傳感與檢測(cè)1重點(diǎn)課件

課程的性質(zhì)和特點(diǎn)自動(dòng)控制是一門技術(shù)學(xué)科，從方法論的角度來(lái)研究系統(tǒng)的建立、分析與設(shè)計(jì)?！蹲詣?dòng)控制原理》是本學(xué)科的專業(yè)基礎(chǔ)課，是自動(dòng)控制理論的基礎(chǔ)課程，該課程與其它課程的關(guān)系如下。微積分（含微分方程）電機(jī)與拖動(dòng)模擬電子技術(shù)線性代數(shù)電路理論信號(hào)與系統(tǒng)自動(dòng)控制理論復(fù)變函數(shù)、拉普拉斯變換大學(xué)物理（力學(xué)、熱力學(xué)）課程的性質(zhì)和特點(diǎn)自動(dòng)控制是一門技術(shù)學(xué)科，從方法論的角度來(lái)研究1課程的性質(zhì)和特點(diǎn)自動(dòng)控制理論已經(jīng)發(fā)展為理論嚴(yán)密、系統(tǒng)完整、邏輯性很強(qiáng)的一門學(xué)科。從基本反饋控制原理發(fā)展到：自適應(yīng)控制、優(yōu)化控制、魯棒控制、大系統(tǒng)控制、智能控制。課程的性質(zhì)和特點(diǎn)自動(dòng)控制理論已經(jīng)發(fā)展為理論嚴(yán)密、系統(tǒng)完整、邏2課程的性質(zhì)和特點(diǎn)討論的對(duì)象：因果系統(tǒng)、工程系統(tǒng)

系統(tǒng)的廣義性：經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、工程、生物、環(huán)境、醫(yī)學(xué)

課程特點(diǎn)：研究系統(tǒng)的共性問(wèn)題

數(shù)學(xué)模型實(shí)際系統(tǒng)物理模型方法（系統(tǒng)組成分析、設(shè)計(jì)）課程的性質(zhì)和特點(diǎn)討論的對(duì)象：數(shù)學(xué)實(shí)際物理方法（系統(tǒng)組3第一章

自動(dòng)控制的一般概念

1-1自動(dòng)控制的基本原理與方式1-2自動(dòng)控制系統(tǒng)示例1-3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類1-4對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求

第一章自動(dòng)控制的一般概念1-1自動(dòng)控制的基本原理與方式41-1自動(dòng)控制的基本原理與方式

1.1.1

自動(dòng)控制技術(shù)及其應(yīng)用自動(dòng)化（Automation或Automatization）什么叫自動(dòng)控制？什么叫自動(dòng)控制系統(tǒng)？自動(dòng)控制主要研究解決什么問(wèn)題

1.自動(dòng)控制指在脫離人的直接干預(yù)，利用控制裝置（簡(jiǎn)稱控制器）使被控對(duì)象（或生產(chǎn)過(guò)程等）的某一物理量（如溫度、壓力、PH值等）準(zhǔn)確地按照預(yù)期的規(guī)律運(yùn)行。（自動(dòng)第按照預(yù)期規(guī)律運(yùn)行）另一種定義：是指機(jī)器設(shè)備在沒(méi)有人直接參與的情況下，經(jīng)過(guò)自動(dòng)檢測(cè)、信息處理、分析判斷、操縱控制實(shí)現(xiàn)預(yù)期的目標(biāo)。如：數(shù)控機(jī)床的加工過(guò)程；爐溫控制；導(dǎo)彈發(fā)射和制導(dǎo)；無(wú)人駕駛飛機(jī)自動(dòng)飛行等1-1自動(dòng)控制的基本原理與方式

1.1.1自動(dòng)控制技術(shù)51.1.2自動(dòng)控制科學(xué)自動(dòng)控制理論是研究自動(dòng)控制系統(tǒng)組成，進(jìn)行系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)的一般性理論自動(dòng)控制科學(xué)是研究自動(dòng)控制過(guò)程共同規(guī)律的技術(shù)學(xué)科。自動(dòng)化的核心是“控制“自動(dòng)化技術(shù)的兩個(gè)方面：

人手（腳）的延伸——?jiǎng)恿Ψ矫娴淖詣?dòng)化技術(shù)：工業(yè)化人腦的延伸——信息處理方面的自動(dòng)化技術(shù):信息化1.1.2自動(dòng)控制科學(xué)自動(dòng)控制理論61.1.2自動(dòng)控制科學(xué)---自動(dòng)控制發(fā)展史古代自動(dòng)計(jì)時(shí)漏壺公元132年張衡研制的候風(fēng)地動(dòng)儀1.1.2自動(dòng)控制科學(xué)---自動(dòng)控制發(fā)展史古代自動(dòng)計(jì)時(shí)漏壺71.1.2自動(dòng)控制科學(xué)---自動(dòng)控制發(fā)展史1788年瓦特發(fā)明的控制蒸氣機(jī)速度的離心式調(diào)速器1.1.2自動(dòng)控制科學(xué)---自動(dòng)控制發(fā)展史1788年瓦特發(fā)81.1.2自動(dòng)控制科學(xué)---自動(dòng)控制發(fā)展史1892年，俄國(guó)學(xué)者李雅普諾夫提出了李雅普諾夫穩(wěn)定性定律。20世紀(jì)10年代，出現(xiàn)了PID控制器。1927年反饋控放大器正式誕生。1945年，貝塔朗菲提出了《系統(tǒng)論》，1948年維納提出著名的《控制論》，形成了完整的控制理論體系---以傳函為基礎(chǔ)的經(jīng)典控制理論。由于航天技術(shù)的發(fā)展，催生了20世紀(jì)60年代第二代控制理論—現(xiàn)代控制理論（以狀態(tài)空間為基礎(chǔ)）現(xiàn)代控制理論以最大值理論，動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論，狀態(tài)空間方法為理論基礎(chǔ)?？v觀百余年自動(dòng)控制科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，反饋控制理論與技術(shù)占據(jù)了及其重要的地位。1.1.2自動(dòng)控制科學(xué)---自動(dòng)控制發(fā)展史1892年，俄國(guó)91.1.3反饋控制原理自動(dòng)控制系統(tǒng)

指實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制目的，由相互制約的各部分按一定規(guī)律組成的具有特定功能的整體。例：交通控制、水位控制、經(jīng)濟(jì)控制、人體控制人本身就是一個(gè)具有高度復(fù)雜控制能力的反饋控制系統(tǒng)。1.1.3反饋控制原理自動(dòng)控制系統(tǒng)101.1.3反饋控制原理人取物的反饋控制過(guò)程

手是被控對(duì)象，手位置是被控制量。控制裝置為眼睛、大腦和手臂。輸入信號(hào)書位置眼睛大腦手臂，手輸出量手位置眼睛1.1.3反饋控制原理人取物的反饋控制過(guò)程輸入信號(hào)書位置眼111.1.3反饋控制原理龍門刨床速度控制系統(tǒng)1.1.3反饋控制原理龍門刨床速度控制系統(tǒng)121.1.3反饋控制原理1.1.3反饋控制原理131.1.3反饋控制原理龍門刨床速度控制系統(tǒng)是一個(gè)有精差系統(tǒng)。速度最終達(dá)到的穩(wěn)態(tài)值與原始給定速度之間始終有一個(gè)差值存在，這個(gè)差值是用來(lái)產(chǎn)生一個(gè)附加的電動(dòng)機(jī)電樞電壓，以補(bǔ)償因增加負(fù)載而引起的速度下降。這個(gè)差值的存在是保證系統(tǒng)正常工作所必需的，一般稱為穩(wěn)態(tài)誤差。如果從結(jié)構(gòu)上加以改進(jìn)，可以消除這個(gè)穩(wěn)態(tài)誤差。1.1.3反饋控制原理龍門刨床速度控制系統(tǒng)是一個(gè)有精差141.1.4反饋控制系統(tǒng)的基本組成反饋控制系統(tǒng)是由各種不同的元部件組成的。a)測(cè)量元件：檢測(cè)被控制的物理量。b)給定元件：給出與期望的被控制量相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)輸入量（即參據(jù)量）。c)比較元件：把測(cè)量元件檢測(cè)的被控量的實(shí)際值與給定元件給出的參據(jù)量進(jìn)行比較，求出它們之間的偏差。1.1.4反饋控制系統(tǒng)的基本組成反饋控制系統(tǒng)是由各種不同的151.1.4反饋控制系統(tǒng)的基本組成d)放大元件：偏差信號(hào)的放大，用以推動(dòng)執(zhí)行元件。e)執(zhí)行元件：直接推動(dòng)被控對(duì)象，使被控量發(fā)生變化。f)校正元件：也叫補(bǔ)償元件以改善系統(tǒng)性能。1.1.4反饋控制系統(tǒng)的基本組成d)放大元件：偏差信號(hào)的161.1.4反饋控制系統(tǒng)的基本組成典型的反饋控制系統(tǒng)基本組成框圖：

信號(hào)從輸入端到達(dá)輸出端的傳輸通路稱為前向通路；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為主反饋通路。前向通路與主反饋通路共同構(gòu)成主回路。此外，還有局部反饋通路。只包含一個(gè)主反饋通路的系統(tǒng)稱為單回路系統(tǒng)，有兩個(gè)或兩個(gè)以上反饋通路的系統(tǒng)稱為多回路系統(tǒng)。1.1.4反饋控制系統(tǒng)的基本組成典型的反饋控制系統(tǒng)基本組成171.1.5自動(dòng)控制系統(tǒng)基本控制方式(1)、反饋控制方式按偏差進(jìn)行控制，具有抑制擾動(dòng)對(duì)被控量產(chǎn)生影響的能力和較高的控制精度。1.1.5自動(dòng)控制系統(tǒng)基本控制方式(1)、反饋控制方式181.1.5自動(dòng)控制系統(tǒng)基本控制方式(2)、開環(huán)控制方式指控制裝置與被控對(duì)象之間只有順向作用而沒(méi)有反向聯(lián)系的控制過(guò)程。（計(jì)算機(jī)磁盤驅(qū)動(dòng)器）1.1.5自動(dòng)控制系統(tǒng)基本控制方式(2)、開環(huán)控制方式191.1.5自動(dòng)控制系統(tǒng)基本控制方式1.1.5自動(dòng)控制系統(tǒng)基本控制方式201.1.5自動(dòng)控制系統(tǒng)基本控制方式(3)、復(fù)合控制方式按偏差控制和按擾動(dòng)控制相結(jié)合的控制方式稱為復(fù)合控制方式。1.1.5自動(dòng)控制系統(tǒng)基本控制方式(3)、復(fù)合控制方式211.1.5自動(dòng)控制系統(tǒng)基本控制方式電壓放大器功率放大器電動(dòng)機(jī)電阻R電壓放大器測(cè)速電動(dòng)機(jī)u0-utue.Mc.n電動(dòng)機(jī)速度復(fù)合控制系統(tǒng)1.1.5自動(dòng)控制系統(tǒng)基本控制方式電壓放大器功率放大器電動(dòng)221-2自動(dòng)控制系統(tǒng)示例1.函數(shù)記錄儀1-2自動(dòng)控制系統(tǒng)示例1.函數(shù)記錄儀231-2自動(dòng)控制系統(tǒng)示例1-2自動(dòng)控制系統(tǒng)示例24飛機(jī)示意圖給定電位器反饋電位器2.飛機(jī)-自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)飛機(jī)示意圖給定電位器反饋電位器2.飛機(jī)-自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)25給定裝置放大器舵機(jī)飛機(jī)

反饋電位器

垂直陀螺儀θ0θc擾動(dòng)俯仰角控制系統(tǒng)方塊圖飛機(jī)方塊圖給定裝置放大器舵機(jī)飛機(jī)反饋電位器垂直陀螺儀θ0θc擾動(dòng)263、鍋爐液位控制系統(tǒng)當(dāng)蒸汽的耗汽量與鍋爐進(jìn)水量相等時(shí)，液位保持在正常標(biāo)準(zhǔn)值。當(dāng)鍋爐給水量不變，而蒸汽負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，液位也相應(yīng)發(fā)生變化；或者當(dāng)蒸汽負(fù)荷不變，而給水管道水壓發(fā)生變化時(shí)，引起鍋爐液位發(fā)生變化。但只要實(shí)際液位高度與正常給定液位之間出現(xiàn)偏差時(shí)，調(diào)節(jié)器均應(yīng)立即進(jìn)行控制，去開大或者關(guān)小給水閥門，使液位恢復(fù)到給定值。3、鍋爐液位控制系統(tǒng)但只要實(shí)際液位高度與正常給定液位之間出現(xiàn)27鍋爐液位控制系統(tǒng)的方框圖4、自動(dòng)控制系統(tǒng)其他示例1-2自動(dòng)控制系統(tǒng)示例鍋爐液位控制系統(tǒng)的方框圖4、自動(dòng)控制系統(tǒng)其他示例1-2自281-2自動(dòng)控制系統(tǒng)示例人造地球衛(wèi)星

控制其準(zhǔn)確地進(jìn)入預(yù)定軌道運(yùn)行并回收中巴資源衛(wèi)星哈勃望遠(yuǎn)鏡－特殊地衛(wèi)星1-2自動(dòng)控制系統(tǒng)示例人造地球衛(wèi)星

控制其準(zhǔn)確地進(jìn)入預(yù)定軌291-2自動(dòng)控制系統(tǒng)示例

裝配機(jī)器人汽車自動(dòng)焊接生產(chǎn)線現(xiàn)代化的工廠1-2自動(dòng)控制系統(tǒng)示例

裝配機(jī)器人汽車自動(dòng)焊接生產(chǎn)線現(xiàn)代化301-2自動(dòng)控制系統(tǒng)示例

月球車機(jī)器人足球比賽1-2自動(dòng)控制系統(tǒng)示例

月球車機(jī)器人足球比賽311-2自動(dòng)控制系統(tǒng)示例

無(wú)人駕駛飛機(jī)按預(yù)定軌跡飛行漸露鋒芒地?zé)o人駕駛飛機(jī)1-2自動(dòng)控制系統(tǒng)示例

無(wú)人駕駛飛機(jī)按預(yù)定軌跡飛行漸露鋒芒321-3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類

自動(dòng)控制系統(tǒng)有多種分類方法，一般，為了全面反映自動(dòng)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，常常將各種分類方法組合應(yīng)用。開環(huán)控制閉環(huán)控制(反饋控制)復(fù)合控制按控制方式分1-3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類自動(dòng)控制系統(tǒng)有多種33機(jī)械系統(tǒng)——恒張力系統(tǒng)電氣系統(tǒng)機(jī)電系統(tǒng)——全自動(dòng)照相機(jī)，光機(jī)電結(jié)合液壓系統(tǒng)——伺服液壓缸，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)，大型的仿真模擬臺(tái)氣動(dòng)系統(tǒng)生物系統(tǒng)按元件類型分1-3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類機(jī)械系統(tǒng)——恒張力系統(tǒng)按1-3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類34按系統(tǒng)功用分溫度控制系統(tǒng)壓力控制系統(tǒng)位置控制系統(tǒng)1-3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類按系統(tǒng)功用分溫度控制系統(tǒng)壓力控制系統(tǒng)位置控制系統(tǒng)135線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)定常系統(tǒng)時(shí)變系統(tǒng)確定性系統(tǒng)不確定性系統(tǒng)按系統(tǒng)性能分離散系統(tǒng)1-3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)定常系統(tǒng)時(shí)變系統(tǒng)確定性系統(tǒng)不確定性36恒值控制系統(tǒng)隨動(dòng)系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)按參據(jù)量變化規(guī)律分1-3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類恒值控制系統(tǒng)隨動(dòng)系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)按參據(jù)量1-3自動(dòng)控制系統(tǒng)371、線形連續(xù)控制系統(tǒng)

這類系統(tǒng)可以用線形微分方程式描述，其一般形式為：系數(shù)a0，‥，an，b0,‥bn是常數(shù)時(shí)，稱為定常系統(tǒng)；系數(shù)a0，‥，an，b0,‥bn隨時(shí)間變化時(shí)，稱為時(shí)變系統(tǒng)。線性定常連續(xù)系統(tǒng)按其輸入量的變化規(guī)律又可分為恒值控制系統(tǒng)、隨動(dòng)系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。1-3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類1、線形連續(xù)控制系統(tǒng)這類系統(tǒng)可以用線形微分方程式描述38(2)、隨動(dòng)系統(tǒng)系統(tǒng)的參據(jù)量是預(yù)先未知的隨時(shí)間任意變化的函數(shù)，要求被控量以盡可能小的誤差跟隨參據(jù)量的變化，故又稱為跟隨系統(tǒng)。在隨動(dòng)系統(tǒng)中。擾動(dòng)的影響是次要的，系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是研究被控量跟隨的快速性和準(zhǔn)確性。在隨動(dòng)系統(tǒng)中，如果被控量是機(jī)械位或其導(dǎo)數(shù)時(shí)，這類系統(tǒng)稱之為伺服系統(tǒng)。1-3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(2)、隨動(dòng)系統(tǒng)系統(tǒng)的參據(jù)量是預(yù)先未知的隨39(3)、程序控制系統(tǒng)

系統(tǒng)的參據(jù)量時(shí)按預(yù)定規(guī)律隨時(shí)間變化的函數(shù)，要求被控量迅速、準(zhǔn)確地加以復(fù)現(xiàn)。程序控制系統(tǒng)和隨動(dòng)系統(tǒng)的參據(jù)量都是時(shí)間函數(shù)，不過(guò)前者是已知的時(shí)間函數(shù)，后者是未知的任意時(shí)間函數(shù)，而恒值控制系統(tǒng)也可視為程序控制系統(tǒng)的特例。1-3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(3)、程序控制系統(tǒng)系統(tǒng)的參據(jù)量時(shí)按預(yù)定規(guī)律402、線性定常離散控制系統(tǒng)

離散系統(tǒng)是指系統(tǒng)的某處或多處的信號(hào)為脈沖序列或數(shù)碼形式，因而信號(hào)在時(shí)間上是離散的。離散系統(tǒng)一般用差分方程描述，其一般形式可用下式表示：1-3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類2、線性定常離散控制系統(tǒng)離散系統(tǒng)是指系統(tǒng)的某413、非線性控制系統(tǒng)系統(tǒng)中只要有一個(gè)元部件的輸入－輸出特性是非線性的，這類系統(tǒng)就稱為非線性控制系統(tǒng)，

實(shí)際物理系統(tǒng)中都含有不同程度的非線性元部件，如放大器和電磁元件的飽和特性，運(yùn)動(dòng)部件的死區(qū)、間隙和摩擦特性等。對(duì)于非線性程度不大的情況，可在一定范圍內(nèi)進(jìn)行線性化。1-3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類3、非線性控制系統(tǒng)系統(tǒng)中只要有一個(gè)元部件421-4對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求1、基本要求的提法可以歸結(jié)為穩(wěn)定性（長(zhǎng)期穩(wěn)定性）、準(zhǔn)確性（精度）和快速性（相對(duì)穩(wěn)定性）。

穩(wěn)

準(zhǔn)

快穩(wěn)定性：穩(wěn)定性是對(duì)系統(tǒng)的基本要求，不穩(wěn)定的系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)預(yù)定任務(wù)。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)。1-4對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求1、基43快速性：

對(duì)過(guò)渡過(guò)程的形式和快慢提出要求，一般稱為動(dòng)態(tài)性能。準(zhǔn)確性：

用穩(wěn)態(tài)誤差來(lái)表示。在參考輸入信號(hào)作用下，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，其穩(wěn)態(tài)輸出與參考輸入所要求的期望輸出之差叫做給定穩(wěn)態(tài)誤差。1-4對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求快速性：1-4對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求442、典型的外作用

為了便于用統(tǒng)一的方法研究和比較控制系統(tǒng)的性能，通常選用幾種確定性函數(shù)作為典型外作用?？蛇x作典型外作用的函數(shù)應(yīng)具備以下條件：1)這種函數(shù)在現(xiàn)場(chǎng)或?qū)嶒?yàn)室中容易得到；2)控制系統(tǒng)在這種函數(shù)作用下的性能應(yīng)代表在實(shí)際工作條件下的性能。3)這種函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式簡(jiǎn)單，便于理論計(jì)算。

1-4對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求2、典型的外作用為了便于用統(tǒng)一的方法研究和比較控45(1)、階躍函數(shù)

函數(shù)表達(dá)式為：

在任意時(shí)刻t0出現(xiàn)的階躍函數(shù)可表示為

1-4對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求(1)、階躍函數(shù)函數(shù)表達(dá)式為：1-4對(duì)自動(dòng)46(2)、斜坡函數(shù)斜坡函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：如雷達(dá)－高射炮防空系統(tǒng)，當(dāng)雷達(dá)跟蹤的目標(biāo)以恒定速率飛行時(shí)，可視為該系統(tǒng)工作于斜坡函數(shù)作用之下。1-4對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求(2)、斜坡函數(shù)斜坡函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：147(3)、脈沖函數(shù)

脈沖函數(shù)定義為：強(qiáng)度為A的脈沖函數(shù)可表示為。在t0時(shí)刻出現(xiàn)的單位脈沖函數(shù)為。注意：脈沖函數(shù)僅用于分析研究，現(xiàn)實(shí)中并不存在。1-4對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求(3)、脈沖函數(shù)脈沖函數(shù)定義為：1-448(4)、正弦函數(shù)正弦函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：正弦函數(shù)是控制系統(tǒng)中常用的一種典型外作用，很多實(shí)際的隨動(dòng)系統(tǒng)就是常工作在此外作用下。

更為重要的是系統(tǒng)在正弦函數(shù)作用下的響應(yīng)，即頻率響應(yīng)是自動(dòng)控制理論中研究系統(tǒng)性能的重要依據(jù)。1-4對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求(4)、正弦函數(shù)正弦函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：1-449課程的性質(zhì)和特點(diǎn)自動(dòng)控制是一門技術(shù)學(xué)科，從方法論的角度來(lái)研究系統(tǒng)的建立、分析與設(shè)計(jì)?！蹲詣?dòng)控制原理》是本學(xué)科的專業(yè)基礎(chǔ)課，是自動(dòng)控制理論的基礎(chǔ)課程，該課程與其它課程的關(guān)系如下。微積分（含微分方程）電機(jī)與拖動(dòng)模擬電子技術(shù)線性代數(shù)電路理論信號(hào)與系統(tǒng)自動(dòng)控制理論復(fù)變函數(shù)、拉普拉斯變換大學(xué)物理（力學(xué)、熱力學(xué)）課程的性質(zhì)和特點(diǎn)自動(dòng)控制是一門技術(shù)學(xué)科，從方法論的角度來(lái)研究50課程的性質(zhì)和特點(diǎn)自動(dòng)控制理論已經(jīng)發(fā)展為理論嚴(yán)密、系統(tǒng)完整、邏輯性很強(qiáng)的一門學(xué)科。從基本反饋控制原理發(fā)展到：自適應(yīng)控制、優(yōu)化控制、魯棒控制、大系統(tǒng)控制、智能控制。課程的性質(zhì)和特點(diǎn)自動(dòng)控制理論已經(jīng)發(fā)展為理論嚴(yán)密、系統(tǒng)完整、邏51課程的性質(zhì)和特點(diǎn)討論的對(duì)象：因果系統(tǒng)、工程系統(tǒng)

系統(tǒng)的廣義性：經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、工程、生物、環(huán)境、醫(yī)學(xué)

課程特點(diǎn)：研究系統(tǒng)的共性問(wèn)題

數(shù)學(xué)模型實(shí)際系統(tǒng)物理模型方法（系統(tǒng)組成分析、設(shè)計(jì)）課程的性質(zhì)和特點(diǎn)討論的對(duì)象：數(shù)學(xué)實(shí)際物理方法（系統(tǒng)組52第一章

自動(dòng)控制的一般概念

1-1自動(dòng)控制的基本原理與方式1-2自動(dòng)控制系統(tǒng)示例1-3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類1-4對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求

第一章自動(dòng)控制的一般概念1-1自動(dòng)控制的基本原理與方式531-1自動(dòng)控制的基本原理與方式

1.1.1

自動(dòng)控制技術(shù)及其應(yīng)用自動(dòng)化（Automation或Automatization）什么叫自動(dòng)控制？什么叫自動(dòng)控制系統(tǒng)？自動(dòng)控制主要研究解決什么問(wèn)題

1.自動(dòng)控制指在脫離人的直接干預(yù)，利用控制裝置（簡(jiǎn)稱控制器）使被控對(duì)象（或生產(chǎn)過(guò)程等）的某一物理量（如溫度、壓力、PH值等）準(zhǔn)確地按照預(yù)期的規(guī)律運(yùn)行。（自動(dòng)第按照預(yù)期規(guī)律運(yùn)行）另一種定義：是指機(jī)器設(shè)備在沒(méi)有人直接參與的情況下，經(jīng)過(guò)自動(dòng)檢測(cè)、信息處理、分析判斷、操縱控制實(shí)現(xiàn)預(yù)期的目標(biāo)。如：數(shù)控機(jī)床的加工過(guò)程；爐溫控制；導(dǎo)彈發(fā)射和制導(dǎo)；無(wú)人駕駛飛機(jī)自動(dòng)飛行等1-1自動(dòng)控制的基本原理與方式

1.1.1自動(dòng)控制技術(shù)541.1.2自動(dòng)控制科學(xué)自動(dòng)控制理論是研究自動(dòng)控制系統(tǒng)組成，進(jìn)行系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)的一般性理論自動(dòng)控制科學(xué)是研究自動(dòng)控制過(guò)程共同規(guī)律的技術(shù)學(xué)科。自動(dòng)化的核心是“控制“自動(dòng)化技術(shù)的兩個(gè)方面：

人手（腳）的延伸——?jiǎng)恿Ψ矫娴淖詣?dòng)化技術(shù)：工業(yè)化人腦的延伸——信息處理方面的自動(dòng)化技術(shù):信息化1.1.2自動(dòng)控制科學(xué)自動(dòng)控制理論551.1.2自動(dòng)控制科學(xué)---自動(dòng)控制發(fā)展史古代自動(dòng)計(jì)時(shí)漏壺公元132年張衡研制的候風(fēng)地動(dòng)儀1.1.2自動(dòng)控制科學(xué)---自動(dòng)控制發(fā)展史古代自動(dòng)計(jì)時(shí)漏壺561.1.2自動(dòng)控制科學(xué)---自動(dòng)控制發(fā)展史1788年瓦特發(fā)明的控制蒸氣機(jī)速度的離心式調(diào)速器1.1.2自動(dòng)控制科學(xué)---自動(dòng)控制發(fā)展史1788年瓦特發(fā)571.1.2自動(dòng)控制科學(xué)---自動(dòng)控制發(fā)展史1892年，俄國(guó)學(xué)者李雅普諾夫提出了李雅普諾夫穩(wěn)定性定律。20世紀(jì)10年代，出現(xiàn)了PID控制器。1927年反饋控放大器正式誕生。1945年，貝塔朗菲提出了《系統(tǒng)論》，1948年維納提出著名的《控制論》，形成了完整的控制理論體系---以傳函為基礎(chǔ)的經(jīng)典控制理論。由于航天技術(shù)的發(fā)展，催生了20世紀(jì)60年代第二代控制理論—現(xiàn)代控制理論（以狀態(tài)空間為基礎(chǔ)）現(xiàn)代控制理論以最大值理論，動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論，狀態(tài)空間方法為理論基礎(chǔ)?？v觀百余年自動(dòng)控制科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，反饋控制理論與技術(shù)占據(jù)了及其重要的地位。1.1.2自動(dòng)控制科學(xué)---自動(dòng)控制發(fā)展史1892年，俄國(guó)581.1.3反饋控制原理自動(dòng)控制系統(tǒng)

指實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制目的，由相互制約的各部分按一定規(guī)律組成的具有特定功能的整體。例：交通控制、水位控制、經(jīng)濟(jì)控制、人體控制人本身就是一個(gè)具有高度復(fù)雜控制能力的反饋控制系統(tǒng)。1.1.3反饋控制原理自動(dòng)控制系統(tǒng)591.1.3反饋控制原理人取物的反饋控制過(guò)程

手是被控對(duì)象，手位置是被控制量?？刂蒲b置為眼睛、大腦和手臂。輸入信號(hào)書位置眼睛大腦手臂，手輸出量手位置眼睛1.1.3反饋控制原理人取物的反饋控制過(guò)程輸入信號(hào)書位置眼601.1.3反饋控制原理龍門刨床速度控制系統(tǒng)1.1.3反饋控制原理龍門刨床速度控制系統(tǒng)611.1.3反饋控制原理1.1.3反饋控制原理621.1.3反饋控制原理龍門刨床速度控制系統(tǒng)是一個(gè)有精差系統(tǒng)。速度最終達(dá)到的穩(wěn)態(tài)值與原始給定速度之間始終有一個(gè)差值存在，這個(gè)差值是用來(lái)產(chǎn)生一個(gè)附加的電動(dòng)機(jī)電樞電壓，以補(bǔ)償因增加負(fù)載而引起的速度下降。這個(gè)差值的存在是保證系統(tǒng)正常工作所必需的，一般稱為穩(wěn)態(tài)誤差。如果從結(jié)構(gòu)上加以改進(jìn)，可以消除這個(gè)穩(wěn)態(tài)誤差。1.1.3反饋控制原理龍門刨床速度控制系統(tǒng)是一個(gè)有精差631.1.4反饋控制系統(tǒng)的基本組成反饋控制系統(tǒng)是由各種不同的元部件組成的。a)測(cè)量元件：檢測(cè)被控制的物理量。b)給定元件：給出與期望的被控制量相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)輸入量（即參據(jù)量）。c)比較元件：把測(cè)量元件檢測(cè)的被控量的實(shí)際值與給定元件給出的參據(jù)量進(jìn)行比較，求出它們之間的偏差。1.1.4反饋控制系統(tǒng)的基本組成反饋控制系統(tǒng)是由各種不同的641.1.4反饋控制系統(tǒng)的基本組成d)放大元件：偏差信號(hào)的放大，用以推動(dòng)執(zhí)行元件。e)執(zhí)行元件：直接推動(dòng)被控對(duì)象，使被控量發(fā)生變化。f)校正元件：也叫補(bǔ)償元件以改善系統(tǒng)性能。1.1.4反饋控制系統(tǒng)的基本組成d)放大元件：偏差信號(hào)的651.1.4反饋控制系統(tǒng)的基本組成典型的反饋控制系統(tǒng)基本組成框圖：

信號(hào)從輸入端到達(dá)輸出端的傳輸通路稱為前向通路；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為主反饋通路。前向通路與主反饋通路共同構(gòu)成主回路。此外，還有局部反饋通路。只包含一個(gè)主反饋通路的系統(tǒng)稱為單回路系統(tǒng)，有兩個(gè)或兩個(gè)以上反饋通路的系統(tǒng)稱為多回路系統(tǒng)。1.1.4反饋控制系統(tǒng)的基本組成典型的反饋控制系統(tǒng)基本組成661.1.5自動(dòng)控制系統(tǒng)基本控制方式(1)、反饋控制方式按偏差進(jìn)行控制，具有抑制擾動(dòng)對(duì)被控量產(chǎn)生影響的能力和較高的控制精度。1.1.5自動(dòng)控制系統(tǒng)基本控制方式(1)、反饋控制方式671.1.5自動(dòng)控制系統(tǒng)基本控制方式(2)、開環(huán)控制方式指控制裝置與被控對(duì)象之間只有順向作用而沒(méi)有反向聯(lián)系的控制過(guò)程。（計(jì)算機(jī)磁盤驅(qū)動(dòng)器）1.1.5自動(dòng)控制系統(tǒng)基本控制方式(2)、開環(huán)控制方式681.1.5自動(dòng)控制系統(tǒng)基本控制方式1.1.5自動(dòng)控制系統(tǒng)基本控制方式691.1.5自動(dòng)控制系統(tǒng)基本控制方式(3)、復(fù)合控制方式按偏差控制和按擾動(dòng)控制相結(jié)合的控制方式稱為復(fù)合控制方式。1.1.5自動(dòng)控制系統(tǒng)基本控制方式(3)、復(fù)合控制方式701.1.5自動(dòng)控制系統(tǒng)基本控制方式電壓放大器功率放大器電動(dòng)機(jī)電阻R電壓放大器測(cè)速電動(dòng)機(jī)u0-utue.Mc.n電動(dòng)機(jī)速度復(fù)合控制系統(tǒng)1.1.5自動(dòng)控制系統(tǒng)基本控制方式電壓放大器功率放大器電動(dòng)711-2自動(dòng)控制系統(tǒng)示例1.函數(shù)記錄儀1-2自動(dòng)控制系統(tǒng)示例1.函數(shù)記錄儀721-2自動(dòng)控制系統(tǒng)示例1-2自動(dòng)控制系統(tǒng)示例73飛機(jī)示意圖給定電位器反饋電位器2.飛機(jī)-自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)飛機(jī)示意圖給定電位器反饋電位器2.飛機(jī)-自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)74給定裝置放大器舵機(jī)飛機(jī)

反饋電位器

垂直陀螺儀θ0θc擾動(dòng)俯仰角控制系統(tǒng)方塊圖飛機(jī)方塊圖給定裝置放大器舵機(jī)飛機(jī)反饋電位器垂直陀螺儀θ0θc擾動(dòng)753、鍋爐液位控制系統(tǒng)當(dāng)蒸汽的耗汽量與鍋爐進(jìn)水量相等時(shí)，液位保持在正常標(biāo)準(zhǔn)值。當(dāng)鍋爐給水量不變，而蒸汽負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，液位也相應(yīng)發(fā)生變化；或者當(dāng)蒸汽負(fù)荷不變，而給水管道水壓發(fā)生變化時(shí)，引起鍋爐液位發(fā)生變化。但只要實(shí)際液位高度與正常給定液位之間出現(xiàn)偏差時(shí)，調(diào)節(jié)器均應(yīng)立即進(jìn)行控制，去開大或者關(guān)小給水閥門，使液位恢復(fù)到給定值。3、鍋爐液位控制系統(tǒng)但只要實(shí)際液位高度與正常給定液位之間出現(xiàn)76鍋爐液位控制系統(tǒng)的方框圖4、自動(dòng)控制系統(tǒng)其他示例1-2自動(dòng)控制系統(tǒng)示例鍋爐液位控制系統(tǒng)的方框圖4、自動(dòng)控制系統(tǒng)其他示例1-2自771-2自動(dòng)控制系統(tǒng)示例人造地球衛(wèi)星

控制其準(zhǔn)確地進(jìn)入預(yù)定軌道運(yùn)行并回收中巴資源衛(wèi)星哈勃望遠(yuǎn)鏡－特殊地衛(wèi)星1-2自動(dòng)控制系統(tǒng)示例人造地球衛(wèi)星

控制其準(zhǔn)確地進(jìn)入預(yù)定軌781-2自動(dòng)控制系統(tǒng)示例

裝配機(jī)器人汽車自動(dòng)焊接生產(chǎn)線現(xiàn)代化的工廠1-2自動(dòng)控制系統(tǒng)示例

裝配機(jī)器人汽車自動(dòng)焊接生產(chǎn)線現(xiàn)代化791-2自動(dòng)控制系統(tǒng)示例

月球車機(jī)器人足球比賽1-2自動(dòng)控制系統(tǒng)示例

月球車機(jī)器人足球比賽801-2自動(dòng)控制系統(tǒng)示例

無(wú)人駕駛飛機(jī)按預(yù)定軌跡飛行漸露鋒芒地?zé)o人駕駛飛機(jī)1-2自動(dòng)控制系統(tǒng)示例

無(wú)人駕駛飛機(jī)按預(yù)定軌跡飛行漸露鋒芒811-3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類

自動(dòng)控制系統(tǒng)有多種分類方法，一般，為了全面反映自動(dòng)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，常常將各種分類方法組合應(yīng)用。開環(huán)控制閉環(huán)控制(反饋控制)復(fù)合控制按控制方式分1-3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類自動(dòng)控制系統(tǒng)有多種82機(jī)械系統(tǒng)——恒張力系統(tǒng)電氣系統(tǒng)機(jī)電系統(tǒng)——全自動(dòng)照相機(jī)，光機(jī)電結(jié)合液壓系統(tǒng)——伺服液壓缸，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)，大型的仿真模擬臺(tái)氣動(dòng)系統(tǒng)生物系統(tǒng)按元件類型分1-3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類機(jī)械系統(tǒng)——恒張力系統(tǒng)按1-3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類83按系統(tǒng)功用分溫度控制系統(tǒng)壓力控制系統(tǒng)位置控制系統(tǒng)1-3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類按系統(tǒng)功用分溫度控制系統(tǒng)壓力控制系統(tǒng)位置控制系統(tǒng)184線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)定常系統(tǒng)時(shí)變系統(tǒng)確定性系統(tǒng)不確定性系統(tǒng)按系統(tǒng)性能分離散系統(tǒng)1-3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)定常系統(tǒng)時(shí)變系統(tǒng)確定性系統(tǒng)不確定性85恒值控制系統(tǒng)隨動(dòng)系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)按參據(jù)量變化規(guī)律分1-3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類恒值控制系統(tǒng)隨動(dòng)系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)按參據(jù)量1-3自動(dòng)控制系統(tǒng)861、線形連續(xù)控制系統(tǒng)

這類系統(tǒng)可以用線形微分方程式描述，其一般形式為：系數(shù)a0，‥，an，b0,‥bn是常數(shù)時(shí)，稱為定常系統(tǒng)；系數(shù)a0，‥，an，b0,‥bn隨時(shí)間變化時(shí)，稱為時(shí)變系統(tǒng)。線性定常連續(xù)系統(tǒng)按其輸入量的變化規(guī)律又可分為恒值控制系統(tǒng)、隨動(dòng)系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。1-3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類1、線形連續(xù)控制系統(tǒng)這類系統(tǒng)可以用線形微分方程式描述87(2)、隨動(dòng)系統(tǒng)系統(tǒng)的參據(jù)量是預(yù)先未知的隨時(shí)間任意變化的函數(shù)，要求被控量以盡可能小的誤差跟隨參據(jù)量的變化，故又稱為跟隨系統(tǒng)。在隨動(dòng)系統(tǒng)中。擾動(dòng)的影響是次要的，系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是研究被控量跟隨的快速性和準(zhǔn)確性。在隨動(dòng)系統(tǒng)中，如果被控量是機(jī)械位或其導(dǎo)數(shù)時(shí)，這類系統(tǒng)稱之為伺服系統(tǒng)。1-3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(2)、隨動(dòng)系統(tǒng)系統(tǒng)的參據(jù)量是預(yù)先未知的隨88(3)、程序控制系統(tǒng)

系統(tǒng)的參據(jù)量時(shí)按預(yù)定規(guī)律隨時(shí)間變化的函數(shù)，要求被控量迅速、準(zhǔn)確地加以復(fù)現(xiàn)。程序控制系統(tǒng)和隨動(dòng)系統(tǒng)的參據(jù)量都是時(shí)間函數(shù)，不過(guò)前者是已知的時(shí)間函數(shù)，后者是未知的任意時(shí)間函數(shù)，而恒值控制系統(tǒng)也可視為程序控制系統(tǒng)的特例。1-3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(3)、程序控制系統(tǒng)系統(tǒng)的參據(jù)量時(shí)按預(yù)定規(guī)律892、線性定常離散控制系統(tǒng)

離散系統(tǒng)是指系統(tǒng)的某處或多處的信號(hào)為脈沖序列或數(shù)碼形式，因而信號(hào)在時(shí)間上是離散的。離散系統(tǒng)一般用差分方程描述，其一般形式可用下式表示：1-3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類2、線性定常離散控制系統(tǒng)離散系統(tǒng)是指系統(tǒng)的某903、非線性控制系統(tǒng)系統(tǒng)中只要有一個(gè)元部件的輸入－輸出特性是非線性的，這類系統(tǒng)就稱為非線性控制系統(tǒng)，

實(shí)際物理系統(tǒng)中都含有不同程度的非線性元部件，如放大器和電磁元件