第一章自動(dòng)控制的一般概念

1、第一章第一章 自動(dòng)控制自動(dòng)控制概論概論v自動(dòng)化（自動(dòng)化（AutomationAutomation） 是指機(jī)器或裝置在無(wú)人干預(yù)的情況下按規(guī)定的程序或是指機(jī)器或裝置在無(wú)人干預(yù)的情況下按規(guī)定的程序或指令自動(dòng)地進(jìn)行操作或運(yùn)行，脫離具體物理對(duì)象而去指令自動(dòng)地進(jìn)行操作或運(yùn)行，脫離具體物理對(duì)象而去研究自動(dòng)化是毫無(wú)意義的。研究自動(dòng)化是毫無(wú)意義的。 自動(dòng)化自動(dòng)化是延伸人類體能和智能、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)是延伸人類體能和智能、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)。品質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)。v控制控制（ControlControl） 是人們?yōu)閷?shí)現(xiàn)所要達(dá)到的目標(biāo)而采用的方法與手段，是人們?yōu)閷?shí)現(xiàn)所要達(dá)到的目標(biāo)而采用的方法與手段，因

2、而可以脫離具體物理對(duì)象而去研究控制。因而可以脫離具體物理對(duì)象而去研究控制。相應(yīng)的控相應(yīng)的控制論可分為工程控制論、社會(huì)控制論、經(jīng)濟(jì)控制論、制論可分為工程控制論、社會(huì)控制論、經(jīng)濟(jì)控制論、生物控制論等。生物控制論等。2.2.自動(dòng)化的含義自動(dòng)化的含義自動(dòng)控制是一門不斷發(fā)展的、綜合性的技術(shù)科學(xué)自動(dòng)控制是一門不斷發(fā)展的、綜合性的技術(shù)科學(xué)涉及到的學(xué)科涉及到的學(xué)科: : 物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)、人工智能、信息物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)、人工智能、信息論、生命科學(xué)以及社會(huì)科學(xué)。論、生命科學(xué)以及社會(huì)科學(xué)。 控制技術(shù)的運(yùn)用從工業(yè)控制已進(jìn)入到生物控制、控制技術(shù)的運(yùn)用從工業(yè)控制已進(jìn)入到生物控制、醫(yī)學(xué)、環(huán)境控制、社會(huì)經(jīng)濟(jì)

3、、人口控制等各個(gè)領(lǐng)域。醫(yī)學(xué)、環(huán)境控制、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、人口控制等各個(gè)領(lǐng)域。 自動(dòng)化專業(yè)自動(dòng)化專業(yè)的主干學(xué)科為的主干學(xué)科為: : 控制科學(xué)與工程，控制科學(xué)與工程，并與電氣工程、信息與通信工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技并與電氣工程、信息與通信工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、儀器科學(xué)與技術(shù)等學(xué)科相關(guān)。術(shù)、儀器科學(xué)與技術(shù)等學(xué)科相關(guān)。我國(guó)首批設(shè)立的專業(yè)：工業(yè)電氣自動(dòng)化我國(guó)首批設(shè)立的專業(yè)：工業(yè)電氣自動(dòng)化 國(guó)防院校：國(guó)防院校： 自動(dòng)控制自動(dòng)控制自自動(dòng)動(dòng)化化我國(guó)自動(dòng)化學(xué)科專業(yè)領(lǐng)域包括：我國(guó)自動(dòng)化學(xué)科專業(yè)領(lǐng)域包括：1 1個(gè)一級(jí)學(xué)科、個(gè)一級(jí)學(xué)科、5 5個(gè)二級(jí)學(xué)科，即個(gè)二級(jí)學(xué)科，即0811 0811 控制科學(xué)與工程控制科學(xué)與工程 0811

4、01 081101 控制理論與控制工程控制理論與控制工程 081102 081102 檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置 081103 081103 系統(tǒng)工程系統(tǒng)工程 081104 081104 模式識(shí)別與智能系統(tǒng)模式識(shí)別與智能系統(tǒng) 081105 081105 導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理課程介紹課程介紹v先修課程：先修課程：工程數(shù)學(xué)工程數(shù)學(xué)/信號(hào)與系統(tǒng)信號(hào)與系統(tǒng)v教學(xué)內(nèi)容：教學(xué)內(nèi)容：利用各種數(shù)學(xué)方法對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行分利用各種數(shù)學(xué)方法對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)析和設(shè)計(jì)v實(shí)踐環(huán)節(jié)：實(shí)踐環(huán)節(jié)：控制方法的控制方法的MATLAB軟件實(shí)現(xiàn)軟件實(shí)現(xiàn)1. 省略數(shù)學(xué)證明省略數(shù)學(xué)證

5、明2. 淡化解題技巧淡化解題技巧補(bǔ)充內(nèi)容：補(bǔ)充內(nèi)容： MATLAB MATLAB控制類工具箱的使用控制類工具箱的使用配套教材配套教材:v胡壽松胡壽松 . . 自動(dòng)控制原理基礎(chǔ)教程自動(dòng)控制原理基礎(chǔ)教程科學(xué)出版社科學(xué)出版社 ,2013.,2013.v胡壽松胡壽松 . . 自動(dòng)控制原理簡(jiǎn)明教程（第自動(dòng)控制原理簡(jiǎn)明教程（第2版）版）科學(xué)出版社科學(xué)出版社 ,2008.,2008.教材教材:v胡壽松胡壽松 . . 自動(dòng)控制原理（第自動(dòng)控制原理（第6版）版）科學(xué)出版社科學(xué)出版社 ,2013.,2013.參考書目參考書目:v王正林王正林. .MATLAB/SimulinkMATLAB/Simulink與控與控

6、制系統(tǒng)仿真制系統(tǒng)仿真 ( (第第3 3版版) ) 電子工業(yè)電子工業(yè)出版社出版社 ,2012.,2012.v 薛定宇薛定宇. . 控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)MATLABMATLAB語(yǔ)言與應(yīng)用語(yǔ)言與應(yīng)用( (第第3 3版版) ) 清華大學(xué)出版社清華大學(xué)出版社,2012.,2012.考核形式考核形式:上課情況上課情況(20分分)+作業(yè)作業(yè)(20分分)+實(shí)踐測(cè)試實(shí)踐測(cè)試(30分分)+期末考試期末考試(30分分)v古典（經(jīng)典）控制理論古典（經(jīng)典）控制理論 自動(dòng)控制原理（理論）自動(dòng)控制原理（理論） （17871960） 以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)研究單以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)研究單輸入單輸出定常控制系輸入

7、單輸出定?？刂葡到y(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問(wèn)題。這統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問(wèn)題。這些理論由于其發(fā)展較早，些理論由于其發(fā)展較早，現(xiàn)已臻成熟?，F(xiàn)已臻成熟。v現(xiàn)代（近代）控制理論現(xiàn)代（近代）控制理論 （19601980） 以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究多以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究多輸入多輸出控制系統(tǒng)的分輸入多輸出控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問(wèn)題。系統(tǒng)具有高析與設(shè)計(jì)問(wèn)題。系統(tǒng)具有高精度和高效能的特點(diǎn)。精度和高效能的特點(diǎn)。 最優(yōu)控制最優(yōu)控制 、自適應(yīng)控制、自適應(yīng)控制 計(jì)算機(jī)控制、系統(tǒng)辨識(shí)計(jì)算機(jī)控制、系統(tǒng)辨識(shí)v智能控制理論（智能控制理論（1980） 以人工智能為基礎(chǔ)，研究復(fù)雜對(duì)象（車間、工廠、集以人工智能為基礎(chǔ)，研究復(fù)雜對(duì)象（車間、工廠、集團(tuán)

8、）、復(fù)雜任務(wù)、復(fù)雜環(huán)境。團(tuán)）、復(fù)雜任務(wù)、復(fù)雜環(huán)境。 管理和控制一體化管理和控制一體化:計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，復(fù)雜控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，復(fù)雜控制系統(tǒng)1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念自動(dòng)控制自動(dòng)控制，是指在沒(méi)有人直接參與的情況下，利，是指在沒(méi)有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱為控制器或控制裝置），用外加的設(shè)備或裝置（稱為控制器或控制裝置），使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程（統(tǒng)稱被控對(duì)象）的某使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程（統(tǒng)稱被控對(duì)象）的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)（統(tǒng)稱被控量）自動(dòng)地按照預(yù)個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)（統(tǒng)稱被控量）自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。定的規(guī)律運(yùn)行。自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)，是指

9、能夠?qū)Ρ豢刂茖?duì)象的工作狀是指能夠?qū)Ρ豢刂茖?duì)象的工作狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)控制的系統(tǒng)。態(tài)進(jìn)行自動(dòng)控制的系統(tǒng)?？刂破鞅豢貙?duì)象r(t)c(t)1.2.1 反饋控制原理反饋控制原理 在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，被控量是要求嚴(yán)格加以在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，被控量是要求嚴(yán)格加以控制的物理量；而作為對(duì)被控對(duì)象施加控制作用控制的物理量；而作為對(duì)被控對(duì)象施加控制作用的控制裝置，可以采用不同的原理和方式完成賦的控制裝置，可以采用不同的原理和方式完成賦予的任務(wù)。其中，最基本的控制原理就是予的任務(wù)。其中，最基本的控制原理就是反饋控反饋控制原理制原理。基于反饋控制原理組成的控制系統(tǒng)被稱基于反饋控制原理組成的控制系統(tǒng)被稱為為反饋控制系統(tǒng)反饋控制系

10、統(tǒng)。 在反饋控制系統(tǒng)中，控制裝置對(duì)被控對(duì)象施在反饋控制系統(tǒng)中，控制裝置對(duì)被控對(duì)象施加控制作用，而控制裝置接受的信號(hào)是取自被控加控制作用，而控制裝置接受的信號(hào)是取自被控量的反饋信號(hào)與給定值相比較生成的偏差，量的反饋信號(hào)與給定值相比較生成的偏差，根據(jù)根據(jù)偏差值的大小產(chǎn)生控制作用偏差值的大小產(chǎn)生控制作用，實(shí)現(xiàn)控制任務(wù)。，實(shí)現(xiàn)控制任務(wù)。 實(shí)際行駛方向預(yù)期行駛方向圖圖1.1 汽車駕駛控制原理框圖汽車駕駛控制原理框圖測(cè)量測(cè)量預(yù)期預(yù)期路線路線大腦大腦方向盤方向盤汽車汽車實(shí)際實(shí)際路線路線眼睛和其他眼睛和其他感覺(jué)器官感覺(jué)器官手手圖圖1.2 汽車駕駛控制原理框圖汽車駕駛控制原理框圖 1.2.21.2.2控制系統(tǒng)的

11、基本組成控制系統(tǒng)的基本組成圖圖1.3 控制系統(tǒng)職能方框圖控制系統(tǒng)職能方框圖 比較比較執(zhí)行執(zhí)行測(cè)量測(cè)量被控對(duì)象被控對(duì)象實(shí)測(cè)值實(shí)測(cè)值干擾干擾測(cè)量測(cè)量給定值給定值被控量被控量控制器控制器應(yīng)具有三種基本職能，即應(yīng)具有三種基本職能，即測(cè)量測(cè)量、比較比較和和執(zhí)行執(zhí)行。 1. 測(cè)量元件測(cè)量元件的職能是檢測(cè)被控制的物理量，如果所的職能是檢測(cè)被控制的物理量，如果所測(cè)量的物理量為非電量，一般要將其轉(zhuǎn)換為電量。測(cè)量的物理量為非電量，一般要將其轉(zhuǎn)換為電量。 2. 比較元件比較元件的職能的職能是將測(cè)量元件檢測(cè)到的被控量的是將測(cè)量元件檢測(cè)到的被控量的實(shí)際值與給定值相比較，計(jì)算求出二者間的偏差。實(shí)際值與給定值相比較，計(jì)算求

12、出二者間的偏差。3. 放大元件放大元件的職能是的職能是將比較元件給出的偏差信號(hào)將比較元件給出的偏差信號(hào)放大，以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件去控制被控對(duì)象。放大，以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件去控制被控對(duì)象。4. 執(zhí)行元件執(zhí)行元件的職能是的職能是直接推動(dòng)被控對(duì)象，使被控量直接推動(dòng)被控對(duì)象，使被控量發(fā)生變化發(fā)生變化 。1.2.3 技術(shù)術(shù)語(yǔ)技術(shù)術(shù)語(yǔ)1. 被控對(duì)象被控對(duì)象:是指要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的機(jī)器、設(shè)是指要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程。備或生產(chǎn)過(guò)程。3. 控制器：控制器：又稱調(diào)節(jié)器、控制裝置，由控制元又稱調(diào)節(jié)器、控制裝置，由控制元件組成，它接受指令信號(hào)，輸出控制作用信號(hào)件組成，它接受指令信號(hào)，輸出控制作用信號(hào)于被控對(duì)象。于

13、被控對(duì)象。2. 被控量：被控量：表征被控對(duì)象工作狀態(tài)的物理參量表征被控對(duì)象工作狀態(tài)的物理參量(或狀態(tài)參量或狀態(tài)參量)，如轉(zhuǎn)速、壓力、溫度、電壓、位，如轉(zhuǎn)速、壓力、溫度、電壓、位移等。移等。4. 給定值或指令信號(hào)給定值或指令信號(hào)r(t)：要求控制系統(tǒng)按一定要求控制系統(tǒng)按一定規(guī)律變化的信號(hào)，是系統(tǒng)的輸入信號(hào)。規(guī)律變化的信號(hào)，是系統(tǒng)的輸入信號(hào)。5. 干擾信號(hào)干擾信號(hào)n(t)：又稱擾動(dòng)值，是一種對(duì)系統(tǒng)的又稱擾動(dòng)值，是一種對(duì)系統(tǒng)的被控量起破壞作用的信號(hào)。被控量起破壞作用的信號(hào)。6. 反饋信號(hào)反饋信號(hào)b(t)：是指被控量經(jīng)測(cè)量元件檢測(cè)后是指被控量經(jīng)測(cè)量元件檢測(cè)后回饋送到系統(tǒng)輸入端的信號(hào)。回饋送到系統(tǒng)輸入端

14、的信號(hào)。7. 偏差信號(hào)偏差信號(hào)e(t)：是指給定值與被控量的差值，是指給定值與被控量的差值，或指令信號(hào)與反饋信號(hào)的差值?；蛑噶钚盘?hào)與反饋信號(hào)的差值。液位控制系統(tǒng)液位控制系統(tǒng)控制器控制器減速器減速器電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)電位器電位器浮子浮子用水開(kāi)關(guān)用水開(kāi)關(guān)Q2Q1cifSM 下面通過(guò)具體例子來(lái)說(shuō)明自動(dòng)控制和自動(dòng)控制下面通過(guò)具體例子來(lái)說(shuō)明自動(dòng)控制和自動(dòng)控制系統(tǒng)的概念系統(tǒng)的概念控制任務(wù)：控制任務(wù)：維持水箱內(nèi)水位恒定維持水箱內(nèi)水位恒定控制裝置：控制裝置：閥門、控制器閥門、控制器受控對(duì)象：受控對(duì)象：水箱、供水系統(tǒng)水箱、供水系統(tǒng)被控量：被控量：水箱內(nèi)水位的高度水箱內(nèi)水位的高度給定值給定值：控制器刻度盤指針標(biāo)定控制器

15、刻度盤指針標(biāo)定的預(yù)定水位高度的預(yù)定水位高度測(cè)量裝置測(cè)量裝置：浮子浮子比較裝置比較裝置：控制器刻度盤控制器刻度盤干擾：干擾：水的流出量和流入量的水的流出量和流入量的變化都將破壞水位保持變化都將破壞水位保持恒定恒定自動(dòng)控制，即沒(méi)有人直接參與的控制。其基本任務(wù)是：自動(dòng)控制，即沒(méi)有人直接參與的控制。其基本任務(wù)是：在無(wú)人直接參與的情況下，利用控制裝置操縱被控對(duì)在無(wú)人直接參與的情況下，利用控制裝置操縱被控對(duì)象，使被控制量等于給定值。象，使被控制量等于給定值。自動(dòng)控制系統(tǒng)：指能夠完成自動(dòng)控制任務(wù)的設(shè)備，一般由控制裝置控制裝置和被控對(duì)象被控對(duì)象組成。由此可見(jiàn)：由此可見(jiàn)：1.3.1 1.3.1 開(kāi)環(huán)控制開(kāi)環(huán)控制

16、 1. 按給定值控制按給定值控制 執(zhí)行被控對(duì)象計(jì)算給定值被控量干擾+圖圖1.4 開(kāi)環(huán)控制框圖開(kāi)環(huán)控制框圖1.3 自動(dòng)控制的基本方式自動(dòng)控制的基本方式 溫度計(jì)溫度計(jì) 加熱電阻絲加熱電阻絲調(diào)壓器調(diào)壓器u(a) 原理圖原理圖220V輸出量輸出量 (手柄位置手柄位置)輸入量輸入量 調(diào)壓器調(diào)壓器 加熱加熱 電阻絲電阻絲 電爐電爐 恒溫箱恒溫箱 受控對(duì)象受控對(duì)象( (溫度溫度) )擾動(dòng)量擾動(dòng)量(b) 方塊圖方塊圖控制裝置控制裝置爐溫控制系統(tǒng)爐溫控制系統(tǒng) 按給定值操縱的開(kāi)環(huán)控制按給定值操縱的開(kāi)環(huán)控制特點(diǎn)：特點(diǎn)：控制裝置只按給定值來(lái)控制受控對(duì)象?？刂蒲b置只按給定值來(lái)控制受控對(duì)象。優(yōu)點(diǎn)：控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，相對(duì)來(lái)

17、說(shuō)成本低。優(yōu)點(diǎn)：控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，相對(duì)來(lái)說(shuō)成本低。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：對(duì)可能出現(xiàn)的被控量偏離給定值的偏差沒(méi)有任何修正能力，抗干擾能力差，控制精度不高。1.3.2 1.3.2 閉環(huán)控制閉環(huán)控制 圖圖1.5 閉環(huán)控制框圖閉環(huán)控制框圖 v用用“”號(hào)代表比較裝置，號(hào)代表比較裝置，“”號(hào)代表兩者符號(hào)相反。信號(hào)號(hào)代表兩者符號(hào)相反。信號(hào)沿箭頭方向從輸入端到達(dá)輸出端的傳輸通路稱沿箭頭方向從輸入端到達(dá)輸出端的傳輸通路稱前向通路前向通路；系統(tǒng)；系統(tǒng)輸出量經(jīng)測(cè)量裝置反饋到輸入端的傳輸通路稱輸出量經(jīng)測(cè)量裝置反饋到輸入端的傳輸通路稱主反饋通路主反饋通路。前。前向通路與主反饋通路共同構(gòu)成主回路。向通路與主反饋通路共同構(gòu)成主回路。

18、被控量被控量偏差偏差信號(hào)信號(hào) (- -) 參考參考 輸入信號(hào)輸入信號(hào)r(t) 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器(或控制器或控制器)u(t)受控系統(tǒng)受控系統(tǒng)e(t) c(t)反饋信號(hào)反饋信號(hào) 控制量控制量 擾動(dòng)擾動(dòng) 給定給定 裝置裝置 校正校正 裝置裝置 放大放大 元件元件 執(zhí)行執(zhí)行 機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu) 受控受控 對(duì)象對(duì)象 反饋裝置反饋裝置 (測(cè)量元件測(cè)量元件)給定裝置：給定裝置：產(chǎn)生給定值或輸入信號(hào)（量）（即參考量或期望值）產(chǎn)生給定值或輸入信號(hào)（量）（即參考量或期望值）測(cè)量裝置：測(cè)量裝置：測(cè)量被控制的物理量（被控量），用于產(chǎn)生反饋信號(hào)測(cè)量被控制的物理量（被控量），用于產(chǎn)生反饋信號(hào) 各種傳感器：測(cè)速發(fā)電機(jī)、電位計(jì)、熱電偶等。

19、各種傳感器：測(cè)速發(fā)電機(jī)、電位計(jì)、熱電偶等。比較裝置：比較裝置：把測(cè)量元件檢測(cè)的實(shí)際值（被控量）與給定元件把測(cè)量元件檢測(cè)的實(shí)際值（被控量）與給定元件 給出的參考量進(jìn)行比較，求出它們之間的偏差。給出的參考量進(jìn)行比較，求出它們之間的偏差。 如差動(dòng)放大器、自整角機(jī)。如差動(dòng)放大器、自整角機(jī)。放大裝置：放大裝置：將比較元件給出的偏差進(jìn)行放大，用來(lái)推動(dòng)執(zhí)行元件將比較元件給出的偏差進(jìn)行放大，用來(lái)推動(dòng)執(zhí)行元件 去控制被控對(duì)象，如放大器、晶閘管。去控制被控對(duì)象，如放大器、晶閘管。執(zhí)行機(jī)構(gòu)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)：直接推動(dòng)被控對(duì)象，使其被控量發(fā)生變化。直接推動(dòng)被控對(duì)象，使其被控量發(fā)生變化。 如步進(jìn)電機(jī)，繼電器開(kāi)關(guān)。如步進(jìn)電機(jī)，繼

20、電器開(kāi)關(guān)。補(bǔ)償裝置：補(bǔ)償裝置：它是結(jié)構(gòu)或參數(shù)便于調(diào)整的元件或機(jī)構(gòu)，用串聯(lián)或它是結(jié)構(gòu)或參數(shù)便于調(diào)整的元件或機(jī)構(gòu)，用串聯(lián)或 反饋的方式連接在系統(tǒng)中，以改善控制系統(tǒng)性能。反饋的方式連接在系統(tǒng)中，以改善控制系統(tǒng)性能。工業(yè)應(yīng)用的控制系統(tǒng)：電動(dòng)、汽（氣）動(dòng)、液動(dòng)。工業(yè)應(yīng)用的控制系統(tǒng)：電動(dòng)、汽（氣）動(dòng)、液動(dòng)?？刂迫蝿?wù)控制任務(wù)：保持轉(zhuǎn)臺(tái)的實(shí)際轉(zhuǎn)速等于期望轉(zhuǎn)速。被控對(duì)象被控對(duì)象：轉(zhuǎn)臺(tái)。被控量被控量：轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速。 例例 轉(zhuǎn)臺(tái)速度控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)速度控制系統(tǒng) 轉(zhuǎn)臺(tái)速度閉環(huán)控制系統(tǒng)原理方框圖轉(zhuǎn)臺(tái)速度閉環(huán)控制系統(tǒng)原理方框圖 給定電位器給定電位器反饋電位器反饋電位器例例 飛機(jī)飛機(jī)-自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)飛機(jī)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)原

21、理圖控制任務(wù)控制任務(wù)：系統(tǒng)在任何擾動(dòng)作用下，保持飛機(jī)俯仰角不變。系統(tǒng)在任何擾動(dòng)作用下，保持飛機(jī)俯仰角不變。被控對(duì)象被控對(duì)象：飛機(jī)。飛機(jī)。被控量被控量：飛機(jī)的俯仰角飛機(jī)的俯仰角 。 俯仰角控制系統(tǒng)原理方框圖俯仰角控制系統(tǒng)原理方框圖函數(shù)記錄儀原理示意圖函數(shù)記錄儀原理示意圖RQRWuLtur變換器變換器放大器放大器繩輪繩輪電機(jī)電機(jī)測(cè)速機(jī)測(cè)速機(jī)減速器減速器函數(shù)記錄儀方塊圖1.3.3.1.3.3.復(fù)合控制復(fù)合控制 執(zhí)行被控對(duì)象計(jì)算給定值測(cè)量被控量干擾+-測(cè)量計(jì)算圖圖1.6 復(fù)合控制框圖復(fù)合控制框圖 v定義：通常把系統(tǒng)受到外作用后，被控量隨時(shí)間定義：通常把系統(tǒng)受到外作用后，被控量隨時(shí)間變化的全過(guò)程，稱為動(dòng)

22、態(tài)過(guò)程或過(guò)渡過(guò)程。變化的全過(guò)程，稱為動(dòng)態(tài)過(guò)程或過(guò)渡過(guò)程。工程上常從穩(wěn)、快、準(zhǔn)三個(gè)方面來(lái)評(píng)價(jià)控制系統(tǒng)。工程上常從穩(wěn)、快、準(zhǔn)三個(gè)方面來(lái)評(píng)價(jià)控制系統(tǒng)。 穩(wěn)：穩(wěn)： 指控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與平穩(wěn)性。指控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與平穩(wěn)性。 快：快： 指控制系統(tǒng)的快速性。指控制系統(tǒng)的快速性。 準(zhǔn)：準(zhǔn)： 指控制系統(tǒng)的最終精度（穩(wěn)態(tài)精度）。指控制系統(tǒng)的最終精度（穩(wěn)態(tài)精度）。 1.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求 1 1 穩(wěn)定性穩(wěn)定性 穩(wěn)定性穩(wěn)定性是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。 對(duì)于穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，被控量偏離期望值后，經(jīng)過(guò)一對(duì)于穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，被控量偏離期望值后，經(jīng)過(guò)一段過(guò)

23、渡時(shí)間后，被控量應(yīng)恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài)。段過(guò)渡時(shí)間后，被控量應(yīng)恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài)。 對(duì)于不穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，其被控量偏離期望值的偏差對(duì)于不穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，其被控量偏離期望值的偏差將會(huì)越來(lái)越大，最終發(fā)散將會(huì)越來(lái)越大，最終發(fā)散。Otc(t)r(t)12 控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程曲線控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程曲線如上圖所示，系統(tǒng)在外力作用下，輸出逐漸與期望值一致，如上圖所示，系統(tǒng)在外力作用下，輸出逐漸與期望值一致，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的，如曲線則系統(tǒng)是穩(wěn)定的，如曲線所示；反之，輸出如曲線所示；反之，輸出如曲線所示，所示，則系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。則系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。穩(wěn)：穩(wěn)： 指控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與平穩(wěn)性指控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與平穩(wěn)性2 2 快速性快速性

24、 快速性快速性即動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行時(shí)間的長(zhǎng)短。即動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行時(shí)間的長(zhǎng)短。過(guò)程時(shí)間越短，說(shuō)明系統(tǒng)的快速性越好，過(guò)程時(shí)間持續(xù)過(guò)程時(shí)間越短，說(shuō)明系統(tǒng)的快速性越好，過(guò)程時(shí)間持續(xù)越長(zhǎng)，說(shuō)明系統(tǒng)響應(yīng)遲鈍，難以實(shí)現(xiàn)快速變化的指令信越長(zhǎng)，說(shuō)明系統(tǒng)響應(yīng)遲鈍，難以實(shí)現(xiàn)快速變化的指令信號(hào)。號(hào)。穩(wěn)定性和快速性反映了系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程的性能。穩(wěn)定性和快速性反映了系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程的性能。 Otc(t)r(t)12 控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程快：快： 指控制系統(tǒng)的快速性指控制系統(tǒng)的快速性3 3 準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性 當(dāng)系統(tǒng)結(jié)束過(guò)渡過(guò)程后，被控量達(dá)到穩(wěn)定值（平當(dāng)系統(tǒng)結(jié)束過(guò)渡過(guò)程后，被控量達(dá)到穩(wěn)定值（平衡狀態(tài)），這個(gè)穩(wěn)定值與期望值的誤差

25、，就是系衡狀態(tài)），這個(gè)穩(wěn)定值與期望值的誤差，就是系統(tǒng)的統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)誤差。它是衡量系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度的指標(biāo)，它是衡量系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度的指標(biāo)，反映了動(dòng)態(tài)過(guò)程后期的性能。反映了動(dòng)態(tài)過(guò)程后期的性能。以上分析的穩(wěn)、快、準(zhǔn)三方面的性能指標(biāo)往往由于被以上分析的穩(wěn)、快、準(zhǔn)三方面的性能指標(biāo)往往由于被控對(duì)象的具體情況不同，各系統(tǒng)要求也有所側(cè)重，而控對(duì)象的具體情況不同，各系統(tǒng)要求也有所側(cè)重，而且同一個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)、快、準(zhǔn)的要求是相互制約的。且同一個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)、快、準(zhǔn)的要求是相互制約的。1.5 控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)計(jì)v控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)發(fā)展概況控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)發(fā)展概況 第一階段：第一階段：

26、6070年代，采用一個(gè)或者幾個(gè)控制系統(tǒng)計(jì)算年代，采用一個(gè)或者幾個(gè)控制系統(tǒng)計(jì)算程序組成的控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件包。程序組成的控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件包。 第二階段：第二階段：7080年代，功能齊全的用于多變量系統(tǒng)設(shè)計(jì)年代，功能齊全的用于多變量系統(tǒng)設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件包。的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件包。 第三階段：第三階段：80中期開(kāi)始，產(chǎn)生中期開(kāi)始，產(chǎn)生仿真軟件仿真軟件MATLABMATLAB控制系控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)仿真系統(tǒng)。統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)仿真系統(tǒng)。v控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 計(jì)算機(jī)輔助建立系統(tǒng)模型計(jì)算機(jī)輔助建立系統(tǒng)模型 數(shù)學(xué)模型表示方式之間的相互

27、轉(zhuǎn)換數(shù)學(xué)模型表示方式之間的相互轉(zhuǎn)換 計(jì)算機(jī)輔助分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng) 數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)采用目前世界上最為流行的計(jì)數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)采用目前世界上最為流行的計(jì)算機(jī)仿真軟件算機(jī)仿真軟件MATLABMATLAB。它是一個(gè)功能十分強(qiáng)大。它是一個(gè)功能十分強(qiáng)大的系統(tǒng)，是集數(shù)值計(jì)算、圖形管理、程序開(kāi)發(fā)為的系統(tǒng)，是集數(shù)值計(jì)算、圖形管理、程序開(kāi)發(fā)為一體的環(huán)境，已經(jīng)成為一種實(shí)用的全新計(jì)算機(jī)高一體的環(huán)境，已經(jīng)成為一種實(shí)用的全新計(jì)算機(jī)高級(jí)編程語(yǔ)言。級(jí)編程語(yǔ)言。 在歐美大學(xué)里，諸如應(yīng)用代數(shù)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、在歐美大學(xué)里，諸如應(yīng)用代數(shù)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、自動(dòng)控制、數(shù)字信號(hào)處理、模擬與數(shù)字通信、時(shí)自動(dòng)控制、數(shù)字信號(hào)處理、模擬與數(shù)字通信、時(shí)間序列分析、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真等課程的教科書都把間序列分析、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真等課程的教科書都把MATLABMATLAB作為內(nèi)容。作為內(nèi)容。MATLABMATLAB更是研究和解決工更是研究和解決工程計(jì)算問(wèn)題的一種標(biāo)準(zhǔn)軟件，被用來(lái)解決一些實(shí)程計(jì)算問(wèn)題的一種標(biāo)準(zhǔn)軟件，被用來(lái)解決一些實(shí)際課題和數(shù)學(xué)模型問(wèn)題。際課題和數(shù)學(xué)模型問(wèn)題。MAT