自動控制 緒論

1、1自動控制原理自動控制原理2自動控制原理自動控制原理參考教材參考教材 胡壽松主編：自動控制原理，第四版 科學(xué)出版社，2001年。 胡壽松主編： 自動控制原理，第三版 國防工業(yè)出版社，1994年。 胡壽松主編： 自動控制原理習(xí)題集，第二版 科學(xué)出版社，2003年。 戴忠達(dá)主編：自動控制理論基礎(chǔ) 清華大學(xué)出版社Automatic Control System Benjamin C. Kuo （高教出版社（高教出版社 ）3學(xué)習(xí)方法n從應(yīng)用實例到典型工作原理的分析，從個體典型工作原理到整體工作原理認(rèn)識方法n從局部的典型的元件到全局（整體）的系統(tǒng)規(guī)律性歸納方法n從工程系統(tǒng)應(yīng)用到系統(tǒng)理論總結(jié)的綜合方法n從

2、經(jīng)驗性總結(jié)到原理性抽象的思維分析方法n從系統(tǒng)原理指導(dǎo)下的工程系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計回歸理論對實踐的指導(dǎo)作用 即： 從具體到抽象的由應(yīng)用實例（實踐）到原理（理論）的轉(zhuǎn)化過程 由系統(tǒng)的理論（抽象） 到具體系統(tǒng)設(shè)計的轉(zhuǎn)化過程。41. 1. 自動控制自動控制 指在脫離人的直接干預(yù)，利用控制裝置（簡稱控指在脫離人的直接干預(yù)，利用控制裝置（簡稱控制器）使被控對象（或生產(chǎn)過程等）的某一物理量（如制器）使被控對象（或生產(chǎn)過程等）的某一物理量（如溫度、壓力、溫度、壓力、PHPH值等）準(zhǔn)確地按照預(yù)期的規(guī)律運行。值等）準(zhǔn)確地按照預(yù)期的規(guī)律運行。 另一種定義：是指機器設(shè)備在沒有人直接參與的情況另一種定義：是指機器設(shè)備在沒有人

3、直接參與的情況下，經(jīng)過自動下，經(jīng)過自動檢測檢測、信息、信息處理處理、分析、分析判斷判斷、操縱、操縱控制控制實現(xiàn)實現(xiàn)預(yù)期的目標(biāo)。預(yù)期的目標(biāo)。第一章第一章 導(dǎo)論導(dǎo)論自動化（自動化（Automation Automation 或或AutomatizationAutomatization）l 什么叫自動控制？什么叫自動控制系統(tǒng)？什么叫自動控制？什么叫自動控制系統(tǒng)？l 自動控制主要研究解決什么問題（舉例說明）？自動控制主要研究解決什么問題（舉例說明）？第一節(jié)第一節(jié) 自動控制的基本概念自動控制的基本概念51.1 應(yīng)用實例 1 液位自動控制系統(tǒng)6液位自動控制系統(tǒng)工作方框 (圖2)液液位位設(shè)設(shè)定定裝裝置置輸入

4、設(shè)定與輸入設(shè)定與輸出量輸出量比較運算比較運算電動機調(diào)節(jié)電動機調(diào)節(jié)液位調(diào)節(jié)液位調(diào)節(jié)（轉(zhuǎn)換裝置）（轉(zhuǎn)換裝置）液位高度測量裝置液位高度測量裝置輸入變量量輸出變量比較器測量元件（傳測量元件（傳感器感器）執(zhí)行機構(gòu)（裝置）設(shè)定位置設(shè)定位置平衡狀態(tài)平衡狀態(tài)位置誤差位置誤差電機電機的轉(zhuǎn)速液位液位測量誤差誤差=0假設(shè)：出水增加液位降低假設(shè)：出水增加液位上高7液位自動控制系統(tǒng)組成原理圖 1） 基本元件組成及元件工作原理： 組成：電位器 A和A 電位比較 ,電動機SM,支點和浮球 ，容器， 液位高度h 2） 液位自動控制系統(tǒng)工作原理 （1） 靜止?fàn)顟B(tài)（平衡狀態(tài)）;誤差等于 0 。 (2) 偏差（誤差）狀態(tài);(ERR

5、OR/OFFSET STATUS) 調(diào)節(jié)狀態(tài)（動態(tài)），特點：誤差不等于0。 （3）動態(tài)調(diào)節(jié)狀態(tài)，動態(tài)平衡狀態(tài)，特點：誤差近似等于0，但不等于0。8舉例說明舉例說明2： ur(t)n(t)ua9自動控制系統(tǒng)的基本方框 圖3輸入設(shè)定裝置比較器測量元件（傳感器）執(zhí)行裝置控制對象輸入量反饋量誤差量控制量輸出量誤差量=輸入量 - 反饋量反饋量=F(輸出量）輸出量=G(控制量)輸入量（期望值）=輸出量+-10u 11工作過程工作過程：正常日運行正常日運行: 電動機運行轉(zhuǎn)速n,輸入電壓ur為某設(shè)定值。 控制過程：設(shè)定負(fù)載n uf (ur-uf)電壓放大器放大udua n （是轉(zhuǎn)速增加）。若負(fù)載減輕時過程和上

6、述討論相反。工作過程工作過程：正常日運行正常日運行: 電動機運行轉(zhuǎn)速n,輸入電壓ur為某設(shè)定值。 控制過程：設(shè)定負(fù)載n uf (ur-uf)電壓放大器放大udua n （是轉(zhuǎn)速增加）。若負(fù)載減輕時過程和上述討論相反。工作過程工作過程：正常日運行正常日運行: 電動機運行轉(zhuǎn)速n,輸入電壓ur為某設(shè)定值。 控制過程：設(shè)定負(fù)載n uf (ur-uf)電壓放大器放大udua n （是轉(zhuǎn)速增加）。若負(fù)載減輕時過程和上述討論相反。工作過程工作過程：正常日運行正常日運行: 電動機運行轉(zhuǎn)速n,輸入電壓ur為某設(shè)定值。 控制過程：設(shè)定負(fù)載n uf (ur-uf)電壓放大器放大udua n （是轉(zhuǎn)速增加）。若負(fù)載減

7、輕時過程和上述討論相反。工作過程工作過程：正常日運行正常日運行: 電動機運行轉(zhuǎn)速n,輸入電壓ur為某設(shè)定值。 控制過程：設(shè)定負(fù)載n uf (ur-uf)電壓放大器放大udua n （是轉(zhuǎn)速增加）。若負(fù)載減輕時過程和上述討論相反。工作過程工作過程：正常日運行正常日運行: 電動機運行轉(zhuǎn)速n,輸入電壓ur為某設(shè)定值。 控制過程：設(shè)定負(fù)載n uf (ur-uf)電壓放大器放大udua n （是轉(zhuǎn)速增加）。若負(fù)載減輕時過程和上述討論相反。工作過程工作過程：正常日運行正常日運行: 電動機運行轉(zhuǎn)速n,輸入電壓ur為某設(shè)定值。 控制過程：設(shè)定負(fù)載n uf (ur-uf)電壓放大器放大udua n （是轉(zhuǎn)速增加

8、）。若負(fù)載減輕時過程和上述討論相反。工作過程工作過程：正常日運行正常日運行: 電動機運行轉(zhuǎn)速n,輸入電壓ur為某設(shè)定值。 控制過程：設(shè)定負(fù)載n uf (ur-uf)電壓放大器放大udua n （是轉(zhuǎn)速增加）。若負(fù)載減輕時過程和上述討論相反。工作過程工作過程：正常日運行正常日運行: 電動機運行轉(zhuǎn)速n,輸入電壓ur為某設(shè)定值。 控制過程：設(shè)定負(fù)載n uf (ur-uf)電壓放大器放大udua n （是轉(zhuǎn)速增加）。若負(fù)載減輕時過程和上述討論相反。工作過程工作過程：正常日運行正常日運行: 電動機運行轉(zhuǎn)速n,輸入電壓ur為某設(shè)定值。 控制過程：設(shè)定負(fù)載n uf (ur-uf)電壓放大器放大udua n

9、（是轉(zhuǎn)速增加）。若負(fù)載減輕時過程和上述討論相反。工作過程工作過程：正常日運行正常日運行: 電動機運行轉(zhuǎn)速n,輸入電壓ur為某設(shè)定值。 控制過程：設(shè)定負(fù)載n uf (ur-uf)電壓放大器放大udua n （是轉(zhuǎn)速增加）。若負(fù)載減輕時過程和上述討論相反。工作過程工作過程：正常日運行正常日運行: 電動機運行轉(zhuǎn)速n,輸入電壓ur為某設(shè)定值。 控制過程：設(shè)定負(fù)載n uf (ur-uf)電壓放大器放大udua n （是轉(zhuǎn)速增加）。若負(fù)載減輕時過程和上述討論相反。工作過程工作過程：正常日運行正常日運行: 電動機運行轉(zhuǎn)速n,輸入電壓ur為某設(shè)定值。 控制過程：設(shè)定負(fù)載n uf (ur-uf)電壓放大器放大u

10、dua n （是轉(zhuǎn)速增加）。若負(fù)載減輕時過程和上述討論相反。12 從上討論可見： 1. 控制系統(tǒng)工作有兩個狀態(tài)（階段）：1.）正常（穩(wěn)定，或初始)狀態(tài)。2.)控制（暫態(tài)，或過度）狀態(tài) 2.系統(tǒng)工作的參數(shù)有變化時，系統(tǒng)從一個控制狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一個控制狀態(tài)。 3.系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)，是一個動態(tài)的平衡狀態(tài)，總是使輸出與輸入之間的差值盡可能的小到近似等于0，但不等于0。13 14 例3爐溫控制系統(tǒng)原理圖爐溫控制系統(tǒng)方框圖爐溫控制系統(tǒng)方框圖爐溫控制系統(tǒng)方框圖爐溫控制系統(tǒng)方框圖15自動控制理論：自動控制理論： 自動控制理論是研究自動控制系統(tǒng)組成，進(jìn)行自動控制理論是研究自動控制系統(tǒng)組成，進(jìn)行系統(tǒng)分析設(shè)計的一般性理

11、論，即是研究自動控制過程共系統(tǒng)分析設(shè)計的一般性理論，即是研究自動控制過程共同規(guī)律的技術(shù)學(xué)科。同規(guī)律的技術(shù)學(xué)科。 自動控制系統(tǒng)的組成的方框圖： 設(shè)定裝置 （輸入設(shè)定對象） 比較裝置 （比較器） 執(zhí)行裝置 （執(zhí)行單元） 輸出裝置 （控制對象） 測量裝置（傳感器）16自動化的核心是自動化的核心是“控制控制” 自動化技術(shù)的兩個方面：自動化技術(shù)的兩個方面： 人手（腳）的延伸人手（腳）的延伸動力方面的自動化技術(shù)：工業(yè)化動力方面的自動化技術(shù)：工業(yè)化 人腦的延伸人腦的延伸信息處理方面的自動化技術(shù)信息處理方面的自動化技術(shù): 信息化信息化2. 2. 自動控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng) 是指實現(xiàn)上述控制目的，由相互制約的各部

12、分按一定是指實現(xiàn)上述控制目的，由相互制約的各部分按一定 規(guī)律組成的具有特定功能的整體。規(guī)律組成的具有特定功能的整體。 例：交通控制、水位控制、例：交通控制、水位控制、 經(jīng)濟(jì)控制、人體控制經(jīng)濟(jì)控制、人體控制第一章第一章 導(dǎo)論導(dǎo)論171819203. 3. 自動化的發(fā)展歷史圖片自動化的發(fā)展歷史圖片公元前我國的自動計時漏壺公元132年張衡研制的候風(fēng)地動儀第一章第一章 導(dǎo)論導(dǎo)論21公元235年馬鈞研制出能自動指示方向的指南車 第一章第一章 導(dǎo)論導(dǎo)論221788年英國Watt發(fā)明的控制蒸汽機速度的離心式調(diào)速器 第一章第一章 導(dǎo)論導(dǎo)論231913年美國建成最早的汽車裝配流水線1952年美國MIT研制出第一

13、臺數(shù)控機床 第一章第一章 導(dǎo)論導(dǎo)論241954年第一臺工業(yè)機器人 1981年美國“哥倫比亞”號航天飛機首次發(fā)射成功第一章第一章 導(dǎo)論導(dǎo)論25裝配機器人汽車自動焊接生產(chǎn)線4. 4. 自動控制系統(tǒng)（應(yīng)用舉例）自動控制系統(tǒng)（應(yīng)用舉例）26自動立體倉庫4. 4. 自動控制系統(tǒng)（應(yīng)用舉例）自動控制系統(tǒng)（應(yīng)用舉例）27注塑機自動搬運車4. 4. 自動控制系統(tǒng)（應(yīng)用舉例）自動控制系統(tǒng)（應(yīng)用舉例）28機器人足球比賽機器人足球比賽4. 4. 自動控制系統(tǒng)（應(yīng)用舉例）自動控制系統(tǒng)（應(yīng)用舉例）月球車月球車29機器人干活機器人干活機器人跳舞機器人跳舞4. 4. 自動控制系統(tǒng)（應(yīng)用舉例）自動控制系統(tǒng)（應(yīng)用舉例）30無人

14、駕駛汽車無人駕駛汽車4. 4. 自動控制系統(tǒng)（應(yīng)用舉例）自動控制系統(tǒng)（應(yīng)用舉例）空中飛艇空中飛艇3112 自動控制理論的內(nèi)容自動控制理論的內(nèi)容2. 現(xiàn)代控制理論3. 大系統(tǒng)理論4. 智能控制理論1.線性控制理論經(jīng)典控制理論 非線性控制理論采樣控制理論321 1、經(jīng)典控制理論、經(jīng)典控制理論 研究的主要對象是單輸入、單輸出研究的主要對象是單輸入、單輸出單變量系統(tǒng)。單變量系統(tǒng)。 如：調(diào)節(jié)電壓改變電機的速度；調(diào)整方向盤改變汽車如：調(diào)節(jié)電壓改變電機的速度；調(diào)整方向盤改變汽車 的運動軌跡等。的運動軌跡等。 2 2、現(xiàn)代控制理論、現(xiàn)代控制理論 研究的主要對象是多輸入、多輸出研究的主要對象是多輸入、多輸出多變

15、量系統(tǒng)。多變量系統(tǒng)。 如如: : 汽車看成是一個具有兩個輸入（駕駛盤和加速踏汽車看成是一個具有兩個輸入（駕駛盤和加速踏 板）和兩個輸出（方向和速度）的控制系統(tǒng)。板）和兩個輸出（方向和速度）的控制系統(tǒng)。 計算機科學(xué)的發(fā)展，極大地促進(jìn)了控制科學(xué)的發(fā)展。計算機科學(xué)的發(fā)展，極大地促進(jìn)了控制科學(xué)的發(fā)展。第二節(jié)第二節(jié) 自動控制理論的內(nèi)容自動控制理論的內(nèi)容33經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論 與與 現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論 項目項目經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論研究對象研究對象線性定常系統(tǒng)線性定常系統(tǒng)（單輸入、單輸出）（單輸入、單輸出）線性、非線性、定常、線性、非線性、定常、時變系統(tǒng)時變系統(tǒng)（多輸

16、入、多輸出）（多輸入、多輸出）描述方法描述方法傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)（輸入、輸出描述）（輸入、輸出描述）向量空間向量空間（狀態(tài)空間描述）（狀態(tài)空間描述）研究辦法研究辦法根軌跡法和頻率法根軌跡法和頻率法狀態(tài)空間法狀態(tài)空間法研究目標(biāo)研究目標(biāo)系統(tǒng)分析及給定輸入、系統(tǒng)分析及給定輸入、輸出情況下的系統(tǒng)綜輸出情況下的系統(tǒng)綜合。合。揭示系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律，實揭示系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律，實現(xiàn)在一定意義下的最優(yōu)控現(xiàn)在一定意義下的最優(yōu)控制與設(shè)計。制與設(shè)計。34 大系統(tǒng)控制理論是一種過程控制與信息處理相結(jié)合的大系統(tǒng)控制理論是一種過程控制與信息處理相結(jié)合的動態(tài)系統(tǒng)工程理論，研究的對象具有動態(tài)系統(tǒng)工程理論，研究的對象具有 規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)

17、復(fù)雜、規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、 功能綜合、目標(biāo)多樣、功能綜合、目標(biāo)多樣、 因素眾多因素眾多 等特點。等特點。 它是一個多輸入、多輸出、多干擾、多變量的系統(tǒng)。它是一個多輸入、多輸出、多干擾、多變量的系統(tǒng)。 如：人體，我們就可以看作為一個大系統(tǒng)，其中有體如：人體，我們就可以看作為一個大系統(tǒng)，其中有體溫的控制、情感的控制、人體血液中各種成分的控制等溫的控制、情感的控制、人體血液中各種成分的控制等等。等。 大系統(tǒng)控制理論目前仍處于發(fā)展階段。大系統(tǒng)控制理論目前仍處于發(fā)展階段。第二節(jié)第二節(jié) 自動控制理論的內(nèi)容自動控制理論的內(nèi)容 3 3、大系統(tǒng)控制理論、大系統(tǒng)控制理論35 這是近年來新發(fā)展起來的一種控制技術(shù)，是

18、人工智這是近年來新發(fā)展起來的一種控制技術(shù)，是人工智能在控制上的應(yīng)用。它的指導(dǎo)思想是依據(jù)人的思維方式能在控制上的應(yīng)用。它的指導(dǎo)思想是依據(jù)人的思維方式和處理問題的技巧，解決那些目前需要人的智能才能解和處理問題的技巧，解決那些目前需要人的智能才能解決的復(fù)雜的控制問題。決的復(fù)雜的控制問題。學(xué)派：結(jié)構(gòu)派和功能派學(xué)派：結(jié)構(gòu)派和功能派 它是一門新興的控制學(xué)科，有些問題尚存有爭議，它是一門新興的控制學(xué)科，有些問題尚存有爭議，然而由于它實用性強，能運用人們的經(jīng)驗與技巧解決許然而由于它實用性強，能運用人們的經(jīng)驗與技巧解決許多以往控制中難以解決的棘手問題（如建模等），因此多以往控制中難以解決的棘手問題（如建模等），

19、因此得到了人們極大的重視。得到了人們極大的重視。第二節(jié)第二節(jié) 自動控制理論的內(nèi)容自動控制理論的內(nèi)容4 4、智能控制、智能控制36第三節(jié)第三節(jié) 控制系統(tǒng)的基本組成控制系統(tǒng)的基本組成控制系統(tǒng)的組成：輸入部分、控制系統(tǒng)部分和輸出部分?？刂葡到y(tǒng)的組成：輸入部分、控制系統(tǒng)部分和輸出部分。從從物理物理角度上看，自動控制研究的是特定角度上看，自動控制研究的是特定激勵作用下的系激勵作用下的系 統(tǒng)響應(yīng)統(tǒng)響應(yīng)變化情況；變化情況；從從數(shù)學(xué)數(shù)學(xué)角度上看，研究的是角度上看，研究的是輸入與輸出之間的映射輸入與輸出之間的映射關(guān)系。關(guān)系。輸入輸出控制系統(tǒng)37例例1. a.1. a.溫度溫度人工控制人工控制第三節(jié)第三節(jié)控制系統(tǒng)

20、的基本組成控制系統(tǒng)的基本組成38 第三節(jié)第三節(jié) 控制系統(tǒng)的基本組成控制系統(tǒng)的基本組成控制目標(biāo)：控制目標(biāo)：爐子的溫度恒爐子的溫度恒定在期望的數(shù)定在期望的數(shù)值上。值上。39b.b.溫度溫度 自動控制自動控制第三節(jié)第三節(jié)控制系統(tǒng)的基本組成控制系統(tǒng)的基本組成40閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成 第三節(jié)第三節(jié) 控制系統(tǒng)的基本組成控制系統(tǒng)的基本組成41 例2 函數(shù)記錄儀方框圖 42控制系統(tǒng)的基本組成控制系統(tǒng)的基本組成輸入信號輸入信號系統(tǒng)控制目標(biāo)的反映，是人的意志的具體體現(xiàn)。系統(tǒng)控制目標(biāo)的反映，是人的意志的具體體現(xiàn)?？刂葡到y(tǒng)控制系統(tǒng)主要完成對有關(guān)信號的變換、處理，發(fā)出控制主要完成對有關(guān)信號的變換

21、、處理，發(fā)出控制 量，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)完成控制功能。量，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)完成控制功能。 比較器比較器-執(zhí)行單元（正向通路）執(zhí)行單元（正向通路）-測量單元（反饋通路）測量單元（反饋通路）共同組成共同組成 輸出信號輸出信號系統(tǒng)的控制結(jié)果，反映了被控對象的運行狀態(tài)。系統(tǒng)的控制結(jié)果，反映了被控對象的運行狀態(tài)。13 控制系統(tǒng)的基本組成控制系統(tǒng)的基本組成43例例3 3：火炮自動跟蹤系統(tǒng)火炮自動跟蹤系統(tǒng)“火炮打飛機火炮打飛機”第三節(jié)第三節(jié)控制系統(tǒng)的基本組成控制系統(tǒng)的基本組成+_受信儀放大器減速器校正裝置檢測裝置電機+44典型的反饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖典型的反饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖第三節(jié)第三節(jié) 控制系統(tǒng)的基本組成控制系統(tǒng)的基

22、本組成45自動控制系統(tǒng)的基本方框圖輸入設(shè)定裝置比較器測量元件（傳感器）執(zhí)行裝置控制對象輸入量反饋量誤差量控制量輸出量誤差量=輸入量 - 反饋量反饋量=F(輸出量）輸出量=G(控制量)輸入量（期望值）=輸出量+-46反饋控制系統(tǒng)的基本組成A.反饋控制系統(tǒng)由不同結(jié)構(gòu)的元件組成，按職能分為控制對象和控制裝置。B. 組成系統(tǒng)的元件按職能分為： 測量元件：檢測被控制的物理量，將非電量轉(zhuǎn)換 成電量。 給定元件：給出與期望的被控量相對應(yīng)的系統(tǒng)輸入量 比較元件：被控量的實際值與給定值進(jìn)行比較，求他們之間偏差。 放大元件：把偏差放大，推動執(zhí)行元件 執(zhí)行元件：直接推動被控對象，使被控量發(fā)生變化。47 一一 按信號

23、的傳遞路徑來分類按信號的傳遞路徑來分類 1 1、開環(huán)控制系統(tǒng)、開環(huán)控制系統(tǒng) 特點：特點：系統(tǒng)的輸出端與輸入端不存在反饋回路。系統(tǒng)的輸出端與輸入端不存在反饋回路。輸出輸出量對系統(tǒng)的控制作用不發(fā)生影響的系統(tǒng)。量對系統(tǒng)的控制作用不發(fā)生影響的系統(tǒng)。 第四節(jié)第四節(jié) 控制系統(tǒng)的分類控制系統(tǒng)的分類 控制系統(tǒng)的分類（按照不同的屬性分類）控制系統(tǒng)的分類（按照不同的屬性分類）48 49反饋控制系統(tǒng)被控對象控制裝置給定元件（提供輸入量）測量元件（測量被控量）比較元件（比較控制量與反饋量，給出偏差信號）放大元件（放大偏差信號）執(zhí)行機構(gòu)（對被控對象施加控制）校正元件（用以改善系統(tǒng)性能量）自動控制系統(tǒng)控制器對象測量變送執(zhí)

24、行器給定元件50 1.2自動控制與自動控制系統(tǒng)的術(shù)語（概念） 1.自動控制：在無人直接參與的前提下,利用專門的裝置(控制器)來控制某一種物理對象（被控對象：裝置、設(shè)備、過程等）的運動或變化，使被控對象的受控物理量（被控量）按照人預(yù)定的規(guī)律變化。 2.自動控制理論：是研究自動控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)。 3.自動控制系統(tǒng)：為實現(xiàn)某種自動控制，需要把一些相互關(guān)聯(lián)的部件按一定的模式組合起來，構(gòu)成一個系統(tǒng)，來實現(xiàn)自動控制。 控制對象：能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制的機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程。 控制器：對控制對象起控制作用的控制裝置總體。 4.反饋控制原理：在反饋控制系統(tǒng)中，控制裝置對被控對象施加的控制作用，使取自被控量的反

25、饋信息，用來不斷修正被控量的偏差，從而實現(xiàn)對控對象進(jìn)行控制的任務(wù)。51 5. 輸出量：位于控制系統(tǒng)輸出端，并要求實現(xiàn)自動控制的物理量。 6. 輸入量：作用于控制系統(tǒng)輸入端，并可使系統(tǒng)具有預(yù)定功能或預(yù)定輸出的物理量。 7. 擾動：破壞系統(tǒng)輸入量和輸出量之間預(yù)定規(guī)律的信號。 本課程學(xué)習(xí)、研究自動控制的共性規(guī)律，學(xué)習(xí)有關(guān)自動控制的基本概念、基本原理、分析方法，為能設(shè)計符合要求的自動控制系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)基本控制理論。自動控制應(yīng)用極為廣泛，在工業(yè)、國防、航空航天、交通、農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟(jì)管理、以及人們的日常生活，處處可見。如 例1. 液位自動控制系統(tǒng) 例2. 速度控制系統(tǒng) 例3. 隨動控制系統(tǒng) 52 2 2、閉環(huán)控

26、制系統(tǒng)（反饋控制系統(tǒng)）、閉環(huán)控制系統(tǒng)（反饋控制系統(tǒng)） 特點：特點：系統(tǒng)輸出信號與測量元件之間存在反饋回路系統(tǒng)輸出信號與測量元件之間存在反饋回路。 “閉環(huán)閉環(huán)”這個術(shù)語的含義，就是將輸出信號通過測量元件這個術(shù)語的含義，就是將輸出信號通過測量元件反饋到系統(tǒng)的輸入端，通過比較、控制來減小系統(tǒng)誤差。反饋到系統(tǒng)的輸入端，通過比較、控制來減小系統(tǒng)誤差。 第四節(jié)第四節(jié) 控制系統(tǒng)的分類控制系統(tǒng)的分類53內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng) 應(yīng)用瓦特式轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器應(yīng)用瓦特式轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)541 1、恒值控制系統(tǒng)、恒值控制系統(tǒng)（或稱自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)、自動鎮(zhèn)定系統(tǒng)）（或稱自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)、

27、自動鎮(zhèn)定系統(tǒng)） 特點：特點：輸入信號是一個恒定的數(shù)值。輸入信號是一個恒定的數(shù)值。工業(yè)生產(chǎn)中的恒工業(yè)生產(chǎn)中的恒 溫、恒壓等自動控制系統(tǒng)都屬于這一類型。溫、恒壓等自動控制系統(tǒng)都屬于這一類型。 2 2、過程控制系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)（或稱程序控制系統(tǒng)）（或稱程序控制系統(tǒng)） 特點：特點：輸入信號是一個已知的函數(shù)。輸入信號是一個已知的函數(shù)。系統(tǒng)的控制過程系統(tǒng)的控制過程 按按預(yù)定的程序進(jìn)行，要求被控量能迅速準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)輸入，如化預(yù)定的程序進(jìn)行，要求被控量能迅速準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)輸入，如化工中的壓力、溫度、流量控制。工中的壓力、溫度、流量控制。 恒值控制系統(tǒng)可看成輸入等于常值的過程控制系統(tǒng)。恒值控制系統(tǒng)可看成輸入等于常值

28、的過程控制系統(tǒng)。 第四節(jié)第四節(jié) 控制系統(tǒng)的分類控制系統(tǒng)的分類二、按系統(tǒng)的控制作用來分類二、按系統(tǒng)的控制作用來分類55 特點：特點：輸入信號是一個未知函數(shù)。輸入信號是一個未知函數(shù)。要求控制系要求控制系統(tǒng)的輸出量跟隨輸入信號變化。統(tǒng)的輸出量跟隨輸入信號變化。 如：火炮自動跟蹤系統(tǒng)。如：火炮自動跟蹤系統(tǒng)。 該系統(tǒng)要求有較好的跟蹤能力。該系統(tǒng)要求有較好的跟蹤能力。第四節(jié)第四節(jié) 控制系統(tǒng)的分類控制系統(tǒng)的分類3 3、隨動系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)（或稱伺服系統(tǒng)）（或稱伺服系統(tǒng)）561 1、連續(xù)系統(tǒng)、連續(xù)系統(tǒng) 特點：特點：系統(tǒng)各部分信號都是模擬的連續(xù)函數(shù)。系統(tǒng)各部分信號都是模擬的連續(xù)函數(shù)。目前工業(yè)目前工業(yè) 中普遍采用的

29、常規(guī)儀表中普遍采用的常規(guī)儀表PID調(diào)節(jié)器控制的系統(tǒng)。調(diào)節(jié)器控制的系統(tǒng)。 2 2、離散系統(tǒng)、離散系統(tǒng) 特點：特點：系統(tǒng)的某一處或幾處信號以脈沖序列或數(shù)碼形式系統(tǒng)的某一處或幾處信號以脈沖序列或數(shù)碼形式傳遞的控制系統(tǒng)。傳遞的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)中用脈沖開關(guān)或采樣開關(guān)，將連續(xù)系統(tǒng)中用脈沖開關(guān)或采樣開關(guān)，將連續(xù)信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散信號。其中離散信號以脈沖形式傳遞的系信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散信號。其中離散信號以脈沖形式傳遞的系統(tǒng)又叫脈沖控制系統(tǒng)，離散信號以數(shù)碼形式傳遞的系統(tǒng)又統(tǒng)又叫脈沖控制系統(tǒng)，離散信號以數(shù)碼形式傳遞的系統(tǒng)又叫數(shù)字控制系統(tǒng)。叫數(shù)字控制系統(tǒng)。第四節(jié)第四節(jié) 控制系統(tǒng)的分類控制系統(tǒng)的分類三、按系統(tǒng)傳輸信號的性質(zhì)來分類

30、三、按系統(tǒng)傳輸信號的性質(zhì)來分類57 第四節(jié)第四節(jié) 控制系統(tǒng)的分類控制系統(tǒng)的分類58四、按描述系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型不同來分類四、按描述系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型不同來分類 1 1、線性系統(tǒng)、線性系統(tǒng) 特點：特點：系統(tǒng)由線性元件構(gòu)成，描述運動規(guī)律的數(shù)學(xué)模型為線系統(tǒng)由線性元件構(gòu)成，描述運動規(guī)律的數(shù)學(xué)模型為線性微分方程。性微分方程。運動方程一般形式：運動方程一般形式： 式中：式中：r(t)系統(tǒng)輸入量；系統(tǒng)輸入量； c(t)系統(tǒng)輸出量系統(tǒng)輸出量 主要特點是具有疊加性和齊次性。主要特點是具有疊加性和齊次性。c(t)adtdc(t)adtc(t)dadtc(t)da011 -n1 -n1 -n1 -nnnnnr(t)bdtd

31、r(t)bdtr(t)dbdtr(t)db011 -m1 -m1 -m1 -mmmmm第四節(jié)第四節(jié) 控制系統(tǒng)的分類控制系統(tǒng)的分類592 2、非線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng) 特點：特點：在構(gòu)成系統(tǒng)的環(huán)節(jié)中有一個或一個以上的非線性在構(gòu)成系統(tǒng)的環(huán)節(jié)中有一個或一個以上的非線性環(huán)節(jié)。環(huán)節(jié)。 非線性的理論研究遠(yuǎn)不如線性系統(tǒng)那么完整，目前尚無非線性的理論研究遠(yuǎn)不如線性系統(tǒng)那么完整，目前尚無通用的方法可以解決各類非線性系統(tǒng)。通用的方法可以解決各類非線性系統(tǒng)。其他的分類方法：其他的分類方法： 按功能來分：按功能來分： 溫度控制系統(tǒng)、速度控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、速度控制系統(tǒng)、 位置控系統(tǒng)等。位置控系統(tǒng)等。 按元件組成分：

32、機電系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、生物系統(tǒng)等按元件組成分：機電系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、生物系統(tǒng)等。 按數(shù)學(xué)模型的性質(zhì)： （非）常系數(shù)線性一階/二階/高階微分方程等 。 時變/非時變的狀態(tài)變量方程等第四節(jié)第四節(jié) 控制系統(tǒng)的分類控制系統(tǒng)的分類60n分類小結(jié)分類小結(jié) 閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)開環(huán)系統(tǒng)開環(huán)系統(tǒng)按傳遞路徑按傳遞路徑. 1 隨動系統(tǒng)隨動系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)恒值控制系統(tǒng)恒值控制系統(tǒng)按控制作用按控制作用. 2離散系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)按信號性質(zhì). 3非線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)按數(shù)學(xué)模型4.第四節(jié)第四節(jié) 控制系統(tǒng)的分類控制系統(tǒng)的分類多變量系統(tǒng)單變量系統(tǒng)按輸入輸出變量數(shù)目. 561第五節(jié)第五節(jié) 對自動控制系統(tǒng)的基本要求穩(wěn)定性1.5.1

33、基本要求穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)最基本的性質(zhì)。所謂穩(wěn)定性是指控制系統(tǒng)偏離平衡狀態(tài)后，自動恢復(fù)到平衡狀態(tài)的能力。 當(dāng)系統(tǒng)受到擾動后，其狀態(tài)偏離了平衡狀態(tài)，在隨后所有時間內(nèi)，如果系統(tǒng)的輸出響應(yīng)能夠最終回到原先的平衡狀態(tài)，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的；反之，如果系統(tǒng)的輸出響應(yīng)逐漸增加趨于無窮，或者進(jìn)入振蕩狀態(tài)，則系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。 快速性準(zhǔn)確性（穩(wěn)態(tài)特性靜態(tài)指標(biāo)）準(zhǔn)確性是系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)下被控量和設(shè)定量之間的偏差程度。偏差越小，準(zhǔn)確性越高，理想系統(tǒng)的偏差為零。（暫態(tài)特性動態(tài)指標(biāo)）快速性是暫態(tài)響應(yīng)的時間長短。一般來說，都希望系統(tǒng)的快速性要好。但是，系統(tǒng)的暫態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性是相互矛盾的，要根據(jù)實際情況有所側(cè)重。而且在暫態(tài)響應(yīng)過程中，

34、不希望出現(xiàn)太大的超調(diào)。62定義：通常將系統(tǒng)受到給定值或干擾信號作用后，控制定義：通常將系統(tǒng)受到給定值或干擾信號作用后，控制被控量變化的全過程稱為系統(tǒng)的動態(tài)過程。被控量變化的全過程稱為系統(tǒng)的動態(tài)過程。n穩(wěn)：穩(wěn)： 指動態(tài)過程的平穩(wěn)性指動態(tài)過程的平穩(wěn)性如上圖所示，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，如曲線所示；反之曲線系統(tǒng)不穩(wěn)定的情況曲線1穩(wěn)定63 理想的調(diào)節(jié)過程是：出現(xiàn)偏差后，執(zhí)行機構(gòu)突然動理想的調(diào)節(jié)過程是：出現(xiàn)偏差后，執(zhí)行機構(gòu)突然動作，使輸出量立即達(dá)到新的平衡狀態(tài)，調(diào)節(jié)過程瞬時作，使輸出量立即達(dá)到新的平衡狀態(tài)，調(diào)節(jié)過程瞬時完成，實際上這是不可能的，因為什么呢？對，慣性。完成，實際上這是不可能的，因為什么呢？對，慣性。所以當(dāng)輸出量發(fā)生跳變時，任何實際系統(tǒng)從原平衡狀所以當(dāng)輸出量發(fā)生跳變時，任何實際系統(tǒng)從原平衡狀態(tài)到達(dá)新的平衡狀態(tài)都要經(jīng)歷一個過渡過程，過渡過態(tài)到達(dá)新的平衡狀態(tài)都要經(jīng)歷一個過渡過程，過渡過程的曲線形狀隨系統(tǒng)的不同而有所差異，有的是單調(diào)程的曲線形狀隨系統(tǒng)的不同而有所差異，有的是單調(diào)增長到穩(wěn)定值（曲線增長到穩(wěn)定值（曲線1），有的是衰減到穩(wěn)定值（曲線），有的是衰減到穩(wěn)定值（曲線2） 。t01輸入r(t)t01輸入c(t)12理想的調(diào)節(jié)過程實際64快：快： 指動態(tài)過程的快速性指動態(tài)過程的快速