第1章自動控制的一般概念1

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

機械工業(yè)出版社主要參考書：《自動控制原理》顧樹生、王建輝主編,

冶金工業(yè)出版社《自動控制原理》吳麒主編，清華大學(xué)出版社

《自動控制理論》蔡尚峰主編，機械工業(yè)出版社《自動控制原理》李友善主編，國防工業(yè)出版社《反饋控制系統(tǒng)分析與設(shè)計——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目錄二月23自動控制原理該課程與其它課程的關(guān)系自動控制原理電機與拖動模擬電子技術(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)課程控制電機二月23自動控制原理學(xué)習(xí)方法理論學(xué)習(xí)+（實驗驗證）控制系統(tǒng)理論分析（課后習(xí)題）考試：總評=期末考試*70%+期中考試*15%+平時*15%答疑地點：航空自動化學(xué)院教務(wù)科（北2-209）電話：2715二月23自動控制原理引言18世紀(jì)，JamesWatt為控制蒸汽機速度設(shè)計的離心調(diào)節(jié)器，是自動控制領(lǐng)域的第一項重大成果。1922年，Minorsky研制出船舶操縱自動控制器，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)的伺服機構(gòu)的概念，討論了可以精確跟蹤變化的輸入信號的機電伺服機構(gòu)。二月23自動控制原理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)計問題的重點從設(shè)計許多可行系統(tǒng)中的一種系統(tǒng)，轉(zhuǎn)到設(shè)計在某種意義上的最佳系統(tǒng)。20世紀(jì)60年代，數(shù)字計算機的出現(xiàn)為復(fù)雜系統(tǒng)的基于時域分析的現(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)代控制理論進展集中于魯棒控制、H∞控制及其相關(guān)課題。二月23自動控制原理

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）自動控制理論二月23自動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?？刂葡到y(tǒng)的分析與設(shè)計問題。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、時變、非線性一類控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計問題。系統(tǒng)具有高精度和高效能的特點。

二月23自動控制原理第一章自動控制系統(tǒng)的基本概念自動控制

自動控制是在沒有人的直接干預(yù)下，利用物理裝置對生產(chǎn)設(shè)備和工藝過程進行合理的控制，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。自動控制系統(tǒng)

自動控制系統(tǒng)是為實現(xiàn)某一控制目標(biāo)所需要的所有物理部件的有機組合體。二月23自動控制原理被控對象給定量或控制量輸出量或被控量擾動量開環(huán)控制閉環(huán)控制專業(yè)術(shù)語二月23自動控制原理被控對象是一個設(shè)備，它是由一些機器零件有機地組合在一起的，其作用是完成一個特定的動作。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:是一種對系統(tǒng)的輸出產(chǎn)生不利影響的信號。妨礙控制量對被控量進行正?？刂频乃幸蛩胤Q為擾動量。二月23自動控制原理內(nèi)擾---擾動產(chǎn)生在系統(tǒng)內(nèi)部；外擾---擾動產(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))自動控制的任務(wù)：克服擾動量的影響，使系統(tǒng)按照給定量所設(shè)定的規(guī)律運行?？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-被控對象（電阻爐）

二月23自動控制原理信號線環(huán)節(jié)分支點相加點結(jié)構(gòu)圖中的符號±二月23自動控制原理開環(huán)控制：控制系統(tǒng)的輸出量對系統(tǒng)沒有控制作用。特點：輸入量與輸出量一一對應(yīng)。信號傳遞是單方向的，即只有輸入量對輸出量產(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8－減速器二月23自動控制原理熱力系統(tǒng)的自動反饋控制

二月23自動控制原理

圖1-4閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖1-控制器2-控制對象3-檢測裝置前向通道反向通道相加點分支點用“

”號代表比較元件，“—”號代表兩者符號相反，“+”號代表兩者符號相同。信號沿箭頭方向從輸入端到達輸出端的傳輸通路稱前向通路；系統(tǒng)輸出量經(jīng)測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行比較（形成偏差），利用偏差量作為控制信號來糾正偏差。特點：輸入量與輸出量一一對應(yīng)。信號傳遞是雙方向的：既有輸入量對輸出量的作用，又有輸出量對輸入量的作用。系統(tǒng)具有抗干擾能力。二月23自動控制原理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)行機構(gòu)；6-被控對象；7-檢測裝置二月23自動控制原理給定環(huán)節(jié)：其職能是給出與期望的被控量相對應(yīng)的系統(tǒng)輸入量（即給定量）。比較環(huán)節(jié)：把測量元件檢測的被控量實際值與給定元件給出的給定量進行比較，求出它們之間的偏差。校正環(huán)節(jié)：亦稱補償元件，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行放大，用來推動執(zhí)行元件去控制被控對象。執(zhí)行機構(gòu)：直接作用于控制對象，使被控量發(fā)生變化。被控對象或調(diào)節(jié)對象：要控制的設(shè)備或過程。檢測裝置或傳感器：其職能是測量被控制的物理量。二月23自動控制原理-+-+二月23自動控制原理r(t)是它的輸入量(不標(biāo)正負(fù)號的指正號)，反饋量須注明正負(fù)號。系統(tǒng)信號在各環(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→控制器→放大環(huán)節(jié)→執(zhí)行機構(gòu)→控制對象→輸出信號的信號傳輸路徑；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自動控制原理1.3自動控制系統(tǒng)分類按輸入信號的特征分類恒值系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)和隨動系統(tǒng)恒值控制系統(tǒng):給定輸入量是個常數(shù)，被控制的輸出量希望是個恒定值，在除給定輸入量以外的工況發(fā)生變化時希望系統(tǒng)的輸出量維持恒值不變。程序控制系統(tǒng):輸入信號不是恒值，它可以是時間的函數(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自動控制原理隨動控制系統(tǒng)（又稱伺服系統(tǒng)）:隨動控制系統(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。自動火炮方位控制系統(tǒng),導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)

二月23自動控制原理按信號傳輸過程是否連續(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)男盘柧菚r間t的連續(xù)函數(shù)，描述連續(xù)控制系統(tǒng)的動態(tài)方程是微分方程。離散控制系統(tǒng)：信號傳輸過程中存在間歇采樣、脈沖序列等離散信號的系統(tǒng)。描述離散控制系統(tǒng)的動態(tài)方程是差分方程。計算機深冷控制系統(tǒng)爐溫控制或空調(diào)控制等二月23自動控制原理按系統(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)是否隨時間變化分類（定常、時變）定?？刂葡到y(tǒng)：系統(tǒng)參數(shù)不隨時間變化的系統(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)。時變控制系統(tǒng)：系統(tǒng)參數(shù)隨時間變化的系統(tǒng)。時變控制系統(tǒng)的微分方程或差分方程的系數(shù)是時間的函數(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)隨時減少，屬時變控制系統(tǒng)。二月23自動控制原理系統(tǒng)的組成及工作原理控制類型自動控制系統(tǒng)分析步驟：1.4自動控制系統(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－直流電動機6－直流他勵繞組7－直流測速發(fā)電機8、9－電位器控制轉(zhuǎn)速保持恒定；恒值控制系統(tǒng)；二月23自動控制原理Un*放大器整流濾波驅(qū)動電路電機測速發(fā)電機Un-n圖1-4的系統(tǒng)框圖二月23自動控制原理二、函數(shù)記錄儀位置隨動控制系統(tǒng)圖1-5函數(shù)記錄儀原理示意圖1－放大器2－伺服機3－測速發(fā)電機4－減速器

5－電位器6－滑線變阻器7－線輪8－紙帶機9－輸入函數(shù)二月23自動控制原理ur放大器減速器電機電位器測速發(fā)電機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。uA-二月23自動控制原理三、導(dǎo)彈發(fā)射架方位隨動控制系統(tǒng)圖1-7導(dǎo)彈發(fā)射架方位隨動控制系統(tǒng)原理圖1放大器2伺服電動機3他勵繞組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8數(shù)模轉(zhuǎn)換器9數(shù)模轉(zhuǎn)換器二月23自動控制原理二月23自動控制原理穩(wěn)定性：

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

2對隨動系統(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)。對自動控制系統(tǒng)性能的基本要求穩(wěn)定性（長期穩(wěn)定性）快速性（相對穩(wěn)定性）準(zhǔn)確性（精度）

穩(wěn)

準(zhǔn)快二月23自動控制原理2）根據(jù)對系統(tǒng)性能的要求，如何合理地設(shè)計校正裝置，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）對于一個具體的控制系統(tǒng)，如何從理論上對它的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度進行定性的分析和定量的計算。二月23自動控制原理

小結(jié)開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，但不能自動補償擾動對輸出量的影響。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)進行自動調(diào)節(jié)，以克服擾動對系統(tǒng)的影響。閉環(huán)