自動(dòng)控制理論培訓(xùn)

自動(dòng)控制理論培訓(xùn)第一頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日引言

自動(dòng)控制學(xué)科由自動(dòng)控制技術(shù)和自動(dòng)控制理論兩部分組成。

什么是自動(dòng)控制?

無(wú)須人的直接參與，通過(guò)控制裝置，使機(jī)器、設(shè)備、生產(chǎn)過(guò)程等按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行，完成要求的任務(wù)，就叫自動(dòng)控制。

近幾十年來(lái)，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)防建第二頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日設(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。第三頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日導(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)；第四頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日交通系統(tǒng)：安全、快捷、舒適、準(zhǔn)點(diǎn)第五頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日鋼鐵生產(chǎn)第六頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日制造系統(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)器人第七頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日家用電器：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)間等第八頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日智能建筑：通信電梯供水通風(fēng)空調(diào)安防抄表…第九頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日工業(yè)機(jī)器人：第十頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日拉提琴靈巧手排爆步行吹笛足球比賽其他機(jī)器人：第十一頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日自動(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、制藥等第十二頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日

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(shuō)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(guò)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)；第十三頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日要把數(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(yáng)能電池一直朝向太陽(yáng)，無(wú)線電發(fā)射天線一直指向地球；

第十四頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日要使數(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；第十五頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日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。

第十六頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日

隨著自動(dòng)控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用和迅猛發(fā)展，出現(xiàn)了許多新問(wèn)題，這些問(wèn)題要求從理論上加以解決。自動(dòng)控制理論正是在解決這些實(shí)際技術(shù)問(wèn)題的過(guò)程中逐步形成和發(fā)展起來(lái)的，它是研究自動(dòng)控制技術(shù)的基礎(chǔ)理論，是研究自動(dòng)控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)。按其發(fā)展的不同階段，可把自動(dòng)控制理論分為經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論兩大部分。經(jīng)典控制理論也就是自動(dòng)控制原理，是20世紀(jì)40年代到50年代形成的一門獨(dú)立學(xué)科。早期的控制自動(dòng)控制理論的發(fā)展概況第十七頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單，只要列出微分方程并求解之，就可以用時(shí)域法分析他們的性能。第二次世界大戰(zhàn)前后，由于生產(chǎn)和軍事的需要，各國(guó)均在大力研制新型武器，于是出現(xiàn)了較復(fù)雜的控制系統(tǒng)，這些控制系統(tǒng)通常是用高階微分方程來(lái)描述的。由于高階微分方程求解的困難，各種控制系統(tǒng)的理論研究和分析方法就應(yīng)運(yùn)而生。1932年奈奎斯特（H.Nyquist）在研究負(fù)反饋放大器時(shí)創(chuàng)立了有名的穩(wěn)定性判據(jù)，并提出了穩(wěn)定裕量的概念。

在此基礎(chǔ)上，1945年伯德（H.W.Bode）提出第十八頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日了分析控制系統(tǒng)的一種圖解方法即頻率法，致使研究控制系統(tǒng)的方法由初期的時(shí)域分析轉(zhuǎn)到頻域分析。隨后，1948年伊文斯（W.R.Evans）又創(chuàng)立了另一種圖解法即有名的根軌跡法。追溯到1877年，勞斯（E.Routh）和1895年赫爾維茨（A.Hurwitz）分別獨(dú)立地提出了關(guān)于判斷控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的代數(shù)判據(jù)。這些都是經(jīng)典控制理論的重要組成部分。50年代中期，經(jīng)典控制理論又添加了非線性系統(tǒng)理論和離散控制理論，從而形成了完整的理論體系。第十九頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日

40~50年代經(jīng)典控制理論

（頻域法或復(fù)頻域法）

核心：傳遞函數(shù)，穩(wěn)定性、穩(wěn)定裕度等

特點(diǎn)：圖形方法，直觀簡(jiǎn)便，設(shè)置參數(shù)少，

（以簡(jiǎn)單控制結(jié)構(gòu)獲取相對(duì)滿意的性能）適用范圍：?jiǎn)屋斎雴屋敵觯⊿ISO）系統(tǒng)

數(shù)學(xué)基礎(chǔ)：復(fù)變函數(shù)，積分變換

SISO:SingleInputandSingleOutput第二十頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日

50年代開(kāi)始，由于空間技術(shù)的發(fā)展，各種高速、高性能的飛行器相繼出現(xiàn)，要求高精度地處理多變量、非線性、時(shí)變和自適應(yīng)等控制問(wèn)題，60年代初又形成了現(xiàn)代控制理論?，F(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)是：1956年龐特里亞金提出了極大值原理，1957年貝爾曼（R.Bellman）提出了動(dòng)態(tài)規(guī)劃，1960年卡爾曼（R.E.Kalman）提出了最優(yōu)濾波理論以及狀態(tài)空間方法的應(yīng)用。從60年代至今40多年來(lái)，現(xiàn)代控制理論又有巨大的發(fā)展，并形成了若干學(xué)科分支，如線性控制理論、最優(yōu)控制理論、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)辨識(shí)、自適應(yīng)控制、大系統(tǒng)理論等。第二十一頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日

60~70年代現(xiàn)代控制理論（狀態(tài)空間法）

核心：狀態(tài)變量的能控、能觀性，

系統(tǒng)性能的最優(yōu)化

特點(diǎn)：時(shí)域法，統(tǒng)一處理SISO、MIMO系統(tǒng)，

有完整的理論體系數(shù)學(xué)基礎(chǔ)：線性代數(shù)，矩陣?yán)碚?/p>

缺點(diǎn)：對(duì)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型精度要求高，

實(shí)際性能達(dá)不到設(shè)計(jì)的最優(yōu)，

所需狀態(tài)反饋難以直接實(shí)現(xiàn)MIMO:Multi-InputandMulti-Output第二十二頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日70年代~現(xiàn)在多種新型控制理論多變量頻域控制理論

①經(jīng)典SISO→MIMO；

②基于互質(zhì)分解的全新的頻域優(yōu)化理論魯棒控制（robustcontrol）

魯棒性（robustness）：系統(tǒng)存在模型誤差或受到擾動(dòng)時(shí)仍能保持良好性能的能力

魯棒控制：使系統(tǒng)具有良好魯棒性的控制第二十三頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日70年代~現(xiàn)在多種新型控制理論智能控制（intelligentcontrol）

控制系統(tǒng)具有擬人智能（學(xué)習(xí)、記憶、判斷、推理等）大系統(tǒng)控制、復(fù)雜系統(tǒng)控制等

被控系統(tǒng)具有高維數(shù)、強(qiáng)關(guān)聯(lián)、多約束、多目標(biāo)、不確定性、分散性、非線性、大時(shí)滯、難建模等特征，如電力系統(tǒng)、城市交通系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、制造系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)等第二十四頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日

自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用，推動(dòng)了控制理論的發(fā)展；而自動(dòng)控制理論的發(fā)展，又指導(dǎo)了控制技術(shù)的應(yīng)用，使其進(jìn)一步完善。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)控制技術(shù)及理論已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于機(jī)械、冶金、石油、化工、電子、電力、航空、航海、航天、核反應(yīng)等各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。近年來(lái)，控制科學(xué)的應(yīng)用范圍還擴(kuò)展到生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)管理和其他許多社會(huì)生活領(lǐng)域，并為各學(xué)科之間的相互滲透起了促進(jìn)作用。可以毫不夸張地說(shuō)，自動(dòng)控制技術(shù)和理論已經(jīng)成為現(xiàn)代化社會(huì)不可缺少的組成部分。第二十五頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用，不僅使生產(chǎn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，從而提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率和生活質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，改善勞動(dòng)條件，而且在人類征服大自然、探索新能源、發(fā)展空間技術(shù)和創(chuàng)造人類文明等方面都具有十分重要的意義。作為現(xiàn)代的工程技術(shù)人員和科學(xué)工作者，都必須具備一定的自動(dòng)控制理論基礎(chǔ)知識(shí)。第二十六頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日本課程的體系結(jié)構(gòu)內(nèi)容：經(jīng)典控制理論

建模、分析、綜合范圍：線性定常SISO系統(tǒng)（包括連續(xù)與離散）與非線性系統(tǒng)重點(diǎn)：基本概念、基本理論、基本方法第二十七頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日高等數(shù)學(xué)——微分方程、拉氏變換、富氏變換及復(fù)變函數(shù)等電路——電路理論及運(yùn)算方法、暫態(tài)過(guò)程分析電子技術(shù)——運(yùn)算放大器元件及參數(shù)計(jì)算電機(jī)——工作原理及機(jī)械特性需要復(fù)習(xí)的內(nèi)容第二十八頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日基本要求

通過(guò)學(xué)習(xí)本課程，獲得自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念和基本理論；掌握分析自動(dòng)控制系統(tǒng)或過(guò)程控制系統(tǒng)的基本方法。第二十九頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日自動(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)第三十頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日自動(dòng)控制概論1引言2自動(dòng)控制的基本原理3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類4自動(dòng)控制理論概要

第三十一頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日主要內(nèi)容1.自動(dòng)控制的基本原理2.概念：自動(dòng)控制、受控對(duì)象、控制器、被控量等3.自動(dòng)控制的基本方式和自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類4.掌握根據(jù)系統(tǒng)原理圖畫(huà)方框圖的方法5.對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求6.典型輸入信號(hào)第三十二頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日1.2.1自動(dòng)控制的基本概念

1、人工控制：控制系統(tǒng)可以由人工控制，也可以采用自動(dòng)控制。圖1－1水位人工控制原理圖

如圖1－1

所示，水位保持系統(tǒng)?！?.2自動(dòng)控制的基本原理第三十三頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日若要求在出水量隨意的條件下，保持水位高度不變：操作人員需先測(cè)實(shí)際水位，并在腦子中與要求的水位進(jìn)行比較。若低于要求的水位，則需開(kāi)大進(jìn)水閥門。否則應(yīng)關(guān)小進(jìn)水閥門。若兩者正好相等，則進(jìn)水閥門不動(dòng)。人工控制（續(xù)）

第三十四頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日根據(jù)系統(tǒng)原理圖可畫(huà)出其方框圖如圖1－2所示。

圖1－2水位人工控制系統(tǒng)方框圖人工控制（續(xù)）

第三十五頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日2、自動(dòng)控制：該水池若改為由自動(dòng)控制裝置代替操作人員：由浮子測(cè)出實(shí)際水位，與要求的水位比較。然后得出偏差再由調(diào)節(jié)元件根據(jù)偏差的大小和正負(fù)產(chǎn)生控制信號(hào)。最后由執(zhí)行元件根據(jù)信號(hào)產(chǎn)生控制作用。如圖1-3所示。圖1－3水位自動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖第三十六頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日在此：浮子測(cè)水位，由連桿和電位器進(jìn)行比較：浮子低則電位器上得到正電壓，經(jīng)放大后使電機(jī)向進(jìn)水閥門開(kāi)大的方向旋轉(zhuǎn)；反之，當(dāng)浮子高時(shí)，電位器上得到負(fù)電壓，電機(jī)向閥門關(guān)小的方向旋轉(zhuǎn)；若水位正好，則電位器上電壓為零，電機(jī)不轉(zhuǎn)，閥門不動(dòng)。圖1－4水位自動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖自動(dòng)控制（續(xù)）第三十七頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日3、控制系統(tǒng)中的常用術(shù)語(yǔ)

(1)自動(dòng)控制—在沒(méi)有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置使整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程或工作機(jī)械自動(dòng)的按預(yù)定規(guī)律運(yùn)行、或使其某個(gè)參數(shù)按要求變化。(2)控制裝置—外加的設(shè)備或裝置，亦叫控制器。(3)受控對(duì)象—被控制的機(jī)器或物體。(4)被控量—表征被控對(duì)象工作狀態(tài)的物理參量，也叫輸出量。(4)給定量—要求被控量所應(yīng)保持的數(shù)值。也叫輸入量或叫參考輸入。(5)干擾量—系統(tǒng)不希望的外作用，也叫擾動(dòng)輸入。第三十八頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日如水位自動(dòng)控制系統(tǒng)：圖1－3水位自動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖干擾信號(hào)

測(cè)量元件

輸出量

受控對(duì)象

比較元件

第三十九頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日(9)自動(dòng)控制系統(tǒng)：由受控對(duì)象和控制器按一定方式連接起來(lái)的、完成一定自動(dòng)控制任務(wù)的總體。如圖1－5所示。圖1－5自動(dòng)控制系統(tǒng)給定量控制器被控量干擾量自控系統(tǒng)受控對(duì)象(7)反饋量：由系統(tǒng)輸出端取出并反向送回系統(tǒng)輸入端的信號(hào)。反饋有主反饋和局部反饋之分。(8)偏差量：給定量與主反饋信號(hào)之差。第四十頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日輸入量輸出量圖1－6自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成自動(dòng)控制的任務(wù)—利用控制器操縱受控對(duì)象，使其被控量按技術(shù)要求變化。若r(t)—給定量，c(t)—被控量，則自控的任務(wù)之?dāng)?shù)學(xué)表達(dá)式為：使被控量滿足c(t)≈r(t)。自控系統(tǒng)的組成如1-6圖所示。1.2.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成第四十一頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日<1>給定元件：其職能是給出與期望的被控量相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)輸入量。一般為電位器。<2>比較元件：其職能是把測(cè)量到的被控量實(shí)際值與給定元件給出的輸入量進(jìn)行比較，求出他們之間的偏差。常用的有差動(dòng)放大器、機(jī)械差動(dòng)裝置、電橋電路、計(jì)算機(jī)等。<3>測(cè)量元件：其職能是檢測(cè)被控制量的物理量。如測(cè)速機(jī)、熱電偶、自整角機(jī)、電位器、旋轉(zhuǎn)變壓器、浮子等?；窘M成（續(xù)）第四十二頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日<4>放大元件：其職能是將比較元件給出的偏差信號(hào)進(jìn)行放大，用來(lái)推動(dòng)執(zhí)行元件去控制受控對(duì)象。如：晶體管、集成電路、晶閘管等組成的電壓、功率放大器。<5>執(zhí)行元件：其職能是直接推動(dòng)受控對(duì)象，使其被控量發(fā)生變化。如：閥門、電機(jī)、液壓馬達(dá)等?；窘M成（續(xù)）第四十三頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日自控系統(tǒng)的特點(diǎn)：<1>從信號(hào)傳送看：c(t)經(jīng)測(cè)量后回到輸入端，構(gòu)成閉環(huán)，具有反饋形式，且為負(fù)反饋。<2>從控制作用的產(chǎn)生看：由偏差產(chǎn)生的控制作用使系統(tǒng)沿減小或消除偏差的方向運(yùn)動(dòng)—偏差控制。<6>校正元件：也叫補(bǔ)償元件，它是結(jié)構(gòu)或參數(shù)便于調(diào)整的元件。用串聯(lián)或并聯(lián)（反饋）的方式連接于系統(tǒng)中，以改善系統(tǒng)的性能。如：電阻、電容組成的無(wú)源或有源網(wǎng)絡(luò)，還有計(jì)算機(jī)。基本組成（續(xù)）第四十四頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日1.2.3自動(dòng)控制的基本方式一、開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)：定義：開(kāi)環(huán)控制——控制器與被控對(duì)象之間只有順向作用而沒(méi)有反向聯(lián)系的控制過(guò)程。特點(diǎn)：被控量對(duì)系統(tǒng)的控制作用不產(chǎn)生影響，需要控制的是c(t)，而測(cè)量的只是r(t).第四十五頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D1－7開(kāi)環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)（續(xù)）3.例如：直流電機(jī)開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)如圖1－7所示。第四十六頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日給定電壓放大后得到電樞電壓ua，從而控制轉(zhuǎn)速n。改變ug→ua改變→n改變，ug與n一一對(duì)應(yīng)。但是，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)（干擾量），會(huì)使n改變，即使ug不變，n也改變。∴ua（ug）與n的關(guān)系不精確，抗擾動(dòng)能力差，系統(tǒng)控制精度難以保證，應(yīng)用少。開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)（續(xù)）第四十七頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日二、閉環(huán)控制系統(tǒng)：定義：閉環(huán)控制——被控量與給定值比較后用其偏差對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。亦稱反饋控制。特點(diǎn)：不論什么原因使被控量偏離期望值而出現(xiàn)偏差時(shí)，必定會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的控制作用去減小或消除這個(gè)偏差，使被控量與期望值趨于一致。需要控制的是c(t)、而測(cè)量的是c(t)對(duì)r(t)的偏差。只要c(t)出現(xiàn)偏差，系統(tǒng)就自行糾正。3.例如：直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)如圖1－8所示。自動(dòng)控制概論第四十八頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D1－8閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)（續(xù)）自動(dòng)控制概論第四十九頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日負(fù)載↑→TL↑→(Te<TL)→n↓→un↓→△u↑→u1↑→ua↑n↑或溫度T↑→Ra↑→E↓→n↓→un↓→△u↑→u1↑→ua↑n↑△系統(tǒng)精度高、抗干擾能力強(qiáng)、應(yīng)用廣泛。閉環(huán)控制系統(tǒng)（續(xù)）三、復(fù)合控制系統(tǒng)：1.定義：復(fù)合控制—給定補(bǔ)償或干擾補(bǔ)償與反饋控制結(jié)合起來(lái)就組成復(fù)合控制。自動(dòng)控制概論第五十頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日復(fù)合控制系統(tǒng)（續(xù)）2.例如：如圖1－9所示調(diào)速系統(tǒng)。此系統(tǒng)在閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上增加了負(fù)載擾動(dòng)補(bǔ)償。圖1－9復(fù)合控制調(diào)速系統(tǒng)原理圖自動(dòng)控制概論第五十一頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日負(fù)載突增TL↑→IdL↑→Us↑→ΔU2=U1+Us必↑→ua↑→n↑Te<TL→n↓圖1－10復(fù)合控制調(diào)速系統(tǒng)方框圖復(fù)合控制系統(tǒng)（續(xù)）自動(dòng)控制概論第五十二頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日§1.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類1.3.1從信號(hào)傳送的特點(diǎn)或系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類

可以將控制系統(tǒng)分為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)和復(fù)合控制系統(tǒng)三大類，前已述及，故不贅述。自動(dòng)控制概論第五十三頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日一、恒值系統(tǒng)：定義——r(t)為常值的系統(tǒng)。目的——保證c(t)恒定。例如：調(diào)速系統(tǒng)（當(dāng)ug不變時(shí)），水池水位控制系統(tǒng)，空調(diào)、冰箱、恒溫箱及爐溫控制系統(tǒng)等。1.3.2按給定值的特點(diǎn)分：自動(dòng)控制概論第五十四頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D1－12電阻爐微機(jī)溫度控制系統(tǒng)恒值系統(tǒng)（續(xù)）自動(dòng)控制概論第五十五頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日如圖1－12所示為電阻爐微機(jī)溫度控制系統(tǒng)，電阻絲通過(guò)晶閘管主電路加熱，爐溫期望值用計(jì)算機(jī)鍵盤預(yù)先設(shè)置，實(shí)際爐溫由熱電偶檢測(cè)，并轉(zhuǎn)換成電壓（mv），經(jīng)放大濾波后，由模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）將模擬信號(hào)→數(shù)字信號(hào)送入計(jì)算機(jī)。在計(jì)算機(jī)中與所設(shè)置的期望值比較后產(chǎn)生偏差信號(hào)。計(jì)算機(jī)便根據(jù)預(yù)定的控制算法（即控制規(guī)律）計(jì)算相應(yīng)的控制量，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換變?yōu)楹阒迪到y(tǒng)（續(xù)）自動(dòng)控制概論第五十六頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日4.優(yōu)點(diǎn):計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)，具有精度高、功能強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性好、無(wú)噪聲、顯示醒目、讀數(shù)直觀、打印存檔方便、操作簡(jiǎn)單、靈活性和適應(yīng)性好等一系列優(yōu)點(diǎn)。0—10mA的電流，通過(guò)觸發(fā)器控制晶閘管的控制角α，從而改變晶閘管的整流電壓，也就改變了電阻絲中電流的大小，達(dá)到控制爐溫的目的。恒值系統(tǒng)（續(xù)）自動(dòng)控制概論第五十七頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日例如：跟蹤目標(biāo)的雷達(dá)系統(tǒng)、火炮群控制系統(tǒng)、導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)、參數(shù)的自動(dòng)檢驗(yàn)系統(tǒng)、X-Y記錄儀、船舶駕駛舵位跟蹤系統(tǒng)、飛機(jī)自動(dòng)駕駛儀等等。

如圖1－13所示為船舶駕駛舵角位置跟蹤系統(tǒng)。

定義：給定值隨意變化而事先無(wú)法知道的系統(tǒng)。目的：使c(t)按一定精度跟蹤r(t)的變化。二、隨動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)控制概論第五十八頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D1－13船舶駕駛舵角位置跟蹤系統(tǒng)隨動(dòng)系統(tǒng)（續(xù)）其任務(wù)是使船舵角位置按給定指令變化，即要求θ0跟隨θi:θ0(t)=θi(t)。第一章自動(dòng)控制概論第五十九頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D1－14

圖1－15船舶駕駛舵角位置跟蹤系統(tǒng)方框圖隨動(dòng)系統(tǒng)（續(xù)）該系統(tǒng)由船舵（受控對(duì)象）、電位計(jì)（測(cè)量、比較元件）、電機(jī)、減速器、電壓和功率放大器等組成。自動(dòng)控制概論第六十頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日

由兩個(gè)電位計(jì)組成橋式連接，Δu=ui-ua。若θ0=θi，則預(yù)先整定ui=u0,則Δu=0，電機(jī)不動(dòng)，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。若θi

變了，而θ0

未變，則有θ0≠θi

，

ui≠u0，Δu≠0，從而使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)船舵角位置θ0向θi要求的位置變化，直至θ0=θi，Δu=0，電機(jī)才停止。系統(tǒng)重又平衡。隨動(dòng)系統(tǒng)（續(xù)）4.優(yōu)點(diǎn)：控制對(duì)象簡(jiǎn)單，指令信號(hào)事先無(wú)法知道其變化規(guī)律?？捎霉β屎苄〉闹噶钚盘?hào)操縱功率很大的工作機(jī)械，還可進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制。自動(dòng)控制概論第六十一頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日三、程控系統(tǒng)：定義：給定值或指令輸入信號(hào)按預(yù)定程序變化的系統(tǒng)。目的：c(t)按預(yù)定的程序去運(yùn)行。例如：順序控制器、數(shù)控機(jī)床、仿形機(jī)床等。如圖1－16所示為數(shù)控機(jī)床，將輸入處理，插補(bǔ)計(jì)算和控制功能可由邏輯電路實(shí)現(xiàn)，也可由計(jì)算機(jī)來(lái)完成。一般都將加工軌跡編好程序。并轉(zhuǎn)換成脈沖輸入，再將工作臺(tái)移動(dòng)軌跡也換算成脈沖側(cè)出來(lái)與輸入脈沖比較后再換算成模擬信號(hào)用以控制SM。自動(dòng)控制概論第六十二頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D1－16數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)方框圖程控系統(tǒng)（續(xù)）自動(dòng)控制概論第六十三頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日可分為線性控制系統(tǒng)和非線性控制系統(tǒng)

①線性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述：線性函數(shù)，如線性微分方程、線性差分方程、線性代數(shù)方程。線性系統(tǒng)具有齊次性和疊加性，其優(yōu)點(diǎn)是數(shù)學(xué)處理簡(jiǎn)便，理論體系完整。②非線性控制系統(tǒng)：用非線性方程描述的系統(tǒng)，不滿足疊加原理。1.3.3按數(shù)學(xué)描述分類自動(dòng)控制概論第六十四頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日1.3.4按時(shí)間信號(hào)的性質(zhì)分類可分為連續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng)：①連續(xù)控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中各變量均對(duì)時(shí)間連續(xù)。離散控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中一處或幾處的變量為離散信號(hào)，如計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)或采樣控制系統(tǒng)。0t連續(xù)信號(hào)0t離散信號(hào)自動(dòng)控制概論第六十五頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日①定常系統(tǒng)：系統(tǒng)的參數(shù)不隨時(shí)間變化的系統(tǒng)。描述其動(dòng)態(tài)特性的微分方程或差分方程的系數(shù)為常數(shù)。②時(shí)變系統(tǒng)：系統(tǒng)的參數(shù)隨時(shí)間而變化。描述其動(dòng)態(tài)特性的微分方程或差分方程的系數(shù)不為常數(shù)。可分為定常系統(tǒng)與時(shí)變系統(tǒng)1.3.5按系統(tǒng)參數(shù)是否隨時(shí)間變化分類自動(dòng)控制概論第六十六頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日§1.4自動(dòng)控制理論概要系統(tǒng)有各種各樣，對(duì)每個(gè)系統(tǒng)也都有不同的特殊要求，但對(duì)于各類系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在已知系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)時(shí)，研究的和感興趣的卻是系統(tǒng)在某種典型輸入信號(hào)下，其被控量變化的全過(guò)程。也就是說(shuō)，研究的內(nèi)容和方法都是相同或相似的，如：恒值系統(tǒng)研究擾動(dòng)作用引起被控量變化的全過(guò)程；隨動(dòng)系統(tǒng)研究被控量如何克服擾動(dòng)影響并跟隨給定量的變化過(guò)程。所以對(duì)于各種控制系統(tǒng)的要求可歸納為：系統(tǒng)的c(t)必須迅速、準(zhǔn)確的按輸入量的變化而變化，克服擾動(dòng)影響。1.4.1自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求自動(dòng)控制概論第六十七頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日實(shí)際中，由于機(jī)械部分質(zhì)量、慣量的存在以及電路中L.C的存在，輸出不會(huì)是理想狀態(tài)。要有一個(gè)過(guò)渡過(guò)程，最后趨于新的穩(wěn)態(tài)值。因此，從穩(wěn)、快、準(zhǔn)三方面來(lái)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的總體精度。圖1－17圖1－18基本要求（續(xù)）自動(dòng)控制概論第六十八頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日<一>穩(wěn)定性穩(wěn)定性指動(dòng)態(tài)過(guò)程的振蕩傾向和系統(tǒng)重新恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力。穩(wěn)定性是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件，一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)，其c(t)偏離期望值的初始偏差應(yīng)隨t的延長(zhǎng)逐漸減小或趨于零。(如曲線①和②)一個(gè)不穩(wěn)定的系統(tǒng)，其c(t)偏離期望值的初始偏差將隨著t的增長(zhǎng)而發(fā)散。無(wú)法實(shí)現(xiàn)預(yù)定的任務(wù)。（如曲線③）自動(dòng)控制概論第六十九頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日②c(t)t0①③基本要求（續(xù)）自動(dòng)控制概論第七十頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日<二>快速性

快速性指動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行的時(shí)間長(zhǎng)短。T過(guò)長(zhǎng)：系統(tǒng)長(zhǎng)久出現(xiàn)大偏差，難以復(fù)現(xiàn)快速變化的指令信號(hào)。（例雷達(dá)、導(dǎo)彈等）若滿足既穩(wěn)又快，則系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)精度高。（如：飛機(jī)自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)、當(dāng)飛機(jī)受到陣風(fēng)干擾偏離航線。若系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)原航線的速度過(guò)快，則乘客感到不適。函數(shù)記錄儀還可能損壞記錄筆。）自動(dòng)控制概論第七十一頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日<三>準(zhǔn)確性

準(zhǔn)確性指系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程結(jié)束到新的平衡工作狀態(tài)以后或系統(tǒng)受干擾后重新恢復(fù)平衡，最終保持的精度。反映后期性能。自動(dòng)控制概論第七十二頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日<四>說(shuō)明因受控對(duì)象的不同，各種系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)、準(zhǔn)、快的要求有所側(cè)重。如：恒值系統(tǒng)---對(duì)穩(wěn)（平衡）要求嚴(yán)格。而對(duì)隨動(dòng)系統(tǒng)---快、準(zhǔn)要求高。同一個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)、快、準(zhǔn)是相互制約的，提高過(guò)渡過(guò)程的快速性，可能會(huì)引起振蕩；改善了平穩(wěn)性，過(guò)渡過(guò)程又很遲緩。本課程的主要內(nèi)容就是如何分析和解決上述矛盾。自動(dòng)控制概論第七十三頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日1.4.2典型輸入信號(hào)1．階躍函數(shù)（位置函數(shù)）：

當(dāng)A=1時(shí)，稱為單位階躍函數(shù)，記作且tr(t)0A自動(dòng)控制概論第七十四頁(yè)，共八十三頁(yè)，2022年，8月28日當(dāng)B=1時(shí)，