自動(dòng)控制原理第一章胡壽松

信息控制類專業(yè)最重要的專業(yè)基礎(chǔ)課之一自動(dòng)控制原理電子信息學(xué)院控制理論與控制工程課程組總學(xué)時(shí)：60學(xué)時(shí)理教學(xué)時(shí)：54學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：6學(xué)時(shí)考核方式：閉卷學(xué)時(shí)安排：★參考書

1.《自動(dòng)控制原理》第五版，胡壽松，科學(xué)出版社；（使用教材）2.《自動(dòng)控制原理》高國(guó)燊，華南理工大學(xué)出版社；3.《自動(dòng)控制原理》第二版，夏德鈐，機(jī)械工業(yè)出版社

4.《自動(dòng)控制理論》第二版，文鋒、賈光輝，中國(guó)電力出版社。

主要內(nèi)容第一章控制系統(tǒng)導(dǎo)論第二章控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型第三章控制系統(tǒng)的時(shí)域分析法第四章控制系統(tǒng)的根軌跡分析法第五章控制系統(tǒng)的頻域分析法第六章控制系統(tǒng)的校正相關(guān)課程自動(dòng)控制理論電路理論電機(jī)與拖動(dòng)大學(xué)物理信號(hào)與系統(tǒng)復(fù)變函數(shù)拉氏變換模擬電子技術(shù)線性代數(shù)微積分各類專業(yè)課線性系統(tǒng)現(xiàn)代控制理論第一章控制系統(tǒng)導(dǎo)論1-1自動(dòng)控制的基本概念1-2自動(dòng)控制的基本方式1-3控制系統(tǒng)的分類1-4對(duì)于自動(dòng)控制系統(tǒng)的要求1-1自動(dòng)控制的基本概念自動(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，使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)自動(dòng)地按照預(yù)定規(guī)律運(yùn)行。被控對(duì)象控制裝置被控變量近幾十年來，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(guó)防建設(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)星的發(fā)射成功與安全返回。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)；交通系統(tǒng)：安全、快捷、舒適、準(zhǔn)點(diǎn)鋼鐵生產(chǎn)制造系統(tǒng)：數(shù)控機(jī)床加工生產(chǎn)線自動(dòng)碼垛機(jī)器人自動(dòng)包裝機(jī)器人家用電器：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)間等智能建筑：通信電梯供水通風(fēng)空調(diào)安防抄表…工業(yè)機(jī)器人：拉提琴靈巧手排爆步行吹笛足球比賽其他機(jī)器人：自動(dòng)控制的應(yīng)用領(lǐng)域軍事工業(yè)航空航天制造業(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)…

鋼鐵、石化、造紙、制藥等控制無處不在！

隨著生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)控制技術(shù)可以說已滲透到各種學(xué)科領(lǐng)域，成為促進(jìn)當(dāng)代生產(chǎn)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的重要因素。事實(shí)上，任何技術(shù)設(shè)備、工作機(jī)械或生產(chǎn)過程都必須按要求運(yùn)行。例如：要使火炮能自動(dòng)跟蹤并命中飛行目標(biāo)，炮身就必須按照指揮儀的命令而作方位角和俯仰角的變動(dòng)；

要把數(shù)噸重人造衛(wèi)星送入數(shù)百公里高空的軌道，使其所攜帶的各種儀器能長(zhǎng)期使用、準(zhǔn)確地工作，就必須保持衛(wèi)星的正確姿態(tài)，使它的太陽能電池一直朝向太陽，無線電發(fā)射天線一直指向地球；要使數(shù)控機(jī)床能加工出高精度的工件，就必須保證其工作臺(tái)或刀架的進(jìn)給量準(zhǔn)確地按照程序指令的設(shè)定值變化；要想使輪船安全順利的航行，就必須按照領(lǐng)航員的命令改變尾舵的方向；所有這一切都是以高水平的自動(dòng)控制技術(shù)為前提的。要使煉鋼爐提供優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品，就必須嚴(yán)格控制爐溫……等等。二、自動(dòng)控制理論研究自動(dòng)控制規(guī)律的技術(shù)科學(xué)。歷史回顧：18世紀(jì)，JamesWatt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。1922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。1932年，Nyquist提出了一種根據(jù)系統(tǒng)的開環(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。1934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)。20世紀(jì)40年代，頻率響應(yīng)法為閉環(huán)控制系統(tǒng)提供了一種可行方法，Evans提出并完善了根軌跡法。20世紀(jì)50年代末，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題的重點(diǎn)從設(shè)計(jì)許多可行系統(tǒng)中的一種系統(tǒng)，轉(zhuǎn)到設(shè)計(jì)在某種意義上的最佳系統(tǒng)。20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。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。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。經(jīng)典控制理論以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)研究單輸入-單輸出一類定常控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問題。這些理論由于其發(fā)展較早，現(xiàn)已臻成熟。

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、非線性一類控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問題。系統(tǒng)具有高精度和高效能的特點(diǎn)。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）研究辦法時(shí)域法、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)控制理論經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論非線性控制系統(tǒng)第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章線性控制系統(tǒng)連續(xù)控制系統(tǒng)離散控制系統(tǒng)三、專業(yè)術(shù)語1、被控對(duì)象—要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程。2、控制裝置—對(duì)被控對(duì)象起控制作用的設(shè)備總體。3、被控量—被控對(duì)象的輸出量，也就是要求嚴(yán)格加以控制的物理量，它可以要求保持某一恒定值，也可以要求按照某個(gè)給定的規(guī)律運(yùn)行。1-2自動(dòng)控制的基本原理與方式1、開環(huán)控制—是指控制裝置與被控對(duì)象之間只有順向作用而沒有反向聯(lián)系的控制過程。被控制對(duì)象控制器給定量擾動(dòng)量輸出量例如：自動(dòng)售貨機(jī)、自動(dòng)洗衣機(jī)、紅綠燈的轉(zhuǎn)換、產(chǎn)品自動(dòng)生產(chǎn)線、數(shù)控機(jī)床等一般都是開環(huán)系統(tǒng)。例1：開環(huán)液面控制系統(tǒng)例2：恒溫箱溫度控制系統(tǒng)2、閉環(huán)控制——是指控制裝置與被控對(duì)象之間既有順向作用又有反向聯(lián)系的控制。由于是根據(jù)負(fù)反饋原理按偏差進(jìn)行控制，所以也稱該系統(tǒng)為反饋控制系統(tǒng)。例3：閉環(huán)控制的液面控制系統(tǒng)例4：閉環(huán)恒溫箱溫度控制系統(tǒng)—開環(huán)和閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

1、開環(huán)系統(tǒng)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，容易設(shè)計(jì)和調(diào)整以及成本較低的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)那些負(fù)載恒定，擾動(dòng)小，控制精度要求不高的實(shí)際系統(tǒng)，是有效的控制方式。2、閉環(huán)系統(tǒng)：由于增加了檢測(cè)裝置和反饋環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成本有所增加；但它提高了系統(tǒng)的控制精度和抗干擾能力；同時(shí)負(fù)反饋對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。三、復(fù)合控制—是指閉環(huán)控制與開環(huán)控制相結(jié)合的一種控制方式?？刂破鞅豢刂茖?duì)象擾動(dòng)補(bǔ)償裝置給定量輸出量1-3自動(dòng)控制系統(tǒng)分類與組成一、分類1.按輸入信號(hào)特征分類1）恒值控制系統(tǒng)給定輸入為常數(shù)，系統(tǒng)克服擾動(dòng)影響例：液位控制系統(tǒng)，溫度控制系統(tǒng)等工業(yè)系統(tǒng)2）隨動(dòng)控制系統(tǒng)給定輸入是隨機(jī)時(shí)間變化的函數(shù)（未知）例：函數(shù)記錄儀、火炮自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)3）程序控制系統(tǒng)給定輸入是預(yù)知的時(shí)間函數(shù)例：機(jī)床加工系統(tǒng)2.按描述元件特性分類1）線性系統(tǒng)組成系統(tǒng)的元件都是線性元件，輸入輸出的靜態(tài)特性為線性關(guān)系用線性微分方程描述2）非線性系統(tǒng)只要系統(tǒng)中有一個(gè)元部件是非線性的用非線性微分方程描述3.按照傳遞信號(hào)類型分類連續(xù)系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)間的信號(hào)均為時(shí)間t的連續(xù)函數(shù)，可用微分方程描述例：水箱系統(tǒng)離散系統(tǒng)只要有一處信號(hào)是脈沖信號(hào)或者數(shù)字信號(hào)，定義在離散時(shí)刻上，用差分方程描述例：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)4.按照參數(shù)是否隨時(shí)間變化分類定常系統(tǒng)時(shí)變系統(tǒng)5.其他分類單輸入輸出系統(tǒng)與多輸入輸出系統(tǒng)確定性系統(tǒng)與不確定性系統(tǒng)集中參數(shù)系統(tǒng)與分布參數(shù)系統(tǒng)二、閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成串聯(lián)校正放大元件執(zhí)行元件被控對(duì)象測(cè)量元件局部反饋--給定量輸出量(1)比較元件：輸出量與輸入量進(jìn)行綜合，產(chǎn)生偏差信號(hào)。(2)放大元件：對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行放大與變換。(3)執(zhí)行元件：對(duì)被控對(duì)象執(zhí)行控制任務(wù)。(4)校正元件：改善系統(tǒng)的性能。(5)被控對(duì)象：需要進(jìn)行控制的機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程。(6)測(cè)量元件：對(duì)輸出量進(jìn)行測(cè)量。1—4對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求一、對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求可以歸納為三個(gè)字：穩(wěn)準(zhǔn)快1.穩(wěn)定性（最基本要求）系統(tǒng)在擾動(dòng)消失后，由初始偏差狀態(tài)恢復(fù)到平衡狀態(tài)的能力。１、穩(wěn)定２、不穩(wěn)定穩(wěn)定性：

(1)對(duì)恒值系統(tǒng)，要求當(dāng)系統(tǒng)受到擾動(dòng)后，經(jīng)過一定時(shí)間的調(diào)整能夠回到原來的期望值。

(2)對(duì)隨動(dòng)系統(tǒng)，被控制量始終跟蹤參據(jù)量的變化。穩(wěn)定性是對(duì)系統(tǒng)的基本要求，不穩(wěn)定的系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)預(yù)定任務(wù)。線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性，通常由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)決定，與外界因素?zé)o關(guān)。2.快速性動(dòng)態(tài)性能:調(diào)節(jié)時(shí)間、上升時(shí)間對(duì)過渡過程的形式和快慢提出要求，一般稱為動(dòng)態(tài)性能。穩(wěn)定高射炮射角隨動(dòng)系統(tǒng)，雖然炮身最終能跟蹤目標(biāo)，但如果目標(biāo)變動(dòng)迅速，而炮身行動(dòng)遲緩，仍然抓不住目標(biāo)。3.準(zhǔn)確性穩(wěn)態(tài)性能：穩(wěn)態(tài)誤差在參考輸入信號(hào)作用下，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，其穩(wěn)態(tài)輸出與參考輸入所要求的期望輸出之差叫做給定穩(wěn)態(tài)誤差。顯然，這種誤差越小，表示系統(tǒng)的輸出跟隨參考輸入的精度越高。二、典型外作用為了便于用統(tǒng)一的方法研究和比較控制系統(tǒng)的性能，通常選用幾種確定性函數(shù)作為典型外作用，選擇外作用的標(biāo)準(zhǔn)是：（1