電班用年自動控制原理簡介及第一章一般概念

1、自動控制(z dn kn zh)原理共九十九頁任課教師及答疑(d y)安排任課教師： 任麗紅辦公室： 自動化教研室 主樓4204聯(lián)系方式：8129 2149答疑安排(npi)：周四下午 4204共九十九頁教材(jioci)及參考書目教材： 胡壽松 主編.自動控制原理(第五版). 北京: 科學出版社參考書：1、自動控制原理 清華大學 哈爾濱工業(yè)大學等 特點：傳統(tǒng)教材，有利于考研。2、自動控制系統(tǒng)（第八版）（Automatic Control Systems) 美 Benjamin C. Kuoden等著 高等教育出版社2004.7. 特點：經(jīng)典與現(xiàn)代結(jié)合，把控制理論、實

2、際例子與計算機工具有機結(jié)合，給出了計算軟件和虛擬實驗室。47. 9元 3、現(xiàn)代控制系統(tǒng)（第八版）（Modern Control Systems) 美 Richard C. Dorf等著 高等教育出版社2001.6. 特點： 給出了大量的實際例子，特別(tbi)是以磁盤驅(qū)動控制系統(tǒng)作為“循序漸進設計示例”，每章分別研究了磁盤驅(qū)動控制系統(tǒng)設計的不同方面。55. 00元4、現(xiàn)代控制工程 (第三版)（Modern Control Engineering) 美 Katsuhiko Ogata著電子工業(yè)出版社2000.5. 特點：經(jīng)典與現(xiàn)代結(jié)合，引入Matlab，國外電子信息科學經(jīng)典教材系列。90.00元

3、共九十九頁學時(xush)安排與成績評定總學時：64學時（其中實驗8學時：4*2學時）成績(chngj)評定： 閉卷 17周周一、 期末閉卷考試（70%） +實驗成績（20%） +平時成績（10%）作業(yè)： 每星期二 交作業(yè)（準備兩個作業(yè)本）共九十九頁課程(kchng)簡介自動控制原理是信息工程學院專業(yè)基礎平臺課程，電氣信息類專業(yè)標志性課程，必修課，核心課，是多個專業(yè)的考研課程之一。 考研：自動控制原理：經(jīng)典(jngdin)（本課程） +現(xiàn)代（下學期開）電氣信息類專業(yè)：自動化、電氣工程及其自動化 計算機科學與技術、通信工程、電子信息工程、 電子科學與技術、生物醫(yī)學工程等7個專業(yè)。 教育部普通高等

4、學校本科專業(yè)設置（2001版）共九十九頁怎樣(znyng)學好理論課研究(ynji)共性的問題，是指具有嚴格的理論體系，需要定量描述和抽象思維的一類課程 。(1)廣泛閱讀參考書，相互印證，深刻理解理論體系。 (2)完成大量練習，積極討論問題。在試做習題之前，一定要對有關理論內(nèi)容，有初步的理解，不然則是事倍功半。個人的理解有時會出現(xiàn)偏差，通過集體討論可以糾正錯誤理解或相互補充。 (3)理論聯(lián)系實際，演繹歸納并重。許多理論課程采用的是演繹體系，即由一般到個別的過程。但是，工程實踐類的知識往往是歸納體系，即由個別到一般的過程。 在學習理論課時，需要正確把握演繹方法和歸納方法的正確運用。共九十九頁學習

5、(xux)方法微積分（含微分方程）復變函數(shù)、拉普拉斯變換大學物理（力學、熱力學）自動控制理論模擬電子技術線性代數(shù)電路理論1、 注意(zh y)與已修課程的聯(lián)系2、數(shù)學應用較多，課程有一定難度，要下工夫， 多做題，一定要獨立完成作業(yè)共九十九頁學習(xux)方法3、重視系統(tǒng)(xtng)思維方式的建立，建立的越早對課程的理解越容易。系統(tǒng)地認識和影響事物。4、每章結(jié)束，一定要寫小結(jié)，這是固定作業(yè)。實際系統(tǒng)物理模型數(shù)學模型方法（系統(tǒng)組成分析、設計）共九十九頁 本課程是一門比較抽象、涉及面廣的專業(yè)基礎課。學習它既不能陷于專業(yè)技術中，僅研究專業(yè)技術問題，但又必須緊密結(jié)合工程實踐。課程以數(shù)學、物理及有關科學為

6、其理論基礎，運用信息的傳遞、處理與反饋進行控制(kngzh)這一正確的思維方法與觀點，在數(shù)理基礎課程與專業(yè)課程之間架起一道橋梁。 本課程(kchng)幾乎要涉及到工科專業(yè)學生在學習本課程(kchng)前所學的全部數(shù)學知識，特別是高等數(shù)學、復變函數(shù)和積分變換、線性代數(shù)等，以及必要的電學、力學基礎知識。應當指出，在學習本課程時，不必過分追求數(shù)學論證上的嚴密性，但一定要充分注意到數(shù)學結(jié)論的準確性與物理概念的明晰性。 控制理論不僅是一門重要的學科，而且是一門卓越的方法論。在學習本課程時，既要十分重視抽象思維，了解一般規(guī)律，又得充分注意結(jié)合實際，聯(lián)系專業(yè)，努力實踐。要重視實驗，要重視習題，仔細研讀教材，

7、獨立完成作業(yè)，這些都有助于對基本概念的理解與基本方法的運用。課程特點和學習方法共九十九頁第一章 自動控制(z dn kn zh)的一般概念1.1 自動控制理論的發(fā)展過程及本課程內(nèi)容1.2 一般概念： 自動控制、自動控制系統(tǒng)及組成、 系統(tǒng)方塊圖表示、常用術語1.3 基本控制方式及工作原理(yunl)1.4 自動控制系統(tǒng)典型示例1.5 自動控制系統(tǒng)的分類1.6 自動控制系統(tǒng)基本性能指標共九十九頁第一章 自動控制的一般(ybn)概念1.1 自動控制理論的發(fā)展過程及本課程內(nèi)容1.2 一般概念： 自動控制、自動控制系統(tǒng)及組成、 系統(tǒng)方塊圖表示、常用術語(shy)1.3 基本控制方式及工作原理1.4 自動

8、控制系統(tǒng)典型示例1.5 自動控制系統(tǒng)的分類1.6 自動控制系統(tǒng)基本性能指標共九十九頁完整的自動控制理論(lln)形成于20世紀40年代末 四個階段： 經(jīng)典控制理論階段 現(xiàn)代控制理論階段 大系統(tǒng)控制理論階段 智能控制理論階段但自動控制技術卻早有應用，其廣泛應用開始于歐洲工業(yè)革命時期。1. 1 自動控制(z dn kn zh)理論的發(fā)展過程共九十九頁自動(zdng)控制技術的廣泛應用1. 1 自動控制(z dn kn zh)理論的發(fā)展過程公元1788年 ，James Watt 為控制蒸汽機轉(zhuǎn)速設計了離心式調(diào)速器，將離心式調(diào)速器與蒸汽機的閥門連接起來，構(gòu)成蒸汽機轉(zhuǎn)速的閉環(huán)自動調(diào)速系統(tǒng) 。是自動控制領

9、域的第一項重大成果共九十九頁19世紀60年代開始進入控制系統(tǒng)高速發(fā)展的時期1868年：以離心式調(diào)速器為背景，麥克斯韋爾 （J.C.Maxwell）基于線性微分方程的描述給 出了反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定性條件1877年：勞斯（Routh） 1895年：霍爾維茨（Hurwitz） 分別給出了高階線性系統(tǒng)的代數(shù)穩(wěn)定性判據(jù)1892年：李亞普諾夫（Lyapunov）提出(t ch)李亞普諾夫穩(wěn) 定性理論，給出了線性、非線性系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù)1. 1 自動控制理論的發(fā)展(fzhn)過程共九十九頁1922年：米羅斯基(Minorsky)給出了位置控制系統(tǒng)的分 析，并對PID三作用控制給出了控制規(guī)律公式(gngsh)194

10、2年：齊格勒（Zigler）和尼克爾斯（Nichols） 給出了PID參數(shù)的整定方法1925年 英國電氣工程師亥維賽Heaviside應用拉普拉斯 變換求解電網(wǎng)絡，創(chuàng)立了運算微積分，不久被應 用到自動控制系統(tǒng)的分析中。在拉普拉斯變換基 礎上引入傳遞函數(shù)來描述系統(tǒng)。1. 1 自動控制(z dn kn zh)理論的發(fā)展過程20世紀20年代以前 時域分析法占主要地位共九十九頁1932年： Nyquist提出了著名的基于頻率特性判斷閉環(huán)系 統(tǒng)穩(wěn)定性的乃奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)1940年： Bode提出頻率特性的對數(shù)坐標圖描述方法， 使頻域特性的繪制更適用于工程設計頻率響應法為閉環(huán)控制系統(tǒng)工程設計提供了一種可行

11、方法。1948年， N. Wiener發(fā)表了著名的控制論， 標志(biozh)經(jīng)典控制理論的形成。1948年： Evans提出根軌跡法，進一步充實經(jīng)典控制論。而后又添加了非線性系統(tǒng)控制和離散系統(tǒng)控制理論，形成了 完整的經(jīng)典控制理論體系1. 1 自動控制(z dn kn zh)理論的發(fā)展過程共九十九頁經(jīng)典控制理論（本課程學習的內(nèi)容）研究(ynji)對象：單輸入單輸出、線性、定常系統(tǒng)數(shù)學模型：微分方程、傳遞函數(shù)、頻率特性分析設計方法：時域法、根軌跡法、頻域法， 常采用圖解法設計的系統(tǒng)強調(diào) 穩(wěn)定性 ，并滿足一組適當?shù)男阅?要求，但不是某種意義上的最優(yōu)系統(tǒng)1. 1 自動控制(z dn kn zh)理論

12、的發(fā)展過程共九十九頁現(xiàn)代控制理論階段20世紀50年代末，控制系統(tǒng)設計問題的重點(zhngdin)從設計許多可行系統(tǒng)中的一種系統(tǒng)，轉(zhuǎn)到設計在某種意義上的最優(yōu)系統(tǒng)。科學技術發(fā)展的需要、設備復雜、工藝要求高，多輸入多輸出的問題開始需要。20世紀60年代，數(shù)字計算機技術的迅速發(fā)展為復雜系統(tǒng)的基于時域分析的現(xiàn)代控制理論提供了可能。1. 1 自動控制理論(lln)的發(fā)展過程在現(xiàn)代控制理論發(fā)展中，特別應該提到三位學者的重大貢獻：1956年，前蘇聯(lián)科學家Pontryagin 提出的極大值原理；1957年，美國學者Bellman提出動態(tài)規(guī)劃；1960年，美國的Kalman提出了Kalman濾波理論和狀態(tài)空間 分

13、析方法；他們的工作對現(xiàn)代控制理論的建立有著特別重要的作用。共九十九頁現(xiàn)代控制理論 時域分析中主要以狀態(tài)空間法為基礎， 研究多輸入-多輸出、時變、非線性一類控制系統(tǒng)的分析與設計(shj)問題。 系統(tǒng)具有高精度和高效能的特點。 1. 1 自動控制(z dn kn zh)理論的發(fā)展過程共九十九頁20世紀70年代開始，計算機技術不斷發(fā)展，并在自動控制系統(tǒng)中應用大系統(tǒng)控制理論（理論的廣度拓展）（1）現(xiàn)代頻域方法，該方法以傳遞函數(shù)矩陣為數(shù)學模型，研究線性定常多變量系統(tǒng)；（2）自適應控制理論和方法，該方法以系統(tǒng)辨識和參數(shù)估計為基礎，處理被控對象不確定和緩時變，在實時辨識基礎上在線確定最優(yōu)控制規(guī)律；（3）魯棒

14、控制方法，該方法在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和其它性能基礎上，設計不變的魯棒控制器，以處理數(shù)學模型的不確定性； （4）預測控制方法，該方法為一種計算機控制算法，在預測模型的基礎上采用滾動優(yōu)化和反饋校正，可以處理多變量系統(tǒng)。大系統(tǒng)理論是過程控制與信息處理相結(jié)合的綜合自動化理論基礎，是動態(tài)的系統(tǒng)工程理論，具有規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復雜、功能(gngnng)綜合、目標多樣、因素眾多等特點。它是一個多輸入、多輸出、多干擾、多變量的系統(tǒng)。1. 1 自動控制(z dn kn zh)理論的發(fā)展過程共九十九頁智能控制理論（理論的深度拓展）智能控制的指導思想是依據(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雜

15、的控制問題。被控對象的復雜性體現(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，復雜的信息模式，龐大的數(shù)據(jù)量，以及嚴格的特性指標等。而環(huán)境的復雜性則表現(xiàn)為變化的不確定性和難以辨識。試圖用傳統(tǒng)的控制理論和方法去解決復雜的對象，復雜的環(huán)境和復雜的任務是不可能(knng)的。 智能控制的方法包括模糊控制，神經(jīng)元網(wǎng)絡控制，專家控制等方法。自動控制理論的建立和發(fā)展，不僅推動了自動控制技術的發(fā)展，而且還向多學科綜合應用方面發(fā)展。不僅應用在工程領域，還應用在經(jīng)濟、社會系統(tǒng)等領域，已成為現(xiàn)代社會不可缺少的組成部分1. 1 自動控制理論的發(fā)展(fzhn)過程共九十九頁建立系統(tǒng)數(shù)學模

16、型系統(tǒng)分析： 指定一個具體系統(tǒng)，如何建立該系統(tǒng)的數(shù)學模型，并從理論上對系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能進行定性和定量的分析計算。系統(tǒng)校正和設計： 指已知對系統(tǒng)的各種( zhn)性能要求，如何根據(jù)已知的實際情況，合理地確定控制裝置的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，使得系統(tǒng)達到性能要求。自動控制(z dn kn zh)原理課程的主要任務共九十九頁本課程內(nèi)容-經(jīng)典(jngdin)控制理論主要內(nèi)容：自動控制的一般概念(ginin)、控制系統(tǒng)的數(shù)學模型、線性系統(tǒng)的時域分析法、線性系統(tǒng)的根軌跡分析法、線性系統(tǒng)的頻域分析法、線性系統(tǒng)的校正方法、線性離散系統(tǒng)的分析與校正、非線性控制系統(tǒng)的分析等。 重點掌握：控制系統(tǒng)的數(shù)學建模； 線性系統(tǒng)

17、的時域分析及穩(wěn)定性分析：勞斯判據(jù)；根軌跡畫法；系統(tǒng)的頻率特性，幅相曲線、對數(shù)幅頻相頻曲線的繪制，奈奎斯特判據(jù)；線性系統(tǒng)的校正；線性離散系統(tǒng)中的信號采樣與保持，Z變換及性能分析；非線性系統(tǒng)的相平面分析法及描述函數(shù)法分析法等。共九十九頁第一章 自動控制的一般(ybn)概念1.1 自動控制(z dn kn zh)理論的發(fā)展過程及本課程內(nèi)容1.2 一般概念： 自動控制、自動控制系統(tǒng)及組成、 系統(tǒng)方塊圖表示、常用術語1.3 基本控制方式及工作原理1.4 自動控制系統(tǒng)典型示例1.5 自動控制系統(tǒng)的分類1.6 自動控制系統(tǒng)基本性能指標共九十九頁人工(rngng)（手動）控制控制水槽液位保持一定1. 2 自動

18、控制的一般(ybn)概念人在參與控制中起了以下三方面的作用： 1) 測量過程：測量實際液面高度h1用眼睛。 2) 決策過程：將測得實際液面h1與希望液面的高度h0相比較，發(fā)出控制命令 用腦。 3) 執(zhí)行過程：根據(jù)控制命令，改變進水閥的開度，改變進水流量用手。共九十九頁抽象成控制系統(tǒng)方塊圖：實際液面高度 h1液面（人工）反饋控制系統(tǒng)的框圖人工控制的特點：1、人直接參與控制(kngzh)2、控制精度低3、勞動強度大，勞動效率低4、危險性。由于有人直接參與控制，所以(suy)稱為人工控制。共九十九頁利用外加的設備取代人的勞動，設備應具有(jyu)類似于人的眼睛、大腦、手的功能，依其功能分別稱為測量元

19、件、比較元件和執(zhí)行元件，統(tǒng)稱控制裝置控制閥減速器電動機電位器浮子用水開關Q2Q1h0ifSM液位(自動)反饋(fnku)控制系統(tǒng)共九十九頁自動控制是指在沒有人直接參與的條件下，利用控制裝置使被控對象的工作狀態(tài)(zhungti)或參數(shù)（即被控量）按照預定的技術要求進行工作?？刂蒲b置：外加的設備、裝置被控對象：被控制的設備、裝置或生產(chǎn)過程1.2 自動控制(z dn kn zh)的一般概念自動控制的作用保證控制精度，提高勞動生產(chǎn)率， 改善生活質(zhì)量，探索未知世界。共九十九頁自動控制系統(tǒng)是指能夠?qū)Ρ豢貙ο蟮墓ぷ鳡顟B(tài)進行自動控制(z dn kn zh)的系統(tǒng)，它由被控對象和控制裝置組成?？刂蒲b置：對被控對

20、象起控制作用的設備總體 由具有一定(ydng)職能的各種基本元件組成的?？刂蒲b置主要包括：測量元件、給定元件、比較元件、放大元件、執(zhí)行元件、校正元件1. 2 自動控制的一般概念被控對象：被控制的設備、裝置或生產(chǎn)過程 共九十九頁測量元件(yunjin)測量被控變量。傳感器，測量儀表如果被控量為電信號，一般不需要專門的元件進行測量。如果被控量是非電量，則需要專門的元件進行測量，并轉(zhuǎn)換為電信號，以便處理。例如：測速電機：檢測電動機軸的速度并轉(zhuǎn)換為電壓 熱電偶：測溫度并轉(zhuǎn)換為電壓 電位器：將位置、角度轉(zhuǎn)換為電壓給定元件給出與期望的被控量相對應的系統(tǒng)輸入量 （電位器中點）?？刂崎y減速器 電動機 電位器浮

21、子用水開關Q2Q1h0ifSM共九十九頁控制閥減速器 電動機 電位器浮子用水開關Q2Q1h0ifSM比較元件對測量元件與給定元件給出的信號(xnho)進行比較，給出二者的差值。差動放大器、差動變壓器、差動齒輪組和電橋等都是常用的比較元件。電信號可通過反向串聯(lián)得到偏差電壓。（電位器）放大元件比較元件給出的偏差信號通常微弱，不足以驅(qū)動執(zhí)行元件動作時，一般都需要放大元件進行電壓和功率放大，來推動執(zhí)行元件去控制被控對象 各種電子放大器是最常用的放大元件共九十九頁執(zhí)行元件直接推動被控對象或其某一部件，使被控量發(fā)生改變 電動機、閥、液壓馬達等是常用的執(zhí)行元件 （電機、減速器和閥）校正元件（補償元件）為了改

22、善控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的動、靜態(tài)性能而加上的某種形式的校正裝置。有的自動控制系統(tǒng)(kn zh x tn)中也可沒有校正元件控制閥減速器 電動機 電位器浮子用水開關Q2Q1h0ifSM共九十九頁分析(fnx)系統(tǒng)的功能，常將系統(tǒng)抽象成 功能方塊圖 表示方塊（框）圖：用方塊表示(biosh)系統(tǒng)中的各個元件（硬件）部分，方塊內(nèi)寫出元件的名稱。用箭頭表示(biosh)信號線的流向。進入方塊的箭頭表示(biosh)各元件的輸入量，離開方塊的箭頭表示(biosh)方塊的輸出量。方框圖中的幾種表示法：比較環(huán)節(jié)1. 2 自動控制的一般概念共九十九頁自動控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的基本組成方

23、塊圖反饋(fnku)控制系統(tǒng)的基本組成干擾反饋控制系統(tǒng)的基本組成1. 2 自動控制的一般概念共九十九頁干擾反饋控制系統(tǒng)的基本(jbn)組成常用(chn yn)術語：被控對象 ：指需要給以控制的機器、設備或生產(chǎn)過程。 是控制系統(tǒng)的主體。如水槽、鍋爐、電爐、機器人、電冰箱等控制裝置：則指對被控對象起控制作用的設備總體。 組成輸入量：也叫給定值、給定信號、輸入信號、參考輸入、參據(jù)量 作用于系統(tǒng)輸入端并作為控制依據(jù)的物理量，是有用輸入， 一般放在方塊圖的最左端輸出量：也叫被控變量、輸出信號、輸出變量、 是被控對象的輸出，是要被控制的參數(shù)變量，也是系統(tǒng)的輸出 一般放在方塊圖的最右端共九十九頁干擾干擾：又

24、稱擾動，會破壞輸入量對系統(tǒng)的控制。 是系統(tǒng)不希望的外部作用。 除給定值之外，凡能引起被控量變化的因素，都是干擾。偏差信號：輸入信號與主反饋(fnku)信號的差 ，常用 e(t) 表示誤差信號：輸出的期望值與實際值的差， 當主反饋為單位反饋時，誤差信號等于偏差信號控制量（信號）：控制器的輸出（送到執(zhí)行元件的信號）操作變量：執(zhí)行元件的輸出共九十九頁干擾反饋控制系統(tǒng)的基本(jbn)組成前向通路：信號從輸入端沿箭頭(jintu)方向到達輸出端的傳輸通路主反饋通路：系統(tǒng)輸出量經(jīng)測量元件反饋到輸入端的傳輸通路主回路：前向通路與主反饋通路共同構(gòu)成 此外，還有局部反饋通路以及由它構(gòu)成的內(nèi)回路。單回路系統(tǒng)：只包

25、含一個主反饋通路的系統(tǒng)多回路系統(tǒng)：有兩個或兩個以上反饋通路的系統(tǒng)共九十九頁第一章 自動控制(z dn kn zh)的一般概念1.1自動控制理論的發(fā)展過程及本課程內(nèi)容1.2 一般概念： 自動控制、自動控制系統(tǒng)及組成、 系統(tǒng)方塊圖表示、常用(chn yn)術語1.3 基本控制方式及工作原理1.4 自動控制系統(tǒng)典型示例1.5 自動控制系統(tǒng)的分類1.6 自動控制系統(tǒng)基本性能指標共九十九頁三種(sn zhn)基本的控制方式開環(huán)控制方式反饋控制方式（閉環(huán)控制）復合控制方式1. 3 自動控制(kngzh)系統(tǒng)的基本控制(kngzh)方式共九十九頁開環(huán)控制(kngzh)可按給定量控制方式組成，也可以按擾動控制

26、方式組成。輸入量（或干擾）和輸出量之間只有前向通道，沒有反饋通道。不對輸出量進行檢測，或者雖然(surn)進行檢測，但對系統(tǒng)工作不起控制作用共九十九頁 按給定量(dngling)控制的開環(huán)控制：其控制作用直接由系統(tǒng)的輸入量產(chǎn)生，給定一個輸入量，就有一個輸出量與之相對應，控制精度完全取決于所用的元件及校準的精度。沒有自動修正偏差的能力，抗擾動性較差。但其結(jié)構(gòu)簡單、成本低，適用于在精度要求不高或擾動影響較小的場合。 按擾動(rodng)控制的開環(huán)控制系統(tǒng)：是利用可測的擾動(rodng)量，產(chǎn)生一種補償作用，以減小或抵消擾動(rodng)對輸出量的影響，這種控制方式也稱順饋控制、前饋控制。直接從擾動

27、取得信息來改變被控量，因此抗干擾性強，控制精度較高，但只適用于擾動可測的場合。自動售貨機、自動洗衣機、產(chǎn)品自動生產(chǎn)線、數(shù)控車床、指揮交通的紅綠燈的控制都屬于這種開環(huán)控制共九十九頁開環(huán)控制(kngzh)例題3：電爐溫度開環(huán)控制(kngzh)系統(tǒng)例題4 電動機轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng)共九十九頁開環(huán)控制例題5：按擾動(rodng)開環(huán)控制的速度控制系統(tǒng)（前饋）一般的直流速度控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速常常隨負載的增加而下降，且其轉(zhuǎn)速的下降是由于電樞回路的電壓降引起的。如果設法將負載引起的電流變化測量出來，并按其大小產(chǎn)生一個(y )附加的控制作用，用以補償由它引起的轉(zhuǎn)速下降，這樣就可以構(gòu)成按擾動控制的開環(huán)控制系統(tǒng)，如右上

28、圖所示?？梢?，這種按擾動控制的開環(huán)控制方式是直接從擾動取得信息，并據(jù)以改變被控量，因此，其抗擾動性好，控制精度也較高，但它只適用于擾動是可測量的場合。共九十九頁反饋控制（閉環(huán)控制）組成及工作(gngzu)原理反饋(fnku)（閉環(huán)）控制系統(tǒng)的方框圖 四大基本組成：被控對象、測量變送器、控制器、執(zhí)行器共九十九頁反饋(fnku)（閉環(huán)）控制系統(tǒng)的方框圖 反饋控制原理：把輸出量檢測出來，經(jīng)過變換(binhun)，再反饋到輸入端；和給定值進行比較，得到偏差信號；根據(jù)偏差的大小，產(chǎn)生控制作用；控制信號通過執(zhí)行器的操作，逐步減少或消除偏差，從而實現(xiàn)控制目標共九十九頁反饋(fnku)（閉環(huán)）控制系統(tǒng)的方框圖

29、 反饋：被控量經(jīng)測量后的信號回送到輸入端 分為正反饋和負反饋負反饋：控制作用的方向與偏差的方向相反， （如：偏差增大，控制作用應使偏差減?。?使被控對象輸出趨于希望值自動控制系統(tǒng)中主要(zhyo)討論負反饋共九十九頁 偏差=給定值反饋信號值負反饋閉環(huán)控制的本質(zhì)：按偏差進行控制。只要出現(xiàn)偏差，必定會產(chǎn)生一個相應的控制作用去減小或消除偏差，使被控(bi kn)量與期望值趨于一致。優(yōu)點：1、能抑制各種擾動對被控量產(chǎn)生影響的能力 2、控制精度較高 3、系統(tǒng)使用元件較多，結(jié)構(gòu)復雜，系統(tǒng)的性能分析和設計 也較麻煩。閉環(huán)控制在自動控制系統(tǒng)中廣泛應用反饋(fnku)（閉環(huán)）控制系統(tǒng)的方框圖 共九十九頁閉環(huán)控制

30、系統(tǒng)(xtng)的例題1液位(自動)反饋(fnku)控制系統(tǒng)Q2Q1 (-)水位hug uf (-)電動機減速器閥門V1水箱電位器-杠桿-浮子 電位計M+-hQ1 電動機-+Q2 閥門V2 閥門V1 水箱浮子 減速器共九十九頁被控對象：水槽被控變量：液位的高度給定值（參據(jù)量）：與期望液位對應的給定電壓（電位器 中點電壓，為0）測量變送元件：浮子、杠桿、電位器觸頭（電刷）執(zhí)行元件：電動機、減速器、閥工作原理：當電位器電刷位于中點位置時，反饋信號等于給定值，偏差(pinch)為0，電動機電樞電壓為0，電動機不動，控制閥門有一定的開度，使水箱中流入水量與流出水量相等，從而液面保持在希望高度h0上。一

31、旦流入水量或流出水量發(fā)生變化，水箱液面高度便相應變化。如當液面升高時，浮子位置亦相應升高，通過杠桿作用使電位器電刷從中點位置下移，從而給電動機提供一定的控制電壓，驅(qū)動電動機通過減速器減小閥門開度，使進入水箱的流量減少。這樣，水箱液面下降，浮子位置相應下降，直到電位器電刷回到中點位置，系統(tǒng)重新處于平衡狀態(tài)，液面恢復給定高度。反之，若水箱液位下降，則系統(tǒng)會自動增大閥門開度，加大流入水量，使液位升到給定高度h0 。共九十九頁閉環(huán)控制系統(tǒng)(xtng)的例題2：電動機速度閉環(huán)控制系統(tǒng)(xtng)共九十九頁復合(fh)控制是把 按偏差的閉環(huán)控制 和 按擾動的開環(huán)控制 結(jié)合起來的控制方式對于主要擾動采用適當

32、的補償裝置實現(xiàn)(shxin)按擾動控制，同時，再組成反饋控制系統(tǒng)實現(xiàn)(shxin)按偏差控制，以消除其余擾動產(chǎn)生的偏差。這樣，系統(tǒng)的主要擾動已被補償，反饋控制系統(tǒng)就比較容易設計，控制效果也會更好。共九十九頁復合控制的例題(lt)6：電動機速度復合控制共九十九頁第一章 自動控制的一般(ybn)概念1.1自動控制理論的發(fā)展過程及本課程內(nèi)容1.2 一般概念： 自動控制、自動控制系統(tǒng)及組成、 系統(tǒng)方塊圖表示、常用術語1.3 基本控制方式及工作原理1.4 自動控制系統(tǒng)典型示例(shl)1.5 自動控制系統(tǒng)的分類1.6 自動控制系統(tǒng)基本性能指標共九十九頁分析自動控制系統(tǒng)的工作(gngzu)原理，畫出原理方

33、塊圖讀懂題意，明確控制的目的，并做如下分析：1、被控(bi kn)對象？ 被控(bi kn)變量（輸出量）？2、控制裝置？具體 P4 ：測量變送元件？給定元件？ 系統(tǒng)的輸入量（給定值、期望值）？比較元件？控制器：校正元件？放大元件？執(zhí)行元件？3 、開環(huán)控制？ 閉環(huán)控制？ 復合控制？ 畫出方塊圖4、分析工作原理共九十九頁閉環(huán)控制系統(tǒng)(xtng)基本組成方塊圖說明：1、輸入量在最左端，輸出在最右端2、比較元件一般不用方塊表示，而用圖中的比較環(huán)節(jié)單獨表示3、負反饋：要在反饋信號線附近標注負號“”4、四大組成：被控對象、測量變送、控制器、執(zhí)行器5、若存在干擾(gnro)，可如圖表示6、注意信號線的方向

34、干擾被控對象被控量（輸出量）給定元件校正元件測量變送元件輸入量 (給定值)反饋信號偏差放大元件執(zhí)行元件控制器（調(diào)節(jié)器）控制量共九十九頁開環(huán)控制系統(tǒng)(kn zh x tn)基本組成方塊圖干擾被控對象被控量（輸出量）控制裝置輸入量 (給定值)按輸入量進行的開環(huán)控制干擾被控對象被控量（輸出量）控制裝置輸入量 (給定值)測量變送按可測擾動量進行的開環(huán)控制共九十九頁復合控制系統(tǒng)基本(jbn)組成方塊圖干擾被控對象被控量（輸出量）給定元件校正元件測量變送元件輸入量 (給定值)反饋信號偏差放大元件執(zhí)行元件控制器（調(diào)節(jié)器）控制量測量變送元件復合控制圖： 按可測擾動(rodng)開環(huán)控制+閉環(huán)控制共九十九頁1、

35、液位控制系統(tǒng)2、發(fā)電機-電動機調(diào)速系統(tǒng)3、液位控制系統(tǒng)（已講過）4、電爐微型(wixng)計算機溫度控制系統(tǒng)5、谷物濕度控制系統(tǒng)6、熱處理爐溫度控制系統(tǒng) 被控對象？被控變量？測量元件？給定值？執(zhí)行元件？系統(tǒng)方塊圖？開環(huán)控制？閉環(huán)控制？復合控制？系統(tǒng)工作原理？1. 4 自動控制系統(tǒng)(kn zh x tn)示例共九十九頁 一個液位控制系統(tǒng)原理圖如下。自動控制器通過比較實際液位與希望(xwng)液位，并通過調(diào)整氣動閥門的開度，對誤差進行修正，從而保持液位不變。試畫出相應的控制系統(tǒng)的方框圖及人工操縱液位控制系統(tǒng)方塊圖。例題(lt)1-1共九十九頁控制器：比較、放大的作用浮子：液面高度的反饋元件(yun

36、jin) Q2為系統(tǒng)的干擾量氣動閥門：執(zhí)行機構(gòu)被控對象：水箱共九十九頁共九十九頁 有一發(fā)電機-電動機調(diào)速系統(tǒng)如圖所示。其工作原理是操縱者轉(zhuǎn)動操縱電位計的手柄，可使電位計的輸出電壓Ur改變大小(dxio)和方向。經(jīng)前置放大器和直流發(fā)電機兩極放大，使加在伺服電機上的端電壓也隨之改變大小(dxio)和方向。從而使負載具有所要求的轉(zhuǎn)速。試說明該系統(tǒng)的給定值、被控量和干擾量，并畫出方塊圖。 例題(lt)1-2共九十九頁共九十九頁 電位計M+-hQ1 電動機-+Q2 閥門V2 閥門V1 水箱浮子 減速器Q2Q1 (-)水位hug uf (-)電動機減速器閥門V1水箱電位器-杠桿-浮子例題(lt)1-3共九

37、十九頁爐溫(l wn)ug uf (-)放大(fngd)電機、減速器變壓器電爐熱電偶給定電位計例題1-4共九十九頁輸出谷物濕度給定濕度 (-)濕度測量裝置調(diào)節(jié)器閥門濕度測量裝置傳送裝置 (-)輸入谷物濕度濕度例題(lt)1-5共九十九頁例題(lt)1-6共九十九頁第一章 自動控制的一般(ybn)概念1.1自動控制理論的發(fā)展過程及本課程內(nèi)容1.2 一般概念： 自動控制、自動控制系統(tǒng)(kn zh x tn)及組成、 系統(tǒng)方塊圖表示、常用術語1.3 基本控制方式及工作原理1.4 自動控制系統(tǒng)典型示例1.5 自動控制系統(tǒng)的分類1.6 自動控制系統(tǒng)基本性能指標共九十九頁1. 5 自動(zdng)控制系統(tǒng)

38、的分類按控制方式可分為：開環(huán)控制、反饋控制、復合控制等按元件類型可分為：機械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、機電系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、生物系統(tǒng)等按系統(tǒng)功用可分為：溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、位置控制系統(tǒng)等按系統(tǒng)性能分類：1）線性自動控制系統(tǒng)：線性定常自動控制系統(tǒng)；線性時變自動控制系統(tǒng)；2）非線性自動控制系統(tǒng)按系統(tǒng)中傳遞信號的性質(zhì)分類：1）連續(xù)系統(tǒng)；2）離散系統(tǒng)按輸入信號變化規(guī)律分類：1）恒值控制系統(tǒng)（自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)或鎮(zhèn)定(zhndng)系統(tǒng)）； 2）程序控制系統(tǒng)；3）隨動系統(tǒng)共九十九頁開環(huán)控制(kngzh)閉環(huán)控制(負反饋控制、偏差控制)復合控制 按控制(kngzh)方式分1. 5 自動控制系統(tǒng)的分類(重點

39、分類)工作原理？ 特點？共九十九頁線性系統(tǒng)（定常，時變(sh bin)）非線性系統(tǒng)按系統(tǒng)(xtng)性能，分1. 5 自動控制系統(tǒng)的分類(重點分類)連續(xù)系統(tǒng)離散系統(tǒng)按信號類型，分本課程只研究線性定常連續(xù)系統(tǒng)共九十九頁線性連續(xù)系統(tǒng)（只考慮集中(jzhng)參數(shù)系統(tǒng)）組成系統(tǒng)(xtng)的全部元件都是線性的。數(shù)學模型如下： 方程左端為輸出變量及其各階導數(shù)的線性組合，右端為輸入變量及其各階導數(shù)的線性組合 定常（時不變）系統(tǒng)：各系數(shù)為常數(shù)，不隨時間變化 時變：系數(shù)隨時間變化共九十九頁線性連續(xù)(linx)系統(tǒng)滿足疊加性和齊次性即：設系統(tǒng)的輸入(shr)分別為 r1(t) 和 r2(t) 時， 對應的系統(tǒng)

40、輸出分別為 c1(t) 和 c2(t) ，則當輸入為 r(t) =a1r1(t) +a2r2(t) 時，系統(tǒng)輸出為 c(t) =a1c1(t) +a2c2(t) 其中：a1和a2為常數(shù)可用來判斷是否為線性系統(tǒng)共九十九頁非線性連續(xù)(linx)系統(tǒng)系統(tǒng)中含有非線性元件（元件的輸入輸出特性是非線性的）如果可用非線性方程(fngchng)微分方程(fngchng)描述，則有下面特點：方程的系數(shù)與輸入輸出變量有關 或方程中含有輸入輸出變量及其各階導數(shù)的高次冪或乘積項共九十九頁共九十九頁1. 5 自動(zdng)控制系統(tǒng)的分類(重點分類)恒值控制系統(tǒng)(kn zh x tn)隨動系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)按給定值變化

41、規(guī)律，分共九十九頁按給定值變化(binhu)情況（1）恒值控制系統(tǒng) 參考輸入為常值，要求被控量也等于(dngy)常值。 擾動的存在，會被控量偏離參考量而出現(xiàn)偏差， 控制系統(tǒng)根據(jù)偏差產(chǎn)生控制作用，以克服擾動 的影響，使被控量恢復到給定的常值。 主要研究各種擾動對被控對象的影響以及抗干擾 措施共九十九頁按給定值變化(binhu)情況（2）隨動系統(tǒng)參考輸入是預先未知的隨時間任意變化的函數(shù)要求被控量以盡可能小的誤差跟隨(n su)參考輸入的變化 也稱跟蹤系統(tǒng)主要研究被控量跟隨的快速性和準確性伺服系統(tǒng)：當隨動系統(tǒng)的被控量為機械位置或其導 數(shù)時，此隨動系統(tǒng)稱為伺服系統(tǒng)共九十九頁按給定值變化(binhu)情

42、況（3）程序控制系統(tǒng)參考輸入是按預定規(guī)律隨時間變化的函數(shù)要求被控量迅速、準確地加以復現(xiàn)程序控制與隨動系統(tǒng)(xtng)： 給定值都是時間的函數(shù)， 程序控制系統(tǒng)：已知的時間函數(shù) 隨動系統(tǒng)： 未知恒值控制系統(tǒng) 是 特殊的 程序控制系統(tǒng)共九十九頁1. 5 自動(zdng)控制系統(tǒng)的分類按控制方式可分為：開環(huán)控制、反饋控制、復合控制等按元件類型(lixng)可分為：機械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、機電系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、生物系統(tǒng)等按系統(tǒng)功用可分為：溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、位置控制系統(tǒng)等按系統(tǒng)性能分類：1）線性自動控制系統(tǒng)：線性定常自動控制系統(tǒng)；線性時變自動控制系統(tǒng)；2）非線性自動控制系統(tǒng)按系統(tǒng)中傳遞信號的

43、性質(zhì)分類：1）連續(xù)系統(tǒng)；2）離散系統(tǒng)按輸入信號變化規(guī)律分類：1）恒值控制系統(tǒng)（自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)或鎮(zhèn)定系統(tǒng)）； 2）程序控制系統(tǒng)；3）隨動系統(tǒng)共九十九頁第一章 自動控制的一般(ybn)概念1.1自動控制理論的發(fā)展過程及本課程內(nèi)容1.2 一般概念： 自動控制、自動控制系統(tǒng)及組成、 系統(tǒng)方塊圖表示、常用術語1.3 基本控制方式及工作原理(yunl)1.4 自動控制系統(tǒng)典型示例1.5 自動控制系統(tǒng)的分類1.6 自動控制系統(tǒng)基本性能指標共九十九頁控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的性能通常研究：典型輸入信號作用下，系統(tǒng)輸出（被控量）變化(binhu)的全過程包括：動態(tài)（暫態(tài)）過程和穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)）過程動態(tài)過程：典

44、型輸入信號作用下，輸出從初始狀態(tài)到最終狀態(tài)所經(jīng)過的響應過程穩(wěn)態(tài)過程：典型輸入信號作用下，當時間t趨于無窮時，輸出的表現(xiàn)方式共九十九頁典型(dinxng)輸入信號（一）階躍信號 階躍信號的表達式為： 當A=1時，稱為單位階躍信號， 常用(chn yn) 1(t) 表示 r(t)= 1(t) 階躍信號、斜坡信號、拋物線信號、脈沖信號、正弦信號一般：給定輸入電壓的接通，指令的突然轉(zhuǎn)換，負荷的突變 都可視為階躍輸入共九十九頁（二）斜坡信號 在t =0時為零，并隨時間線性增加，所以也叫速度信號。它等于階躍信號對時間的積分，而它對時間的導數(shù)(do sh)就是階躍信號。斜坡信號的表達式為： A=1,稱為單位

45、斜坡信號 r(t)=t 典型(dinxng)輸入信號階躍信號、斜坡信號、拋物線信號、脈沖信號、正弦信號共九十九頁（三）拋物線信號 也叫加速度信號，可以通過對斜坡(xip)信號的積分而得。拋物線信號的表達式為： 當A =1時，則稱為單位拋物線信號 典型(dinxng)輸入信號階躍信號、斜坡信號、拋物線信號、脈沖信號、正弦信號共九十九頁（四）脈沖信號： 單位脈沖信號的表達式為： 如上圖，脈沖信號是一寬度為e ，高度為1e 的矩形脈沖，當e 趨于零時(ln sh)就得理想的單位脈沖信號(亦稱 d(t) 函數(shù))。典型輸入(shr)信號階躍信號、斜坡信號、拋物線信號、脈沖信號、正弦信號脈沖電壓信號，沖擊

46、力，陣風等都可近似為脈沖作用共九十九頁（五）正弦信號(xnho) 正弦信號的表達式為 : 其中A為幅值，w 為角頻率。 圖3-5 正弦信號 典型(dinxng)輸入信號階躍信號、斜坡信號、拋物線信號、脈沖信號、正弦信號海浪對艦艇的擾動力，伺服振動臺的輸入指令， 電源及機械振動的噪聲都可近似為正弦作用共九十九頁 對控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的要求對控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的要求:1.穩(wěn)定性：是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。2.快速性：動態(tài)性能，有指標。3.準確性：穩(wěn)態(tài)（過度結(jié)束后的）值應盡量與期望值一致。 動態(tài)過程特點:下圖中,(a)單調(diào)收斂，(b)非周期振蕩；(c)發(fā)散振蕩；(d)、(e)收斂振蕩；(f)等幅振蕩。共九十九頁(a)單調(diào)過程： 被控量y(t)單調(diào)變化，緩慢地到達(dod)新的平衡狀態(tài)（新的穩(wěn)態(tài)值）。如左上圖所示。一般這種動態(tài)過程具有較長的動態(tài)過程時間（即到達(dod)新的平衡狀態(tài)所需的時間）。 (b)衰減振蕩過程：被控量y(t)的動態(tài)過程是一個振蕩過