自動(dòng)控制原理課件第一章.

1、2022-5-30河北大學(xué)電信學(xué)院1（宗曉萍 王培光 王 霞 肖金壯）電話：4146636http:/ email:我們的口號(hào)：我們的口號(hào)：聯(lián)系方式：聯(lián)系方式：2022-5-30河北大學(xué)電信學(xué)院31、控制理論的發(fā)展2、自動(dòng)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?jī)?nèi)容2022-5-30河北大學(xué)電信學(xué)院4 18世紀(jì)，James Watt 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)域的第一個(gè)歷程碑。（反饋控制的精髓） 1892年，Lyapunov“論運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性”發(fā)表，是自動(dòng)控制領(lǐng)域的第二個(gè)歷程碑。（上升為理論） 1922年，Minorsky研制出船舶操縱自動(dòng)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(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)。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(xué)電信學(xué)院5 19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。 19世紀(jì)50年代末，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)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)。 19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

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(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。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(xué)電信學(xué)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(jì)初 19世紀(jì)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(jì)問(wèn)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(jì)50年代初 19世紀(jì)80年代） 以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究多輸入-多輸出、時(shí)變、非線性控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問(wèn)

4、題。系統(tǒng)具有高精度和高效能的特點(diǎn)。 智能控制（19世紀(jì)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(fù)雜控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問(wèn)題。系統(tǒng)具有最優(yōu)化、智能化等特征。2022-5-30河北大學(xué)電信學(xué)院7二、自動(dòng)控制的一般概念二、自動(dòng)控制的一般概念Q2Q1L2HL1入水口出水口觀測(cè)比較運(yùn)算H執(zhí)行液位控制2022-5-30河北大學(xué)電信學(xué)院8Q2入水口出水口觀測(cè)比較運(yùn)算執(zhí)行Q1L2H浮子（眼睛）控制器（大腦）氣動(dòng)閥門（手） 自動(dòng)控制2022-5-30河北大學(xué)電信學(xué)院92、自動(dòng)控制系統(tǒng)、自動(dòng)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(duì)性相對(duì)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(dòng)控制系統(tǒng)：自動(dòng)控制系統(tǒng)：將被控對(duì)象和控制裝置按照一定的方式連將被控對(duì)象和控制裝置按照一定的方式連接起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)具有特定功能的有機(jī)整體，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)接起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)具有特定功能的有機(jī)整體，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的目的，即構(gòu)成自動(dòng)控制系統(tǒng)控制的目的，即構(gòu)成自動(dòng)控制系統(tǒng)。2022-5-30河北大學(xué)電信學(xué)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)（開環(huán)） u cu g電位器電動(dòng)機(jī)負(fù)載+放大器u gu c電位器放大器電動(dòng)機(jī)及負(fù)載輸出量對(duì)控制作用沒(méi)有影響的系統(tǒng)稱為輸出量對(duì)控制作用沒(méi)

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(fù)載的變化會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)速造負(fù)載的變化會(huì)對(duì)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(xué)電信學(xué)院11例例1-2 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)（閉環(huán)） 測(cè)速發(fā)電機(jī)uu fu gu c負(fù)載+放大器給定值給定值 ，當(dāng)，當(dāng) ，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(dòng)機(jī)的輸入電壓動(dòng)機(jī)的輸入電壓u g增大，其結(jié)果會(huì)使電動(dòng)機(jī)軸的轉(zhuǎn)速增大增大，其結(jié)果會(huì)使電動(dòng)機(jī)軸的轉(zhuǎn)速增大 。u fuu gu c電位器放大器電動(dòng)機(jī)及負(fù)載測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出對(duì)系統(tǒng)的控制作用產(chǎn)生影響的系

7、統(tǒng)稱為輸出對(duì)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(fù)載變化帶來(lái)的影響了負(fù)載變化帶來(lái)的影響2022-5-30河北大學(xué)電信學(xué)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(xué)電信學(xué)院13Q1hL1Q2L2Q2Q1hL1L2 負(fù)反饋控制系統(tǒng) 正反饋控制系統(tǒng)正反饋與負(fù)反饋正反饋與負(fù)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(xué)電信學(xué)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(duì)

8、象-Tuguu fu c電位器W放大器電阻絲電熱爐熱電偶對(duì)象執(zhí)行元件檢測(cè)元件給定元件放大元件比較能源元件2022-5-30河北大學(xué)電信學(xué)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(cè)量元件執(zhí)行元件被控對(duì)象e比較元件負(fù)號(hào)代表負(fù)反饋基本反饋控制系統(tǒng)方框圖2022-5-30河北大學(xué)電信學(xué)院16輸出量主反饋-放大元件給定元件測(cè)量元件執(zhí)行元件被控對(duì)象e 反饋補(bǔ)償元件局部反饋 串聯(lián)補(bǔ)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(xué)電信學(xué)院17反饋控制系統(tǒng)的基本組成 1、被控對(duì)象2、控制裝置(由具有一定職能的各種基本元件組成 ) 測(cè)量元件：其職能是測(cè)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(duì)應(yīng)的系統(tǒng)輸入量 比較元件：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 給定值進(jìn)行比較，求偏差信號(hào)。 放大元件：將比較元件給出的偏差信號(hào)放大，用來(lái)推動(dòng)執(zhí)行元 件去控制被控對(duì)象。 執(zhí)行元件：直接推動(dòng)被控對(duì)象，使其被控量發(fā)生變化。 校正元件：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。蒸蒸汽汽冷 水熱 水溫 度 計(jì)圖 1-1 熱 力 系 統(tǒng) 的 人 工 反 饋 控 制排排水水自自動(dòng)動(dòng)控控制制器器熱熱水水冷冷水水蒸蒸汽汽溫溫度度測(cè)測(cè)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(dòng)動(dòng)反反饋饋控控制制控控制制閥閥2022-5-30河北大學(xué)電信學(xué)院20四、自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類四、自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類開環(huán)控制閉環(huán)控制(反饋控制)復(fù)合控制 2022-5-30河北大學(xué)電信學(xué)院212022-5-30河北大學(xué)電信學(xué)院22五、本課程的研究?jī)?nèi)容系統(tǒng)的校正與綜合系統(tǒng)分析數(shù)學(xué)模型線性離散控制系統(tǒng)非線性控制系統(tǒng)時(shí)域分析根軌跡分析頻域分析自動(dòng)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(xué)電信學(xué)院23參考書： 自動(dòng)控制原理，吳麒，清華大學(xué)出版社； 自動(dòng)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(jì)（英文版），John J.Dazzo 清華大學(xué)出版社； 自動(dòng)控制原理習(xí)題集，胡壽松， 國(guó)防工業(yè)出版社； 自動(dòng)控制理論重點(diǎn)難點(diǎn)及典型題解析，張愛(ài)民，西安 交通大學(xué)出版社等。2022-5-30河北大學(xué)電信學(xué)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(guò)物質(zhì)、能量和信息的交換來(lái)實(shí)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(méi)有的功能。因此，對(duì)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(gè)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(xué)電信學(xué)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(huì)含義，而把它不考慮具體系統(tǒng)的物理、自然、或社會(huì)含義，而把它抽象化為一個(gè)一般意義下的系統(tǒng)而加以研究。抽象化為一個(gè)一般意義下的系統(tǒng)而加以研究。 LRCUi(t)Uo(t)i(t) mKX(t)F(t