自動控制原理課件第一章.

1、2022-5-30河北大學電信學院1（宗曉萍 王培光 王 霞 肖金壯）電話：4146636http:/ email:我們的口號：我們的口號：聯(lián)系方式：聯(lián)系方式：2022-5-30河北大學電信學院31、控制理論的發(fā)展2、自動控制的一般概念3、反饋控制系統(tǒng)的組成4、控制系統(tǒng)的分類5、本課程的研究內(nèi)容2022-5-30河北大學電信學院4 18世紀，James Watt 為控制蒸汽機速度設(shè)計的離心調(diào)節(jié)器，是自動控制領(lǐng)域的第一個歷程碑。（反饋控制的精髓） 1892年，Lyapunov“論運動的穩(wěn)定性”發(fā)表，是自動控制領(lǐng)域的第二個歷程碑。（上升為理論） 1922年，Minorsky研制出船舶操縱自動控制器

2、，并證明了從系統(tǒng)的微分方程確定系統(tǒng)的穩(wěn)定性的方法。 1932年，Nyquist提出了一種根據(jù)系統(tǒng)的開環(huán)頻率響應(yīng)(對穩(wěn)態(tài)正弦輸入)，確定閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法。 1934年，Hezen提出了用于位置控制系統(tǒng)的伺服機構(gòu)的概念，討論了可以精確跟蹤變化的輸入信號的機電伺服機構(gòu)。一、控制理論的發(fā)展一、控制理論的發(fā)展2022-5-30河北大學電信學院5 19世紀40年代，頻率響應(yīng)法為閉環(huán)控制系統(tǒng)提供了一種可行方法，Evans提出并完善了根軌跡法。 19世紀50年代末，控制系統(tǒng)設(shè)計問題的重點從設(shè)計許多可行系統(tǒng)中的一種系統(tǒng)，轉(zhuǎn)到設(shè)計在某種意義上的最佳系統(tǒng)。 19世紀60年代，數(shù)字計算機的出現(xiàn)為復雜系統(tǒng)的基于時域

3、分析的現(xiàn)代控制理論提供了可能。 從1960年到1980，確定性系統(tǒng)、隨機系統(tǒng)的最佳控制，及復雜系統(tǒng)的自適應(yīng)和學習控制，都得到充分的研究。 從1980年到現(xiàn)在，現(xiàn)代控制理論進展集中于魯棒控制、H控制及其相關(guān)課題。一、控制理論的發(fā)展一、控制理論的發(fā)展2022-5-30河北大學電信學院6一、一、控制理論的發(fā)展控制理論的發(fā)展 經(jīng)典控制理論（19世紀初 19世紀50年代初） 以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)研究單輸入-單輸出的定?？刂葡到y(tǒng)的分析與設(shè)計問題。這些理論由于其發(fā)展較早，現(xiàn)已臻成熟。 現(xiàn)代控制理論（19世紀50年代初 19世紀80年代） 以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究多輸入-多輸出、時變、非線性控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計問

4、題。系統(tǒng)具有高精度和高效能的特點。 智能控制（19世紀80年代） 以模糊理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)等為基礎(chǔ)，研究復雜控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計問題。系統(tǒng)具有最優(yōu)化、智能化等特征。2022-5-30河北大學電信學院7二、自動控制的一般概念二、自動控制的一般概念Q2Q1L2HL1入水口出水口觀測比較運算H執(zhí)行液位控制2022-5-30河北大學電信學院8Q2入水口出水口觀測比較運算執(zhí)行Q1L2H浮子（眼睛）控制器（大腦）氣動閥門（手） 自動控制2022-5-30河北大學電信學院92、自動控制系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)系統(tǒng)的特征：系統(tǒng)的特征： 整體性整體性、抽象性抽象性 、相對性相對性由相互關(guān)聯(lián)和相互制約的若干由相互

5、關(guān)聯(lián)和相互制約的若干“部分部分”所組成的具有所組成的具有特定功能特定功能的的 “整體整體”。自動控制系統(tǒng)：自動控制系統(tǒng)：將被控對象和控制裝置按照一定的方式連將被控對象和控制裝置按照一定的方式連接起來，構(gòu)成一個具有特定功能的有機整體，以實現(xiàn)自動接起來，構(gòu)成一個具有特定功能的有機整體，以實現(xiàn)自動控制的目的，即構(gòu)成自動控制系統(tǒng)控制的目的，即構(gòu)成自動控制系統(tǒng)。2022-5-30河北大學電信學院103、開環(huán)控制與閉環(huán)控制、開環(huán)控制與閉環(huán)控制 例例1-1 電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)（開環(huán)） u cu g電位器電動機負載+放大器u gu c電位器放大器電動機及負載輸出量對控制作用沒有影響的系統(tǒng)稱為輸出量對控制作用沒

6、有影響的系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)，其控制方式稱為其控制方式稱為開環(huán)控制開環(huán)控制。負載的變化會對轉(zhuǎn)速造負載的變化會對轉(zhuǎn)速造成影響，使其偏離設(shè)定成影響，使其偏離設(shè)定值值2022-5-30河北大學電信學院11例例1-2 電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)（閉環(huán)） 測速發(fā)電機uu fu gu c負載+放大器給定值給定值 ，當，當 ，反饋電壓，反饋電壓 u f將減小將減小 ，u（ u c -u f ）將增大，電）將增大，電動機的輸入電壓動機的輸入電壓u g增大，其結(jié)果會使電動機軸的轉(zhuǎn)速增大增大，其結(jié)果會使電動機軸的轉(zhuǎn)速增大 。u fuu gu c電位器放大器電動機及負載測速發(fā)電機輸出對系統(tǒng)的控制作用產(chǎn)生影響的系

7、統(tǒng)稱為輸出對系統(tǒng)的控制作用產(chǎn)生影響的系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)或或反饋控制系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng)。反饋電壓反饋電壓Uf的存在減小的存在減小了負載變化帶來的影響了負載變化帶來的影響2022-5-30河北大學電信學院12開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的比較開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的比較2022-5-30河北大學電信學院13Q1hL1Q2L2Q2Q1hL1L2 負反饋控制系統(tǒng) 正反饋控制系統(tǒng)正反饋與負反饋正反饋與負反饋調(diào)節(jié)器的控制作用能夠減小偏差2022-5-30河北大學電信學院14例例1-3 爐溫控制系統(tǒng) 三、反饋控制系統(tǒng)的組成三、反饋控制系統(tǒng)的組成電熱爐uguucu fWE放大器熱電偶電阻絲被控對

8、象-Tuguu fu c電位器W放大器電阻絲電熱爐熱電偶對象執(zhí)行元件檢測元件給定元件放大元件比較能源元件2022-5-30河北大學電信學院15反饋控制系統(tǒng)的構(gòu)成典型方框圖反饋控制系統(tǒng)的構(gòu)成典型方框圖輸出量放大元件給定元件測量元件執(zhí)行元件被控對象e比較元件負號代表負反饋基本反饋控制系統(tǒng)方框圖2022-5-30河北大學電信學院16輸出量主反饋-放大元件給定元件測量元件執(zhí)行元件被控對象e 反饋補償元件局部反饋 串聯(lián)補償元件典型反饋控制系統(tǒng)方框圖控制裝置2022-5-30河北大學電信學院17反饋控制系統(tǒng)的基本組成 1、被控對象2、控制裝置(由具有一定職能的各種基本元件組成 ) 測量元件：其職能是測量被

9、控制的物理量; 給定元件：其職能是給出與期望的被控量相對應(yīng)的系統(tǒng)輸入量 比較元件：把測量元件檢測的被控量實際值與給定元件給出的 給定值進行比較，求偏差信號。 放大元件：將比較元件給出的偏差信號放大，用來推動執(zhí)行元 件去控制被控對象。 執(zhí)行元件：直接推動被控對象，使其被控量發(fā)生變化。 校正元件：亦稱補償元件，它是結(jié)構(gòu)或參數(shù)便于調(diào)整的元件， 用串聯(lián)或反饋的方式連接在系統(tǒng)中，以改善系統(tǒng)性 能。蒸蒸汽汽冷 水熱 水溫 度 計圖 1-1 熱 力 系 統(tǒng) 的 人 工 反 饋 控 制排排水水自自動動控控制制器器熱熱水水冷冷水水蒸蒸汽汽溫溫度度測測量量裝裝置置 排排水水圖圖1 1- -2 2 熱熱力力系系統(tǒng)統(tǒng)

10、的的自自動動反反饋饋控控制制控控制制閥閥2022-5-30河北大學電信學院20四、自動控制系統(tǒng)的分類四、自動控制系統(tǒng)的分類開環(huán)控制閉環(huán)控制(反饋控制)復合控制 2022-5-30河北大學電信學院212022-5-30河北大學電信學院22五、本課程的研究內(nèi)容系統(tǒng)的校正與綜合系統(tǒng)分析數(shù)學模型線性離散控制系統(tǒng)非線性控制系統(tǒng)時域分析根軌跡分析頻域分析自動控制原理（第二章）（第三章）（第四章）（第五章）（第六章）（第七章）（第八章）2022-5-30河北大學電信學院23參考書： 自動控制原理，吳麒，清華大學出版社； 自動控制原理, 胡壽松，科技出版社； 現(xiàn)代控制工程第三版，美 Katsuhiko Oga

11、ta，； 線性控制系統(tǒng)分析與設(shè)計（英文版），John J.Dazzo 清華大學出版社； 自動控制原理習題集，胡壽松， 國防工業(yè)出版社； 自動控制理論重點難點及典型題解析，張愛民，西安 交通大學出版社等。2022-5-30河北大學電信學院24系統(tǒng)的整體性系統(tǒng)的整體性1、系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上的整體性，即系統(tǒng)由“部分”所組成，各組成部分之間的相互作用是通過物質(zhì)、能量和信息的交換來實現(xiàn)的。 2、突出系統(tǒng)行為和功能的整體性，系統(tǒng)本身可以具有其組成部分所沒有的功能。因此，對于有著相同組成部分但它們的關(guān)聯(lián)和相互作用不同的兩個系統(tǒng)可以呈現(xiàn)出完全不同的行為和特征。Q1hL1Q2L2Q2Q1hL1L22022-5-30河北大學電信學院25系統(tǒng)的抽象性系統(tǒng)的抽象性不考慮具體系統(tǒng)的物理、自然、或社會含義，而把它不考慮具體系統(tǒng)的物理、自然、或社會含義，而把它抽象化為一個一般意義下的系統(tǒng)而加以研究。抽象化為一個一般意義下的系統(tǒng)而加以研究。 LRCUi(t)Uo(t)i(t) mKX(t)F(t