大學(xué)自動(dòng)控制原理第一章 緒論

1、自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)課程性質(zhì)：專業(yè)類選修課課程編號(hào)：B0720208課程學(xué)時(shí)：63/51/12學(xué)分：3學(xué)分應(yīng)用電子技術(shù)教育專業(yè)應(yīng)用電子技術(shù)教育專業(yè)課程性質(zhì)：專業(yè)類選修課課程編號(hào)：B0740212課程學(xué)時(shí)：63/51/12學(xué)分：3學(xué)分本課程主要內(nèi)容本課程主要內(nèi)容第一章 緒論第二章 控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型第三章 控制系統(tǒng)的時(shí)域分析第四章 根軌跡法第五章 頻率響應(yīng)法第六章 控制系統(tǒng)的校正第七章 離散控制系統(tǒng)（選學(xué)）第八章 非線性控制系統(tǒng)（選學(xué)）第九章 狀態(tài)空間分析法（選學(xué)）第一章第一章 緒論緒論第一節(jié) 自動(dòng)控制理論發(fā)展簡(jiǎn)介第二節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的一般概念第三節(jié)

2、 開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制第四節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類第五節(jié) 對(duì)控制系統(tǒng)性能的要求和本課程的任務(wù)第一節(jié)第一節(jié) 自動(dòng)控制理論發(fā)展簡(jiǎn)介自動(dòng)控制理論發(fā)展簡(jiǎn)介自動(dòng)控制理論是自動(dòng)控制技術(shù)的基礎(chǔ)理論，是一門(mén)理論性較強(qiáng)的工程科學(xué)。根據(jù)自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)控制理論可分為經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代現(xiàn)代控制理論控制理論兩大部分，發(fā)展趨勢(shì)是智能控制理論。1.1.1 1.1.1 經(jīng)典控制理論的形成和基本內(nèi)容經(jīng)典控制理論的形成和基本內(nèi)容（1 1）工業(yè)化促使自動(dòng)控制裝置產(chǎn)生）工業(yè)化促使自動(dòng)控制裝置產(chǎn)生最早工業(yè)應(yīng)用的自動(dòng)裝置：1769年Watt發(fā)明的飛球式蒸汽機(jī)(離心)調(diào)速器。一種憑借直覺(jué)的實(shí)證性發(fā)明。（2 2）最早的穩(wěn)定

3、性研究）最早的穩(wěn)定性研究1868年，J.C.Maxwell(麥克斯韋爾)以離心調(diào)速器為背景，發(fā)表了論文論調(diào)節(jié)器，研究了反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定性問(wèn)題，得出系統(tǒng)穩(wěn)定性取決于微分方程的特征根是否都具有一對(duì)負(fù)的實(shí)部，并針對(duì)二階和三階系統(tǒng)討論了使特征根具有負(fù)實(shí)部時(shí)特征多項(xiàng)式系列應(yīng)滿足的條件。 （3 3）系統(tǒng)穩(wěn)定判據(jù)）系統(tǒng)穩(wěn)定判據(jù)Hurwitz( (霍爾維茨，霍爾維茨，1895)1895)和 E.J.Routh( (勞斯，勞斯，1884)1884)提出勞斯-霍爾維茨判據(jù)，A.M.Lyapunov( (李李雅普諾夫，雅普諾夫，1892)1892)提出李雅普諾夫第一法與第二法。 H.Nyquist( (奈魁斯特，奈魁

4、斯特，19321932年年) )提出奈氏判據(jù)。Bode( (波德，波德，19271927年年) )提出了對(duì)數(shù)頻率特性的方法。 W.R.Evans( (伊萬(wàn)斯，伊萬(wàn)斯，19481948年年) )提出根軌跡法。目前仍然是系統(tǒng)設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性分析的一種重要方法。（4 4）40-5040-50年代年代SISO(Single Input Single Output)系統(tǒng)系統(tǒng) 二戰(zhàn)期間，軍事科學(xué)的需要大大促進(jìn)了反饋控制理論的發(fā)展。美國(guó)麻省理工學(xué)院雷達(dá)實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們將反饋放大器理論、 PID(比例-積分-微分)控制以及N.Wiener(維納)的隨機(jī)過(guò)程理論等結(jié)合在一起，形成了一整套被稱為隨動(dòng)控制系統(tǒng)隨動(dòng)控制系

5、統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。1948年 N.Wiener發(fā)表著名的控制論（5 5）5050年代末期所討論的內(nèi)容年代末期所討論的內(nèi)容系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立、時(shí)域分析法、頻率特性法、根軌跡法、系統(tǒng)綜合與校正、非線性系統(tǒng)和采樣控制系統(tǒng)分析法等，也被稱為經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論。經(jīng)典控制理論研究的是單輸入單輸出線性定常系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)。1.1.2 1.1.2 現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論60年代初，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和航天等高科技的推動(dòng)，迫切需要一種理論能解決多輸入多輸出、高精度、參數(shù)時(shí)變系統(tǒng)的分與設(shè)計(jì)，產(chǎn)生了基于狀態(tài)空間模型的“現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論”。50年代末，美國(guó)的Bellman(貝爾曼)、Kalman(卡爾曼

6、)、俄羅斯的龐德里亞金等考慮用常微分方程作為控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。由于數(shù)字計(jì)算機(jī)的發(fā)展使得十年前尚無(wú)法進(jìn)行的計(jì)算問(wèn)題成為可能，這時(shí)李雅普諾夫的工作被引入到控制理論中來(lái)，而由Wiener(維納)等人在第二次世界大戰(zhàn)期間關(guān)于最優(yōu)控制的研究也被用來(lái)研究系統(tǒng)狀態(tài)軌跡的優(yōu)化問(wèn)題?，F(xiàn)代控制理論在標(biāo)準(zhǔn)形式或狀態(tài)形式的常微分方程的基礎(chǔ)上直接引進(jìn)并大量使用了計(jì)算機(jī)?，F(xiàn)代控制理論的重要標(biāo)志現(xiàn)代控制理論的重要標(biāo)志狀態(tài)空間法被引入到控制理論中來(lái)。Kalman提出了能控性與能觀測(cè)性的表征系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征的重要概念?！皟?nèi)部研究”代替了傳統(tǒng)的“外部研究”，并使分析與綜合過(guò)程建立在嚴(yán)格的理論基礎(chǔ)之上。主要分支學(xué)科主要分支學(xué)科線性系

7、統(tǒng)理論、最優(yōu)控制理論、系統(tǒng)辨識(shí)與自適應(yīng)控制、大系統(tǒng)理論和特大系統(tǒng)理論等。分支學(xué)科還滲透到相鄰學(xué)科分支學(xué)科還滲透到相鄰學(xué)科如濾波技術(shù)、自學(xué)習(xí)理論與人工智能、建模理論與系統(tǒng)工程等。1.1.3 1.1.3 智能控制智能控制(intelligent controls)理論理論智能控制是在無(wú)人干預(yù)的情況下能自主地驅(qū)動(dòng)智能機(jī)器實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)的自動(dòng)控制技術(shù)。智能控制的發(fā)展得益于人工智能、認(rèn)知科學(xué)、模糊集理論和生物控制論等許多學(xué)科的發(fā)展，是以自動(dòng)控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，集微電子、電力電子、信息傳感、顯示與界面、通訊、電磁兼容等諸多技術(shù)于一體的交叉學(xué)科。20世紀(jì)80年代以來(lái)，信息技術(shù)、計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展及其他

8、相關(guān)學(xué)科的發(fā)展和相互滲透，也推動(dòng)了控制科學(xué)與工程研究的不斷深入，控制系統(tǒng)向智能控制系統(tǒng)的發(fā)展已成為一種趨勢(shì)。1.1.4 1.1.4 控制理論在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的作用控制理論在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的作用自動(dòng)控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用使生產(chǎn)設(shè)備或過(guò)程實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，極大地提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量、改善了勞動(dòng)條件、降低了生產(chǎn)成本，在人類探索新能源、改善民生等方面都起著極其重要的作用。1）自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用于軍事、航天領(lǐng)域 火炮、雷達(dá)、跟蹤系統(tǒng)；人造衛(wèi)星；宇宙飛船。 2）自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程 軋鋼過(guò)程；工業(yè)窯爐；石油化工；水泥建材；玻璃、造紙等。3）自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)灌溉；農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)；病情檢測(cè)等。

9、 4）自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用于其它領(lǐng)域自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用已擴(kuò)大到經(jīng)濟(jì)與社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域，如通信、交通、醫(yī)學(xué)、環(huán)境保護(hù)、經(jīng)濟(jì)管理等領(lǐng)域。 近年來(lái)，我國(guó)在自動(dòng)化儀表、工業(yè)調(diào)節(jié)器、數(shù)字控制技術(shù)、航天工程、核動(dòng)力工程等方面的研究和應(yīng)用取得了長(zhǎng)足進(jìn)展。生物：人口控制，藥物動(dòng)力學(xué)金融：貨幣控制家庭：電飯煲，洗衣機(jī)第二節(jié)第二節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的一般概念自動(dòng)控制系統(tǒng)的一般概念自動(dòng)控制自動(dòng)控制就是要人不直接參與的條件下，利用控制器使被控制的對(duì)象(如機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程)的某些物理量(或工作狀態(tài))能自動(dòng)地按規(guī)定的規(guī)律變化(或運(yùn)行)。 如： 電網(wǎng)的電壓與頻率自動(dòng)地保持不變。人造衛(wèi)星按制定的軌道運(yùn)行，并始終保持正確的姿態(tài)，

10、使它的太陽(yáng)能電池始終朝向太陽(yáng)，天線始終朝向地球金屬切割機(jī)床的速度在電壓變化或負(fù)載變化時(shí)能自動(dòng)保持不變控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)：把實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制所需要各個(gè)部件按一定的規(guī)律組合起來(lái)，取控制被控對(duì)象，這個(gè)組合體叫“控制系統(tǒng)”?？刂评碚摚嚎刂评碚摚悍治雠c綜合自動(dòng)控制系統(tǒng)的理論。被控制的物理量：被控制的物理量：溫度、壓力、流量、電壓、轉(zhuǎn)速、位移等。課程聯(lián)系：課程聯(lián)系：1.2.1 1.2.1 液位控制系統(tǒng)液位控制系統(tǒng)例例1 1：水池液面控制系統(tǒng)人工控制人工控制測(cè)量實(shí)際液面的高度h0 -用眼用眼實(shí)際液面高度h0與希望液面高度h1相比較-用腦用腦按比較的結(jié)果，即液面高度偏差的正負(fù)去決定控制動(dòng)作-用手用手自動(dòng)控制自動(dòng)控

11、制人工控制中有三種職能作用：測(cè)量、比較和執(zhí)行，而在自動(dòng)控制系統(tǒng)中也必須有這三種職能作用，如下圖所示為一種簡(jiǎn)單的水位自動(dòng)控制系統(tǒng)。出水出水浮子浮子連桿連桿進(jìn)水閥進(jìn)水閥水池水池進(jìn)水進(jìn)水液位控制系統(tǒng)由以下五部分組成。被控對(duì)象-水池測(cè)量元件-浮子比較機(jī)構(gòu)-浮子的希望位置與實(shí)際位置之差放大機(jī)構(gòu)-提高系統(tǒng)的控制精度執(zhí)行元件-驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象，以改變被控制的量除以上5部分外，為改善控制系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能，通常還引入某種形式的校正裝置。為了控制系統(tǒng)的表示簡(jiǎn)單明了，控制工程中一般用方框圖表示系統(tǒng)的各個(gè)組件，基本組成單元如圖所示，a)為引出點(diǎn)，b)為比較點(diǎn)，c)部件框圖。故液位自動(dòng)控制系統(tǒng)也可用下圖來(lái)表示。1.2.2

12、 1.2.2 隨動(dòng)控制系統(tǒng)隨動(dòng)控制系統(tǒng)例例2 2：直流隨動(dòng)如圖所示電位器把系統(tǒng)的輸入與輸出位置信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并進(jìn)行比較。自動(dòng)控制系統(tǒng)框圖的一般形式自動(dòng)控制系統(tǒng)的框圖第三節(jié)第三節(jié) 開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制r(t)-系統(tǒng)參考輸入(簡(jiǎn)稱輸入量或給定量)c(t)-系統(tǒng)被控制量(又簡(jiǎn)稱輸出量)b(t)-系統(tǒng)主反饋量e(t)-系統(tǒng)誤差，e(t)r(t)-b(t) d(t)-系統(tǒng)干擾信號(hào),對(duì)系統(tǒng)輸出產(chǎn)生不利影響給定環(huán)節(jié)-產(chǎn)生參考輸入信號(hào)的元件控制器-其輸入是系統(tǒng)的誤差信號(hào)，經(jīng)其變換或相關(guān)運(yùn)算后，產(chǎn)生期望的控制信號(hào)控制被控對(duì)象被控對(duì)象-系統(tǒng)控制的對(duì)象，其輸入量是控制器的輸出,輸出量就是被控量反饋

13、環(huán)節(jié)-將被控制量轉(zhuǎn)換為主反饋信號(hào)的裝置，這個(gè)裝置一般為檢測(cè)元件 控制器控制器被控對(duì)象被控對(duì)象控制量控制量給定值給定值r(t)u(t)y(t)1.3.1 1.3.1 開(kāi)環(huán)控制開(kāi)環(huán)控制如果系統(tǒng)的輸出量沒(méi)有與參考輸入相比較，即系統(tǒng)的輸出與輸入間不存在反饋的通道，這種控制方式叫開(kāi)環(huán)控制。開(kāi)環(huán)控制。開(kāi)環(huán)控制的優(yōu)缺點(diǎn)開(kāi)環(huán)控制的優(yōu)缺點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所用元器件少，成本低，容易穩(wěn)定系統(tǒng)沒(méi)有抗擾動(dòng)功能，限制了系統(tǒng)的應(yīng)用范圍控制精度低例例3 3：直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)被控制量速度沒(méi)有反饋到輸入端與給定信號(hào)比較。這種轉(zhuǎn)臺(tái)在CD機(jī)、計(jì)算機(jī)磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器等裝置中廣泛應(yīng)用。電壓放大器功率放大器直流電動(dòng)機(jī)（控制裝置）Mc干擾輸出量 n給

14、定量urua（對(duì)象）閉環(huán)控制的優(yōu)缺點(diǎn)閉環(huán)控制的優(yōu)缺點(diǎn)抗干擾能力強(qiáng)穩(wěn)態(tài)精度高、動(dòng)態(tài)性能好、穩(wěn)定裕度大沒(méi)有開(kāi)環(huán)控制容易達(dá)到穩(wěn)定控制器控制器被控對(duì)象被控對(duì)象控制量控制量輸出量輸出量給定值給定值r(t)u(t)y(t)測(cè)量元件測(cè)量元件偏差偏差e(t)1.3.2 1.3.2 閉環(huán)控制閉環(huán)控制若把系統(tǒng)的被控制量反饋到它的輸入端，并與參考輸入相比較，這種控制方式叫閉環(huán)控制閉環(huán)控制( (反饋控制反饋控制或按偏差控制或按偏差控制) )，相應(yīng)的系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)。Un例例4 4：轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 給定電壓Un反饋電壓Ufe=Un-Uf轉(zhuǎn)速取決于給定電壓與反饋電壓的差值。unufeudn_

15、直流電動(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)nuuuuuunuTdkfngfnl)(1.3.3 1.3.3 復(fù)合控制復(fù)合控制前饋補(bǔ)償控制：前饋補(bǔ)償控制：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不變。復(fù)合控制復(fù)合控制=前饋補(bǔ)償控制+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_水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)1.3.4 1.

16、3.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)舉例自動(dòng)控制系統(tǒng)舉例1 1、水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)通過(guò)電機(jī)調(diào)節(jié)閥門(mén)的開(kāi)度。從而調(diào)節(jié)蒸汽流入，控制水的溫度。實(shí)現(xiàn)沒(méi)有人直接參入的自動(dòng)水溫控制。2 2、蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制系統(tǒng)、蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制系統(tǒng)負(fù)載負(fù)載圓錐形齒輪圓錐形齒輪飛錘飛錘套筒套筒杠桿杠桿閥門(mén)閥門(mén)彈簧彈簧蒸汽機(jī)蒸汽機(jī)3 3、爐溫自動(dòng)控制系統(tǒng)、爐溫自動(dòng)控制系統(tǒng)+電壓電壓放大器放大器功率功率放大器放大器ua電爐電爐u1ue+uf給定毫伏信號(hào)給定毫伏信號(hào)+ur熱電偶減速器減速器220V可逆電機(jī)可逆電機(jī)uc加熱器加熱器0CTO4 4、導(dǎo)彈發(fā)射架的方位控制、導(dǎo)彈發(fā)射架的方位控制i導(dǎo)彈發(fā)射架方位控制原理圖手輪手輪輸入軸

17、輸入軸P1E0uiueua+uPE0u0放大器放大器輸出軸輸出軸o5 5、船舶隨動(dòng)舵的控制、船舶隨動(dòng)舵的控制船舶隨動(dòng)舵的控制系統(tǒng)原理圖P1E0P2+放大器放大器直流直流電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)減速箱減速箱+nu1ueuiuo6 6、火力發(fā)電廠綜合控制系統(tǒng)、火力發(fā)電廠綜合控制系統(tǒng)第四節(jié)第四節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類1.4.1 1.4.1 線性控制系統(tǒng)和非線性控制系統(tǒng)線性控制系統(tǒng)和非線性控制系統(tǒng)若組成控制系統(tǒng)的元件都具有線性特性，則稱為線性控制系統(tǒng)。線性控制系統(tǒng)。特點(diǎn)為：系統(tǒng)用微分方程、傳遞函數(shù)或狀態(tài)方程來(lái)描述具有比例性并適用疊加原理若在控制系統(tǒng)中有一個(gè)以上的元件具有非線性則稱這種系統(tǒng)為非線性控

18、制系統(tǒng)。非線性控制系統(tǒng)。特點(diǎn)為：不具有比例性，也不適用疊加原理系統(tǒng)的輸出響應(yīng)穩(wěn)定性與其初始狀態(tài)有關(guān)1.4.2 1.4.2 恒值、隨動(dòng)以及程序控制系統(tǒng)恒值、隨動(dòng)以及程序控制系統(tǒng)參考輸入量為常量，被控制量在任何擾動(dòng)作用下能盡快恢復(fù)(或接近)原有穩(wěn)態(tài)值，為恒值控制系統(tǒng)恒值控制系統(tǒng)。輸入是一個(gè)變化量，被控制量能快速準(zhǔn)確地跟隨參考輸入信號(hào)的變化而變化，為隨動(dòng)控制系統(tǒng)隨動(dòng)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的給定值按照一定的函數(shù)變化，并要求被控量隨之變化，則稱為程序控制系統(tǒng)。程序控制系統(tǒng)。1.4.3 1.4.3 定?？刂葡到y(tǒng)和時(shí)變控制系統(tǒng)定常控制系統(tǒng)和時(shí)變控制系統(tǒng)系統(tǒng)方程的系數(shù)為常數(shù)，則為線性定常控制系統(tǒng)線性定?？刂葡到y(tǒng)。系統(tǒng)方程的系數(shù)是時(shí)間函數(shù)，則為時(shí)變控制系統(tǒng)時(shí)變控制系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的方框圖1.4.4 1.4.4 連續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng)連續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)中各部分的傳輸信號(hào)都是時(shí)間t的連續(xù)函數(shù)，則為連續(xù)控制系統(tǒng)連續(xù)控制系統(tǒng)。若在控制系統(tǒng)內(nèi)部有一個(gè)或一個(gè)以上的信號(hào)是時(shí)間t的離散信號(hào)，則為離散控制系統(tǒng)離散控制系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)就是典型的離散控制系統(tǒng)。1.5.1 1.5.1 控制系統(tǒng)性能要求控制系統(tǒng)性能要求1 1、穩(wěn)定性、穩(wěn)定性當(dāng)系統(tǒng)受到某一擾動(dòng)作用后使被控制量偏離了原來(lái)的平衡狀態(tài)，但當(dāng)擾動(dòng)一撤離，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間系統(tǒng)仍能回到原有的平衡狀態(tài)