自動控制理論第一講

關于自動控制理論第一講第一頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三主要內(nèi)容第一節(jié)自動控制理論課程概述第二節(jié)

控制系統(tǒng)的基本概念第三節(jié)自動控制系統(tǒng)的分類第四節(jié)自動控制理論概要第一章引論第二頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三一、課程特點1、它是一門專業(yè)基礎課第一節(jié)自動控制理論課程概述自動控制理論電路理論電機與拖動大學物理信號與系統(tǒng)復變函數(shù)拉氏變換模擬電子技術線性代數(shù)微積分各類專業(yè)課線性系統(tǒng)現(xiàn)代控制理論第三頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三2、理論實踐緊密結合理論性非常強與工程實踐緊密結合3、內(nèi)容廣泛高等數(shù)學、物理、化學電路電機機械經(jīng)濟航空、航天等等第四頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三二、學習自動控制理論的重要性1、本課程是自動化專業(yè)承上啟下的課程2、自動控制技術是應用非常廣泛的技術電機控制、自動化生產(chǎn)線、火炮雷達控制、家用電器、機械、冶金、石油、化工、電力電子、航空、航海、航天、核反應堆等。3、自動控制理論能為解決實際控制問題提供理論和方法4、學分較多

第五頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三三、課程主要學習內(nèi)容及課程按排第一章引論2學時知識準備拉氏變換及拉氏變換定理2學時第二章線性系統(tǒng)的數(shù)學模型8學時補充知識復阻抗法求傳遞函數(shù)2學時第三章線性系統(tǒng)的時域分析10學時第四章線性系統(tǒng)的根軌跡分析8學時第五章線性系統(tǒng)的頻域分析10學時第六章線性系統(tǒng)的校正8學時第七章非線性系統(tǒng)的分析8學時第八章采樣控制系統(tǒng)8學時習題課各階段習題講解及課程總結（3次）6學時實驗共7個實驗18學時總學時數(shù)90學時第六頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三四、本課程學習方法1、打好基礎高等數(shù)學（微積分）、積分變換（拉氏變換）2、做好預習講課的速度較快、了解課程內(nèi)容3、聽好課理解基本理論和基本方法4、做好習題靈活應用基本理論和基本方法解決實際問題第七頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三五、教材和主要參考資料1、教材《自動控制理論》夏德鈐機械工業(yè)出版社第3版2、主要參考書《自動控制理論》鄒伯敏機械工業(yè)出版社《自動控制原理》胡壽松編科學出版社《自動控制原理》李友善國防工業(yè)出版社《現(xiàn)代控制工程》緒方勝彥科學出版社第3版

《自動控制原理》王建輝清華大學出版社《ModernControlEngineering》KatsuhikoOgata電子工業(yè)出版社《自動控制原理全程導學及習題全解》王瑩瑩中國時代經(jīng)濟出版社《自動控制理論例題習題集》王詩宓等編著,清華大學出版社2002第八頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三一、控制系統(tǒng)方框圖

常用方框圖來表示一個控制系統(tǒng)的結構及信號在系統(tǒng)中的傳遞路徑。①方框：控制裝置和被控對象分別用方框表示;②信號線：方框的輸入和輸出以及它們之間的連接用帶箭頭的信號線表示;③輸入信號：進入方框的信號;④輸出信號：離開方框的信號;⑤比較環(huán)節(jié)：表示兩個或兩個以上的信號的疊加。信號線方框信號線輸出信號輸入信號比較環(huán)節(jié)第二節(jié)控制系統(tǒng)的基本概念第九頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三【例1-1】水箱水位控制系統(tǒng)二、控制系統(tǒng)舉例簡單的水箱水位控制系統(tǒng)第十頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三系統(tǒng)原理方塊圖

被控對象：水箱被控量：水箱水位控制裝置：杠桿執(zhí)行機構：閥門檢測元件：浮球第十一頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三較完善的水箱水位控制系統(tǒng)第十二頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三【例1-2】家用空調(diào)控制器(制冷)房間交換設備壓縮機控制板傳感器控制對象執(zhí)行機構測量元件控制單元第十三頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三

被控對象：房間被控量：房間溫度控制裝置：控制板執(zhí)行機構：壓縮機和冷凝器檢測元件：溫度傳感器第十四頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三【例1-3】帶鋼軋輥轉速控制系統(tǒng)

連軋機在軋鋼過程中，通過各機架的帶鋼必須保持秒流量相等，否則將出現(xiàn)拉鋼或疊鋼，影響產(chǎn)品質(zhì)量或造成故障。這就要求各機架軋輥的轉速保持一定比例，而對某機架軋輥來說，即要求其轉速恒定。

第十五頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三

被控對象：軋輥被控量：軋輥的速度控制裝置：比較、放大、整流等執(zhí)行機構：電動機檢測元件：轉速反饋裝置工作原理：設負載擾動變化時(如變大)，則第十六頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三三、控制系統(tǒng)的基本概念【自動控制】【自動控制理論】研究自動控制中共同規(guī)律的技術科學。

指在無人直接參與的情況下，利用外加的設備或裝置（稱為自動控制裝置或控制器），使生產(chǎn)過程（稱為被控對象）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（稱為被控制量）自動地按照預定的規(guī)律運行。第十七頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三【自動控制系統(tǒng)】

由被控對象和自動控制裝置等按照一定的方式連接起來，組成一個有一定控制功能的有機整體，稱為自動控制系統(tǒng)?！究刂葡到y(tǒng)方框圖】控制器被控對象輸入量輸出量測量電路比較第十八頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三四、控制系統(tǒng)的兩種基本形式及特點1、兩種基本形式

開環(huán)

閉環(huán)2、開環(huán)控制定義只有正向作用，沒有反向控制作用的控制系統(tǒng)。電機調(diào)速控制系統(tǒng)電位器放大電機功率放大負載第十九頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三控制器被控對象輸入量控制量輸出量3、開環(huán)系統(tǒng)的特點（1）只有正向作用，沒有反向作用；（2）控制精度取決于元器件的精度和系統(tǒng)調(diào)整精度；（3）沒有抑制內(nèi)、外干擾的能力；（4）系統(tǒng)結構簡單、成本低。第二十頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三5、閉環(huán)系統(tǒng)的特點

（1）既有正向作用，又有反向作用；（2）控制精度與元件精度、控制方法、調(diào)整精度有關，控制精度較高；（3）有抑制干擾的能力；（4）結構復雜，成本相對較高。4、閉環(huán)控制定義既有正向作用，又有反向控制作用的控制系統(tǒng)。第二十一頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三EEEAB爐溫開環(huán)控制系統(tǒng)爐溫閉環(huán)控制系統(tǒng)SS6、開環(huán)控制與閉環(huán)控制的示例第二十二頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三電阻絲希望溫度實際爐溫擾動量爐子繼電器溫度計電阻絲實際爐溫擾動量爐子開關希望溫度爐溫開環(huán)控制系統(tǒng)爐溫閉環(huán)控制系統(tǒng)第二十三頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三第三節(jié)自動控制系統(tǒng)的分類一、按輸入信號的特征分類1、恒值控制系統(tǒng)（自動調(diào)整系統(tǒng)）特征：輸入信號為常數(shù)典型系統(tǒng)：液位、溫度、壓力、流量控制2、程序控制系統(tǒng)特征：輸入信號為預知的隨時間變化函數(shù)典型系統(tǒng)：熱處理爐控制系統(tǒng)、鏡片固化爐溫度控制、程序控制機床、灌裝生產(chǎn)線、自動生產(chǎn)流水線。3、隨動系統(tǒng)（伺服控制系統(tǒng)）特征：輸入信號為隨時間任意變化的函數(shù)典型系統(tǒng)：魚雷飛行、炮瞄雷達、火炮自動瞄準、導彈制導。第二十四頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三二、按描述元件的動態(tài)方程分類1、線性系統(tǒng)特征：元件是線性的、系統(tǒng)運動方程可用線性微分方程或差分方程描述。2、非線性系統(tǒng)特征：系統(tǒng)中含有至少一個非線性元件、系統(tǒng)運動方程需用非線性方程或差分方程描述。典型非線性：飽和、死區(qū)、繼電器、傳動間隙。第二十五頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三三、按系統(tǒng)傳遞的信號分類1、連續(xù)系統(tǒng)特征：系統(tǒng)各環(huán)節(jié)之間傳遞的信號均為時間的連續(xù)函數(shù)，一般用微分方程描述。2、離散系統(tǒng)特征：在信號傳遞過程中，至少有一處的信號是脈沖序列或數(shù)字編碼。第二十六頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三四、按輸入輸出信號數(shù)量分類1、單輸入單輸出系統(tǒng)（SISO系統(tǒng)）特征：輸入輸出變量僅有一個。2、多輸入多輸出系統(tǒng)(MIMO系統(tǒng)）特征：輸入輸出變量多于一個。五、按系統(tǒng)微分方程分類1、集中參數(shù)系統(tǒng)特征：能用常微分方程描述2、分布參數(shù)系統(tǒng)特征：至少有一個環(huán)節(jié)需要用偏微分方程描述。第二十七頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三六、按系統(tǒng)結構和參數(shù)的確定性分類1、確定系統(tǒng)特征：系統(tǒng)的結構和參數(shù)是確定的、已知的，系統(tǒng)的輸入信號也是確定的，可以用解析式或圖表確切表示。2、不確定系統(tǒng)特征：系統(tǒng)的結構和參數(shù)是不確定的或，系統(tǒng)的輸入信號是不確定的。第二十八頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三第四節(jié)自動控制理論概要一、閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成和基本環(huán)節(jié)①測量元件：測量被控量的實際值或對被控量進行物理轉換。②比較元件：將測量值和給定值進行比較，得到偏差。③控制元件：

根據(jù)偏差大小產(chǎn)生控制信號。通常包括放大器和校正裝置，控制信號和偏差信號具有一定關系(稱為調(diào)節(jié)規(guī)律)。④執(zhí)行元件：由控制信號產(chǎn)生控制作用，從而使被控制量達到要求值。閥、電動機、液壓馬達等。⑤被控對象：被控制的機器、設備或過程等。第二十九頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三二、控制系統(tǒng)的基本原理反饋的本質(zhì)：利用偏差進行控制。反饋的兩大作用：形成閉環(huán)控制，可使系統(tǒng)從不穩(wěn)定到穩(wěn)定，提高穩(wěn)定性；抑制擾動，精度高。絕大多數(shù)控制系統(tǒng)都是反饋系統(tǒng)。第三十頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三控制量u偏差信號e反饋信號b反饋環(huán)節(jié)

H控制環(huán)節(jié)

GC被控對象

GO擾動n輸出信號C參考輸入信號r比較環(huán)節(jié)三、自動控制系統(tǒng)中的術語和定義第三十一頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三四、自動控制系統(tǒng)的基本要求穩(wěn)定性、快速性、準確性，即穩(wěn)、快、準。

穩(wěn)定性穩(wěn)定性是指系統(tǒng)重新恢復平衡狀態(tài)的能力，任何一個正常工作的系統(tǒng)首先必須是穩(wěn)定的。快速性

在控制作用下，系統(tǒng)必然由原先的平衡狀態(tài)經(jīng)過一段時間才過渡到另一個新的平衡狀態(tài)，這個過程稱為過渡過程。過渡過程越短，表明系統(tǒng)的快速性越好。快速性是衡量系統(tǒng)質(zhì)量高低的重要指標之一。準確性對一個穩(wěn)定的系統(tǒng)而言，當過渡過程結束后，系統(tǒng)輸出量的實際值與期望值之差稱為穩(wěn)態(tài)誤差，它是衡量系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度的重要指標。穩(wěn)態(tài)誤差越小，表示系統(tǒng)的準確性越好。第三十二頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三五、自動控制理論研究的問題1、自動控制建模問題

建立控制系統(tǒng)各個方框的數(shù)學模型是控制系統(tǒng)分析和設計的基礎。2、控制系統(tǒng)分析

在已知系統(tǒng)的結構參數(shù)的條件下，研究系統(tǒng)在某種典型輸入信號下輸出信號變化的全過程，并從這個變化過程中得到評價系統(tǒng)性能的指標；以及討論系統(tǒng)的性能和系統(tǒng)結構、參數(shù)的關系。3、控制系統(tǒng)設計

在給定被控對象及所要求的性能指標的情況下，設計一個即能完成控制任務又可以滿足所提出的性能指標的控制系統(tǒng)。要改變系統(tǒng)的某些參數(shù)或者是加入校正裝置，使其滿足預定的性能指標要求。第三十三頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三六、自動控制理論的主要內(nèi)容1、古典控制理論

研究對象：單輸入單輸出線性系統(tǒng)數(shù)學基礎：微積分、積分變換系統(tǒng)描述方法：傳遞函數(shù)研究方法：時域法、頻率特性法、根軌跡法核心概念：輸出反饋適用系統(tǒng)：線性系統(tǒng)第三十四頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三2、現(xiàn)代控制理論研究對象：多輸入多輸出線性系統(tǒng)數(shù)學基礎：線性代數(shù)、矩陣理論系統(tǒng)描述方法：狀態(tài)空間表達式研究方法：時域法核心概念：狀態(tài)反饋適用系統(tǒng)：線性、非線性第三十五頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期三七、自動控制理論的發(fā)展1經(jīng)典控制理