第一章自動控制系統(tǒng)的基本概念

1、.自動控制原理自動控制原理講授講授 程曼程曼河北農(nóng)業(yè)大學(xué)河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院機電工程學(xué)院.一、課程簡介一、課程簡介 自動控制原理是電氣類專業(yè)的一門重自動控制原理是電氣類專業(yè)的一門重要的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課。該課程主要講授要的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課。該課程主要講授經(jīng)典控制理論的三大分析方法（時域分經(jīng)典控制理論的三大分析方法（時域分析法，根軌跡分析法和頻域分析法）、析法，根軌跡分析法和頻域分析法）、自動控制系統(tǒng)綜合與校正的一般方法和自動控制系統(tǒng)綜合與校正的一般方法和非線性系統(tǒng)等內(nèi)容。非線性系統(tǒng)等內(nèi)容。 通過對本課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生系通過對本課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生系統(tǒng)地掌握自動控制的基本原理和基本方統(tǒng)地掌握自動

2、控制的基本原理和基本方法，并能對控制系統(tǒng)進行定性分析、定法，并能對控制系統(tǒng)進行定性分析、定量計算和綜合設(shè)計量計算和綜合設(shè)計。.二、課程體系設(shè)置二、課程體系設(shè)置（一）結(jié)構(gòu)體系：理清（一）結(jié)構(gòu)體系：理清“三縱三橫三縱三橫”。 這里講的這里講的“三縱三縱”：指系統(tǒng)在三域（時：指系統(tǒng)在三域（時域、復(fù)域、頻域）中的數(shù)學(xué)模型；域、復(fù)域、頻域）中的數(shù)學(xué)模型；“三三橫橫”：指系統(tǒng)特性（穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)特性、：指系統(tǒng)特性（穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)特性、動態(tài)特性）的三分析。動態(tài)特性）的三分析。 1 1、“三縱三縱”： 結(jié)合系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，講清工程上實際結(jié)合系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，講清工程上實際求解與數(shù)學(xué)上理論計算之間的內(nèi)在聯(lián)系與求解與數(shù)

3、學(xué)上理論計算之間的內(nèi)在聯(lián)系與區(qū)別。具體地說，就是要搞清楚幾種數(shù)學(xué)區(qū)別。具體地說，就是要搞清楚幾種數(shù)學(xué)模型之間的相互關(guān)系。模型之間的相互關(guān)系。.2 2、“三橫三橫”： 掌握系統(tǒng)分析的三要素：穩(wěn)定性、靜掌握系統(tǒng)分析的三要素：穩(wěn)定性、靜態(tài)特性和動態(tài)特性。態(tài)特性和動態(tài)特性。 性能指標(biāo)是衡量一個系統(tǒng)好壞的重要性能指標(biāo)是衡量一個系統(tǒng)好壞的重要標(biāo)志，也是對系統(tǒng)進行校正的主要依據(jù)，標(biāo)志，也是對系統(tǒng)進行校正的主要依據(jù)，抓住這條線，就是抓住了系統(tǒng)分析改造抓住這條線，就是抓住了系統(tǒng)分析改造的關(guān)鍵，有利于學(xué)生建立一個的關(guān)鍵，有利于學(xué)生建立一個“橫向橫向”的思路。的思路。 .（二）內(nèi)容體系（二）內(nèi)容體系 ：.三、課程內(nèi)

4、容（共三、課程內(nèi)容（共4848學(xué)時）學(xué)時）第一章第一章 自動控制系統(tǒng)的基本概念自動控制系統(tǒng)的基本概念 學(xué)時數(shù)學(xué)時數(shù): 4: 4第二章第二章 線性連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型線性連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 學(xué)時數(shù)：學(xué)時數(shù)：第三章第三章 控制系統(tǒng)的時域分析法控制系統(tǒng)的時域分析法 學(xué)時數(shù)：學(xué)時數(shù)：1010第四章第四章 控制系統(tǒng)的根軌跡分析法控制系統(tǒng)的根軌跡分析法 學(xué)時數(shù)：學(xué)時數(shù)：第五章第五章 控制系統(tǒng)的頻率特性分析法控制系統(tǒng)的頻率特性分析法 學(xué)時數(shù)：學(xué)時數(shù)：1 1第六章第六章 頻率校正方法頻率校正方法 學(xué)時數(shù)：學(xué)時數(shù)：3 3第七章第七章 非線性系統(tǒng)分析學(xué)時數(shù)：非線性系統(tǒng)分析學(xué)時數(shù)：3 3總復(fù)習(xí)及小測驗學(xué)時數(shù)：總復(fù)習(xí)及

5、小測驗學(xué)時數(shù)：.專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)對高級工程技術(shù)人才的要求對高級工程技術(shù)人才的要求如何學(xué)習(xí)才能成為人才如何學(xué)習(xí)才能成為人才該課程的學(xué)習(xí)方法與要求該課程的學(xué)習(xí)方法與要求四、課程的學(xué)習(xí)目的、方法與要求四、課程的學(xué)習(xí)目的、方法與要求.（一）（一）專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo) 明確學(xué)習(xí)目的電氣工程及其自動化專業(yè)電氣工程及其自動化專業(yè) 培養(yǎng)具有培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識創(chuàng)新意識和和創(chuàng)新能力創(chuàng)新能力、綜合素質(zhì)綜合素質(zhì)高、適應(yīng)能力強的，能夠從事與電氣工程有高、適應(yīng)能力強的，能夠從事與電氣工程有關(guān)的系統(tǒng)運行、自動控制、電力電子技術(shù)、關(guān)的系統(tǒng)運行、自動控制、電力電子技術(shù)、信息處理、試驗分析、研制開發(fā)、經(jīng)濟管理信息處理、試驗分

6、析、研制開發(fā)、經(jīng)濟管理以及電子與計算機技術(shù)應(yīng)用等領(lǐng)域工作的寬以及電子與計算機技術(shù)應(yīng)用等領(lǐng)域工作的寬口徑口徑“復(fù)合型復(fù)合型”高級工程技術(shù)人才高級工程技術(shù)人才。. 工程技術(shù)人員工程技術(shù)人員（包括其他技術(shù)家）和科學(xué)（包括其他技術(shù)家）和科學(xué)家的職責(zé)不同。家的職責(zé)不同。 科學(xué)家的任務(wù)是科學(xué)家的任務(wù)是如何認(rèn)識如何認(rèn)識，因而他可以選，因而他可以選擇自己感興趣的研究課題；擇自己感興趣的研究課題； 工程師的任務(wù)是工程師的任務(wù)是如何實現(xiàn)如何實現(xiàn)，所以他必須解，所以他必須解決面臨的實際問題。工程問題受到多方面因素決面臨的實際問題。工程問題受到多方面因素的制約，工程師必須在多種可能方案中做出選的制約，工程師必須在多種

7、可能方案中做出選擇，謀求最可靠、最經(jīng)濟、最實用的解決方法。擇，謀求最可靠、最經(jīng)濟、最實用的解決方法。 工程技術(shù)人員的任務(wù)工程技術(shù)人員的任務(wù) 將來我們做什么將來我們做什么.（ 二）二）對工程技術(shù)人才的要求 合格人才是什么樣的一個工程師接受任務(wù)的時候總會問自己這樣的問題：一個工程師接受任務(wù)的時候總會問自己這樣的問題：會不會做是否在科學(xué)技術(shù)上掌握了必須的知識和技是否在科學(xué)技術(shù)上掌握了必須的知識和技能，能夠解決工程上的難題。能，能夠解決工程上的難題。可不可以做是否在政策法規(guī)和社會公德允許的條是否在政策法規(guī)和社會公德允許的條件下的工程。件下的工程。該不該做是否擁有了良好的生態(tài)可行性和工程持是否擁有了良好

8、的生態(tài)可行性和工程持續(xù)性，并且能在人、才、物和時空約束條件下經(jīng)濟合續(xù)性，并且能在人、才、物和時空約束條件下經(jīng)濟合理地完成任務(wù)。理地完成任務(wù)。如何去做拿出切實可行的解決方案。拿出切實可行的解決方案。.（三）（三）如何學(xué)習(xí)才能成為人才第一境界：第一境界：總結(jié)知識的能力總結(jié)知識的能力自我學(xué)習(xí)的能力自我學(xué)習(xí)的能力綜合知識的能力綜合知識的能力第二境界：第二境界：發(fā)現(xiàn)問題的能力發(fā)現(xiàn)問題的能力解決問題的能力解決問題的能力第三境界：第三境界：創(chuàng)造思維的能力創(chuàng)造思維的能力.n課程重要性課程重要性自動控制原理自動控制原理是工科的技術(shù)基礎(chǔ)課，該是工科的技術(shù)基礎(chǔ)課，該課程與其它課程的關(guān)系課程與其它課程的關(guān)系承上啟下的

9、課程。承上啟下的課程。（四）（四）該課程的學(xué)習(xí)方法與要求 了解課程特點明確學(xué)習(xí)方法與要求自動控制理論自動控制理論電路理論電路理論電機與拖動電機與拖動大學(xué)物理大學(xué)物理信號與系統(tǒng)信號與系統(tǒng)復(fù)變函數(shù)復(fù)變函數(shù) 拉氏變換拉氏變換模擬電子技術(shù)模擬電子技術(shù)線性代數(shù)線性代數(shù)微積分微積分各各 類類 專業(yè)課專業(yè)課線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)現(xiàn)代控現(xiàn)代控 制理論制理論.實際實際系統(tǒng)系統(tǒng)物理物理模型模型數(shù)學(xué)數(shù)學(xué)模型模型方法（系統(tǒng)組成方法（系統(tǒng)組成分析、設(shè)計）分析、設(shè)計）自動控制是一門技術(shù)學(xué)科，從方法論的角自動控制是一門技術(shù)學(xué)科，從方法論的角度來研究系統(tǒng)的建立、分析與設(shè)計。度來研究系統(tǒng)的建立、分析與設(shè)計。研究控研究控制系統(tǒng)的共性問

10、題。制系統(tǒng)的共性問題。 提供了研究思想與研究方法n課程特點及性質(zhì)課程特點及性質(zhì)自動控制技術(shù)是應(yīng)用非常廣泛的技術(shù)自動控制技術(shù)是應(yīng)用非常廣泛的技術(shù).本課程學(xué)習(xí)方法本課程學(xué)習(xí)方法打好基礎(chǔ)打好基礎(chǔ)復(fù)習(xí)學(xué)過的基礎(chǔ)課復(fù)習(xí)學(xué)過的基礎(chǔ)課認(rèn)真聽課認(rèn)真聽課掌握基本理論和基本方法掌握基本理論和基本方法做好習(xí)題做好習(xí)題鍛煉解決實際問題的能力鍛煉解決實際問題的能力本課程學(xué)習(xí)要求本課程學(xué)習(xí)要求學(xué)會分析、解決工程問題的基本思路和方法學(xué)會分析、解決工程問題的基本思路和方法.五、教學(xué)方法五、教學(xué)方法突出教學(xué)中的重點與難點問題，采用啟發(fā)與突出教學(xué)中的重點與難點問題，采用啟發(fā)與討論的方式，多列舉實際工程中的應(yīng)用示例，討論的方式，多

11、列舉實際工程中的應(yīng)用示例，力求理論聯(lián)系實際；力求理論聯(lián)系實際；采用傳統(tǒng)與現(xiàn)代教學(xué)手段相結(jié)合，將實際控采用傳統(tǒng)與現(xiàn)代教學(xué)手段相結(jié)合，將實際控制系統(tǒng)與控制原理相結(jié)合，把抽象的系統(tǒng)動制系統(tǒng)與控制原理相結(jié)合，把抽象的系統(tǒng)動態(tài)過程與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)關(guān)系形象化，以便態(tài)過程與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)關(guān)系形象化，以便于學(xué)生理解；于學(xué)生理解；加強實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，在加深對理論知識理解加強實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，在加深對理論知識理解的基礎(chǔ)上，提高學(xué)生動手解決問題的能力。的基礎(chǔ)上，提高學(xué)生動手解決問題的能力。.五、選用教材 自動控制原理（第二版）自動控制原理（第二版） 孫炳達(dá)孫炳達(dá) 主編主編機械工業(yè)出版社出版機械工業(yè)出版社出版 該書基本概念

12、清楚，數(shù)學(xué)推導(dǎo)嚴(yán)謹(jǐn)，該書基本概念清楚，數(shù)學(xué)推導(dǎo)嚴(yán)謹(jǐn)，理論系統(tǒng)性強，例題具有代表性，圖解理論系統(tǒng)性強，例題具有代表性，圖解說明性強，習(xí)題豐富，文字簡潔。說明性強，習(xí)題豐富，文字簡潔。.幾點要求：其它其它。關(guān)于關(guān)于出勤出勤課堂課堂紀(jì)律紀(jì)律關(guān)于關(guān)于作業(yè)作業(yè). 第一章第一章 自動控制系統(tǒng)的基本概念自動控制系統(tǒng)的基本概念n1-1 引言引言n1-2 自動控制的基本方式自動控制的基本方式n1-3 自動控制系統(tǒng)的組成自動控制系統(tǒng)的組成n1-4 自動控制系統(tǒng)的分類自動控制系統(tǒng)的分類n1-5 對控制系統(tǒng)的基本要求對控制系統(tǒng)的基本要求n1-6 自動控制系統(tǒng)的發(fā)展簡史自動控制系統(tǒng)的發(fā)展簡史.一、自動控制的基本概念一、

13、自動控制的基本概念現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中的自動控制技術(shù)得到自動控制技術(shù)得到 了廣泛的應(yīng)用了廣泛的應(yīng)用 航天器航天器 工業(yè)控制工業(yè)控制 機器人機器人 家用電器家用電器 自動控制的特征：自動控制的特征： 通過對各類機器、各種物理參量、工通過對各類機器、各種物理參量、工業(yè)生產(chǎn)過程等的控制直接造福于社會。業(yè)生產(chǎn)過程等的控制直接造福于社會。 自動控制：自動控制： 在無人直接參與下，利用控制裝置操在無人直接參與下，利用控制裝置操縱受控對象，使受控對象的被控量按給定縱受控對象，使受控對象的被控量按給定信號變化規(guī)律去變化。信號變化規(guī)律去變化。 自動自動控制控制示意示意 圖圖控制器控制器給定值給定值 檢

14、測元件檢測元件 受控對象受控對象被控量被控量自動控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)控制裝置控制裝置: :受控對象受控對象: : 機器、設(shè)備、機器、設(shè)備、生產(chǎn)過程等生產(chǎn)過程等控制器、檢控制器、檢測元件等測元件等分析和設(shè)計自動控制系統(tǒng)的性能。分析和設(shè)計自動控制系統(tǒng)的性能。自動控制原理的主要任務(wù)：自動控制原理的主要任務(wù)： 下面通過一些實例來說明自動控制和下面通過一些實例來說明自動控制和自動控制系統(tǒng)的基本概念自動控制系統(tǒng)的基本概念1-1 引言引言.例例 水溫人工控制系統(tǒng)水溫人工控制系統(tǒng) 受控對象受控對象:水箱水箱熱傳導(dǎo)器件熱傳導(dǎo)器件系統(tǒng)的構(gòu)成：系統(tǒng)的構(gòu)成：被控制量被控制量:水溫水溫閥門閥門顯示儀表顯示儀表蒸汽蒸汽排

15、水排水冷水冷水熱水熱水工作過程：工作過程： 蒸汽通蒸汽通過熱傳導(dǎo)器過熱傳導(dǎo)器件把熱量傳件把熱量傳遞給水遞給水,水的水的溫度與蒸汽溫度與蒸汽的流量成正的流量成正比比. 手動調(diào)手動調(diào)節(jié)閥門的開節(jié)閥門的開度，從而調(diào)度，從而調(diào)節(jié)蒸汽的流節(jié)蒸汽的流量量,來控制水來控制水的溫度的溫度.但人工難以實現(xiàn)穩(wěn)定的高質(zhì)量控制但人工難以實現(xiàn)穩(wěn)定的高質(zhì)量控制. .例例 水溫自動控制系統(tǒng)水溫自動控制系統(tǒng)系統(tǒng)中增加了：系統(tǒng)中增加了：控制器控制器電機電機加入給定信號加入給定信號工作原理：工作原理：檢測實際溫度檢測實際溫度產(chǎn)生控制信號產(chǎn)生控制信號 通過電機調(diào)通過電機調(diào)節(jié)閥門的開度節(jié)閥門的開度 從而調(diào)節(jié)蒸從而調(diào)節(jié)蒸汽流入，控制汽

16、流入，控制水的溫度水的溫度. 實實現(xiàn)沒有人直接現(xiàn)沒有人直接參入的自動水參入的自動水溫控制溫控制. 為了方便地分析系統(tǒng)性能，一般用為了方便地分析系統(tǒng)性能，一般用框圖來表示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，水溫自動控制系框圖來表示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，水溫自動控制系統(tǒng)可用框圖表示為：統(tǒng)可用框圖表示為： 要使自動控制系統(tǒng)滿足工程實際的需要使自動控制系統(tǒng)滿足工程實際的需要要 , 必須研究自動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)與必須研究自動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)與系統(tǒng)性能之間的關(guān)系。系統(tǒng)性能之間的關(guān)系。實際實際溫度溫度偏差偏差反饋量反饋量預(yù)期預(yù)期溫度溫度_控制器控制器執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)閥門閥門水箱水箱.例：人工控制與自動控制：水箱水位控制問題人工控制給定水

17、位出水口閥門進水口閥門水箱大腦手眼人工控制過程歸納：用眼觀察水位，目測出實際水位高度并反饋到大腦中（測量過程）（測量過程）在腦中與要求水位進行比較，得出偏差大小，決定手的操作動作（決策過程）（決策過程）手執(zhí)行大腦決定的動作，打開或關(guān)閉閥門（執(zhí)行過程）（執(zhí)行過程）.傳感器代替眼看測量出實際水位高度并反饋到控制器在控制器中將實際水位與設(shè)定水位進行比較得出偏差值，對偏差信號進行放大送到執(zhí)行器執(zhí)行器執(zhí)行開關(guān)閥門動作自動控制共同特點：共同特點：通過檢測被控量，得到與給定值的偏差，并去糾通過檢測被控量，得到與給定值的偏差，并去糾正偏差，進而減小偏差。正偏差，進而減小偏差。 在在人工控制人工控制中偏差是通過

18、人眼觀測后，由人腦判斷、決中偏差是通過人眼觀測后，由人腦判斷、決策得出的；策得出的； 在在自動控制自動控制系統(tǒng)中偏差則是通過反饋，由控制器系統(tǒng)中偏差則是通過反饋，由控制器進行比較、計算產(chǎn)生的。進行比較、計算產(chǎn)生的。給定水位出水口閥門進水口閥門水箱控制器執(zhí)行機構(gòu)傳感器 自動控制過程歸納：.桿杠長度桿杠長度例例 液位自動控制系統(tǒng)液位自動控制系統(tǒng)h水箱水箱桿杠桿杠浮球浮球 閥門閥門進水進水系統(tǒng)組成：系統(tǒng)組成：出水出水被控制量：被控制量：水位高度水位高度工作原理：工作原理： 調(diào)節(jié)杠桿調(diào)節(jié)杠桿長度長度 L ，通過，通過杠桿機構(gòu)調(diào)節(jié)杠桿機構(gòu)調(diào)節(jié)閥門的開度，閥門的開度，從而調(diào)節(jié)進水從而調(diào)節(jié)進水量以控制液位量

19、以控制液位的高度。的高度。L.系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖所示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖所示: 杠杠 桿桿浮球浮球hr(s)h(t)閥門閥門水箱水箱機機 構(gòu)構(gòu).分析控制系統(tǒng)的工作原理分析人要做這個事情的思路分析控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計與組成系統(tǒng)分析控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)是否能夠完成任務(wù)自動控制理論研究和分析控制系統(tǒng)共性的理論 自動控制就是利用控制裝置代替人去自動地完成人要完成的事情.1開環(huán)控制開環(huán)控制有順向作用而無反向聯(lián)系有順向作用而無反向聯(lián)系.自動控制系統(tǒng)從控制的基本方式看，可分自動控制系統(tǒng)從控制的基本方式看，可分為開環(huán)控制、閉環(huán)控制和復(fù)合控制。為開環(huán)控制、閉環(huán)控制和復(fù)合控制。開環(huán)控制開環(huán)控制控制裝置與受控對象之間只控

20、制裝置與受控對象之間只n1-2 自動控制的基本方式自動控制的基本方式.例例 轉(zhuǎn)臺速度開環(huán)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺速度開環(huán)控制系統(tǒng) 這種轉(zhuǎn)臺在這種轉(zhuǎn)臺在CD機、計算機磁盤驅(qū)動器機、計算機磁盤驅(qū)動器等現(xiàn)代裝置中廣泛應(yīng)用等現(xiàn)代裝置中廣泛應(yīng)用.轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)臺 電機電機電源和放電源和放 大裝置大裝置速度設(shè)置速度設(shè)置系統(tǒng)組成：系統(tǒng)組成：由圖可見：由圖可見： 被控制量速被控制量速度沒有反饋到度沒有反饋到輸入端與給定輸入端與給定信號比較信號比較,為開為開環(huán)控制系統(tǒng)。環(huán)控制系統(tǒng)。.預(yù)期速度預(yù)期速度實際轉(zhuǎn)速實際轉(zhuǎn)速直流電動機直流電動機轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)臺放大器放大器 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制過程均很簡單，但抗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制過程均很簡單，但抗擾能力差，控

21、制精度不高，故一般只能用擾能力差，控制精度不高，故一般只能用于對控制性能要求較低的場合。于對控制性能要求較低的場合。 轉(zhuǎn)臺速度開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)臺速度開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖:開環(huán)控制的特點：開環(huán)控制的特點： 2閉環(huán)控制閉環(huán)控制 有順向作用，而且還有反向聯(lián)系有順向作用，而且還有反向聯(lián)系.閉環(huán)控制閉環(huán)控制: 閉環(huán)控制又稱為閉環(huán)控制又稱為反饋控制反饋控制或或偏差控制偏差控制。 控制裝置與受控對象之間，不但控制裝置與受控對象之間，不但 .例例 轉(zhuǎn)臺速度閉環(huán)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺速度閉環(huán)控制系統(tǒng)實現(xiàn)對速度的閉環(huán)控制。實現(xiàn)對速度的閉環(huán)控制。 測速發(fā)電測速發(fā)電機是一種傳機是一種傳 感器感器 測出電動測出電動機的速度與機

22、的速度與給定信號比給定信號比較產(chǎn)生偏差較產(chǎn)生偏差電壓電壓.測速機測速機偏差偏差反饋量反饋量預(yù)期速度預(yù)期速度實際轉(zhuǎn)速實際轉(zhuǎn)速直流電動機直流電動機轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)臺放大器放大器_ 當(dāng)實際速度受擾動的影響發(fā)生變化時，當(dāng)實際速度受擾動的影響發(fā)生變化時，通過系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，從而消除擾動對速度的通過系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，從而消除擾動對速度的影響。影響。轉(zhuǎn)臺速度閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)臺速度閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖.放大裝置放大裝置例例 位置隨動系統(tǒng)位置隨動系統(tǒng)環(huán)型電位器環(huán)型電位器電機電機電源電源齒輪齒輪系統(tǒng)組成：系統(tǒng)組成：負(fù)載負(fù)載給定轉(zhuǎn)角給定轉(zhuǎn)角r輸出轉(zhuǎn)角輸出轉(zhuǎn)角c工作過程：工作過程：r=cUd= 0UdrcUd0電動機帶動電動機帶動齒輪

23、轉(zhuǎn)動齒輪轉(zhuǎn)動,系系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)節(jié)統(tǒng)閉環(huán)調(diào)節(jié).電動機靜止電動機靜止.m mr r _c cu ue eu ud d放大器放大器電位器電位器電動機電動機減速器減速器位置隨動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖位置隨動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖.例例 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流電動機調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流電動機調(diào)速系統(tǒng)直流電機直流電機測速發(fā)電機測速發(fā)電機電源和放電源和放 大裝置大裝置負(fù)載負(fù)載系統(tǒng)組成：系統(tǒng)組成：UnUf給定電壓給定電壓反饋電壓反饋電壓e=Un-Uf 轉(zhuǎn)速取決轉(zhuǎn)速取決于給定電壓于給定電壓與反饋電壓與反饋電壓的差值。的差值。. 調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖unufeudn_直流電動機直流電動機放大器放大器測速機測速機 由電網(wǎng)電壓波動，負(fù)載變化以

24、及其他部由電網(wǎng)電壓波動，負(fù)載變化以及其他部分的參數(shù)變化所引起的轉(zhuǎn)速變化，都可以通分的參數(shù)變化所引起的轉(zhuǎn)速變化，都可以通過系統(tǒng)的自動調(diào)整加以抑制。過系統(tǒng)的自動調(diào)整加以抑制。 nUf eUd n 減小或消除由于擾動所形成的偏差值，減小或消除由于擾動所形成的偏差值，具有較高的控制精度和較強的抗擾能力。具有較高的控制精度和較強的抗擾能力。閉環(huán)控制系統(tǒng)具有的特點：閉環(huán)控制系統(tǒng)具有的特點：.輸入量輸入量控制器控制器被控對象被控對象輸出量輸出量干擾干擾執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)應(yīng)用應(yīng)用：多用于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)穩(wěn)定和干擾較小的場合。 如：自動化流水線、自動洗衣機 .應(yīng)用：應(yīng)用：對系統(tǒng)有精度要求時廣泛采用反饋控制是最基本的閉

25、對系統(tǒng)有精度要求時廣泛采用反饋控制是最基本的閉環(huán)控制方式。環(huán)控制方式。輸入量輸入量控制器控制器被控對象被控對象輸出量輸出量干擾干擾執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)檢測裝置檢測裝置ugufnno.uf三、復(fù)合控制1。按輸入信號補償?shù)膹?fù)合控制輸入量輸入量控制器控制器被控對象被控對象輸出量輸出量干擾干擾執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)檢測裝置檢測裝置補償裝置補償裝置補償裝置補償裝置補償裝置補償裝置補償裝置補償裝置nougtuug輸入量tuug補償量C方波信號 微分 脈沖信號補償量tuug輸入量應(yīng)用：提高系統(tǒng)跟蹤輸入信號的能力和精度tnn0輸出量tnn0輸出量tnn0輸出量tnn0輸出量.2。按干擾作用補償?shù)膹?fù)合控制輸出量輸出量輸入

26、量輸入量控制器控制器被控對象被控對象干擾干擾執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)檢測裝置檢測裝置補償裝置補償裝置檢測出干擾量，通過補償裝置對輸入信號進行補償以抵消干擾對系統(tǒng)輸出量的影響應(yīng)用：增強系統(tǒng)的抗干擾能力.n1-3 自動控制系統(tǒng)的組成自動控制系統(tǒng)的組成輸出量輸出量給定給定環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)被控對象被控對象干擾干擾執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu) 反反 饋饋校正裝置校正裝置放大環(huán)節(jié)放大環(huán)節(jié)串聯(lián)校正串聯(lián)校正裝置裝置檢測裝置檢測裝置要求實現(xiàn)自動控制的設(shè)備或過程被控設(shè)備或過程中需要控制的參數(shù)即被控參數(shù)被控參數(shù)測量測量被控參數(shù)的傳感器與測量電路，它將系統(tǒng)的實際輸出反饋到輸入端設(shè)定與系統(tǒng)輸出希望值相對應(yīng)的輸入指令指令改善系統(tǒng)性能的環(huán)節(jié)，因為串聯(lián)

27、在系統(tǒng)的輸入端，又稱串聯(lián)校正校正輸入與輸出之間進行比較，產(chǎn)生偏差偏差信號，該偏差信號描述了系統(tǒng)期望值與實際值之間的誤差誤差將微小的偏差信號進行放大放大，使之達(dá)到控制執(zhí)行機構(gòu)的能量要求執(zhí)行控制任務(wù)，驅(qū)動被控對象的動力設(shè)備改善局部環(huán)節(jié)性能的裝置，用反饋的方法調(diào)整局部信號達(dá)到校正校正的目的，所以稱反饋校正（或并聯(lián)校正）順著從輸入到輸出的信號傳遞方向走出的通道稱為前向通道前向通道將輸出（局部輸出）送回到輸入（局部輸入）的通道被稱為反饋通道反饋通道連接輸入與系統(tǒng)輸出的反饋通道被稱為主主反饋通道將局部輸出送回到局部輸入的通道被稱為局部局部反饋通道典型閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖典型閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖.n1-4 自動控制

28、系統(tǒng)的分類自動控制系統(tǒng)的分類按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分，開環(huán) / 閉環(huán)控制系統(tǒng)按輸入量形式分，恒值 / 隨動控制系統(tǒng)按信號傳遞形式分，連續(xù) / 離散控制系統(tǒng)按系統(tǒng)是否滿足疊加性分，線性 / 非線性控制系統(tǒng)按系統(tǒng)執(zhí)行裝置分，機電 / 液壓 / 氣壓控制系統(tǒng)等 可以從不同角度對控制系統(tǒng)進行分類：可以從不同角度對控制系統(tǒng)進行分類：. 系統(tǒng)輸入量為常值，要求被控量也等于常值。 系統(tǒng)的基本任務(wù)是當(dāng)出現(xiàn)擾動時，使系統(tǒng)的輸出量保持為恒定的期望值 工業(yè)產(chǎn)生中的溫度、壓力、流量、液面等參數(shù)的控制電力系統(tǒng)的電網(wǎng)電壓、頻率控制等 2.程序控制系統(tǒng) 系統(tǒng)輸入量按預(yù)定規(guī)律變化，系統(tǒng)的控制過程按預(yù)定的程序進行。數(shù)控機床按預(yù)定程序自動地

29、切削工件。 石油化學(xué)工業(yè)中的反應(yīng)塔。 一一. .按輸入量的特征按輸入量的特征 1.恒值控制系統(tǒng).系統(tǒng)輸入量隨時間任意變化。系統(tǒng)輸出量常是機械位移、速度、加速度、力、力矩等機械量。系統(tǒng)的基本任務(wù)是使系統(tǒng)輸出量能快速、準(zhǔn)確地跟隨輸入量變化。機械加工中的仿形機床。 武器裝備中的火炮自動瞄準(zhǔn)系統(tǒng)、雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)、導(dǎo)彈目標(biāo)自動跟蹤系統(tǒng) 3.伺服系統(tǒng)又稱隨動系統(tǒng).系統(tǒng)的給定值為一定值，而控制任務(wù)就是系統(tǒng)的給定值為一定值，而控制任務(wù)就是克服擾動，使被控量保持恒值?？朔_動，使被控量保持恒值。 例如：電機速度例如：電機速度控制、恒溫、恒控制、恒溫、恒壓、水位控制系壓、水位控制系統(tǒng)等。統(tǒng)等。 1.恒值控制系統(tǒng)：恒

30、值控制系統(tǒng)： .2.隨動系統(tǒng)：隨動系統(tǒng)： 系統(tǒng)給定值按照事先不知道的時間函系統(tǒng)給定值按照事先不知道的時間函數(shù)變化，并要求被控量跟隨給定值變化。數(shù)變化，并要求被控量跟隨給定值變化。如：火炮自動如：火炮自動跟蹤系統(tǒng)、輪跟蹤系統(tǒng)、輪舵位置控制系舵位置控制系統(tǒng)等。統(tǒng)等。.3.程序控制系統(tǒng)：程序控制系統(tǒng)： 系統(tǒng)的給定值按照一定的時間函數(shù)系統(tǒng)的給定值按照一定的時間函數(shù)變化，并要求被控量隨之變化。變化，并要求被控量隨之變化。 例如：例如：數(shù)控伺服數(shù)控伺服 系統(tǒng)系統(tǒng).自動化生產(chǎn)線：自動化生產(chǎn)線：.二、連續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng)二、連續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)中各部分的信號若都是時間 t 的連續(xù)函數(shù)，則稱

31、這類系統(tǒng)為連續(xù)控制系統(tǒng)。在控制系統(tǒng)各部分的信號中只要有一個是時間 t 的離散信號，則稱這種系統(tǒng)為離散控制系統(tǒng)。l脈沖和數(shù)碼都屬于離散信號。l計算機控制系統(tǒng)就是一種常見的離散控制系統(tǒng)。l計算機只能接受和處理數(shù)字信號，計算機的輸出經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換加給放大器，然后再去驅(qū)動執(zhí)行元件，或由計算機直接輸出數(shù)字信號，經(jīng)數(shù)字放大器后驅(qū)動數(shù)字式執(zhí)行元件。.三、線性控制系統(tǒng)和非線性控制系統(tǒng)三、線性控制系統(tǒng)和非線性控制系統(tǒng)用非線性方程描述的系統(tǒng)，稱為非線性系統(tǒng)。線性系統(tǒng)特性線性系統(tǒng)特性疊加性疊加性齊次性齊次性（均勻性）如果微分方程或差分方程的系數(shù)為常數(shù)，則稱為線性定常數(shù)系統(tǒng)；否則，稱為線性時變系統(tǒng)。可用線性微分方程或差

32、分方程描述的系統(tǒng)，稱為線性系統(tǒng)。 .n1-5 對控制系統(tǒng)的基本要求對控制系統(tǒng)的基本要求 控制系統(tǒng)應(yīng)用于不同場合，對它有不同控制系統(tǒng)應(yīng)用于不同場合，對它有不同的性能要求。但從控制工程的角度來看，卻的性能要求。但從控制工程的角度來看，卻有一些共同的標(biāo)準(zhǔn)。常見的評價系統(tǒng)優(yōu)劣的有一些共同的標(biāo)準(zhǔn)。常見的評價系統(tǒng)優(yōu)劣的性能指標(biāo)基本有三個方面：性能指標(biāo)基本有三個方面：穩(wěn)穩(wěn)、快快、準(zhǔn)準(zhǔn)。 二、快速性二、快速性一、穩(wěn)定性一、穩(wěn)定性三、準(zhǔn)確性三、準(zhǔn)確性. 系統(tǒng)受外作用力后系統(tǒng)受外作用力后,其動態(tài)過程的振其動態(tài)過程的振蕩傾向和系統(tǒng)恢復(fù)平衡的能力。蕩傾向和系統(tǒng)恢復(fù)平衡的能力。一、穩(wěn)定性一、穩(wěn)定性穩(wěn)定性：穩(wěn)定性： 如果

33、系統(tǒng)受外作用力經(jīng)過一段時間如果系統(tǒng)受外作用力經(jīng)過一段時間，其被控量達(dá)到某一穩(wěn)定狀態(tài)，則系統(tǒng)，其被控量達(dá)到某一穩(wěn)定狀態(tài)，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的。是穩(wěn)定的。否則為不穩(wěn)定的。否則為不穩(wěn)定的。穩(wěn)定系統(tǒng)的動態(tài)過程穩(wěn)定系統(tǒng)的動態(tài)過程r(t)t0c(t)1r(t)c(t)不穩(wěn)定系統(tǒng)的動態(tài)過程不穩(wěn)定系統(tǒng)的動態(tài)過程(a) 給定信號作用給定信號作用c(t)(b) 擾動信號作用擾動信號作用d(t)t0c(t)r(t)t0c(t)r(t)c(t)d(t) 不穩(wěn)定的系統(tǒng)是無法正常工作的。不穩(wěn)定的系統(tǒng)是無法正常工作的。 . 一種過渡過程是收斂的，即過渡過程結(jié)束后，系統(tǒng)又趨于平衡狀態(tài)，這類系統(tǒng)稱為穩(wěn)定的； 另一種過渡過程是發(fā)散的，

34、這類系統(tǒng)稱為不穩(wěn)定的； 等幅振蕩也被認(rèn)為是不穩(wěn)定的。 顯然，系統(tǒng)穩(wěn)定是保證系統(tǒng)能正常工作的首要條件。 . 通過動態(tài)過程時間長短表征。時間通過動態(tài)過程時間長短表征。時間越短，表明快速性越好，反之亦然。越短，表明快速性越好，反之亦然。二、快速性二、快速性r(t)t0c(t)r(t)c1(t)c2(t) 快速性表明了系統(tǒng)輸出對輸入響應(yīng)快速性表明了系統(tǒng)輸出對輸入響應(yīng)的快慢程度的快慢程度. 由輸入給定值與輸出響應(yīng)的終值之由輸入給定值與輸出響應(yīng)的終值之間的差值間的差值ess大小表征。大小表征。三、準(zhǔn)確性三、準(zhǔn)確性r(t)t0c(t)r(t)c(t)ess.過渡過程結(jié)束后，輸出量的期望值與實際值之差。 數(shù)控

35、機床的加工誤差小于0.02mm。 一般恒速、恒溫控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差都在給定值的1%以內(nèi)。同一個系統(tǒng)，穩(wěn)、快、準(zhǔn)是相互制約的。同一個系統(tǒng)，穩(wěn)、快、準(zhǔn)是相互制約的。提高快速性，可能會引起系統(tǒng)強烈振動。提高快速性，可能會引起系統(tǒng)強烈振動。改善了平穩(wěn)性，控制過程又可能很遲緩，改善了平穩(wěn)性，控制過程又可能很遲緩，甚至精度也會變差。甚至精度也會變差。分析和解決這些矛盾，將是本學(xué)科討論的分析和解決這些矛盾，將是本學(xué)科討論的重要內(nèi)容。重要內(nèi)容。.n1-6 自動控制系統(tǒng)的發(fā)展簡史自動控制系統(tǒng)的發(fā)展簡史經(jīng)典控制理論（19世紀(jì)初）時域法；時域法；復(fù)域法（根軌跡）；復(fù)域法（根軌跡）；頻域法頻域法現(xiàn)代控制理論（20世紀(jì)

36、50年代）線性控制線性控制最優(yōu)控制最優(yōu)控制最佳估計最佳估計系統(tǒng)識別系統(tǒng)識別自適應(yīng)控制自適應(yīng)控制魯棒控制魯棒控制容錯控制容錯控制集散控制集散控制大系統(tǒng)復(fù)雜系統(tǒng)大系統(tǒng)復(fù)雜系統(tǒng)智能控制理論（20世紀(jì)70年代）專家控制專家控制 模糊控制模糊控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 遺傳算法遺傳算法.14001900 工業(yè)機器時代亞歷山大的希羅發(fā)明開閉廟門和分發(fā)圣水等自動裝置 (100年) 。中國張衡發(fā)明水運渾象，研制出自動測量地震的候風(fēng)地動儀 (132年)。自動控制的發(fā)展簡史.中國馬鈞研制出用齒輪傳動的自動指示方向的指南車 (235年) 中國明代宋應(yīng)星所著工開物記載有程序控制思想的提花織機結(jié)構(gòu)圖 (1637年). 英國

37、J. Watt用離心式調(diào)速器控制蒸汽機的速度 (1788年).錢學(xué)森的工程控制論( Engineering Cybernetics) (1954).美國 MIT研制出第一臺數(shù)控機床 (1952).美國研制出第一臺工業(yè)機器人樣機 (1954).計算機集成制造的概念(1969).由加工中心和工業(yè)機器人組成的柔性制造單元 (1976).中國批準(zhǔn) 863高技術(shù)計劃，包括自動化領(lǐng)域的計算機集成制造系統(tǒng)和智能機器人兩個主題 (1986).世界第一顆人造地球衛(wèi)星由蘇聯(lián)發(fā)射成功(1957).蘇聯(lián)東方-號飛船載著加加林進入人造地球衛(wèi)星軌道,人類宇航時代開始了 (1961)。.蘇聯(lián)發(fā)射“月球”9號探測器，成功(1

38、966)。三年后 (1969)，美國“阿波羅” 11號把宇航員送上月球。.火箭部分火箭部分-2077個傳感器個傳感器阿波羅阿波羅1010（1969年年5月月18日日 ）飛船部分飛船部分-1218個傳感器，個傳感器，對對32953295個測量參數(shù)進行檢測。個測量參數(shù)進行檢測。 阿波羅阿波羅1111(1969.7.16-24)(1969.7.16-24)阿波羅阿波羅1010阿波羅阿波羅1111.“勇氣號勇氣號”火星車火星車留下的輪轍的照片留下的輪轍的照片“勇氣號勇氣號”拍攝的火星拍攝的火星玄武巖的照片玄武巖的照片 2003年年6月月10日日“機遇號機遇號”拍攝的火星沙丘拍攝的火星沙丘 2003年年6月月25日日2004年年1月月3日和日和24日分別登上火星日分別登上火星. 第一臺火星探測器在火星表面軟著陸(1996).工業(yè)機器人簡單移物.軍用機器人美國.人形機器人操作機.小車蹺蹺板2007年全國電子設(shè)計大賽.本章小結(jié) 本章介紹了自動控制理論的應(yīng)用領(lǐng)域、本章介紹了自動控制理論的應(yīng)用領(lǐng)域、發(fā)展過程、基本方式和組成、分類以及基發(fā)展過程、基本方式和組成、分類以及基本要求等相關(guān)基本概念。通過一些控制系本要求等相關(guān)基本概念。通過一些控制系統(tǒng)實例討論了手動控制、自動控制的工作統(tǒng)實例討論了手動控制、自動控制的工作原理、方框圖。原理