自動(dòng)控制原理第1章課件

1、準(zhǔn)備知識(shí)準(zhǔn)備知識(shí)n高等數(shù)學(xué)高等數(shù)學(xué) 微積分知識(shí)、微分方程微積分知識(shí)、微分方程n電路分析電路分析n 基本的電子學(xué)和力學(xué)知識(shí)基本的電子學(xué)和力學(xué)知識(shí)參考書目參考書目n信號(hào)與系統(tǒng)信號(hào)與系統(tǒng) 鄭君里鄭君里 高等教育出版高等教育出版社社n自動(dòng)控制原理及其應(yīng)用自動(dòng)控制原理及其應(yīng)用 黃堅(jiān)黃堅(jiān) 高等高等教育出版社教育出版社n自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理，胡壽松主編，國防，胡壽松主編，國防工業(yè)出版社，工業(yè)出版社，2008 2008 n自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理，李友善主編，國防，李友善主編，國防工業(yè)出版社工業(yè)出版社 19891989年年nmatlabmatlab概述概述系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型控制系統(tǒng)的時(shí)域分析法控

2、制系統(tǒng)的時(shí)域分析法根軌跡法根軌跡法頻率特性法頻率特性法授課內(nèi)容授課內(nèi)容課程特點(diǎn)及要求課程特點(diǎn)及要求要求要求：學(xué)習(xí)用：學(xué)習(xí)用經(jīng)典控制論分析系統(tǒng)的經(jīng)典控制論分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能方法方法特點(diǎn)特點(diǎn)：理論分析數(shù)學(xué)運(yùn)算較多，要有耐心；理論分析數(shù)學(xué)運(yùn)算較多，要有耐心；在進(jìn)行數(shù)學(xué)分析的同時(shí)不要忽略工程意義。在進(jìn)行數(shù)學(xué)分析的同時(shí)不要忽略工程意義。知識(shí)點(diǎn)前后聯(lián)系較多、系統(tǒng)性強(qiáng)，不要缺課。知識(shí)點(diǎn)前后聯(lián)系較多、系統(tǒng)性強(qiáng)，不要缺課。第一章 概述1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類明確系統(tǒng)常用的分類方式，明確系統(tǒng)常用的分類方式，掌握各類別的含義和信息特征掌握各類別的含義和信息特征 1.1 自動(dòng)控

3、制與自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)明確什么叫自動(dòng)控制，明確什么叫自動(dòng)控制，正確理解被控對(duì)象、控制裝置和自控系統(tǒng)等概念。正確理解被控對(duì)象、控制裝置和自控系統(tǒng)等概念。1.4 自動(dòng)控制理論發(fā)展簡述自動(dòng)控制理論發(fā)展簡述了解自動(dòng)控制理論發(fā)展了解自動(dòng)控制理論發(fā)展的三個(gè)主要階段。的三個(gè)主要階段。1.3 對(duì)控制系統(tǒng)性能的要求對(duì)控制系統(tǒng)性能的要求明確對(duì)自控系統(tǒng)的基明確對(duì)自控系統(tǒng)的基本要求，正確理解三大性能指標(biāo)的含義。本要求，正確理解三大性能指標(biāo)的含義。第一章第一章 概述概述1.5 自動(dòng)控制技術(shù)發(fā)展簡述自動(dòng)控制技術(shù)發(fā)展簡述了解自動(dòng)控制理論發(fā)了解自動(dòng)控制理論發(fā)展的歷程展的歷程1.1 自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)控

4、制與自動(dòng)控制系統(tǒng)一、自動(dòng)控制的基本概念一、自動(dòng)控制的基本概念二、控制系統(tǒng)的基本組成部分二、控制系統(tǒng)的基本組成部分第一章第一章 概述概述三、控制系統(tǒng)的基本控制方式三、控制系統(tǒng)的基本控制方式第一章第一章 概述概述提問：提問：請(qǐng)舉出我們?cè)谌粘Ｉ钪幸姷秸?qǐng)舉出我們?cè)谌粘Ｉ钪幸姷降淖詣?dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)例。的自動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)例。一、自動(dòng)控制的基本概念一、自動(dòng)控制的基本概念自動(dòng)控制：自動(dòng)控制： 自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)控制裝置控制裝置受控對(duì)象受控對(duì)象 在無人直接參與下，利用控制裝置在無人直接參與下，利用控制裝置操縱受控對(duì)象，使受控對(duì)象的被控量按操縱受控對(duì)象，使受控對(duì)象的被控量按給定信號(hào)變化。給定信號(hào)變化。 控

5、制器控制器給定值給定值 檢測(cè)元件檢測(cè)元件 受控對(duì)象受控對(duì)象被控量被控量控制器控制器給定值給定值 檢測(cè)元件檢測(cè)元件 受控對(duì)象受控對(duì)象被控量被控量 自動(dòng)控制示意圖自動(dòng)控制示意圖自動(dòng)控制原理的主要任務(wù)：自動(dòng)控制原理的主要任務(wù)：分析和設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能。分析和設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能。10閉環(huán)控制閉環(huán)控制開環(huán)開環(huán)控制控制11所謂自動(dòng)控制，是指在沒有人直接參與的情況下，利用所謂自動(dòng)控制，是指在沒有人直接參與的情況下，利用操縱機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程，使其自操縱機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程，使其自動(dòng)按預(yù)定規(guī)律運(yùn)行的技術(shù)。動(dòng)按預(yù)定規(guī)律運(yùn)行的技術(shù)。定義：定義：圖1-1人腦控制過程示意圖 圖1-2仿人控制系統(tǒng)方框圖 遙測(cè)

6、、遙感121.1.2 自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀 外加設(shè)備或裝置，通常包括測(cè)量儀器、控制裝置和外加設(shè)備或裝置，通常包括測(cè)量儀器、控制裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。沒有檢測(cè)與執(zhí)行設(shè)備，單獨(dú)的控制器是無執(zhí)行機(jī)構(gòu)。沒有檢測(cè)與執(zhí)行設(shè)備，單獨(dú)的控制器是無法發(fā)揮作用的。法發(fā)揮作用的。 發(fā)展歷史13 以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)的經(jīng)典控制理論，它主要研究單以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)的經(jīng)典控制理論，它主要研究單輸入輸入-單輸出、線性定?？刂葡到y(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問題。單輸出、線性定?？刂葡到y(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問題。 以狀態(tài)為基礎(chǔ)的狀態(tài)空間法（現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)），以狀態(tài)為基礎(chǔ)的狀態(tài)空間法（現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)），主要研究具有高性能、

7、高精度的多變量變參數(shù)系統(tǒng)的最優(yōu)主要研究具有高性能、高精度的多變量變參數(shù)系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題，控制問題， 有線或無線有線或無線最好所有信號(hào)最好所有信號(hào)傳輸線都應(yīng)符傳輸線都應(yīng)符合現(xiàn)場總線制合現(xiàn)場總線制l 自動(dòng)控制理論是研究自動(dòng)控制技術(shù)共同規(guī)律的自動(dòng)控制理論是研究自動(dòng)控制技術(shù)共同規(guī)律的基礎(chǔ)科學(xué)，以反饋理論為基礎(chǔ)的自動(dòng)調(diào)節(jié)原理?；A(chǔ)科學(xué)，以反饋理論為基礎(chǔ)的自動(dòng)調(diào)節(jié)原理。141.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本控制方式自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本控制方式1.2.1 開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)u所謂開環(huán)控制系統(tǒng)就是控制器與被控對(duì)所謂開環(huán)控制系統(tǒng)就是控制器與被控對(duì)象之間只有順向作用而無反向聯(lián)系，即象之間只有順向作用而無反向聯(lián)系，即

8、控制是單方向進(jìn)行的；系統(tǒng)的輸出量并控制是單方向進(jìn)行的；系統(tǒng)的輸出量并不影響其控制作用，控制作用直接由系不影響其控制作用，控制作用直接由系統(tǒng)輸入量產(chǎn)生。統(tǒng)輸入量產(chǎn)生。 直流電動(dòng)機(jī)直流電動(dòng)機(jī)功率放功率放大大 器器激磁回路激磁回路constIf激磁電流激磁電流au電樞電壓電樞電壓VrV15l開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)是最基本的不是最基本的不帶反饋（檢測(cè)帶反饋（檢測(cè)裝置）的自動(dòng)裝置）的自動(dòng)控制系統(tǒng)，其控制系統(tǒng)，其在生產(chǎn)過程及在生產(chǎn)過程及生活設(shè)施中隨生活設(shè)施中隨處可見。處可見。 返回返回16輸入量輸入量 輸出量輸出量圖1-4 開環(huán)控制系統(tǒng)示意圖控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器 缺陷：缺陷：由于系統(tǒng)周圍環(huán)境的變化會(huì)

9、給系統(tǒng)造成干擾，由于系統(tǒng)周圍環(huán)境的變化會(huì)給系統(tǒng)造成干擾，開環(huán)控制系統(tǒng)的輸出量不可能精確地對(duì)應(yīng)于輸入量，開環(huán)控制系統(tǒng)的輸出量不可能精確地對(duì)應(yīng)于輸入量，因此開環(huán)系統(tǒng)因此開環(huán)系統(tǒng)不具備克服輸出量與輸入量之間的偏不具備克服輸出量與輸入量之間的偏差的能力，它的準(zhǔn)確性和穩(wěn)態(tài)精度都不高。差的能力，它的準(zhǔn)確性和穩(wěn)態(tài)精度都不高。如果系如果系統(tǒng)輸入量再隨時(shí)間變化，而系統(tǒng)的被控對(duì)象一般都統(tǒng)輸入量再隨時(shí)間變化，而系統(tǒng)的被控對(duì)象一般都存在慣性，所以存在慣性，所以不可能瞬時(shí)完成對(duì)輸入量的響不可能瞬時(shí)完成對(duì)輸入量的響應(yīng)。應(yīng)?？垢蓴_能力差抗干擾能力差 171.2.2 閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng) 18前向通路給控制系統(tǒng)給控制系統(tǒng)

10、引入反饋，即把引入反饋，即把輸出量饋送到系輸出量饋送到系統(tǒng)輸入端，以便統(tǒng)輸入端，以便與輸入信號(hào)進(jìn)行與輸入信號(hào)進(jìn)行比較，取其偏差比較，取其偏差作為控制器的輸作為控制器的輸入，如圖所示。入，如圖所示。這樣的系統(tǒng)稱為這樣的系統(tǒng)稱為19外擾外擾由系統(tǒng)的動(dòng)力源或負(fù)載變化以及外部因由系統(tǒng)的動(dòng)力源或負(fù)載變化以及外部因 素引起。素引起。 擾動(dòng)量擾動(dòng)量內(nèi)擾內(nèi)擾 由組成系統(tǒng)的元部件參數(shù)的變化引起。由組成系統(tǒng)的元部件參數(shù)的變化引起。l注意：注意：加在控制器上的信號(hào)是輸入量和反饋量之間加在控制器上的信號(hào)是輸入量和反饋量之間的差的差(偏差偏差)?？刂破魉a(chǎn)生的控制作用力圖減小或者消?？刂破魉a(chǎn)生的控制作用力圖減小或者消

11、除這種偏差。除這種偏差。 l帶有負(fù)反饋的閉環(huán)控制帶有負(fù)反饋的閉環(huán)控制又稱為又稱為偏差控制偏差控制 20液位閉環(huán)控制系統(tǒng)21爐溫閉環(huán)控制系統(tǒng) 冷水 電加熱器 溫控開關(guān) 水箱 給定溫度 熱水 測(cè)溫元件 圖1-6 電加熱器系統(tǒng)燃?xì)鉁囟瓤刂葡到y(tǒng)爐溫開環(huán)控制系統(tǒng)22 冷水 電加熱器 溫控開關(guān) 水箱 給定溫度 熱水 測(cè)溫元件 圖1-6 電加熱器系統(tǒng)控制器控制器溫控開關(guān)溫控開關(guān)輸入量輸入量期望溫度期望溫度輸出量輸出量測(cè)溫元件測(cè)溫元件檢測(cè)到的實(shí)際水溫檢測(cè)到的實(shí)際水溫偏差偏差由溫控開關(guān)由溫控開關(guān)確定確定外擾外擾注入的冷水注入的冷水和流出的熱水和流出的熱水執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)電加熱電加熱器器23優(yōu)勢(shì)：優(yōu)勢(shì)：有效地抑制

12、有效地抑制提高系統(tǒng)的抗擾動(dòng)性能，增強(qiáng)魯棒性，提高系統(tǒng)的抗擾動(dòng)性能，增強(qiáng)魯棒性，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，提高響應(yīng)速度改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，提高響應(yīng)速度 。 問題：問題：慣性使控制作用不能及時(shí)校正系統(tǒng)誤差。如慣性使控制作用不能及時(shí)校正系統(tǒng)誤差。如果控制系統(tǒng)的強(qiáng)激作用與被控對(duì)象的慣性匹配不當(dāng)，果控制系統(tǒng)的強(qiáng)激作用與被控對(duì)象的慣性匹配不當(dāng)，還可能產(chǎn)生振蕩，甚至不穩(wěn)定還可能產(chǎn)生振蕩，甚至不穩(wěn)定。1.2.3 復(fù)合控制系統(tǒng)復(fù)合控制系統(tǒng)使用條件：使用條件：當(dāng)單獨(dú)采用開環(huán)控制或閉環(huán)控制不能得當(dāng)單獨(dú)采用開環(huán)控制或閉環(huán)控制不能得到理想的控制效果時(shí)，可以采用開環(huán)和閉環(huán)控制相到理想的控制效果時(shí)，可以采用開環(huán)和閉環(huán)控制相結(jié)合的

13、復(fù)合控制系統(tǒng)。結(jié)合的復(fù)合控制系統(tǒng)。 24圖1-7 復(fù)合控制示意圖作用：作用：帶有負(fù)反饋的閉環(huán)控制起主調(diào)節(jié)作用，帶有負(fù)反饋的閉環(huán)控制起主調(diào)節(jié)作用，而帶有前饋的開環(huán)控制則起輔助作用。而帶有前饋的開環(huán)控制則起輔助作用。 25圖1-8 電動(dòng)機(jī)復(fù)合控制系統(tǒng) 電動(dòng)機(jī)速電動(dòng)機(jī)速度復(fù)合控制系度復(fù)合控制系統(tǒng)是按擾動(dòng)作統(tǒng)是按擾動(dòng)作用補(bǔ)償?shù)膹?fù)合用補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制系統(tǒng)。負(fù)控制系統(tǒng)。負(fù)載大小的改變載大小的改變引起轉(zhuǎn)速變化，引起轉(zhuǎn)速變化，反映在圖反映在圖1-8（b）中即為）中即為負(fù)載轉(zhuǎn)矩負(fù)載轉(zhuǎn)矩Mc的改變。的改變。實(shí)例：實(shí)例：261.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本類型自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本類型1.3.1 調(diào)節(jié)系統(tǒng)和隨動(dòng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)和隨

14、動(dòng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)或恒值系統(tǒng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)或恒值系統(tǒng)系統(tǒng)的系統(tǒng)的輸入量恒定不變輸入量恒定不變的。的。輸入量輸入量并非被控對(duì)象的實(shí)并非被控對(duì)象的實(shí)際輸入而是希望輸出能夠際輸入而是希望輸出能夠達(dá)到的期望值，所以又稱達(dá)到的期望值，所以又稱其其為參考輸入為參考輸入。隨動(dòng)系統(tǒng)隨動(dòng)系統(tǒng)系統(tǒng)的輸出能夠緊緊跟隨其輸入變化，系統(tǒng)的輸出能夠緊緊跟隨其輸入變化，并要求具有一定的跟隨精度。并要求具有一定的跟隨精度。在這種系統(tǒng)中，輸入量在這種系統(tǒng)中，輸入量的變化往往是任意的，非預(yù)知的。的變化往往是任意的，非預(yù)知的。 基本控制方式：開、基本控制方式：開、閉環(huán)，復(fù)合閉環(huán)，復(fù)合27 給定轉(zhuǎn)速 給 實(shí)際轉(zhuǎn)速 定 電 位 直流 測(cè) 速 器

15、 電動(dòng)機(jī) 發(fā)電機(jī) 生產(chǎn)機(jī)構(gòu)圖1-9 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng) 電壓和功率放大器工作原理：工作原理：測(cè)速發(fā)電機(jī)將檢測(cè)到的實(shí)際轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成測(cè)速發(fā)電機(jī)將檢測(cè)到的實(shí)際轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電壓反饋到輸入端，通過運(yùn)算放大器與參考輸入電壓反饋到輸入端，通過運(yùn)算放大器與參考輸入（給定轉(zhuǎn)速的電壓當(dāng)量）進(jìn)行比較，取其偏差進(jìn)行（給定轉(zhuǎn)速的電壓當(dāng)量）進(jìn)行比較，取其偏差進(jìn)行控制。控制。l 電、汽加熱系統(tǒng)（圖電、汽加熱系統(tǒng)（圖1-6所示）也是一個(gè)溫度恒所示）也是一個(gè)溫度恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)。值調(diào)節(jié)系統(tǒng)。日常生活中還有許多如壓力、水位、流日常生活中還有許多如壓力、水位、流量以及電壓、電流等參量的恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)。量以及電壓、電流等參量的恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)

16、。28 輸出角度 同位儀 電壓和功率放大器 直流電動(dòng)機(jī) 炮身 輸入角度圖1-10 地空導(dǎo)彈跟蹤系統(tǒng)示意圖 29 輸出角度輸出角度 同位儀同位儀 電壓和功率放大器電壓和功率放大器 直流電動(dòng)機(jī)直流電動(dòng)機(jī) 炮身炮身 輸入角度輸入角度圖圖1-10 火炮跟蹤系統(tǒng)示意圖火炮跟蹤系統(tǒng)示意圖 工作原理：工作原理： 同位儀是誤差檢測(cè)裝置，輸入信號(hào)是火炮跟蹤同位儀是誤差檢測(cè)裝置，輸入信號(hào)是火炮跟蹤目標(biāo)的監(jiān)測(cè)角度，反饋裝置把炮架轉(zhuǎn)動(dòng)的角度送入同位儀，目標(biāo)的監(jiān)測(cè)角度，反饋裝置把炮架轉(zhuǎn)動(dòng)的角度送入同位儀，放大裝置輸出相應(yīng)的偏差信號(hào)，使直流電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)火炮的炮放大裝置輸出相應(yīng)的偏差信號(hào)，使直流電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)火炮的炮架轉(zhuǎn)動(dòng)，如此

17、直至反饋的角度信號(hào)與輸入的角度信號(hào)相等時(shí)，架轉(zhuǎn)動(dòng)，如此直至反饋的角度信號(hào)與輸入的角度信號(hào)相等時(shí)，放大裝置的輸出功率為零，電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。由于火炮的目放大裝置的輸出功率為零，電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。由于火炮的目標(biāo)是飛行物體，因此系統(tǒng)的輸入角度必須根據(jù)實(shí)際目標(biāo)方位標(biāo)是飛行物體，因此系統(tǒng)的輸入角度必須根據(jù)實(shí)際目標(biāo)方位隨時(shí)調(diào)整，所以火炮跟蹤系統(tǒng)是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)。隨時(shí)調(diào)整，所以火炮跟蹤系統(tǒng)是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)。例例 水溫人工控制系統(tǒng)水溫人工控制系統(tǒng)缺點(diǎn)：難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的高質(zhì)量的控制缺點(diǎn)：難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的高質(zhì)量的控制人在控制過程中起三個(gè)作用： （1）觀測(cè)：用眼睛去觀測(cè)溫度計(jì)指示值； （2）比較與決策：人腦把觀測(cè)得到的數(shù)據(jù)與要

18、求的數(shù)據(jù)相比較，并進(jìn)行判斷，根據(jù)給定的控制規(guī)律給出控制量； （3）執(zhí)行：根據(jù)控制量用手具體調(diào)節(jié)，如調(diào)節(jié)閥門開度、改變觸點(diǎn)位置。例例 水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)系統(tǒng)中增加了：系統(tǒng)中增加了：控制器控制器電機(jī)電機(jī)加入給定信號(hào)加入給定信號(hào)工作原理：工作原理：檢測(cè)實(shí)際溫度檢測(cè)實(shí)際溫度產(chǎn)生控制信號(hào)產(chǎn)生控制信號(hào) 通過電機(jī)調(diào)通過電機(jī)調(diào)節(jié)閥門的開度節(jié)閥門的開度 從而調(diào)節(jié)蒸從而調(diào)節(jié)蒸汽流入，控制汽流入，控制水的溫度水的溫度. 實(shí)實(shí)現(xiàn)沒有人直接現(xiàn)沒有人直接參入的自動(dòng)水參入的自動(dòng)水溫控制溫控制. 為了方便地分析系統(tǒng)性能，一般用為了方便地分析系統(tǒng)性能，一般用框圖來表示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，如圖所示框圖來表示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，如圖

19、所示:輸出值輸出值偏差偏差反饋量反饋量給定值給定值_控制器控制器執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)放大元件放大元件被控對(duì)象被控對(duì)象檢測(cè)變送裝置檢測(cè)變送裝置二、自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成二、自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成比較器比較器 將將反饋量反饋量與與給定值給定值進(jìn)行比較，以求進(jìn)行比較，以求偏差偏差。1.基本組成部分差動(dòng)放大器、電橋、機(jī)械的差動(dòng)裝置輸出值輸出值偏差偏差反饋量反饋量給定值給定值_控制器控制器執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)放大元件放大元件被控對(duì)象被控對(duì)象檢測(cè)變送裝置檢測(cè)變送裝置二、自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成二、自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成控制器控制器是控制裝置的核心，主要完成數(shù)據(jù)是控制裝置的核心，主要完成數(shù)據(jù)的計(jì)算與分析。的計(jì)算與分析

20、。微處理器是控制系統(tǒng)的大腦是控制系統(tǒng)的大腦輸出值輸出值偏差偏差反饋量反饋量給定值給定值_控制器控制器執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)放大元件放大元件被控對(duì)象被控對(duì)象檢測(cè)變送裝置檢測(cè)變送裝置二、自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成二、自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成放大器放大器達(dá)到控制器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功率匹配。達(dá)到控制器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功率匹配。執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 直接推動(dòng)被控對(duì)象的控制量發(fā)生變化。直接推動(dòng)被控對(duì)象的控制量發(fā)生變化。電機(jī)、調(diào)節(jié)閥是控制系統(tǒng)的雙手是控制系統(tǒng)的雙手輸出值輸出值偏差偏差反饋量反饋量給定值給定值_控制器控制器執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)放大元件放大元件被控對(duì)象被控對(duì)象檢測(cè)變送裝置檢測(cè)變送裝置二、自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成二、自動(dòng)控制系

21、統(tǒng)的基本組成被控對(duì)象被控對(duì)象是控制系統(tǒng)所控制和操縱的對(duì)象。是控制系統(tǒng)所控制和操縱的對(duì)象。設(shè)備或生產(chǎn)工藝流程輸出值輸出值偏差偏差反饋量反饋量給定值給定值_控制器控制器執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)放大元件放大元件被控對(duì)象被控對(duì)象檢測(cè)變送裝置檢測(cè)變送裝置二、自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成二、自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成檢測(cè)變送裝置檢測(cè)變送裝置 檢測(cè)被控對(duì)象的控制量，并且一般檢測(cè)被控對(duì)象的控制量，并且一般將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并傳送出去。將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并傳送出去。是控制系統(tǒng)的感覺器官是控制系統(tǒng)的感覺器官各種傳感器輸出值輸出值偏差偏差反饋量反饋量給定值給定值_控制器控制器執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)放大元件放大元件被控對(duì)象被控對(duì)象檢測(cè)變送裝置檢

22、測(cè)變送裝置二、自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成二、自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成系統(tǒng)系統(tǒng)一些相互作用以完成某個(gè)目標(biāo)的元素或組一些相互作用以完成某個(gè)目標(biāo)的元素或組成部分的集合。成部分的集合。2.常見名詞術(shù)語例例 水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)輸出值輸出值偏差偏差反饋量反饋量給定值給定值_控制器控制器執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)放大元件放大元件被控對(duì)象被控對(duì)象檢測(cè)變送裝置檢測(cè)變送裝置二、自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成二、自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成控制控制為了達(dá)到某一合適的目的，對(duì)能實(shí)為了達(dá)到某一合適的目的，對(duì)能實(shí)現(xiàn)此目的的對(duì)象所施加的必要的操現(xiàn)此目的的對(duì)象所施加的必要的操作。作。輸出值輸出值偏差偏差反饋量反饋量給定值給定值_控制器控制器

23、執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)放大元件放大元件被控對(duì)象被控對(duì)象檢測(cè)變送裝置檢測(cè)變送裝置二、自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成二、自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成給定量給定量r(t)又稱為系統(tǒng)又稱為系統(tǒng)輸入量輸入量，是指人為指定的，是指人為指定的并且要求系統(tǒng)輸出量參照變化的外部并且要求系統(tǒng)輸出量參照變化的外部信號(hào)指令。信號(hào)指令。例例 水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)人為指定的鍋爐溫度即為給定值輸出值輸出值偏差偏差反饋量反饋量給定值給定值_控制器控制器執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)放大元件放大元件被控對(duì)象被控對(duì)象檢測(cè)變送裝置檢測(cè)變送裝置二、自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成二、自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成受控量受控量c(t)是指要求按預(yù)定規(guī)律變化的物理量，是指要求

24、按預(yù)定規(guī)律變化的物理量，位于系統(tǒng)的輸出端，又稱之為位于系統(tǒng)的輸出端，又稱之為被控被控量量或或輸出量輸出量。例例 水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)鍋爐的實(shí)際溫度即為輸出值輸出值輸出值偏差偏差反饋量反饋量給定值給定值_控制器控制器執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)放大元件放大元件被控對(duì)象被控對(duì)象檢測(cè)變送裝置檢測(cè)變送裝置二、自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成二、自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成反饋反饋是系統(tǒng)的某一輸出量從輸出端經(jīng)變換、是系統(tǒng)的某一輸出量從輸出端經(jīng)變換、處理到達(dá)系統(tǒng)輸入端的過程。處理到達(dá)系統(tǒng)輸入端的過程。返回的全部或部分輸出信號(hào)。返回的全部或部分輸出信號(hào)。反饋量反饋量反饋量反饋量等于等于輸出值輸出值的反饋。的反饋。單位反饋單

25、位反饋輸出值輸出值偏差偏差反饋量反饋量給定值給定值_控制器控制器執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)放大元件放大元件被控對(duì)象被控對(duì)象檢測(cè)變送裝置檢測(cè)變送裝置二、自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成二、自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成偏差偏差給定量與反饋量之差。給定量與反饋量之差。誤差誤差系統(tǒng)輸出的實(shí)際值與期望值之差系統(tǒng)輸出的實(shí)際值與期望值之差。單位單位反饋時(shí)反饋時(shí)誤差等于偏差誤差等于偏差從輸入端定義的誤差（便于理論分析）從輸入端定義的誤差（便于理論分析）從輸出端定義的誤差（便于工程應(yīng)用）從輸出端定義的誤差（便于工程應(yīng)用）例例 水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)鍋爐的實(shí)際溫度與要求溫度的差即為誤差?？刂葡到y(tǒng)的實(shí)際溫度通過檢測(cè)變送裝置變?yōu)殡妷?/p>

26、信號(hào)與設(shè)定的電壓的差即為偏差。輸出值輸出值偏差偏差反饋量反饋量給定值給定值_控制器控制器執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)放大元件放大元件被控對(duì)象被控對(duì)象檢測(cè)變送裝置檢測(cè)變送裝置二、自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成二、自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成干擾信號(hào)干擾信號(hào) 影響系統(tǒng)輸出的不利因素影響系統(tǒng)輸出的不利因素。干擾干擾內(nèi)部干擾信號(hào)內(nèi)部干擾信號(hào)外部干擾信號(hào)外部干擾信號(hào)例例 水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)內(nèi)部干擾信號(hào)：內(nèi)部干擾信號(hào)：電網(wǎng)的波動(dòng)電網(wǎng)的波動(dòng)電機(jī)的異常電機(jī)的異常外部干擾信號(hào)：外部干擾信號(hào)：溫度的波動(dòng)溫度的波動(dòng)三、自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本控制方式三、自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本控制方式1開環(huán)控制開環(huán)控制有順向作用而無反向聯(lián)系有順向作用而無

27、反向聯(lián)系.自動(dòng)控制系統(tǒng)一般有兩種基本控制自動(dòng)控制系統(tǒng)一般有兩種基本控制方式方式.開環(huán)控制開環(huán)控制控制裝置與受控對(duì)象之間只控制裝置與受控對(duì)象之間只例例 轉(zhuǎn)臺(tái)速度開環(huán)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)速度開環(huán)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)臺(tái) 電機(jī)電機(jī)電源和放電源和放 大裝置大裝置速度設(shè)置速度設(shè)置系統(tǒng)組成：系統(tǒng)組成：例例 轉(zhuǎn)臺(tái)速度開環(huán)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)速度開環(huán)控制系統(tǒng) 這種轉(zhuǎn)臺(tái)在這種轉(zhuǎn)臺(tái)在CD機(jī)、計(jì)算機(jī)磁盤驅(qū)動(dòng)器機(jī)、計(jì)算機(jī)磁盤驅(qū)動(dòng)器等現(xiàn)代裝置中廣泛應(yīng)用等現(xiàn)代裝置中廣泛應(yīng)用.由圖可見：由圖可見： 被控制量速被控制量速度沒有反饋到度沒有反饋到輸入端與給定輸入端與給定信號(hào)比較信號(hào)比較,為開為開環(huán)控制系統(tǒng)。環(huán)控制系統(tǒng)。預(yù)期速度預(yù)期速度實(shí)際轉(zhuǎn)速實(shí)際轉(zhuǎn)速

28、直流電動(dòng)機(jī)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)臺(tái)放大器放大器 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制過程均很簡單，但抗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制過程均很簡單，但抗擾能力差，控制精度不高，故一般只能用擾能力差，控制精度不高，故一般只能用于對(duì)控制性能要求較低的場合。于對(duì)控制性能要求較低的場合。 轉(zhuǎn)臺(tái)速度開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)臺(tái)速度開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖:開環(huán)控制的特點(diǎn)：開環(huán)控制的特點(diǎn)： 2閉環(huán)控制閉環(huán)控制 有順向作用，而且還有反向聯(lián)系有順向作用，而且還有反向聯(lián)系.閉環(huán)控制閉環(huán)控制: 閉環(huán)控制又稱為閉環(huán)控制又稱為反饋控制反饋控制或或按偏差控制按偏差控制。 控制裝置與受控對(duì)象之間，不但控制裝置與受控對(duì)象之間，不但 測(cè)速機(jī)測(cè)速機(jī)偏差偏差反饋量反饋量預(yù)期速度預(yù)期速度

29、實(shí)際轉(zhuǎn)速實(shí)際轉(zhuǎn)速直流電動(dòng)機(jī)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)臺(tái)放大器放大器_ 當(dāng)實(shí)際速度受擾動(dòng)的影響發(fā)生變化時(shí)當(dāng)實(shí)際速度受擾動(dòng)的影響發(fā)生變化時(shí)，通過系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，從而消除擾動(dòng)對(duì)速度，通過系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，從而消除擾動(dòng)對(duì)速度的影響。的影響。轉(zhuǎn)臺(tái)速度閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)臺(tái)速度閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖例例 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)直流電機(jī)直流電機(jī)測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)速發(fā)電機(jī)電源和放電源和放 大裝置大裝置負(fù)載負(fù)載系統(tǒng)組成：系統(tǒng)組成：UnUf給定電壓給定電壓反饋電壓反饋電壓e=Un-Uf 轉(zhuǎn)速取決轉(zhuǎn)速取決于給定電壓于給定電壓與反饋電壓與反饋電壓的差值。的差值。 調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖unufeudn_直流

30、電動(dòng)機(jī)直流電動(dòng)機(jī)放大器放大器測(cè)速機(jī)測(cè)速機(jī) 由電網(wǎng)電壓波動(dòng)，負(fù)載變化以及其他由電網(wǎng)電壓波動(dòng)，負(fù)載變化以及其他部分的參數(shù)變化所引起的轉(zhuǎn)速變化，都可部分的參數(shù)變化所引起的轉(zhuǎn)速變化，都可以通過系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)整加以抑制。以通過系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)整加以抑制。 nUf eUd n 減小或消除由于擾動(dòng)所形成的偏差值，減小或消除由于擾動(dòng)所形成的偏差值，具有較高的控制精度和較強(qiáng)的抗擾能力。具有較高的控制精度和較強(qiáng)的抗擾能力。閉環(huán)控制系統(tǒng)具有的特點(diǎn)：閉環(huán)控制系統(tǒng)具有的特點(diǎn)：3復(fù)合控制復(fù)合控制 測(cè)量出外部作用，形成與外部作用相測(cè)量出外部作用，形成與外部作用相反的控制量與外部作用共同使被控量基本反的控制量與外部作用共同使被控量

31、基本不受影響。不受影響。前饋補(bǔ)償控制前饋補(bǔ)償控制復(fù)合控制具有兩種基本形式復(fù)合控制具有兩種基本形式.前饋補(bǔ)償控制：前饋補(bǔ)償控制：復(fù)合控制：復(fù)合控制：反饋控制反饋控制+(a) 按輸入前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制按輸入前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制給定值給定值被控制量被控制量_受控對(duì)象受控對(duì)象檢測(cè)元件檢測(cè)元件控制器控制器前饋控制前饋控制(b) 按擾動(dòng)前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制按擾動(dòng)前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制檢測(cè)元件檢測(cè)元件_前饋控制前饋控制擾動(dòng)擾動(dòng)被控制量被控制量給定值給定值受控對(duì)象受控對(duì)象控制器控制器_1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類一、線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)一、線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類方法較多，常自動(dòng)控制系統(tǒng)

32、的分類方法較多，常見的有以下幾種見的有以下幾種 由線性微分方程或線性差分方程所由線性微分方程或線性差分方程所描述的系統(tǒng)稱為線性系統(tǒng)；由非線性方描述的系統(tǒng)稱為線性系統(tǒng)；由非線性方程所描述的系統(tǒng)稱為非線性系統(tǒng)。程所描述的系統(tǒng)稱為非線性系統(tǒng)。第一章第一章 概概 述述 線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)的的“線性線性”包含兩個(gè)重要包含兩個(gè)重要的概念：的概念：齊次性齊次性和和疊加性。疊加性。同時(shí)具有齊同時(shí)具有齊次性與疊加性的系統(tǒng)稱為次性與疊加性的系統(tǒng)稱為線性系統(tǒng)，線性系統(tǒng)，不不滿足齊次性或疊加性的系統(tǒng)為滿足齊次性或疊加性的系統(tǒng)為非線性系非線性系統(tǒng)。統(tǒng)。1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類)()()()()()()(

33、)(1111011110trbtrdtdbtrdtdbtrdtdbtcatcdtdatcdtdatcdtdammmmmmnnnnnn微分方程的標(biāo)準(zhǔn)式齊次性齊次性 是指當(dāng)輸入信號(hào)是指當(dāng)輸入信號(hào)x x( (t t) )增加為原來的增加為原來的a a倍，響應(yīng)倍，響應(yīng)y y( (t t) )也增加為原來的也增加為原來的a a倍。倍。疊加性疊加性 是指當(dāng)幾個(gè)激勵(lì)信號(hào)同時(shí)作用于系是指當(dāng)幾個(gè)激勵(lì)信號(hào)同時(shí)作用于系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)的總響應(yīng)等于每個(gè)激勵(lì)單獨(dú)作統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)的總響應(yīng)等于每個(gè)激勵(lì)單獨(dú)作用所產(chǎn)生的響應(yīng)之和。用所產(chǎn)生的響應(yīng)之和。1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類bt

34、artc)()(出之間的關(guān)系為：例：某一系統(tǒng)輸入與輸btratcbtratc)()()()(齊次性：不滿足齊次性btratcbtratc)()()()(2211的輸出分別為：兩輸入信號(hào)分別作用時(shí)疊加性：)()()()()(2121tctcbtrtratc出為：兩信號(hào)同時(shí)作用時(shí)的輸不滿足疊加性二、定常系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng)二、定常系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng)定常系統(tǒng)定常系統(tǒng): 若系統(tǒng)微分方程的系數(shù)為常數(shù)，則若系統(tǒng)微分方程的系數(shù)為常數(shù)，則稱之為線性定常系統(tǒng)。此類系統(tǒng)為本書稱之為線性定常系統(tǒng)。此類系統(tǒng)為本書主要討論對(duì)象。主要討論對(duì)象。 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型微分方程的系數(shù)不是系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型微分方程的系數(shù)不是時(shí)間變量的函數(shù)。時(shí)間變量的

35、函數(shù)。否則稱為時(shí)變系統(tǒng)。否則稱為時(shí)變系統(tǒng)。1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類三、連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)三、連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)：連續(xù)系統(tǒng)： 系統(tǒng)中各部分的信號(hào)都是時(shí)間的連續(xù)系統(tǒng)中各部分的信號(hào)都是時(shí)間的連續(xù)函數(shù)即模擬量。函數(shù)即模擬量。離散系統(tǒng)：離散系統(tǒng)： 系統(tǒng)中有一處或多處信號(hào)為時(shí)間的系統(tǒng)中有一處或多處信號(hào)為時(shí)間的離散函數(shù)，如脈沖或數(shù)碼信號(hào)。離散函數(shù)，如脈沖或數(shù)碼信號(hào)。 若系統(tǒng)中既有模擬量也有離散信號(hào)，若系統(tǒng)中既有模擬量也有離散信號(hào)，則又可稱之為采樣系統(tǒng)。則又可稱之為采樣系統(tǒng)。1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類四、恒值系統(tǒng)、隨動(dòng)系統(tǒng)和四、恒值系統(tǒng)、隨動(dòng)系統(tǒng)和 程序控制系統(tǒng)程序控

36、制系統(tǒng) 系統(tǒng)的給定值為一定值，而控制任系統(tǒng)的給定值為一定值，而控制任務(wù)就是克服擾動(dòng)，使被控量保持恒值。務(wù)就是克服擾動(dòng)，使被控量保持恒值。 例如：電機(jī)速度控制、恒溫、恒壓、例如：電機(jī)速度控制、恒溫、恒壓、 水位控制系統(tǒng)等。水位控制系統(tǒng)等。 恒值系統(tǒng)：恒值系統(tǒng)： 1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類隨動(dòng)系統(tǒng)：隨動(dòng)系統(tǒng)： 系統(tǒng)給定值按照事先不知道的時(shí)系統(tǒng)給定值按照事先不知道的時(shí)間函數(shù)變化，并要求被控量跟隨給定間函數(shù)變化，并要求被控量跟隨給定值變化。值變化。程序控制系統(tǒng)：程序控制系統(tǒng)： 系統(tǒng)的給定值按照一定的時(shí)間函系統(tǒng)的給定值按照一定的時(shí)間函數(shù)變化，并要求被控量隨之變化。數(shù)變化，并要求被控量隨之

37、變化。1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類 火炮隨動(dòng)控制1.3 對(duì)控制系統(tǒng)性能的要求對(duì)控制系統(tǒng)性能的要求 常見的評(píng)價(jià)系統(tǒng)優(yōu)劣的性能指標(biāo)是常見的評(píng)價(jià)系統(tǒng)優(yōu)劣的性能指標(biāo)是從動(dòng)態(tài)過程中定義出來的。對(duì)系統(tǒng)性能從動(dòng)態(tài)過程中定義出來的。對(duì)系統(tǒng)性能的基本要求有三個(gè)方面。的基本要求有三個(gè)方面。 二、快速性二、快速性一、穩(wěn)定性一、穩(wěn)定性三、準(zhǔn)確性三、準(zhǔn)確性第一章第一章 概概 述述 系統(tǒng)受外作用力后系統(tǒng)受外作用力后,其動(dòng)態(tài)過程的振其動(dòng)態(tài)過程的振蕩傾向和系統(tǒng)恢復(fù)平衡的能力。蕩傾向和系統(tǒng)恢復(fù)平衡的能力。一、穩(wěn)定性一、穩(wěn)定性1.3 對(duì)控制系統(tǒng)性能的要求對(duì)控制系統(tǒng)性能的要求穩(wěn)定性：穩(wěn)定性： 如果系統(tǒng)受外作用力經(jīng)過一

38、段時(shí)間如果系統(tǒng)受外作用力經(jīng)過一段時(shí)間，其被控量達(dá)到某一穩(wěn)定狀態(tài)，則系統(tǒng)，其被控量達(dá)到某一穩(wěn)定狀態(tài)，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的。是穩(wěn)定的。否則為不穩(wěn)定的。否則為不穩(wěn)定的。穩(wěn)定系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程穩(wěn)定系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程r(t)t0c(t)1r(t)c(t)不穩(wěn)定系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程不穩(wěn)定系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程(a) 給定信號(hào)作用給定信號(hào)作用c(t)(b) 擾動(dòng)信號(hào)作用擾動(dòng)信號(hào)作用d(t)t0c(t)r(t)t0c(t)r(t)c(t)d(t) 不穩(wěn)定的系統(tǒng)是無法正常工作的。不穩(wěn)定的系統(tǒng)是無法正常工作的。 通過動(dòng)態(tài)過程時(shí)間長短表征。時(shí)間通過動(dòng)態(tài)過程時(shí)間長短表征。時(shí)間越短，表明快速性越好，反之亦然。越短，表明快速性越好，反之亦然。二、快

39、速性二、快速性r(t)t0c(t)r(t)c1(t)c2(t) 快速性表明了系統(tǒng)輸出對(duì)輸入響應(yīng)快速性表明了系統(tǒng)輸出對(duì)輸入響應(yīng)的快慢程度的快慢程度1.3 對(duì)控制系統(tǒng)性能的要求對(duì)控制系統(tǒng)性能的要求 由輸入給定值與輸出響應(yīng)的終值由輸入給定值與輸出響應(yīng)的終值之間的差值之間的差值ess大小表征。大小表征。三、準(zhǔn)確性三、準(zhǔn)確性r(t)t0c(t)r(t)c(t)ess1.3 對(duì)控制系統(tǒng)性能的要求對(duì)控制系統(tǒng)性能的要求 穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性往往是互穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性往往是互相制約的。在設(shè)計(jì)與調(diào)試的過程中相制約的。在設(shè)計(jì)與調(diào)試的過程中,若過若過分強(qiáng)調(diào)某方面的性能分強(qiáng)調(diào)某方面的性能,則可能會(huì)使其他方則可能會(huì)

40、使其他方面的性能受到影響面的性能受到影響. 怎樣根據(jù)工作任務(wù)的不同怎樣根據(jù)工作任務(wù)的不同,分析和設(shè)分析和設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)，使其對(duì)三方面的性能有計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)，使其對(duì)三方面的性能有所側(cè)重所側(cè)重 ，并兼顧其它正是自控原理課程，并兼顧其它正是自控原理課程要解決的問題。要解決的問題。1.3 對(duì)控制系統(tǒng)性能的要求對(duì)控制系統(tǒng)性能的要求72穩(wěn)態(tài)性能（精度）：穩(wěn)態(tài)性能（精度）：輸出響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)誤差。輸出響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)誤差。穩(wěn)定性：穩(wěn)定性：系統(tǒng)能夠正常工作的基本前提系統(tǒng)能夠正常工作的基本前提動(dòng)態(tài)性能：動(dòng)態(tài)性能：系統(tǒng)輸出響應(yīng)的快速性和超調(diào)量系統(tǒng)輸出響應(yīng)的快速性和超調(diào)量73系統(tǒng)分析系統(tǒng)分析將給定物理系統(tǒng)抽象成將給定物理系

41、統(tǒng)抽象成數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型，然后用已經(jīng)成熟的數(shù)學(xué)方法和計(jì)算機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)、然后用已經(jīng)成熟的數(shù)學(xué)方法和計(jì)算機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)、靜態(tài)性能的靜態(tài)性能的定性或定量分析定性或定量分析； 系統(tǒng)綜合系統(tǒng)綜合已知被控對(duì)象及其給定性能指標(biāo)，已知被控對(duì)象及其給定性能指標(biāo)，尋求尋求合適的控制規(guī)律和設(shè)計(jì)校正模型，合適的控制規(guī)律和設(shè)計(jì)校正模型，建立能使被建立能使被控對(duì)象滿足性能要求的控制系統(tǒng)。控對(duì)象滿足性能要求的控制系統(tǒng)。 74建立數(shù)學(xué)模型建立數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)性能分析系統(tǒng)性能分析控制器的設(shè)計(jì)控制器的設(shè)計(jì)YN 1.確定控制目標(biāo)確定控制目標(biāo)2.辨別被控變量辨別被控變量完成設(shè)計(jì)完成設(shè)計(jì)7.分析系統(tǒng)性能、優(yōu)化分析系統(tǒng)性能、優(yōu)化參數(shù)參數(shù)5

42、.求被控對(duì)象、傳感器和執(zhí)行器求被控對(duì)象、傳感器和執(zhí)行器的數(shù)學(xué)模型的數(shù)學(xué)模型6.選擇控制器和需要調(diào)整選擇控制器和需要調(diào)整的參數(shù)的參數(shù)4.建立系統(tǒng)框圖并確定執(zhí)行器建立系統(tǒng)框圖并確定執(zhí)行器3.列出變量的指標(biāo)列出變量的指標(biāo)范圍范圍性能滿足指標(biāo)要求否？性能滿足指標(biāo)要求否？自動(dòng)控制理論所要研究的自動(dòng)控制理論所要研究的三個(gè)基本問題三個(gè)基本問題特點(diǎn)：特點(diǎn)： 主要研究物理系統(tǒng)在上主要研究物理系統(tǒng)在上述三方面的共同特征，抽述三方面的共同特征，抽象性強(qiáng)，數(shù)學(xué)性強(qiáng)，理論象性強(qiáng)，數(shù)學(xué)性強(qiáng)，理論性強(qiáng)。性強(qiáng)。 本書不涉及非線性系統(tǒng)，主要本書不涉及非線性系統(tǒng)，主要介紹線性定常系統(tǒng)的建模、分析介紹線性定常系統(tǒng)的建模、分析和設(shè)計(jì)

43、方法，其中設(shè)計(jì)僅限于對(duì)和設(shè)計(jì)方法，其中設(shè)計(jì)僅限于對(duì)系統(tǒng)性能的修正或校正。系統(tǒng)性能的修正或校正。 75滑動(dòng)曲柄滑動(dòng)曲柄軸心軸心磁道磁道a磁道磁道b 滑動(dòng)磁頭滑動(dòng)磁頭圖圖1-16 1-16 硬盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖硬盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖曲柄的滑動(dòng)頭曲柄的滑動(dòng)頭驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)硬盤硬盤圖圖2-47 彈性連接的滑動(dòng)曲柄示意圖彈性連接的滑動(dòng)曲柄示意圖 電機(jī)電機(jī) 彈性曲柄彈性曲柄 磁磁頭頭讀寫曲臂讀寫曲臂 自動(dòng)控制理論研究的是如何按受控對(duì)自動(dòng)控制理論研究的是如何按受控對(duì)象和環(huán)境特征，通過能動(dòng)地采集和運(yùn)用信象和環(huán)境特征，通過能動(dòng)地采集和運(yùn)用信息，施加控制作用使系統(tǒng)在不確定的條件息，施加控制作用使系統(tǒng)在不確

44、定的條件下正常運(yùn)行并具有預(yù)定功能。它是研究自下正常運(yùn)行并具有預(yù)定功能。它是研究自動(dòng)控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)，其主要內(nèi)容動(dòng)控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)，其主要內(nèi)容涉及受控對(duì)象、環(huán)境特征、控制目標(biāo)和控涉及受控對(duì)象、環(huán)境特征、控制目標(biāo)和控制手段以及它們之間的相互作用。制手段以及它們之間的相互作用。1.4 自動(dòng)控制理論發(fā)展簡述自動(dòng)控制理論發(fā)展簡述第一章第一章 概概 述述第一章第一章 概概 述述1.4 自動(dòng)控制理論發(fā)展簡述自動(dòng)控制理論發(fā)展簡述自動(dòng)控制理論是研究自動(dòng)控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)。既是一門自動(dòng)控制理論是研究自動(dòng)控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)。既是一門古老的、已古老的、已臻成熟的學(xué)科臻成熟的學(xué)科，又是一門正在發(fā)展的

45、、具有強(qiáng)大生命力的，又是一門正在發(fā)展的、具有強(qiáng)大生命力的新興學(xué)科新興學(xué)科。從從18681868年馬克斯威爾（年馬克斯威爾（J.C.MaxwellJ.C.Maxwell）提出低階系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù)至今一）提出低階系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù)至今一百多年里，自動(dòng)控制理論的發(fā)展可分為四個(gè)主要階段：百多年里，自動(dòng)控制理論的發(fā)展可分為四個(gè)主要階段：第一階段：第一階段：經(jīng)典控制理論（或古典控制理論）的產(chǎn)生、發(fā)展和成熟；經(jīng)典控制理論（或古典控制理論）的產(chǎn)生、發(fā)展和成熟；第二階段：第二階段：現(xiàn)代控制理論的興起和發(fā)展；現(xiàn)代控制理論的興起和發(fā)展；第三階段：第三階段：大系統(tǒng)控制興起和發(fā)展階段；大系統(tǒng)控制興起和發(fā)展階段；第四階段：第四

46、階段：智能控制發(fā)展階段。智能控制發(fā)展階段。一一. .經(jīng)典自動(dòng)控制理論經(jīng)典自動(dòng)控制理論n勞斯（勞斯（18771877年）和赫維茨（年）和赫維茨（18951895年）年） 穩(wěn)定性的代數(shù)判據(jù)穩(wěn)定性的代數(shù)判據(jù)n19321932年年 奈奎斯特奈奎斯特 穩(wěn)定性判據(jù)，穩(wěn)定穩(wěn)定性判據(jù)，穩(wěn)定裕量裕量n19451945年年 伯德伯德 伯德圖法伯德圖法n19481948年年 伊文斯伊文斯 根軌跡法。根軌跡法。n2020世紀(jì)世紀(jì)5050年代中期，非線性系統(tǒng)理論和年代中期，非線性系統(tǒng)理論和離散控制理論離散控制理論1.4 自動(dòng)控制理論的發(fā)展自動(dòng)控制理論的發(fā)展特點(diǎn)特點(diǎn)：單輸入單輸出單輸入單輸出是本課程介紹的主要內(nèi)容是本課程

47、介紹的主要內(nèi)容經(jīng)典控制理論的基本特征經(jīng)典控制理論的基本特征（1 1）主要用于線性定常系統(tǒng)的研究，即用于常系數(shù)線）主要用于線性定常系統(tǒng)的研究，即用于常系數(shù)線性性微分方程描述的系統(tǒng)的分析與綜合；微分方程描述的系統(tǒng)的分析與綜合；（2 2）只用于單輸入，單輸出的反饋控制系統(tǒng)；）只用于單輸入，單輸出的反饋控制系統(tǒng)；（3 3）只討論系統(tǒng)輸入與輸出之間的關(guān)系，而忽視系統(tǒng)的）只討論系統(tǒng)輸入與輸出之間的關(guān)系，而忽視系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)，是一種對(duì)系統(tǒng)的外部描述方法。內(nèi)部狀態(tài)，是一種對(duì)系統(tǒng)的外部描述方法。 基本方法：根軌跡法，頻率法，基本方法：根軌跡法，頻率法，PIDPID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器 （頻域）（頻域）1.4 自動(dòng)控制理

48、論的發(fā)展自動(dòng)控制理論的發(fā)展二二. .現(xiàn)代自動(dòng)控制理論（現(xiàn)代自動(dòng)控制理論（2020世紀(jì)世紀(jì)60-7060-70年代）年代）n19561956年年 龐特里亞金龐特里亞金 極大值原理極大值原理n19571957年年 貝爾曼貝爾曼 提出了動(dòng)態(tài)規(guī)劃提出了動(dòng)態(tài)規(guī)劃n19601960年年 卡爾曼卡爾曼 最優(yōu)濾波理論和狀態(tài)空最優(yōu)濾波理論和狀態(tài)空間方法間方法1.4 自動(dòng)控制理論的發(fā)展自動(dòng)控制理論的發(fā)展特點(diǎn)特點(diǎn)：多輸入多輸出多輸入多輸出三三.“.“大系統(tǒng)理論大系統(tǒng)理論”和和“智能控制智能控制”(20(20世紀(jì)世紀(jì)6060年代至今年代至今 ) )1.4 自動(dòng)控制理論的發(fā)展自動(dòng)控制理論的發(fā)展大系統(tǒng)理論大系統(tǒng)理論 20

49、20世紀(jì)世紀(jì)7070年代開始，現(xiàn)代控制理論繼續(xù)向深度和年代開始，現(xiàn)代控制理論繼續(xù)向深度和廣度發(fā)展，出現(xiàn)了一些新的控制方法和理論。如廣度發(fā)展，出現(xiàn)了一些新的控制方法和理論。如（1 1）現(xiàn)代頻域方法現(xiàn)代頻域方法 以傳遞函數(shù)矩陣為數(shù)學(xué)模型，研究線以傳遞函數(shù)矩陣為數(shù)學(xué)模型，研究線性定常多變量系統(tǒng)；性定常多變量系統(tǒng)；（2 2）自適應(yīng)控制理論和方法）自適應(yīng)控制理論和方法 以系統(tǒng)辨識(shí)和參數(shù)估計(jì)為基礎(chǔ)，在實(shí)時(shí)辨識(shí)基礎(chǔ)上以系統(tǒng)辨識(shí)和參數(shù)估計(jì)為基礎(chǔ)，在實(shí)時(shí)辨識(shí)基礎(chǔ)上在線確定最優(yōu)控制規(guī)律；在線確定最優(yōu)控制規(guī)律；（3 3）魯棒控制方法）魯棒控制方法 在保在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和其它性能基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)不變的魯棒證系統(tǒng)穩(wěn)定性和其

50、它性能基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)不變的魯棒控制器，以處理數(shù)學(xué)模型的不確定性?？刂破?，以處理數(shù)學(xué)模型的不確定性。 1.4 自動(dòng)控制理論的發(fā)展自動(dòng)控制理論的發(fā)展83n隨著控制理論應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，從個(gè)別小系統(tǒng)的隨著控制理論應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，從個(gè)別小系統(tǒng)的控制，發(fā)展到若干個(gè)相互關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)組成的大控制，發(fā)展到若干個(gè)相互關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)組成的大系統(tǒng)進(jìn)行整體控制，從傳統(tǒng)的工程控制領(lǐng)域推廣系統(tǒng)進(jìn)行整體控制，從傳統(tǒng)的工程控制領(lǐng)域推廣到包括經(jīng)濟(jì)管理、生物工程、能源、運(yùn)輸、環(huán)境到包括經(jīng)濟(jì)管理、生物工程、能源、運(yùn)輸、環(huán)境等大型系統(tǒng)以及社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域。等大型系統(tǒng)以及社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域。n 大系統(tǒng)理論是過程控制與信息處理相結(jié)合的大系統(tǒng)理論是過程控

51、制與信息處理相結(jié)合的系統(tǒng)工程理論，具有規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能系統(tǒng)工程理論，具有規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能綜合、目標(biāo)多樣、因素眾多等特點(diǎn)。它是一個(gè)多綜合、目標(biāo)多樣、因素眾多等特點(diǎn)。它是一個(gè)多輸入、多輸出、多干擾、多變量的系統(tǒng)。輸入、多輸出、多干擾、多變量的系統(tǒng)。大系統(tǒng)大系統(tǒng)理論目前仍處于發(fā)展和開創(chuàng)性階段。理論目前仍處于發(fā)展和開創(chuàng)性階段。 1.4 自動(dòng)控制理論的發(fā)展自動(dòng)控制理論的發(fā)展智能控制智能控制 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。智能控制的概念和原理主要是針對(duì)被控對(duì)象、環(huán)境、上的應(yīng)用。智能控制的概念和原理主要是針對(duì)被控

52、對(duì)象、環(huán)境、控制目標(biāo)或任務(wù)的復(fù)雜性提出來的，它的控制目標(biāo)或任務(wù)的復(fù)雜性提出來的，它的指導(dǎo)思想是依據(jù)人的指導(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決的復(fù)雜的控制問題。解決的復(fù)雜的控制問題。被控對(duì)象的復(fù)雜性體現(xiàn)為被控對(duì)象的復(fù)雜性體現(xiàn)為: :模型的不模型的不確定性，高度非線性，分布式的傳感器和執(zhí)行器，動(dòng)態(tài)突變，確定性，高度非線性，分布式的傳感器和執(zhí)行器，動(dòng)態(tài)突變，多時(shí)間標(biāo)度，復(fù)雜的信息模式，龐大的數(shù)據(jù)量，以及嚴(yán)格的特多時(shí)間標(biāo)度，復(fù)雜的信息模式，龐大的數(shù)據(jù)量，以及嚴(yán)格的特性指標(biāo)等。性指標(biāo)等。智能控制是驅(qū)動(dòng)智能機(jī)器自主

53、地實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)的過程智能控制是驅(qū)動(dòng)智能機(jī)器自主地實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)的過程智能控制是從智能控制是從“仿人仿人”的概念出發(fā)的。其方法包括學(xué)習(xí)控制、的概念出發(fā)的。其方法包括學(xué)習(xí)控制、模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制和專家控制等方法。模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制和專家控制等方法。 1.4 自動(dòng)控制理論的發(fā)展自動(dòng)控制理論的發(fā)展一一. .前期控制前期控制(1400 BC-1900)(1400 BC-1900)n中國，埃及和巴比倫出現(xiàn)中國，埃及和巴比倫出現(xiàn)自動(dòng)計(jì)時(shí)漏壺自動(dòng)計(jì)時(shí)漏壺 (1400 (1400 BC-1100BC)BC-1100BC)；n希臘希臘PhilonPhilon發(fā)明了采用發(fā)明了采用浮球調(diào)節(jié)器浮球調(diào)節(jié)器來保持燃油液來保持燃油液面高度的油燈（面高度的油燈（BC250BC250）；）；n中國張衡發(fā)明水運(yùn)渾象，研制出自動(dòng)測(cè)量地震的中國張衡發(fā)明水運(yùn)渾象，研制出自動(dòng)測(cè)量地震的候風(fēng)地動(dòng)儀候風(fēng)地動(dòng)儀（13