自動(dòng)控制第一章

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)用。比如：人

2、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

3、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)

4、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)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；

5、 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

6、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)4

7、040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

8、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

9、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，

10、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，直觀簡(jiǎn)便，設(shè)置參數(shù)少，特點(diǎn)：圖形方法，直觀簡(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：?jiǎn)屋斎雴屋敵觯⊿ISO）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，

11、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

12、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 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、能觀性，核心：狀態(tài)變量的能控、能觀性， 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)，

13、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)碚撊秉c(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-Output70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 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

14、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、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

15、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

16、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?？梢院敛豢鋸埖卣f(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

17、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

18、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

19、統(tǒng)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 主要內(nèi)容主要內(nèi)容1.自動(dòng)控制的基本原理自動(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)重重 點(diǎn)點(diǎn) 與與 難難 點(diǎn)點(diǎn)1、自動(dòng)控制的

20、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)1.2.1 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)控制概論若

21、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

22、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)控制概論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

23、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)控制概論自動(dòng)控制概論 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

24、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

25、。被控制的機(jī)器或物體。(4) 被控量被控量表征被控對(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。(4) 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。或叫參考輸入。(5) 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 輸出量輸出

26、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(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分。(8) (8) 偏差量：給定

27、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1-6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

28、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)

29、、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?；窘M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，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。

30、馬達(dá)等?；窘M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，

31、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)?；窘M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

32、自動(dòng)控制概論自動(dòng)控制概論+ + +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 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。 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，

33、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。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

34、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+ + + + +- -+ +- -T TG GMMu ug gu uu u1 1u ua a- -n nu 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 gu uu u1 1u ua an nu un n- -電電壓壓放放大大

35、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 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)控制概論復(fù)合控制系統(tǒng)（續(xù)）復(fù)合控制系統(tǒng)（續(xù)）2.

36、 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 nu ua aR Rs sM MT TG Gu u1 1u 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 1u us si 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)控制概論負(fù)載突增負(fù)載突增TLI IdLdLU Us sU U2 2= =U U1 1+ +U Us s必必u ua a

37、n nTeTLn n測(cè)測(cè)速速機(jī)機(jī)功功率率放放大大u ug gu un nu u1 1- -電電壓壓放放大大u u1 1u us su u2 2電電壓壓放放大大電電機(jī)機(jī)R Rs sT 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

38、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)控制概論一、一、恒值系統(tǒng)：恒值系統(tǒng)：1. 定義定義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D DA AA AD 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

39、 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T TA 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 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

40、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)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)楹阒迪到y(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、打印存檔方便、操作簡(jiǎn)單

41、、靈活性直觀、打印存檔方便、操作簡(jiǎn)單、靈活性 和適應(yīng)性好等一系列優(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)、

42、飛機(jī)自記錄儀、船舶駕駛舵位跟蹤系統(tǒng)、飛機(jī)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U Ui iu u0 0i0-+Mnu 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)是使船舵

43、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uiu0uiu0-=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 由兩個(gè)電位計(jì)組成橋式連接，由兩個(gè)電位計(jì)組成橋式連接，u=ui-ua。

44、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。可用功率很小的指令信號(hào)操縱功其變化規(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

45、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)， 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

46、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)

47、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

48、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)。0t t連續(xù)信號(hào)連續(xù)信號(hào)0t 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 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)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

49、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

50、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 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

51、.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?？?、準(zhǔn)三方面來(lái)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的總體精度。 r(t)00ttc(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)控制概論穩(wěn)定性穩(wěn)定性1. 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)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(

52、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)和如曲線(xiàn)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 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。快速性指動(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

53、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。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 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

54、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 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)系統(tǒng)要求嚴(yán)格。而對(duì)隨動(dòng)系統(tǒng)-快、準(zhǔn)要求高?？?、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)( 1)(ttrstL1)( 1 000)(ttAtr第一章第一章 自動(dòng)控制概論自動(dòng)控制概論)( 1)(tttr),( 1)( 1.1)( 12tttdtdsttL000)(ttBttr第一章第一章 自動(dòng)控制概論自動(dòng)控制概論時(shí)時(shí)當(dāng)當(dāng)1C)( 121)(2tttr).( 1)( 1212