第1章自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念

1、自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系1自動(dòng)控制原理 昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系2課程性質(zhì)課程性質(zhì) 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理是與所有工程技術(shù)是與所有工程技術(shù)相關(guān)的相關(guān)的技術(shù)基礎(chǔ)課技術(shù)基礎(chǔ)課工程中的數(shù)學(xué)。工程中的數(shù)學(xué)?；A(chǔ)課技術(shù)基礎(chǔ)課未來(lái)工作知識(shí)知識(shí)學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)能力能力培養(yǎng)培養(yǎng)工作工作能力能力自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系3課程任務(wù)課程任務(wù) 任務(wù)：任務(wù)：1.1.掌握控制系統(tǒng)的基本理論掌握控制系統(tǒng)的基本理論2.2.掌握控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)方法掌握控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)方法自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化

2、學(xué)院自動(dòng)化系4課程基本內(nèi)容v控制系統(tǒng)基本概念v物理系統(tǒng)建模方法v時(shí)域分析方法v復(fù)域分析方法v頻域分析方法v系統(tǒng)校正v其他自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系5教材及主要參考書(shū)v自動(dòng)控制原理 李玉惠 晉帆主編 向鳳紅主審 清華大學(xué)出版社 2008參考書(shū) v自動(dòng)控制原理 陳玉宏 向鳳紅主編 重慶大學(xué)出版社 2002v自動(dòng)控制原理 王建輝 主編 清華大學(xué)出版社 2006v自動(dòng)控制理論與設(shè)計(jì) 上海交大出版社 徐薇莉等vAutomatic Control SystemBenjamin C. Kuo （高教出版社 ）v現(xiàn)代控制工程第四版。 美Katsuhiko Ogata著，盧伯英、于海勛

3、等譯，電子工業(yè)出版社，2003.7 自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系6第1章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念v1.1 引言 v1.2 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)v1.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成v1.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(lèi)和應(yīng)用v1.5 對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系71.1 引言v 自動(dòng)控制的自然系統(tǒng)和人造系統(tǒng)v 自動(dòng)控制理論發(fā)展簡(jiǎn)史v 自動(dòng)控制中的常用術(shù)語(yǔ)自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系8自動(dòng)控制的自然系統(tǒng)和人造系統(tǒng)v 人體自然系統(tǒng) 體溫控制系統(tǒng) 心跳控制系統(tǒng) 眼球聚焦系統(tǒng) 新陳代謝系統(tǒng) 血液系統(tǒng) 呼吸系統(tǒng) 腎肝肺

4、系統(tǒng) 這些系統(tǒng)持續(xù)的自動(dòng)控制是我們保持健康的基本條件。 這些系統(tǒng)是在人們非有意識(shí)干預(yù)的情況下自動(dòng)運(yùn)行的。 自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系9自動(dòng)控制的自然系統(tǒng)和人造系統(tǒng) 天體自然系統(tǒng) 銀 河 系 的 恒 星 運(yùn) 動(dòng) 自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系10自動(dòng)控制的自然系統(tǒng)和人造系統(tǒng) 季節(jié)自然系統(tǒng) 四 季 氣 候 變 更自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系11自動(dòng)控制的自然系統(tǒng)和人造系統(tǒng)人造系統(tǒng)全自動(dòng)洗衣機(jī)電冰箱 電飯煲 電梯控制系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)水位控制系統(tǒng)速度控制系統(tǒng)剎車(chē)防抱死系統(tǒng) 自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系12自

5、動(dòng)控制理論發(fā)展簡(jiǎn)史自動(dòng)控制理論發(fā)展簡(jiǎn)史 古希臘水鐘原理圖（公元前300年-公元前1年） 浮塞V1V2V3自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系13公元前我國(guó)的自動(dòng)計(jì)時(shí)漏壺公元132年張衡研制出自動(dòng)測(cè)量地震的候風(fēng)地動(dòng)儀自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系14公元235年馬鈞研制出能自動(dòng)指示方向的指南車(chē)自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系15V1V2 1787年，James Watt 為控制蒸汽機(jī)速度設(shè)計(jì)的離心調(diào)節(jié)器，是自動(dòng)控制領(lǐng)域的第一項(xiàng)重大成果。自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系16v但瓦特離心調(diào)速器在調(diào)速過(guò)程中存在不穩(wěn)定現(xiàn)象（“

6、設(shè)備變得發(fā)狂！”），當(dāng)時(shí)并沒(méi)有理論指導(dǎo)，所有的努力都集中在改進(jìn)調(diào)速器本身（重量、彈簧、摩擦）。 J.C.Maxwell把調(diào)節(jié)器跟調(diào)節(jié)對(duì)象合在一起，看作一個(gè)系統(tǒng)，1868年在論文“論調(diào)節(jié)器”中首先解釋了Watt速度控制系統(tǒng)中出現(xiàn)的不穩(wěn)定問(wèn)題，通過(guò)線性常微分方程的建立和分析，指出了振蕩現(xiàn)象的出現(xiàn)與從系統(tǒng)導(dǎo)出的一個(gè)代數(shù)方程根的分布有密切的關(guān)系，開(kāi)辟了用數(shù)學(xué)方法研究控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)特性的途徑。自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系17v1877年 E.J.Routh和1895年 A.Hurwitz分別獨(dú)立地建立了直接根據(jù)代數(shù)方程的系數(shù)判別系統(tǒng)穩(wěn)定性的準(zhǔn)則。v1892年A.M.Lyapunov

7、用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)分析方法全面地論述了穩(wěn)定性問(wèn)題,Lyapunov穩(wěn)定性理論至今仍然是分析系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要方法。v1922年，Minorsky研制出船舶操縱自動(dòng)控制器，并證明了從系統(tǒng)的微分方程確定系統(tǒng)的穩(wěn)定性的方法。 自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系18v1925年英國(guó)電氣工程師O.亥維賽把拉普拉斯變換應(yīng)用到求解電路網(wǎng)絡(luò)的問(wèn)題上，創(chuàng)立了運(yùn)算微積分，隨后被應(yīng)用到分析自動(dòng)控制系統(tǒng)的問(wèn)題上，并取得了顯著的成就。v早期的載波電話失真嚴(yán)重，解決放大器的非線性累積和無(wú)序振蕩，成為電話遠(yuǎn)程傳輸?shù)年P(guān)鍵。19271927年年8 8月月，貝爾實(shí)驗(yàn)室的電氣工程師布萊克(H.S.Black)在輪渡上的靈

8、光一現(xiàn)，催生了最實(shí)用的負(fù)反饋控制裝置。負(fù)反饋信號(hào)放大器獲得了極好的線性度，解決電子管放大器失真問(wèn)題和自激振蕩問(wèn)題，極大地促進(jìn)了電話的廣泛應(yīng)用。 自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系19v1932年，Nyquist提出了一種根據(jù)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)頻率響應(yīng)(對(duì)穩(wěn)態(tài)正弦輸入)，確定閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法。隨后,H.W.Bode和N.B.Nichols等在20世紀(jì)30年代末和40年代初進(jìn)一步發(fā)展了頻率響應(yīng)法。v1934年，Hezen提出了用于位置控制系統(tǒng)的伺服機(jī)構(gòu)的概念，討論了可以精確跟蹤變化的輸入信號(hào)的機(jī)電伺服機(jī)構(gòu)。自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系20早期的防空火炮控制，一

9、般需要 3 個(gè)人來(lái)實(shí)施伺服控制， （一個(gè)方位角，一個(gè)高低角，還有一個(gè)引信）。19401940年，同樣來(lái)自貝爾實(shí)驗(yàn)室的年輕的工程師帕金森用反饋控制方法，解決了這個(gè)問(wèn)題。當(dāng)時(shí)，他是一個(gè)低職位的工程師，讓他承擔(dān)的任務(wù)是繞電位計(jì)，就在1940年春天的一個(gè)晚上，他做了一個(gè)夢(mèng)。他夢(mèng)到既然用電位計(jì)可以控制電壓記錄筆，那么，它也應(yīng)該可以控制火炮的發(fā)射。他的這個(gè)夢(mèng)，同樣促進(jìn)了自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展。 火炮隨動(dòng)控制自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系21高炮的控制系統(tǒng)（1945年）自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系22 到了二十世紀(jì)40年代，尼可爾斯深入研究了PID（Proporti

10、on, Integral, Differential）調(diào)節(jié)問(wèn)題。 他在MIT僅有的一臺(tái)模擬機(jī)（又叫微分分析儀）上做了大量的仿真實(shí)驗(yàn)，最后列出來(lái)了PID的整定表?？刂乒こ讨?，有一項(xiàng)工作歷經(jīng)60多年，至今還在使用的，就是尼可爾斯編排的這個(gè)PIDPID整定表整定表。自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系23v1954年，中國(guó)科學(xué)家錢(qián)學(xué)森全面地歸納總結(jié)了經(jīng)典控制理論，在美國(guó)出版了國(guó)際上第一本經(jīng)典控制理論的著作工程控制論工程控制論。 v1956年，前蘇聯(lián)科學(xué)家L.S.Pontryagin提出極大值原理。同年美國(guó)數(shù)學(xué)家R.Bellman創(chuàng)立動(dòng)態(tài)規(guī)劃。極大值原理和動(dòng)態(tài)規(guī)劃為最優(yōu)控制提供了理論工

11、具。v1948年，美國(guó)科學(xué)家W.R.Evans提出了有名的根軌跡的分析方法，并于1950年進(jìn)一步應(yīng)用于反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，形成了與頻率響應(yīng)方法相對(duì)應(yīng)的另一核心方法根軌跡法。自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系24v1959年美國(guó)數(shù)學(xué)家R.E.Kalman提出了著名的卡爾曼濾波器，1960年又提出能控性和能觀測(cè)性的概念。v19世紀(jì)60年代，數(shù)字計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)為復(fù)雜系統(tǒng)的基于時(shí)域分析的現(xiàn)代控制理論提供了可能。v從1960年到1980，確定性系統(tǒng)、隨機(jī)系統(tǒng)的最佳控制，及復(fù)雜系統(tǒng)的自適應(yīng)和學(xué)習(xí)控制，都得到充分的研究。v從1980年到現(xiàn)在，現(xiàn)代控制理論進(jìn)展集中于魯棒控制、H控制及其相關(guān)課題

12、。自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系25控制理論發(fā)展階段控制理論發(fā)展階段v經(jīng)典控制理論v現(xiàn)代控制理論 v大系統(tǒng)理論v智能控制理論線性控制理論非線性控制理論采樣控制理論自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系26v 經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論 以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ),研究單輸入單輸出一類(lèi)定?？刂葡到y(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問(wèn)題。 如：調(diào)節(jié)電壓改變電機(jī)的速度；調(diào)整方向盤(pán)改變汽車(chē)的運(yùn)動(dòng)軌跡等。 這些理論發(fā)展較早，現(xiàn)已臻成熟。 自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系27v 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)，研究多輸入多輸出、時(shí)變、非線性一類(lèi)控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問(wèn)題。

13、 如：汽車(chē)看成是一個(gè)具有兩個(gè)輸入（駕駛盤(pán)和加速踏板）和兩個(gè)輸出（方向和速度）的控制系統(tǒng)。 計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，極大地促進(jìn)了控制科學(xué)的發(fā)展。自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系28經(jīng)典控制理論與現(xiàn)代控制理論比較經(jīng)典控制理論與現(xiàn)代控制理論比較 項(xiàng)目經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論研究對(duì)象線性定常系統(tǒng)（單輸入、單輸出）線性、非線性、定常、時(shí)變系統(tǒng)（多輸入、多輸出）描述方法傳遞函數(shù)（輸入、輸出描述）向量空間（狀態(tài)空間描述）研究辦法根軌跡法和頻率法狀態(tài)空間法研究目標(biāo)系統(tǒng)分析及給定輸入、輸出情況下的系統(tǒng)綜合揭示系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律，實(shí)現(xiàn)在一定意義下的最優(yōu)控制與設(shè)計(jì)自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)

14、院自動(dòng)化系29v大系統(tǒng)控制理論大系統(tǒng)控制理論 大系統(tǒng)控制理論是一種過(guò)程控制與信息處理相結(jié)合的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)工程理論，研究的對(duì)象具有規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能綜合、目標(biāo)多樣、因素眾多等特點(diǎn)。它是一個(gè)多輸入、多輸出、多干擾、多變量的系統(tǒng)。 如：人體，我們就可以看作為一個(gè)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的控制等等。 大系統(tǒng)控制理論目前仍處于發(fā)展階段。 自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系30v 智能控制智能控制 這是近年來(lái)新發(fā)展起來(lái)的一種控制技術(shù)，是人工智能在控制上的應(yīng)用。它的指導(dǎo)思想是依據(jù)人的思維方式和處理問(wèn)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(wèn)題

15、。 智能控制研究學(xué)派：結(jié)構(gòu)派結(jié)構(gòu)派和功能派功能派 智能控制是一門(mén)新興的控制學(xué)科，有些問(wèn)題尚存有爭(zhēng)議，然而由于它實(shí)用性強(qiáng)，能運(yùn)用人們的經(jīng)驗(yàn)與技巧解決許多以往控制中難以解決的棘手問(wèn)題（如建模等），因此得到了人們極大的重視。 自動(dòng)控制原理v直接用思維腦電波控制機(jī)器人等外部設(shè)備昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系31 圖1 大腦、電腦和機(jī)器人之間的一個(gè)關(guān)系 “理解腦”、“利用腦”和“創(chuàng)造腦”自動(dòng)控制原理v直接用思維腦電波控制機(jī)器人等外部設(shè)備昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系32腦控機(jī)器人應(yīng)用自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系33自動(dòng)控制中的常用術(shù)語(yǔ)(1)v控制控制 對(duì)于人-

16、機(jī)系統(tǒng)，為使某一機(jī)器、設(shè)備或過(guò)程處于希望的狀態(tài)而對(duì)其進(jìn)行的操作，稱(chēng)為控制。v人工控制人工控制 在人直接參與下完成的控制，稱(chēng)為人工控制。v自動(dòng)控制自動(dòng)控制 指在無(wú)人直接干預(yù)下，利用物理裝置使被控對(duì)象或生產(chǎn)過(guò)程的某一物理量（如溫度、壓力、pH值等）按照預(yù)期的規(guī)律運(yùn)行。 例如礦井提升機(jī)速度的控制、水泥回轉(zhuǎn)窯濕度的控制、造紙廠紙漿濃度的控制、軋鋼廠加熱爐溫度的控制、物料傳輸機(jī)速度的控制、火炮和導(dǎo)彈的自動(dòng)跟蹤與自動(dòng)發(fā)射等等。自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系34信息化戰(zhàn)爭(zhēng)：信息化戰(zhàn)爭(zhēng)：奪取信息優(yōu)勢(shì)是戰(zhàn)爭(zhēng)勝負(fù)的決定因素奪取信息優(yōu)勢(shì)是戰(zhàn)爭(zhēng)勝負(fù)的決定因素重要原則：發(fā)現(xiàn)即摧毀重要原則：發(fā)現(xiàn)即摧

17、毀自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系35控制控制發(fā)現(xiàn)即摧毀發(fā)現(xiàn)即摧毀自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系36控制：控制：通俗地說(shuō)，通俗地說(shuō)，控制控制就是使就是使被被控對(duì)象控對(duì)象按照我們預(yù)定的方式工作按照我們預(yù)定的方式工作自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系37自動(dòng)控制中的常用術(shù)語(yǔ)(2)v控制裝置控制裝置 這種能代替人對(duì)生產(chǎn)設(shè)備和工藝過(guò)程施加控制作用的裝置，稱(chēng)為自動(dòng)控制裝置或控制器。v受控對(duì)象受控對(duì)象 被控制的機(jī)器、設(shè)備或過(guò)程稱(chēng)為受控對(duì)象、被控對(duì)象或?qū)ο蟆Ｈ缣嵘龣C(jī)、回轉(zhuǎn)窯、加熱爐等等。v被控量被控量 被控制的物理量稱(chēng)為被控量或輸出量。 被控量是表

18、征受控對(duì)象工作狀態(tài)的物理量，即速度、濕度、濃度、爐溫、電壓等。自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系38被控對(duì)象舉例：被控對(duì)象舉例：自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系39自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系40自動(dòng)控制中的常用術(shù)語(yǔ)(3)v給定量給定量 決定被控量的物理量稱(chēng)為給定量或參考輸入。給定量表征被控量的期望值或受控對(duì)象的期望狀態(tài)。v擾動(dòng)量擾動(dòng)量 妨礙給定量對(duì)被控量進(jìn)行正?？刂频乃幸蛩胤Q(chēng)為擾動(dòng)量。 如果擾動(dòng)量產(chǎn)生在系統(tǒng)內(nèi)部稱(chēng)為內(nèi)擾；擾動(dòng)量產(chǎn)生在系統(tǒng)外部稱(chēng)為外擾。給定量和擾動(dòng)量都是自動(dòng)控制系統(tǒng)的輸入量。自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化

19、學(xué)院自動(dòng)化系41自動(dòng)控制中的常用術(shù)語(yǔ)(4)v系統(tǒng)系統(tǒng) 由一些相互聯(lián)系和相互制約的環(huán)節(jié)組成并具有特定功能的整體稱(chēng)為系統(tǒng)。 在工業(yè)生產(chǎn)中，一臺(tái)機(jī)器、一套設(shè)備或任意工藝過(guò)程，如加熱爐、軋鋼機(jī)、化學(xué)反應(yīng)釜、核反應(yīng)堆等都稱(chēng)為系統(tǒng)。自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系42 自動(dòng)控制中的常用術(shù)語(yǔ)(5)v自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng) 為實(shí)現(xiàn)某一控制目標(biāo)所需要的所有物理部件的有效組合體。 自動(dòng)控制系統(tǒng)由自動(dòng)控制裝置控制裝置與受控受控對(duì)象對(duì)象組成。 控制系統(tǒng)一般按被控量命名按被控量命名，如速度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)等。自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系431.2 開(kāi)環(huán)控

20、制和閉環(huán)控制系統(tǒng)v開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng) v閉環(huán)控制系統(tǒng) v復(fù)合控制系統(tǒng) 自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系44 電風(fēng)扇的控制電機(jī)（執(zhí)行機(jī)構(gòu)）風(fēng)扇葉片（控制對(duì)象）開(kāi)關(guān)或程序控制器控制電壓開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)v電風(fēng)扇開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng) 自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系45開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng) 控制目的： 保持爐溫被控對(duì)象(物理實(shí)體)： 爐子被控量(輸出物理量)： 爐內(nèi)溫度控制裝置： 開(kāi)關(guān)K和電熱絲，對(duì)被控量起控制作用 開(kāi)環(huán)控制的電加熱爐原理圖v電加熱爐溫開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng) 自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系46電加熱爐溫開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)v控制任務(wù)控制任務(wù) 爐溫保持恒定v工作原理工作

21、原理 調(diào)壓器電壓 加熱電阻電流 加熱爐溫度 ruRicT自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系47電加熱爐溫開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)v控制結(jié)構(gòu)控制結(jié)構(gòu) 存在從左到右的信號(hào)傳遞通道前向通道 開(kāi)環(huán)控制的電加熱爐方框圖 自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系48開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)v特點(diǎn)特點(diǎn) 系統(tǒng)的輸出端與輸入端不存在反饋回路，輸出量對(duì)系統(tǒng)的控制作用不發(fā)生影響的系統(tǒng)。只有從輸入端到輸出端的信號(hào)前向通道，不存在由輸出端到輸入端的信號(hào)反饋通路。按給定值控制，無(wú)抗擾動(dòng)能力，精度低。 環(huán)節(jié)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，穩(wěn)定性好。 自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系49開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)v開(kāi)環(huán)控制有兩種

22、形式開(kāi)環(huán)控制有兩種形式按給定值控制按擾動(dòng)補(bǔ)償 圖1. 4 兩種開(kāi)環(huán)控制形式方框圖 自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系50開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)v應(yīng)用應(yīng)用目前國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)都廣泛應(yīng)用開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，如自動(dòng)售貨機(jī)、自動(dòng)洗衣機(jī)、產(chǎn)品自動(dòng)生產(chǎn)流水線及交通指揮的紅綠燈轉(zhuǎn)換等。自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系51閉環(huán)控制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)難以保持爐溫恒定。如果無(wú)論是否出現(xiàn)擾動(dòng)都要使?fàn)t溫保持恒定，就需人工干預(yù)。 閉環(huán)控制是在開(kāi)環(huán)控制基礎(chǔ)上引入人工干預(yù)過(guò)程演變而來(lái)的 自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系52閉環(huán)控制系統(tǒng)v人工爐溫控制人工爐溫控制 手動(dòng)控制電加熱爐 自動(dòng)控

23、制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系53人工爐溫控制人工爐溫控制人工干預(yù)過(guò)程： 爐溫控制人工控制職能圖 用眼觀察溫度計(jì)測(cè)量測(cè)量爐溫 大腦中比較比較實(shí)際與給定溫度 相應(yīng)調(diào)整調(diào)整(增加或減小)電壓 自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系54 反饋是控制的精髓。運(yùn)用反饋的例子也是比比皆是。 例：調(diào)節(jié)容器內(nèi)液面位置的人工閉環(huán)控制系統(tǒng)液位控制示意圖自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系55分析決策腦執(zhí)行工作對(duì)象手觀察觀察干擾或激勵(lì)眼預(yù)期目標(biāo)實(shí)際結(jié)果眼液體的流入和流出液位液位控制人工職能圖自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系56例：汽車(chē)方向控制系統(tǒng) 汽

24、車(chē)方向控制系統(tǒng)自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系57汽車(chē)方向控制人工職能圖駕車(chē)人汽車(chē)預(yù)期行駛路線實(shí)際行駛路線比較器視覺(jué)測(cè)量+-偏差方向盤(pán)自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系58控制器駕車(chē)人汽車(chē)預(yù)期速度實(shí)際實(shí)際速度速度比較器視覺(jué)測(cè)量偏差油門(mén)剎車(chē)汽車(chē)速度控制系統(tǒng)汽車(chē)速度控制系統(tǒng)汽車(chē)方向控制功能方框圖自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系59閉環(huán)控制系統(tǒng)v人工控制作用人工控制作用 人工的關(guān)鍵性作用是使系統(tǒng)的輸出量參與了系統(tǒng)的控制，形成了信號(hào)傳遞的閉環(huán)回路。系統(tǒng)一旦出現(xiàn)偏差，就調(diào)整控制量，從而保證了輸出量的恒定。 人工控制系統(tǒng)也叫做人工反饋系統(tǒng)，或叫人工

25、閉環(huán)控制系統(tǒng)。 用自動(dòng)控制裝置來(lái)取代人工操作功能，就變成自動(dòng)控制系統(tǒng)，或叫閉環(huán)控制系統(tǒng)。自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系60閉環(huán)控制系統(tǒng)v電加熱爐溫閉環(huán)控制系統(tǒng)電加熱爐溫閉環(huán)控制系統(tǒng) 閉環(huán)控制的電加熱爐原理圖自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系61電加熱爐溫閉環(huán)控制系統(tǒng)v控制任務(wù)控制任務(wù) 爐溫保持恒定v工作原理工作原理 自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系62電加熱爐溫閉環(huán)控制系統(tǒng)v控制結(jié)構(gòu)控制結(jié)構(gòu) 閉環(huán)控制的電加熱爐方框圖 自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系63閉環(huán)控制系統(tǒng)v特點(diǎn)特點(diǎn) 系統(tǒng)的輸出端與輸入端存在反饋回路，輸出

26、量對(duì)系統(tǒng)的控制作用發(fā)生影響的系統(tǒng)。存在從輸入端到輸出端的信號(hào)前向通道和從輸出端到輸入端的信號(hào)反饋通路，形成一個(gè)閉合的回路。 按偏差控制，有抗擾動(dòng)能力 ，精度高。 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，穩(wěn)定性降低，實(shí)現(xiàn)較困難。自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系64閉環(huán)控制系統(tǒng)v應(yīng)用應(yīng)用廣泛應(yīng)用各行業(yè) 控制器設(shè)定溫度Td(t)室內(nèi)溫度T(t)比較器室內(nèi)溫度測(cè)量空調(diào)壓縮機(jī)閉環(huán)系統(tǒng)例：空調(diào)控制系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)例：空調(diào)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系65現(xiàn)代化的工廠自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系66棉紡廠自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系67復(fù)合控制

27、系統(tǒng) v兩種基本形式兩種基本形式 1按參考輸入前饋補(bǔ)償2按擾動(dòng)前饋補(bǔ)償 復(fù)合控制系統(tǒng) 自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系681.3 1.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成 閉環(huán)控制系統(tǒng)的一般構(gòu)成自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系69反饋的多樣性：負(fù)反饋、正反饋反饋的多樣性：負(fù)反饋、正反饋例：已知鈾例：已知鈾235235原子核在一個(gè)中子的撞擊下，可原子核在一個(gè)中子的撞擊下，可發(fā)生核裂變反應(yīng)，放出大量的能量，同時(shí)釋放大發(fā)生核裂變反應(yīng)，放出大量的能量，同時(shí)釋放大約約2.52.5個(gè)中子，放出的中子有可能再與鈾個(gè)中子，放出的中子有可能再與鈾235235原

28、子原子核發(fā)生核反應(yīng)，這就是所謂核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。核發(fā)生核反應(yīng)，這就是所謂核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。235125Unn 核裂變廢料+能量+ .自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系70核裂變核裂變反應(yīng)式反應(yīng)式初始中子實(shí)際中子數(shù)有效中子率有效中子率+有效中子數(shù)正反饋例：核爆正反饋例：核爆能量自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系71負(fù)反饋例子：核電站控制負(fù)反饋例子：核電站控制電流i石墨棒電離室反應(yīng)堆石墨反應(yīng)堆示意圖自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系72功率測(cè)量值功率控制器反應(yīng)堆設(shè)定功率輸出功率傳感器+-偏差E(t)輸入變量r(t)輸出變量y(t)被測(cè)變量=反應(yīng)

29、堆中子數(shù)負(fù)反饋例子：核電站控制負(fù)反饋例子：核電站控制自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系731.4 1.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(lèi)和應(yīng)用自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(lèi)和應(yīng)用 開(kāi)環(huán)控制 閉環(huán)控制(反饋控制) 復(fù)合控制 自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系74機(jī)械系統(tǒng)恒張力系統(tǒng)電氣系統(tǒng)機(jī)電系統(tǒng)全自動(dòng)照相機(jī)，光機(jī) 電結(jié)合液壓系統(tǒng)伺服液壓缸，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)，大型的仿真模擬臺(tái)氣動(dòng)系統(tǒng) 生物系統(tǒng)v按元件類(lèi)型 自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系75v按系統(tǒng)功用 自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系76自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系77線性系

30、統(tǒng)和非線性系統(tǒng) 組成系統(tǒng)元器件的特性均為線性的,可用一個(gè)或一組線性微分方程來(lái)描述系統(tǒng)輸入和輸出之間的關(guān)系。線性系統(tǒng)的主要特征是具有齊次性和疊加性。 1.線性系統(tǒng) 2.非線性系統(tǒng) 在系統(tǒng)中只要有一個(gè)元器件的特性不能用線性微分方程描述其輸入和輸出關(guān)系,則稱(chēng)為非線性系統(tǒng)。非線性系統(tǒng)還沒(méi)有一種完整、成熟、統(tǒng)一的分析法。通常對(duì)于非線性程度不很?chē)?yán)重,或做近似分析時(shí),均可用線性系統(tǒng)理論和方法來(lái)處理。非線性系統(tǒng)分析將在第八章專(zhuān)門(mén)討論。 自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系78連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng) 1.連續(xù)系統(tǒng) 系統(tǒng)中所有元件的信號(hào)都是隨時(shí)間連續(xù)變化的,信號(hào)的大小均是可任意取值的模擬量,稱(chēng)為連續(xù)系

31、統(tǒng)。 2.離散系統(tǒng) 離散系統(tǒng)是指系統(tǒng)中有一處或數(shù)處的信號(hào)是脈沖序列或數(shù)碼。若系統(tǒng)中采用了采樣開(kāi)關(guān),將連續(xù)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散的脈沖形式的信號(hào),此類(lèi)系統(tǒng)稱(chēng)為采樣控制系統(tǒng)或脈沖控制系統(tǒng)。若采用數(shù)字計(jì)算機(jī)或數(shù)字控制器,其離散信號(hào)是以數(shù)碼形式傳遞的,此類(lèi)系統(tǒng)稱(chēng)為數(shù)字控制系統(tǒng)。自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系79定常系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng) 1.定常系統(tǒng) 如果描述系統(tǒng)特性的微分方程中各項(xiàng)系數(shù)都是與時(shí)間無(wú)關(guān)的常數(shù),則稱(chēng)為定常系統(tǒng)。該類(lèi)系統(tǒng)只要輸入信號(hào)的形式不變,在不同時(shí)間輸入下的輸出響應(yīng)形式是相同的。 2.時(shí)變系統(tǒng) 如果描述系統(tǒng)特性的微分方程中只要有一項(xiàng)系數(shù)是時(shí)間的函數(shù),此系統(tǒng)稱(chēng)為時(shí)變系統(tǒng)。 自動(dòng)控制

32、原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系80 輸入信號(hào)是一個(gè)恒定的數(shù)值。如：工業(yè)生產(chǎn)中的恒溫、恒壓等自動(dòng)控制系統(tǒng)。輸入信號(hào)是一個(gè)未知函數(shù)。要求控制系統(tǒng)的輸出量跟隨輸入信號(hào)變化。如：火炮自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)。輸入信號(hào)是一個(gè)已知的函數(shù)。系統(tǒng)的控制過(guò)程按預(yù)定的程序進(jìn)行，要求被控量能迅速準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)輸入，如化工中的壓力、溫度、流量控制。 恒值控制系統(tǒng)可看成輸入等于常值的程序控制系統(tǒng)。自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系81恒值控制系統(tǒng) 自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系82隨動(dòng)控制系統(tǒng) 位置伺服系統(tǒng)工作原理圖 自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系83隨動(dòng)控制

33、系統(tǒng) 位置伺服系統(tǒng)方框圖 自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系84程序控制系統(tǒng) 系統(tǒng)方框圖 自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系85程序控制系統(tǒng) 系統(tǒng)方框圖 自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系861913年美國(guó)建成最早的汽車(chē)裝配流水線1926年美國(guó)建成第一條汽車(chē)自動(dòng)生產(chǎn)線 現(xiàn)代自動(dòng)化工廠生產(chǎn)線（國(guó)產(chǎn)）奇瑞、長(zhǎng)安汽車(chē)沖壓生產(chǎn)線奇瑞、長(zhǎng)安汽車(chē)沖壓生產(chǎn)線長(zhǎng)春汽車(chē)焊接生產(chǎn)線長(zhǎng)春汽車(chē)焊接生產(chǎn)線1.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(lèi)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(lèi)和應(yīng)用和應(yīng)用(4)自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系871952年美國(guó)MIT研制出第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床 現(xiàn)代

34、高速大型數(shù)控中心高速大型數(shù)控中心（沈陽(yáng)第一機(jī)床廠）自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系881954年第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人 國(guó)產(chǎn)100公斤點(diǎn)焊機(jī)器人自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系892005年我國(guó)成功發(fā)射載人飛船（神舟6號(hào)） 1981年美國(guó)“哥倫比亞”號(hào)航天飛機(jī)首次發(fā)射成功自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系90采松果機(jī)器人挖樹(shù)根機(jī)器人自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系91嫁接機(jī)器人采摘機(jī)器人自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系92壁面清洗壁面清洗機(jī)器人機(jī)器人擦玻璃擦玻璃機(jī)器人機(jī)器人自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工

35、程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系93飛機(jī)清洗機(jī)器人自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系94汽車(chē)加油機(jī)器人自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系95家用清潔機(jī)器人自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系96高壓輸電線維修（遙操作）機(jī)器人自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系97醫(yī)用機(jī)器人自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系98中國(guó)骨科機(jī)器人系統(tǒng)自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系99法國(guó)遠(yuǎn)程醫(yī)療機(jī)器人自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系100各種軍用機(jī)器人自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)

36、化系101自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系102 Mobile platform Manipulator Cameras 2-DOF turret 國(guó)產(chǎn)反恐機(jī)器人自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系103空間艙外艙內(nèi)機(jī)器人自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系104 微型（幾毫米）機(jī)器人自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系105自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系106機(jī)器人能否干活？機(jī)器人能否干活？自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系107機(jī)器人干活！機(jī)器人干活！自動(dòng)控制原理昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系1081.5 1.5 對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求對(duì)自動(dòng)控