第1章自動(dòng)控制的一般概念1

二月23自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理航空自動(dòng)化學(xué)院郭曉靜二月23自動(dòng)控制原理教材：《自動(dòng)控制原理》任彥碩主編,

機(jī)械工業(yè)出版社主要參考書：《自動(dòng)控制原理》顧樹生、王建輝主編,

冶金工業(yè)出版社《自動(dòng)控制原理》吳麒主編，清華大學(xué)出版社

《自動(dòng)控制理論》蔡尚峰主編，機(jī)械工業(yè)出版社《自動(dòng)控制原理》李友善主編，國(guó)防工業(yè)出版社《反饋控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)——MATLAB語言應(yīng)用》薛定宇著，清華大學(xué)出版社教材及參考文獻(xiàn)目錄二月23自動(dòng)控制原理該課程與其它課程的關(guān)系自動(dòng)控制原理電機(jī)與拖動(dòng)模擬電子技術(shù)線性代數(shù)微積分（含微分方程）復(fù)變函數(shù)、拉普拉斯變換電路理論大學(xué)物理（力學(xué)、熱力學(xué)）電力電子技術(shù)各類控制系統(tǒng)課程控制電機(jī)二月23自動(dòng)控制原理學(xué)習(xí)方法理論學(xué)習(xí)+（實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證）控制系統(tǒng)理論分析（課后習(xí)題）考試：總評(píng)=期末考試*70%+期中考試*15%+平時(shí)*15%答疑地點(diǎn)：航空自動(dòng)化學(xué)院教務(wù)科（北2-209）電話：2715二月23自動(dòng)控制原理引言18世紀(jì)，JamesWatt為控制蒸汽機(jī)速度設(shè)計(jì)的離心調(diào)節(jié)器，是自動(dòng)控制領(lǐng)域的第一項(xiàng)重大成果。1922年，Minorsky研制出船舶操縱自動(dòng)控制器，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(duì)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(jī)構(gòu)的概念，討論了可以精確跟蹤變化的輸入信號(hào)的機(jī)電伺服機(jī)構(gòu)。二月23自動(dòng)控制原理20世紀(jì)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。20世紀(jì)50年代末，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題的重點(diǎn)從設(shè)計(jì)許多可行系統(tǒng)中的一種系統(tǒng)，轉(zhuǎn)到設(shè)計(jì)在某種意義上的最佳系統(tǒng)。20世紀(jì)60年代，數(shù)字計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)為復(fù)雜系統(tǒng)的基于時(shí)域分析的現(xiàn)代控制理論提供了可能。從1960年到1980，確定性系統(tǒng)、隨機(jī)系統(tǒng)的最佳控制，及復(fù)雜系統(tǒng)的自適應(yīng)和學(xué)習(xí)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(jìn)展集中于魯棒控制、H∞控制及其相關(guān)課題。二月23自動(dòng)控制原理

古典控制理論（20世紀(jì)40年代）

現(xiàn)代控制理論（20世紀(jì)60年代）

智能控制理論（20世紀(jì)70年代）自動(dòng)控制理論二月23自動(dòng)控制原理古典控制理論以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)研究單輸入-單輸出一類定常控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問題。這些理論由于其發(fā)展較早，現(xiàn)已臻成熟?，F(xiàn)代控制以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究多輸入-多輸出、時(shí)變、非線性一類控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問題。系統(tǒng)具有高精度和高效能的特點(diǎn)。

二月23自動(dòng)控制原理第一章自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念自動(dòng)控制

自動(dòng)控制是在沒有人的直接干預(yù)下，利用物理裝置對(duì)生產(chǎn)設(shè)備和工藝過程進(jìn)行合理的控制，使被控制的物理量保持恒定，或者按照一定的規(guī)律變化，例如礦井提升機(jī)的速度控制、軋鋼廠加熱爐溫度的控制，空調(diào)，加熱爐溫度控制等。自動(dòng)控制系統(tǒng)

自動(dòng)控制系統(tǒng)是為實(shí)現(xiàn)某一控制目標(biāo)所需要的所有物理部件的有機(jī)組合體。二月23自動(dòng)控制原理被控對(duì)象給定量或控制量輸出量或被控量擾動(dòng)量開環(huán)控制閉環(huán)控制專業(yè)術(shù)語二月23自動(dòng)控制原理被控對(duì)象是一個(gè)設(shè)備，它是由一些機(jī)器零件有機(jī)地組合在一起的，其作用是完成一個(gè)特定的動(dòng)作。稱任何被控制的設(shè)備或過程（如加熱爐、化學(xué)反應(yīng)器或宇宙飛船）為對(duì)象。被控量（輸出量）：被控制的物理量。如溫度控制量（給定量或輸入量）：決定被控量的物理量。如：要求溫度擾動(dòng):是一種對(duì)系統(tǒng)的輸出產(chǎn)生不利影響的信號(hào)。妨礙控制量對(duì)被控量進(jìn)行正常控制的所有因素稱為擾動(dòng)量。二月23自動(dòng)控制原理內(nèi)擾---擾動(dòng)產(chǎn)生在系統(tǒng)內(nèi)部；外擾---擾動(dòng)產(chǎn)生在系統(tǒng)外部。外擾是系統(tǒng)的輸入量。(如空調(diào)房間門窗的頻繁開關(guān))自動(dòng)控制的任務(wù)：克服擾動(dòng)量的影響，使系統(tǒng)按照給定量所設(shè)定的規(guī)律運(yùn)行?？刂葡到y(tǒng)(按結(jié)構(gòu)分)：

開環(huán)控制、閉環(huán)控制與復(fù)合控制系統(tǒng)二月23自動(dòng)控制原理1.1開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)1.1.1開環(huán)控制系統(tǒng)例1-1.

溫度控制系統(tǒng)(其它如電爐等)

圖1-1開環(huán)爐溫控制系統(tǒng)1－爐膛2－電加熱器3－自耦變壓器4－溫度檢測(cè)元件5－溫度表6－加熱物體熱力系統(tǒng)的例子

熱力系統(tǒng)的人工反饋控制(利用蒸汽加熱冷水)如:淋浴

二月23自動(dòng)控制原理圖1-2開環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖1-控制器（自耦變壓器）2-被控對(duì)象（電阻爐）

二月23自動(dòng)控制原理信號(hào)線環(huán)節(jié)分支點(diǎn)相加點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖中的符號(hào)±二月23自動(dòng)控制原理開環(huán)控制：控制系統(tǒng)的輸出量對(duì)系統(tǒng)沒有控制作用。特點(diǎn)：輸入量與輸出量一一對(duì)應(yīng)。信號(hào)傳遞是單方向的，即只有輸入量對(duì)輸出量產(chǎn)生控制作用。系統(tǒng)沒有抗干擾能力。二月23自動(dòng)控制原理

1.1.2閉環(huán)控制系統(tǒng)例1-2.爐溫閉環(huán)控制系統(tǒng)

圖1-2閉環(huán)爐溫控制系統(tǒng)1－爐膛2－電加熱器3－自耦變壓器4－熱電偶5－給定電位器6－放大器7－伺服機(jī)8－減速器二月23自動(dòng)控制原理熱力系統(tǒng)的自動(dòng)反饋控制

二月23自動(dòng)控制原理

圖1-4閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖1-控制器2-控制對(duì)象3-檢測(cè)裝置前向通道反向通道相加點(diǎn)分支點(diǎn)用“

”號(hào)代表比較元件，“—”號(hào)代表兩者符號(hào)相反，“+”號(hào)代表兩者符號(hào)相同。信號(hào)沿箭頭方向從輸入端到達(dá)輸出端的傳輸通路稱前向通路；系統(tǒng)輸出量經(jīng)測(cè)量元件反饋到輸入端的傳輸通路稱主反饋通路。前向通路與主反饋通路共同構(gòu)成主回路。二月23自動(dòng)控制原理閉環(huán)控制：閉環(huán)控制是把系統(tǒng)的輸出量檢測(cè)出來，經(jīng)過物理量的轉(zhuǎn)換，再反饋到系統(tǒng)的輸入端去與給定量進(jìn)行比較（形成偏差），利用偏差量作為控制信號(hào)來糾正偏差。特點(diǎn)：輸入量與輸出量一一對(duì)應(yīng)。信號(hào)傳遞是雙方向的：既有輸入量對(duì)輸出量的作用，又有輸出量對(duì)輸入量的作用。系統(tǒng)具有抗干擾能力。二月23自動(dòng)控制原理1.2閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成和基本環(huán)節(jié)控制執(zhí)行部件

1-給定環(huán)節(jié)；2-比較環(huán)節(jié)；3-校正環(huán)節(jié)；4-放大環(huán)節(jié)；5-執(zhí)行機(jī)構(gòu)；6-被控對(duì)象；7-檢測(cè)裝置二月23自動(dòng)控制原理給定環(huán)節(jié)：其職能是給出與期望的被控量相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)輸入量（即給定量）。比較環(huán)節(jié)：把測(cè)量元件檢測(cè)的被控量實(shí)際值與給定元件給出的給定量進(jìn)行比較，求出它們之間的偏差。校正環(huán)節(jié)：亦稱補(bǔ)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。放大環(huán)節(jié)：將比較元件給出的偏差進(jìn)行放大，用來推動(dòng)執(zhí)行元件去控制被控對(duì)象。執(zhí)行機(jī)構(gòu)：直接作用于控制對(duì)象，使被控量發(fā)生變化。被控對(duì)象或調(diào)節(jié)對(duì)象：要控制的設(shè)備或過程。檢測(cè)裝置或傳感器：其職能是測(cè)量被控制的物理量。二月23自動(dòng)控制原理-+-+二月23自動(dòng)控制原理r(t)是它的輸入量(不標(biāo)正負(fù)號(hào)的指正號(hào))，反饋量須注明正負(fù)號(hào)。系統(tǒng)信號(hào)在各環(huán)節(jié)間的傳輸是有方向的，它指明了系統(tǒng)內(nèi)各環(huán)節(jié)間物理量的控制與被控制關(guān)系，其間有能量的傳遞，但傳遞的能量只起控制作用而并非能量的完全傳輸。前向通道:從輸入信號(hào)→控制器→放大環(huán)節(jié)→執(zhí)行機(jī)構(gòu)→控制對(duì)象→輸出信號(hào)的信號(hào)傳輸路徑；反饋環(huán)節(jié)所在路徑稱為反饋通道，圖中有兩個(gè)反饋通道，內(nèi)環(huán)的稱局部反饋，是正反饋；外環(huán)的稱閉環(huán)主反饋，是負(fù)反饋。二月23自動(dòng)控制原理1.3自動(dòng)控制系統(tǒng)分類按輸入信號(hào)的特征分類恒值系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)和隨動(dòng)系統(tǒng)恒值控制系統(tǒng):給定輸入量是個(gè)常數(shù)，被控制的輸出量希望是個(gè)恒定值，在除給定輸入量以外的工況發(fā)生變化時(shí)希望系統(tǒng)的輸出量維持恒值不變。程序控制系統(tǒng):輸入信號(hào)不是恒值，它可以是時(shí)間的函數(shù)、空間的函數(shù)，也可以是幾何圖形或按照某種規(guī)律編制的程序等等。(爐溫控制或空調(diào)控制等)(細(xì)胞冷凍或材料的深冷加工等)二月23自動(dòng)控制原理隨動(dòng)控制系統(tǒng)（又稱伺服系統(tǒng)）:隨動(dòng)控制系統(tǒng)的給定輸入量可以按事先未知的規(guī)律變化，要求被控制的輸出量能夠迅速準(zhǔn)確地跟隨輸入量而變。自動(dòng)火炮方位控制系統(tǒng),導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)

二月23自動(dòng)控制原理按信號(hào)傳輸過程是否連續(xù)分類：連續(xù)數(shù)據(jù)系統(tǒng)和離散數(shù)據(jù)系統(tǒng)連續(xù)控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中各處傳輸?shù)男盘?hào)均是時(shí)間t的連續(xù)函數(shù)，描述連續(xù)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)方程是微分方程。離散控制系統(tǒng)：信號(hào)傳輸過程中存在間歇采樣、脈沖序列等離散信號(hào)的系統(tǒng)。描述離散控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)方程是差分方程。計(jì)算機(jī)深冷控制系統(tǒng)爐溫控制或空調(diào)控制等二月23自動(dòng)控制原理按系統(tǒng)構(gòu)成元件是否線性分類（線性和非線性系統(tǒng)）線性系統(tǒng)：均由線性元件構(gòu)成的的控制系統(tǒng)是線性控制系統(tǒng)。符合疊加定理和齊性定理。非線性控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)內(nèi)如果含有至少一個(gè)非線性元件，則該系統(tǒng)是非線性系統(tǒng)。按系統(tǒng)參數(shù)是否隨時(shí)間變化分類（定常、時(shí)變）定?？刂葡到y(tǒng)：系統(tǒng)參數(shù)不隨時(shí)間變化的系統(tǒng)。定?？刂葡到y(tǒng)的微分方程或差分方程的系數(shù)是常數(shù)。時(shí)變控制系統(tǒng)：系統(tǒng)參數(shù)隨時(shí)間變化的系統(tǒng)。時(shí)變控制系統(tǒng)的微分方程或差分方程的系數(shù)是時(shí)間的函數(shù)。例如，發(fā)射衛(wèi)星的火箭姿態(tài)控制系統(tǒng)，由于燃料的燃燒使質(zhì)量參數(shù)隨時(shí)減少，屬時(shí)變控制系統(tǒng)。二月23自動(dòng)控制原理系統(tǒng)的組成及工作原理控制類型自動(dòng)控制系統(tǒng)分析步驟：1.4自動(dòng)控制系統(tǒng)舉例畫結(jié)構(gòu)圖（定性分析）求傳遞函數(shù)（定量分析）二月23自動(dòng)控制原理一、速度給定（恒速）控制系統(tǒng)

圖1-4具有負(fù)反饋的速度給定控制系統(tǒng)原理圖1－運(yùn)算放大器2－觸發(fā)電路3－可控整流器4－平波電抗器5－直流電動(dòng)機(jī)6－直流他勵(lì)繞組7－直流測(cè)速發(fā)電機(jī)8、9－電位器控制轉(zhuǎn)速保持恒定；恒值控制系統(tǒng)；二月23自動(dòng)控制原理Un*放大器整流濾波驅(qū)動(dòng)電路電機(jī)測(cè)速發(fā)電機(jī)Un-n圖1-4的系統(tǒng)框圖二月23自動(dòng)控制原理二、函數(shù)記錄儀位置隨動(dòng)控制系統(tǒng)圖1-5函數(shù)記錄儀原理示意圖1－放大器2－伺服機(jī)3－測(cè)速發(fā)電機(jī)4－減速器

5－電位器6－滑線變阻器7－線輪8－紙帶機(jī)9－輸入函數(shù)二月23自動(dòng)控制原理ur放大器減速器電機(jī)電位器測(cè)速發(fā)電機(jī)uB-位置輸出圖1-5的系統(tǒng)框圖U=ur+uA-uB電位器5用于調(diào)初始平衡點(diǎn)。uA-二月23自動(dòng)控制原理三、導(dǎo)彈發(fā)射架方位隨動(dòng)控制系統(tǒng)圖1-7導(dǎo)彈發(fā)射架方位隨動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖1放大器2伺服電動(dòng)機(jī)3他勵(lì)繞組4減速器及發(fā)射架底盤5光電編碼盤6模數(shù)轉(zhuǎn)換器7單片機(jī)8數(shù)模轉(zhuǎn)換器9數(shù)模轉(zhuǎn)換器二月23自動(dòng)控制原理二月23自動(dòng)控制原理穩(wěn)定性：

1對(duì)恒值系統(tǒng)，要求當(dāng)系統(tǒng)受到擾動(dòng)后，經(jīng)過一定時(shí)間的調(diào)整能夠回到原來的期望值。

2對(duì)隨動(dòng)系統(tǒng)，被控制量始終跟蹤輸入量的變化。

3系統(tǒng)穩(wěn)定性通常由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)決定與外界因素?zé)o關(guān)。對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)性能的基本要求穩(wěn)定性（長(zhǎng)期穩(wěn)定性）快速性（相對(duì)穩(wěn)定性）準(zhǔn)確性（精度）

穩(wěn)

準(zhǔn)快二月23自動(dòng)控制原理2）根據(jù)對(duì)系統(tǒng)性能的要求，如何合理地設(shè)計(jì)校正裝置，使系統(tǒng)的性能能全面地滿足技術(shù)上的要求。

本課程的任務(wù)1）對(duì)于一個(gè)具體的控制系統(tǒng)，如何從理論上對(duì)它的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度進(jìn)行定性的分析和定量的計(jì)算。二月23自動(dòng)控制原理

小結(jié)開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但不能自動(dòng)補(bǔ)償擾動(dòng)對(duì)輸出量的影響。閉環(huán)控制系統(tǒng)具有反饋環(huán)節(jié)，它能依靠反饋環(huán)節(jié)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，以克服擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響。閉環(huán)