自動(dòng)控制原理PPT

1、 2. 引引 言言 自動(dòng)控制學(xué)科由自動(dòng)控制技術(shù)和自動(dòng)控自動(dòng)控制學(xué)科由自動(dòng)控制技術(shù)和自動(dòng)控 制理論兩部分組成。制理論兩部分組成。 什么是自動(dòng)控制什么是自動(dòng)控制? ? 無(wú)須人的直接參與，通過(guò)控制裝置，使無(wú)須人的直接參與，通過(guò)控制裝置，使 機(jī)器、設(shè)備、生產(chǎn)過(guò)程等按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)機(jī)器、設(shè)備、生產(chǎn)過(guò)程等按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn) 行，完成要求的任務(wù)，就叫自動(dòng)控制。行，完成要求的任務(wù)，就叫自動(dòng)控制。 近幾十年來(lái)，自動(dòng)控制技術(shù)正在迅猛的近幾十年來(lái)，自動(dòng)控制技術(shù)正在迅猛的 發(fā)展，并在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、國(guó)防建發(fā)展，并在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、國(guó)防建 設(shè)和航空航天事業(yè)等領(lǐng)域中獲得廣泛應(yīng)用設(shè)和航空航天事業(yè)等領(lǐng)域中獲得廣泛應(yīng)

2、用。 比如：人造地球衛(wèi)星的比如：人造地球衛(wèi)星的 發(fā)射成功與安全返回。發(fā)射成功與安全返回。 導(dǎo)彈的準(zhǔn)確擊中目標(biāo)，導(dǎo)彈的準(zhǔn)確擊中目標(biāo)， 雷達(dá)系統(tǒng)的準(zhǔn)確跟蹤目標(biāo)；雷達(dá)系統(tǒng)的準(zhǔn)確跟蹤目標(biāo)； 交通系統(tǒng)：交通系統(tǒng)： 安全、快捷、舒適、準(zhǔn)點(diǎn)安全、快捷、舒適、準(zhǔn)點(diǎn) 鋼鐵生產(chǎn)鋼鐵生產(chǎn) 制造系統(tǒng)：制造系統(tǒng)： 數(shù)控機(jī)床數(shù)控機(jī)床 加工生產(chǎn)線(xiàn)加工生產(chǎn)線(xiàn) 自動(dòng)碼垛機(jī)器人自動(dòng)碼垛機(jī)器人 自動(dòng)包裝機(jī)器人自動(dòng)包裝機(jī)器人 家用電器：家用電器： 電扇：電扇：控制轉(zhuǎn)速控制轉(zhuǎn)速 電冰箱、空調(diào)、電飯煲：電冰箱、空調(diào)、電飯煲：控制溫度控制溫度 洗衣機(jī)：洗衣機(jī)：控制水位、強(qiáng)弱、時(shí)間等控制水位、強(qiáng)弱、時(shí)間等 智能建筑：智能建筑： 通信通信 電

3、梯電梯 供水供水 通風(fēng)通風(fēng) 空調(diào)空調(diào) 安防安防 抄表抄表 工業(yè)機(jī)器人：工業(yè)機(jī)器人： 拉提琴拉提琴 靈巧手靈巧手排排 爆爆步行步行 吹笛吹笛 足球比賽足球比賽 其他機(jī)器人：其他機(jī)器人： 自動(dòng)控制的應(yīng)用領(lǐng)域自動(dòng)控制的應(yīng)用領(lǐng)域 軍事工業(yè)軍事工業(yè) 航空航天航空航天 制造業(yè)制造業(yè) 機(jī)器人機(jī)器人 流程工業(yè)流程工業(yè) 電子工業(yè)電子工業(yè) 家用電器家用電器 交通系統(tǒng)，樓宇系統(tǒng)，經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)，社會(huì)系統(tǒng)交通系統(tǒng)，樓宇系統(tǒng)，經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)，社會(huì)系統(tǒng) 隨著生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)控制技術(shù)可隨著生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)控制技術(shù)可 以說(shuō)已滲透到各種學(xué)科領(lǐng)域，成為促進(jìn)當(dāng)代生產(chǎn)發(fā)以說(shuō)已滲透到各種學(xué)科領(lǐng)域，成為促進(jìn)當(dāng)代生產(chǎn)發(fā) 展和科學(xué)技

4、術(shù)進(jìn)步的重要因素。展和科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的重要因素。 事實(shí)上，任何技事實(shí)上，任何技 術(shù)設(shè)備、工作機(jī)械術(shù)設(shè)備、工作機(jī)械 或生產(chǎn)過(guò)程都必須或生產(chǎn)過(guò)程都必須 按要求運(yùn)行。例如：按要求運(yùn)行。例如： 要使火炮能自動(dòng)跟要使火炮能自動(dòng)跟 蹤并命中飛行目標(biāo)，蹤并命中飛行目標(biāo)， 炮身就必須按照指炮身就必須按照指 揮儀的命令而作方揮儀的命令而作方 位角和俯仰角的變位角和俯仰角的變 動(dòng)；動(dòng)； 要把數(shù)噸重人造衛(wèi)星送入數(shù)百公里要把數(shù)噸重人造衛(wèi)星送入數(shù)百公里高空的軌道，高空的軌道， 使其所攜帶的各種儀器能長(zhǎng)期使用、準(zhǔn)確地工作，使其所攜帶的各種儀器能長(zhǎng)期使用、準(zhǔn)確地工作， 就必須保持衛(wèi)星的正確姿態(tài)，使它的太陽(yáng)能電池一就必須保持衛(wèi)

5、星的正確姿態(tài)，使它的太陽(yáng)能電池一 直朝向太陽(yáng)，無(wú)線(xiàn)電發(fā)射天線(xiàn)一直指向地球；直朝向太陽(yáng)，無(wú)線(xiàn)電發(fā)射天線(xiàn)一直指向地球； 要使數(shù)控機(jī)床能加工出高要使數(shù)控機(jī)床能加工出高 精度的工件，就必須保證精度的工件，就必須保證 其工作臺(tái)或刀架的進(jìn)給量其工作臺(tái)或刀架的進(jìn)給量 準(zhǔn)確地按照程序指令的設(shè)準(zhǔn)確地按照程序指令的設(shè) 定值變化；定值變化； 要想使輪船安全順利要想使輪船安全順利 的航行，就必須按照的航行，就必須按照 領(lǐng)航員的命令改變尾領(lǐng)航員的命令改變尾 舵的方向；舵的方向； 所有這一切都是以高水平的自動(dòng)控制技術(shù)為前提的。所有這一切都是以高水平的自動(dòng)控制技術(shù)為前提的。 要使煉鋼爐提供優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品，就必須嚴(yán)格控制爐要使煉

6、鋼爐提供優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品，就必須嚴(yán)格控制爐 溫溫等等。等等。 隨著自動(dòng)控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用和迅猛發(fā)展，出隨著自動(dòng)控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用和迅猛發(fā)展，出 現(xiàn)了許多新問(wèn)題，這些問(wèn)題要求從理論上加以解決?，F(xiàn)了許多新問(wèn)題，這些問(wèn)題要求從理論上加以解決。 自動(dòng)控制理論正是在解決這些實(shí)際技術(shù)問(wèn)題的過(guò)程自動(dòng)控制理論正是在解決這些實(shí)際技術(shù)問(wèn)題的過(guò)程 中逐步形成和發(fā)展起來(lái)的，它是研究自動(dòng)控制技術(shù)中逐步形成和發(fā)展起來(lái)的，它是研究自動(dòng)控制技術(shù) 的基礎(chǔ)理論，是研究自動(dòng)控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)。的基礎(chǔ)理論，是研究自動(dòng)控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)。 按其發(fā)展的不同階段，可把自動(dòng)控制理論分為按其發(fā)展的不同階段，可把自動(dòng)控制理論分為經(jīng)典經(jīng)典 控制

7、理論控制理論和和現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論兩大部分。兩大部分。 經(jīng)典控制理論也就是自動(dòng)控制原理，是經(jīng)典控制理論也就是自動(dòng)控制原理，是2020世紀(jì)世紀(jì) 4040年代到年代到5050年代形成的一門(mén)獨(dú)立學(xué)科年代形成的一門(mén)獨(dú)立學(xué)科。早期的。早期的控制控制 自動(dòng)控制理論的發(fā)展概況自動(dòng)控制理論的發(fā)展概況 系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單，只要列出微分方程并求解之，就可系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單，只要列出微分方程并求解之，就可 以用時(shí)域法分析他們的性能。第二次世界大戰(zhàn)前后，以用時(shí)域法分析他們的性能。第二次世界大戰(zhàn)前后， 由于生產(chǎn)和軍事的需要，各國(guó)均在大力研制新型武由于生產(chǎn)和軍事的需要，各國(guó)均在大力研制新型武 器，于是出現(xiàn)了較復(fù)雜的控制系統(tǒng)，這

8、些控制系統(tǒng)器，于是出現(xiàn)了較復(fù)雜的控制系統(tǒng)，這些控制系統(tǒng) 通常是用高階微分方程來(lái)描述的。由于高階微分方通常是用高階微分方程來(lái)描述的。由于高階微分方 程求解的困難，各種控制系統(tǒng)的理論研究和分析方程求解的困難，各種控制系統(tǒng)的理論研究和分析方 法就應(yīng)運(yùn)而生。法就應(yīng)運(yùn)而生。19321932年奈奎斯特（年奈奎斯特（h.nyquisth.nyquist）在在 研究負(fù)反饋放大器時(shí)創(chuàng)立了有名的穩(wěn)定性判據(jù)，并研究負(fù)反饋放大器時(shí)創(chuàng)立了有名的穩(wěn)定性判據(jù)，并 提出了穩(wěn)定裕量的概念。提出了穩(wěn)定裕量的概念。 在此基礎(chǔ)上，在此基礎(chǔ)上，19451945年伯德（年伯德（h.w.bodeh.w.bode）提出提出 了分析控制系統(tǒng)的

9、一種圖解方法即頻率法，致使研了分析控制系統(tǒng)的一種圖解方法即頻率法，致使研 究控制系統(tǒng)的方法由初期的時(shí)域分析轉(zhuǎn)到頻域分析。究控制系統(tǒng)的方法由初期的時(shí)域分析轉(zhuǎn)到頻域分析。 隨后，隨后，19481948年伊文斯（年伊文斯（w.r.evansw.r.evans）又創(chuàng)立了另又創(chuàng)立了另 一種圖解法即有名的根軌跡法。追溯到一種圖解法即有名的根軌跡法。追溯到18771877年，勞年，勞 斯（斯（e.routhe.routh）和）和18951895年赫爾維茨（年赫爾維茨（a.hurwitza.hurwitz） 分別獨(dú)立地提出了關(guān)于判斷控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的代數(shù)分別獨(dú)立地提出了關(guān)于判斷控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的代數(shù) 判據(jù)。這些都

10、是經(jīng)典控制理論的重要組成部分。判據(jù)。這些都是經(jīng)典控制理論的重要組成部分。5050 年代中期，年代中期，經(jīng)典控制理論又添加了非線(xiàn)性系統(tǒng)理論經(jīng)典控制理論又添加了非線(xiàn)性系統(tǒng)理論 和離散控制理論，從而形成了完整的理論體系。和離散控制理論，從而形成了完整的理論體系。 4050年代年代 經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論 （頻域法或復(fù)頻域法）（頻域法或復(fù)頻域法） 核心：傳遞函數(shù)，穩(wěn)定性、穩(wěn)定裕度等核心：傳遞函數(shù)，穩(wěn)定性、穩(wěn)定裕度等 特點(diǎn)：圖形方法，直觀(guān)簡(jiǎn)便，設(shè)置參數(shù)少，特點(diǎn)：圖形方法，直觀(guān)簡(jiǎn)便，設(shè)置參數(shù)少， （以簡(jiǎn)單控制結(jié)構(gòu)獲取相對(duì)滿(mǎn)意的性能）（以簡(jiǎn)單控制結(jié)構(gòu)獲取相對(duì)滿(mǎn)意的性能） 適用范圍：?jiǎn)屋斎雴屋敵觯ㄟm用范圍：

11、單輸入單輸出（siso）系統(tǒng)）系統(tǒng) 數(shù)學(xué)基礎(chǔ)：復(fù)變函數(shù)，積分變換數(shù)學(xué)基礎(chǔ)：復(fù)變函數(shù)，積分變換 siso: single input and single output 5050年代開(kāi)始，年代開(kāi)始，由于空間技術(shù)的發(fā)展，各種高速、由于空間技術(shù)的發(fā)展，各種高速、 高性能的飛行器相繼出現(xiàn)，要求高精度地處理多變高性能的飛行器相繼出現(xiàn)，要求高精度地處理多變 量、非線(xiàn)性、時(shí)變和自適應(yīng)等控制問(wèn)題，量、非線(xiàn)性、時(shí)變和自適應(yīng)等控制問(wèn)題，6060年代初年代初 又形成了現(xiàn)代控制理論?，F(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)是：又形成了現(xiàn)代控制理論?，F(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)是： 19561956年龐特里亞金年龐特里亞金提出了極大值原理，提出了極大

12、值原理，19571957年貝年貝 爾曼（爾曼（r.bellmanr.bellman）提出了動(dòng)態(tài)規(guī)劃，提出了動(dòng)態(tài)規(guī)劃，19601960年卡爾年卡爾 曼（曼（r.e.kalmanr.e.kalman）提出了最優(yōu)濾波理論以及狀態(tài)提出了最優(yōu)濾波理論以及狀態(tài) 空間方法的應(yīng)用。從空間方法的應(yīng)用。從6060年代至今年代至今4040多年來(lái)，現(xiàn)代控多年來(lái)，現(xiàn)代控 制理論又有巨大的發(fā)展，并形成了若干學(xué)科分支，制理論又有巨大的發(fā)展，并形成了若干學(xué)科分支， 如線(xiàn)性控制理論、最優(yōu)控制理論、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)辨識(shí)、如線(xiàn)性控制理論、最優(yōu)控制理論、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)辨識(shí)、 自適應(yīng)控制、大系統(tǒng)理論等。自適應(yīng)控制、大系統(tǒng)理論等。 60 70年代年代

13、 現(xiàn)代控制理論（狀態(tài)空間法）現(xiàn)代控制理論（狀態(tài)空間法） 核心：狀態(tài)變量的能控、能觀(guān)性，核心：狀態(tài)變量的能控、能觀(guān)性， 系統(tǒng)性能的最優(yōu)化系統(tǒng)性能的最優(yōu)化 特點(diǎn)：時(shí)域法，統(tǒng)一處理特點(diǎn)：時(shí)域法，統(tǒng)一處理siso、mimo系統(tǒng)，系統(tǒng)， 有完整的理論體系有完整的理論體系 數(shù)學(xué)基礎(chǔ)：線(xiàn)性代數(shù)，矩陣?yán)碚摂?shù)學(xué)基礎(chǔ)：線(xiàn)性代數(shù)，矩陣?yán)碚?缺點(diǎn)：對(duì)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型精度要求高，缺點(diǎn)：對(duì)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型精度要求高， 實(shí)際性能達(dá)不到設(shè)計(jì)的最優(yōu)，實(shí)際性能達(dá)不到設(shè)計(jì)的最優(yōu)， 所需狀態(tài)反饋難以直接實(shí)現(xiàn)所需狀態(tài)反饋難以直接實(shí)現(xiàn) mimo: multi-input and multi-output 70年代年代現(xiàn)在現(xiàn)在 多種新型控制理

14、論多種新型控制理論 經(jīng)典經(jīng)典sisomimo； 基于互質(zhì)分解的全新的頻域優(yōu)化理論基于互質(zhì)分解的全新的頻域優(yōu)化理論 魯棒性（魯棒性（robustness）：）：系統(tǒng)存在模型誤差或系統(tǒng)存在模型誤差或 受到擾動(dòng)時(shí)仍能保持良好性能的能力受到擾動(dòng)時(shí)仍能保持良好性能的能力 魯棒控制：魯棒控制：使系統(tǒng)具有良好魯棒性的控制使系統(tǒng)具有良好魯棒性的控制 70年代年代現(xiàn)在現(xiàn)在 多種新型控制理論多種新型控制理論 控制系統(tǒng)具有擬人智能（學(xué)習(xí)、記憶、判斷、推控制系統(tǒng)具有擬人智能（學(xué)習(xí)、記憶、判斷、推 理等）理等） 被控系統(tǒng)具有高維數(shù)、強(qiáng)關(guān)聯(lián)、多約束、多目標(biāo)、被控系統(tǒng)具有高維數(shù)、強(qiáng)關(guān)聯(lián)、多約束、多目標(biāo)、 不確定性、分散性、

15、非線(xiàn)性、大時(shí)滯、難建模等不確定性、分散性、非線(xiàn)性、大時(shí)滯、難建模等 特征，如電力系統(tǒng)、城市交通系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、特征，如電力系統(tǒng)、城市交通系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、 制造系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)等制造系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)等 自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用，推動(dòng)了控制理論的發(fā)展；而自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用，推動(dòng)了控制理論的發(fā)展；而 自動(dòng)控制理論的發(fā)展，又指導(dǎo)了控制技術(shù)的應(yīng)用，自動(dòng)控制理論的發(fā)展，又指導(dǎo)了控制技術(shù)的應(yīng)用， 使其進(jìn)一步完善。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)控制使其進(jìn)一步完善。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)控制 技術(shù)及理論已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于機(jī)械、冶金、石油、技術(shù)及理論已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于機(jī)械、冶金、石油、 化工、電子、電力、航空、航海、航天、核反應(yīng)等

16、化工、電子、電力、航空、航海、航天、核反應(yīng)等 各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。近年來(lái)，控制科學(xué)的應(yīng)用范圍還擴(kuò)各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。近年來(lái)，控制科學(xué)的應(yīng)用范圍還擴(kuò) 展到生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)管理和其他許多社會(huì)展到生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)管理和其他許多社會(huì) 生活領(lǐng)域，并為各學(xué)科之間的相互滲透起了促進(jìn)作生活領(lǐng)域，并為各學(xué)科之間的相互滲透起了促進(jìn)作 用。可以毫不夸張地說(shuō)，自動(dòng)控制技術(shù)和理論已經(jīng)用?？梢院敛豢鋸埖卣f(shuō)，自動(dòng)控制技術(shù)和理論已經(jīng) 成為現(xiàn)代化社會(huì)不可缺少的組成部分。成為現(xiàn)代化社會(huì)不可缺少的組成部分。 自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用，不僅使生產(chǎn)過(guò)程實(shí)自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用，不僅使生產(chǎn)過(guò)程實(shí) 現(xiàn)自動(dòng)化，從而提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率和生現(xiàn)自動(dòng)化，從而提

17、高了勞動(dòng)生產(chǎn)率和生 活質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，活質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益， 改善勞動(dòng)條件，而且在人類(lèi)征服大自然、改善勞動(dòng)條件，而且在人類(lèi)征服大自然、 探索新能源、發(fā)展空間技術(shù)和創(chuàng)造人類(lèi)探索新能源、發(fā)展空間技術(shù)和創(chuàng)造人類(lèi) 文明等方面都具有十分重要的意義。作文明等方面都具有十分重要的意義。作 為現(xiàn)代的工程技術(shù)人員和科學(xué)工作者，為現(xiàn)代的工程技術(shù)人員和科學(xué)工作者， 都必須具備一定的自動(dòng)控制理論基礎(chǔ)知都必須具備一定的自動(dòng)控制理論基礎(chǔ)知 識(shí)。識(shí)。 本課程的體系結(jié)構(gòu)本課程的體系結(jié)構(gòu) 內(nèi)容：經(jīng)典控制理論內(nèi)容：經(jīng)典控制理論 建模、分析、綜合建模、分析、綜合 范圍：線(xiàn)性定常范圍：線(xiàn)性定常siso

18、系統(tǒng)系統(tǒng) （包括連續(xù)與離散）與非線(xiàn)性系統(tǒng)包括連續(xù)與離散）與非線(xiàn)性系統(tǒng) 重點(diǎn)：基本概念、基本理論、基本方法重點(diǎn)：基本概念、基本理論、基本方法 高等數(shù)學(xué)高等數(shù)學(xué)微分方程、拉氏變換、富微分方程、拉氏變換、富 氏變換及復(fù)變函數(shù)等氏變換及復(fù)變函數(shù)等 電電 路路電路理論及運(yùn)算方法、暫電路理論及運(yùn)算方法、暫 態(tài)過(guò)程分析態(tài)過(guò)程分析 電子技術(shù)電子技術(shù)運(yùn)算放大器元件及參數(shù)運(yùn)算放大器元件及參數(shù) 計(jì)算計(jì)算 電電 機(jī)機(jī)工作原理及機(jī)械特性工作原理及機(jī)械特性 基 本 要 求 通過(guò)學(xué)習(xí)本課程，獲得自動(dòng)控制通過(guò)學(xué)習(xí)本課程，獲得自動(dòng)控制 系統(tǒng)的基本概念和基本理論；掌握分系統(tǒng)的基本概念和基本理論；掌握分 析自動(dòng)控制系統(tǒng)或過(guò)程控制系

19、統(tǒng)的基析自動(dòng)控制系統(tǒng)或過(guò)程控制系統(tǒng)的基 本方法。本方法。 自動(dòng)控制理論 經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論 非線(xiàn)性控制系統(tǒng)非線(xiàn)性控制系統(tǒng) 第第 二二 章章 第第 三三 章章 第第 四四 章章 第第 五五 章章 第第 六六 章章 第第 七七 章章 第第 八八 章章 線(xiàn)性控制系統(tǒng)線(xiàn)性控制系統(tǒng) 連續(xù)控制系統(tǒng)連續(xù)控制系統(tǒng)離散控制系統(tǒng)離散控制系統(tǒng) 32 第一章第一章 自動(dòng)控制概論自動(dòng)控制概論 1. 1 引言引言 1. 2 自動(dòng)控制的基本原理自動(dòng)控制的基本原理 1. 3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(lèi)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(lèi) 1. 4 自動(dòng)控制理論概要自動(dòng)控制理論概要 33 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 1.自動(dòng)控制的基

20、本原理自動(dòng)控制的基本原理 2.概念：自動(dòng)控制、受控對(duì)象、控制器、被控量等概念：自動(dòng)控制、受控對(duì)象、控制器、被控量等 3.自動(dòng)控制的基本方式和自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(lèi)自動(dòng)控制的基本方式和自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(lèi) 4.掌握根據(jù)系統(tǒng)原理圖畫(huà)方框圖的方法掌握根據(jù)系統(tǒng)原理圖畫(huà)方框圖的方法 5.對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求 6.典型輸入信號(hào)典型輸入信號(hào) 34 重重 點(diǎn)點(diǎn) 與與 難難 點(diǎn)點(diǎn) 1、自動(dòng)控制的基本原理與基本方式、自動(dòng)控制的基本原理與基本方式 2、根據(jù)系統(tǒng)原理圖畫(huà)方框圖的方法、根據(jù)系統(tǒng)原理圖畫(huà)方框圖的方法 根據(jù)系統(tǒng)原理圖畫(huà)方框圖的方法根據(jù)系統(tǒng)原理圖畫(huà)方框圖的方法 難難 點(diǎn)點(diǎn) 重重 點(diǎn)點(diǎn) 35 1.

21、2.1 自動(dòng)控制的基本概念自動(dòng)控制的基本概念 1、人工控制：、人工控制： 控制系統(tǒng)可以由人工控制，也可以采用自動(dòng)控制?？刂葡到y(tǒng)可以由人工控制，也可以采用自動(dòng)控制。 進(jìn)進(jìn)水水 水水 池池 要要求求水水位位 實(shí)實(shí)際際 水水位位 出出水水 圖圖11 水位人工控制原理圖水位人工控制原理圖 如圖如圖11 所示，所示， 水水 位保持系統(tǒng)。位保持系統(tǒng)。 1. 2 自動(dòng)控制的基本原理自動(dòng)控制的基本原理 第一章第一章 自動(dòng)控制概論自動(dòng)控制概論 36 若要求在出水量隨意的條件下，保持水位高若要求在出水量隨意的條件下，保持水位高 度不變：操作人員需先測(cè)實(shí)際水位，并在腦度不變：操作人員需先測(cè)實(shí)際水位，并在腦 子中與要

22、求的水位進(jìn)行比較。若低于要求的子中與要求的水位進(jìn)行比較。若低于要求的 水位，則需開(kāi)大進(jìn)水閥門(mén)。否則應(yīng)關(guān)小進(jìn)水水位，則需開(kāi)大進(jìn)水閥門(mén)。否則應(yīng)關(guān)小進(jìn)水 閥門(mén)。若兩者正好相等，則進(jìn)水閥門(mén)不動(dòng)。閥門(mén)。若兩者正好相等，則進(jìn)水閥門(mén)不動(dòng)。 人工控制（續(xù)）人工控制（續(xù)） 第一章第一章 自動(dòng)控制概論自動(dòng)控制概論 37 根據(jù)系統(tǒng)原理圖可畫(huà)出其方框圖如圖根據(jù)系統(tǒng)原理圖可畫(huà)出其方框圖如圖12所示。所示。 要要求求水水位位 執(zhí)執(zhí)行行水水池池 實(shí)實(shí)際際水水位位 出出水水量量 測(cè)測(cè)量量 比比較較、計(jì)計(jì)算算 圖圖12 水位人工控制系統(tǒng)方框圖水位人工控制系統(tǒng)方框圖 人工控制（續(xù)）人工控制（續(xù)） 第一章第一章 自動(dòng)控制概論自動(dòng)控

23、制概論 38 2、自動(dòng)控制：、自動(dòng)控制： 該水池若改為由自動(dòng)控制裝置代替操作人員：由該水池若改為由自動(dòng)控制裝置代替操作人員：由 浮子測(cè)出實(shí)際水位，與要求的水位比較。然后得出偏浮子測(cè)出實(shí)際水位，與要求的水位比較。然后得出偏 差再由調(diào)節(jié)元件根據(jù)偏差的大小和正負(fù)產(chǎn)生控制信號(hào)。差再由調(diào)節(jié)元件根據(jù)偏差的大小和正負(fù)產(chǎn)生控制信號(hào)。 最后由執(zhí)行元件根據(jù)信號(hào)產(chǎn)生控制作用。如圖最后由執(zhí)行元件根據(jù)信號(hào)產(chǎn)生控制作用。如圖1-3所示。所示。 進(jìn)進(jìn)水水 浮浮子子 實(shí)實(shí) 際際 水水 位位 出出水水 + + - - 連連 桿桿 電電機(jī)機(jī) m m 圖圖13 水位自動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖水位自動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖 第一章第一章 自動(dòng)控制概

24、論自動(dòng)控制概論 39 在此：浮子測(cè)水位，由連桿和電位器進(jìn)行比較：在此：浮子測(cè)水位，由連桿和電位器進(jìn)行比較： 浮子低則電位器上得到正電壓，經(jīng)放大后使電機(jī)向進(jìn)浮子低則電位器上得到正電壓，經(jīng)放大后使電機(jī)向進(jìn) 水閥門(mén)開(kāi)大的方向旋轉(zhuǎn)；反之，當(dāng)浮子高時(shí)，電位器水閥門(mén)開(kāi)大的方向旋轉(zhuǎn)；反之，當(dāng)浮子高時(shí)，電位器 上得到負(fù)電壓，電機(jī)向閥門(mén)關(guān)小的方向旋轉(zhuǎn)；若水位上得到負(fù)電壓，電機(jī)向閥門(mén)關(guān)小的方向旋轉(zhuǎn)；若水位 正好，則電位器上電壓為零，電機(jī)不轉(zhuǎn)，閥門(mén)不動(dòng)。正好，則電位器上電壓為零，電機(jī)不轉(zhuǎn)，閥門(mén)不動(dòng)。 要求水位 電電機(jī)機(jī) 閥閥門(mén)門(mén)水水池池 出出水水量量 實(shí)實(shí)際際水水位位 浮浮子子 電位器連桿比較 圖圖14水位自動(dòng)控制

25、系統(tǒng)方框圖水位自動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖 自動(dòng)控制（續(xù)）自動(dòng)控制（續(xù)） 第一章第一章 自動(dòng)控制概論自動(dòng)控制概論 40 3、控制系統(tǒng)中的常用術(shù)語(yǔ)、控制系統(tǒng)中的常用術(shù)語(yǔ) (1) 自動(dòng)控制自動(dòng)控制在沒(méi)有人直接參與的情況下，利用外加在沒(méi)有人直接參與的情況下，利用外加 的設(shè)備或裝置使整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程或工作機(jī)械自動(dòng)的按的設(shè)備或裝置使整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程或工作機(jī)械自動(dòng)的按 預(yù)定規(guī)律運(yùn)行、或使其某個(gè)參數(shù)按要求變化。預(yù)定規(guī)律運(yùn)行、或使其某個(gè)參數(shù)按要求變化。 (2) 控制裝置控制裝置外加的設(shè)備或裝置，亦叫控制器。外加的設(shè)備或裝置，亦叫控制器。 (3) 受控對(duì)象受控對(duì)象被控制的機(jī)器或物體。被控制的機(jī)器或物體。 (4) 被控量被控量表征

26、被控對(duì)象工作狀態(tài)的物理參量，也叫表征被控對(duì)象工作狀態(tài)的物理參量，也叫 輸出量。輸出量。 (5) 給定量給定量要求被控量所應(yīng)保持的數(shù)值。也叫輸入量要求被控量所應(yīng)保持的數(shù)值。也叫輸入量 或叫參考輸入?；蚪袇⒖驾斎?。 (6) 干擾量干擾量系統(tǒng)不希望的外作用，也叫擾動(dòng)輸入。系統(tǒng)不希望的外作用，也叫擾動(dòng)輸入。 第一章第一章 自動(dòng)控制概論自動(dòng)控制概論 41 如水位自動(dòng)控制系統(tǒng)：如水位自動(dòng)控制系統(tǒng)： 進(jìn)進(jìn) 水水 浮浮 子子 實(shí)實(shí) 際際 水水 位位 出出 水水 + + - - 連連 桿桿 電電 機(jī)機(jī) m m 圖圖13 水位自動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖水位自動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖 干擾干擾 信號(hào)信號(hào) 測(cè)量測(cè)量 元件元件 輸出量

27、輸出量 受控對(duì)象受控對(duì)象 比較元件比較元件 第一章第一章 自動(dòng)控制概論自動(dòng)控制概論 42 (9)(9) 自動(dòng)控制系統(tǒng)：由受控對(duì)象和控制器按一定方自動(dòng)控制系統(tǒng)：由受控對(duì)象和控制器按一定方 式連接起來(lái)的、完成一定自動(dòng)控制任務(wù)的總體。式連接起來(lái)的、完成一定自動(dòng)控制任務(wù)的總體。 如圖如圖15所示。所示。 圖圖15 自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng) 給定量給定量 控制器控制器 被控量被控量 干擾量干擾量 自控系統(tǒng)自控系統(tǒng) 受控對(duì)象受控對(duì)象 (7) (7) 反饋量：由系統(tǒng)輸出端取出并反向送回系統(tǒng)輸反饋量：由系統(tǒng)輸出端取出并反向送回系統(tǒng)輸 入端的信號(hào)。反饋有主反饋和局部反饋之分。入端的信號(hào)。反饋有主反饋和局部反饋之

28、分。 (8) (8) 偏差量：給定量與主反饋信號(hào)之差。偏差量：給定量與主反饋信號(hào)之差。 第一章第一章 自動(dòng)控制概論自動(dòng)控制概論 43 串 聯(lián) 校 正放 大 執(zhí) 行受 控 對(duì) 象 反 饋 校 正 測(cè) 量 輸入量輸入量 輸出量輸出量 圖圖16 自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成 自動(dòng)控制的任務(wù)自動(dòng)控制的任務(wù)利用控制器操縱受控對(duì)象，使其利用控制器操縱受控對(duì)象，使其 被控量按技術(shù)要求變化。若被控量按技術(shù)要求變化。若r(t)給定量，給定量，c(t)被被 控量，則自控的任務(wù)之?dāng)?shù)學(xué)表達(dá)式為：使被控量滿(mǎn)控量，則自控的任務(wù)之?dāng)?shù)學(xué)表達(dá)式為：使被控量滿(mǎn) 足足c(t) r(t)。自控系統(tǒng)的組成如。自控系統(tǒng)的組成如1

29、-6圖所示。圖所示。 1.2.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成 第一章第一章 自動(dòng)控制概論自動(dòng)控制概論 44 給定元件：其職能是給出與期望的被控量相對(duì)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。一般為電位器。應(yīng)的系統(tǒng)輸入量。一般為電位器。 比較元件：其職能是把測(cè)量到的被控量實(shí)際值比較元件：其職能是把測(cè)量到的被控量實(shí)際值 與給定元件給出的輸入量進(jìn)行比較，求出他們與給定元件給出的輸入量進(jìn)行比較，求出他們 之間的偏差。常用的有差動(dòng)放大器、機(jī)械差動(dòng)之間的偏差。常用的有差動(dòng)放大器、機(jī)械差動(dòng) 裝置、電橋電路、計(jì)算機(jī)等。裝置、電橋電路、計(jì)算機(jī)等。 測(cè)量元件：其職能是檢測(cè)被控制量

30、的物理量。測(cè)量元件：其職能是檢測(cè)被控制量的物理量。 如測(cè)速機(jī)、熱電偶、自整角機(jī)、電位器、旋轉(zhuǎn)如測(cè)速機(jī)、熱電偶、自整角機(jī)、電位器、旋轉(zhuǎn) 變壓器、浮子等。變壓器、浮子等。 基本組成（續(xù)）基本組成（續(xù)） 第一章第一章 自動(dòng)控制概論自動(dòng)控制概論 45 放大元件：其職能是將比較元件給出的偏差放大元件：其職能是將比較元件給出的偏差 信號(hào)進(jìn)行放大，用來(lái)推動(dòng)執(zhí)行元件去控制受信號(hào)進(jìn)行放大，用來(lái)推動(dòng)執(zhí)行元件去控制受 控對(duì)象。如：晶體管、集成電路、晶閘管等控對(duì)象。如：晶體管、集成電路、晶閘管等 組成的電壓、功率放大器。組成的電壓、功率放大器。 執(zhí)行元件：其職能是直接推動(dòng)受控對(duì)象，使執(zhí)行元件：其職能是直接推動(dòng)受控對(duì)象

31、，使 其被控量發(fā)生變化。如：閥門(mén)、電機(jī)、液壓其被控量發(fā)生變化。如：閥門(mén)、電機(jī)、液壓 馬達(dá)等。馬達(dá)等。 基本組成（續(xù)）基本組成（續(xù)） 第一章第一章 自動(dòng)控制概論自動(dòng)控制概論 46 自控系統(tǒng)的特點(diǎn)：自控系統(tǒng)的特點(diǎn)： 從信號(hào)傳送看：從信號(hào)傳送看：c(t)經(jīng)測(cè)量后回到輸入端，構(gòu)成經(jīng)測(cè)量后回到輸入端，構(gòu)成 閉環(huán)，具有反饋形式，且為負(fù)反饋。閉環(huán)，具有反饋形式，且為負(fù)反饋。 從控制作用的產(chǎn)生看：由偏差產(chǎn)生的控制作用使從控制作用的產(chǎn)生看：由偏差產(chǎn)生的控制作用使 系統(tǒng)沿減小或消除偏差的方向運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)沿減小或消除偏差的方向運(yùn)動(dòng)偏差控制。偏差控制。 校正元件：也叫補(bǔ)償元件，它是結(jié)構(gòu)或參數(shù)便于校正元件：也叫補(bǔ)償元件，它

32、是結(jié)構(gòu)或參數(shù)便于 調(diào)整的元件。用串聯(lián)或并聯(lián)（反饋）的方式連接調(diào)整的元件。用串聯(lián)或并聯(lián)（反饋）的方式連接 于系統(tǒng)中，以改善系統(tǒng)的性能。如：電阻、電容于系統(tǒng)中，以改善系統(tǒng)的性能。如：電阻、電容 組成的無(wú)源或有源網(wǎng)絡(luò)，還有計(jì)算機(jī)。組成的無(wú)源或有源網(wǎng)絡(luò)，還有計(jì)算機(jī)。 基本組成（續(xù)）基本組成（續(xù)） 第一章第一章 自動(dòng)控制概論自動(dòng)控制概論 47 1.2.3 自動(dòng)控制的基本方式 一、一、開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)：開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)： 1. 定義：定義：開(kāi)環(huán)控制開(kāi)環(huán)控制控制器與被控對(duì)象之間只控制器與被控對(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。有順向作用而沒(méi)有反向聯(lián)系的控制過(guò)程。 2. 特點(diǎn)：被控量對(duì)系統(tǒng)的控制作用不產(chǎn)生

33、影響，特點(diǎn)：被控量對(duì)系統(tǒng)的控制作用不產(chǎn)生影響， 需要控制的是需要控制的是c(t)，而測(cè)量的只是，而測(cè)量的只是r(t). 第一章第一章 自動(dòng)控制概論自動(dòng)控制概論 48 + + + +u ug g - - u ua a 功功 放放 n n 負(fù)負(fù)載載 u ug gu ua an n 電電動(dòng)動(dòng)機(jī)機(jī)功功放放 圖圖17 開(kāi)環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)開(kāi)環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)（續(xù)）開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)（續(xù)） 3. 例如：直流電機(jī)開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)如圖例如：直流電機(jī)開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)如圖17所示。所示。 第一章第一章 自動(dòng)控制概論自動(dòng)控制概論 49 給定電壓放大后得到電樞電壓給定電壓放大后得到電樞電壓ua，從而控制，從而控制 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速n

34、。 改變改變ugua改變改變n改變，改變，ug與與n一一對(duì)一一對(duì) 應(yīng)。但是，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)（干擾量），會(huì)使應(yīng)。但是，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)（干擾量），會(huì)使n改改 變，即使變，即使ug不變，不變，n 也改變。也改變。ua（ug）與）與n的關(guān)的關(guān) 系不精確，抗擾動(dòng)能力差，系統(tǒng)控制精度難以保系不精確，抗擾動(dòng)能力差，系統(tǒng)控制精度難以保 證，應(yīng)用少。證，應(yīng)用少。 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)（續(xù)）開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)（續(xù)） 第一章第一章 自動(dòng)控制概論自動(dòng)控制概論 50 二、閉環(huán)控制系統(tǒng)二、閉環(huán)控制系統(tǒng)： 1.定義：定義：閉環(huán)控制閉環(huán)控制被控量與給定值比較后用被控量與給定值比較后用 其偏差對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。亦稱(chēng)反饋控制。其偏差對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。

35、亦稱(chēng)反饋控制。 2.特點(diǎn)：不論什么原因使被控量偏離期望值而出特點(diǎn)：不論什么原因使被控量偏離期望值而出 現(xiàn)偏差時(shí)，必定會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的控制作用去現(xiàn)偏差時(shí)，必定會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的控制作用去 減小或消除這個(gè)偏差，使被控量與期望值趨于減小或消除這個(gè)偏差，使被控量與期望值趨于 一致。需要控制的是一致。需要控制的是c(t)、而測(cè)量的是、而測(cè)量的是c(t)對(duì)對(duì)r(t) 的偏差。只要的偏差。只要c(t)出現(xiàn)偏差，系統(tǒng)就自行糾正。出現(xiàn)偏差，系統(tǒng)就自行糾正。 3. 例如：直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)如圖例如：直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)如圖18所示。所示。 第一章第一章 自動(dòng)控制概論自動(dòng)控制概論 51 + + + + + + +

36、- - + +- - t tg g mm u ug g u u u u1 1u ua a - - n n u un n= =n n 電電壓壓 放放大大 功功率率 放放大大 負(fù)負(fù)載載 u ug g u uu u1 1u ua a n n u un n - - 電電壓壓放放大大 測(cè)測(cè)速速機(jī)機(jī) 電電機(jī)機(jī)功功率率放放大大 圖圖18 閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 閉環(huán)控制系統(tǒng)（續(xù)）閉環(huán)控制系統(tǒng)（續(xù)） 第一章第一章 自動(dòng)控制概論自動(dòng)控制概論 52 負(fù)載負(fù)載tl(tetl)nunuu1ua n 或溫度或溫度traenunuu1ua n 系統(tǒng)精度高、抗干擾能力強(qiáng)、應(yīng)用廣泛。系統(tǒng)精度高、抗干擾能力強(qiáng)、應(yīng)用廣

37、泛。 閉環(huán)控制系統(tǒng)（續(xù)）閉環(huán)控制系統(tǒng)（續(xù)） 三、復(fù)合控制系統(tǒng)：三、復(fù)合控制系統(tǒng)： 1.定義：定義：復(fù)合控制復(fù)合控制給定補(bǔ)償或干擾補(bǔ)償與反饋控制給定補(bǔ)償或干擾補(bǔ)償與反饋控制 結(jié)合起來(lái)就組成復(fù)合控制。結(jié)合起來(lái)就組成復(fù)合控制。 第一章第一章 自動(dòng)控制概論自動(dòng)控制概論 53 復(fù)合控制系統(tǒng)（續(xù)）復(fù)合控制系統(tǒng)（續(xù)） 2. 例如：例如： 如圖如圖19 所示調(diào)速所示調(diào)速 系統(tǒng)。此系統(tǒng)。此 系統(tǒng)在閉系統(tǒng)在閉 環(huán)控制的環(huán)控制的 基礎(chǔ)上增基礎(chǔ)上增 加了負(fù)載加了負(fù)載 擾動(dòng)補(bǔ)償。擾動(dòng)補(bǔ)償。 + + u ug g + + + + + + + + + + + - - - - - - u un n= =n n u ua a

38、r rs s m m t tg g u u1 1 u u2 2 - - 電電壓壓 放放大大 功功率率 放放大大 電電壓壓 放放大大 負(fù)負(fù)載載u u1 1 u us s i i 圖圖19 復(fù)合控制調(diào)速系統(tǒng)原理圖復(fù)合控制調(diào)速系統(tǒng)原理圖 第一章第一章 自動(dòng)控制概論自動(dòng)控制概論 54 負(fù)載突增負(fù)載突增tli idl dl u us su u2 2= =u u1 1+ +u us s必必u ua an n tetln n 測(cè)測(cè)速速機(jī)機(jī) 功功率率放放大大 u ug g u un n u u1 1 - - 電電壓壓放放大大 u u1 1 u us s u u2 2 電電壓壓放放大大 電電機(jī)機(jī) r rs s

39、t tl l( (i id dl l) ) n nu ua a 圖圖110 復(fù)合控制調(diào)速系統(tǒng)方框圖復(fù)合控制調(diào)速系統(tǒng)方框圖 復(fù)合控制系統(tǒng)（續(xù)）復(fù)合控制系統(tǒng)（續(xù)） 第一章第一章 自動(dòng)控制概論自動(dòng)控制概論 55 1. 3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(lèi)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(lèi) 1.3.1 從信號(hào)傳送的特點(diǎn)或系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類(lèi)從信號(hào)傳送的特點(diǎn)或系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類(lèi) 可以將控制系統(tǒng)分為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)、閉可以將控制系統(tǒng)分為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)、閉 環(huán)控制系統(tǒng)和復(fù)合控制系統(tǒng)三大類(lèi)，前環(huán)控制系統(tǒng)和復(fù)合控制系統(tǒng)三大類(lèi)，前 已述及，故不贅述。已述及，故不贅述。 第一章第一章 自動(dòng)控制概論自動(dòng)控制概論 56 一、一、恒值系統(tǒng)：恒值系統(tǒng)： 1. 定義

40、定義r(t)為常值的系統(tǒng)。為常值的系統(tǒng)。 2. 目的目的保證保證c(t)恒定。恒定。 3. 例如：調(diào)速系統(tǒng)（當(dāng)例如：調(diào)速系統(tǒng)（當(dāng)ug不變時(shí)），水池不變時(shí)），水池 水位控制系統(tǒng)，空調(diào)、冰箱、恒溫箱及水位控制系統(tǒng)，空調(diào)、冰箱、恒溫箱及 爐溫控制系統(tǒng)等。爐溫控制系統(tǒng)等。 1.3.2 按給定值的特點(diǎn)分：按給定值的特點(diǎn)分： 第一章第一章 自動(dòng)控制概論自動(dòng)控制概論 57 d d a a a a d d 放放大大濾濾波波 熱熱電電偶偶 電電爐爐 電電阻阻絲絲 t tp p3 30 01 1- -b b 單單 板板 機(jī)機(jī) 期期望望t t 計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)d d/ /a a觸觸發(fā)發(fā)器器晶晶閘閘管管爐爐體體 環(huán)環(huán)溫溫

41、 t t a a/ /d d - - 放放大大濾濾波波熱熱電電偶偶 圖圖1 112 12 電阻爐微機(jī)溫度控制系統(tǒng)電阻爐微機(jī)溫度控制系統(tǒng) 恒值系統(tǒng)（續(xù)）恒值系統(tǒng)（續(xù)） 第一章第一章 自動(dòng)控制概論自動(dòng)控制概論 58 如圖如圖112所示為電阻爐微機(jī)溫度控制系統(tǒng)，所示為電阻爐微機(jī)溫度控制系統(tǒng)， 電阻絲通過(guò)晶閘管主電路加熱，爐溫期望值用計(jì)電阻絲通過(guò)晶閘管主電路加熱，爐溫期望值用計(jì) 算機(jī)鍵盤(pán)預(yù)先設(shè)置，實(shí)際爐溫由熱電偶檢測(cè)，并算機(jī)鍵盤(pán)預(yù)先設(shè)置，實(shí)際爐溫由熱電偶檢測(cè)，并 轉(zhuǎn)換成電壓（轉(zhuǎn)換成電壓（mv），經(jīng)放大濾波后，由模），經(jīng)放大濾波后，由模/數(shù)轉(zhuǎn)數(shù)轉(zhuǎn) 換器（換器（a/d）將模擬信號(hào)）將模擬信號(hào)數(shù)字信號(hào)送入計(jì)

42、算機(jī)。數(shù)字信號(hào)送入計(jì)算機(jī)。 在計(jì)算機(jī)中與所設(shè)置的期望值比較后產(chǎn)生偏差信在計(jì)算機(jī)中與所設(shè)置的期望值比較后產(chǎn)生偏差信 號(hào)。計(jì)算機(jī)便根據(jù)預(yù)定的控制算法（即控制號(hào)。計(jì)算機(jī)便根據(jù)預(yù)定的控制算法（即控制 規(guī)律）計(jì)算相應(yīng)的控制量，再經(jīng)規(guī)律）計(jì)算相應(yīng)的控制量，再經(jīng)d/a轉(zhuǎn)換變?yōu)檗D(zhuǎn)換變?yōu)?恒值系統(tǒng)（續(xù)）恒值系統(tǒng)（續(xù)） 第一章第一章 自動(dòng)控制概論自動(dòng)控制概論 59 4. 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): 計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)，具有精度高、功能計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)，具有精度高、功能 強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性好、無(wú)噪聲、顯示醒目、讀數(shù)強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性好、無(wú)噪聲、顯示醒目、讀數(shù) 直觀(guān)、打印存檔方便、操作簡(jiǎn)單、靈活性直觀(guān)、打印存檔方便、操作簡(jiǎn)單、靈活性 和適應(yīng)性好等

43、一系列優(yōu)點(diǎn)。和適應(yīng)性好等一系列優(yōu)點(diǎn)。 010ma的電流，通過(guò)觸發(fā)器控制晶閘管的的電流，通過(guò)觸發(fā)器控制晶閘管的 控制角控制角，從而改變晶閘管的整流電壓，也就，從而改變晶閘管的整流電壓，也就 改變了電阻絲中電流的大小，達(dá)到控制爐溫改變了電阻絲中電流的大小，達(dá)到控制爐溫 的目的。的目的。 恒值系統(tǒng)（續(xù)）恒值系統(tǒng)（續(xù)） 第一章第一章 自動(dòng)控制概論自動(dòng)控制概論 60 3. 例如：跟蹤目標(biāo)的雷達(dá)系統(tǒng)、火炮群控例如：跟蹤目標(biāo)的雷達(dá)系統(tǒng)、火炮群控 制系制系 統(tǒng)、導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)、參數(shù)的自動(dòng)檢驗(yàn)系統(tǒng)、統(tǒng)、導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)、參數(shù)的自動(dòng)檢驗(yàn)系統(tǒng)、 x-y記錄儀、船舶駕駛舵位跟蹤系統(tǒng)、飛機(jī)自記錄儀、船舶駕駛舵位跟蹤系統(tǒng)、飛機(jī)

44、自 動(dòng)駕駛儀等等。動(dòng)駕駛儀等等。 如圖如圖113所示為船舶駕駛舵角位置跟蹤系統(tǒng)。所示為船舶駕駛舵角位置跟蹤系統(tǒng)。 1.定義：給定值隨意變化而事先無(wú)法知道的系統(tǒng)。定義：給定值隨意變化而事先無(wú)法知道的系統(tǒng)。 2.目的：使目的：使c(t)按一定精度跟蹤按一定精度跟蹤r(t)的變化。的變化。 二、隨動(dòng)系統(tǒng)二、隨動(dòng)系統(tǒng) 第一章第一章 自動(dòng)控制概論自動(dòng)控制概論 61 u ui i u u0 0 i 0 - + m n u u 電壓 放大 功率 放大 負(fù)載 圖圖1 113 13 船舶駕駛舵角位置跟蹤系統(tǒng)船舶駕駛舵角位置跟蹤系統(tǒng) 隨動(dòng)系統(tǒng)（續(xù)）隨動(dòng)系統(tǒng)（續(xù)） 其任務(wù)是使船舵角位置按給定指令變化，即要求其任務(wù)是

45、使船舵角位置按給定指令變化，即要求0 跟隨跟隨i:0(t)=i(t)。 第一章第一章 自動(dòng)控制概論自動(dòng)控制概論 62 uiu0 uiu0 -= u u 圖圖1 11414 電 位 計(jì)電 壓 放 大功 率 放 大電 機(jī)船 舵 - i0 圖圖1 115 15 船舶駕駛舵角位置跟蹤系統(tǒng)方框圖船舶駕駛舵角位置跟蹤系統(tǒng)方框圖 隨動(dòng)系統(tǒng)（續(xù)）隨動(dòng)系統(tǒng)（續(xù)） 該系統(tǒng)由船舵（受控對(duì)該系統(tǒng)由船舵（受控對(duì) 象）、電位計(jì)（測(cè)量、象）、電位計(jì)（測(cè)量、 比較元件）、電機(jī)、減比較元件）、電機(jī)、減 速器、電壓和功率放大速器、電壓和功率放大 器等組成。器等組成。 第一章第一章 自動(dòng)控制概論自動(dòng)控制概論 63 由兩個(gè)電位計(jì)組成

46、橋式連接，由兩個(gè)電位計(jì)組成橋式連接，u=ui-ua。若。若0=i， 則預(yù)先整定則預(yù)先整定ui=u0 ,則則u=0， 電機(jī)不動(dòng)，系統(tǒng)處于平電機(jī)不動(dòng)，系統(tǒng)處于平 衡狀態(tài)。若衡狀態(tài)。若i 變了，而變了，而0 未變，則有未變，則有0i ， uiu0，u0 ，從而使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)船舵角位，從而使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)船舵角位 置置0向向i 要求的位置變化，直至要求的位置變化，直至0=i ，u=0 ， 電機(jī)才停止。系統(tǒng)重又平衡。電機(jī)才停止。系統(tǒng)重又平衡。 隨動(dòng)系統(tǒng)（續(xù)）隨動(dòng)系統(tǒng)（續(xù)） 4. 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：控制對(duì)象簡(jiǎn)單，指令信號(hào)事先無(wú)法知道控制對(duì)象簡(jiǎn)單，指令信號(hào)事先無(wú)法知道 其變化規(guī)律?？捎霉β屎苄〉闹噶钚盘?hào)操縱功其

47、變化規(guī)律?？捎霉β屎苄〉闹噶钚盘?hào)操縱功 率很大的工作機(jī)械，還可進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制。率很大的工作機(jī)械，還可進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制。 第一章第一章 自動(dòng)控制概論自動(dòng)控制概論 64 三、程控系統(tǒng)：三、程控系統(tǒng)： 1. 定義：給定值或指令輸入信號(hào)按預(yù)定程序變化的定義：給定值或指令輸入信號(hào)按預(yù)定程序變化的 系統(tǒng)。系統(tǒng)。 1. 目的：目的：c(t)按預(yù)定的程序去運(yùn)行。按預(yù)定的程序去運(yùn)行。 2. 例如：順序控制器、數(shù)控機(jī)床、仿形機(jī)床等。例如：順序控制器、數(shù)控機(jī)床、仿形機(jī)床等。 如圖如圖116所示為數(shù)控機(jī)床，將輸入處理，所示為數(shù)控機(jī)床，將輸入處理， 插補(bǔ)計(jì)算和控制功能可由邏輯電路實(shí)現(xiàn)，插補(bǔ)計(jì)算和控制功能可由邏輯電路實(shí)現(xiàn)，

48、 也可由計(jì)算機(jī)來(lái)完成。也可由計(jì)算機(jī)來(lái)完成。 一般都將加工軌跡編好程序。并轉(zhuǎn)換成脈一般都將加工軌跡編好程序。并轉(zhuǎn)換成脈 沖輸入，再將工作臺(tái)移動(dòng)軌跡也換算成脈沖輸入，再將工作臺(tái)移動(dòng)軌跡也換算成脈 沖側(cè)出來(lái)與輸入脈沖比較后再換算成模擬沖側(cè)出來(lái)與輸入脈沖比較后再換算成模擬 信號(hào)用以控制信號(hào)用以控制sm。 第一章第一章 自動(dòng)控制概論自動(dòng)控制概論 65 進(jìn)給脈沖 比較放大sm 齒輪箱 工作臺(tái) 測(cè)量 反饋脈沖 圖圖1 116 16 數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)方框數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)方框 圖圖 程控系統(tǒng)（續(xù)）程控系統(tǒng)（續(xù)） 第一章第一章 自動(dòng)控制概論自動(dòng)控制概論 66 可分為線(xiàn)性控制系統(tǒng)和非線(xiàn)性控制系統(tǒng)可分為線(xiàn)性控制系統(tǒng)和

49、非線(xiàn)性控制系統(tǒng) 線(xiàn)性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述：線(xiàn)性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述： 線(xiàn)性函數(shù)，如線(xiàn)性微分方程、線(xiàn)性差分方程、線(xiàn)性函數(shù)，如線(xiàn)性微分方程、線(xiàn)性差分方程、 線(xiàn)性代數(shù)方程。線(xiàn)性系統(tǒng)具有齊次性和疊加線(xiàn)性代數(shù)方程。線(xiàn)性系統(tǒng)具有齊次性和疊加 性，其優(yōu)點(diǎn)是數(shù)學(xué)處理簡(jiǎn)便，理論體系完整。性，其優(yōu)點(diǎn)是數(shù)學(xué)處理簡(jiǎn)便，理論體系完整。 非線(xiàn)性控制系統(tǒng)：非線(xiàn)性控制系統(tǒng)： 用非線(xiàn)性方程描述的系統(tǒng)，不滿(mǎn)足疊加原理。用非線(xiàn)性方程描述的系統(tǒng)，不滿(mǎn)足疊加原理。 1.3.3 按數(shù)學(xué)描述分類(lèi)按數(shù)學(xué)描述分類(lèi) 第一章第一章 自動(dòng)控制概論自動(dòng)控制概論 67 1.3.4 按時(shí)間信號(hào)的性質(zhì)分類(lèi)按時(shí)間信號(hào)的性質(zhì)分類(lèi) 可分為連續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng)：可分為連

50、續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng)： 連續(xù)控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中各變量均對(duì)時(shí)間連續(xù)。連續(xù)控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中各變量均對(duì)時(shí)間連續(xù)。 離散控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中一處或幾處的變量為離離散控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中一處或幾處的變量為離 散信號(hào)，如計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)或采樣控制系統(tǒng)。散信號(hào)，如計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)或采樣控制系統(tǒng)。 0 t t 連續(xù)信號(hào)連續(xù)信號(hào) 0 t t 離散信號(hào)離散信號(hào) 第一章第一章 自動(dòng)控制概論自動(dòng)控制概論 68 定常系統(tǒng)：定常系統(tǒng)： 系統(tǒng)的參數(shù)不隨時(shí)間變化的系統(tǒng)。描述其系統(tǒng)的參數(shù)不隨時(shí)間變化的系統(tǒng)。描述其 動(dòng)態(tài)特性的微分方程或差分方程的系數(shù)為動(dòng)態(tài)特性的微分方程或差分方程的系數(shù)為 常數(shù)。常數(shù)。 時(shí)變系統(tǒng)：時(shí)變系統(tǒng)： 系統(tǒng)的參數(shù)隨時(shí)

51、間而變化。描述其動(dòng)態(tài)特性系統(tǒng)的參數(shù)隨時(shí)間而變化。描述其動(dòng)態(tài)特性 的微分方程或差分方程的系數(shù)不為常數(shù)。的微分方程或差分方程的系數(shù)不為常數(shù)。 可分為定常系統(tǒng)與時(shí)變系統(tǒng)可分為定常系統(tǒng)與時(shí)變系統(tǒng) 1.3.5 按系統(tǒng)參數(shù)是否隨時(shí)間變化分類(lèi)按系統(tǒng)參數(shù)是否隨時(shí)間變化分類(lèi) 第一章第一章 自動(dòng)控制概論自動(dòng)控制概論 69 1. 4 自動(dòng)控制理論概要自動(dòng)控制理論概要 系統(tǒng)有各種各樣，對(duì)每個(gè)系統(tǒng)也都有不同的特殊系統(tǒng)有各種各樣，對(duì)每個(gè)系統(tǒng)也都有不同的特殊 要求，但對(duì)于各類(lèi)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在已知系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參要求，但對(duì)于各類(lèi)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在已知系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參 數(shù)時(shí)，研究的和感興趣的卻是系統(tǒng)在某種典型輸入信數(shù)時(shí)，研究的和感興趣的卻是

52、系統(tǒng)在某種典型輸入信 號(hào)下，其被控量變化的全過(guò)程。也就是說(shuō)，研究的內(nèi)號(hào)下，其被控量變化的全過(guò)程。也就是說(shuō)，研究的內(nèi) 容和方法都是相同或相似的，如：恒值系統(tǒng)研究擾動(dòng)容和方法都是相同或相似的，如：恒值系統(tǒng)研究擾動(dòng) 作用引起被控量變化的全過(guò)程；隨動(dòng)系統(tǒng)研究被控量作用引起被控量變化的全過(guò)程；隨動(dòng)系統(tǒng)研究被控量 如何克服擾動(dòng)影響并跟隨給定量的變化過(guò)程。所以對(duì)如何克服擾動(dòng)影響并跟隨給定量的變化過(guò)程。所以對(duì) 于各種控制系統(tǒng)的要求可歸納為：于各種控制系統(tǒng)的要求可歸納為：系統(tǒng)的系統(tǒng)的c(t)必須迅速、必須迅速、 準(zhǔn)確的按輸入量的變化而變化，克服擾動(dòng)影響。準(zhǔn)確的按輸入量的變化而變化，克服擾動(dòng)影響。 1.4.1 自

53、動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求 第一章第一章 自動(dòng)控制概論自動(dòng)控制概論 70 實(shí)際中，由于機(jī)械部分質(zhì)量、慣量的存在以及實(shí)際中，由于機(jī)械部分質(zhì)量、慣量的存在以及 電路中電路中l(wèi).c的存在，輸出不會(huì)是理想狀態(tài)。要有一的存在，輸出不會(huì)是理想狀態(tài)。要有一 個(gè)過(guò)渡過(guò)程，最后趨于新的穩(wěn)態(tài)值。因此，從穩(wěn)、個(gè)過(guò)渡過(guò)程，最后趨于新的穩(wěn)態(tài)值。因此，從穩(wěn)、 快、準(zhǔn)三方面來(lái)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的總體精度。快、準(zhǔn)三方面來(lái)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的總體精度。 r(t) 0 0 t t c(t) 理想 實(shí)際 圖117 圖118 基本要求（續(xù)）基本要求（續(xù)） 第一章第一章 自動(dòng)控制概論自動(dòng)控制概論 71 穩(wěn)定性穩(wěn)定性 1. 穩(wěn)定性指動(dòng)態(tài)過(guò)程

54、的振蕩傾向和系統(tǒng)重新恢復(fù)穩(wěn)定性指動(dòng)態(tài)過(guò)程的振蕩傾向和系統(tǒng)重新恢復(fù) 平衡狀態(tài)的能力。平衡狀態(tài)的能力。 2. 穩(wěn)定性是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件，穩(wěn)定性是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件， 一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)，其一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)，其c(t)偏離期望值的初始偏差偏離期望值的初始偏差 應(yīng)隨應(yīng)隨t的延長(zhǎng)逐漸減小或趨于零。的延長(zhǎng)逐漸減小或趨于零。(如曲線(xiàn)如曲線(xiàn)和和 ) 3. 一個(gè)不穩(wěn)定的系統(tǒng)，其一個(gè)不穩(wěn)定的系統(tǒng)，其c(t)偏離期望值的初始偏偏離期望值的初始偏 差將隨著差將隨著t的增長(zhǎng)而發(fā)散。無(wú)法實(shí)現(xiàn)預(yù)定的任務(wù)。的增長(zhǎng)而發(fā)散。無(wú)法實(shí)現(xiàn)預(yù)定的任務(wù)。 （如曲線(xiàn)（如曲線(xiàn)） 第一章第一章 自動(dòng)控制概論自動(dòng)控制概論 72

55、 c(t) t0 基本要求（續(xù)）基本要求（續(xù)） 第一章第一章 自動(dòng)控制概論自動(dòng)控制概論 73 快速性快速性 1.快速性指動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行的時(shí)間長(zhǎng)短?？焖傩灾竸?dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行的時(shí)間長(zhǎng)短。 2.t過(guò)長(zhǎng)：系統(tǒng)長(zhǎng)久出現(xiàn)大偏差，難以復(fù)現(xiàn)快速變過(guò)長(zhǎng)：系統(tǒng)長(zhǎng)久出現(xiàn)大偏差，難以復(fù)現(xiàn)快速變 化的指令信號(hào)。（例雷達(dá)、導(dǎo)彈等）化的指令信號(hào)。（例雷達(dá)、導(dǎo)彈等） 3.若滿(mǎn)足既穩(wěn)又快，則系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)精度高。（如：若滿(mǎn)足既穩(wěn)又快，則系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)精度高。（如： 飛機(jī)自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)、當(dāng)飛機(jī)受到陣風(fēng)干擾偏飛機(jī)自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)、當(dāng)飛機(jī)受到陣風(fēng)干擾偏 離航線(xiàn)。若系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)原航線(xiàn)的速度過(guò)快，離航線(xiàn)。若系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)原航線(xiàn)的速度過(guò)快， 則乘客感到不適

56、。函數(shù)記錄儀還可能損壞記錄則乘客感到不適。函數(shù)記錄儀還可能損壞記錄 筆。）筆。） 第一章第一章 自動(dòng)控制概論自動(dòng)控制概論 74 準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性 準(zhǔn)確性指系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程結(jié)束到新準(zhǔn)確性指系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程結(jié)束到新 的平衡工作狀態(tài)以后或系統(tǒng)受干擾后的平衡工作狀態(tài)以后或系統(tǒng)受干擾后 重新恢復(fù)平衡，最終保持的精度。反重新恢復(fù)平衡，最終保持的精度。反 映后期性能。映后期性能。 第一章第一章 自動(dòng)控制概論自動(dòng)控制概論 75 說(shuō)明說(shuō)明 1.因受控對(duì)象的不同，各種系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)、準(zhǔn)、快的因受控對(duì)象的不同，各種系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)、準(zhǔn)、快的 要求有所側(cè)重。如：恒值系統(tǒng)要求有所側(cè)重。如：恒值系統(tǒng)-對(duì)穩(wěn)（平衡）對(duì)穩(wěn)（平衡） 要求嚴(yán)格。而對(duì)隨動(dòng)系

57、統(tǒng)要求嚴(yán)格。而對(duì)隨動(dòng)系統(tǒng)-快、準(zhǔn)要求高。快、準(zhǔn)要求高。 2.同一個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)、快、準(zhǔn)是相互制約的，提高過(guò)同一個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)、快、準(zhǔn)是相互制約的，提高過(guò) 渡過(guò)程的快速性，可能會(huì)引起振蕩；改善了平渡過(guò)程的快速性，可能會(huì)引起振蕩；改善了平 穩(wěn)性，過(guò)渡過(guò)程又很遲緩。穩(wěn)性，過(guò)渡過(guò)程又很遲緩。 3.本課程的主要內(nèi)容就是如何分析和解決上述矛本課程的主要內(nèi)容就是如何分析和解決上述矛 盾。盾。 第一章第一章 自動(dòng)控制概論自動(dòng)控制概論 76 )( 1)(ttr s tl 1 )( 1 00 0 )( t ta tr 第一章第一章 自動(dòng)控制概論自動(dòng)控制概論 77 )( 1)(tttr ),( 1)( 1. 1 )( 1 2 ttt dt d s ttl 00 0 )( t tbt tr 第一章第一章 自動(dòng)控制概論自動(dòng)控制概論 78 時(shí)時(shí)當(dāng)當(dāng)1c )( 1 2 1 )( 2 tttr ).( 1)( 1 2 1 2 ttttl 3拋物線(xiàn)函數(shù)（等加速度函數(shù)）