自動(dòng)控制系統(tǒng)基本認(rèn)識(shí)

1、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)； 安全、快捷、舒適、準(zhǔn)點(diǎn)鋼鐵生產(chǎn)鋼鐵生產(chǎn)數(shù)控機(jī)床數(shù)控機(jī)床加工生產(chǎn)線加工生產(chǎn)線自動(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 電扇：控制轉(zhuǎn)速 電冰箱、空調(diào)、電飯煲：控制溫度 洗衣機(jī)：控制水位、強(qiáng)弱、時(shí)間等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 軍事工業(yè) 航空航天 制

2、造業(yè) 機(jī)器人 流程工業(yè) 電子工業(yè) 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) 控制的本意：為了達(dá)到某種目的對(duì)事物進(jìn)控制的本意：為了達(dá)到某種目的對(duì)事物進(jìn)行支配、管束、管制、管理、監(jiān)督、鎮(zhèn)壓。行支配、管束、管制、管理、監(jiān)督、鎮(zhèn)壓。 自動(dòng)控制：在沒有人直接參與的情況下，自動(dòng)控制：在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（控制裝置或控制利用外加的設(shè)備或裝置（控制裝置或控制器），使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（被控對(duì)器），使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（被控對(duì)象）的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)（被控量）自象）的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)（被控量）自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。引引 言言 自動(dòng)控制學(xué)科由自動(dòng)

3、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。 近幾十年來，自動(dòng)控制技術(shù)正在迅猛的發(fā)近幾十年來，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、國防建展，并在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、國防建1.2.1 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。控制系統(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， 水位保持系統(tǒng)。水位保持系統(tǒng)。1. 2 人工控制和自動(dòng)控制第一章第一章 自動(dòng)控制概論自動(dòng)控制概論若要求在出水量隨意的條件下，保持水位高

4、度不變：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，并在腦子中與要求的水位進(jìn)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。若低于要求的水位，則需開大進(jìn)水閥門。否則行比較。若低于要求的水位，則需開大進(jìn)水閥門。否則應(yīng)關(guān)小進(jìn)水閥門。若兩者正好相等，則進(jìn)水閥門不動(dòng)。應(yīng)關(guān)小進(jìn)水閥門。若兩者正好相等，則進(jìn)水閥門不動(dòng)。人工控制人工控制第一章第一章 自動(dòng)控制概論自動(dòng)控制概論根據(jù)系統(tǒng)原理圖可畫出其方框圖如圖12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)方框圖人工控制人工控制第

5、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： 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 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1-3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：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)水閥門開大的方向旋轉(zhuǎn)；反之，當(dāng)浮子高時(shí)，電位器上得到負(fù)電壓，電機(jī)向閥門關(guān)小的方向旋轉(zhuǎn)；若水位正好

6、，則電位器上電壓為零，電機(jī)不轉(zhuǎn)，閥門不動(dòng)。要求水位電機(jī)電機(jī)閥門閥門水池水池出水量出水量實(shí)際水位實(shí)際水位浮子浮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)控制自動(dòng)控制第一章第一章 自動(dòng)控制概論自動(dòng)控制概論 由于存在輸出量反饋，上述系統(tǒng)能在存在無由于存在輸出量反饋，上述系統(tǒng)能在存在無法預(yù)計(jì)擾動(dòng)的情況下，自動(dòng)減少系統(tǒng)的輸出法預(yù)計(jì)擾動(dòng)的情況下，自動(dòng)減少系統(tǒng)的輸出量與參考輸入量（或者任意變化的希望的狀量與參考輸入量（或者任意變化的希望的狀態(tài)）之間的偏差，故稱之為反饋控制。態(tài)）之間的偏差，故稱之為反饋控制。 顯然：顯然： 反饋控制建立在偏差基礎(chǔ)上，其控制反饋控制建立在偏差基礎(chǔ)上

7、，其控制方式是方式是“檢測(cè)偏差再糾正偏差檢測(cè)偏差再糾正偏差”。在控制系統(tǒng)中，如果返回的信息的作用是抵消在控制系統(tǒng)中，如果返回的信息的作用是抵消輸入信息，稱為輸入信息，稱為負(fù)反饋負(fù)反饋，負(fù)反饋可以使系統(tǒng)，負(fù)反饋可以使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定；趨于穩(wěn)定；若其作用是增強(qiáng)輸入信息，則稱為正反饋，正若其作用是增強(qiáng)輸入信息，則稱為正反饋，正反饋可以使信號(hào)得到加強(qiáng)。反饋可以使信號(hào)得到加強(qiáng)。 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)典控制理論經(jīng)典控制理論和和現(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

8、紀(jì)世紀(jì)4040年代到年代到5050年代形成的一門獨(dú)立學(xué)科年代形成的一門獨(dú)立學(xué)科。自動(dòng)控制理論的發(fā)展概況自動(dòng)控制理論的發(fā)展概況經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論 以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)研以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)研究單輸入究單輸入-單輸出一類定單輸出一類定?？刂葡到y(tǒng)的分析與設(shè)常控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問題。這些理論由于計(jì)問題。這些理論由于其發(fā)展較早，現(xiàn)已臻成其發(fā)展較早，現(xiàn)已臻成熟。熟。現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論 以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究多輸入研究多輸入-多輸出、時(shí)多輸出、時(shí)變、非線性一類控制系變、非線性一類控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問題。統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問題。系統(tǒng)具有高精度和高效系統(tǒng)具有高精度和高效能的特點(diǎn)。能的特

9、點(diǎn)。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)代控制理論非線性控制系統(tǒng)非線性控制系統(tǒng)線性控制系統(tǒng)線性控制系統(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)現(xiàn)代控制（現(xiàn)代控制（1950-Now ） 美國美國MIT 的的Servomechanism Laboratory 研研制出第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床制出第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床(1952)； 美國美國George Devol研制出第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人研制出第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人樣機(jī)樣機(jī)(1954) ，兩年后，被稱為機(jī)器人之父的，兩年后，被稱為機(jī)器人之父的Joseph Engelberger（約瑟夫（約瑟夫恩格伯格恩格伯格 ）創(chuàng)立了第一家機(jī)器人公司：創(chuàng)立了第一家機(jī)器

10、人公司：Unimation； 美國的美國的M. E. Merchant 提出計(jì)算機(jī)集成制造提出計(jì)算機(jī)集成制造的概念的概念(1969)； 日本日本Fanuc 公司研制出由加工中心和工業(yè)機(jī)公司研制出由加工中心和工業(yè)機(jī)器人組成的柔性制造單元器人組成的柔性制造單元(1976)； 中國批準(zhǔn)中國批準(zhǔn) 863高技術(shù)計(jì)劃，包括自動(dòng)化領(lǐng)域高技術(shù)計(jì)劃，包括自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)和智能機(jī)器人兩個(gè)主的計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)和智能機(jī)器人兩個(gè)主題題 (1986)。日本安川公司娛樂機(jī)械狗日本安川公司娛樂機(jī)械狗 (2001)；日本SONY公司二足步行機(jī)械人SDR-4X(2002)；1. 3 自動(dòng)控制的基本方式一、一、開環(huán)

11、控制系統(tǒng)：開環(huán)控制系統(tǒng)：定義：定義：開環(huán)控制開環(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 有順向作用而沒有反向聯(lián)系的控制過有順向作用而沒有反向聯(lián)系的控制過程。程。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，1. 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+ + +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 開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)（續(xù)）開環(huán)控制系統(tǒng)（續(xù)）1. 例如：直流電機(jī)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)如圖例如：直流

12、電機(jī)開環(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，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。開環(huán)控制系統(tǒng)（續(xù)）開環(huán)控制系統(tǒng)（續(xù)）第一章第一章 自動(dòng)控制概論自動(dòng)控制概論水位高度控制系統(tǒng)原理圖水位高度

13、控制系統(tǒng)原理方框圖例例: 電子門鈴的開環(huán)電子控制系統(tǒng)電子門鈴的開環(huán)電子控制系統(tǒng) 用手按動(dòng)按鈕開關(guān)用手按動(dòng)按鈕開關(guān), ,輸入一個(gè)觸發(fā)信號(hào)輸入一個(gè)觸發(fā)信號(hào) 音樂集成電路經(jīng)過觸發(fā)后工作音樂集成電路經(jīng)過觸發(fā)后工作, ,產(chǎn)產(chǎn)生一組載有生一組載有”音樂音樂”的電信號(hào)的電信號(hào). . 揚(yáng)聲器將電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橐魳仿晸P(yáng)聲器將電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橐魳仿? . 輸出的音樂聲的變化對(duì)系統(tǒng)的控制狀輸出的音樂聲的變化對(duì)系統(tǒng)的控制狀態(tài)并不產(chǎn)生影響態(tài)并不產(chǎn)生影響, ,即不存在反饋即不存在反饋. . 輸入輸入: : 控制控制( (處理處理): ): 輸出輸出: : 特點(diǎn)特點(diǎn): :二、閉環(huán)控制系統(tǒng)二、閉環(huán)控制系統(tǒng)：定義：定義：閉環(huán)控制閉環(huán)控

14、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。亦稱反饋控制。其偏差對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。亦稱反饋控制。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

15、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

16、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)）第一章第一章 自動(dòng)控制概論自動(dòng)控制概論家用電冰箱的結(jié)構(gòu)和制冷原理圖家用電冰箱的結(jié)構(gòu)和制冷原理圖 組成：壓縮機(jī)、冷卻器和散熱器，它們之間用一根管道相連。組成：壓縮機(jī)、冷卻器和散熱器，它們之間用一根管道相連。 管道里裝有一種沸點(diǎn)很低的制冷劑。壓縮機(jī)在管道的底部，它使管道里裝有一種沸點(diǎn)很低的制冷劑。壓縮機(jī)在管道的底部，它使制冷劑不斷地在管道里循環(huán)。制冷劑流動(dòng)到狹窄的毛細(xì)管時(shí)，受制冷劑不斷地在管道里循環(huán)。制冷劑流動(dòng)到狹窄的毛細(xì)管時(shí)，受到強(qiáng)大壓力，由氣態(tài)變成液態(tài)，通過散熱器對(duì)外放出熱量。當(dāng)制到強(qiáng)大壓力，由氣態(tài)變成液態(tài)，通過散熱器對(duì)外放出熱量。當(dāng)制冷劑通過

17、較粗的管道組成的冷卻器時(shí)，由于壓力突然降低，制冷冷劑通過較粗的管道組成的冷卻器時(shí)，由于壓力突然降低，制冷劑由液態(tài)立即變?yōu)闅鈶B(tài)，從而吸收電冰箱內(nèi)的熱量，使電冰箱內(nèi)劑由液態(tài)立即變?yōu)闅鈶B(tài)，從而吸收電冰箱內(nèi)的熱量，使電冰箱內(nèi)的溫度降低，達(dá)到制冷的效果。的溫度降低，達(dá)到制冷的效果。 根據(jù)開環(huán)電子控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)的區(qū)別進(jìn)行分析、根據(jù)開環(huán)電子控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)的區(qū)別進(jìn)行分析、判斷，在你認(rèn)為正確的表格中打判斷，在你認(rèn)為正確的表格中打開環(huán)電子開環(huán)電子控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)閉環(huán)電子閉環(huán)電子控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)電子表電子表電取暖系統(tǒng)電取暖系統(tǒng)空調(diào)空調(diào)半自動(dòng)洗衣機(jī)半自動(dòng)洗衣機(jī)可調(diào)亮度的臺(tái)燈可調(diào)亮度的臺(tái)燈自動(dòng)洗衣機(jī)自動(dòng)

18、洗衣機(jī)電熱水器飛機(jī)自動(dòng)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(dòng)作用下，保持飛機(jī)俯仰角不變。被控對(duì)象被控對(duì)象：飛機(jī)。被控量被控量：飛機(jī)的俯仰角 。 俯仰角控制系統(tǒng)原理方框圖 把輸出量直接或間接地反饋到把輸出量直接或間接地反饋到系統(tǒng)的輸入端，形成閉環(huán)，參與系統(tǒng)的輸入端，形成閉環(huán)，參與控制，這種系統(tǒng)叫控制，這種系統(tǒng)叫閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)。實(shí)際的閉環(huán)控制系統(tǒng)，都實(shí)際的閉環(huán)控制系統(tǒng)，都是以負(fù)反饋的形式出現(xiàn)是以負(fù)反饋的形式出現(xiàn)如下圖所示系統(tǒng)如下圖所示系統(tǒng)爐溫控制系統(tǒng)：爐溫控制系統(tǒng)：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)

19、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：使被控量滿控量，則自控的任務(wù)之?dāng)?shù)學(xué)表達(dá)式為：使被控量滿足足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。1.4 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

20、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)量測(cè)量(反饋反饋)元件：其職能是檢測(cè)被控制量的物理量。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)控制概論放大元件：其職能是將比較元件給出的偏差放大元

21、件：其職能是將比較元件給出的偏差 信號(hào)進(jìn)行放大，用來推動(dòng)執(zhí)行元件去控制受信號(hào)進(jìn)行放大，用來推動(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、電機(jī)、液壓其被控量發(fā)生變化。如：閥門、電機(jī)、液壓 馬達(dá)等。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

22、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，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 組成的無源或有源網(wǎng)絡(luò)，還有計(jì)算機(jī)。組成的無源或有源網(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

23、自動(dòng)控制概論自動(dòng)控制系統(tǒng)的常用術(shù)語自動(dòng)控制系統(tǒng)的常用術(shù)語二、常用術(shù)語及符號(hào)二、常用術(shù)語及符號(hào) 1 1）輸入量（指令）輸入量（指令）v(t)v(t)來自反饋系統(tǒng)之外的對(duì)系統(tǒng)所施來自反饋系統(tǒng)之外的對(duì)系統(tǒng)所施加的控制作用。加的控制作用。 2 2）參考輸入）參考輸入r(t)r(t)輸入元件的輸出，它是系統(tǒng)的實(shí)際輸入輸入元件的輸出，它是系統(tǒng)的實(shí)際輸入量。量。上一頁上一頁 下一頁下一頁自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成及常用術(shù)語自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成及常用術(shù)語 3 3）輸出量（被控制量）輸出量（被控制量）y(t)y(t)被控對(duì)象中要求按一定規(guī)被控對(duì)象中要求按一定規(guī)律律變化的物理量，它與輸入量之間保持一定的函數(shù)關(guān)系。變化的物理

24、量，它與輸入量之間保持一定的函數(shù)關(guān)系。 4 4）主反饋信號(hào)）主反饋信號(hào)b(t)b(t)反饋元件的輸出。反饋元件的輸出。 5 5）偏差信號(hào)）偏差信號(hào)e1(t)e1(t)比較元件的輸出，它等于參考輸入與比較元件的輸出，它等于參考輸入與主反饋信號(hào)之差。主反饋信號(hào)之差。 6 6）擾動(dòng)）擾動(dòng)n(t)n(t)不需要的而又影響系統(tǒng)輸出的物理量。它不需要的而又影響系統(tǒng)輸出的物理量。它可可來自系統(tǒng)之外，也可來自系統(tǒng)內(nèi)部。來自系統(tǒng)之外，也可來自系統(tǒng)內(nèi)部。 7 7）誤差）誤差e(t)e(t)希望的或要求的輸出量與實(shí)際的輸出量之希望的或要求的輸出量與實(shí)際的輸出量之差。差。上一頁上一頁 返回返回如水位自動(dòng)控制系統(tǒng)：如水

25、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)象第一章第一章 自動(dòng)控制概論自動(dòng)控制概論二、控制系統(tǒng)的傳遞方框圖上例中，將系統(tǒng)按基本組成部分分解：水槽注水閥減速器電動(dòng)機(jī)放大器電位器浮子輸入輸出給定信號(hào)被控量測(cè)量信號(hào)F被控對(duì)象擾動(dòng)信號(hào)偏差信號(hào)執(zhí)行機(jī)構(gòu)二、控制系

26、統(tǒng)的傳遞方框圖 測(cè)量信號(hào)給定信號(hào)被調(diào)參數(shù)調(diào)節(jié)器執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)象檢測(cè)儀表擾動(dòng)信號(hào)閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖二、控制系統(tǒng)的傳遞方框圖 1.給定環(huán)節(jié) 2.比較環(huán)節(jié) 3.校正環(huán)節(jié) 4.放大環(huán)節(jié) 5.執(zhí)行機(jī)構(gòu) 6.控制對(duì)象 7.檢測(cè)裝置 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖1275634輸入輸出該圖經(jīng)常作為描述分析系統(tǒng)的工具應(yīng)重點(diǎn)掌握。二、控制系統(tǒng)的傳遞方框圖二、控制系統(tǒng)的傳遞方框圖 將偏差信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合于執(zhí)行器工作的信號(hào)(功放,SCR)。注意注意: 2、3、4合為一體控制器(裝置)。 直接作用于控制對(duì)象（調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)裝置、電機(jī)） 要控制的機(jī)器,設(shè)備,或生產(chǎn)過程(水槽控制量水位；爐體爐溫；軋輥輥速壓下量.)。 測(cè)量

27、控制量并轉(zhuǎn)換成與給定量同物理量信號(hào)，要求：精度高、反映靈敏、性能穩(wěn)定的傳感器(測(cè)速發(fā)電機(jī)、熱電偶、自整角機(jī))。主反饋：主反饋：輸出量引回到輸入端的反饋為主反饋。局部反饋：局部反饋：在正向通道里，后面環(huán)節(jié)的輸出對(duì)前面環(huán)節(jié)的返回影響稱為局部反饋。1275634輸入輸出8注意：注意：二、控制系統(tǒng)的傳遞方框圖例 1 爐溫控制系統(tǒng) 爐溫控制系統(tǒng)方框圖爐溫控制系統(tǒng)方框圖爐溫控制系統(tǒng)方框圖1. 5 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類1.5.1 從信號(hào)傳送的特點(diǎn)或系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類從信號(hào)傳送的特點(diǎn)或系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類 可以將控制系統(tǒng)分為開環(huán)控制系統(tǒng)、閉可以將控制系統(tǒng)分為開環(huán)控制系統(tǒng)、閉 環(huán)控制系統(tǒng)和復(fù)合控制系統(tǒng)

28、三大類，前環(huán)控制系統(tǒng)和復(fù)合控制系統(tǒng)三大類，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)控制概論可分為線性控制系統(tǒng)和非線性控制系統(tǒng)可分為線性控制系統(tǒng)和非線性控制系統(tǒng) 線性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述：線性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述： 線性函數(shù)，如線性微分方程、線性差分方程、線性函數(shù)，如線性微分方程、線性差分方程、 線性代數(shù)方程。線性系統(tǒng)具有齊次性和疊加線性代數(shù)方程。線性系統(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。 非線性控制系統(tǒng)：非線性控制系統(tǒng)： 用非線性方程描述的系統(tǒng)，不滿足疊加原理。用非線性方程描述的系統(tǒng)，不滿足疊加原理。1.5.3

29、按數(shù)學(xué)描述分類按數(shù)學(xué)描述分類第一章第一章 自動(dòng)控制概論自動(dòng)控制概論1.5.4 按時(shí)間信號(hào)的性質(zhì)分類按時(shí)間信號(hào)的性質(zhì)分類可分為連續(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)或采樣控制系散信號(hào)，如計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)或采樣控制系統(tǒng)。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

30、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)1.5.5 按系統(tǒng)參數(shù)是否隨時(shí)間變化分類按系統(tǒng)參數(shù)是否隨時(shí)間變化分類第一章第一章 自動(dòng)控制概論自動(dòng)控制概論1.6 應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例第一章第一章 自動(dòng)控制概論自動(dòng)控制概論1.6 應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例第一章第一章 自動(dòng)控制概論自動(dòng)控制概論例1-1 烘烤爐溫度控制系統(tǒng) 放大器混合器放大

31、器煤氣空氣電動(dòng)機(jī)熱電偶工件 uruauuTT控制閥受控對(duì)象？被控量？給定裝置？干擾？ 測(cè)量元件？執(zhí)行機(jī)構(gòu)？受控對(duì)象烘烤爐；被控量爐溫；給定裝置電位器；干擾加熱工件、煤氣壓力波動(dòng)、環(huán)境溫度 、電源電壓等 ； 測(cè)量元件熱電偶；執(zhí)行機(jī)構(gòu)可逆電動(dòng)機(jī)TuuuTaTTuuuTaT靜態(tài)u=0；動(dòng)態(tài)u0。工件增多（負(fù)載增大）工件減少（負(fù)載減?。┓糯笃麟妱?dòng)機(jī)烘爐熱電偶給定值被控量工件環(huán)境溫度 uruT圖1-10烘爐溫度控制系統(tǒng)方框圖放大器uauT 系統(tǒng)的工作原理： 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)于各類系統(tǒng)來說，在已知系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參要求，但對(duì)于各類系

32、統(tǒng)來說，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程。也就是說，研究的內(nèi)號(hào)下，其被控量變化的全過程。也就是說，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程；隨動(dòng)系統(tǒng)研究被控量作用引起被控量變化的全過程；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程。所以對(duì)如何克服擾動(dòng)影響并跟隨給定量的變化過程。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

33、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。1.7 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.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)過渡過程，最后趨于新的穩(wěn)態(tài)值。因此，從穩(wěn)、個(gè)過渡過程，最后趨于新的穩(wěn)態(tài)值。因此，從穩(wěn)、快、準(zhǔn)三方面來評(píng)價(jià)系統(tǒng)的總體精度?？臁?zhǔn)三方面來評(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

34、論穩(wěn)定性穩(wěn)定性穩(wěn)定性指動(dòng)態(tài)過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。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。(如曲線和如曲線和)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。無法實(shí)現(xiàn)預(yù)定的任務(wù)。的增長(zhǎng)而發(fā)散。無法實(shí)現(xiàn)預(yù)定的任務(wù)。（如曲線）（如曲線）第一章第一章 自動(dòng)控制概論自動(dòng)控制概論c(

35、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 快速性指動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行的時(shí)間長(zhǎng)短。快速性指動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行的時(shí)間長(zhǎng)短。T過長(zhǎng)：系統(tǒng)長(zhǎng)久出現(xiàn)大偏差，難以復(fù)現(xiàn)快速變過長(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）若滿足既穩(wěn)又快，則系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)精度高。（如：若滿足既穩(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。若系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)原航線的速度過快，離航線。若系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)原航線的速度過快，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。

36、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)過渡過程結(jié)束到新準(zhǔn)確性指系統(tǒng)過渡過程結(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 說明說明因受控對(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。同一個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)、快、準(zhǔn)是

37、相互制約的，提高過同一個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)、快、準(zhǔn)是相互制約的，提高過渡過程的快速性，可能會(huì)引起振蕩；改善了平渡過程的快速性，可能會(huì)引起振蕩；改善了平穩(wěn)性，過渡過程又很遲緩。穩(wěn)性，過渡過程又很遲緩。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階躍函數(shù)（位置函數(shù)）：階躍函數(shù)（位置函數(shù)）： )( 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 當(dāng)當(dāng)B =1時(shí)，時(shí)， 稱為單稱為單 位斜坡函數(shù)。位斜坡函數(shù)。 )( 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)( 1212ttttL3拋物線函數(shù)（等加速度函數(shù)）拋物線函數(shù)（等加速度函數(shù)）稱為單位拋物線函數(shù)，稱為單位拋物線函數(shù)，記作記作 且且 拋物線函數(shù)的導(dǎo)數(shù)是斜坡函數(shù)。拋物線函數(shù)的導(dǎo)數(shù)是斜坡函數(shù)。00021)(2ttCttr第一章第一章 自動(dòng)控制概論自動(dòng)控制概論0,0, 0)(ttt4脈沖函數(shù)：脈沖函數(shù)