自動控原理第一章

自動控原理第一章第1頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月《自動控制原理》教學(xué)大綱一、課程名稱：自動控制原理（Autocontroltheory)二、課程編號：07ZX084105

三、類別（必修或選修）：

必修

四、總學(xué)時：理論學(xué)時100；實驗學(xué)時10

五、總學(xué)分：

5.5

六、開課學(xué)期：

5學(xué)期、6學(xué)期

七、適用專業(yè)：

自動化

八、先修課程：

高數(shù)、復(fù)變函數(shù)、積分變換、線性代數(shù)、電路理論、模擬技術(shù)、電機拖動第2頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月一、課程簡介：《自動控制原理》一課將闡述自動控制的基本理論與應(yīng)用。深入淺出地介紹了自動控制基本概念，控制系統(tǒng)在時域和復(fù)域中的數(shù)學(xué)模型及其結(jié)構(gòu)圖和信號流圖，比較全面地闡述了線性控制系統(tǒng)的分析法、根軌跡法以及校正和設(shè)計等方法。對線性離散系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論、數(shù)學(xué)模型、穩(wěn)定性及穩(wěn)態(tài)誤差、動態(tài)性能分析以及數(shù)字校正等問題也進行了比較詳細的討論。在非線性控制系統(tǒng)分析方面，給出了相平面和描述函數(shù)兩種常用的分析方法。在現(xiàn)代控制理論方面，介紹了線性狀態(tài)空間分析方法。并引入了MATLAB應(yīng)用技術(shù)。第3頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

二、本課程的目的和任務(wù)：任務(wù)：通過本課程的學(xué)習(xí)，使本專業(yè)的學(xué)生能掌握如下知識目的：自動控制原理(Autocontroltheory)是自動化專業(yè)的一門基礎(chǔ)理論課，通過本課程的學(xué)習(xí)，使本專業(yè)的學(xué)生能系統(tǒng)的建立有關(guān)自動控制的基本概念以及各種分析、計算方法，為后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)打基礎(chǔ)。

1、統(tǒng)地了解自動控制系統(tǒng)的基本概念和原理

2、控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型、結(jié)構(gòu)圖和信號流圖第4頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

3、線性控制系統(tǒng)的時域分析法、根軌跡法、頻域分析法以及控制系統(tǒng)校正和設(shè)計等方法

4、線性離散系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論、數(shù)學(xué)模型、性能分析以及系統(tǒng)校正和設(shè)計方法

5、兩種常用非線性控制系統(tǒng)分析方法：相平面分析方法和描述函數(shù)的分析方法

6、了解線性系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析的基本概念第5頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月三、本課程的基本要求及授大綱：第一章自動控制的一般概念（4學(xué)時）（一）基本要求：建立控制系統(tǒng)的基本概念、控制系統(tǒng)的專業(yè)名詞述語以及自動控制系統(tǒng)的基本要求。（二）課程內(nèi)容：

1、自動控制系統(tǒng)概念和基本原理

2、自動控制系統(tǒng)示例

3、自動控制系統(tǒng)分類

4、對自動控制系統(tǒng)的要求

5、MATLAB介紹第6頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月第二章：控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型（6學(xué)時）（一）基本要求：學(xué)會建立控制系統(tǒng)的時域、復(fù)域數(shù)學(xué)模型和控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。（二）課程內(nèi)容：

1、控制系統(tǒng)的時域數(shù)學(xué)模型

2、控制系統(tǒng)的復(fù)域數(shù)學(xué)模型

3、控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖與信號流圖

4、使用MATLAB表示系統(tǒng)模型第7頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月第三章：線性系統(tǒng)的時域分析方法（12學(xué)時）（一）基本要求：掌握控制系統(tǒng)時域分析的性能指標、系統(tǒng)時域分析和方法、重點掌握二階系統(tǒng)的時域分析方法。（二）課程內(nèi)容：1、線性系統(tǒng)時間響應(yīng)的性能指標2、一階系統(tǒng)的時域分析3、二階系統(tǒng)的時域分析4、線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析5、線性系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差計算6、高階系統(tǒng)的時域分析7、使用MATLAB工具求解時域系統(tǒng)第8頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

第四章：線性系統(tǒng)的根軌跡法（8學(xué)時）（一）基本要求：掌握根軌跡圖的作圖方法和根軌跡與系統(tǒng)性能的關(guān)系。（二）課程內(nèi)容：

1、根軌跡方程

2、根軌跡繪制基本法則

3、廣義根軌跡

4、系統(tǒng)性能分析

5、使用MATLAB繪制根軌跡圖第9頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月第五章：線性系統(tǒng)的頻域分析法（12學(xué)時）（一）基本要求：掌握系統(tǒng)頻域分析法的基本概念、分析計算方法以及頻率穩(wěn)定判據(jù)。重點掌握對數(shù)頻率分析方法。（二）課程內(nèi)容：

1、頻率特性

2、典型環(huán)節(jié)和開環(huán)系統(tǒng)頻率特性

3、奈氏穩(wěn)定判據(jù)

4、穩(wěn)定裕度

5、閉環(huán)頻率特性

6、使用MATLAB分析頻域系統(tǒng)第10頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月第六章：線性系統(tǒng)的校正方法（10學(xué)時）（一）基本要求：了解系統(tǒng)校正的基本思想和幾種常用的工程校正方法。（二）課程內(nèi)容：

1、常用校正裝置及其特性

2、串聯(lián)校正第11頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月第七章：線性離散系統(tǒng)的分析與校正（12學(xué)時）（一）基本要求：掌握線性離散系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論、數(shù)學(xué)模型和分析方法。（二）課程內(nèi)容：

1、基本概念

2、信號的采樣與保持

3、Z變換理論

4、離散系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

5、離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)誤差

6、離散系統(tǒng)的動態(tài)分析第12頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

第八章：非線性控制系統(tǒng)分析（10學(xué)時）（一）基本要求：了解非線性控制系統(tǒng)分析的基本思想和非線性控制系統(tǒng)的常用的二種分析方法：相平面分析方法和描述函數(shù)分析方法。（二）課程內(nèi)容：

1、非線性系統(tǒng)概述

2、常見非線性特性及其對系統(tǒng)運動的影響

3、相平面法

4、描述函數(shù)法第13頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月第九章：線性系統(tǒng)的狀空間分析與綜合（14學(xué)時）（一）基本要求：了解系統(tǒng)狀態(tài)空間的基本概念、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和分析方法重點了解系統(tǒng)的可控性、可觀測性以及狀態(tài)觀測器的內(nèi)容。（二）課程內(nèi)容：

1、線性系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述

2、線性系統(tǒng)的可控性與可觀測性

3、線性定常系統(tǒng)的狀態(tài)反饋與狀態(tài)觀測器

4、穩(wěn)定性分析第14頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

四、學(xué)時分配的建議：總學(xué)時：110學(xué)時其

中：理論學(xué)時：100學(xué)時（含習(xí)題課）

實驗學(xué)時：10學(xué)時教學(xué)安排：上學(xué)期：第一章至第七章，理論學(xué)時70學(xué)時（考試）；實驗學(xué)時10學(xué)時

下學(xué)期：第七章至第九章，理論學(xué)時40學(xué)時（考查）

周學(xué)時：4學(xué)時第15頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月五、推薦教材和參考書目：1、自動控制原理

科學(xué)出版社2、自動控制原理

華中理工大學(xué)出版社3、自動控制原理

清華大學(xué)出版社4、參考教材：現(xiàn)代控制系統(tǒng)（第八版）

高等教育出版社《LinearControlSystemsEngineering》Mon,sDriels

清華大學(xué)出版社第16頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月《自動控制原理》課程考試大綱一、考試大綱的性質(zhì)

《自動控制原理》是自動化專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，也是相關(guān)電氣控制、機電一體化等專業(yè)的選修課，它是報考自動化專業(yè)研究生的考試科目之一。為幫助考生明確考試復(fù)習(xí)范圍和有關(guān)要求，制定本考試大綱。本考試大綱主要根據(jù)襄樊學(xué)院《自動控制原理》教學(xué)大綱編制而成，適用于自動化專業(yè)普通本科的考生。第17頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月二、考試內(nèi)容考查方式：上學(xué)期1－7章學(xué)習(xí)內(nèi)容：考試，筆試、閉卷，時間：120分鐘下學(xué)期學(xué)習(xí)內(nèi)容考查，筆試、開卷，時間：90分鐘；或課程論文。上學(xué)期考試成績?yōu)榻Y(jié)業(yè)考試成績，成績構(gòu)成（百分比）：考試成績：75％，實驗成績：10％，平時成績：10％（包括作業(yè)、提問、測驗等）上課出勤：5％

第18頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月主要題型：（至少五種）1、基本概念2、基本性能指標的計算3、基本圖形4、系統(tǒng)基本分析5、基本設(shè)計第19頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月考試內(nèi)容：第一章：自動控制的一般概念a、自動控制系統(tǒng)概念和基本原理b、自動控制系統(tǒng)分類c、對自動控制系統(tǒng)的要求第二章：數(shù)學(xué)模型、傳遞函數(shù)與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖a、控制系統(tǒng)的時域數(shù)學(xué)模型b、控制系統(tǒng)的復(fù)域數(shù)學(xué)模型c、控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖與信號流圖第20頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

第三章：系統(tǒng)性能指標、二階系統(tǒng)時域分析、系統(tǒng)的穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)誤差a、線性系統(tǒng)時間響應(yīng)的性能指標b、一階系統(tǒng)的時域分析c、二階系統(tǒng)的時域分析d、線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析e、線性系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差計算第四章：線性系統(tǒng)的根軌跡法a、根軌跡繪制基本法則b、系統(tǒng)性能分析第21頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

第五章：對數(shù)頻率特性曲線與系統(tǒng)性能指標a、頻率特性b、典型環(huán)節(jié)和開環(huán)系統(tǒng)頻率特性c、奈氏穩(wěn)定判據(jù)d、穩(wěn)定裕度第六章：串聯(lián)校正a、系統(tǒng)校正的基本概念b、常用校正裝置及其特性c、串聯(lián)校正第22頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

第七章：線性離散控制系統(tǒng)的分析a、基本概念b、信號的采樣與保持c、Z變換理論d、離散系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型e、離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)誤差

第23頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月考查內(nèi)容：1、第八章：非線性控制系統(tǒng)分析，

a相平面分析

b描述函數(shù)分析

c非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析2、第九章：線性系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析

a、狀態(tài)空間的描述

b、線性系統(tǒng)的可控性與可觀測性

c、線性定常系統(tǒng)的反饋結(jié)構(gòu)及狀態(tài)觀測器。第24頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月第一章概論第25頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

現(xiàn)代社會和現(xiàn)代生活離不開對一些物理量的控制，包括實現(xiàn)對這種控制的自動化。例如公共電網(wǎng)上的電壓是50周、220伏的交流電。電壓偏離這些給定值，會引起電器工作的不正常，甚至損壞。為此，在發(fā)電廠就要設(shè)法控制電壓、頻率這兩物理量為恒值，這要采用自動調(diào)壓和自動調(diào)頻裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中，如在化肥廠控制反應(yīng)釜（塔）內(nèi)溫度和壓力為恒值，使化學(xué)反應(yīng)速度加快。在機械加工廠金屬切削機床上，經(jīng)常是控制工件或刀具的轉(zhuǎn)速為恒值，使產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量能提高。什么是自動化？第26頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月而各種現(xiàn)代火炮的俯仰角和方位角都是自動控制的?，F(xiàn)代生活中，空調(diào)器保持室內(nèi)溫度為恒值、衛(wèi)生潔具水箱的水位也保持為恒值。其它如冰箱、洗衣機無不進行一些物理量的控制為恒值，而洗衣機更把洗衣、漂洗和脫水等操作自動按程序進行。保持室內(nèi)溫度為恒值、衛(wèi)生潔具水箱的水位也保持為恒值。其它如冰箱、洗衣機無不進行一些物理量的控制為恒值，而洗衣機更把洗衣、漂洗和脫水等操作自動按程序進行。第27頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月什么是自動化？

(a)手動控制漫畫(b)自動控制

水溫的手動控制和自動控制的示意圖第28頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖中水溫的操作員要用手（通過感覺）來測試水的溫度，并將此溫度與他要求的值（給定值）相比較（通過大腦）。同時他要決定（通過大腦）：他的手應(yīng)該朝哪個方向旋轉(zhuǎn)加溫用的蒸汽閥門和旋轉(zhuǎn)多大的角度。采用自動控制時上述功能都有各種的元件和儀表來代替。例如，溫度測量元件、控制記錄儀表和調(diào)節(jié)閥等。第29頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月防空導(dǎo)彈制導(dǎo)1-目標跟蹤雷達2-導(dǎo)彈導(dǎo)引雷達3-計算機雷達4-導(dǎo)彈發(fā)射架第30頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月各種現(xiàn)代火炮的俯仰角和方位角都是自動控制的，特別用雙雷達控制的防空導(dǎo)彈可以自動跟蹤高空的飛行目標進行命中爆炸。第31頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月自動化技術(shù)的應(yīng)用在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的眾多領(lǐng)域中，自動控制技術(shù)著越來越重要的作用。隨著電子計算機技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，在宇航、機器人控制、導(dǎo)彈制導(dǎo)以及核動力等高新技術(shù)領(lǐng)域中，自動控制技術(shù)更具有特別重要的作用。不僅如此，自動控制技術(shù)的應(yīng)用范圍現(xiàn)已擴展到生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)境、經(jīng)濟管理和其他許多社會生活領(lǐng)域中，自動控制已成為現(xiàn)代社會活動中不可缺少的重要組成部分。第32頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月控制理論在發(fā)展社會生產(chǎn)力中的作用1.軍事、航天領(lǐng)域火炮、雷達、跟蹤系統(tǒng)；人造衛(wèi)星、宇宙飛船。第33頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月工業(yè)生產(chǎn)過程軋鋼過程化工水泥制造造紙第34頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)疫情檢測自動灌概農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量檢測第35頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月自動化技術(shù)發(fā)展簡史人類在長期的生產(chǎn)和生活中，為了減輕自己的勞動強度，逐漸利用自然界的動力，如：風(fēng)力、水力等代替人力和畜力。以及用自動裝置代替人的部分復(fù)雜的腦力活動和對自然界動力的控制。第36頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月一、古代自動裝置公元前14世紀至公元前11世紀，在中國和巴比倫出現(xiàn)了自動計時裝置－－刻漏，為人類研制和使用自動裝置之始。三國時期，使用了自動指示方向的指南車。公元一世紀古埃及和希臘的發(fā)明家創(chuàng)造了教堂廟門的自動開啟和銅祭司自動灑圣水等設(shè)備。中國的天文學(xué)家張衡發(fā)明了對天體運行自動仿真的渾天儀和自動檢測地震的地動儀。第37頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

指南車

指南車是一種馬拉的雙輪獨轅車，車箱上立一個伸臂的木人。車箱內(nèi)裝有能自動離合的齒輪系。當(dāng)車子轉(zhuǎn)彎偏離正南方向時車轅前端就順此方向移動，而后端則向反方向移動，并將傳動齒輪放落，使車輪的傳動帶動木人下的大齒輪向相反方向轉(zhuǎn)動，恰好抵消車子轉(zhuǎn)彎產(chǎn)生的影響（圖2.3）

齒輪系車身木人方向車輛轉(zhuǎn)彎中國古代用來指示方向的一種具有能自動離合的齒輪系裝置的車輛。第38頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月指南車復(fù)原模型第39頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月指南車原理第40頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

銅壺滴漏中國古代的自動計時（測量時間）裝置，又稱刻漏或漏刻。

這種計時裝置最初只有兩個壺，由上壺滴水到下面的受水壺，液面使浮箭升起以示刻度（即時間）（圖2.6之右）。保持上壺的水位恒定是滴漏計時準確的關(guān)鍵。這個問題后來是用互相銜接的多極（3-5極）水壺來解決的。

第41頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)宋朝楊軍的《六經(jīng)圖》（公元1155）轉(zhuǎn)述：蓮華漏（圖2.6之左）由4個壺組成。天地壺、平水壺逐級向平水小壺供水。平水小壺上有溢水口，可使多余的水泄入減水桶以保持水面恒定。在蓮華漏中還采用一個浮子式閥門作為自動切斷閥。當(dāng)受水壺的水位升至滿刻度時，浮子式閥門就會自動阻塞上級平水壺的出水小孔，切斷水滴（見圖2.6上平水壺前的一個小鳥式裝置）。第42頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月銅壺滴漏第43頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月飲酒速度自動調(diào)節(jié)，

計里鼓車

圖2.8飲酒速度自動調(diào)節(jié)

圖2.9、2.10計里鼓車(復(fù)原模型)及原理

第44頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月候風(fēng)地動儀圖圖2.12候風(fēng)地動儀圖(復(fù)原模型)及剖面圖第45頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月水運儀象臺公元1088年，中國蘇頌等人把渾儀（天文觀測儀器）、渾象（天文表演儀器）和自動計時裝置結(jié)合在一起建成了水運儀象臺。

第46頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月水運儀象臺樞輪和天衡裝置示意圖第47頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月公元2世紀，中國東漢的天文學(xué)家張衡創(chuàng)制的一種天文表演儀器。它是一種用漏水推動的水運渾象，和現(xiàn)在的天球儀相似，可以用來實現(xiàn)天體運行的自動仿真。圖2.11張衡水力天文儀器中齒輪系推想圖漏水轉(zhuǎn)渾天儀第48頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月二、近代自動裝置

17世紀以來，在歐洲的一些國家相繼出現(xiàn)了多種自動裝置，如1642年法國物理學(xué)家帕斯卡（Pascal)發(fā)明了加法器。

1657年荷蘭人惠更斯（Huygens）發(fā)明了鐘表。

1765年俄國機械師波爾祖諾夫發(fā)明了鍋爐水位保持恒定的浮子式閥門水位調(diào)節(jié)器。

1788年瓦特（Watt）發(fā)明了離心式調(diào)速器，并把它與蒸汽機的閥門連接起來，構(gòu)成蒸汽機轉(zhuǎn)速的閉環(huán)自動調(diào)速系統(tǒng)，這項發(fā)明對第一次工業(yè)革命和控制理論后來的發(fā)展具有重要的影響。第49頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月自動化技術(shù)形成時期（18世紀末至20世紀30年代）公元1788年J.瓦特將離心式調(diào)速器與蒸汽機的閥門連接起來，構(gòu)成蒸汽機轉(zhuǎn)速的閉環(huán)自動調(diào)速系統(tǒng)（圖2.16）第50頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

對象和調(diào)節(jié)器形成調(diào)節(jié)系統(tǒng)蒸汽源蒸汽機(對象)負荷離心式調(diào)速器(調(diào)節(jié)器)進汽閥轉(zhuǎn)速測量第51頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

18世紀以前，自動控制系統(tǒng)發(fā)展的特點是憑借發(fā)明者的直覺、聰明和經(jīng)驗，往往是就事論事，不同控制系統(tǒng)之間沒有多少聯(lián)系，沒有理論上的指導(dǎo)。

隨著技術(shù)的發(fā)展，控制系統(tǒng)的應(yīng)用增多，人們發(fā)現(xiàn)，不同的控制系統(tǒng)有一些共同的問題要解決，如：系統(tǒng)的穩(wěn)定性、控制精度，過渡過程。因此，需要發(fā)展一門專門的理論來研究自動控制系統(tǒng)的一些共性的問題－－自動控制理論。

1868年，英國人麥克期韋爾（Maxwell）用微分方程建立了一類調(diào)節(jié)器的數(shù)學(xué)模型，將自動控制系統(tǒng)與數(shù)學(xué)聯(lián)系起來。

第52頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月自從數(shù)學(xué)分析方法引入控制系統(tǒng)后，對自動控制系統(tǒng)的研究成為一門嚴謹?shù)目茖W(xué)，極大地推動了自動控制理論和自動控制技術(shù)的發(fā)展。數(shù)學(xué)分析方法的引入，拋開了以前對某一具體的實物進行研究的方法，而是用數(shù)學(xué)語言來描述某一個控制系統(tǒng)，即建立數(shù)學(xué)模型，進而對數(shù)學(xué)模型研究。第53頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

在實際應(yīng)用中，有各種各樣不同的控制系統(tǒng)，如水位、流量、壓力、溫度、轉(zhuǎn)速等。在控制理論中則拋開事物的具體物理含義而進行抽象化，只要它們的數(shù)學(xué)模型相同，我們就可以認為它們具相同的運動規(guī)律，因此自動控制理論具有廣泛的指導(dǎo)意義，是自動化專業(yè)必修的基礎(chǔ)課。

請注意：

在本課中所討論的數(shù)學(xué)模型即是用數(shù)學(xué)語言描述的控制系統(tǒng)，分析這些數(shù)學(xué)模型，就是在進行系統(tǒng)分析。

所以要學(xué)好本課，我們要復(fù)習(xí)好相關(guān)的數(shù)學(xué)知識，特別是微分方程、復(fù)變函數(shù)、積分變換、線性代數(shù)等。第54頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

控制理論及應(yīng)用在當(dāng)時科技發(fā)達的國家，如美國、歐洲的發(fā)展情況與俄羅斯的發(fā)展經(jīng)歷了不同的途徑。在美國Bode（伯德）、Nyquist（奈奎斯特）等采用帶寬等頻域指標來分析控制系統(tǒng)的運動規(guī)律，建立了控制系統(tǒng)的頻域分析法。在俄羅斯的科學(xué)家則傾向于用微分方程來描述控制系統(tǒng)－－時域分析法。第55頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月自動控制技術(shù)發(fā)展時期（20世紀40－50年代）

在第二次世界大戰(zhàn)期間，自動控制理論及應(yīng)用得到了很大的發(fā)展，由于戰(zhàn)爭的需要，用反饋控制方法設(shè)計和建造飛機自動駕駛儀、火炮定位系統(tǒng)、雷達天線控制等軍用系統(tǒng)，這使人們更加關(guān)注對自動控制系統(tǒng)的研究，同時也產(chǎn)生了許多新見解和分析方法。在拉普拉斯（Laplace）變換的基礎(chǔ)上，傳遞函數(shù)（TransferFunction）的概念引入成為重要的分析工具。使頻域分析法在控制領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。在這一時期還發(fā)展了S平面法、根軌跡分析法。此外，勞斯（Rounth）、霍爾維茨（Hurwitz）提出了在S平面上系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù)。奈奎斯特提出了系統(tǒng)頻域穩(wěn)定判據(jù)。第56頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

上述理論上的發(fā)展，形成了完善的經(jīng)典控制理論體系。

1945年美國數(shù)學(xué)家維納（Wiener）出版了《控制論》一書，為控制論奠定的基礎(chǔ)。

1954年中國科學(xué)家錢學(xué)森全面總結(jié)和提高了經(jīng)典控制理論，出版了很有影響的《工程控制論》一書。第57頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月自動控制技術(shù)的普及應(yīng)用（20世紀50年代－－）

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，計算機引入了自動控制領(lǐng)域，為自動控制系統(tǒng)提供了前所未有的運算速度和精度，同時也為多變量控制系統(tǒng)提供了條件，并發(fā)展了離散系統(tǒng)控制理論。人造衛(wèi)星和空間時代的到來，為導(dǎo)彈和空間探測器設(shè)計復(fù)雜、高精度、多變量、多輸入、多輸出的控制系統(tǒng)成為現(xiàn)實的需要。

第58頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月1956年前蘇聯(lián)數(shù)學(xué)家龐特里亞金提出了極大值原理，同年美國數(shù)學(xué)家貝爾曼（Bellman）創(chuàng)立了動態(tài)規(guī)劃為解決最優(yōu)控制問題提供了理論工具。

1960年美國數(shù)學(xué)家卡爾曼（Kalman）引入了狀態(tài)空間法（Statespacemathod），這些新概念和新方法標志著現(xiàn)代控制理論的誕生。

現(xiàn)代控制理論形成后，形成了多個分支：

1、系統(tǒng)辨識：根據(jù)系統(tǒng)輸入、輸出數(shù)據(jù)為系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型的理論和方法。

2、自適應(yīng)控制：能在控制對象數(shù)學(xué)模型變動和系統(tǒng)外界信息不完備的情況下改變反饋控制器的特性，以保持良好的工作品質(zhì)。

3、遙測、遙控、遙感

4、綜合自動化：柔性制造系統(tǒng)（FMS）和無人車間。

5、人工智能、大系統(tǒng)理論等。第59頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月自動防空火力控制系統(tǒng)在第二次世界大戰(zhàn)期間，為了防空火力控制系統(tǒng)和飛機自動導(dǎo)航系統(tǒng)等軍事技術(shù)問題，各國科學(xué)家設(shè)計出各種精密的自動調(diào)節(jié)裝置，開創(chuàng)了防空火力系統(tǒng)和控制這一新的科學(xué)領(lǐng)域（圖2.19和圖2.20）。第60頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月智能化的儀表YS-80及所屬的可編程序智能控制器SLPC

第61頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月國產(chǎn)巨型“銀河Ⅱ”電子數(shù)字計算機

封里彩圖為國產(chǎn)巨型“銀河Ⅲ”電子數(shù)字計算機

第62頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

綜合自動化

20世紀50年代末到60年代初，開始出現(xiàn)電子數(shù)字計算機控制的化工廠，60年代末在制造工業(yè)中出現(xiàn)了許多自動生產(chǎn)線，工業(yè)生產(chǎn)開始由局部自動化向綜合（全盤）自動化方向發(fā)展。70年代出現(xiàn)用專用機床組成的無人工廠，80年代初才出現(xiàn)用柔性制造系統(tǒng)組成的無人工廠（圖2.25和圖2.26）。

無人加工車間

圖2.25第63頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

無人組裝車間第64頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

智能和水下機器人

第65頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月本章重點：1.自動控制概念；2.控制系統(tǒng)的組成和術(shù)語；3.控制系統(tǒng)的基本分類；4.對控制系統(tǒng)的基本要求。第66頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月1、自動控制的概念自動控制，指在無人直接參與的情況下，利用控制裝置（控制器）自動地、有目的地控制機器或生產(chǎn)過程，使被控對象(如位移、速度、溫度，電力系統(tǒng)中電壓、電流、功率等物理量或某些化合物的成分等)，依照預(yù)定的規(guī)律進行運動或變化。這種能對被控制對象的工作狀態(tài)進行控制的系統(tǒng)稱為自動控制系統(tǒng)。它一般由控制器和被控對象組成。第67頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月液位控制系統(tǒng)控制器減速器電動機電位器浮子用水開關(guān)Q2Q1cifSM第68頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月液位控制系統(tǒng)工作原理

經(jīng)過適當(dāng)?shù)恼{(diào)試，使電位器的活動臂位于中間位置時，電動機的輸入電壓為0伏，電動機停止轉(zhuǎn)動，當(dāng)控制閥門保持一定的開啟度，使水箱中的進水量Q1與出水量Q2相等，從而使水位保持在希望的高度上。

當(dāng)流入水量或流出水量發(fā)生變化，水箱中液位也會發(fā)生變化，通過浮子帶動電位器的滑臂移動，改變電動機的輸入電壓，使電動機正向或反向轉(zhuǎn)動。

如當(dāng)液面上升時，浮子升高，帶動電位器的滑臂位置從中間點往下移，給電動機提供一個負值電壓，使電動機反轉(zhuǎn)，通過減速器減小閥門的開啟度，使進水量Q1小于出水量Q2，從而使水位下降，浮子也隨之下降，直到電位器的滑臂回到中間點的位置。系統(tǒng)重新處于平衡狀態(tài)，液面恢復(fù)給定的高度。

反之，若水箱的液位下降，則系統(tǒng)會自動增大閥門的開啟度，加大進水量，使液位上升到給定的高度。第69頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月2、控制系統(tǒng)的組成和術(shù)語：1.為達到某一目的，由相互制約、相互聯(lián)系的各個部件按照一定規(guī)律構(gòu)成且具有獨立功能的整體稱為系統(tǒng)。2.自動控制系統(tǒng)是由被控對象和控制器按照一定方式連接起來，能完成一定自動控制任務(wù)的總體。第70頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

3.自動控制系統(tǒng)的系統(tǒng)輸出量稱為被控制量。

4.輸入量：

給定輸入（或稱參考輸入、希望值等）：指對系統(tǒng)輸出量的要求值。

擾動輸入：指對系統(tǒng)輸出量有不利影響的輸入量。如，液位控制系統(tǒng)中：被控對象：閥門被控量：液位執(zhí)行元件：減速器控制器：電動機給定元件：電位器第71頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月反饋控制系統(tǒng)

5.反饋：將檢測出來的輸出量送回到系統(tǒng)的輸入端，并與輸入信號相比較，產(chǎn)生偏差的過程稱為反饋。若反饋信號與輸入信號相減，則稱為負反饋；反之，若二信號相加，則稱為正反饋。第72頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月6、開環(huán)控制系統(tǒng)

輸出量對輸入量沒有影響的系統(tǒng)叫開環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)比較簡單，給定的一個輸入，便有一個相應(yīng)輸出，但輸出量不可能有準確的數(shù)值，尤其是當(dāng)系統(tǒng)有外界擾動時，變化更大。開環(huán)控制精度不高的重要原因是：沒有根據(jù)系統(tǒng)的實際輸出修正輸入值。第73頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月7、閉環(huán)控制系統(tǒng)輸出量對輸入量有影響的系統(tǒng)叫閉環(huán)控制系統(tǒng)。自動控制理論中研究的系統(tǒng)都是閉環(huán)控制系統(tǒng)。第74頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月8、反饋控制系統(tǒng)的基本組成一個控制系統(tǒng)是由各種功能不同的部件組成，主要有：1.測量元件：其職能是檢測被控制的物理量，溫度控制系統(tǒng)中：溫度傳感器；壓力控制系統(tǒng)中：壓力傳感器；速度控制系統(tǒng)中：速度傳感器等。2.給定元件：給出與期望被控量相對應(yīng)的系統(tǒng)輸入量，如：電位器。3.比較元件：求出給定值與反饋值之間的偏差。4.放大元件：由放大器組成的放大電路，可用晶體管、集成電路、晶閘管等組成。5.執(zhí)行元件：直接推動被控對象。如液位控制系統(tǒng)中的閥門；速度控制系統(tǒng)中的功率放大器；溫度控制系統(tǒng)中的發(fā)熱材料。6.校正元件或稱為補償元件，用以改善系統(tǒng)的性能。第75頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月9、方框圖

R歐姆定律：U＝RIIU

控制系統(tǒng)多種多樣，控制原理不討論具體的實物系統(tǒng)，而是將控制系統(tǒng)的共同規(guī)律抽象出來進行研究。為了方便起見，常用方框圖來表示一個控制系統(tǒng)。用方框表示被控對象和各元件功能，系統(tǒng)中的物理量如：電壓、電流、溫度、壓力、速度等用帶箭頭的直線表示。如圖所示：進入方框的箭頭表示輸入量，離開方框的箭頭表示輸出量。

用方框中的函數(shù)關(guān)系表示輸入－輸出關(guān)系第76頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

在方框圖中信號從輸入端沿箭頭方向到達輸出端的傳輸通道稱為前向通路。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。在主回路內(nèi)還可以有局部反饋通路和由它們構(gòu)成的內(nèi)回路。只包含一個主反饋通路的系統(tǒng)稱單回路系統(tǒng)。有兩個或兩個以上反饋通路的系統(tǒng)稱為多回路系統(tǒng)。第77頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月10、輸入作用、擾動作用作用到反饋控制系統(tǒng)上的外界作用有兩種，一種是有用輸入；一種是擾動。

輸入作用決定系統(tǒng)被控量的變化規(guī)律，是系統(tǒng)運行的控制量。

擾動作用是系統(tǒng)不希望的外作用，它破壞輸入作用對系統(tǒng)的控制。擾動的種類很多，在實際系統(tǒng)中，擾動總是不可避免的，如：電源電壓的波動；環(huán)境溫度、壓力的變化、飛行中氣流的變化。航海中的波浪、半導(dǎo)體器件的零漂等。反饋系統(tǒng)的作用之一就是要使擾動對系統(tǒng)的影響減小到最低。第78頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月參考輸入r：輸入到控制系統(tǒng)的指令信號；

主反饋b：與輸出成正比或成某種函數(shù)關(guān)系，但量綱與參考輸入相同的信號；

偏差e：參考輸入與主反饋之差的信號，偏差有時也稱為誤差；

控制環(huán)節(jié)Gc：接受偏差信號，通過轉(zhuǎn)換與運算，產(chǎn)生控制量；

控制量u：控制環(huán)節(jié)的輸出，作用于被控對象的信號；

擾動n：不希望的、影響輸出的信號；

被控對象Go：它接受控制量并輸出被控制量；

輸出c：系統(tǒng)被控制量；

反饋環(huán)節(jié)H：將輸出轉(zhuǎn)換為主反饋信號的裝置；

比較環(huán)節(jié)：相當(dāng)于偏差檢測器，它的輸出量等于兩輸出量的代數(shù)和。箭頭上

的符號表示輸入在此相加或相減。

第79頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月11、控制系統(tǒng)的分類控制系統(tǒng)分類的方法有很多種，本書將系統(tǒng)分為：一、線性連續(xù)控制系統(tǒng)：當(dāng)組成系統(tǒng)的各元件的輸入/輸出關(guān)系特性是線性特性，系統(tǒng)的狀態(tài)和性能可以用線性微分方程或線性差分方程來描述時，則稱這種系統(tǒng)為線性系統(tǒng)。線性系統(tǒng)的特點：可以運用疊加原理。第80頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月線性連續(xù)控制系統(tǒng)的一般表達式第81頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

上式中：

c(t)是被控量（輸出量）

r(t)是輸入量

a0、a1、a2…an；b0、b1、b2…bm是系數(shù)

當(dāng)系數(shù)為常數(shù)時，稱為線性定常系統(tǒng)；

當(dāng)系數(shù)隨時間變化時，稱為時變系統(tǒng)?！?/p>

第82頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月二線性定常離散控制系統(tǒng)離散控制系統(tǒng)是指系統(tǒng)的某處或多處的信號為脈沖序列或者說系統(tǒng)的某處或多處的信號不是時間的連續(xù)函數(shù)。如計算機控制系統(tǒng)，控制信號是數(shù)字脈沖量。離散系統(tǒng)要用差分方程描述

a0c(k+n)+a1c(k+n-1)+…+an-1c(k+1)+anc(k)=b0r(k+m)+b1r(k+m-1)+…+bm-1r(k+1)+bmr(k)式中：

a0、a1…an；b0、b1、bm是系數(shù)，n為差分方程的次數(shù)r(k)、c(k)分別為輸入和輸出采樣序列第83頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月三、非線性控制系統(tǒng)

系統(tǒng)中只要有一個元件的輸入－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)。非線性系統(tǒng)用非線性微分方程或非線性差分方程描述。

非線性系統(tǒng)不滿足疊加原理，第84頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月典型非線性環(huán)節(jié)輸入輸出特性1.死區(qū)特性死區(qū)非線性特性的數(shù)學(xué)表達式為第85頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月2.飽和特性飽和非線性特性的數(shù)學(xué)表達式第86頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月3.繼電器特性a)c)b)d)理想繼電器有死區(qū)的繼電器有回環(huán)的繼電器有死區(qū)和回環(huán)的繼電器第87頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月4.間隙特性圖為磁滯回路的輸入、輸出特性，它的數(shù)學(xué)表達式為第88頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

從嚴格的意義上講，實際上不存在絕對的線性系統(tǒng)，各種物理系統(tǒng)都含有程度不同的非線性元件，如：放大器的死區(qū)、飽和特性，鐵磁元件的磁滯特性，運動部件的間隙、摩擦等。

對于非線性系統(tǒng)，在數(shù)學(xué)上處理較困難，目前尚無統(tǒng)一的方法來研究不同形式的非線性系統(tǒng)。

在實際研究中，對于非線性程度不太嚴重的元件，可一定范圍內(nèi)作線性化處理，將非線性問題轉(zhuǎn)化成線性問題。

如：三極管放大電路分析所用的小信號分析法。

第89頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月12.對自動控制控制系統(tǒng)的基本要求：(1)穩(wěn)定性：穩(wěn)定性是對控制系統(tǒng)最基本的要求。所謂系統(tǒng)穩(wěn)定，一般指當(dāng)系統(tǒng)受到擾動作用后，系統(tǒng)的被控制量偏離了原來的平衡狀態(tài)，但當(dāng)擾動撤離后，經(jīng)過若干時間，系統(tǒng)若仍能返回到原來的平衡狀態(tài)，則稱系統(tǒng)是穩(wěn)定的。(2)準確性：給定穩(wěn)態(tài)誤差和擾動穩(wěn)態(tài)誤差越小，表示穩(wěn)態(tài)精度也越高。(3)快速性：控制系統(tǒng)不僅要穩(wěn)定和并有較高的精度，而且還要求系統(tǒng)的響應(yīng)具有一定的快速性，對于某些系統(tǒng)來說，這是一個十分重要的性能指標。有關(guān)系統(tǒng)響應(yīng)速度定量的性能指標，一般可以用上升時間﹑調(diào)整時間和峰值時間來表示。第90頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月13、對自動控制系統(tǒng)的基本要求系統(tǒng)的響應(yīng)與信號形式有關(guān)，輸入信號不同，系統(tǒng)的響應(yīng)不同。為了便于用統(tǒng)一的方法研究和比較控制系統(tǒng)的性能，常選用幾種典型的輸入作用。第91頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月1.階躍信號（StepFunction）