第一章 自動(dòng)控制的一般概念(胡壽松第六版)

1、自動(dòng)控制原理（第六版）第一章 自動(dòng)控制的一般概念1-1自動(dòng)控制的基本原理與方法1-2自動(dòng)控制系統(tǒng)示例1-3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類1-4對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求1-5自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)工具1-1 自動(dòng)控制的基本原理與方法1、什么是自動(dòng)控制？所謂自動(dòng)控制，是指在沒有人沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（控制裝置控制裝置或控制器控制器），使及其、設(shè)備或生產(chǎn)過程（統(tǒng)稱被控對(duì)象被控對(duì)象）的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)（被控量被控量）自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行?？刂蒲b置：除被控對(duì)象意外的所有元件合在一起。被控量：最終需要被控制的變量（或過程）。被控對(duì)象：最終需要被控制的對(duì)象。1-1 自動(dòng)控制的基本原理與方

2、法2、什么是自動(dòng)控制原理？將研究出的自動(dòng)控制共同規(guī)律的技術(shù)總結(jié)而成的理論體系。（正如微積分是一種數(shù)學(xué)工具一樣）。自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論智能控制智能控制20世紀(jì)40年代以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)20世紀(jì)五六十年代以狀態(tài)為基礎(chǔ)20世紀(jì)70年代向“大系統(tǒng)理論”和“智能控制”方向發(fā)展1-1 自動(dòng)控制的基本原理與方法 解決的基本問題：解決的基本問題：建模建模：建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型（實(shí)際問題抽象，數(shù)學(xué)描述）分析分析：分析控制系統(tǒng)的性能（穩(wěn)定性、動(dòng)/穩(wěn)態(tài)性能）綜合綜合：控制系統(tǒng)的綜合與校正控制器設(shè)計(jì)（方案選擇、設(shè)計(jì)） 1-1 自動(dòng)控制的基本原理與方法3、什么是反饋控制原理

3、？在反饋控制系統(tǒng)中，控制裝置對(duì)被控對(duì)象施加的控制作用，是取自被控量的反饋信息，用來不斷修正被控量與輸入量之間的偏差，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制的任務(wù)。如人取桌上書的過程（見下圖）：如人取桌上書的過程（見下圖）：眼睛大腦手臂、手眼睛輸出量（手位置）輸入信號(hào)（書位置）被控對(duì)象被控量測(cè)量元件3、什么是反饋控制原理？、什么是反饋控制原理？系統(tǒng)方框圖符號(hào)組成系統(tǒng)方框圖符號(hào)組成：“ ”下圖為反饋控制原理方框圖下圖為反饋控制原理方框圖3、什么是反饋控制原理？、什么是反饋控制原理？ 在工業(yè)控制中，龍門刨床速度控制系統(tǒng)就是按在工業(yè)控制中，龍門刨床速度控制系統(tǒng)就是按照反饋控制原理進(jìn)行工作的。當(dāng)負(fù)載波動(dòng)時(shí)，必照反饋

4、控制原理進(jìn)行工作的。當(dāng)負(fù)載波動(dòng)時(shí)，必然會(huì)引起速度變化，由于龍門刨床不允許速度變?nèi)粫?huì)引起速度變化，由于龍門刨床不允許速度變化過大，因此必須對(duì)速度進(jìn)行控制?；^大，因此必須對(duì)速度進(jìn)行控制。3、什么是反饋控制原理？、什么是反饋控制原理？龍門刨床速度控制系統(tǒng)原理圖龍門刨床速度控制系統(tǒng)原理圖 在工業(yè)控制中，龍門刨床速度控制系統(tǒng)就是按在工業(yè)控制中，龍門刨床速度控制系統(tǒng)就是按照反饋控制原理進(jìn)行工作的。當(dāng)負(fù)載波動(dòng)時(shí)，必照反饋控制原理進(jìn)行工作的。當(dāng)負(fù)載波動(dòng)時(shí)，必然會(huì)引起速度變化，由于龍門刨床不允許速度變?nèi)粫?huì)引起速度變化，由于龍門刨床不允許速度變化過大，因此必須對(duì)速度進(jìn)行控制?；^大，因此必須對(duì)速度進(jìn)行控制。 下

5、圖示為龍門刨床速度控制系統(tǒng)。當(dāng)負(fù)載發(fā)下圖示為龍門刨床速度控制系統(tǒng)。當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，如和控制速度。生變化時(shí)，如和控制速度。 例如：例如：nuuuuuunMaktt)(03、什么是反饋控制原理？、什么是反饋控制原理？3、什么是反饋控制原理？、什么是反饋控制原理？下圖為龍門刨床速度控制系統(tǒng)的方框圖下圖為龍門刨床速度控制系統(tǒng)的方框圖4、反饋控制系統(tǒng)的基本組成信號(hào)從輸入端到達(dá)輸出端的傳輸通路稱為前向通信號(hào)從輸入端到達(dá)輸出端的傳輸通路稱為前向通路；系統(tǒng)輸出量經(jīng)測(cè)量元件反饋到輸入端的傳輸路；系統(tǒng)輸出量經(jīng)測(cè)量元件反饋到輸入端的傳輸通路稱為主反饋通路。前向通路與主反饋通路共通路稱為主反饋通路。前向通路與主反饋

6、通路共同構(gòu)成主回路。此外，還有局部反饋通路。只包同構(gòu)成主回路。此外，還有局部反饋通路。只包含一個(gè)主反饋通路的系統(tǒng)稱為單回路系統(tǒng)，有兩含一個(gè)主反饋通路的系統(tǒng)稱為單回路系統(tǒng)，有兩個(gè)或兩個(gè)以上反饋通路的個(gè)或兩個(gè)以上反饋通路的 系統(tǒng)稱為多回路系統(tǒng)。系統(tǒng)稱為多回路系統(tǒng)。第一節(jié) 自動(dòng)控制的基本原理與方式四、自動(dòng)控制系統(tǒng)基本控制方式1、反饋控制方式q 特點(diǎn)：通過計(jì)算被控量和給定值的差值來控制被控對(duì)象。特點(diǎn)：通過計(jì)算被控量和給定值的差值來控制被控對(duì)象。q優(yōu)點(diǎn)：可以自動(dòng)調(diào)節(jié)由于干擾和內(nèi)部參數(shù)的變化優(yōu)點(diǎn)：可以自動(dòng)調(diào)節(jié)由于干擾和內(nèi)部參數(shù)的變化 而引起而引起 的變動(dòng)。的變動(dòng)。計(jì)算比較計(jì)算比較給定值給定值E執(zhí)行執(zhí)行被控

7、對(duì)象被控對(duì)象干擾干擾被控量被控量測(cè)量測(cè)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)原理方框圖第一節(jié) 自動(dòng)控制的基本原理與方式如上圖所示，反饋回來的信號(hào)與給定值如上圖所示，反饋回來的信號(hào)與給定值相減，即根據(jù)偏差進(jìn)行控制，稱為負(fù)反相減，即根據(jù)偏差進(jìn)行控制，稱為負(fù)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?yàn)闊o論是干擾的作用，還是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參這種控制方式控制精度較高，因?yàn)闊o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，系統(tǒng)就會(huì)自行糾偏。但是閉環(huán)控制數(shù)的變化，只要被控量偏離給定值，系統(tǒng)就會(huì)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(huì)造成被控量的較大擺動(dòng)，甚

8、至系統(tǒng)無法系統(tǒng)的參數(shù)如果匹配得不好，會(huì)造成被控量的較大擺動(dòng)，甚至系統(tǒng)無法正常工作。正常工作。第一節(jié) 自動(dòng)控制的基本原理與方式 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)原理方框圖第一節(jié) 自動(dòng)控制的基本原理與方式第一節(jié) 自動(dòng)控制的基本原理與方式2 2、開環(huán)控制方式、開環(huán)控制方式計(jì)算計(jì)算執(zhí)行執(zhí)行受控對(duì)象受控對(duì)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)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)原理方框圖開開環(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(duì)系統(tǒng)的控制作用沒有影

9、響。第一節(jié) 自動(dòng)控制的基本原理與方式爐溫控制系統(tǒng)爐溫控制系統(tǒng)原理方框圖定時(shí)開關(guān)爐子電阻絲0T給定爐溫T實(shí)際爐溫第一節(jié) 自動(dòng)控制的基本原理與方式特點(diǎn)：特點(diǎn)：控制裝置只按給定值來控制受控對(duì)象控制裝置只按給定值來控制受控對(duì)象優(yōu)點(diǎn)：控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，相對(duì)來說成本低。優(yōu)點(diǎn)：控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，相對(duì)來說成本低。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：對(duì)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。第一節(jié) 自動(dòng)控制的基本原理與方式q定義：利用干擾信號(hào)產(chǎn)生控制作用，以及時(shí)定義：利用干擾信號(hào)產(chǎn)生控制作用，以及時(shí)補(bǔ)償干擾對(duì)被控量的直接影響。補(bǔ)償干擾對(duì)被控量的直接影響。計(jì)算計(jì)算測(cè)量測(cè)量受控對(duì)象受控對(duì)象執(zhí)行執(zhí)行干擾

10、干擾被控量被控量特點(diǎn)特點(diǎn)：只能對(duì)可測(cè)干擾進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)不可測(cè)干擾以及受控對(duì)象、各功能部件內(nèi)部：只能對(duì)可測(cè)干擾進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)不可測(cè)干擾以及受控對(duì)象、各功能部件內(nèi)部參數(shù)變化對(duì)被控量的影響，系統(tǒng)自身無法控制。參數(shù)變化對(duì)被控量的影響，系統(tǒng)自身無法控制。適用于：存在強(qiáng)干擾且變化比較劇烈的場(chǎng)合。適用于：存在強(qiáng)干擾且變化比較劇烈的場(chǎng)合。水位高度控制系統(tǒng)原理圖水位高度控制系統(tǒng)原理方框圖第一節(jié) 自動(dòng)控制的基本原理與方式3 3、復(fù)合控制方式、復(fù)合控制方式 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(shí)質(zhì)上，它復(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(shí)質(zhì)上，它是在閉環(huán)控制回路的基礎(chǔ)上，附加了一個(gè)輸入信號(hào)或擾

11、動(dòng)作用的順饋是在閉環(huán)控制回路的基礎(chǔ)上，附加了一個(gè)輸入信號(hào)或擾動(dòng)作用的順饋通路，來提高系統(tǒng)的控制精度。通路，來提高系統(tǒng)的控制精度。 復(fù)合控制系統(tǒng)n控制裝置被控對(duì)象 CR補(bǔ)償裝置第一節(jié) 自動(dòng)控制的基本原理與方式第一章自動(dòng)控制的一般概念第一章自動(dòng)控制的一般概念 第三節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類一、按控制方式來分一、按控制方式來分 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類方法較多，常見自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類方法較多，常見的有以下幾種的有以下幾種 二、按輸入量的變化規(guī)律來分二、按輸入量的變化規(guī)律來分開環(huán)控制、反饋控制、復(fù)合控制恒指控制、隨動(dòng)控制、程序控制 第三節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類恒值系統(tǒng)、隨動(dòng)系統(tǒng)和恒值系統(tǒng)、隨動(dòng)系統(tǒng)和 程序控制系統(tǒng)

12、程序控制系統(tǒng) (按控制系統(tǒng)的輸入作用來分按控制系統(tǒng)的輸入作用來分 ） 系統(tǒng)的給定值為一定值，而控制系統(tǒng)的給定值為一定值，而控制任務(wù)就是克服擾動(dòng)，使被控量保持恒值。任務(wù)就是克服擾動(dòng)，使被控量保持恒值。 例如：電機(jī)速度控制、恒溫、恒壓、例如：電機(jī)速度控制、恒溫、恒壓、水位控制系統(tǒng)等。水位控制系統(tǒng)等。 恒值系統(tǒng)：恒值系統(tǒng)： 隨動(dòng)系統(tǒng)：隨動(dòng)系統(tǒng)： 系統(tǒng)給定值按照事先不知道的系統(tǒng)給定值按照事先不知道的時(shí)間函數(shù)變化，并要求被控量跟隨時(shí)間函數(shù)變化，并要求被控量跟隨給定值變化。給定值變化。 第三節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類程序控制系統(tǒng) 系統(tǒng)的參據(jù)量時(shí)按預(yù)定規(guī)律隨時(shí)間變化的函數(shù)，要求被控量迅速、準(zhǔn)確地加以復(fù)現(xiàn)。程序控

13、制系統(tǒng)和隨動(dòng)系統(tǒng)的參據(jù)量都是時(shí)間函數(shù)，不過前者是已知的時(shí)間函數(shù)，后者是未知的任意時(shí)間函數(shù)，而恒值控制系統(tǒng)也可視為程序控制系統(tǒng)的特例。 第三節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類三、按系統(tǒng)性能來分三、按系統(tǒng)性能來分 由線性微分方程或線性差分方由線性微分方程或線性差分方程所描述的系統(tǒng)。程所描述的系統(tǒng)。由非線性方程描述的系統(tǒng)。由非線性方程描述的系統(tǒng)。線性系統(tǒng)：線性系統(tǒng)：非線性系統(tǒng)：非線性系統(tǒng)：線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、定常系統(tǒng)、時(shí)變系統(tǒng)、確定性系統(tǒng)、不確定系統(tǒng)等。 第三節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類定常系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng)定常系統(tǒng)定常系統(tǒng): 若系統(tǒng)微分方程的系數(shù)為常數(shù)，則若系統(tǒng)微分方程的系數(shù)為常數(shù)，則稱之為線性定常系統(tǒng)。此類系統(tǒng)為本

14、書稱之為線性定常系統(tǒng)。此類系統(tǒng)為本書主要討論對(duì)象。主要討論對(duì)象。 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型微分方程的系數(shù)不系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型微分方程的系數(shù)不是時(shí)間變量的函數(shù)。是時(shí)間變量的函數(shù)。否則稱為時(shí)變系統(tǒng)。否則稱為時(shí)變系統(tǒng)。 第三節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)：連續(xù)系統(tǒng)： 系統(tǒng)中各部分的信號(hào)都是時(shí)間的連續(xù)系統(tǒng)中各部分的信號(hào)都是時(shí)間的連續(xù)函數(shù)即模擬量。函數(shù)即模擬量。離散系統(tǒng)：離散系統(tǒng)： 系統(tǒng)中有一處或多處信號(hào)為時(shí)間的系統(tǒng)中有一處或多處信號(hào)為時(shí)間的離散函數(shù)，如脈沖或數(shù)碼信號(hào)。離散函數(shù)，如脈沖或數(shù)碼信號(hào)。 若系統(tǒng)中既有模擬量也有離散信號(hào)，若系統(tǒng)中既有模擬量也有離散信號(hào)，則又可稱之為采樣系統(tǒng)。則又可稱之為采樣系統(tǒng)

15、。第四節(jié) 對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求 常見的評(píng)價(jià)系統(tǒng)優(yōu)劣的性能指標(biāo)是常見的評(píng)價(jià)系統(tǒng)優(yōu)劣的性能指標(biāo)是從動(dòng)態(tài)過程中定義出來的。對(duì)系統(tǒng)性能從動(dòng)態(tài)過程中定義出來的。對(duì)系統(tǒng)性能的基本要求有三個(gè)方面。的基本要求有三個(gè)方面。 第一章自動(dòng)控制的一般概念第一章自動(dòng)控制的一般概念工程上常從穩(wěn)、快、準(zhǔn)三個(gè)方面來評(píng)價(jià)控制系統(tǒng)。工程上常從穩(wěn)、快、準(zhǔn)三個(gè)方面來評(píng)價(jià)控制系統(tǒng)。 穩(wěn)：穩(wěn)： 指動(dòng)態(tài)過程的平穩(wěn)性。指動(dòng)態(tài)過程的平穩(wěn)性。 快：快： 指動(dòng)態(tài)過程的快速性。指動(dòng)態(tài)過程的快速性。 準(zhǔn)：準(zhǔn)： 指動(dòng)態(tài)過程的最終精度。指動(dòng)態(tài)過程的最終精度。1.基本要求的提法 第四節(jié) 對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求穩(wěn)：穩(wěn)： 指動(dòng)態(tài)過程的平穩(wěn)性指動(dòng)態(tài)過程的平

16、穩(wěn)性控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程曲線如上圖所示，系統(tǒng)在外力作用下，輸出逐漸與期望值一致，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的，如曲線所示；反之，輸出如曲線所示，則系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。 第四節(jié) 對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求快：快： 指動(dòng)態(tài)過程的快速性指動(dòng)態(tài)過程的快速性快速性即動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行的時(shí)間的長短。過程時(shí)間越短，說明系統(tǒng)快速性越好，反之說明系統(tǒng)響應(yīng)遲鈍，如曲線所示。穩(wěn)和快反映了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程性能的好壞。既快又穩(wěn)，表明系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)精度高。穩(wěn)和快反映了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程性能的好壞。既快又穩(wěn)，表明系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)精度高。 第四節(jié) 對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求準(zhǔn)：準(zhǔn)：指系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)過程結(jié)束后，其被控量（或指系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)過程結(jié)束后，其被控量（或反饋量）與給定值的偏差，這一偏差稱為穩(wěn)態(tài)反饋量）與