北航自動化課件

1、自動控制原理自動化科學與電氣工程學院宋華課程類別n本課程是自動控制相關(guān)專業(yè)的重要技術(shù)基礎(chǔ)課和骨干課，通過學習要求系統(tǒng)地掌握自動控制的理論基礎(chǔ)（基本概念，基本方法，基本規(guī)律），并具備對簡單系統(tǒng)進行定性分析、定量估算和動態(tài)仿真的能力，為專業(yè)課學習和參加控制工程實踐打下必要的基礎(chǔ)。先修課程n高等數(shù)學n普通物理n線性代數(shù)n復(fù)變函數(shù)與積分變換n電路n電子技術(shù)基礎(chǔ)nC語言程序設(shè)計主要內(nèi)容主要內(nèi)容第第一一章章 緒論緒論第二章第二章 控制系統(tǒng)的數(shù)學模型控制系統(tǒng)的數(shù)學模型第三章第三章 線性連續(xù)系統(tǒng)的時域分析線性連續(xù)系統(tǒng)的時域分析第四章第四章 線性系統(tǒng)的根軌跡法線性系統(tǒng)的根軌跡法第五章第五章 線性系統(tǒng)的頻率特性分

2、析線性系統(tǒng)的頻率特性分析第六章第六章 線性系統(tǒng)的校正線性系統(tǒng)的校正 第七章第七章 非非線性系統(tǒng)分析線性系統(tǒng)分析第第八八章章 采樣系統(tǒng)理論采樣系統(tǒng)理論第九章第九章 狀態(tài)空間分析法狀態(tài)空間分析法教學形式n課堂授課n實驗n課外答疑n課外作業(yè)考試n考教分離n筆試n成績：實驗+期末考試講義n主要教材：n程鵬主編，自動控制原理，高等教育出版社。n參考教材：Richard C. Dorf & Robert H. Bishop, Modern Control Systems（英文影印版）, 科學出版社出版。中文參考書n胡壽松主編，自動控制原理，國防工業(yè)出版社，1984。n李友善主編，自動控制原理，國防工業(yè)出版

3、社，1989。n吳麒主編，自動控制原理，清華大學出版社，1990。n孫虎章主編，自動控制原理，中央廣播電視大學出版社，1984。英文參考書nJohn.J.DAzzo,Linear Control System Analysis and Design,Fourth Edition,清華大學出版社，McGraw-Hill,Dec,2000nBenjamin C. Kuo，Automatic Control Automatic Control SystemSystem, seventh edition, Prentice Hall, Inc. 1975.nOgata，Katsuhiko,Modern

4、 Control Modern Control EngineeringEngineering，third edition, Prentice Hall, Inc. 1997.第一章 緒論1-1 自動控制的一般概念1-4 自動控制的基本方式1-5 對控制系統(tǒng)的性能要求1-2 自動控制理論的研究內(nèi)容及發(fā)展趨勢1-3 自動控制的基本組成l 什么叫自動控制？什么叫自動控制系統(tǒng)？什么叫自動控制？什么叫自動控制系統(tǒng)？l 自動控制主要研究和解決什么問題？自動控制主要研究和解決什么問題？1-1 自動控制的一般概念控制的含義控制的含義l控制（CONTROL）-某個主體主體使某個客體客體按照一定的目的動作n主體-

5、人：人工控制； 機器：自動控制n客體-指一件物體，一套裝置，一個物化過程，一個特定系統(tǒng)。n物體-飛船，電爐（飛船控制）n裝置-鍋爐，汽機（鍋爐控制）n過程-燃燒，傳動（燃燒控制）n系統(tǒng)-電力，化工，冶金（電力控制）人工控制與自動控制人工控制與自動控制X電飯煲X空調(diào)X汽輪機轉(zhuǎn)速控制X導(dǎo)彈飛行控制X聲控光控路燈X煤氣灶上油煎雞蛋時的油溫控制X自行車速度控制X汽車駕駛X收音機音量調(diào)節(jié) 人工控制的恒值水位系統(tǒng)人工控制的恒值水位系統(tǒng) 將水位的要求值將水位的要求值(期望水位期望水位值值)牢記在大腦中。牢記在大腦中。用眼睛和測量工具測量水用眼睛和測量工具測量水池實際水位。池實際水位。將期望水位與實際水位進將

6、期望水位與實際水位進行比較、計算、從而得出行比較、計算、從而得出誤差值。誤差值。按照誤差的大小和正負性按照誤差的大小和正負性質(zhì)，由大腦指揮手去正確質(zhì)，由大腦指揮手去正確地調(diào)節(jié)進水閥門，所謂正地調(diào)節(jié)進水閥門，所謂正確調(diào)節(jié)，是要按減小誤差確調(diào)節(jié)，是要按減小誤差的方向來調(diào)節(jié)進水閥門的的方向來調(diào)節(jié)進水閥門的開度。開度。 n上述人工控制的過程就是測量、求偏差、再上述人工控制的過程就是測量、求偏差、再實施控制以糾正偏差的過程，也就是檢測偏實施控制以糾正偏差的過程，也就是檢測偏差用以糾正偏差的過程。差用以糾正偏差的過程。n對于上述人工控制的系統(tǒng)，如果能找到一個對于上述人工控制的系統(tǒng)，如果能找到一個控制裝置控

7、制裝置(也稱控制器也稱控制器)來代替人的職能，它來代替人的職能，它就可以變成一個自動控制系統(tǒng)。就可以變成一個自動控制系統(tǒng)。 自動控制的恒值水位系統(tǒng)自動控制的恒值水位系統(tǒng)用連桿的長度標定好水位的期望值。用連桿的長度標定好水位的期望值。當水位超過或低于期望值時，其水位誤差被浮子檢當水位超過或低于期望值時，其水位誤差被浮子檢測出來，測出來，通過杠桿作用于進水閥，從而產(chǎn)生控制作用。通過杠桿作用于進水閥，從而產(chǎn)生控制作用。按減小誤差的方向控制進水閥門的開度。按減小誤差的方向控制進水閥門的開度。n生產(chǎn)作業(yè)務(wù)中的機器人生產(chǎn)作業(yè)務(wù)中的機器人自動控制自動控制 指在脫離人的直接干預(yù)，利用控制裝置（簡稱控制指在脫離

8、人的直接干預(yù)，利用控制裝置（簡稱控制器）使被控對象（或生產(chǎn)過程等）的某一物理量（如溫器）使被控對象（或生產(chǎn)過程等）的某一物理量（如溫度、壓力、度、壓力、PHPH值等）準確地按照預(yù)期的規(guī)律運行。值等）準確地按照預(yù)期的規(guī)律運行。 另一種定義：是指機器設(shè)備在沒有人直接參與的情另一種定義：是指機器設(shè)備在沒有人直接參與的情況下，經(jīng)過自動況下，經(jīng)過自動檢測檢測、信息、信息處理處理、分析、分析判斷判斷、操縱、操縱控制控制實現(xiàn)預(yù)期的目標。實現(xiàn)預(yù)期的目標。自動控制的一般概念自動化的核心是自動化的核心是“控制控制” （機器或裝置在無人（機器或裝置在無人干預(yù)的情況下按規(guī)定的程序或指令自動進行操作或控制干預(yù)的情況下按

9、規(guī)定的程序或指令自動進行操作或控制的過程。）的過程。） 人手（腳）的延伸人手（腳）的延伸動力方面的自動化技術(shù)動力方面的自動化技術(shù) 人腦的延伸人腦的延伸信息處理方面的自動化技術(shù)信息處理方面的自動化技術(shù)自動控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng) 是指實現(xiàn)上述控制目的，由相互制約的各部分按一定是指實現(xiàn)上述控制目的，由相互制約的各部分按一定 規(guī)律組成的具有特定功能的整體。規(guī)律組成的具有特定功能的整體。 例：交通控制、水位控制、無人機系統(tǒng)例：交通控制、水位控制、無人機系統(tǒng)歷史上的自動控制歷史上的自動控制公元前我國的自動計時漏壺公元132年張衡研制的候風地動儀自動控制實例自動控制實例公元235年馬鈞研制出能自動指示方向的指

10、南車 1788年英國Watt發(fā)明的控制蒸汽機速度的離心式調(diào)速器 1913年美國建成最早的汽車裝配流水線1952年美國MIT研制出第一臺數(shù)控機床 1954年第一臺工業(yè)機器人 1981年美國“哥倫比亞”號航天飛機首次發(fā)射成功裝配機器人汽車自動焊接生產(chǎn)線現(xiàn)代自動控制系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)代自動控制系統(tǒng)應(yīng)用自動搬運車機器人足球比賽機器人足球比賽月球車月球車無人駕駛汽車無人駕駛汽車空中飛艇空中飛艇n無需人工直接干預(yù)無需人工直接干預(yù)n利用外加控制裝置操縱被控對象利用外加控制裝置操縱被控對象n使被控量按照預(yù)定規(guī)律運行變化使被控量按照預(yù)定規(guī)律運行變化自動控制系統(tǒng)特點自動控制系統(tǒng)特點n很難想象現(xiàn)代生活和生產(chǎn)過程沒有自動控制

11、裝置如何能夠繼續(xù)? 你敢讓大型發(fā)電機組用人工控制來運行嗎? 你愿意使用不能自動控制溫度的電冰箱嗎？1-2 自動控制理論的研究內(nèi)容及發(fā)展趨勢n自動控制理論是研究自動控制共同規(guī)律的技術(shù)科學。n既是一門古老的、已臻成熟的學科，又是一門正在發(fā)展的、具有強大生命力的新興學科。n從1868年馬克斯威爾（J.C.Maxwell）提出低階系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù)至今一百多年里，自動控制理論的發(fā)展可分為四個主要階段。1-2 自動控制理論的發(fā)展第一階段：經(jīng)典控制理論（或古典控制理論，包括線性控制理論、非線性控制理論和采樣控制理論）的產(chǎn)生、發(fā)展和成熟；第二階段：現(xiàn)代控制理論的興起和發(fā)展；第三階段：大系統(tǒng)控制理論的興起和發(fā)展階

12、段；第四階段：智能控制理論發(fā)展階段。經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論q經(jīng)典控制理論是指20世紀50年代末期所發(fā)展形成的理論體系。q經(jīng)典控制理論主要是研究單輸入單輸出線性定常系統(tǒng)的分析和設(shè)計問題q其理論基礎(chǔ)是描述系統(tǒng)輸入輸出關(guān)系的傳遞函數(shù)， q主要采用時域分析方法和頻域分析方法。經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論1868年，馬克斯威爾（J.C.Maxwell）提出了低階系統(tǒng)的穩(wěn)定性代數(shù)判據(jù) 。1895年，數(shù)學家勞斯（Routh）和赫爾威茨（Hurwitz）分別獨立地提出了高階系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)，即Routh和Hurwitz判據(jù)。二戰(zhàn)期間（1938-1945年）奈奎斯特（H.Nyquist）提出了頻率響應(yīng)理論 194

13、8年，伊萬斯（W.R.Evans）提出了根軌跡法。至此，控制理論發(fā)展的第一階段基本完成，形成了以頻率法和根軌跡法為主要方法的經(jīng)典控制理論。經(jīng)典控制理論的基本特征（1）主要用于線性定常系統(tǒng)的研究，即用于常系數(shù)線性微分方程描述的系統(tǒng)的分析與綜合；（2）只用于單輸入，單輸出的反饋控制系統(tǒng)；（3）只討論系統(tǒng)輸入與輸出之間的關(guān)系，而忽視系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)，是一種對系統(tǒng)的外部描述方法。如：調(diào)節(jié)電壓改變電機的速度；調(diào)整方向盤改變汽車的運如：調(diào)節(jié)電壓改變電機的速度；調(diào)整方向盤改變汽車的運動軌跡等。動軌跡等。n 現(xiàn)代控制理論是在20世紀60年代初期，為適應(yīng)更復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計，研究具有高性能、高精度的多輸入-多輸出系統(tǒng)

14、而出現(xiàn)的新的控制理論。n對線性或非線性系統(tǒng)，定常或時變系統(tǒng)，單變量或多變量系統(tǒng)，都是一種有效的分析方法?，F(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論 與與 現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論 項目項目經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論研究對象研究對象線性定常系統(tǒng)線性定常系統(tǒng)（單輸入、單輸出）（單輸入、單輸出）線性、非線性、定常、線性、非線性、定常、時變系統(tǒng)時變系統(tǒng)（多輸入、多輸出）（多輸入、多輸出）描述方法描述方法傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)（輸入、輸出描述）（輸入、輸出描述）向量空間向量空間（狀態(tài)空間描述）（狀態(tài)空間描述）研究辦法研究辦法根軌跡法和頻率法根軌跡法和頻率法狀態(tài)空間法狀態(tài)空間法研究目

15、標研究目標系統(tǒng)分析及給定輸入、系統(tǒng)分析及給定輸入、輸出情況下的系統(tǒng)綜輸出情況下的系統(tǒng)綜合。合。揭示系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律，實揭示系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律，實現(xiàn)在一定意義下的最優(yōu)控現(xiàn)在一定意義下的最優(yōu)控制與設(shè)計。制與設(shè)計。 大系統(tǒng)控制理論是一種過程控制與信息處理相結(jié)大系統(tǒng)控制理論是一種過程控制與信息處理相結(jié)合的動態(tài)系統(tǒng)工程理論，研究的對象具有合的動態(tài)系統(tǒng)工程理論，研究的對象具有 規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、 功能綜合、目標多樣、功能綜合、目標多樣、 因素眾多因素眾多 等特點。等特點。 它是一個多輸入、多輸出、多干擾、多變量的系統(tǒng)。它是一個多輸入、多輸出、多干擾、多變量的系統(tǒng)。 如：人體，我們就可以看作

16、為一個大系統(tǒng)，其中如：人體，我們就可以看作為一個大系統(tǒng)，其中有體溫的控制、情感的控制、人體血液中各種成分有體溫的控制、情感的控制、人體血液中各種成分的控制等等。的控制等等。 大系統(tǒng)控制理論目前仍處于發(fā)展階段。大系統(tǒng)控制理論目前仍處于發(fā)展階段。 3 3、大系統(tǒng)控制理論、大系統(tǒng)控制理論n近年來新發(fā)展起來的一種控制技術(shù)，是人工智能在控制近年來新發(fā)展起來的一種控制技術(shù)，是人工智能在控制上的應(yīng)用。上的應(yīng)用。n它的指導(dǎo)思想是依據(jù)人的思維方式和處理問題的技巧，它的指導(dǎo)思想是依據(jù)人的思維方式和處理問題的技巧，解決那些目前需要人的智能才能解決的復(fù)雜的控制問題。解決那些目前需要人的智能才能解決的復(fù)雜的控制問題。n

17、被控對象的復(fù)雜性體現(xiàn)為:模型的不確定性，高度非線性，分布式的傳感器和執(zhí)行器，動態(tài)突變，多時間標度，復(fù)雜的信息模式，龐大的數(shù)據(jù)量，以及嚴格的特性指標等。n智能控制是驅(qū)動智能機器自主地實現(xiàn)其目標的過程，對自主機器人的控制就是典型的例子,而環(huán)境的復(fù)雜性則表現(xiàn)為變化的不確定性和難以辨識。n智能控制是從“仿人”的概念出發(fā)的。一般認為，其方法包括學習控制、模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制、和專家控制等方法。4 4、智能控制、智能控制本課程主要內(nèi)容本課程主要內(nèi)容n經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論n現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)n解決兩個問題：分析與綜合解決兩個問題：分析與綜合n學習自動控制理論解決兩個問題：學習自動控制理

18、論解決兩個問題：n如何分析給定控制系統(tǒng)的工作原理和控制性能如何分析給定控制系統(tǒng)的工作原理和控制性能n如何根據(jù)實際需要來進行各種實際控制系統(tǒng)的設(shè)計如何根據(jù)實際需要來進行各種實際控制系統(tǒng)的設(shè)計13 自動控制系統(tǒng)的基本組成自動控制系統(tǒng)的基本組成系統(tǒng)的組成：輸入部分、控制系統(tǒng)部分和輸出部分。系統(tǒng)的組成：輸入部分、控制系統(tǒng)部分和輸出部分。從從物理物理角度上看，自動控制研究的是特定角度上看，自動控制研究的是特定激勵作用下的系激勵作用下的系 統(tǒng)響應(yīng)統(tǒng)響應(yīng)變化情況；變化情況；從從數(shù)學數(shù)學角度上看，研究的是角度上看，研究的是輸入與輸出之間的映射輸入與輸出之間的映射關(guān)系。關(guān)系。輸入輸出控制系統(tǒng)方框圖的有關(guān)概念 v

19、方框方框 控制裝置和被控對象分別用方框表示v信號線信號線 方框的輸入和輸出以及它們之間的聯(lián)接用帶箭頭的信號線表示v輸入信號輸入信號 進入方框的信號v輸出信號輸出信號 離開方框的信號 信號線方框信號線例例1. a.1. a.溫度溫度人工控制人工控制13 控制系統(tǒng)的基本組成控制系統(tǒng)的基本組成 13 控制系統(tǒng)的基本組成控制系統(tǒng)的基本組成控制目標：控制目標：爐子的溫度恒爐子的溫度恒定在期望的數(shù)定在期望的數(shù)值上。值上。b.b.溫度溫度 自動控制自動控制13 控制系統(tǒng)的基本組成控制系統(tǒng)的基本組成13 控制系統(tǒng)的基本組成控制系統(tǒng)的基本組成buu+_實實際際溫溫度度電電壓壓放放大大器器功功率率放放大大器器爐爐

20、子子熱熱電電偶偶電電機機、減減速速器器、調(diào)調(diào)壓壓器器期期望望溫溫度度ru放大驅(qū)動被控對象測量輸入信號輸入信號系統(tǒng)控制目標的反映，是人的意志的具體體現(xiàn)。系統(tǒng)控制目標的反映，是人的意志的具體體現(xiàn)?？刂葡到y(tǒng)控制系統(tǒng)主要完成對有關(guān)信號的變換、處理，發(fā)出控制主要完成對有關(guān)信號的變換、處理，發(fā)出控制 量，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)完成控制功能。量，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)完成控制功能。輸出信號輸出信號系統(tǒng)的控制結(jié)果，反映了被控對象的運行狀態(tài)。系統(tǒng)的控制結(jié)果，反映了被控對象的運行狀態(tài)。13 控制系統(tǒng)的基本組成控制系統(tǒng)的基本組成例例2 2：火炮自動跟蹤系統(tǒng)火炮自動跟蹤系統(tǒng)“火炮打飛機火炮打飛機”13 控制系統(tǒng)的基本組成控制系統(tǒng)的基本組

21、成+_受信儀放大器減速器校正裝置檢測裝置電機+比較比較執(zhí)行執(zhí)行測量測量被控對象被控對象實測值實測值干擾干擾測量測量自動控制方框圖 執(zhí)行元件執(zhí)行元件校正校正放大放大調(diào)節(jié)元件調(diào)節(jié)元件比較元件比較元件測量元件測量元件控制器控制器被控對象被控對象自控系統(tǒng)自控系統(tǒng) 比較比較執(zhí)行執(zhí)行測量測量被控對象被控對象實測值實測值干擾干擾測量測量n使被控對象的被控量等于給定值自動控制的任務(wù)控制器控制器氣動閥門氣動閥門流入流入Q1Q1浮子浮子水箱水箱流出流出 Q2Q2H H水位自動控制系統(tǒng)水位自動控制系統(tǒng)控制器控制器氣動閥門氣動閥門流入流入Q1Q1浮子浮子水箱水箱流出 Q2流出 Q2H H水位自動控制系統(tǒng)水位自動控制系

22、統(tǒng)控制任務(wù)：控制任務(wù)：維持水箱內(nèi)水位恒定；維持水箱內(nèi)水位恒定；控制裝置：控制裝置：氣動閥門、控制器；氣動閥門、控制器；受控對象：受控對象：水箱、供水系統(tǒng)；水箱、供水系統(tǒng)；被控量：被控量：水箱內(nèi)水位的高度；水箱內(nèi)水位的高度；控制器控制器氣動閥門氣動閥門流入流入Q1Q1浮子浮子水箱水箱流出 Q2流出 Q2H H水位自動控制系統(tǒng)水位自動控制系統(tǒng)給定值：給定值：控制器刻度盤指針標定控制器刻度盤指針標定的預(yù)定水位高度；的預(yù)定水位高度；測量裝置：測量裝置：浮子；浮子；比較裝置：比較裝置：控制器刻度盤；控制器刻度盤；干擾：干擾：水的流出量和流入量的水的流出量和流入量的變化都將破壞水位保持變化都將破壞水位保持

23、恒定；恒定；自動控制即沒有人直接參與的控制，其基本任務(wù)是：自動控制即沒有人直接參與的控制，其基本任務(wù)是：在無人直接參與的情況下，只利用控制裝置操縱被控在無人直接參與的情況下，只利用控制裝置操縱被控對象，使被控制量等于給定值。對象，使被控制量等于給定值。自動控制系統(tǒng)：指能夠完成自動控制任務(wù)的設(shè)備，一般由控制裝置控制裝置和被控對象被控對象組成。1-4 自動控制的基本方式比較比較執(zhí)行執(zhí)行測量測量被控對象被控對象實測值實測值干擾干擾測量測量給定值給定值H自動控制方框圖被控量被控量H在上圖中，除被控對象外的其余部分統(tǒng)稱為控制裝置，它必須具備以下三種職能部件。u測量元件：用以測量被控量或干擾量。u比較元件

24、：將被控量與給定值進行比較。u執(zhí)行元件：根據(jù)比較后的偏差，產(chǎn)生執(zhí)行作用，去操縱被控對象參與控制的信號來自三條通道，即給定值、干擾量、被控量。比較比較執(zhí)行執(zhí)行測量測量被控對象被控對象實測實測值值干擾干擾測量測量 開環(huán)控制開環(huán)控制按給定值操縱的開環(huán)控制按給定值操縱的開環(huán)控制按干擾補償?shù)拈_環(huán)控制按干擾補償?shù)拈_環(huán)控制 閉環(huán)控制閉環(huán)控制 復(fù)合控制復(fù)合控制根據(jù)不同的信號源的自動控制的幾種基本控制方式根據(jù)不同的信號源的自動控制的幾種基本控制方式開環(huán)控制和閉環(huán)控制是自動控制系統(tǒng)兩種最基本的控制形式。 復(fù)合控制是將開環(huán)控制和閉環(huán)控制適當結(jié)合的控制方式，可用來實現(xiàn)復(fù)雜且控制精度較高的控制任務(wù)。開環(huán)控制開環(huán)控制v開

25、環(huán)控制是指系統(tǒng)的被控量（輸出量）開環(huán)控制是指系統(tǒng)的被控量（輸出量）只受控于控制作用，而對控制作用不能只受控于控制作用，而對控制作用不能反施任何影響的控制方式。采用開環(huán)控反施任何影響的控制方式。采用開環(huán)控制的系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。制的系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。即：開即：開環(huán)控制系統(tǒng)的輸出端與輸入端之間不存在反饋回路，輸出量對系統(tǒng)的控制作用沒有影響?？刂谱饔玫膫鬟f路徑不是閉合的控制作用的傳遞路徑不是閉合的, , 故稱為開環(huán)。故稱為開環(huán)。開環(huán)控制系統(tǒng)例子被控制對象：被控制對象：爐子爐子被控制量（輸出量）被控制量（輸出量）：爐溫：爐溫控制裝置：控制裝置：開關(guān)開關(guān)K K和電熱絲，對和電熱絲，對 被控制量起控

26、制作用。被控制量起控制作用。開環(huán)控制的特點(1) (1) 輸入量產(chǎn)生控制作用影響輸出量的變化輸入量產(chǎn)生控制作用影響輸出量的變化；(2) (2) 輸出量對輸入產(chǎn)生的控制作用沒有影響輸出量對輸入產(chǎn)生的控制作用沒有影響； 因此，開環(huán)控制不具有修正由于擾動（使被控因此，開環(huán)控制不具有修正由于擾動（使被控制量偏離希望值的因素）而出現(xiàn)的被控制量與制量偏離希望值的因素）而出現(xiàn)的被控制量與希望值之間偏差的能力，即抗干擾能力差希望值之間偏差的能力，即抗干擾能力差。開環(huán)控制系統(tǒng)一般適用于干擾不強或可預(yù)測開環(huán)控制系統(tǒng)一般適用于干擾不強或可預(yù)測, ,控制精控制精度要求不高的場合度要求不高的場合. . 開環(huán)控制又有兩種

27、方式， 即用給定值操縱的控制方式和干擾補償?shù)目刂品绞健?開環(huán)控制系統(tǒng)是指開環(huán)控制系統(tǒng)是指系統(tǒng)的輸出端與輸系統(tǒng)的輸出端與輸入端不存在反饋關(guān)入端不存在反饋關(guān)系、系統(tǒng)的輸出量系、系統(tǒng)的輸出量對控制作用不發(fā)生對控制作用不發(fā)生影響影響 既不需要對輸出量進行既不需要對輸出量進行測量，也不需要將輸出測量，也不需要將輸出量反饋到輸入端與輸入量反饋到輸入端與輸入量進行比較，控制裝置量進行比較，控制裝置與被控對象之間只有順與被控對象之間只有順向作用，沒有逆向聯(lián)系向作用，沒有逆向聯(lián)系一、按給定值操縱的開環(huán)控制一、按給定值操縱的開環(huán)控制計算計算執(zhí)行執(zhí)行受控對象受控對象給定值給定值干擾干擾被控量被控量按給定值操縱的開環(huán)

28、控制系統(tǒng)原理方框圖按給定值操縱的開環(huán)控制系統(tǒng)原理方框圖屬于典型的開環(huán)控制方式。屬于典型的開環(huán)控制方式。功放功放k k UdnugV+電動機電動機負載負載圖圖 直流電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)直流電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)滑臂位置滑臂位置轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速電位器電位器功率放功率放大器大器電動機電動機圖圖 直流電動機轉(zhuǎn)速控制方框圖直流電動機轉(zhuǎn)速控制方框圖爐溫控制系統(tǒng)爐溫控制系統(tǒng)原理方框圖定時開關(guān)爐子電阻絲0T給定爐溫T實際爐溫按給定值操縱的開環(huán)控制按給定值操縱的開環(huán)控制特點：特點：控制裝置只按給定值來控制受控對象控制裝置只按給定值來控制受控對象優(yōu)點：控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，相對來說成本低。優(yōu)點：控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，相對來說成本低。缺

29、點：缺點：對可能出現(xiàn)的被控量偏離給定值的偏差沒有任何修正能力，抗干擾能力差，控制精度不高。當受控對象或控制裝置受到干擾， 或者在工作過程中元件特性發(fā)生變化而影響被控量時， 系統(tǒng)不能進行自動補償， 所以控制精度難以保證。在控制精度要求不高或元器件工作特征比較穩(wěn)定而干擾又很小的場合中應(yīng)用比較廣泛。二、按干擾補償?shù)拈_環(huán)控制q利用干擾信號產(chǎn)生控制作用，以及時補償干利用干擾信號產(chǎn)生控制作用，以及時補償干擾對被控量的直接影響。擾對被控量的直接影響。u 原理上是把外界擾動看作系統(tǒng)的一種輸入原理上是把外界擾動看作系統(tǒng)的一種輸入, , 針對它將對系針對它將對系統(tǒng)輸出產(chǎn)生的影響統(tǒng)輸出產(chǎn)生的影響, , 及時地施加一

30、種相應(yīng)的控制及時地施加一種相應(yīng)的控制, , 在干擾剛在干擾剛剛出現(xiàn)之初剛出現(xiàn)之初, , 就立即給以相應(yīng)的調(diào)節(jié)就立即給以相應(yīng)的調(diào)節(jié), , 其作用是抵消擾動對其作用是抵消擾動對輸出的影響輸出的影響，起到抗干擾的作用。起到抗干擾的作用。水位高度控制系統(tǒng)原理圖水位高度控制系統(tǒng)原理方框圖二、按干擾補償?shù)拈_環(huán)控制特點特點：只能對可測干擾進行補償，對不可測干擾以：只能對可測干擾進行補償，對不可測干擾以及受控對象、各功能部件內(nèi)部參數(shù)變化對被控量的及受控對象、各功能部件內(nèi)部參數(shù)變化對被控量的影響，系統(tǒng)自身無法控制。影響，系統(tǒng)自身無法控制。適用于：存在強適用于：存在強可測可測干擾且變化比較劇烈的場合。干擾且變化比

31、較劇烈的場合。上例中對上例中對Q2和和l2的干擾進行了補償。若其他干擾，的干擾進行了補償。若其他干擾，如進水管壓力變化時，系統(tǒng)無補償能力。如進水管壓力變化時，系統(tǒng)無補償能力。閉環(huán)控制人作為閉環(huán)系統(tǒng)的方框圖手是被控對象，手的位置為被控量。v閉環(huán)控制是一切生物控制自身運動的基本規(guī)律。人本身就是一個具有高度復(fù)雜控制能力的閉環(huán)系統(tǒng)。閉環(huán)控制v閉環(huán)控制是指系統(tǒng)的被控制量（輸出量）與控制作用之間存在著(負)反饋的控制方式。v采用閉環(huán)控制的系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)或反饋控制系統(tǒng)。反饋的概念v反饋：反饋：把輸出量送回到系統(tǒng)的輸入端并與輸入信號比較的過程。v 若反饋信號是與輸入信號相減而使偏差值越來越小，則稱為負反

32、饋；反之，則稱為正反饋。v 顯然，負反饋控制是一個利用偏差進行控制并最后消除偏差的過程，又稱偏差控制。同時，由于有反饋的存在，整個控制過程是閉合的，故也稱為閉環(huán)控制。比較元件放大元件執(zhí)行元件受控對象被控量給定值檢測反饋元件干擾閉環(huán)控制系統(tǒng)典型方框圖 閉環(huán)控制的特點是在控制器和被控對象之間，不僅存在著正向作用，而且還存在著反饋作用，即系統(tǒng)的輸出信號對被控制量有直接影響。 在閉環(huán)控制中，被控量時時刻刻被檢測，或者再經(jīng)過信號變換，并通過反饋通道送回到比較元件和給定值進行比較。 閉環(huán)控制從原理上提供了實現(xiàn)高精度控制的可能性，它對控制元件的要求比開環(huán)控制低。閉環(huán)控制的特點例1.1 水箱水位控制日常生活過

33、程中的反饋控制系統(tǒng)例子調(diào)節(jié)器執(zhí)行器調(diào)節(jié)閥汽包變送器+-例1.2 鍋爐水位控制系統(tǒng)測量水位PV偏差量DV控制量調(diào)節(jié)位移MV給水量反饋元件實際水位設(shè)定水位SV閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成閉環(huán)控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)中的主反饋及絕大多數(shù)局部反饋必須采用負反饋系統(tǒng)中的主反饋及絕大多數(shù)局部反饋必須采用負反饋 正反饋只在補償控制中偶爾采用正反饋只在補償控制中偶爾采用(1)給定環(huán)節(jié)：產(chǎn)生給定(輸入)信號的環(huán)節(jié)或元件，如調(diào)速系統(tǒng)的給定電位計(器)。(2)反饋環(huán)節(jié)：對系統(tǒng)被控量或中間輸出量進行測量并轉(zhuǎn)換為與相應(yīng)輸入信號一致的反饋信號的環(huán)節(jié)或元件，它可以構(gòu)成主反饋或局部反饋，如調(diào)速系統(tǒng)的測速電動機

34、。(3)比較環(huán)節(jié)：對系統(tǒng)輸入量和反饋量進行加、減運算求取誤差的環(huán)節(jié)或元件。(4)放大環(huán)節(jié)：對偏差信號進行電壓放大和功率放大的環(huán)節(jié)或元件，如各種放大器等。(5)執(zhí)行機構(gòu)：直接對被控對象進行操作從而對系統(tǒng)產(chǎn)生實際控制作用的環(huán)節(jié)或元件，如執(zhí)行電動機、過程調(diào)節(jié)閥等。(6)校正環(huán)節(jié)：用于改善系統(tǒng)性能的環(huán)節(jié)，一般是電子電路形式，可以串聯(lián)在前向通道，也可以構(gòu)成局部反饋通道。(7)被控對象：控制系統(tǒng)所要操縱的機器設(shè)備或生產(chǎn)過程，它的輸出量即為系統(tǒng)的被控量，如恒溫箱等. q 特點：通過計算被控量和給定值的差值來控制被控對象。特點：通過計算被控量和給定值的差值來控制被控對象。q優(yōu)點：可以自動調(diào)節(jié)由于干擾和內(nèi)部參數(shù)

35、的變化而引起的優(yōu)點：可以自動調(diào)節(jié)由于干擾和內(nèi)部參數(shù)的變化而引起的變動。變動。計算比較計算比較給定值給定值E執(zhí)行執(zhí)行被控對象被控對象干擾干擾被控量被控量測量測量按偏差調(diào)節(jié)的系統(tǒng)原理方框圖按偏差調(diào)節(jié)的系統(tǒng)原理方框圖按偏差調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制如上圖所示，反饋回來的信號與給定值如上圖所示，反饋回來的信號與給定值相減，即根據(jù)偏差進行控制，稱為負反相減，即根據(jù)偏差進行控制，稱為負反饋，反之稱為正反饋。饋，反之稱為正反饋。這種控制方式控制精度較高，因為無論是干擾的作用，這種控制方式控制精度較高，因為無論是干擾的作用，還是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化，只要被控量偏離給定值，還是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化，只要被控量偏離給定值，系統(tǒng)就

36、會自行糾偏。但是閉環(huán)控制系統(tǒng)的參數(shù)如果匹系統(tǒng)就會自行糾偏。但是閉環(huán)控制系統(tǒng)的參數(shù)如果匹配得不好，會造成被控量的較大擺動，甚至系統(tǒng)無法配得不好，會造成被控量的較大擺動，甚至系統(tǒng)無法正常工作。正常工作。飛機自動駕駛系統(tǒng)原理圖控制任務(wù)控制任務(wù)：系統(tǒng)在任何擾動作用下，保持飛機俯仰角不變。被控對象被控對象：飛機。被控量被控量：飛機的俯仰角 。 俯仰角控制系統(tǒng)原理方框圖開環(huán)和閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點比較v開環(huán)系統(tǒng)：開環(huán)系統(tǒng)：結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好，容易設(shè)計和調(diào)整以及成本較低的優(yōu)點，對那些負載恒定，擾動小，控制精度要求不高的實際系統(tǒng)，是有效的控制方式。v閉環(huán)系統(tǒng)：閉環(huán)系統(tǒng)：由于增加了檢測裝置和反饋環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成

37、本有所增加；但它提高了系統(tǒng)的控制精度和抗干擾能力；同時負反饋對系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，被控制量可能出現(xiàn)振蕩， 嚴重時會使系統(tǒng)無法工作。復(fù)合控制就是開環(huán)控制和閉環(huán)控制相結(jié)合的一種控制。實質(zhì)復(fù)合控制就是開環(huán)控制和閉環(huán)控制相結(jié)合的一種控制。實質(zhì)上，它是在閉環(huán)控制回路的基礎(chǔ)上，附加了一個輸入信號或上，它是在閉環(huán)控制回路的基礎(chǔ)上，附加了一個輸入信號或擾動作用的順饋通路，來提高系統(tǒng)的控制精度。擾動作用的順饋通路，來提高系統(tǒng)的控制精度?？刂蒲b置被控對象 CR補償裝置a.按輸入作用補償b.按擾動作用補償n控制裝置被控對象 CR補償裝置復(fù)合控制 A A、按信號的傳遞路徑來分類、按信號的傳遞路徑來分類 1 1、開

38、環(huán)控制系統(tǒng)、開環(huán)控制系統(tǒng) 特點：特點：系統(tǒng)的輸出端與輸入端不存在反饋回路。系統(tǒng)的輸出端與輸入端不存在反饋回路。輸出輸出量對系統(tǒng)的控制作用不發(fā)生影響的系統(tǒng)。量對系統(tǒng)的控制作用不發(fā)生影響的系統(tǒng)。 控制系統(tǒng)的分類控制系統(tǒng)的分類 2 2、閉環(huán)控制系統(tǒng)（反饋控制系統(tǒng)）、閉環(huán)控制系統(tǒng)（反饋控制系統(tǒng)） 特點：特點：系統(tǒng)輸出信號與測量元件之間存在反饋回路系統(tǒng)輸出信號與測量元件之間存在反饋回路。 “閉環(huán)閉環(huán)”這個術(shù)語的含義，就是將輸出信號通過測量元件這個術(shù)語的含義，就是將輸出信號通過測量元件反饋到系統(tǒng)的輸入端，通過比較、控制來減小系統(tǒng)誤差。反饋到系統(tǒng)的輸入端，通過比較、控制來減小系統(tǒng)誤差。 內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)內(nèi)

39、燃機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng) 應(yīng)用瓦特式轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器應(yīng)用瓦特式轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)1 1、恒值控制系統(tǒng)、恒值控制系統(tǒng)（或稱（或稱自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)、自動鎮(zhèn)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)、自動鎮(zhèn)定系統(tǒng)）定系統(tǒng)） 特點：特點：輸入信號是一輸入信號是一個恒定的數(shù)值；控制的個恒定的數(shù)值；控制的任務(wù)就是抑制各種干擾任務(wù)就是抑制各種干擾因素的影響，使被控量因素的影響，使被控量也維持固定。也維持固定。工業(yè)生產(chǎn)工業(yè)生產(chǎn)中的恒溫、恒壓、流量中的恒溫、恒壓、流量和液位等自動控制系統(tǒng)和液位等自動控制系統(tǒng)都屬于這一類型。都屬于這一類型。B B、按系統(tǒng)的控制作用來分類、按系統(tǒng)的控制作用來分類2 2、過程控制系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)（

40、或稱程序控制系統(tǒng)）（或稱程序控制系統(tǒng)） 輸入信號按照預(yù)定的規(guī)律變化，并要求被控量也按照同樣輸入信號按照預(yù)定的規(guī)律變化，并要求被控量也按照同樣的規(guī)律變化的規(guī)律變化 特點：特點：輸入信號是一個已知的函數(shù)。輸入信號是一個已知的函數(shù)。系統(tǒng)的控制過程系統(tǒng)的控制過程 按按預(yù)定的程序進行，要求被控量能迅速準確地復(fù)現(xiàn)輸入，如化預(yù)定的程序進行，要求被控量能迅速準確地復(fù)現(xiàn)輸入，如化工中的壓力、溫度、流量控制。工中的壓力、溫度、流量控制。 恒值控制系統(tǒng)可看成輸入等于常值的過程控制系統(tǒng)。恒值控制系統(tǒng)可看成輸入等于常值的過程控制系統(tǒng)。 此類系統(tǒng)中，輸入信號的變化規(guī)律是預(yù)先不能確定的，此類系統(tǒng)中，輸入信號的變化規(guī)律是預(yù)先

41、不能確定的，并要求被控量精確地跟隨輸入量變化并要求被控量精確地跟隨輸入量變化 特點：特點：輸入信號是一個未知函數(shù)。輸入信號是一個未知函數(shù)。 如：火炮自動跟蹤系統(tǒng)。如：火炮自動跟蹤系統(tǒng)。 該系統(tǒng)要求有較好的跟蹤能力。該系統(tǒng)要求有較好的跟蹤能力。3 3、隨動系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)（或稱伺服系統(tǒng)）（或稱伺服系統(tǒng)）1 1、連續(xù)系統(tǒng)：、連續(xù)系統(tǒng)：所有信號的變化均為時間所有信號的變化均為時間T的連續(xù)函數(shù)，運動的連續(xù)函數(shù)，運動規(guī)律可用微分方程來描述。規(guī)律可用微分方程來描述。 特點：特點：系統(tǒng)各部分信號都是模擬的連續(xù)函數(shù)。系統(tǒng)各部分信號都是模擬的連續(xù)函數(shù)。目前工業(yè)中普遍采用目前工業(yè)中普遍采用的常規(guī)儀表的常規(guī)儀表PID

42、調(diào)節(jié)器控制的系統(tǒng)。調(diào)節(jié)器控制的系統(tǒng)。 2 2、離散系統(tǒng)、離散系統(tǒng)至少有一處信號是脈沖序列或數(shù)字量，至少有一處信號是脈沖序列或數(shù)字量，運動規(guī)律必須用差分方程來描述運動規(guī)律必須用差分方程來描述,如果用計算機實現(xiàn)采樣和控制，則稱為數(shù)字控制系統(tǒng)。如果用計算機實現(xiàn)采樣和控制，則稱為數(shù)字控制系統(tǒng)。系統(tǒng)中用脈沖開關(guān)或采樣開關(guān)，將連續(xù)信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散信號。其中離系統(tǒng)中用脈沖開關(guān)或采樣開關(guān)，將連續(xù)信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散信號。其中離散信號以脈沖形式傳遞的系統(tǒng)又叫脈沖控制系統(tǒng)，離散信號以數(shù)碼形散信號以脈沖形式傳遞的系統(tǒng)又叫脈沖控制系統(tǒng)，離散信號以數(shù)碼形式傳遞的系統(tǒng)又叫數(shù)字控制系統(tǒng)。式傳遞的系統(tǒng)又叫數(shù)字控制系統(tǒng)。C C、按系統(tǒng)

43、傳輸信號的性質(zhì)來分類、按系統(tǒng)傳輸信號的性質(zhì)來分類 D D、按描述系統(tǒng)的數(shù)學模型不同來分類、按描述系統(tǒng)的數(shù)學模型不同來分類 1 1、線性系統(tǒng)、線性系統(tǒng) 特點：特點：系統(tǒng)由線性元件構(gòu)成，描述運動規(guī)律的數(shù)學模型為線系統(tǒng)由線性元件構(gòu)成，描述運動規(guī)律的數(shù)學模型為線性微分方程。性微分方程。運動方程一般形式：運動方程一般形式： 式中：式中：r(t)系統(tǒng)輸入量；系統(tǒng)輸入量； c(t)系統(tǒng)輸出量系統(tǒng)輸出量 主要特點是具有疊加性和齊次性。主要特點是具有疊加性和齊次性。c(t)adtdc(t)adtc(t)dadtc(t)da011 -n1 -n1 -n1 -nnnnnr(t)bdtdr(t)bdtr(t)dbdtr(t)db011 -m1 -m1 -m1 -mmmmm2 2、非線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng) 特點：特點：在構(gòu)成系統(tǒng)的環(huán)節(jié)中有一個或一個以上的非線性在構(gòu)成系統(tǒng)的環(huán)節(jié)中有一個或一個以上的非線性 環(huán)節(jié)。環(huán)節(jié)。 非線性的理論研究遠不如線性系統(tǒng)那么完整，目前尚無非線性的理論研究遠不如線性系統(tǒng)那么完整，目前尚