自動(dòng)控制原理第一章概述

1、自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理濟(jì)南大學(xué)濟(jì)南大學(xué)主講：宗西舉主講：宗西舉辦公地點(diǎn)：信息樓辦公地點(diǎn)：信息樓 1203信控在線辦公信控在線辦公室室郵箱：郵箱：cse_聯(lián)系電話：聯(lián)系電話學(xué)時(shí)：總學(xué)時(shí)： 120自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第第3版版 李友善李友善 編著，國(guó)防工編著，國(guó)防工業(yè)出版社，業(yè)出版社，2004年年 自動(dòng)控制原理（第四版）胡壽松主編，自動(dòng)控制原理（第四版）胡壽松主編，國(guó)防工業(yè)出版社，國(guó)防工業(yè)出版社，2002年年 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 孫亮等主編，北京工業(yè)孫亮等主編，北京工業(yè)大學(xué)出版社大學(xué)出版社 1999年年自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 基本理論基本理論 例題詳解例題

2、詳解 典型習(xí)典型習(xí)題題 ，張家桂、黃明鍵主編，國(guó)防工業(yè)出版，張家桂、黃明鍵主編，國(guó)防工業(yè)出版社，社，2007年年自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)，本?？刂谱詣?dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)，本?？刂茖W(xué)院自動(dòng)學(xué)院自動(dòng) 化系編化系編學(xué)習(xí)方式：學(xué)習(xí)方式：教教 材：材：參考書(shū)：參考書(shū)：習(xí)題集：習(xí)題集：實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)：實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)：授課、習(xí)題、實(shí)驗(yàn)、考試授課、習(xí)題、實(shí)驗(yàn)、考試2、拉普拉斯變換、反變換、拉普拉斯變換、反變換（1）求矩陣逆）求矩陣逆 伴伴隨隨矩矩陣陣:1AAAA A（2） 矩陣行列式矩陣行列式 3維維數(shù)學(xué)知識(shí)復(fù)習(xí)：數(shù)學(xué)知識(shí)復(fù)習(xí)：3、微分方程求解、微分方程求解4、復(fù)變函數(shù)留數(shù)定理（求部分分式展開(kāi)）、復(fù)變函數(shù)留數(shù)定理（求部

3、分分式展開(kāi)）1、線性代數(shù)、線性代數(shù) 矩陣計(jì)算矩陣計(jì)算 （矩陣加、乘法）（矩陣加、乘法）上課時(shí)間上課時(shí)間 上課地點(diǎn)上課地點(diǎn)周一周一 3、4 2J202 周二周二 7、8 2J301 周四周四 9、10 2J301第一章第一章 自動(dòng)控制系統(tǒng)概述自動(dòng)控制系統(tǒng)概述1 1 引言引言l l 自動(dòng)化定義：自動(dòng)化定義： l l 自動(dòng)控制系統(tǒng)：自動(dòng)控制系統(tǒng)： 機(jī)器機(jī)器或或裝置裝置在在無(wú)人干預(yù)無(wú)人干預(yù)的情況下的情況下按規(guī)定的程序或指令按規(guī)定的程序或指令自動(dòng)進(jìn)行操作或控制的過(guò)自動(dòng)進(jìn)行操作或控制的過(guò)程。程。 摘自中國(guó)大百科全書(shū)摘自中國(guó)大百科全書(shū) 由內(nèi)部互相聯(lián)系的由內(nèi)部互相聯(lián)系的部件部件按照按照一一定規(guī)律定規(guī)律組成，能

4、夠完成組成，能夠完成一定功能一定功能的有機(jī)整體。的有機(jī)整體。降低成本。降低成本。l l 自動(dòng)控制的目標(biāo)：自動(dòng)控制的目標(biāo)：l l 自動(dòng)控制原理課程：自動(dòng)控制原理課程：提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)品質(zhì)量，改善勞動(dòng)條件，改善勞動(dòng)條件，節(jié)約能源，節(jié)約能源，基礎(chǔ)理論，理論性強(qiáng)，基礎(chǔ)理論，理論性強(qiáng)，研究控制系統(tǒng)的一般規(guī)律，研究控制系統(tǒng)的一般規(guī)律，設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)。2 自動(dòng)控制簡(jiǎn)史自動(dòng)控制簡(jiǎn)史2.1 經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論q古老的反饋控制思想古老的反饋控制思想q40年代形成獨(dú)立學(xué)科，機(jī)械化自動(dòng)化年代形成獨(dú)立學(xué)科，機(jī)械化自動(dòng)化q瓦特蒸汽機(jī)的離心調(diào)節(jié)器瓦特蒸汽機(jī)的離心

5、調(diào)節(jié)器 自動(dòng)控制自動(dòng)控制 領(lǐng)域的第一項(xiàng)重大成果（領(lǐng)域的第一項(xiàng)重大成果（18世紀(jì)中葉）世紀(jì)中葉）q中國(guó)古代發(fā)明中國(guó)古代發(fā)明 線性微分方程和基于拉普拉斯變線性微分方程和基于拉普拉斯變 換的傳遞函數(shù)換的傳遞函數(shù) 單輸入單輸入單輸出的線性定常系統(tǒng)單輸出的線性定常系統(tǒng)時(shí)域分析法、頻率特性分析法和根軌跡分析法時(shí)域分析法、頻率特性分析法和根軌跡分析法難于解決復(fù)雜問(wèn)題，如時(shí)變，多變量等難于解決復(fù)雜問(wèn)題，如時(shí)變，多變量等2.2 現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論60年代始獲得長(zhǎng)足發(fā)展，主要以分析和設(shè)計(jì)復(fù)雜年代始獲得長(zhǎng)足發(fā)展，主要以分析和設(shè)計(jì)復(fù)雜控制系統(tǒng)為目標(biāo)?？刂葡到y(tǒng)為目標(biāo)。現(xiàn)代控制理論的發(fā)展是計(jì)算機(jī)發(fā)展的衍生物?，F(xiàn)代控

6、制理論的發(fā)展是計(jì)算機(jī)發(fā)展的衍生物。 狀態(tài)空間分析方法狀態(tài)空間分析方法 線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)、定常系統(tǒng)線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)、定常系統(tǒng) 與時(shí)變系統(tǒng)、多輸入與時(shí)變系統(tǒng)、多輸入多輸出系統(tǒng)等多輸出系統(tǒng)等2.3先進(jìn)控制與智能控制先進(jìn)控制與智能控制主要研究方向：主要研究方向：人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)研究等人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)研究等預(yù)測(cè)控制預(yù)測(cè)控制模糊控制模糊控制自適應(yīng)控制自適應(yīng)控制多學(xué)科的融匯、貫通多學(xué)科的融匯、貫通3 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)控制器控制器受控對(duì)象受控對(duì)象控制量控制量輸入量輸入量輸出量輸出量(a) 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)控制量控制量輸入量輸入量輸出量輸出量(b) 閉環(huán)控制系統(tǒng)閉

7、環(huán)控制系統(tǒng)反饋元件反饋元件控制器控制器受控對(duì)象受控對(duì)象開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn)：特點(diǎn)： 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 最簡(jiǎn)單的控制方式最簡(jiǎn)單的控制方式 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)容易、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)容易、成本低、不存在穩(wěn)定性問(wèn)題成本低、不存在穩(wěn)定性問(wèn)題 信號(hào)傳遞沒(méi)有形成閉合回路信號(hào)傳遞沒(méi)有形成閉合回路 輸出量不能對(duì)控制量產(chǎn)生輸出量不能對(duì)控制量產(chǎn)生 影響。影響。 控制精度不高控制精度不高 系統(tǒng)抗干擾能力差系統(tǒng)抗干擾能力差 對(duì)元器件的要求對(duì)元器件的要求 比較高比較高控制量控制量輸入量輸入量輸出量輸出量(b) 閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)反饋元件反饋元件控制器控制器受控對(duì)象受控對(duì)象控制器控制器受控對(duì)象受控對(duì)象控制量控制

8、量輸入量輸入量輸出量輸出量(a) 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng) 反饋控制系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng)l l 反饋通路反饋通路負(fù)反饋與正反饋負(fù)反饋與正反饋控制系統(tǒng)一般采用負(fù)反饋控制系統(tǒng)一般采用負(fù)反饋l l 信號(hào)傳遞形成一個(gè)閉合回路信號(hào)傳遞形成一個(gè)閉合回路 輸入量與反饋量之差稱為輸入量與反饋量之差稱為偏差信號(hào)偏差信號(hào) 控制量控制量輸入量輸入量輸出量輸出量(b) 閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)反饋元件反饋元件控制器控制器受控對(duì)象受控對(duì)象控制器控制器受控對(duì)象受控對(duì)象控制量控制量輸入量輸入量輸出量輸出量(a) 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)4 自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)4.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)

9、的組成及定義自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成及定義以自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室水槽液位控制系統(tǒng)為例：以自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室水槽液位控制系統(tǒng)為例：調(diào)節(jié)系統(tǒng)方塊圖調(diào)節(jié)系統(tǒng)方塊圖給定給定流量流量1液位液位1液位液位2微機(jī)式微機(jī)式調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)閥水槽水槽1水槽水槽2變送器變送器1自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)：自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)：設(shè)定值設(shè)定值r控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器被控對(duì)象被控對(duì)象測(cè)量、變送測(cè)量、變送擾動(dòng)擾動(dòng) f被控變量被控變量y反饋量反饋量 z自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)偏差偏差e控制變量控制變量u1、控制系統(tǒng)的一些常用術(shù)語(yǔ)、控制系統(tǒng)的一些常用術(shù)語(yǔ) 被控對(duì)象被控對(duì)象控制量控制量設(shè)定值（給定值）設(shè)定值（給定值）設(shè)定

10、值設(shè)定值r控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器被控對(duì)象被控對(duì)象測(cè)量、變送測(cè)量、變送擾動(dòng)擾動(dòng) f被控變量被控變量y反饋量反饋量 z圖圖12 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)偏差偏差e控制變量控制變量u是指被控制的裝置或者設(shè)備。是指被控制的裝置或者設(shè)備。希望系統(tǒng)輸出達(dá)到的數(shù)值，一般用符號(hào)希望系統(tǒng)輸出達(dá)到的數(shù)值，一般用符號(hào)r 表示。表示。施加給被控對(duì)象的信號(hào)，使受控對(duì)象按照一定施加給被控對(duì)象的信號(hào)，使受控對(duì)象按照一定的規(guī)律運(yùn)行，一般用符號(hào)的規(guī)律運(yùn)行，一般用符號(hào)u 表示。表示。被控變量被控變量控制系統(tǒng)的輸出，即被控的物理量，一般用符號(hào)控制系統(tǒng)的輸出，即被控的物理量，一般用符號(hào)y 表示。表示。偏差信號(hào)偏

11、差信號(hào)擾動(dòng)信號(hào)擾動(dòng)信號(hào)設(shè)定值設(shè)定值r控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器被控對(duì)象被控對(duì)象測(cè)量、變送測(cè)量、變送擾動(dòng)擾動(dòng) f被控變量被控變量y反饋量反饋量 z圖圖12 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)偏差偏差e控制變量控制變量u系統(tǒng)的設(shè)定值與反饋信號(hào)之差稱為偏差，用符號(hào)系統(tǒng)的設(shè)定值與反饋信號(hào)之差稱為偏差，用符號(hào)e 表示。表示。使對(duì)象輸出偏離設(shè)定值的輸入信號(hào)。一般用符號(hào)使對(duì)象輸出偏離設(shè)定值的輸入信號(hào)。一般用符號(hào)f 表示。表示。 2、控制系統(tǒng)的組成、控制系統(tǒng)的組成定值元件定值元件 控制器控制器 執(zhí)行元件執(zhí)行元件設(shè)定值設(shè)定值r控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器被控對(duì)象被控對(duì)象測(cè)量、變送測(cè)量、變送擾動(dòng)擾動(dòng) f被控變

12、量被控變量y反饋量反饋量 z圖圖12 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)偏差偏差e控制變量控制變量u用來(lái)產(chǎn)生設(shè)定值或參考輸入。用來(lái)產(chǎn)生設(shè)定值或參考輸入。 或稱調(diào)節(jié)器。通過(guò)一定的控制規(guī)律給出或稱調(diào)節(jié)器。通過(guò)一定的控制規(guī)律給出控制量，送到執(zhí)行元件。控制量，送到執(zhí)行元件。完成功率轉(zhuǎn)換或信號(hào)轉(zhuǎn)換，常稱為執(zhí)完成功率轉(zhuǎn)換或信號(hào)轉(zhuǎn)換，常稱為執(zhí)行機(jī)構(gòu)或者執(zhí)行器。行機(jī)構(gòu)或者執(zhí)行器。 測(cè)量、變送元件測(cè)量、變送元件又稱傳感器，用于檢測(cè)被控對(duì)象的輸出又稱傳感器，用于檢測(cè)被控對(duì)象的輸出量，并變換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送到控制器。量，并變換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送到控制器。 比較元件比較元件用以產(chǎn)生偏差信號(hào)用以產(chǎn)生偏差信號(hào)2、控制系統(tǒng)

13、的組成、控制系統(tǒng)的組成設(shè)定值設(shè)定值r控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器被控對(duì)象被控對(duì)象測(cè)量、變送測(cè)量、變送擾動(dòng)擾動(dòng) f被控變量被控變量y反饋量反饋量 z圖圖12 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)偏差偏差e控制變量控制變量u4.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)1、定值控制系統(tǒng)、隨動(dòng)控制系統(tǒng)和程序控制、定值控制系統(tǒng)、隨動(dòng)控制系統(tǒng)和程序控制根據(jù)給定信號(hào)形式的不同分類。根據(jù)給定信號(hào)形式的不同分類。 恒值控制系統(tǒng)：恒值控制系統(tǒng)： 系統(tǒng)的參考輸入為恒定值或者波系統(tǒng)的參考輸入為恒定值或者波動(dòng)范圍很小，要求系統(tǒng)的輸出量也保持恒定。動(dòng)范圍很小，要求系

14、統(tǒng)的輸出量也保持恒定。隨動(dòng)控制系統(tǒng)（伺服控制系統(tǒng)）：隨動(dòng)控制系統(tǒng)（伺服控制系統(tǒng)）： 參考輸入值不參考輸入值不斷變化，變化規(guī)律未知?？刂颇康氖鞘沟孟到y(tǒng)的斷變化，變化規(guī)律未知。控制目的是使得系統(tǒng)的輸出量能夠準(zhǔn)確地跟蹤輸入值的變化。輸出量能夠準(zhǔn)確地跟蹤輸入值的變化。程序控制系統(tǒng)：程序控制系統(tǒng)： 設(shè)定值變化，是時(shí)間的已知函數(shù)，設(shè)定值變化，是時(shí)間的已知函數(shù)，即按照事先規(guī)定的時(shí)間程序或規(guī)律變化。即按照事先規(guī)定的時(shí)間程序或規(guī)律變化。2、線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)、線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)根據(jù)描述系統(tǒng)的方程形式分類。根據(jù)描述系統(tǒng)的方程形式分類。 非線性的微分方程或代數(shù)方程描述的非線性的微分方程或代數(shù)方程描述的是非線性系

15、是非線性系統(tǒng)統(tǒng)。如：。如：2,/1xyxy 等。等。本課程主要研究線性定常系統(tǒng)。本課程主要研究線性定常系統(tǒng)。3、連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)與離散時(shí)間系統(tǒng)、連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)與離散時(shí)間系統(tǒng)根據(jù)傳輸信號(hào)的形式分類。根據(jù)傳輸信號(hào)的形式分類。 連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)：連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)：離散時(shí)間系統(tǒng)：離散時(shí)間系統(tǒng)：系統(tǒng)的輸入與輸出信號(hào)均是系統(tǒng)的輸入與輸出信號(hào)均是連續(xù)時(shí)間函數(shù)連續(xù)時(shí)間函數(shù)u(t)與與y(t)，系統(tǒng)的輸入與輸出信號(hào)均是系統(tǒng)的輸入與輸出信號(hào)均是離散時(shí)間量離散時(shí)間量u(kT)與與y(kT)。 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是典型的離散控制系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是典型的離散控制系統(tǒng)。0tu(t)0tu(kt)2TTnT圖圖1-5 連續(xù)時(shí)間信號(hào)與離散

16、時(shí)間信號(hào)連續(xù)時(shí)間信號(hào)與離散時(shí)間信號(hào)4、單輸入、單輸入單輸出系統(tǒng)與多輸入單輸出系統(tǒng)與多輸入多輸出系統(tǒng)多輸出系統(tǒng)從輸入與輸出信號(hào)的數(shù)量分類。從輸入與輸出信號(hào)的數(shù)量分類。單輸入單輸入單輸出系統(tǒng)（單輸出系統(tǒng)（SISO） 多輸入多輸入多輸出系統(tǒng)（多輸出系統(tǒng)（MIMO）集中參數(shù)系統(tǒng)與分布參數(shù)系統(tǒng)集中參數(shù)系統(tǒng)與分布參數(shù)系統(tǒng)uy(a) SISO系統(tǒng)系統(tǒng)系系統(tǒng)統(tǒng)1u2unu1y2yny(b) MIMO系統(tǒng)系統(tǒng)系系 統(tǒng)統(tǒng)確定性系統(tǒng)與隨機(jī)控制系統(tǒng)等確定性系統(tǒng)與隨機(jī)控制系統(tǒng)等本章主要介紹：本章主要介紹： 自動(dòng)控制的發(fā)展自動(dòng)控制的發(fā)展 開(kāi)環(huán)與閉環(huán)控制開(kāi)環(huán)與閉環(huán)控制 控制系統(tǒng)組成控制系統(tǒng)組成 控制系統(tǒng)分類控制系統(tǒng)分類作業(yè)：作業(yè)：A12中國(guó)、古埃及和巴比倫人發(fā)明的自動(dòng)計(jì)時(shí)裝置中國(guó)、古埃及和巴比倫人發(fā)明的自動(dòng)計(jì)時(shí)裝置 (公元前公元前11世紀(jì)世紀(jì))具有過(guò)程控制思想的提花織布機(jī)具有過(guò)程控制思想的提花織布機(jī)（明代）（明代）James wat發(fā)明的飛球調(diào)節(jié)器，控制蒸汽機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)明的飛球調(diào)節(jié)器，控制蒸汽機(jī)的轉(zhuǎn)速（1769年）年