自動(dòng)控制理論：第1章 自動(dòng)控制的一般概念

1、自動(dòng)控制理論Automatic Control Theory (2015版）自動(dòng)控制理論自動(dòng)控制是研究自動(dòng)控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)。他的發(fā)展初期是以反饋理論為基礎(chǔ)的自動(dòng)調(diào)節(jié)原理，隨著生產(chǎn)和科學(xué)的進(jìn)步，現(xiàn)已發(fā)展為一門獨(dú)立的科學(xué)控制論?？刂普撋鐣?huì)科學(xué)社會(huì)控制論科學(xué)技術(shù)工程控制論智能控制論思維科學(xué)生物控制論自然科學(xué)自動(dòng)控制理論工程控制論主要研究自動(dòng)控制系統(tǒng)中的信息變換和傳送的一般理論及其在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。自動(dòng)控制原理僅僅是工程控制論的一個(gè)分支，它只研究控制系統(tǒng)的建立、分析和設(shè)計(jì)的一般理論。本課程與其它課程的關(guān)系自動(dòng)控制原理信號(hào)與系統(tǒng)復(fù)變函數(shù)模擬電子技術(shù)線性代數(shù)微積分現(xiàn)代控制理論線性系統(tǒng)各類專業(yè)課大學(xué)

2、物理電機(jī)與拖動(dòng)電路第1章 自動(dòng)控制的一般概念I(lǐng)ntroduction of Automatic Control第1章 自動(dòng)控制的一般概念本章學(xué)習(xí)重點(diǎn)了解自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)；了解閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成和基本環(huán)節(jié)；掌握反饋控制系統(tǒng)的基本要求及反饋控制系統(tǒng)的作用；學(xué)會(huì)分析自動(dòng)控制系統(tǒng)的類型及本質(zhì)特征。本章主要內(nèi)容 自動(dòng)控制理論發(fā)展概述 自動(dòng)控制和自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成 控制系統(tǒng)示例自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類 對(duì)控制系統(tǒng)性能的基本要求 本課程的研究?jī)?nèi)容一、 自動(dòng)控制理論發(fā)展概述前期控制 (Early Control) (1400B.C. - 1900)經(jīng)典控制前期 (The Pr

3、e-classical Period) (1900-1935)經(jīng)典控制 (Classical Control) (1935-1950)以單變量控制，隨動(dòng)/調(diào)節(jié)為主要內(nèi)容，以微分方程和傳遞函數(shù)為數(shù)學(xué)模型，以頻率響應(yīng)法為主要方法。 數(shù)學(xué)工具：微分方程，復(fù)變函數(shù)?，F(xiàn)代控制 (Modern Control) (1950-)現(xiàn)代控制理論以多變量控制、最優(yōu)控制為主要內(nèi)容，采用時(shí)域法，以狀態(tài)方程為數(shù)學(xué)模型。 數(shù)學(xué)工具：線性代數(shù)， 泛函分析后現(xiàn)代控制理論大系統(tǒng)、智能控制 ；以 網(wǎng)絡(luò)、通訊、人機(jī)交互為代表的信息自動(dòng)化 集成的理論與技術(shù)。1）前期控制 (Early Control)中國(guó)，埃及和巴比倫出現(xiàn)自動(dòng)計(jì)時(shí)漏

4、壺(1400B.C. 1100B.C.)。西漢中陽(yáng)漏壺 1）前期控制 (Early Control)中國(guó)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(132年)亞歷山大的希羅發(fā)明開閉廟門和分發(fā)圣水等自動(dòng)裝置(100年)1）前期控制 (Early Control)中國(guó)馬鈞研制出用齒輪傳動(dòng)的自動(dòng)指示方向的指南車(235年)中國(guó)明代宋應(yīng)星所著天工開物記載有程序控制思想(CNC)的提花織機(jī)結(jié)構(gòu)圖(1637年) 英國(guó)J. Watt用離心式調(diào)速器控制蒸汽機(jī)的速度(1788年)英國(guó)J. C. Maxwell發(fā)表“論調(diào)速器”(On Governors)論文(1868年)1）前期控制 (Early Cont

5、rol) 英國(guó)E.J. Routh建立Routh判據(jù)(Routh-Hurwitz Stability Criteria)(1875年) 俄國(guó)A.M. Lyapunov博士論文“論運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的一般問題” (1892年) 英國(guó)J. M. Gray設(shè)計(jì)出第一艘全自動(dòng)蒸汽輪船“東方”號(hào)(Great Eastern)(1866年)1）前期控制 (Early Control)由徐壽設(shè)計(jì)的中國(guó)第一艘蒸汽輪船“黃鵠”號(hào)(L20m, 25T, 10km/hr)在安慶內(nèi)軍械所下水(1866)。次年，中國(guó)第一艘木質(zhì)明輪蒸汽艦船“恬古”號(hào)在江南造船廠下水。操江號(hào)(62m10m), 392匹馬力，600T排水，備炮9門

6、 美國(guó)福特(Ford Motor)汽車公司建成最早的汽車裝配流水線(1913) 美國(guó)N. Minorsky研制出用于船舶駕駛的伺服結(jié)構(gòu)，提出PID控制方法(1922) 美國(guó)MIT的Vannevar Bush研制成第一臺(tái)大型模擬計(jì)算機(jī)(Differential Analyzer)(1928)V. Bush2) 經(jīng)典控制前期美國(guó)H.S. Black提出放大器性能的負(fù)反饋方法(Negative Feedback Amplifier) (1927)H. S. Black2) 經(jīng)典控制前期自動(dòng)控制的基礎(chǔ)為閉環(huán)控制?？刂普摰牡旎薔.Wiener (1948) 給出的定義為：“Feedback is a

7、method of controlling a system by inserting into it the result of its past performance” 簡(jiǎn)單地說：控制論指的是感覺和機(jī)器方面的控制和通訊?？刂普摼褪茄芯縿?dòng)物 （包括人類）、自動(dòng)機(jī)器和有機(jī)體的控制和通訊的理論。 1948年，美國(guó)數(shù)學(xué)家Wiener在控制論關(guān)于在動(dòng)物和機(jī)器中控制和通信的科學(xué)中系統(tǒng)地論述了控制理論的一般原理和方法。2) 經(jīng)典控制前期維納：控制科學(xué)的鼻祖(控制)1894年，維納出生在美國(guó)密蘇里州哥倫比亞市的一個(gè)猶太人的家庭中1906年，進(jìn)入土夫茲學(xué)院學(xué)習(xí)(12歲)1909年，獲數(shù)學(xué)學(xué)士學(xué)位(15歲)

8、1913年, 關(guān)于數(shù)理邏輯的論文獲哈佛大學(xué)博土學(xué)位(19歲) 1933年任美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院士2) 經(jīng)典控制前期1948年，發(fā)表了劃時(shí)代的著作控制論?？刂普撝傅氖歉杏X和機(jī)器方面的控制和通訊?？刂普摼褪茄芯縿?dòng)物 （包括人類）、自動(dòng)機(jī)器和有機(jī)體的控制和通訊的理論。 在系統(tǒng)工作中，反饋控制給定控制信號(hào)使動(dòng)作裝置(器官)動(dòng)作。動(dòng)作結(jié)果由感覺裝置(器官)檢測(cè)出來，并反饋回去與給定信號(hào)相比較。如果比較有偏差，偏差信號(hào)會(huì)繼續(xù)控制動(dòng)作裝置(器官)動(dòng)作，直到偏差信號(hào)消失為止。 美國(guó)E. Sperry以及C. Mason研制出火炮控制器(1925)，氣壓反饋控制器(1929)2) 經(jīng)典控制前期美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的H.

9、Bode (1938)，以及Nyquist柰奎斯特(1940)提出頻率響應(yīng)法美國(guó)Taylor儀器公司的J. G. Ziegler齊格勒和N. B. Nichols尼科爾斯提出PID參數(shù)的最佳調(diào)整法(1942)美國(guó)MIT的N. Wiener研究隨機(jī)過程的預(yù)測(cè)(1942)，提出Wiener濾波理論(1942)，發(fā)表控制論(Cybernetics)一書(1948)，標(biāo)志著控制論學(xué)科的誕生。N.B. NicholsN. Wiener3) 經(jīng)典控制 美國(guó)的H. Hazen發(fā)表“關(guān)于伺服結(jié)構(gòu)理論”(Theory of Servome-chanism) (1934)，并在MIT建立伺服機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室(Servo

10、mechanism Laboratory) (1939)H. Hazen3) 經(jīng)典控制英國(guó)A. M. Turine提出圖靈計(jì)算機(jī)的設(shè)想(1937)在貝爾實(shí)驗(yàn)室Bode領(lǐng)導(dǎo)的火炮控制系統(tǒng)研究小組工作的C. Shannon提出繼電器邏輯自動(dòng)化理論(1938)，隨后，發(fā)表專著通信的數(shù)字理論(The Mathematical Theory of Communication)，奠定了信息論的基礎(chǔ)(1948)C. E. Shannon3) 經(jīng)典控制MIT Radiation Laboratory在研究SCR-584雷達(dá)控制系統(tǒng)的過程中，創(chuàng)立了Nichols Chart Design Method，R. S

11、. Philips的工作On Noise in Servomechanisms，以及Hurwicz (1947)的數(shù)字控制系統(tǒng)(Sampled Data System) 美國(guó)W. Evans提出根軌跡法(Root Locus Method) (1948)，以單輸入線性系統(tǒng)為對(duì)象的經(jīng)典控制研究工作完成。多本有關(guān)經(jīng)典控制的經(jīng)典名著相繼出版，包括Ed. S. Smith的Automatic Control Engineering (1942)，H. Bode的Network Analysis and Feedback Amplifier(1945)，L.A. MacColl的Fundamental

12、Theory of Servomechanisms (1945)，以及錢學(xué)森的工程控制論(Engineering Cybernetics) (1954)Lan J. Chu3) 經(jīng)典控制二次世界大戰(zhàn)中火炮，雷達(dá)，飛機(jī)以及通訊系統(tǒng)的控制研究直接推動(dòng)了經(jīng)典控制的發(fā)展。五十年代后興起的現(xiàn)代控制起源于冷戰(zhàn)時(shí)期的軍備競(jìng)賽，如導(dǎo)彈(發(fā)射，操縱，指導(dǎo)及跟蹤)，衛(wèi)星，航天器和星球大戰(zhàn)，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)(英國(guó)科學(xué)家A.J.G. MacFarlane)。4) 現(xiàn)代控制 美國(guó)R. Bellman貝爾曼在RAND Cooperation數(shù)學(xué)部的支持下，發(fā)表著名的Dynamic Programming，建立最優(yōu)控制

13、的基礎(chǔ)(1957) 蘇聯(lián)L.S. Pontryagin龐特里雅金發(fā)表“最優(yōu)過程數(shù)學(xué)理論”，提出極大值原理(Maximum Principle)(1956)L.S. Pontryagin 美籍匈牙利人R. E. Kalman卡爾曼發(fā)表“On the General Theory of Control Systems”等論文，引入狀態(tài)空間法分析系統(tǒng)，提出能控性，能觀測(cè)性，最佳調(diào)節(jié)器和kalman 濾波等概念，奠定了現(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)(1960)R.E. Kalman三大基石4) 現(xiàn)代控制 美國(guó)MIT的Servomechanism Laboratory研制出第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床(1952)4) 現(xiàn)代控制

14、世界第一顆人造地球衛(wèi)星(Sputnik)由蘇聯(lián)發(fā)射成功(1957)Sputnik 1 was the first artificial satellite launched into space 1957. Laika. Sputnik 24) 現(xiàn)代控制 美國(guó)George Devol喬治德沃爾研制出第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人樣機(jī)(1954)，兩年后，被稱為機(jī)器人之父的Joseph Engelberger約瑟夫恩格爾伯格創(chuàng)立了第一家機(jī)器人公司Unimation公司4) 現(xiàn)代控制恩格爾伯格 蘇聯(lián)東方-號(hào)飛船載著加加林進(jìn)入人造地球衛(wèi)星軌道，人類宇航時(shí)代開始了(1961)宇宙哥倫布-加加林A stamp iss

15、ued by Russia to memorize Y. GagarinCapsule used in first manned orbit of earth In 1961, the first human to pilot a spacecraft, Yuri Gagarin, was launched by the Soviet Union aboard Vostok I.4) 現(xiàn)代控制 1963年, 美國(guó)的Lofti Zadeh與C. Desoer發(fā)表Linear Systems - A State Space Approach。1965年，Zadeh提出模糊集合和模糊控制概念 美國(guó)的

16、E.I. Jury 發(fā)表“數(shù)字控制系統(tǒng)” (Sampled-Data Control System) ，建立了數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的基礎(chǔ)(1958) C. Desoer4) 現(xiàn)代控制 蘇聯(lián)發(fā)射“月球”9號(hào)探測(cè)器，首次在月面軟著陸成功(1966)，三年后(1969)，美國(guó)“阿波羅”11號(hào)把宇航員N. A. Armstrong阿姆斯特朗送上月球。N.A. Armstrong4) 現(xiàn)代控制 瑞典Karl J. Astrom提出最小二乘辯識(shí)，解決了線性定常系統(tǒng)參數(shù)估計(jì)問題和定階方法(1967)，六年后，提出了自啟調(diào)節(jié)器，建立自適應(yīng)控制的基礎(chǔ)。Astrom于1993年獲得IEEE Medal of H

17、onor。K. J. Astrom 英國(guó)H. H. Rosenbrock 發(fā)表State Space and Multivariable Theory(1970)。加拿大W.M Wonham 發(fā)表Linear Multivariable Control: A Geometric Approach (1974) 。W.M Wonham 4) 現(xiàn)代控制美國(guó)的M. E. Merchant提出計(jì)算機(jī)集成制造的概念(1969)4) 現(xiàn)代控制 美國(guó)ARPA計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)初步建成(1971)日本Fanuc公司研制出由加工中心和工業(yè)機(jī)器人組成的柔性制造單元(1976)4) 現(xiàn)代控制美國(guó)R. Brockett提出用

18、微分幾何研究非線性控制系統(tǒng)(1976)，意大利A. Isidori出版(Nonlinear Control Systems) (1985)。A. IsidoriR. Brockett4) 現(xiàn)代控制 加拿大G. Zames提出H-inf. 魯棒控制設(shè)計(jì)方法(1981年)美國(guó)“哥倫比亞”號(hào)航天飛機(jī)首次發(fā)射成功(1981年)Gorge Zames4) 現(xiàn)代控制美國(guó)A. Bryson 和Y.C Ho 發(fā)表Applied Optimal Control(1969)。Y.C Ho 和X.R Cao等提出離散事件系統(tǒng)理論(1983)中國(guó)批準(zhǔn)863高技術(shù)計(jì)劃，包括自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)和智能機(jī)器人兩個(gè)

19、主題(1986)A. BrysonYu C. HoP. Kokotovic4) 現(xiàn)代控制 第一臺(tái)火星探測(cè)器Sojourner在火星表面軟著陸(1996)旅行者Voyager 一號(hào)，二號(hào)開始走出太陽(yáng)系， 對(duì)茫茫太空進(jìn)行探索4) 現(xiàn)代控制綜上：自動(dòng)控制成為一門科學(xué)是從1948發(fā)展起來的。開始多用于工業(yè)：壓力、溫度、流量、位移、濕度、粘度自動(dòng)控制后來進(jìn)入軍事領(lǐng)域：飛機(jī)自動(dòng)駕駛、火炮自動(dòng)跟蹤、導(dǎo)彈、衛(wèi)星、宇宙飛船自動(dòng)控制目前滲透到更多領(lǐng)域：大系統(tǒng)、交通管理、圖書管理等生物學(xué)系統(tǒng)：生物控制論、波斯頓假肢、人造器官經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)：模擬經(jīng)濟(jì)管理過程、經(jīng)濟(jì)控制論自動(dòng)控制技術(shù)的作用1. 自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用不僅使生產(chǎn)過

20、程實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，極大地提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，而且減輕了人的勞動(dòng)強(qiáng)度。2. 自動(dòng)控制使工作具有高度的準(zhǔn)確性，大大地提高了武器的命中率和戰(zhàn)斗力，例如火炮自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)必須采用計(jì)算機(jī)控制才能打下高速高空飛行的飛機(jī)。3. 某些人們不能直接參與工作的場(chǎng)合就更離不開自動(dòng)控制技術(shù)了，例如原子能的生產(chǎn)、火炮或?qū)椀闹茖?dǎo)等等。二、自動(dòng)控制和自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念 1. 自動(dòng)控制問題的提出水位控制系統(tǒng)（人工）目的：保持水池的水平保持不變什么影響水位的變化？進(jìn)水流量出水流量如何實(shí)現(xiàn)呢？調(diào)節(jié)閥門的開度有何缺點(diǎn)？二、自動(dòng)控制和自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念1.自動(dòng)控制問題的提出水位自動(dòng)控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)單形式）工作原理用水量增大用水量變小

21、缺點(diǎn)存在誤差原因建立新的平衡狀態(tài)未達(dá)到控制要求怎么辦？二、自動(dòng)控制和自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念較完善的水位自動(dòng)控制系統(tǒng)電位器起什么作用？“偏差”自動(dòng)控制系統(tǒng)的動(dòng)畫2. 自動(dòng)控制的基本概念自動(dòng)控制Automatic Control：是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱控制裝置或控制器），使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（統(tǒng)稱被控對(duì)象）的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量）自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律（給定值）運(yùn)行。 系統(tǒng)System：是指按照某些規(guī)律結(jié)合在一起的物體（元部件）的組合，它們相互作用、相互依存，并能完成一定的任務(wù)。 自動(dòng)控制系統(tǒng) Automatic Control System ：能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)

22、控制的系統(tǒng)就可稱為自動(dòng)控制系統(tǒng)，一般由控制裝置和被控對(duì)象組成。3.自動(dòng)控制與人工控制水位控制系統(tǒng)總結(jié)人工控制 Manual Control眼睛 大腦 人手自動(dòng)控制 Automatic Control浮子連桿、電位器電動(dòng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)只不過是把某些裝置有機(jī)地組合在一起，以代替人的職能而已。 測(cè)量 偏差控制 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本控制方式Basic Control Modes of Control Systems開環(huán)控制系統(tǒng) Open-loop Control Systems閉環(huán)控制系統(tǒng) Closed-loop Control Systems復(fù)合控制系統(tǒng) Compound Control System

23、s4. 開環(huán)控制系統(tǒng)概念（定義）：系統(tǒng)的控制輸入不受輸出影響的控制系統(tǒng)稱開環(huán)控制系統(tǒng)。特點(diǎn)：在開環(huán)控制系統(tǒng)中，輸入端與輸出端之間，只有信號(hào)的前向通道而不存在由輸出端到輸入端的反饋通路。 電壓放大器功率放大器例：他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)任務(wù)：控制直流電動(dòng)機(jī)以恒定的轉(zhuǎn)速帶動(dòng)負(fù)載工作。 被控對(duì)象被控量（輸出量）給定量（輸入量）直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng)方框圖方框圖(Block diagram)是控制系統(tǒng)中信息的流向和各環(huán)節(jié)相互關(guān)系的圖解表示，非常方便定性分析和定量計(jì)算。它描述“信息”的傳遞，“信息”傳遞的路徑，“信息”的變換等等。電壓放大器功率放大器直流電動(dòng)機(jī)方框圖中各符號(hào)的意義 元部件 方框（塊

24、）圖 信號(hào)（物理量）及傳遞方向中的符號(hào) 比較點(diǎn) 引出點(diǎn) 表示負(fù)反饋電壓放大器功率放大器電壓放大器功率放大器直流電動(dòng)機(jī)開環(huán)控制分析與結(jié)論輸出到輸入沒有信號(hào)傳遞開環(huán)控制精度不高如何提高控制精度呢？閉環(huán)控制方案5. 閉環(huán)控制系統(tǒng)把輸出量的信息反饋到輸入端，通過比較輸入值與輸出值，產(chǎn)生偏差信號(hào)，該偏差信號(hào)以一定的控制規(guī)律產(chǎn)生控制作用，逐步減小以至消除這一偏差，從而實(shí)現(xiàn)所要求的控制性能。 5. 閉環(huán)控制系統(tǒng)電壓放大器功率放大器閉環(huán)系統(tǒng)的方框圖電壓放大器功率放大器直流電動(dòng)機(jī)測(cè)速電動(dòng)機(jī)閉環(huán)系統(tǒng)工作的本質(zhì)機(jī)理 將系統(tǒng)的輸出信號(hào)引回到輸入端，與輸入信號(hào)相比較，利用所得的偏差信號(hào)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到減小偏差或消除

25、偏差的目的。這就是負(fù)反饋控制原理，它是構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)的核心。 6. 開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的比較閉環(huán)系統(tǒng)與開環(huán)系統(tǒng)的區(qū)別與開環(huán)控制系統(tǒng)相比，閉環(huán)控制系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是檢測(cè)偏差、糾正偏差 ；從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上看，閉環(huán)系統(tǒng)具有反向通道； 從功能上看，閉環(huán)系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)： (1)由于增加了反饋通道，系統(tǒng)的控制精度得到了提高，若采用開環(huán)控制，要達(dá)到同樣的精度，則需要高精度的控制器，從而大大增加了成本；(2)由于存在系統(tǒng)的反饋，可以較好地抑制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)中可能存在的擾動(dòng)和由于器件的老化而引起的結(jié)構(gòu)和參數(shù)的不確定性；(3)反饋環(huán)節(jié)的存在可以較好地改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。 6. 開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的比較開

26、環(huán) 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，工作穩(wěn)定，當(dāng)輸入信號(hào)和 擾動(dòng)能預(yù)先知道時(shí)，控制效果較好。缺點(diǎn)：不能自動(dòng)修正被控制量的偏離，系統(tǒng)的元件參 數(shù)變化以及外來的未知擾動(dòng)對(duì)控制精度影響較大。閉環(huán) 優(yōu)點(diǎn)：具有自動(dòng)修正被控制量出現(xiàn)偏離的能力，可以修 正元件參數(shù)變化及外界擾動(dòng)引起的誤差，控制精度高。 缺點(diǎn)：被控量可能出現(xiàn)振蕩，甚至發(fā)散。開環(huán)控制閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低復(fù)雜、成本高精度精度低、對(duì)元器件要求高精度高、對(duì)元器件要求低穩(wěn)定性通常不考慮必須考慮小結(jié)自動(dòng)控制的基本概念人工控制自動(dòng)控制開環(huán)控制閉環(huán)控制方框圖三、自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成電壓放大器功率放大器直流電動(dòng)機(jī)測(cè)速電動(dòng)機(jī)三、自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成 被控對(duì)象控

27、制系統(tǒng) 測(cè)量元件 比較元件 控制裝置 放大元件 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 校正裝置 給定元件四、 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成被控對(duì)象 Controlled Plants 一般是指生產(chǎn)過程中需要進(jìn)行控制的工作機(jī)械、裝置或生產(chǎn)過程。描述被控對(duì)象工作狀態(tài)的、需要進(jìn)行控制的物理量就是被控量。給定元件 Set Points 主要用于產(chǎn)生給定信號(hào)或控制輸入信號(hào)。例如，直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中的電位器。 測(cè)量元件 Measures Devices 用于檢測(cè)被控量或輸出量，產(chǎn)生反饋信號(hào)。如果測(cè)出的物理量屬于非電量，一般要轉(zhuǎn)換成電量以便處理。例如，直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中的測(cè)速發(fā)電機(jī)。 比較元件 Comparing Devices

28、 用來比較輸入信號(hào)和反饋信號(hào)之間的偏差。它可以是一個(gè)差動(dòng)電路，也可以是一個(gè)物理元件（如電橋電路、差動(dòng)放大器、自整角機(jī)等）。 放大元件Amplifiers 用來放大偏差信號(hào)的幅值和功率，使之能夠推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)被控對(duì)象。例如功率放大器、電液伺服閥等。執(zhí)行機(jī)構(gòu) Actuators 用于直接對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行操作，調(diào)節(jié)被控量。如閥門，伺服電動(dòng)機(jī)等。校正元件 用來改善或提高系統(tǒng)的性能。常用串聯(lián)或反饋的方式連接在系統(tǒng)中。例如RC網(wǎng)絡(luò)、測(cè)速發(fā)電機(jī)等。五、 控制系統(tǒng)示例飛機(jī)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)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。被控對(duì)象：飛機(jī)。被控量：飛機(jī)的俯仰角 。 俯仰角控制系統(tǒng)原理方框圖六、 自動(dòng)

29、控制系統(tǒng)的分類按給定信號(hào)劃分恒值控制系統(tǒng) Fixed Set-point Control Systems控制輸入是恒定值，要求被控量保持給定值不變隨動(dòng)控制系統(tǒng) Servo Systems給定信號(hào)的變化規(guī)律是事先不能確定的隨時(shí)間變化的信號(hào)(輸入信號(hào)是一個(gè)未知函數(shù)) 輸入信號(hào)是變化規(guī)律未知的任意時(shí)間函數(shù) ；系統(tǒng)的任務(wù)是使被控變量按照同樣規(guī)律變化并與輸入信號(hào)的誤差保持在規(guī)定的范圍內(nèi)；導(dǎo)彈發(fā)射架控制系統(tǒng)、火炮隨動(dòng)系統(tǒng)、雷達(dá)天線控制系統(tǒng) ；當(dāng)被控量為位置或角度時(shí)，伺服系統(tǒng)又稱為隨動(dòng)系統(tǒng)。程序控制系統(tǒng) Programmed Control Systems若給定輸入是預(yù)先設(shè)定的（已知的函數(shù)）、按預(yù)定規(guī)律變化的信號(hào)。系統(tǒng)的控制過程 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，如化工中的壓力、溫度、流量控制。 六、自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類系統(tǒng)參數(shù)是否隨時(shí)間變化劃分定常系統(tǒng) Time-invariant Systems控制系統(tǒng)的參數(shù)在系統(tǒng)運(yùn)行過程中不隨時(shí)間變化 時(shí)變系統(tǒng) Time-varying Systems控制系統(tǒng)