《自動控制原理教學(xué)》第1章緒論

1、 自動控制原理2022年1月22日星期六主講教師：張雅彬聯(lián)系方式： 通信技術(shù)研究所通信技術(shù)研究所整理課件:2教材及主要參考資料教材及主要參考資料教材：教材：自動控制原理（線性部分）自動控制原理（線性部分）李一兵等編李一兵等編著著 哈爾濱工程大學(xué)出版社哈爾濱工程大學(xué)出版社 20072007年年7 7月第月第2 2次印刷次印刷 通信技術(shù)研究所通信技術(shù)研究所整理課件:3要求：要求： 做好筆記（做好筆記（尤其習(xí)題?？荚噧?nèi)容以上課講的為準(zhǔn)尤其習(xí)題?？荚噧?nèi)容以上課講的為準(zhǔn)） 帶計(jì)算器帶計(jì)算器考核方式：閉卷筆試考核方式：閉卷筆試 通信技術(shù)研究所通信技術(shù)研究所整理課件:4學(xué)時安排學(xué)時安排1 1 自動控制的基本

2、概念自動控制的基本概念 （2 2學(xué)時）學(xué)時）（1 1）控制系統(tǒng)的基本概念）控制系統(tǒng)的基本概念（2 2）控制系統(tǒng)的組成）控制系統(tǒng)的組成（3 3）控制系統(tǒng)分類）控制系統(tǒng)分類（4 4）反饋控制系統(tǒng)的基本要求）反饋控制系統(tǒng)的基本要求2 2 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 （6 6學(xué)時）學(xué)時） （1 1）控制系統(tǒng)微分方程的建立）控制系統(tǒng)微分方程的建立（2 2）控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)（拉氏變換）控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)（拉氏變換）（3 3）動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其等效變換、梅森公式）動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其等效變換、梅森公式 通信技術(shù)研究所通信技術(shù)研究所整理課件:53 時域分析法 （10學(xué)時）（1）典型輸入信號作用下一階、二階系統(tǒng)時

3、域響應(yīng) （2）控制系統(tǒng)時域性能指標(biāo) （3）控制系統(tǒng)穩(wěn)定性 （勞斯判據(jù)）（4）穩(wěn)態(tài)誤差分析與計(jì)算 4 根軌跡分析 （4學(xué)時） （1）根軌跡概念及根軌跡方程（2）根軌跡繪制原則（簡要）（3）控制系統(tǒng)根軌跡分析 5 頻率法（10學(xué)時）（1）典型環(huán)節(jié)頻率特性 ，頻域性能指標(biāo)（2）系統(tǒng)開環(huán)頻率特性（3）穩(wěn)定判據(jù),穩(wěn)定裕度（4）利用開環(huán)頻率特性分析系統(tǒng)的性能 通信技術(shù)研究所通信技術(shù)研究所整理課件:66 控制系統(tǒng)校正（8學(xué)時）（1）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正原理（2）控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)（3）串聯(lián)校正（超前校正、滯后校正、滯后超前校正） 通信技術(shù)研究所通信技術(shù)研究所整理課件:7第1章 緒論1.1 自動控制的基本原理

4、與系統(tǒng)組成1.2 自動控制的分類1.3 自動控制理論的發(fā)展概況1.4 自動控制的主要研究內(nèi)容與基本要求 通信技術(shù)研究所通信技術(shù)研究所整理課件:81.1 自動控制的基本原理與系統(tǒng)組成人工控制與自動控制 控制的概念：為了滿足預(yù)期要求所進(jìn)行的操作或 調(diào)整過程 可分為人工控制和自動控制 自動控制是在人工控制的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的?；靖拍?自動控制自動控制：是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置，使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程的某個工作狀態(tài)或參數(shù)自動的按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。 通信技術(shù)研究所通信技術(shù)研究所整理課件:9人工控制示例水池水位系統(tǒng)控制目的：水池水位與要求值要相等控制手段：改變進(jìn)水閥門的開度人工控

5、制過程1.測量過程（眼睛）2.決策過程（大腦）3.執(zhí)行過程（手）水池水位是被控變量，水池是被控對象 通信技術(shù)研究所通信技術(shù)研究所整理課件:101.1.2 自動控制系統(tǒng)的組成自動控制系統(tǒng)：被控對象和自動控制裝置按一定方式 連接起來，完成一定控制任務(wù)。自動控制系統(tǒng)一般包括如下幾部分： 通信技術(shù)研究所通信技術(shù)研究所整理課件:111.2 自動控制的分類1.2.1 按控制方式 開環(huán)控制 閉環(huán)控制（反饋控制） 復(fù)合控制 開環(huán)控制是指系統(tǒng)的輸出量對系統(tǒng)的控制作用無任何影響的控制過程。 閉環(huán)控制是指系統(tǒng)的輸出量對控制作用有影響的控制過程，也稱為反饋控制 通信技術(shù)研究所通信技術(shù)研究所整理課件:12開環(huán)系統(tǒng)框圖開

6、環(huán)控制特點(diǎn)： （1）無反饋。作用信號由輸入到輸出單方向傳遞。 （2）結(jié)構(gòu)簡單，但須選高精度高穩(wěn)定性元件 （3）控制精度取決于控制器及被控對象的參數(shù)穩(wěn)定性，容易受干擾影響，缺乏精確性和適應(yīng)性。 （4）響應(yīng)速度快，無穩(wěn)定性問題 （5）可根據(jù)給定值或可測量到的擾動量進(jìn)行補(bǔ)償 通信技術(shù)研究所通信技術(shù)研究所整理課件:13例：汽車駕駛控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng) 通信技術(shù)研究所通信技術(shù)研究所整理課件:14開環(huán)控制與閉環(huán)控制比較定義：開環(huán)控制是指系統(tǒng)的輸出量對系統(tǒng)的控制作用無任何影響的控制過程。閉環(huán)控制是指系統(tǒng)的輸出量對控制作用有影響的控制過程，也稱為反饋控制本質(zhì)區(qū)別：輸出量是否參與控制 通信技術(shù)研究所通信技術(shù)研究

7、所整理課件:15開環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn) （1）無反饋。作用信號由輸入到輸出單方向傳遞。 （2）結(jié)構(gòu)簡單，但須選高精度高穩(wěn)定性元件 （3）控制精度取決于控制器及被控對象的參數(shù)穩(wěn)定性，容易受干擾影響，缺乏精確性和適應(yīng)性。 （4）響應(yīng)速度快，無穩(wěn)定性問題 （5）可根據(jù)給定值或可測量到的擾動量進(jìn)行補(bǔ)償 通信技術(shù)研究所通信技術(shù)研究所整理課件:16閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)（1）由反饋構(gòu)成閉環(huán)，利用偏差信號進(jìn)行控制（2）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，除測量元件外，其它元件可選低廉 元件（3）抗干擾，控制精度高（4）存在穩(wěn)定性問題。 系統(tǒng)元件參數(shù)配合不當(dāng)，容易產(chǎn)生振蕩（5）系統(tǒng)的被控量可測 通信技術(shù)研究所通信技術(shù)研究所整理課件:17n若系

8、統(tǒng)的輸入量可預(yù)知，系統(tǒng)本身對干擾能有效的抑制， 被控量很難檢測，可采用開環(huán)控制n否則，采用閉環(huán)控制n開環(huán)控制閉環(huán)控制復(fù)合控制自動控制理論主要研究閉環(huán)系統(tǒng) 通信技術(shù)研究所通信技術(shù)研究所整理課件:18典型自動控制系統(tǒng) 通信技術(shù)研究所通信技術(shù)研究所整理課件:19各元件（或裝置）的作用（1）測量元件：對系統(tǒng)輸出量 進(jìn)行測量，將輸出量 變換成主反饋信號（2）比較元件：對系統(tǒng)的輸入量 和主反饋信號 進(jìn)行加減計(jì)算，給出偏差信號（3）放大元件：對微弱的偏差信號進(jìn)行放大和變換， 輸出足夠功率和要求的控制量（4）執(zhí)行元件：根據(jù)控制量對被控對象執(zhí)行控制任 務(wù)，使被控量 與希望值趨于一致（5）被控對象：系統(tǒng)所要控制的

9、機(jī)器設(shè)備或生產(chǎn)過程（6）反饋校正元件：參數(shù)或結(jié)構(gòu)便于調(diào)整的元件，用 于改善系統(tǒng)性能erbmcr 通信技術(shù)研究所通信技術(shù)研究所整理課件:20常用術(shù)語：（1）系統(tǒng)輸出：被控變量（2）給定值（參考輸入）：系統(tǒng)的給定輸入，由控制者決定被控變量的期望值。（3）擾動：系統(tǒng)不需要而又難于避免的輸入，它使得被控量偏離給定值。擾動即可來自系統(tǒng)內(nèi)部又可來自外部（4）偏差：給定值測量值 通信技術(shù)研究所通信技術(shù)研究所整理課件:21主回路：前向通路主反饋通路單回路系統(tǒng)：只有一個反饋通路的系統(tǒng)多回路系統(tǒng)：有兩個以上反饋通路的系統(tǒng)前向通路：信號從輸入端沿箭頭方向到達(dá)輸出端的傳輸通路。主反饋通路：系統(tǒng)輸出量經(jīng)測量裝置反饋到輸

10、入端的傳輸通路。 通信技術(shù)研究所通信技術(shù)研究所整理課件:22反饋控制原理：n被控變量作為反饋信號，與希望值比較得到偏差輸入；n根據(jù)輸入偏差大小，調(diào)整控制信號；n控制信號通過執(zhí)行器的操作消除偏差，實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)。反饋：輸出量經(jīng)測量后的信號回送到輸入端反饋連接方式：負(fù)反饋：反饋信號的極性與輸入信號相反，使被控對象 的輸出趨向希望值。 通信技術(shù)研究所通信技術(shù)研究所整理課件:23反饋控制系統(tǒng)舉例船舶航向控制系統(tǒng)對比典型自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（1）控制任務(wù)：保持指令航向不變（2）被控對象：船舶（3）被控量：船舶實(shí)際航向（4）測量元件：羅經(jīng)（5）自動舵控制器 通信技術(shù)研究所通信技術(shù)研究所整理課件:24( )( )

11、( )c tr tr t( )( )( )c tr tr t1.2.2 其他分類n按輸入信號特征分類（1）恒值系統(tǒng)(自穩(wěn)定系統(tǒng)) 控制任務(wù)： , 常數(shù) 分析設(shè)計(jì)重點(diǎn)：研究干擾對被控對象的影響， 克服擾動（2）隨動系統(tǒng) 控制任務(wù)： 隨機(jī)變化 分析設(shè)計(jì)重點(diǎn)：系統(tǒng)跟蹤的快速性、準(zhǔn)確性（3）程序控制系統(tǒng) 控制任務(wù)： 預(yù)先規(guī)定時間函數(shù)變化 通信技術(shù)研究所通信技術(shù)研究所整理課件:2512( )( ) ( )( ) ( )( )c ta t c ta t c tr tn按描述系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型分類（1）線性系統(tǒng)（2）非線性n按控制系統(tǒng)傳遞信號性質(zhì)（1）連續(xù)系統(tǒng)（2）離散系統(tǒng)n按系統(tǒng)參數(shù)是否隨時間變化（1）定常系

12、統(tǒng)（2）時變系統(tǒng)：參數(shù)不是常數(shù)1111011011nnmmnnmmnnmmd cd cdcd rdrdraaaac bbbbrdtdtdtdtdtdt 通信技術(shù)研究所通信技術(shù)研究所整理課件:261.3 控制理論的發(fā)展?fàn)顩r 自動控制理論按其發(fā)展過程，可分為經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論兩大部分1.3.1 經(jīng)典控制理論（古典控制理論）（1）1769年J.詹姆斯.瓦特（，）發(fā)明了蒸汽機(jī)調(diào)速器飛球調(diào)速器，這是自動控制技術(shù)在工業(yè)過程中的最早應(yīng)用。不過，該裝置在某些條件下會自發(fā)振蕩。（2）1868年麥克斯韋爾（）根據(jù)力學(xué)原理，用常系數(shù)微分方程描述了蒸汽機(jī)離心調(diào)速器系統(tǒng)（3）1875年勞斯（，英）提出了Rout

13、h判據(jù) 通信技術(shù)研究所通信技術(shù)研究所整理課件:27（4）1892李亞普諾夫（俄）提出了運(yùn)動穩(wěn)定性的一般問題。（5）1895年古爾維次（，德）提出了關(guān)于穩(wěn)定性的代數(shù)判據(jù)（6）1932年奈奎斯（Nyquist）在研究負(fù)反饋放大器時創(chuàng)立了有名的穩(wěn)定性判據(jù)，根據(jù)系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性，可判斷閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并給出了穩(wěn)定裕度的信息。（7）1948年，伊萬斯（）提出了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的根軌跡方法。 建立在頻率法和根軌跡法基礎(chǔ)上的控制理論稱為經(jīng)典控制理論。 隨后經(jīng)典控制理論又添加了非線性系統(tǒng)理論和離散控制理論，形成了完整的理論體系。 通信技術(shù)研究所通信技術(shù)研究所整理課件:28經(jīng)典控制理論包括：（1）線性控制理論：

14、時域分析法，根軌跡法，頻率分析法（2）非線性控制理論：描述函數(shù)法、相平面法，李亞普諾夫第二法，波波夫法（3）采樣控制理論：Z變換法經(jīng)典控制理論使用范圍 以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，主要研究單輸入單輸出、線性、定?？刂葡到y(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)。 通信技術(shù)研究所通信技術(shù)研究所整理課件:29現(xiàn)代控制理論 20世紀(jì)50年代末，伴隨著電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展和航天 技術(shù)革命，形成了現(xiàn)代控制理論（1）1956年龐特里亞金（俄）提出了最大值原理（2）1957年貝爾曼（，美）提出了動態(tài)規(guī)劃理論（3）1960年卡爾曼（）提出了狀態(tài)空間的方法、能控性與能觀性的概念，以及最優(yōu)濾波理論，被認(rèn)為是現(xiàn)代控制理論的開端。 通信技術(shù)研究所通信技術(shù)研究

15、所整理課件:30（4）從60年代至今，現(xiàn)代控制理論迅速發(fā)展，形成了線性系統(tǒng)理論、最優(yōu)控制理論、動態(tài)系統(tǒng)辨識、自適應(yīng)控制、大系統(tǒng)理論、魯棒控制、智能控制系統(tǒng)等學(xué)科分支。現(xiàn)代控制理論適用范圍現(xiàn)代控制理論以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究單輸入單輸出、多輸入多輸出，定?；驎r變、線性或非線性等控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì) 通信技術(shù)研究所通信技術(shù)研究所整理課件:311.4 自動控制的主要研究內(nèi)容與基本要求1.4.1 自動控制的主要研究內(nèi)容（1）系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型（2）系統(tǒng)分析 研究系統(tǒng)在給定變化或干擾作用下的運(yùn)動規(guī)律、 系統(tǒng)性能，以及域系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系等。 方法：時域法、根軌跡法、頻率特性法（3）系統(tǒng)設(shè)計(jì) 怎樣設(shè)計(jì)一個控制

16、系統(tǒng)，使它的運(yùn)動具有給定 的性質(zhì)和特征？ 通信技術(shù)研究所通信技術(shù)研究所整理課件:32( )( )c tr t1.4.2 自動控制的基本要求自動控制任務(wù)的表達(dá)式：基本要求體現(xiàn)在穩(wěn)定性、動態(tài)特性、穩(wěn)態(tài)特性三個方面簡稱“穩(wěn)” 、“快” 、“準(zhǔn)”（1）穩(wěn)定性 （2）動態(tài)特性 過渡過程：從一個平衡狀態(tài) 到另一平衡狀態(tài) 平穩(wěn)性：超調(diào)量 快速性：調(diào)節(jié)時間（3）穩(wěn)態(tài)特性 穩(wěn)態(tài)誤差小或無差。 n絕對穩(wěn)定：系統(tǒng)必須是穩(wěn)定的n相對穩(wěn)定：響應(yīng)振蕩的劇烈程度 通信技術(shù)研究所通信技術(shù)研究所整理課件:33本章小結(jié)（1）通過示例介紹控制系統(tǒng)的基本概念（2）控制系統(tǒng)的組成（3）控制系統(tǒng)分類（4）反饋控制系統(tǒng)的基本要求 本課目的

17、：任務(wù)： 模型：單輸入單輸出、線性、定常負(fù)反饋系統(tǒng)方法：利用經(jīng)典控制理論（時域、根軌跡、 頻率法）要求：穩(wěn)、快、準(zhǔn) ( )( )c tr t 通信技術(shù)研究所通信技術(shù)研究所整理課件:34 練習(xí)一、名詞解釋v1.自動控制v2.閉環(huán)控制v3.自動控制系統(tǒng)v二二. .填空填空 v1.典型的自動控制系統(tǒng)由 、 、 、 v 、 組成。v2.對控制系統(tǒng)系統(tǒng)性能評價從三個方面進(jìn)行，即v 三個基本要求_、_ 、_ 。v3.系統(tǒng)中需要加以控制的目標(biāo)裝置，稱_ 。v4._ _是系統(tǒng)能否正常工作的前提條件；_ _反映v 系統(tǒng)在動態(tài)過程中系統(tǒng)跟蹤控制信號或抑制擾動的能力；v 穩(wěn)態(tài)誤差越小的系統(tǒng)，說明系統(tǒng)的_ _越好。

18、通信技術(shù)研究所通信技術(shù)研究所整理課件:353.電冰箱制冷系統(tǒng)思考：1）.v被控對象：v執(zhí)行元件：v測量元件： v被控變量：v參考輸入：2 2）. .繪制結(jié)構(gòu)框圖 通信技術(shù)研究所通信技術(shù)研究所整理課件:36 答案一、名詞解釋v1.自動控制v在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置，使機(jī)器、設(shè)備、或生產(chǎn)過程的某個工作狀態(tài)或參數(shù)自動地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。v2.閉環(huán)控制：v系統(tǒng)的輸出量對控制作用有影響的控制過程，也稱為反饋控制。v3.自動控制系統(tǒng)v能夠?qū)Ρ豢貙ο蠊ぷ鳡顟B(tài)進(jìn)行自動控制的系統(tǒng)。 通信技術(shù)研究所通信技術(shù)研究所整理課件:37二二. .填空填空 1.典型的自動控制系統(tǒng)由 、 、 、 、 組成。2.對控制系統(tǒng)系統(tǒng)性能評價從三個方面進(jìn)行，