自控原理課件

1、自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學描述時域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動控制原理自動控制原理自動控制原理課程性質(zhì)、地位和任務課程性質(zhì)、地位和任務 自動控制原理自動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。工程中的數(shù)學。基礎(chǔ)課技術(shù)基礎(chǔ)課未來工作知識知識學習學習能力能力培養(yǎng)培養(yǎng)工作工作能力能力課程性質(zhì)、地位和任務課程性質(zhì)、地位和任務 任務：任務：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)的分析和設計方法掌握控制系統(tǒng)的分析和設計方法高等數(shù)學高等數(shù)學積分變換積分變換自動控制理論自動控制理論現(xiàn)代控制理

2、論現(xiàn)代控制理論其它專業(yè)課程其它專業(yè)課程1 1、專業(yè)基礎(chǔ)課，自動化專業(yè)承上啟下的課程、專業(yè)基礎(chǔ)課，自動化專業(yè)承上啟下的課程2 2、理論實踐相結(jié)合、理論實踐相結(jié)合理論性非常強，概念多，內(nèi)容多，抽象；理論性非常強，概念多，內(nèi)容多，抽象；實際應用緊密結(jié)合。能為解決實際控制問題提供理論和方法實際應用緊密結(jié)合。能為解決實際控制問題提供理論和方法自動控制原理的課程特點自動控制原理的課程特點3 3、自動控制技術(shù)是應用非常廣泛的技術(shù)、自動控制技術(shù)是應用非常廣泛的技術(shù)電機控制、自動化生產(chǎn)線、火炮雷達控制、家用電器、機電機控制、自動化生產(chǎn)線、火炮雷達控制、家用電器、機械、冶金、石油、化工、電力電子、航空、航海、航天

3、、械、冶金、石油、化工、電力電子、航空、航海、航天、核反應堆等。核反應堆等。1 1、打好基礎(chǔ)、打好基礎(chǔ)高等數(shù)學（微積分）、積分變換（拉氏變換）高等數(shù)學（微積分）、積分變換（拉氏變換）2 2、做好預習、做好預習3 3、聽好課、聽好課講課的速度較快、了解課程內(nèi)容講課的速度較快、了解課程內(nèi)容掌握基本理論和基本方法掌握基本理論和基本方法4 4、做好習題、做好習題應用學到的基本理論和基本方法解決實際問題應用學到的基本理論和基本方法解決實際問題本課程學習方法本課程學習方法自動控制原理自動控制原理 課程內(nèi)容課程內(nèi)容自動控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)（定義見（定義見1.1節(jié)首段）節(jié)首段）Ch2：控制系統(tǒng)的：控制系統(tǒng)的數(shù)

4、學模型數(shù)學模型Ch1：自動控：自動控制系統(tǒng)的基本制系統(tǒng)的基本概念和要求概念和要求分析系統(tǒng)分析系統(tǒng)的性能的性能Ch7:控制系控制系統(tǒng)的統(tǒng)的校正校正Ch8:線性離線性離散控制散控制系統(tǒng)系統(tǒng)Ch9：非線性非線性控制系控制系統(tǒng)統(tǒng)Ch4: 時域分析時域分析 Ch5:根軌跡分析根軌跡分析 Ch6:頻率特性分析頻率特性分析 Ch3：控制系統(tǒng)的：控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性及特性穩(wěn)定性及特性自動自動控制原控制原理理 自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的基本概念第第1章章自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學描述時域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動控制原理在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防（尤其是在航天、制導、核能等方面）

5、乃至日常生活和社會科學領(lǐng)域中都起著極其重的作用。如爐溫控制、機械手的控制、人造衛(wèi)星的軌道控制、造紙機卷取系統(tǒng)的張力恒定控制等等。自動自動控制原控制原理理自動控制在國民經(jīng)濟中的作用 軍事領(lǐng)域中軍事領(lǐng)域中 導彈命中目標、飛機駕駛系統(tǒng)導彈命中目標、飛機駕駛系統(tǒng)航天技術(shù)方面航天技術(shù)方面 登月計劃，航天飛機：宇宙飛船準確在月球上著陸并能重登月計劃，航天飛機：宇宙飛船準確在月球上著陸并能重返地球。人造衛(wèi)星按預定軌跡運行并返回地面。返地球。人造衛(wèi)星按預定軌跡運行并返回地面。工業(yè)生產(chǎn)過程中工業(yè)生產(chǎn)過程中 對壓力、溫度、濕度、流量、頻率及原料、燃料成分比例對壓力、溫度、濕度、流量、頻率及原料、燃料成分比例等方面

6、的控制，全自動生產(chǎn)線等方面的控制，全自動生產(chǎn)線現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中 溫室自動溫控系統(tǒng)，自動灌溉系統(tǒng)，溫室自動溫控系統(tǒng)，自動灌溉系統(tǒng)， 雖然我們將要涉及到的全部是自動控制的工程應用方面，雖然我們將要涉及到的全部是自動控制的工程應用方面，但它的概念已經(jīng)擴大到其它領(lǐng)域，如經(jīng)濟、政治等領(lǐng)域。但它的概念已經(jīng)擴大到其它領(lǐng)域，如經(jīng)濟、政治等領(lǐng)域。自動自動控制原控制原理理自動控制在國民經(jīng)濟中的作用生產(chǎn)的自動化，管理的科學化，大大地改善了勞動條件，生產(chǎn)的自動化，管理的科學化，大大地改善了勞動條件，增加了產(chǎn)量，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。近十幾年來，由于計算機增加了產(chǎn)量，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。近十幾年來，由于計算機的廣泛應

7、用，使自動控制理論更加迅速向前發(fā)展，使得自的廣泛應用，使自動控制理論更加迅速向前發(fā)展，使得自動控制技術(shù)所能完成的任務更加復雜，水平大大地提高。動控制技術(shù)所能完成的任務更加復雜，水平大大地提高。電子技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，猶如為自電子技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，猶如為自動控制技術(shù)安上兩只翅膀，自動控制技術(shù)將在愈來愈多的動控制技術(shù)安上兩只翅膀，自動控制技術(shù)將在愈來愈多的領(lǐng)域發(fā)揮愈來愈重要的作用。因此，各個領(lǐng)域的工程技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮愈來愈重要的作用。因此，各個領(lǐng)域的工程技術(shù)人員和科學工作者，都必須具備一定的自動控制知識。人員和科學工作者，都必須具備一定的自動控制知識。 經(jīng)濟與社會

8、生活的其他領(lǐng)域經(jīng)濟與社會生活的其他領(lǐng)域 導航控制系統(tǒng)使汽車自動保持在設定車速，剎車防抱死系導航控制系統(tǒng)使汽車自動保持在設定車速，剎車防抱死系統(tǒng)自動防止汽車在濕滑的路面上打滑，在大型辦公樓或旅統(tǒng)自動防止汽車在濕滑的路面上打滑，在大型辦公樓或旅館，電梯調(diào)度系統(tǒng)自動發(fā)送車輛搭載乘客。館，電梯調(diào)度系統(tǒng)自動發(fā)送車輛搭載乘客。 一個現(xiàn)代化的居室內(nèi)，溫度由溫度調(diào)節(jié)裝置自動控制。一個現(xiàn)代化的居室內(nèi)，溫度由溫度調(diào)節(jié)裝置自動控制。自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學描述時域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動控制原理，是指在無人直接參與的情況下，利用外加的設備或裝置，使機器、設備或生產(chǎn)過程的

9、某個工作狀態(tài)或參數(shù)自動地按照預定的規(guī)律運行 ，是由控制器、被控對象等部件為了一定的目的有機的地聯(lián)接成的一個進行自動控制的整體。：在燃油爐溫度的控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)爐子溫度的如電動機、閥門等就是；燃油爐就是；而爐子的溫度就是爐子正常工作所設定的溫度就是：在燃油爐溫度的控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)爐子溫度的如電動機、閥門等就是；燃油爐就是；而爐子的溫度就是爐子正常工作所設定的溫度就是自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學描述時域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動控制原理經(jīng)典控制理論主要用于工業(yè)控制1788年瓦特發(fā)明蒸汽機的同時，發(fā)明了離心式調(diào)速器，使蒸汽機轉(zhuǎn)速保持恒定，這是最早的被用于工業(yè)的

10、自動控制裝置第二次世界大戰(zhàn)期間，對于軍用裝備的設計與制造的強烈需求，進一步促進并完善了自動控制理論的發(fā)展（如飛機及船用自動駕駛儀、火炮定位系統(tǒng)、雷達跟蹤系統(tǒng)等），主要研究多輸入和多輸出、時變和非線性等控制系統(tǒng)的分析與設計問題，有線性系統(tǒng)理論、最優(yōu)控制理論、最佳濾波、自適應控制、系統(tǒng)辯識、隨機控制等。主要代表有：Kalman 的濾波器，Pontryagin的極大值原理，Bellman 的 動態(tài)規(guī)劃和Lyapunov 的穩(wěn)定性理論。大系統(tǒng)理論和智能控制理論，稱為第三代控制理論?，F(xiàn)代控制理論廣泛應用于工農(nóng)業(yè)、國防及日常生活 ，主要以傳遞函數(shù)為數(shù)學工具，采用頻率方法，研究單輸入單輸出的線性定常系統(tǒng)的分

11、析和設計問題，并在工程上比較成功地解決了如恒值控制系統(tǒng)與隨動控制系統(tǒng)的設計與實踐問題。著名的控制科學家有：Black, Nyquist, Bode. 自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學描述時域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動控制原理 現(xiàn)代控制理論與運籌學相結(jié)合的產(chǎn)物，采用數(shù)學模型，通過分解協(xié)調(diào)或分解集結(jié)方法，將控制理論中的穩(wěn)定性理論，最優(yōu)化控制理論，多變量控制理論和運籌學中的線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃等加以推廣，應用于大系統(tǒng)的分析和綜合大系統(tǒng)理論大系統(tǒng)理論自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學描述時域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動控制原理智能控制

12、智能控制 智能控制是將認知科學、多種數(shù)學編程和控制技術(shù)結(jié)合起來的，形成感知交互式、以目標導向的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)可以進行規(guī)劃、決策，產(chǎn)生有效的 、有目的的行為，在不確定環(huán)境中，達到既定的目標。自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學描述時域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動控制原理電位器放大器電動機給定電壓Ur負載力矩n測速發(fā)動機整流器UaUcUdUf分析比較執(zhí)行電動機轉(zhuǎn)速表干擾實際轉(zhuǎn)速希望值眼觀測1.2.1 人工控制與自動控制人工控制與自動控制 轉(zhuǎn)速表觸發(fā)器整流器負載三相交流UaUfUrM給定電位器觸發(fā)器整流器三相交流給定電位器UaUfUr放大器TGM負載自控系統(tǒng)的基本概念自

13、控系統(tǒng)的數(shù)學描述時域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動控制原理1.2.2 開環(huán)控制和閉環(huán)控制開環(huán)控制和閉環(huán)控制計算放大計算放大執(zhí)行器執(zhí)行器被控對象被控對象給定量給定量被控量被控量干擾干擾開環(huán)控制開環(huán)控制(open-loop control)系統(tǒng)是指無被控量反饋系統(tǒng)是指無被控量反饋的系統(tǒng)，即在系統(tǒng)中控制信息的流動未形成閉合回的系統(tǒng)，即在系統(tǒng)中控制信息的流動未形成閉合回路路 。特點：特點：（1）輸入控制輸出，輸出對輸入沒有影響；）輸入控制輸出，輸出對輸入沒有影響；（2）裝置簡單，但控制準確度低。當有擾動時，如）裝置簡單，但控制準確度低。當有擾動時，如果沒有人的干預，輸出

14、量將不能按給定量所期望的果沒有人的干預，輸出量將不能按給定量所期望的狀態(tài)去工作。狀態(tài)去工作。自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學描述時域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動控制原理1.2.2 開環(huán)控制和閉環(huán)控制開環(huán)控制和閉環(huán)控制比較計算執(zhí)行器被控對象測量干擾被控量給定量閉環(huán)控制閉環(huán)控制就是有被控量反饋的控制，即系統(tǒng)的輸出信就是有被控量反饋的控制，即系統(tǒng)的輸出信號沿反饋通道又回到系統(tǒng)的輸入端，構(gòu)成閉合通道，號沿反饋通道又回到系統(tǒng)的輸入端，構(gòu)成閉合通道，也叫做反饋控制。也叫做反饋控制。特點：（1）輸入控制輸出、輸出對輸入有影響；）輸入控制輸出、輸出對輸入有影響；（2）裝置復雜

15、、但控制精度高。）裝置復雜、但控制精度高。自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學描述時域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動控制原理1.2.3 自動控制系統(tǒng)的組成自動控制系統(tǒng)的組成 給定裝置比較裝置串聯(lián)校正裝置比較、放大裝置執(zhí)行裝置被控對象反饋校正裝置測量與變送局部反饋系統(tǒng)主反饋干擾輸入值 被控量檢測被控量，將檢測值轉(zhuǎn)換為便于處理的信號，再將該信號輸入比較裝置?？刂葡到y(tǒng)中所要控制的對象直接對被控對象作用，以改變被控量的值將給定量與測量值進行運算得到偏差量 設定與被控量相對應的給定量在系統(tǒng)中添加的用以改善系統(tǒng)的控制性能的裝置 自動自動控制原控制原理理自動控制中的常用術(shù)語自動控

16、制中的常用術(shù)語 控制系統(tǒng)（控制系統(tǒng)（Control system）：）： 為了達到預期的目的（響應）而設計出來的系統(tǒng)，它由相互關(guān)聯(lián)的部件組合而成。 控制對象（控制對象（Control plant）：）： 指被控設備或過程。 控制器（控制器（Controller）：）： 使被控對象達到所要求的性能或狀態(tài)的控制設備。它接受輸入信號或偏差信號，按預定的控制規(guī)律給出控制信號（操作量），送到執(zhí)行元件（放大器）或被控對象。 系統(tǒng)（系統(tǒng)（System）：）： 為實現(xiàn)預期的目標而將有關(guān)部件（部分）互聯(lián)在一起的整體。 系統(tǒng)輸出，也稱被控量（系統(tǒng)輸出，也稱被控量（System output）：）： 指被控制的量是

17、一種被測量和被控制的量值或狀態(tài)（工業(yè)過程控制中用符號PV表示，parameters variable)。它表征被控對象或過程的狀態(tài)和性能，它又常常被稱為系統(tǒng)對輸入的響應（Response）。 自動自動控制原控制原理理自動控制中的常用術(shù)語自動控制中的常用術(shù)語 控制量（操作量控制量（操作量 Control signal）：）： 是由控制器給出的作用于執(zhí)行機構(gòu)或被控對象的信號，它體現(xiàn)了對被控對象的調(diào)節(jié)作用。 （工業(yè)過程控制中用符號MV表示，Mamipulated variable) 參考輸入或給定輸入或希望輸入（參考輸入或給定輸入或希望輸入（Desired Input）：）：是人為給定的系統(tǒng)預期輸出

18、的希望值。 （工業(yè)過程控制中用符號SV或SP表示，Set variable、Set point) 擾動（擾動（Interaction或或disturbance）：）： 干擾和破壞系統(tǒng)預期性能和輸出的干擾信號（作用）。由系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的稱為內(nèi)部擾動，由系統(tǒng)外部產(chǎn)生的稱為外部擾動，且外部擾動對系統(tǒng)而言是一種輸入量。 偏差信號（偏差信號（Error signal）：）： 參考輸入與實際輸出的差稱為偏差信號，偏差信號一般作為控制器的輸入信號。 自動自動控制原控制原理理 自動控制：在無人直接參加的情況下，利用控制裝置使被控對象和過程自動地按預定規(guī)律變化的控制過程。 自動控制系統(tǒng)：是由控制裝置和被控對象所組

19、成，它們以某種相互依賴的的方式組合成為一個有機整體，并對被控對象進行自動控制。 控制器：對被控對象起控制作用裝置的總體. 被控對象：要求實現(xiàn)自動控制的機器，設備或生產(chǎn)過程。 控制器：對被控對象起控制作用裝置的總體，稱做控制裝置或控制器。 輸出量：表現(xiàn)于控制對象或系統(tǒng)輸出端，并要求實現(xiàn)自動控制的物理量。 輸入量：作用于控制對象或系統(tǒng)輸入端，并可使系統(tǒng)具有預定功能或預定輸出的物理量。 擾動：所有妨礙控制量對被控量按要求進行正常控制的因素，稱為干擾量或擾動量。 自動控制與自動控制系統(tǒng)自動控制與自動控制系統(tǒng)自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學描述時域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分

20、析自動控制原理1.2.4 自動控制系統(tǒng)實例自動控制系統(tǒng)實例 爐溫控制系統(tǒng) 液位控制系統(tǒng) 舵輪隨動系統(tǒng) 自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學描述時域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動控制原理給定電位器電動機UrUaUtT工件燃油爐混合器閥門空氣燃油Q熱電偶爐溫控制系統(tǒng)爐溫控制系統(tǒng)電位器電動機燃油爐與T對應的給定阻值工件溫度等t熱電偶閥門UUa混合器nQ放大器放大器UUt被控對象被控對象T:給定溫度給定溫度 t:被控量被控量控制器控制器測測量量變變送送裝裝置置 自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學描述時域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動控制原理液位

21、控制系統(tǒng)液位控制系統(tǒng) 電動機 閥門L2閥門L1 減速器電位器浮子及連桿進水量Q1 出水量Q2給定液位H電位器電動機水箱給定阻值Q2h浮子連桿閥門L1Uan1減速器n2Q1被控對象被控對象H:給定高度給定高度h:實際高度實際高度控制器控制器比較比較裝置裝置干擾干擾 自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學描述時域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動控制原理舵輪隨動系統(tǒng)舵輪隨動系統(tǒng) 電位器舵輪UrUc Ua U舵減速器cABr電位器A比較放大干擾力矩n電位器B電動機減速裝置UcUr舵Urc被控對象被控對象輸輸入入設設定定裝裝置置控制器控制器比較放大裝置比較放大裝置 自控系統(tǒng)的基本

22、概念自控系統(tǒng)的數(shù)學描述時域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動控制原理給定量按事先設定的規(guī)律而變化 常常稱作伺服系統(tǒng)，它的特征是給定量是變化的，而且其變化規(guī)律是未知的 恒值給定控制系統(tǒng)的特征是給定量一經(jīng)設定就維持不變系統(tǒng)中所有元件都是線性元件 系統(tǒng)中含有一個或多個非線性元件系統(tǒng)中所有的信號都是連續(xù)時間變量的函數(shù) 系統(tǒng)中各種參數(shù)及信號在是以在時間上是離散的數(shù)碼形式或脈沖序列傳遞的，所以可以采用數(shù)字計算機來參與生產(chǎn)過程的控制注意：注意：每個標題按一下顯示內(nèi)容，再按一下結(jié)束顯示自動自動控制原控制原理理按控制方式分按控制方式分開環(huán)控制開環(huán)控制閉環(huán)控制，反饋控制閉環(huán)控制，反饋控

23、制復合控制復合控制按元件類型分按元件類型分機械系統(tǒng)機械系統(tǒng)恒張力系統(tǒng)恒張力系統(tǒng)電氣系統(tǒng)電氣系統(tǒng)機電系統(tǒng)機電系統(tǒng)全自動照相機，光機電結(jié)合全自動照相機，光機電結(jié)合液壓系統(tǒng)液壓系統(tǒng)伺服液壓缸，汽車發(fā)動機，大型的仿真伺服液壓缸，汽車發(fā)動機，大型的仿真模擬臺模擬臺氣動系統(tǒng)氣動系統(tǒng)生物系統(tǒng)生物系統(tǒng)自動自動控制原控制原理理按系統(tǒng)功用分按系統(tǒng)功用分溫度控制系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)壓力控制系統(tǒng)壓力控制系統(tǒng)位置控制系統(tǒng)位置控制系統(tǒng)按系統(tǒng)性能分按系統(tǒng)性能分線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)定常系統(tǒng)定常系統(tǒng)時變系統(tǒng)時變系統(tǒng)確定性系統(tǒng)確定性系統(tǒng)不確定性系統(tǒng)不確定性系統(tǒng)自動自動控制原控制原理理按參據(jù)量變化規(guī)律分

24、按參據(jù)量變化規(guī)律分恒值控制系統(tǒng)恒值控制系統(tǒng)隨動系統(tǒng)隨動系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng) 如果系統(tǒng)可用微分方程式描述，表示成輸入量與輸出量的如果系統(tǒng)可用微分方程式描述，表示成輸入量與輸出量的微分方程，且微分方程的系數(shù)是常數(shù)，反之，如果微分方微分方程，且微分方程的系數(shù)是常數(shù)，反之，如果微分方程的系數(shù)隨時間變化，稱為時變系統(tǒng)程的系數(shù)隨時間變化，稱為時變系統(tǒng)。 線性定常系統(tǒng)按其輸入量的變化規(guī)律不同又可分為：恒值線性定常系統(tǒng)按其輸入量的變化規(guī)律不同又可分為：恒值控制系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)、隨動系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。自動自動控制原控制原理理 恒值控制系統(tǒng)恒值控制系統(tǒng) 參變量是一個常值，要求被控量

25、亦等于一參變量是一個常值，要求被控量亦等于一個常值。個常值。 溫度控制系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)恒溫箱（剛出生的早產(chǎn)恒溫箱（剛出生的早產(chǎn)兒要放在保溫箱里，做溫度試驗時）溫度兒要放在保溫箱里，做溫度試驗時）溫度一經(jīng)調(diào)整，被控量就應與調(diào)整好的參據(jù)量一經(jīng)調(diào)整，被控量就應與調(diào)整好的參據(jù)量保持一致。壓力控制系統(tǒng)、液位控制系統(tǒng)保持一致。壓力控制系統(tǒng)、液位控制系統(tǒng)等。等。自動自動控制原控制原理理 隨動系統(tǒng)隨動系統(tǒng) 這類系統(tǒng)的參據(jù)量是預先未知的隨時間任這類系統(tǒng)的參據(jù)量是預先未知的隨時間任意變化的函數(shù)，要求被控制量以盡可能小意變化的函數(shù)，要求被控制量以盡可能小的誤差跟隨參據(jù)量的變化。在隨動系統(tǒng)中，的誤差跟隨參據(jù)量的變化。

26、在隨動系統(tǒng)中，擾動的影響是次要的，系統(tǒng)分析、設計的擾動的影響是次要的，系統(tǒng)分析、設計的重點是研究被控制量跟隨的快速性和準確重點是研究被控制量跟隨的快速性和準確性。函數(shù)記錄儀、性。函數(shù)記錄儀、高炮自動跟蹤系統(tǒng)高炮自動跟蹤系統(tǒng)便是便是典型的隨動系統(tǒng)的例子。在隨動系統(tǒng)中，典型的隨動系統(tǒng)的例子。在隨動系統(tǒng)中，如果被控制量是機械位置（角位置）或其如果被控制量是機械位置（角位置）或其導數(shù)時，這類系統(tǒng)稱之為伺服系統(tǒng)。導數(shù)時，這類系統(tǒng)稱之為伺服系統(tǒng)。自動自動控制原控制原理理 程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng) 這類控制系統(tǒng)的參據(jù)量是按預定規(guī)律隨時這類控制系統(tǒng)的參據(jù)量是按預定規(guī)律隨時間變化的函數(shù)，要求被控制量迅速、準確間

27、變化的函數(shù)，要求被控制量迅速、準確地復現(xiàn)。機械加工使用的數(shù)字程序控制機地復現(xiàn)。機械加工使用的數(shù)字程序控制機床便是一例。程序控制系統(tǒng)和隨動系統(tǒng)的床便是一例。程序控制系統(tǒng)和隨動系統(tǒng)的參據(jù)量都是時間的函數(shù)，不同之處在于程參據(jù)量都是時間的函數(shù)，不同之處在于程序控制系統(tǒng)是已知的時間函數(shù)，隨動系統(tǒng)序控制系統(tǒng)是已知的時間函數(shù)，隨動系統(tǒng)是未知的任意的時間函數(shù)，而恒值控制系是未知的任意的時間函數(shù)，而恒值控制系統(tǒng)可視為程序控制系統(tǒng)的特例。統(tǒng)可視為程序控制系統(tǒng)的特例。自動自動控制原控制原理理 隨著計算機的發(fā)展利用數(shù)字計算機進行控制的系隨著計算機的發(fā)展利用數(shù)字計算機進行控制的系統(tǒng)越來越多。連續(xù)信號經(jīng)過開關(guān)的采樣統(tǒng)越來

28、越多。連續(xù)信號經(jīng)過開關(guān)的采樣（可以（可以轉(zhuǎn)換成）離散系統(tǒng)，離散系統(tǒng)用差分方程描述。轉(zhuǎn)換成）離散系統(tǒng)，離散系統(tǒng)用差分方程描述。工業(yè)計算機控制系統(tǒng)就是典型的離散系統(tǒng)。工業(yè)計算機控制系統(tǒng)就是典型的離散系統(tǒng)。 系統(tǒng)中只要有一個元部件的輸入輸出特性是非線系統(tǒng)中只要有一個元部件的輸入輸出特性是非線性，這類系統(tǒng)就稱為非線性控制系統(tǒng)。嚴格地說，性，這類系統(tǒng)就稱為非線性控制系統(tǒng)。嚴格地說，實際物理系統(tǒng)中都含有程度不同的非線性元部件。實際物理系統(tǒng)中都含有程度不同的非線性元部件。由飽和特性、死區(qū)、間隙和摩擦等產(chǎn)生。非線性由飽和特性、死區(qū)、間隙和摩擦等產(chǎn)生。非線性線性（一定范圍內(nèi)的線性化）線性（一定范圍內(nèi)的線性化）自

29、控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學描述時域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動控制原理自動控制系統(tǒng)的任務：自動控制系統(tǒng)的任務：被控量和給定值，在任何時候都相等或保持一個固定的比例關(guān)系，沒有任何偏差，而且不受干擾的影響 系統(tǒng)的動態(tài)過程系統(tǒng)的動態(tài)過程，也稱為過渡過程過渡過程，是指系統(tǒng)受到外加信號(給定值或干擾)作用后，被控量隨時間變化的全過程反映系統(tǒng)控制性能優(yōu)劣的指標，工程上常常從穩(wěn)定性、快速性、準確性三個方面來評價控制系統(tǒng)動態(tài)過程的振蕩傾向和重新恢復平衡工作狀態(tài)的能力，是評價系統(tǒng)能否正常工作的重要性能指標控制系統(tǒng)過渡過程的時間長控制系統(tǒng)過渡過程的時間長短，是評價穩(wěn)定系統(tǒng)暫態(tài)

30、性短，是評價穩(wěn)定系統(tǒng)暫態(tài)性能的指標能的指標控制系統(tǒng)過渡過程結(jié)束后，或系統(tǒng)受干擾重新控制系統(tǒng)過渡過程結(jié)束后，或系統(tǒng)受干擾重新恢復平衡狀態(tài)時，最終保持的精度，是反映過恢復平衡狀態(tài)時，最終保持的精度，是反映過渡過程后期性能的指標渡過程后期性能的指標自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學描述時域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動控制原理tc(t)r(t)0(a)tc(t)r(t)0(b)tc(t)r(t)0(c)tc(t)r(t)0(d)自動控制原理控制系統(tǒng)設計概述控制系統(tǒng)設計概述 自動控制原理自動自動控制原控制原理理第第2章章 自控系統(tǒng)的數(shù)學描述自控系統(tǒng)的數(shù)學描述自控系統(tǒng)的基本

31、概念自控系統(tǒng)的數(shù)學描述時域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動控制原理2.1.1 系統(tǒng)微分方程的建立系統(tǒng)微分方程的建立控制系統(tǒng)的數(shù)學模型數(shù)學模型是指描述系統(tǒng)或元件輸入量、輸出量以及內(nèi)部各變量之間關(guān)系的數(shù)學表達式。而把描述各變量動態(tài)關(guān)系的數(shù)學表達式稱為動態(tài)模型。常用的動態(tài)數(shù)學模型有微分方程、傳遞函數(shù)及動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。建立數(shù)學模型，可以使用解析法和實驗法 解析法建立微分方程的一般步驟是解析法建立微分方程的一般步驟是 自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學描述時域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動控制原理解析法建立微分方程的一般步驟是 根據(jù)實際工根據(jù)實際工

32、作情況，確定系作情況，確定系統(tǒng)和各元件的輸統(tǒng)和各元件的輸入、輸出量；入、輸出量； 標準化工作標準化工作:將與輸入有關(guān)的各項放將與輸入有關(guān)的各項放在等號的右側(cè)，即將與輸出有關(guān)的各項在等號的右側(cè)，即將與輸出有關(guān)的各項放在等號的左側(cè)，并按照降冪排列。放在等號的左側(cè)，并按照降冪排列。 從輸入端開始，按照信號的傳遞從輸入端開始，按照信號的傳遞時序及方向，根據(jù)各變量所遵循的物理、時序及方向，根據(jù)各變量所遵循的物理、化學定律，列寫出變化（運動）過程中化學定律，列寫出變化（運動）過程中的微分方程組；的微分方程組； 消去中間變消去中間變量，得到只包含量，得到只包含輸入、輸出量的輸入、輸出量的微分方程；微分方程；

33、 最后將系數(shù)歸化為具有一定物理最后將系數(shù)歸化為具有一定物理意義的形式。意義的形式。12345自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學描述時域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動控制原理UrUciRC 試列寫圖示的RC無源網(wǎng)絡的微分方程 idtCRiUr1idtCUc1根據(jù)電路理論的基爾霍夫定律，列寫方程 其中i為中間變量，Ur為輸入量，Uc為輸出量，消去中間變量得： UrUcdtdUcRC令RC=T（時間常數(shù)），則有：UrUcdtdUcT RC無源網(wǎng)絡的動態(tài)數(shù)學模型為一階常系數(shù)無源網(wǎng)絡的動態(tài)數(shù)學模型為一階常系數(shù)線性微分方程。線性微分方程。自動自動控制原控制原理理線性系統(tǒng)滿足疊

34、加原理有兩重含義，即可疊加性和均勻性。線性系統(tǒng)滿足疊加原理有兩重含義，即可疊加性和均勻性。 說明說明)()()()(21220txtyadttdyadttyda 當當x=x1時，其解為時，其解為y1當當x=x2時，其解為時，其解為y2當當x=x1+x2時，其解為時，其解為y=y1+y2。當當x=Ax1時，其解為時，其解為y=Ay1，其中，其中A為常數(shù)為常數(shù)。 1 線性系統(tǒng)重要特性線性系統(tǒng)重要特性疊加原理疊加原理2.1.2 線性系統(tǒng)特性及線性定常微分方線性系統(tǒng)特性及線性定常微分方程求解程求解自動自動控制原控制原理理從圖中可知，通過Laplace變換，可以將微分方程的解簡化為復變域中關(guān)于s的代數(shù)方

35、程，并得到輸出的Laplace變換C(s)后，反變換得到微分方程的時間域解c(t)。 自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學描述時域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動控制原理2.1.2 線性微分方程的求解線性微分方程的求解js0)(dtetfst0)()()(dtetftfLsFst為復變量，其線性積分如果存在，就稱其為函數(shù) f(t) 的拉普拉斯變換（簡稱拉氏變換），記作并稱 F(s) 為 f(t) 的象函數(shù)或變換函數(shù)，f(t) 稱為 F(s) 的原函數(shù)。有函數(shù)f(t)，t為實變量幾種典型函數(shù)幾種典型函數(shù)的拉氏變換的拉氏變換)()()()()()(212121sbFsaF

36、tfbLtfaLtbftafL1.線性定理2.微分定理F(t) 及其各階導數(shù)在t-0 時的值都為零則有)()(sFsdttfdLnnn)(1)(.sFsdttfLnnn 3.積分定理F(t) 及其各重積分在t-0時的值都為零則有4.位移定理)()(sFetfLs)()(asFtfeLat實域位移定理 復域位移定理5.終值定理)()(limlim0ssFtfst函數(shù)名稱時間曲線數(shù)學表達式拉氏變換階躍函數(shù)F(s)=1/s斜坡函數(shù)F(s)=1/s2加速函數(shù)F(s)=1/s3指數(shù)函數(shù)F(s)=1/(s-a)正、余弦函數(shù)F(s)=/(s2-2)F(s)=s/(s2-2)0001)( 1)(ttttf0f

37、(t)t10f(t)t000)(ttttf000)(221ttttf000)(ttetfat000sin)(ttttf000cos)(ttttf0f(t)t0f(t)t0f(t)t1正弦余弦自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學描述時域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動控制原理Atf)(sAtALtALsF)( 1 )( 1)( ttf)(2)( 1)()(settLsFstetftsin)(22)(sin)(steLsFt已知已知，求，求F(s)。這里。這里A是常數(shù)。是常數(shù)。解：因為解：因為A是常數(shù)，所以是常數(shù)，所以，根據(jù)線性定理則有，根據(jù)線性定理則有已知已知，求，求F

38、(s)。解：根據(jù)實域位移定理則有解：根據(jù)實域位移定理則有例二例二自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學描述時域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動控制原理拉拉氏氏反反變變換換拉氏變換的逆運算 jjstdsesFjsFLtf)(21)()(1稱為拉氏反變換，該式是拉氏反變換的數(shù)學定義，而在實際應用中常常采用的方法是：1. 先將先將F(s)分解為一些簡單的有理分式函數(shù)之和，這分解為一些簡單的有理分式函數(shù)之和，這些函數(shù)基本上都是前面介紹過的典型函數(shù)形式；些函數(shù)基本上都是前面介紹過的典型函數(shù)形式；2. 然后由拉氏變換求出其反變換函數(shù)，即原函數(shù)然后由拉氏變換求出其反變換函數(shù)，即原函數(shù)

39、f(t)。nnnnmmmmasasasbsbsbsbsAsBsF1111110.)()()(設F(s)的一般表達式為(通常都是s的有理分式函數(shù))式中的a1、a2. an以及b1、b2. bm為實數(shù)，m、n為正數(shù)，且mn。根據(jù)上式分母的根，分為以下兩種情況來討論自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學描述時域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動控制原理A(s)=0有重根有重根自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學描述時域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動控制原理用拉氏變換求解系統(tǒng)微分方程或方程組的步驟如下：用拉氏變換求解系統(tǒng)微分方程或方程組的步驟如下：自控

40、系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學描述時域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動控制原理345)(2ssssF13) 1)(3(5)(21sCsCssssF115)() 3(limlim331sssFsCss235)() 1(limlim112sssFsCss已知：，求其拉氏反變換。接下來是確定兩個待定系數(shù)確定兩個待定系數(shù)，解：將將F(s)進行因式分解后得到進行因式分解后得到1231) 1)(3(5)(ssssssFtteetf32)(這時有將上式進行拉氏反變換拉氏反變換得到自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學描述時域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動

41、控制原理)3() 1(2)(2sssssF)(tf31) 1()(43122sCsCsCsCsF32)3() 1(2)(2003limlimssssFsCss121) 1(2)()3(2334limlimssssFsCss21)3(2)() 1(limlim111212ssssFsCss43)3(2)() 1(limlim111211sssdsdsFsdsdCss311211321143) 1(121)(2sssssFttteetetf3121324321)( 已知：，求原函數(shù)解：將F(s)進行因式分解進行因式分解后得到將所求得的系數(shù)代入F(s)中這時將上式進行反拉氏變換得到自控系統(tǒng)的基本概念

42、自控系統(tǒng)的數(shù)學描述時域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動控制原理)(2222txdtdxdtxdccc12)(2)(2cccXssXsXs1) 1(1221)(22ssssXctesXLtxtccsin)()(1已知系統(tǒng)微分方程為Xc在t=0時刻的各階導數(shù)均為零。求系統(tǒng)的輸出Xc(t)。解：對該系統(tǒng)的微分方程進行拉氏變換得到輸出量的拉氏變換表達式為所以使用復域位移定理求出系統(tǒng)的輸出為自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學描述時域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動控制原理傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)：線性定常系統(tǒng)在零初始條件下，系統(tǒng)輸出量的拉氏變換與輸入量

43、的拉氏變換之比。 G(s)C（S）R（S）傳遞函數(shù)的方框圖左圖所示的是)22)(3()2)(1()(2ssssssG的零、極點分布圖。 自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學描述時域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動控制原理2.2.1 關(guān)于傳遞函數(shù)的幾點說明關(guān)于傳遞函數(shù)的幾點說明自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學描述時域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動控制原理比比例例環(huán)環(huán)節(jié)節(jié)的的傳傳遞遞函函數(shù)數(shù)r(t)c(t)t01C(t)r(t)自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學描述時域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動控制原理慣慣

44、性性環(huán)環(huán)節(jié)節(jié)的的傳傳遞遞函函數(shù)數(shù)2C(t)r(t)自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學描述時域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動控制原理積積分分環(huán)環(huán)節(jié)節(jié)的的傳傳遞遞函函數(shù)數(shù)3 自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學描述時域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動控制原理微微分分環(huán)環(huán)節(jié)節(jié)的的傳傳遞遞函函數(shù)數(shù)4tKdttdKtut)()()()(ssKsUtsKssUsGt)()()(輸入量取角度時的傳遞函數(shù)即為微分環(huán)節(jié)。表示電機單位角速度的輸出電壓。則測速發(fā)電機輸出電壓與輸入角速度之間的關(guān)系為進行拉氏變換得到那么該元件的傳遞函數(shù)為自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)

45、的數(shù)學描述時域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動控制原理微微分分環(huán)環(huán)節(jié)節(jié)的的傳傳遞遞函函數(shù)數(shù)5)()()()()()()(1)()()(112212111RtiRtitutititidttiCRtiRtitucrRRRK21()2121RRCRRT)() 1()(sUTsKsUrc) 1()()()(TsKsUsUsGrc自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學描述時域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動控制原理振振蕩蕩環(huán)環(huán)節(jié)節(jié)的的傳傳遞遞函函數(shù)數(shù)6自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學描述時域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自

46、動控制原理延延遲遲環(huán)環(huán)節(jié)節(jié)的的傳傳遞遞函函數(shù)數(shù)7自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學描述時域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動控制原理2.3.1 動態(tài)結(jié)構(gòu)圖動態(tài)結(jié)構(gòu)圖是數(shù)學模型的圖解化，它描述了組成系統(tǒng)的各元部件的特性及相互之間信號傳遞的關(guān)系，表達了系統(tǒng)中各變量所進行的運算。是控制理論中描述復雜系統(tǒng)的一種簡便方法，它適用于線性和非線性系統(tǒng)。 動動態(tài)態(tài)結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)圖圖的的組組成成 1）信號線帶有表示信號傳遞方向箭頭的直線。一般在線上寫明該信號的拉氏變換表達式。2）綜合點3）引出點4）方 框在信號線上的“”，表示信號引出的位置。方框中為元部件或系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，方框的輸出量等于方

47、框內(nèi)的傳遞函數(shù)與輸入量的乘積。它完成兩個以上信號的加減運算，以O 表示。如果輸入的信號帶“”號，就執(zhí)行加法；帶“”號就執(zhí)行減法。自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學描述時域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動控制原理自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學描述時域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動控制原理動態(tài)結(jié)構(gòu)圖建立步驟是 建立系統(tǒng)各元部件的微分建立系統(tǒng)各元部件的微分方程。要注意，必須先明確系方程。要注意，必須先明確系統(tǒng)的輸入量和輸出量，還要考統(tǒng)的輸入量和輸出量，還要考慮相鄰元件間的負載效應。慮相鄰元件間的負載效應。 按照系統(tǒng)中各變量傳遞順按照系統(tǒng)中

48、各變量傳遞順序，依次連接序，依次連接3）中得到的結(jié)）中得到的結(jié)構(gòu)圖，系統(tǒng)的輸入量放在左端，構(gòu)圖，系統(tǒng)的輸入量放在左端，輸出量放在右端，即可得到系輸出量放在右端，即可得到系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。 將得到的系統(tǒng)將得到的系統(tǒng)微分方程組進行拉微分方程組進行拉氏變換。氏變換。 按照各元部件的輸按照各元部件的輸入、輸出，對各方程進入、輸出，對各方程進行一定的變換，并據(jù)此行一定的變換，并據(jù)此繪出各元部件的動態(tài)結(jié)繪出各元部件的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。構(gòu)圖。1234自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學描述時域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動控制原理自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學描述時域

49、分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動控制原理CR2R1U1U2I1I2IR2U2(S)步驟一 列寫方程組步驟二 畫出對應方程的部分結(jié)構(gòu)圖1R1U2(S)U1(S)_U (S)CS步驟三 依次連接得到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學描述時域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動控制原理C (s)R(s)2.3.2 動態(tài)結(jié)構(gòu)圖的化簡動態(tài)結(jié)構(gòu)圖的化簡 結(jié)構(gòu)圖的等效變換的原結(jié)構(gòu)圖的等效變換的原則則：變換前后輸入輸出之間的傳遞函數(shù)保持不變。 G1(s)G2(s).G3(s)R(s)C (s)R(s)G1(s)G2(s) C (s)Gn(s).并

50、聯(lián)：并聯(lián)：G1(s)G2(s).Gn(s)R(s)C (s)R(s)G2(s)G1(s)C (s)Gn(s).自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學描述時域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動控制原理1.綜合點前移：綜合點前移：2.綜合點后移：綜合點后移：3.綜合點之間移動：綜合點之間移動：結(jié)構(gòu)圖中綜合點的移動方法結(jié)構(gòu)圖中綜合點的移動方法自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學描述時域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動控制原理1.引出點前移：引出點前移：2.引出點后移：引出點后移：3.引出點之間移動：引出點之間移動：結(jié)構(gòu)圖中引出點的移動方法結(jié)構(gòu)圖中引出點

51、的移動方法G1(s)G2(s)R(s)C(s)G1(s)G2(s)C(s) R(s)等效方塊圖等效方塊圖原方塊圖原方塊圖等效運算關(guān)系等效運算關(guān)系)()()()(21sGsGsRsC 串聯(lián)等效串聯(lián)等效G1(s) G2(s)C(s) R(s)并聯(lián)等效并聯(lián)等效)()()()(21sGsGsRsC G1(s)G2(s)R(s)C(s)C(s)R(s)()(1)(211sGsGsG反饋等效反饋等效)()(1)()()(211sGsGsGsRsC G1(s)G2(s)R(s)C(s)等效單位反饋等效單位反饋-G1(s)G2(s)R(s)C(s)-G1(s)G2(s)R(s)C(s)1/G2(s)()(1)

52、()()(1)()(21212sGsGsGsGsGsRsC 結(jié)構(gòu)圖化簡規(guī)則結(jié)構(gòu)圖化簡規(guī)則結(jié)構(gòu)圖化簡規(guī)則結(jié)構(gòu)圖化簡規(guī)則（續(xù)表）（續(xù)表）等效方塊圖等效方塊圖原方塊圖原方塊圖等效運算關(guān)系等效運算關(guān)系比較點后移比較點后移G(s)R(s)C(s)Q(s)G(s)G(s)R(s)C(s)Q(s)()()()()()()()(sGsQsGsRsGsQsRsC G(s)R(s)C(s)Q(s)G(s)1/G(s)R(s)C(s)Q(s)比較點前移比較點前移)()()()()()()()(sGsGsQsRsQsGsRsC G(s)R(s)C(s)C(s)G(s)R(s)C(s)C(s)G(s)引出點前移引出點前

53、移)()()(sGsRsC G(s)R(s)C(s)R(s)G(s)R(s)C(s)R(s)1/G(s)引出點后移引出點后移)()()(sGsRsC )(1)()()(sGsGsRsR 結(jié)構(gòu)圖化簡規(guī)則結(jié)構(gòu)圖化簡規(guī)則（續(xù)表）（續(xù)表）等效方塊圖等效方塊圖原方塊圖原方塊圖等效運算關(guān)系等效運算關(guān)系R1(s)C(s)R2(s)R3(s)E(s)R1(s)C(s)R2(s)R3(s)E(s)C(s)R2(s)R1(s)R3(s)變換或合并比較點變換或合并比較點)()()(31sRsEsC )()()(321sRsRsR R1(s)C(s)R2(s)-C(s)R1(s)C(s)R2(s)-C(s)-R2(s

54、)交換比較點或引出點交換比較點或引出點（一般不采用）（一般不采用）)()()(21sRsRsC -G (s)H(s)R(s)C(s)E(s)+G(s)-H(s)R(s)C(s)E(s)負號在支路上移動負號在支路上移動)()()()(sCsHsRsE )()()(sCsHsR 自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學描述時域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動控制原理)()()(sRsCs G1(s)G2(s)G4(s)G3(s)H2(s)R(s)C (s)H3(s)H1(s)1串聯(lián)化簡串聯(lián)化簡用結(jié)構(gòu)圖的等效變換，求圖所示系統(tǒng)的傳遞函數(shù)解：這是一個無交叉多回路系統(tǒng)，可以應用串聯(lián)

55、和反饋連接的等效變換公式進行化簡。本題的簡化過程演示如下：G3(s)G4(s)2負反饋化簡負反饋化簡G3(s)G4(s)1+ G3(s)G4(s) H3(s)3串聯(lián)化簡串聯(lián)化簡G2(s)G3(s)G4(s)1+ G3(s)G4(s) H3(s)G2(s)G3(s)G4(s)1+ G3(s)G4(s) H3(s)+G2(s)G3(s)G4(s) H2(s)G1(s)G2(s)G3(s)G4(s)1+ G3(s)G4(s) H3(s)+G2(s)G3(s)G4(s) H2(s)G1(s)G2(s)G3(s)G4(s)1+ G3(s)G4(s) H3(s)+G2(s)G3(s)G4(s) H2(s)

56、+G1(s)G2(s)G3(s)G4(s) H1(s)自動自動控制原控制原理理自動自動控制原控制原理理2.3.3 信號流圖信號流圖信號流圖是一種表示一組線性代數(shù)方程的圖信號流圖是一種表示一組線性代數(shù)方程的圖示方法。像結(jié)構(gòu)圖一樣，它也是一種描述系示方法。像結(jié)構(gòu)圖一樣，它也是一種描述系統(tǒng)內(nèi)部信號傳遞關(guān)系的數(shù)學模型。信號流圖統(tǒng)內(nèi)部信號傳遞關(guān)系的數(shù)學模型。信號流圖比結(jié)構(gòu)圖更簡便明了，不用進行化簡，就可比結(jié)構(gòu)圖更簡便明了，不用進行化簡，就可利用梅遜（利用梅遜（Mason)公式求出任意兩點之間的公式求出任意兩點之間的傳遞函數(shù)，但它與結(jié)構(gòu)圖不同的是只能用來傳遞函數(shù)，但它與結(jié)構(gòu)圖不同的是只能用來描述線性系統(tǒng)。

57、描述線性系統(tǒng)。 xay節(jié)點節(jié)點：以小圓圈表示，代表方程式中的變量。：以小圓圈表示，代表方程式中的變量。支路支路：兩節(jié)點之間的定向線段，兩節(jié)點之間的定向線段， 支路增益表示方程中兩個變量的因果關(guān)系。相當支路增益表示方程中兩個變量的因果關(guān)系。相當于乘法器。于乘法器。1.由節(jié)點和支路組成的信號傳遞網(wǎng)絡圖由節(jié)點和支路組成的信號傳遞網(wǎng)絡圖y=axx2x1x3x4x51abcefdgx5信號流圖信號流圖的組成及術(shù)語的組成及術(shù)語 2 常用術(shù)語常用術(shù)語源節(jié)點源節(jié)點 (輸入節(jié)點輸入節(jié)點 source nodes)：只有輸出支路，沒有輸入支路的節(jié)點：只有輸出支路，沒有輸入支路的節(jié)點 一般表示系統(tǒng)的輸入變量，故也叫

58、輸入節(jié)點。一般表示系統(tǒng)的輸入變量，故也叫輸入節(jié)點。阱節(jié)點阱節(jié)點 (輸出節(jié)點輸出節(jié)點 sink nodes)：只有輸入支路，沒有輸出支路的節(jié)點，：只有輸入支路，沒有輸出支路的節(jié)點， 一般表示系統(tǒng)的輸出變量，故也叫輸出節(jié)點。一般表示系統(tǒng)的輸出變量，故也叫輸出節(jié)點。混合節(jié)點混合節(jié)點 (mixed nodes)：既有輸入支路，又有輸出支路的節(jié)點。：既有輸入支路，又有輸出支路的節(jié)點。 混合節(jié)點上引出具有單位增益的支路，混合節(jié)點混合節(jié)點上引出具有單位增益的支路，混合節(jié)點輸出節(jié)點。輸出節(jié)點。前向通路前向通路 (forward paths)：輸入節(jié)點：輸入節(jié)點輸出節(jié)點，每個節(jié)點只通過一輸出節(jié)點，每個節(jié)點只通過

59、一 次的通路。次的通路。x2x1x3x4x51abcefdgx5總增益總增益：前向通路上各支路增益的乘積，一般用：前向通路上各支路增益的乘積，一般用pk表示。表示?；芈坊芈罚╨oop）：起點和終點在同一個節(jié)點，且信號通過每一）：起點和終點在同一個節(jié)點，且信號通過每一 節(jié)點不多于一次的閉合通路稱為單獨回路，簡稱回路。節(jié)點不多于一次的閉合通路稱為單獨回路，簡稱回路?；芈吩鲆婊芈吩鲆妫夯芈分兴兄吩鲆娴某朔e，一般用：回路中所有支路增益的乘積，一般用La表示。表示。不接觸回路不接觸回路（nontouching loops）：回路之間沒有公共節(jié)點）：回路之間沒有公共節(jié)點 的回路。的回路。x2x1x3x

60、4x51abcefdgx5 1 1）節(jié)點表示變量，一般從左向右順序設置。）節(jié)點表示變量，一般從左向右順序設置。 變量等于所有流向該節(jié)點的信號的代數(shù)和，從節(jié)點流向各支路的信號變量等于所有流向該節(jié)點的信號的代數(shù)和，從節(jié)點流向各支路的信號 均用該節(jié)點的變量表示。均用該節(jié)點的變量表示。2 2）支路相當于乘法器，信號流經(jīng)支路時，乘以支路增益得到另一信號。）支路相當于乘法器，信號流經(jīng)支路時，乘以支路增益得到另一信號。3 3）信號在支路上按箭頭方向單向傳遞，即只有前因后果的因果關(guān)系。）信號在支路上按箭頭方向單向傳遞，即只有前因后果的因果關(guān)系。4 4）對給定系統(tǒng)，節(jié)點變量的設置是任意的，所以信號流圖不唯一。）