第一章自動控制的一般概念

第一章自動控制的一般概念第一頁，共五十五頁，2022年，8月28日1課程的性質(zhì)和特點自動控制是一門技術(shù)學(xué)科，從方法論的角度來研究系統(tǒng)的建立、分析與設(shè)計。《自動控制原理》是本學(xué)科的專業(yè)基礎(chǔ)課，是自動控制理論的基礎(chǔ)課程，該課程與其它課程的關(guān)系如下。微積分（含微分方程）電機與拖動模擬電子技術(shù)線性代數(shù)電路理論信號與系統(tǒng)自動控制理論復(fù)變函數(shù)、拉普拉斯變換大學(xué)物理（力學(xué)、熱力學(xué)）第二頁，共五十五頁，2022年，8月28日課程的性質(zhì)和特點

自動控制理論已經(jīng)發(fā)展為理論嚴(yán)密、系統(tǒng)完整、邏輯性很強的一門學(xué)科。從基本反饋控制原理發(fā)展到：自適應(yīng)控制、優(yōu)化控制、魯棒控制、大系統(tǒng)控制、智能控制。第三頁，共五十五頁，2022年，8月28日課程的性質(zhì)和特點

討論的對象：因果系統(tǒng)、工程系統(tǒng)

系統(tǒng)的廣義性：經(jīng)濟、社會、工程、生物、環(huán)境、醫(yī)學(xué)

課程特點：研究系統(tǒng)的共性問題

數(shù)學(xué)模型實際系統(tǒng)物理模型方法（系統(tǒng)組成分析、設(shè)計）第四頁，共五十五頁，2022年，8月28日自動控制的一般概念第一章第五頁，共五十五頁，2022年，8月28日一、自動控制的基本原理與方式

1、自動控制技術(shù)及其應(yīng)用所謂自動控制，是指沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱控制裝置或控制器），使機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（統(tǒng)稱被控量）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量）自動地按照預(yù)定的規(guī)律運行。如：

飛機導(dǎo)航飛機導(dǎo)航系統(tǒng)第六頁，共五十五頁，2022年，8月28日哈勃望遠(yuǎn)鏡－特殊地衛(wèi)星中巴資源衛(wèi)星

人造地球衛(wèi)星

控制其準(zhǔn)確地進入預(yù)定軌道運行并回收一、自動控制的基本原理與方式第七頁，共五十五頁，2022年，8月28日無人駕駛飛機按預(yù)定軌跡飛行漸露鋒芒地?zé)o人駕駛飛機一、自動控制的基本原理與方式第八頁，共五十五頁，2022年，8月28日制導(dǎo)導(dǎo)彈

現(xiàn)代的高新技術(shù)讓導(dǎo)彈長上了“眼睛”和“大腦”，利用負(fù)反饋控制原理去緊緊盯住目標(biāo)我國研制的地空導(dǎo)彈一、自動控制的基本原理與方式第九頁，共五十五頁，2022年，8月28日雷達技術(shù)

雷達操作時，天線就要不停地轉(zhuǎn)動。天線的作用是把雷達中產(chǎn)生的無線電波按照一定的方向向外發(fā)射出去，并把被反射回來的無線電波接收下來。正因為天線所起的作用好似人的眼睛一樣，因此雷達要注視和偵察整個天空的狀況，天線就要不停地轉(zhuǎn)動，用一個驅(qū)動馬達使天線作360度的旋轉(zhuǎn)，這樣它就能在360度范圍內(nèi)進行“搜索”。一、自動控制的基本原理與方式第十頁，共五十五頁，2022年，8月28日自動控制技術(shù)應(yīng)用于其他領(lǐng)域

由于計算機等技術(shù)的誕生和飛速發(fā)展，使得控制技術(shù)水平不斷提高，已擴大到經(jīng)濟與社會生活的各個領(lǐng)域，如通信、交通、醫(yī)學(xué)、環(huán)境保護、經(jīng)濟管理等領(lǐng)域，控制技術(shù)已成為現(xiàn)代社會不可缺少的重要組成部分。近年來，我國在自動化儀表、工業(yè)調(diào)節(jié)器、數(shù)字控制技術(shù)、航天工程、核動力工程等方面的研究和應(yīng)用取得了長足進展。一、自動控制的基本原理與方式第十一頁，共五十五頁，2022年，8月28日

工業(yè)自動生產(chǎn)線第十二頁，共五十五頁，2022年，8月28日現(xiàn)代化的工廠第十三頁，共五十五頁，2022年，8月28日(1)、最早的穩(wěn)定性研究

（麥克斯韋爾），1868年發(fā)表《論調(diào)節(jié)器》，研究調(diào)節(jié)器的微分方程，線性化處理，系統(tǒng)穩(wěn)定性取決于微分方程的特征根是否都具有一對負(fù)的實部，針對二階和三階系統(tǒng)討論了使特征根具有負(fù)實部時，特征多項式系列應(yīng)滿足的條件。(2)、系統(tǒng)穩(wěn)定準(zhǔn)則

由Hurwitz（霍爾維茨）和

（勞斯）提出的勞斯－霍爾維茨穩(wěn)定判據(jù)。2、自動控制理論一、自動控制的基本原理與方式第十四頁，共五十五頁，2022年，8月28日

（李雅普諾夫）提出了李雅普諾夫第一法與第二法

H.Nyquist（奈魁斯特）提出奈氏判據(jù)，Bode(波德）提出了對數(shù)頻率特性的方法。二戰(zhàn)期間，軍事科學(xué)的需要大大促進了反饋控制理論的發(fā)展。美國麻省理工學(xué)院雷達實驗室的科學(xué)家們將反饋放大器理論、PID（比例-積分-微分）控制以及N.Wiener（維納）的隨機過程理論等結(jié)合在一起，形成了一整套被稱為隨動控制系統(tǒng)的設(shè)計方法。一、自動控制的基本原理與方式第十五頁，共五十五頁，2022年，8月28日一、自動控制的基本原理與方式(3)、根軌跡方法

（伊萬斯）提出的方法和規(guī)則是當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)變化時特征方程式根變化的幾何軌跡。

(4)、經(jīng)典自動控制理論以反饋控制原理為基礎(chǔ)的自動控制理論已形成比較完整的體系。其特點相對言，生產(chǎn)技術(shù)水平較低，控制對象結(jié)構(gòu)較簡單，被控參數(shù)較單一，要求達到的預(yù)期效果（性能指標(biāo)）也不高。主要研究對象為單輸入，單輸出的單變量系統(tǒng)（屬于線性定常時不變系統(tǒng)）。第十六頁，共五十五頁，2022年，8月28日(5)、現(xiàn)代控制理論的發(fā)展

從50年代末期開始，控制系統(tǒng)設(shè)計問題的重點從設(shè)計許多可行系統(tǒng)中的一種系統(tǒng)，轉(zhuǎn)變到設(shè)計在某種意義上的一種最佳系統(tǒng)。大約從1960年開始，數(shù)字計算機的出現(xiàn)為復(fù)雜系統(tǒng)的時域分析提供了可能性，利用狀態(tài)變量、基于時域分析的現(xiàn)代控制理論應(yīng)運而生。從1960年到1980年，確定性系統(tǒng)的最佳控制，隨機系統(tǒng)的最佳控制，乃至復(fù)雜系統(tǒng)的自適應(yīng)和學(xué)習(xí)控制，都得到了充分的研究。從1980年到現(xiàn)在，現(xiàn)代控制理論的進展集中于魯棒控制、H∞控制及其相關(guān)的課題。一、自動控制的基本原理與方式第十七頁，共五十五頁，2022年，8月28日3、反饋控制原理

反饋控制是這樣的一種控制過程，它能構(gòu)在存在擾動的情況下，力圖減小系統(tǒng)的輸出量與參考輸入量（也稱參據(jù)量）之間的偏差，而其工作正是基于這一偏差基礎(chǔ)之上的，這就是反饋控制的原理。如人取桌上書的過程（見下圖）：一、自動控制的基本原理與方式第十八頁，共五十五頁，2022年，8月28日系統(tǒng)方框圖符號組成：“”下圖為反饋控制原理方框圖一、自動控制的基本原理與方式第十九頁，共五十五頁，2022年，8月28日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)就是按照反饋控制原理進行工作的。當(dāng)負(fù)載波動時，必然會引起速度變化，由于龍門刨床不允許速度變化過大，因此必須對速度進行控制。一、自動控制的基本原理與方式第二十頁，共五十五頁，2022年，8月28日注意：

龍門刨床速度控制系統(tǒng)是一個有精差系統(tǒng)。速度最終達到的穩(wěn)態(tài)值與原始給定速度之間始終有一個差值存在，這個差值是用來產(chǎn)生一個附加的電動機電樞電壓，以補償因增加負(fù)載而引起的速度 下降。這個差值的存在是保證系統(tǒng)正常工作所必 需的，一般稱為穩(wěn)態(tài)誤差。如果從結(jié)構(gòu)上加以改 進，可以消除這個穩(wěn)態(tài)誤差。一、自動控制的基本原理與方式第二十一頁，共五十五頁，2022年，8月28日4、反饋控制系統(tǒng)的基本組成

反饋控制系統(tǒng)是由各種不同的元部件組成的。

a)測量元件：檢測被控制的物理量。

b)給定元件：給出與期望的被控制量相對應(yīng)的系統(tǒng)輸入量（即參據(jù)量）。

c)比較元件：把測量元件檢測的被控量的實際值與給定元件給出的參據(jù)量進行比較，求出它們之間的偏差。一、自動控制的基本原理與方式第二十二頁，共五十五頁，2022年，8月28日d)放大元件：偏差信號的放大，用以推動執(zhí)行元件。e)執(zhí)行元件：直接推動被控對象，使被控量發(fā)生變化。f)校正元件：也叫補償元件以改善系統(tǒng)性能。一、自動控制的基本原理與方式第二十三頁，共五十五頁，2022年，8月28日典型的反饋控制系統(tǒng)基本組成框圖：

信號從輸入端到達輸出端的傳輸通路稱為前向通路；系統(tǒng)輸出量經(jīng)測量元件反饋到輸入端的傳輸通路稱為主反饋通路。前向通路與主反饋通路共同構(gòu)成主回路。此外，還有局部反饋通路。只包含一個主反饋通路的系統(tǒng)稱為單回路系統(tǒng)，有兩個或兩個以上反饋通路的系統(tǒng)稱為多回路系統(tǒng)。一、自動控制的基本原理與方式第二十四頁，共五十五頁，2022年，8月28日5、自動控制系統(tǒng)基本控制方式(1)、反饋控制方式按偏差進行控制，具有抑制擾動對被控量產(chǎn)生影響的能力和較高的控制精度。一、自動控制的基本原理與方式第二十五頁，共五十五頁，2022年，8月28日(2)、開環(huán)控制方式指控制裝置與被控對象之間只有順向作用而沒有反向聯(lián)系的控制過程。一、自動控制的基本原理與方式第二十六頁，共五十五頁，2022年，8月28日一、自動控制的基本原理與方式第二十七頁，共五十五頁，2022年，8月28日

有一開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)如圖所示。電位計的輸出電壓Ur經(jīng)兩極放大，使伺服電機上的端電壓也隨之改變。從而使負(fù)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。一、自動控制的基本原理與方式第二十八頁，共五十五頁，2022年，8月28日下圖為發(fā)電機－電動機調(diào)速系統(tǒng)的方框圖一、自動控制的基本原理與方式第二十九頁，共五十五頁，2022年，8月28日(3)、復(fù)合控制方式按偏差控制和按擾動控制相結(jié)合的控制方式稱為復(fù)合控制方式。一、自動控制的基本原理與方式第三十頁，共五十五頁，2022年，8月28日二、自動控制系統(tǒng)示例1、家用電冰箱溫控系統(tǒng)控制器設(shè)定溫度與冰箱比較，產(chǎn)生偏差值，當(dāng)偏差電壓達到使繼電器接通時，壓縮機工作，將蒸發(fā)器中高溫低壓氣態(tài)制冷液送制冷卻器散熱，降溫后的低溫低壓制冷液壓縮成高壓液態(tài)進入蒸發(fā)器，急速降壓擴散成氣體，吸收箱體內(nèi)熱量，使冰箱溫度下降，如此循環(huán)操作，使箱體溫度達到希望溫度，此時繼電器斷開，壓縮機停止工作。第三十一頁，共五十五頁，2022年，8月28日下圖為家用冰箱恒溫系統(tǒng)的方框圖二、自動控制系統(tǒng)示例第三十二頁，共五十五頁，2022年，8月28日

2、鍋爐液位控制系統(tǒng)當(dāng)蒸汽的耗汽量與鍋爐進水量相等時，液位保持在正常標(biāo)準(zhǔn)值。當(dāng)過鍋爐給水量不變，而蒸汽負(fù)荷發(fā)生變化時，液位也相應(yīng)發(fā)生變化；或者當(dāng)蒸汽負(fù)荷不變，而給水管道水壓發(fā)生變化時，引起鍋爐液位發(fā)生變化。但只要實際液位高度與正常給定液位之間出現(xiàn)偏差時，調(diào)節(jié)器均應(yīng)立即進行控制，去開大或者關(guān)小給水閥門，使液位恢復(fù)到給定值。二、自動控制系統(tǒng)示例第三十三頁，共五十五頁，2022年，8月28日下圖為鍋爐液位控制系統(tǒng)的方框圖二、自動控制系統(tǒng)示例第三十四頁，共五十五頁，2022年，8月28日

3、龍門刨床速度控制系統(tǒng)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，如和控制速度。例如：二、自動控制系統(tǒng)示例第三十五頁，共五十五頁，2022年，8月28日下圖為龍門刨床速度控制系統(tǒng)的方框圖二、自動控制系統(tǒng)示例第三十六頁，共五十五頁，2022年，8月28日

4、電爐溫度控制系統(tǒng)電阻絲通過晶閘管主電路加熱，爐溫期望值預(yù)先設(shè)定，爐溫實際值由熱電偶檢測，并轉(zhuǎn)換成電壓，經(jīng)放大、濾波后，由A/D轉(zhuǎn)換后送入計算機，并與所設(shè)置的期望溫度進行比較，產(chǎn)生偏差信號，計算機根據(jù)控制算法計算相應(yīng)控制量，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成電流，通過觸發(fā)器控制晶閘管導(dǎo)通角，從而改變電阻絲中電流大小，達到控制爐溫的目的。二、自動控制系統(tǒng)示例第三十七頁，共五十五頁，2022年，8月28日下圖為電爐溫度控制系統(tǒng)的方框圖二、自動控制系統(tǒng)示例第三十八頁，共五十五頁，2022年，8月28日三、自動控制系統(tǒng)的分類

自動控制系統(tǒng)有多種分類方法，一般，為了全面反映自動控制系統(tǒng)的特點，常常將各種分類方法組合應(yīng)用。開環(huán)控制閉環(huán)控制(反饋控制)復(fù)合控制按控制方式分第三十九頁，共五十五頁，2022年，8月28日機械系統(tǒng)——恒張力系統(tǒng)電氣系統(tǒng)機電系統(tǒng)——全自動照相機，光機電結(jié)合液壓系統(tǒng)——伺服液壓缸，汽車發(fā)動機，大型的仿真模擬臺氣動系統(tǒng)生物系統(tǒng)按元件類型分三、自動控制系統(tǒng)的分類第四十頁，共五十五頁，2022年，8月28日按系統(tǒng)功用分溫度控制系統(tǒng)壓力控制系統(tǒng)位置控制系統(tǒng)三、自動控制系統(tǒng)的分類第四十一頁，共五十五頁，2022年，8月28日全自動蒸汽加熱系統(tǒng)三、自動控制系統(tǒng)的分類第四十二頁，共五十五頁，2022年，8月28日線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)定常系統(tǒng)時變系統(tǒng)確定性系統(tǒng)不確定性系統(tǒng)按系統(tǒng)性能分離散系統(tǒng)三、自動控制系統(tǒng)的分類第四十三頁，共五十五頁，2022年，8月28日恒值控制系統(tǒng)隨動系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)按參據(jù)量變化規(guī)律分三、自動控制系統(tǒng)的分類第四十四頁，共五十五頁，2022年，8月28日1、線形連續(xù)控制系統(tǒng)

這類系統(tǒng)可以用線形微分方程式描述，其一般形式為：

系數(shù)a0，‥，an，b0,‥bn是常數(shù)時，稱為定常系統(tǒng)；系數(shù)a0，‥，an，b0,‥bn隨時間變化時，稱為時變系統(tǒng)。線性定常連續(xù)系統(tǒng)按其輸入量的變化規(guī)律又可分為恒值控制系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。三、自動控制系統(tǒng)的分類第四十五頁，共五十五頁，2022年，8月28日(1)、恒值控制系統(tǒng)

這類控制系統(tǒng)的參據(jù)量是一個常值，要求被控量亦等于一個常值，故又稱為調(diào)節(jié)器。在恒值控制系統(tǒng)中，參據(jù)量可以隨生產(chǎn)條件的變化而改變，但是，一經(jīng)調(diào)整后，被控量就應(yīng)與調(diào)整好的參據(jù)量保持一致。在工業(yè)控制中，如果被控量是生產(chǎn)過程參量時，這種控制系統(tǒng)則稱為過程控制系統(tǒng)，它們大多數(shù)屬于恒值控制系統(tǒng)。三、自動控制系統(tǒng)的分類第四十六頁，共五十五頁，2022年，8月28日(2)、隨動系統(tǒng)

系統(tǒng)的參據(jù)量是預(yù)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參據(jù)量的變化，故又稱為跟隨系統(tǒng)。在隨動系統(tǒng)中。擾動的影響是次要的，系統(tǒng)分析、設(shè)計的重點是研究被控量跟隨的快速性和準(zhǔn)確性。在隨動系統(tǒng)中，如果被控量是機械位或其導(dǎo)數(shù)時，這類系統(tǒng)稱之為伺服系統(tǒng)。三、自動控制系統(tǒng)的分類第四十七頁，共五十五頁，2022年，8月28日(3)、程序控制系統(tǒng)

系統(tǒng)的參據(jù)量時按預(yù)定規(guī)律隨時間變化的函數(shù)，要求被控量迅速、準(zhǔn)確地加以復(fù)現(xiàn)。程序控制系統(tǒng)和隨動系統(tǒng)的參據(jù)量都是時間函數(shù)，不過前者是已知的時間函數(shù)，后者是未知的任意時間函數(shù)，而恒值控制系統(tǒng)也可視為程序控制系統(tǒng)的特例。三、自動控制系統(tǒng)的分類第四十八頁，共五十五頁，2022年，8月28日2、線性定常離散控制系統(tǒng)

離散系統(tǒng)是指系統(tǒng)的某處或多處的信號為脈沖序列或數(shù)碼形式，因而信號在時間上是離散的。離散系統(tǒng)一般用差分方程描述，其一般形式可用下式表示：三、自動控制系統(tǒng)的分類第四十九頁，共五十五頁，2022年，8月28日3、非線性控制系統(tǒng)

系統(tǒng)中只要有一個元部件的輸入－輸出特性是非線性的，這類系統(tǒng)就稱為非線性控制系統(tǒng)，

實際物理系統(tǒng)中都含有不同程度的非線性元部件，如放大器和電磁元件的飽和特性，運動部件的死區(qū)、間隙和摩擦特性等。對于非線性程度不大的情況，可在一定范圍內(nèi)進行線性化。三、自動控制系統(tǒng)的分類第五十頁，