàn)代控制理論 其它專業(yè)課程 1 1、專業(yè)基礎(chǔ)課，自動(dòng)化專業(yè)承上啟下的課程、專業(yè)基礎(chǔ)課，自動(dòng)化專業(yè)承上啟下的課程 2 2、理論實(shí)踐相結(jié)合、理論實(shí)踐相結(jié)合 理論性非常強(qiáng)，概念多，內(nèi)容多，抽象； 實(shí)際應(yīng)用緊密結(jié)合。能為解決實(shí)際控制問(wèn)題提供理論和方法 自動(dòng)控制原理的課程特點(diǎn) 3、自動(dòng)控制技術(shù)是應(yīng)用非常廣泛的技術(shù) 電機(jī)控制、自動(dòng)化生產(chǎn)線、火炮雷達(dá)控制、家用電器、機(jī)電機(jī)控制、自動(dòng)化生產(chǎn)線、火炮雷達(dá)控制、家用電器、機(jī) 械、冶金、石油、化工、電力電子、航空、航海、航天、械、冶金、石油、化工、電力電子、航空、航海、航天、 核反應(yīng)堆等。核反應(yīng)堆等。 1、打好基礎(chǔ) 高等數(shù)學(xué)（微積分）

2、、積分變換（拉氏變換） 2、做好預(yù)習(xí) 3、聽(tīng)好課 講課的速度較快、了解課程內(nèi)容 掌握基本理論和基本方法 4、做好習(xí)題 應(yīng)用學(xué)到的基本理論和基本方法解決實(shí)際問(wèn)題 本課程學(xué)習(xí)方法本課程學(xué)習(xí)方法 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 課程內(nèi)容課程內(nèi)容 自動(dòng)控制系統(tǒng) （定義見(jiàn)1.1節(jié)首段） Ch2：控制系統(tǒng)的 數(shù)學(xué)模型 Ch1：自動(dòng)控 制系統(tǒng)的基本 概念和要求 分析系統(tǒng) 的性能 Ch7: 控制系 統(tǒng)的 校正 Ch8: 線性離 散控制 系統(tǒng) Ch9： 非線性 控制系 統(tǒng) Ch4: 時(shí)域分析 Ch5:根軌跡分析 Ch6:頻率特性分析 Ch3：控制系統(tǒng)的 穩(wěn)定性及特性 第一章第一章 緒論緒論 1.1 引言引言 1.2

3、自動(dòng)控制的基本原理自動(dòng)控制的基本原理 1.3 反饋控制系統(tǒng)的組成反饋控制系統(tǒng)的組成 1.4 控制系統(tǒng)的分類控制系統(tǒng)的分類 1.5 控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例三則控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例三則 1.6 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)概述控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)概述 1.7 本書內(nèi)容安排本書內(nèi)容安排 1.8 小結(jié)小結(jié) 自動(dòng)控制自動(dòng)控制 在人不直接參與的情況下，利用自動(dòng)控制裝置使在人不直接參與的情況下，利用自動(dòng)控制裝置使工工 作機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)地作機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)地按照預(yù)定規(guī)律運(yùn)行，或使按照預(yù)定規(guī)律運(yùn)行，或使 被控量（工作機(jī)械或過(guò)程的某個(gè)物理參數(shù)）被控量（工作機(jī)械或過(guò)程的某個(gè)物理參數(shù)）按預(yù)定按預(yù)定 的要求變化的要求變化。 自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)控

4、制系統(tǒng) 由由自動(dòng)控制裝置自動(dòng)控制裝置與與被控對(duì)象被控對(duì)象以一定結(jié)構(gòu)組成的、以一定結(jié)構(gòu)組成的、能能 完成某種控制任務(wù)的有機(jī)整體完成某種控制任務(wù)的有機(jī)整體。 兩個(gè)定義 1.1 引言引言 刻漏： 最初兩個(gè)壺,由上壺滴水到下面的受水壺, 液面使浮箭升起以示刻度（即時(shí)間）(圖 之右)。這里浮箭可看作是檢測(cè)元件。 保持上壺的水位恒定，則是自動(dòng)調(diào)節(jié)的 問(wèn)題。用互相銜接的多級(jí)（35級(jí)）水 壺解決的。蓮華漏(圖之左)由4個(gè)壺組成。 平水壺向平水小壺供水，平水小壺上有 溢水口，可使多余水泄入減水桶以保持 水面恒定。 在蓮華漏中還采用一個(gè)浮子式閥門作為 自動(dòng)切斷閥。當(dāng)受水壺的水位升至滿刻 度時(shí)，浮子式閥門就會(huì)自動(dòng)阻

5、塞上級(jí)平 水小壺的出水小孔，切斷水滴。 1.1.1 自動(dòng)控制理論發(fā)展簡(jiǎn)史 遠(yuǎn)古時(shí)期的自動(dòng)裝置 (來(lái)自互聯(lián)網(wǎng)) 1.1 引言引言 指南車采用差動(dòng)齒輪的機(jī)械原理： 車?yán)锩嫜b有多個(gè)大小不同的齒輪，直行，小輪懸空；轉(zhuǎn)彎時(shí)，一邊的小輪在 轅、繩、滑輪的作用下降，與車輪和大輪發(fā)生嚙合傳動(dòng)。若車子向左轉(zhuǎn)90度， 左輪不動(dòng)，右輪要轉(zhuǎn)半周。與右輪相連的小齒輪也就轉(zhuǎn)半周（即轉(zhuǎn)過(guò)12個(gè) 齒），經(jīng)過(guò)小平輪傳動(dòng)到大平輪，則大平輪將以相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)12個(gè)齒，即 1/4周（90度），仙人在和車一起左轉(zhuǎn)90度時(shí)，又由于齒輪的嚙合傳動(dòng)右轉(zhuǎn)了 90度。其他運(yùn)動(dòng)情況的結(jié)果可以類推。仙人指向不變。 (來(lái)自互聯(lián)網(wǎng)) 1.1 引言引言

6、計(jì)里鼓車，車中有一套減速齒輪系， 始終與車輪同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，其最末一只齒 輪軸在車行一里時(shí)正好回轉(zhuǎn)一周，車 子上層的木人車上木人受凸輪牽動(dòng)， 由繩索拉起木人右臂擊鼓一次，以示 里程。這一原理與現(xiàn)代汽車上的里程 表的原理相同。 候風(fēng)地動(dòng)儀的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，是一根稱為 “都柱”的倒立擺，其重心高于擺動(dòng) 中心。在受地震橫波襲擊時(shí)，由于慣 性力作用，它將倒向震源方向，從而 帶動(dòng)該方向的傳動(dòng)部件，使相應(yīng)方向 的龍口上額起撓，龍口中的銅丸便掉 落在蟾蜍口中。 (來(lái)自互聯(lián)網(wǎng)) (來(lái)自互聯(lián)網(wǎng)) 1.1 引言引言 古代的自動(dòng)裝置主要是基于相對(duì)直觀的“因果關(guān)系”而 發(fā)明的，因而并未產(chǎn)生自動(dòng)控制理論。 這與18世紀(jì)末開(kāi)始逐漸發(fā)

7、展起來(lái)的、基于反饋原理的自 動(dòng)裝置有著本質(zhì)的不同。反饋使“因果關(guān)系”進(jìn)一步發(fā) 展成為更加復(fù)雜的“因果-果因關(guān)系”。 由于反饋形成的回路使“因果”雙向相互作用，已不再 是簡(jiǎn)單的邏輯關(guān)系，因此，人們?yōu)樽龅街渌匀坏卦O(shè) 計(jì)好基于反饋原理的自動(dòng)裝置，必須對(duì)反饋控制理論加 以研究，這也是反饋控制理論發(fā)展的初始推動(dòng)力。 近代控制理論的逐步形成和發(fā)展 1.1 引言引言 1、用于工業(yè)過(guò)程的自動(dòng)反饋 控制器-飛球調(diào)速器 1769瓦特發(fā)明了飛球調(diào)速器， 用來(lái)與蒸汽機(jī)的進(jìn)氣閥連接 構(gòu)成蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)自動(dòng) 調(diào)速系統(tǒng)。 2、動(dòng)態(tài)特性研究的開(kāi)始：英 國(guó)劍橋大學(xué)的數(shù)學(xué)和天文學(xué)家 艾里在1829-1835系統(tǒng)研究了 天文

8、望遠(yuǎn)鏡的速度控制，根據(jù) 倒立擺離心力的原理首次發(fā)現(xiàn) 了反饋系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，并利 用微分方程分析了這種系統(tǒng)。 近代控制理論的逐步形成和發(fā)展 瓦特改良的蒸汽機(jī) 艾里瓦特 1.1 引言引言 3、反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題的 研究： 1868英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋發(fā) 表了“論調(diào)速器”的論文，首 次論述該問(wèn)題。 二三階系統(tǒng)的穩(wěn)定判據(jù)。 1895英國(guó)勞斯判據(jù)和德國(guó)數(shù)學(xué) 家赫爾維茨的代數(shù)穩(wěn)定條件； 1893李雅普諾夫基于非線性運(yùn) 動(dòng)的一般運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定問(wèn)題。 4、反饋控制系統(tǒng)的頻率特性研究：20世紀(jì)20年代，電子管放 大器以及遠(yuǎn)距離通話的實(shí)現(xiàn)，研究如何減少放大倍數(shù)增大而 導(dǎo)致信號(hào)失真的問(wèn)題。美國(guó)貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的工程師和

9、科學(xué) 家們逐步建立了反饋控制系統(tǒng)的頻率特性分析方法。 李雅普諾夫 1.1 引言引言 5、積分和微分控制的思想：1922年俄裔 美國(guó)工程師米諾斯基在分析船舶駕駛控 制系統(tǒng)的穩(wěn)定性時(shí)首次提出。 6、1934年美國(guó)麻省理工的赫曾教授創(chuàng)立 了伺服控制理論，首次提出軌跡跟蹤在 反饋控制中的重要性； 7、1936年英國(guó)工程師考倫德：溫度控制 系統(tǒng)的PID控制器； 8、1942年美國(guó)工程師：PID參數(shù)整定準(zhǔn) 則，至今仍適用； 9、二戰(zhàn)期間及戰(zhàn)后10年：美國(guó)電信工程 師伊萬(wàn)斯給出控制系統(tǒng)的圖解分析法和 根軌跡綜合法，創(chuàng)立根軌跡法的完整理 論。 現(xiàn)代PID控制器 1.1 引言引言 10、1948年美國(guó)數(shù)學(xué)家維納

10、出版專 著“控制論”。1956年我國(guó)科學(xué)家 錢學(xué)森出版“工程控制論”。 11、20世紀(jì)50年代，人造衛(wèi)星和空 間技術(shù)的發(fā)展，成為自動(dòng)控制理論 新的發(fā)展推動(dòng)力。極大值原理、動(dòng) 態(tài)規(guī)劃理論、狀態(tài)空間方法、多變 量最優(yōu)控制和最優(yōu)濾波理論。 12、20世紀(jì)70年代，隨著大規(guī)模集 成電路數(shù)字計(jì)算機(jī)的發(fā)展，推動(dòng)了 控制器應(yīng)用高級(jí)控制算法的能力。 13、出現(xiàn)若干控制理論分支：系統(tǒng) 辨識(shí)、魯棒控制、協(xié)調(diào)控制、智能 控制等等。 (來(lái)自互聯(lián)網(wǎng)) 1.1 引言引言 1.1.2 控制工程實(shí)踐控制工程實(shí)踐 自動(dòng)化的核心是自動(dòng)化的核心是控制與系統(tǒng)控制與系統(tǒng)，控制工程實(shí)踐，控制工程實(shí)踐 是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的手段。自動(dòng)化最早出現(xiàn)在

11、汽是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的手段。自動(dòng)化最早出現(xiàn)在汽 車工業(yè)，其初始概念是指在工業(yè)生產(chǎn)（加工、車工業(yè)，其初始概念是指在工業(yè)生產(chǎn)（加工、 制造等）過(guò)程中制造等）過(guò)程中采用自動(dòng)控制代替人工控制。采用自動(dòng)控制代替人工控制。 1947年美國(guó)福特公司正式使用自動(dòng)化一詞，年美國(guó)福特公司正式使用自動(dòng)化一詞， 其含義是指其含義是指加工采用連續(xù)方式加工采用連續(xù)方式，生產(chǎn)過(guò)程流生產(chǎn)過(guò)程流 水式的自動(dòng)進(jìn)行水式的自動(dòng)進(jìn)行。 從從20世紀(jì)世紀(jì)70年代開(kāi)始，我國(guó)通過(guò)陸續(xù)引進(jìn)國(guó)年代開(kāi)始，我國(guó)通過(guò)陸續(xù)引進(jìn)國(guó) 外成套自動(dòng)化生產(chǎn)線，我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)逐步從外成套自動(dòng)化生產(chǎn)線，我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)逐步從 局部自動(dòng)化局部自動(dòng)化，發(fā)展成今天的全方位、全流程，發(fā)

12、展成今天的全方位、全流程 的的綜合自動(dòng)化綜合自動(dòng)化。 我國(guó)的自動(dòng)化學(xué)術(shù)組織：中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)，我國(guó)的自動(dòng)化學(xué)術(shù)組織：中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)， 1961年成立，第一屆理事長(zhǎng)錢學(xué)森院士。年成立，第一屆理事長(zhǎng)錢學(xué)森院士。 1.2.1 人工控制與自動(dòng)控制人工控制與自動(dòng)控制 人工控制人工控制 人工控制：人工控制：人工控制是人工操作實(shí)現(xiàn)：測(cè)量、求誤差、人工控制是人工操作實(shí)現(xiàn)：測(cè)量、求誤差、 控制、控制、再測(cè)量、再求誤差、再控制的循環(huán)過(guò)程。再測(cè)量、再求誤差、再控制的循環(huán)過(guò)程。 1.2 自動(dòng)控制的基本原理 1)操作員將期望的液位值(即水 位高度)記在大腦中； 2)操作員用眼讀取實(shí)際液位值； 3)操作員將液位期望值與實(shí)際

13、值 比較得出偏差值； 4)操作員根據(jù)偏差的大小和性質(zhì) （正負(fù)性），決定如何通過(guò)用 手打開(kāi)或關(guān)閉閥門的方式來(lái)調(diào) 節(jié)經(jīng)過(guò)閥門的水量大小，達(dá)到 維持液位恒定的控制目標(biāo)。 自動(dòng)控制：自動(dòng)控制：沒(méi)有人直接參與，利用自動(dòng)控制裝置，沒(méi)有人直接參與，利用自動(dòng)控制裝置， 使使工作機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)地按照預(yù)定規(guī)律運(yùn)行工作機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)地按照預(yù)定規(guī)律運(yùn)行或或 使使某些物理量按預(yù)定要求變化某些物理量按預(yù)定要求變化。 1.2 自動(dòng)控制的基本原理 連桿的長(zhǎng)度 人的大腦 記下期望液位 浮子 人的眼睛 實(shí)際液位 浮子和連桿 人的大腦 計(jì)算偏差 杠桿機(jī)構(gòu) 的另一端 人的 大腦和手 判斷偏差大小 和性質(zhì)，帶動(dòng) 水閥動(dòng)作，調(diào)

14、節(jié)水量大小 自動(dòng)控制人工控制 自動(dòng)控制與人工控制的工作原理十分相似自動(dòng)控制與人工控制的工作原理十分相似 1.2 自動(dòng)控制的基本原理 自動(dòng)控制裝置與人的器官對(duì)應(yīng)的、能完成相應(yīng)功能的元件有： 給定元件：能根據(jù)液位期望值來(lái)調(diào)節(jié)連桿長(zhǎng)度的環(huán)節(jié)代替人的大腦 記下液位期望值； 測(cè)量元件：浮子作為傳感器代替人的眼睛測(cè)取實(shí)際液位值； 比較元件：浮子和連桿組合代替人的大腦計(jì)算出液位偏差值； 校正元件：杠桿機(jī)構(gòu)代替人的大腦對(duì)偏差的大小和性質(zhì)作出判斷 （作為決策機(jī)構(gòu)作出如何校正的決定）； 執(zhí)行元件：帶動(dòng)進(jìn)水閥代替人手打開(kāi)或關(guān)閉閥門調(diào)節(jié)經(jīng)過(guò)閥門的水 量大小。 由此可見(jiàn)，組成自動(dòng)控制裝置的元件一般應(yīng)包括：給定元件，測(cè)量

15、 元件，比較元件，校正元件和執(zhí)行元件，而上述液位自動(dòng)控制系統(tǒng)就 是由這些元件和被控對(duì)象（水池）組成的有機(jī)整體。 1.2 自動(dòng)控制的基本原理 假設(shè)水池液位處于期望值。以用 戶用水量突然增加為例，圖1-2所示 的簡(jiǎn)單液位自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作過(guò)程 如下： 當(dāng)用戶用水量突然增加，出水量 增加到一個(gè)新值，此時(shí)水池液位下降 導(dǎo)致浮子下降，浮子、連桿與杠桿機(jī) 構(gòu)測(cè)出液位期望值與實(shí)際值之間的偏 差值，然后由杠桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)進(jìn)水閥打 開(kāi)閥門增大進(jìn)水量。 由于新的出水量增加了，為了使進(jìn)水量與出水量相等，浮 子必須維持在比液位期望值更低的位置，只有通過(guò)使實(shí)際液 位值低于期望值形成的落差才能使杠桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)進(jìn)水閥維持 閥門在

16、新的開(kāi)度，以便增加進(jìn)水量達(dá)到進(jìn)水與出水的新平衡。 可消除誤差的液位自動(dòng)控制系統(tǒng)可消除誤差的液位自動(dòng)控制系統(tǒng) 工作原理如下： （1）用電位器和杠桿機(jī)構(gòu)記下液位期 望值的電位器給定值（電位器中點(diǎn)）； （2）浮子作為傳感器測(cè)量實(shí)際液位； （3）電位器和杠桿機(jī)構(gòu)計(jì)算出電位器 上對(duì)應(yīng)于期望值的給定值與對(duì)應(yīng)于實(shí)際 值的測(cè)量值之間的偏差值（電壓值）； （4）放大器與電動(dòng)機(jī)組成的校正環(huán)節(jié) 對(duì)偏差的大小和性質(zhì)進(jìn)行判斷，并據(jù)此 決定電動(dòng)機(jī)如何轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)閥門（打開(kāi)或 關(guān)閉閥門）去調(diào)節(jié)水量的大小。 （5）只要電位器和杠桿機(jī)構(gòu)比較所得的偏差不為零，則放大器與電動(dòng)機(jī)組成的 校正環(huán)節(jié)連續(xù)不斷地產(chǎn)生控制作用，即進(jìn)一步打開(kāi)或關(guān)閉

17、閥門，甚至使閥門達(dá)到 全開(kāi)或全閉狀態(tài)，使液位上升或下降，直到液位恢復(fù)到期望值為止。 1.2 自動(dòng)控制的基本原理自動(dòng)控制的基本原理 1.2 自動(dòng)控制的基本原理自動(dòng)控制的基本原理 1.2.2 開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)：系統(tǒng)的輸入與 輸出之間只有前向的信號(hào)傳遞， 而沒(méi)有反向的信號(hào)回傳。 缺點(diǎn)：開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的控制精 度和抑制干擾能力較差。 Mc恒定：ur, ua, n ur, ua, n ur 恒定：Mc, n Mc, n 1.2 自動(dòng)控制的基本原理自動(dòng)控制的基本原理 反饋：系統(tǒng)從輸出到輸入 的反向信息傳遞，這種反 向信息傳遞稱為反饋。 閉環(huán)控制系統(tǒng)：具有反饋 的系統(tǒng)因信息在系統(tǒng)內(nèi)的 傳遞形成

18、了閉合環(huán)路，稱 為閉環(huán)系統(tǒng)。 Mc恒定：ur, ue u1 ua, n, uf, ue, u1 ua, n ur 恒定：Mc, n uf, ue, u1 ua, n 開(kāi)環(huán)：開(kāi)環(huán)：?jiǎn)蜗蚩刂?，輸入和輸出單向控制，輸入和輸?間沒(méi)有聯(lián)系，系統(tǒng)輸入與輸出間沒(méi)有聯(lián)系，系統(tǒng)輸入與輸出 間沒(méi)有反饋回路。但受外界干間沒(méi)有反饋回路。但受外界干 擾小時(shí)，仍被大量使用。擾小時(shí)，仍被大量使用。 閉環(huán)：閉環(huán)：將輸出量返回到輸入端，將輸出量返回到輸入端， 形成偏差，基于偏差產(chǎn)生控制形成偏差，基于偏差產(chǎn)生控制 以減少或消除偏差。相對(duì)來(lái)看，以減少或消除偏差。相對(duì)來(lái)看， 結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本增加、存在穩(wěn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本增加、存在穩(wěn) 定

19、性問(wèn)題，但定性問(wèn)題，但具有開(kāi)環(huán)控制無(wú)具有開(kāi)環(huán)控制無(wú) 法替代的自動(dòng)糾偏功能和較高法替代的自動(dòng)糾偏功能和較高 控制精度?？刂凭?。 1.2 自動(dòng)控制的基本原理自動(dòng)控制的基本原理 1.2 自動(dòng)控制的基本原理自動(dòng)控制的基本原理 1.2.3 對(duì)反饋控制系統(tǒng)的對(duì)反饋控制系統(tǒng)的 基本要求基本要求 1穩(wěn)定性穩(wěn)定性 穩(wěn)定性是指系統(tǒng)受擾穩(wěn)定性是指系統(tǒng)受擾 動(dòng)后重新恢復(fù)平衡的動(dòng)后重新恢復(fù)平衡的 能力。能力。不穩(wěn)定的系統(tǒng)不穩(wěn)定的系統(tǒng) 一旦失去平衡就無(wú)法一旦失去平衡就無(wú)法 重新恢復(fù)，由于實(shí)際重新恢復(fù)，由于實(shí)際 應(yīng)用中擾動(dòng)是不可避應(yīng)用中擾動(dòng)是不可避 免的，因此不穩(wěn)定的免的，因此不穩(wěn)定的 系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行。系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行

20、。 穩(wěn)定衰 減過(guò)程 臨界穩(wěn)定 （也稱為 臨界不穩(wěn) 定）振蕩 過(guò)程 不穩(wěn)定發(fā) 散過(guò)程 1.2 自動(dòng)控制的基本原理自動(dòng)控制的基本原理 2快速性快速性 快速性主要是用時(shí)間衡量一個(gè)穩(wěn)快速性主要是用時(shí)間衡量一個(gè)穩(wěn) 定的系統(tǒng)對(duì)平衡狀態(tài)的恢復(fù)或跟定的系統(tǒng)對(duì)平衡狀態(tài)的恢復(fù)或跟 隨的速度。隨的速度。 影響系統(tǒng)平衡狀態(tài)的因素：影響系統(tǒng)平衡狀態(tài)的因素： 擾動(dòng)使系統(tǒng)偏離平衡，擾動(dòng)使系統(tǒng)偏離平衡， 因控制任務(wù)的需要而改變系因控制任務(wù)的需要而改變系 統(tǒng)的平衡狀態(tài)。統(tǒng)的平衡狀態(tài)。 過(guò)渡過(guò)程越短，說(shuō)明系統(tǒng)恢復(fù)平過(guò)渡過(guò)程越短，說(shuō)明系統(tǒng)恢復(fù)平 衡或跟隨新的平衡狀態(tài)的能力越衡或跟隨新的平衡狀態(tài)的能力越 強(qiáng)，快速性就越好。強(qiáng)，快速性

21、就越好。 3準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性 過(guò)渡過(guò)程結(jié)束后系統(tǒng)就過(guò)渡過(guò)程結(jié)束后系統(tǒng)就 進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，此時(shí)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，此時(shí)系統(tǒng)輸系統(tǒng)輸 出量的期望值與實(shí)際值出量的期望值與實(shí)際值 之差稱為穩(wěn)態(tài)誤差之差稱為穩(wěn)態(tài)誤差。 穩(wěn)態(tài)誤差越小，控制系穩(wěn)態(tài)誤差越小，控制系 統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度越高。統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度越高。 無(wú)差系統(tǒng)無(wú)差系統(tǒng)、有差系統(tǒng)有差系統(tǒng)。 1.2 自動(dòng)控制的基本原理自動(dòng)控制的基本原理 上述穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性三個(gè)方面往往是相互制約的。 穩(wěn)定裕度過(guò)大可能引起系統(tǒng)的快速性變差、過(guò)渡過(guò)程變長(zhǎng)； 而單純追求快速性，則可能加劇振蕩，甚至引起不穩(wěn)定。 1.3 反饋控制系統(tǒng)的組成反饋控制系統(tǒng)的組成 1.3.1 按構(gòu)成系統(tǒng)的基本元件劃分按構(gòu)成

22、系統(tǒng)的基本元件劃分 測(cè)量元件：測(cè)量系統(tǒng)的輸出量，量綱轉(zhuǎn)換。 如：熱電偶、各種傳感器，對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。 比較元件：形成參考輸入信號(hào)與測(cè)量反饋信號(hào)的偏差。 如：反向放大器、中位器連接電路等。 放大元件：對(duì)信號(hào)進(jìn)行線性放大或提供功率放大。多級(jí)放大。 如：電壓放大器等。 1.3 反饋控制系統(tǒng)的組成反饋控制系統(tǒng)的組成 校正元件：基于偏差信號(hào)按一定函數(shù)規(guī)律產(chǎn)生供執(zhí)行元件執(zhí)行的 控制命令對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和 靜態(tài)性能 如：由放大器、電阻、電容組成的具有預(yù)定傳遞函數(shù)的電路。 執(zhí)行元件：也稱執(zhí)行器。用來(lái)執(zhí)行校正元件產(chǎn)生的控制命令，以便 使被控對(duì)象的輸出按期望值變化。 如：直流伺服電動(dòng)機(jī)、交流伺服

23、電動(dòng)機(jī)、氣缸、液壓缸等。 被控對(duì)象：也稱受控對(duì)象，簡(jiǎn)稱對(duì)象。需進(jìn)行控制的設(shè)備或裝置的 工作過(guò)程 如：電動(dòng)機(jī)的控制，或反應(yīng)器、傳熱過(guò)程、燃燒過(guò)程的控制等。 1.3 反饋控制系統(tǒng)的組成反饋控制系統(tǒng)的組成 1.3.2 按系統(tǒng)內(nèi)部基本功能環(huán)節(jié)劃分按系統(tǒng)內(nèi)部基本功能環(huán)節(jié)劃分 傳感器：功能是感受被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用的信 號(hào)。當(dāng)傳感器的輸出信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)時(shí)，則稱其為變送器。 控制器：產(chǎn)生供執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行的控制信號(hào)； 執(zhí)行機(jī)構(gòu)：根據(jù)控制器發(fā)出的命令去控制或調(diào)節(jié)被控過(guò)程； 被控對(duì)象：描述系統(tǒng)從控制變量到被控變量之間的被控過(guò)程。 廣義被控對(duì)象：執(zhí)行機(jī)構(gòu)+被控對(duì)象 控制變量：可以是任何描述被控過(guò)程控制輸入

24、的物理量 廣義被控對(duì)象的控制變量：控制信號(hào)常是電信號(hào)，電壓或電流 1.3 反饋控制系統(tǒng)的組成反饋控制系統(tǒng)的組成 1.3.3 若干常用術(shù)語(yǔ)若干常用術(shù)語(yǔ) 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 由被控對(duì)象和控由被控對(duì)象和控 制器等內(nèi)部基本制器等內(nèi)部基本 功能環(huán)節(jié)按一定功能環(huán)節(jié)按一定 的結(jié)構(gòu)方式聯(lián)接，的結(jié)構(gòu)方式聯(lián)接， 為完成某種控制為完成某種控制 任務(wù)而組成的一任務(wù)而組成的一 個(gè)有機(jī)整體個(gè)有機(jī)整體 輸入信號(hào)：系統(tǒng)外部輸入的信號(hào)，也稱輸入量，如參考輸 入，外部干擾輸入，其中參考輸入也稱為給定量（值），它 是控制系統(tǒng)被控變量的反饋信號(hào)需保持或跟隨的指令輸入。 輸出信號(hào)：系統(tǒng)向外部輸出的信號(hào)，也稱輸出量，在單輸 出系統(tǒng)中，系統(tǒng)

25、的輸出信號(hào)就是被控對(duì)象的被控變量。 1.3 反饋控制系統(tǒng)的組成反饋控制系統(tǒng)的組成 擾動(dòng)信號(hào)：擾動(dòng)信號(hào)：擾動(dòng)可以是小的波動(dòng)，也可以是大的波動(dòng)，擾動(dòng)擾動(dòng)可以是小的波動(dòng)，也可以是大的波動(dòng)，擾動(dòng) 信號(hào)也稱為干擾信號(hào)。擾動(dòng)在系統(tǒng)的方塊圖中屬于外部輸入。信號(hào)也稱為干擾信號(hào)。擾動(dòng)在系統(tǒng)的方塊圖中屬于外部輸入。 反饋信號(hào)反饋信號(hào)：指對(duì)被控變量測(cè)量取出的、經(jīng)過(guò)：指對(duì)被控變量測(cè)量取出的、經(jīng)過(guò)必要的量綱轉(zhuǎn)換必要的量綱轉(zhuǎn)換 后反向回送到輸入端的信號(hào)。后反向回送到輸入端的信號(hào)。 偏差信號(hào)偏差信號(hào)：指參考輸入信號(hào)與反饋信號(hào)之差。：指參考輸入信號(hào)與反饋信號(hào)之差。 誤差信號(hào)誤差信號(hào)：指系統(tǒng)輸出量的期望值與實(shí)際值之差。由于偏差

26、：指系統(tǒng)輸出量的期望值與實(shí)際值之差。由于偏差 信號(hào)與誤差信號(hào)之間存在確定對(duì)應(yīng)關(guān)系，故兩者經(jīng)過(guò)量綱換信號(hào)與誤差信號(hào)之間存在確定對(duì)應(yīng)關(guān)系，故兩者經(jīng)過(guò)量綱換 算是等價(jià)的。本書中誤差信號(hào)采用在輸入端的定義，因此，算是等價(jià)的。本書中誤差信號(hào)采用在輸入端的定義，因此， 若不加說(shuō)明誤差信號(hào)即指偏差信號(hào)若不加說(shuō)明誤差信號(hào)即指偏差信號(hào)。 1.3 反饋控制系統(tǒng)的組成反饋控制系統(tǒng)的組成 控制信號(hào)控制信號(hào)：指控制器或者校正元件的輸出信號(hào)，它是控制：指控制器或者校正元件的輸出信號(hào)，它是控制 器或者校正元件按一定控制規(guī)律產(chǎn)生的控制指令器或者校正元件按一定控制規(guī)律產(chǎn)生的控制指令 控制變量：控制變量：簡(jiǎn)稱控制量，指被控對(duì)象（

27、被控過(guò)程）的控制簡(jiǎn)稱控制量，指被控對(duì)象（被控過(guò)程）的控制 輸入變量。輸入變量。 被控變量被控變量：簡(jiǎn)稱被控量，指被控對(duì)象輸出需按控制要求變：簡(jiǎn)稱被控量，指被控對(duì)象輸出需按控制要求變 化的物理量，在單輸出系統(tǒng)中，也就是系統(tǒng)得輸出量?；奈锢砹?，在單輸出系統(tǒng)中，也就是系統(tǒng)得輸出量。 控制通道：控制通道：控制變量通過(guò)被控對(duì)象（被控過(guò)程）到控制系控制變量通過(guò)被控對(duì)象（被控過(guò)程）到控制系 統(tǒng)輸出的通道。統(tǒng)輸出的通道。 干擾通道干擾通道：干擾信號(hào)通過(guò)被控對(duì)象到系統(tǒng)輸出的通道。：干擾信號(hào)通過(guò)被控對(duì)象到系統(tǒng)輸出的通道。 1.3 反饋控制系統(tǒng)的組成反饋控制系統(tǒng)的組成 分析：分析：把研究對(duì)象分成較簡(jiǎn)單的組成部分，

28、找出這些部分的本把研究對(duì)象分成較簡(jiǎn)單的組成部分，找出這些部分的本 質(zhì)屬性和彼此之間的關(guān)系。質(zhì)屬性和彼此之間的關(guān)系。 控制系統(tǒng)的分析是一種動(dòng)態(tài)分析，即視研究對(duì)象為演化的系統(tǒng)。 一般是先建立描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型，這樣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)已 確定，而結(jié)構(gòu)參數(shù)或參數(shù)范圍已確定，然后采用數(shù)學(xué)工具作為主 要手段對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行分析。 綜合：綜合：綜合是分析的反義詞。一般地說(shuō)，綜合就是將已有的關(guān)綜合是分析的反義詞。一般地說(shuō)，綜合就是將已有的關(guān) 于研究對(duì)象各個(gè)部分的認(rèn)識(shí)聯(lián)結(jié)起來(lái)，形成對(duì)研究對(duì)象的統(tǒng)一于研究對(duì)象各個(gè)部分的認(rèn)識(shí)聯(lián)結(jié)起來(lái)，形成對(duì)研究對(duì)象的統(tǒng)一 整體認(rèn)識(shí)。整體認(rèn)識(shí)。 控制系統(tǒng)的綜合是指根據(jù)一定任務(wù)，利

29、用系統(tǒng)分析的真知灼見(jiàn)， 找出能夠滿足性能指標(biāo)的控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)和參數(shù)配置。 反饋控制系統(tǒng)中，當(dāng)被控對(duì)象，執(zhí)行機(jī)構(gòu)和傳感器確定后，控制 系統(tǒng)的綜合主要是建立控制器數(shù)學(xué)模型，解決控制器參數(shù)配置或 者參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題，以滿足整個(gè)控制系統(tǒng)的定量性能指標(biāo)。 1.3 反饋控制系統(tǒng)的組成反饋控制系統(tǒng)的組成 校正：校正：在形成基本的控制系統(tǒng)或者確定了廣義控制對(duì)在形成基本的控制系統(tǒng)或者確定了廣義控制對(duì) 象和相應(yīng)的傳感器數(shù)學(xué)模型之后，基于經(jīng)典控制理論象和相應(yīng)的傳感器數(shù)學(xué)模型之后，基于經(jīng)典控制理論 所進(jìn)行的校正裝置設(shè)計(jì)工作。所進(jìn)行的校正裝置設(shè)計(jì)工作。 校正的另一個(gè)含義類似控制一詞，如：校正器。校正的另一個(gè)含義類似控制一

30、詞，如：校正器。 設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)：指控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)而非工程設(shè)計(jì)。控制系統(tǒng)的指控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)而非工程設(shè)計(jì)?？刂葡到y(tǒng)的 設(shè)計(jì)就是針對(duì)一個(gè)給定的控制任務(wù)，利用控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就是針對(duì)一個(gè)給定的控制任務(wù)，利用控制系統(tǒng)的 分析與綜合方法，通過(guò)一系列反復(fù)的選擇、評(píng)判和優(yōu)分析與綜合方法，通過(guò)一系列反復(fù)的選擇、評(píng)判和優(yōu) 化，完成構(gòu)造一個(gè)控制系統(tǒng)的逐步試探過(guò)程?；?，完成構(gòu)造一個(gè)控制系統(tǒng)的逐步試探過(guò)程。 1.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類 1.4.1 按參考輸入信號(hào)特征分類按參考輸入信號(hào)特征分類 1恒值控制系統(tǒng)恒值控制系統(tǒng) 參考輸入信號(hào)為恒定值，控制系統(tǒng)的任務(wù)就是參考輸入信號(hào)為恒定值，控制系統(tǒng)的任務(wù)就是保持某

31、保持某 個(gè)被控量為一個(gè)給定的期望恒值個(gè)被控量為一個(gè)給定的期望恒值上。如：溫度、水位上。如：溫度、水位 控制等。控制等。 2隨動(dòng)控制系統(tǒng)隨動(dòng)控制系統(tǒng) 隨動(dòng)控制系統(tǒng)一般習(xí)慣稱為隨動(dòng)系統(tǒng)或伺服系統(tǒng)。此隨動(dòng)控制系統(tǒng)一般習(xí)慣稱為隨動(dòng)系統(tǒng)或伺服系統(tǒng)。此 類系統(tǒng)的類系統(tǒng)的參考輸入信號(hào)是預(yù)先未知的隨時(shí)間變化的任參考輸入信號(hào)是預(yù)先未知的隨時(shí)間變化的任 意函數(shù)意函數(shù)。隨動(dòng)系統(tǒng)的任務(wù)就是使系統(tǒng)的被控量以一定。隨動(dòng)系統(tǒng)的任務(wù)就是使系統(tǒng)的被控量以一定 精度精度跟隨參考輸入信號(hào)的變化跟隨參考輸入信號(hào)的變化。 如：高射炮隨動(dòng)系統(tǒng)。如：高射炮隨動(dòng)系統(tǒng)。 1.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類 3程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)

32、 程序控制系統(tǒng)的參考輸入程序控制系統(tǒng)的參考輸入 信號(hào)是信號(hào)是預(yù)先設(shè)定的函數(shù)曲預(yù)先設(shè)定的函數(shù)曲 線線。 如：熱處理爐溫度的升溫、如：熱處理爐溫度的升溫、 保溫和降溫過(guò)程的控制，保溫和降溫過(guò)程的控制， 生產(chǎn)過(guò)程中的化學(xué)反應(yīng)器生產(chǎn)過(guò)程中的化學(xué)反應(yīng)器 開(kāi)停車過(guò)程中的升溫、保開(kāi)停車過(guò)程中的升溫、保 溫和降溫曲線控制溫和降溫曲線控制 。 溫度上升預(yù)定曲線 1.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類 1.4.2 按系統(tǒng)環(huán)節(jié)間信號(hào)傳按系統(tǒng)環(huán)節(jié)間信號(hào)傳 遞形式分類遞形式分類 1連續(xù)系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng) ：信號(hào)傳：信號(hào)傳 遞均為時(shí)間的連續(xù)函數(shù)遞均為時(shí)間的連續(xù)函數(shù) 2離散系統(tǒng)離散系統(tǒng) ：至少一：至少一 個(gè)信號(hào)傳遞為脈沖序

33、列個(gè)信號(hào)傳遞為脈沖序列 或數(shù)字編碼形式或數(shù)字編碼形式 3網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)：典型的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)是指控 制器到執(zhí)行器以及傳感器到控制器之間的信號(hào)傳遞是通 過(guò)數(shù)據(jù)包計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 采樣過(guò)程 1.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類 1.4.3 按描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)方程分類按描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)方程分類 1線性系統(tǒng)線性系統(tǒng) ：可以采用線性微分方程來(lái)描述的系統(tǒng)：可以采用線性微分方程來(lái)描述的系統(tǒng) 2非線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)：非線性系統(tǒng)中一般均包含非線性元件：非線性系統(tǒng)中一般均包含非線性元件 3定常系統(tǒng)定常系統(tǒng)：系統(tǒng)中不含參數(shù)隨時(shí)間變化的元件：系統(tǒng)中不含參數(shù)隨時(shí)間變化的元件 4時(shí)變系統(tǒng)時(shí)變系統(tǒng)：系統(tǒng)中含參數(shù)隨時(shí)間

34、變化的元件：系統(tǒng)中含參數(shù)隨時(shí)間變化的元件 1.5 控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例三則控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例三則 1.蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng) 工作原理：工作原理： 蒸汽機(jī)帶動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)蒸汽機(jī)帶動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng) 圓錐齒輪減速帶動(dòng)一對(duì)飛錘作水圓錐齒輪減速帶動(dòng)一對(duì)飛錘作水 平旋轉(zhuǎn)平旋轉(zhuǎn) 飛錘通過(guò)鉸鏈帶動(dòng)套筒上、下滑飛錘通過(guò)鉸鏈帶動(dòng)套筒上、下滑 動(dòng)撥動(dòng)杠桿的一端動(dòng)撥動(dòng)杠桿的一端 杠桿另一端通過(guò)連桿調(diào)節(jié)供汽閥杠桿另一端通過(guò)連桿調(diào)節(jié)供汽閥 門的開(kāi)度門的開(kāi)度 蒸汽機(jī)：蒸汽機(jī)的轉(zhuǎn)速保持在期望值附近 平衡：飛錘旋轉(zhuǎn)，套筒保持某高度，閥門處于一個(gè)平衡位置 當(dāng)出現(xiàn)不平衡時(shí)： 負(fù)載, 轉(zhuǎn)速， 圓錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng) ,飛錘速度 , 套筒位置

35、,杠桿右 端,蒸汽閥門，轉(zhuǎn)速。 負(fù)載, 轉(zhuǎn)速， 圓錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng) ,飛錘速度 , 套筒位置 ,杠桿右 端,蒸汽閥門 ，轉(zhuǎn)速。 1.5 控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例三則控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例三則 2.加熱爐溫度控制系統(tǒng) 保持爐溫T恒定： 由于擾動(dòng)，當(dāng)爐溫T， uf , ue, u1, ua, 加熱 電阻絲電壓 , T。 1.5 控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例三則控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例三則 3.角位置隨動(dòng)系統(tǒng) 旋轉(zhuǎn)負(fù)載的角位置 o快速跟隨期望角 位置i : i ，ur, ur -uf = ue, u1, ua, o. 1.6 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述 1.7 本書內(nèi)容安排本書內(nèi)容安排 第一部分：反饋控制系統(tǒng)的建模、穩(wěn)定性與特性第一部分：反饋控制系統(tǒng)的建模、穩(wěn)定性與特性 1 全書緒論：控制理論發(fā)展簡(jiǎn)史、自控系統(tǒng)基本原理、類全書緒論：控制理論發(fā)展簡(jiǎn)史、自控系統(tǒng)基本原理、類 別、對(duì)控制系統(tǒng)的要求別、對(duì)控制系統(tǒng)的要求(穩(wěn)快準(zhǔn)穩(wěn)快準(zhǔn))、設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的基本、設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的基本 步驟；步驟； 2 建立控制系統(tǒng)的建立控制系統(tǒng)的微分方程模型微分方程模型、傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)、結(jié)構(gòu)圖、信、結(jié)構(gòu)圖、信 號(hào)流圖、幾種號(hào)流圖、幾種模型間的轉(zhuǎn)換模型間的轉(zhuǎn)換； 3 反饋