自動(dòng)控制原理簡(jiǎn)明教程演示文稿

自動(dòng)控制原理簡(jiǎn)明教程演示文稿現(xiàn)在是1頁\一共有63頁\編輯于星期三（優(yōu)選）自動(dòng)控制原理簡(jiǎn)明教程現(xiàn)在是2頁\一共有63頁\編輯于星期三自動(dòng)控制是一門基礎(chǔ)性的技術(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(jì)。--》經(jīng)典（古典），現(xiàn)代。（1）該課程與其它課程的關(guān)系自動(dòng)控制原理電機(jī)與拖動(dòng)模擬電子技術(shù)線性代數(shù)微積分（含微分方程）信號(hào)與系統(tǒng)（含拉氏變換，傅氏變換、z變換）電路理論大學(xué)物理（力學(xué)、熱力學(xué)）復(fù)變函數(shù)課程的性質(zhì)和特點(diǎn)現(xiàn)在是3頁\一共有63頁\編輯于星期三實(shí)際系統(tǒng)物理模型數(shù)學(xué)模型方法（系統(tǒng)組成分析、設(shè)計(jì)）

（2）自動(dòng)控制理論的發(fā)展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、智能控制研究的對(duì)象：因果系統(tǒng)、工程系統(tǒng)系統(tǒng)的廣義性：經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、工程、生物、環(huán)境、醫(yī)學(xué)……特點(diǎn)：研究系統(tǒng)的共性問題課程的性質(zhì)和特點(diǎn)現(xiàn)在是4頁\一共有63頁\編輯于星期三頻域法主要內(nèi)容：自動(dòng)控制的一般概念、物理系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、控制系統(tǒng)的一般分析方法、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)或校正以及線性離散系統(tǒng)的初步知識(shí)時(shí)域分析法根軌跡法頻域分析法學(xué)習(xí)目的和任務(wù)掌握關(guān)于自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念、基本理論和基本方法；初步掌握控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型建立、系統(tǒng)分析和綜合方法。學(xué)習(xí)目標(biāo)現(xiàn)在是5頁\一共有63頁\編輯于星期三教材：《自動(dòng)控制原理簡(jiǎn)明教材》，胡壽松，科學(xué)出版社參考資料現(xiàn)在是6頁\一共有63頁\編輯于星期三參考書目：《自動(dòng)控制原理》（第五版）胡壽松科學(xué)出版社《自動(dòng)控制原理》(上下冊(cè))，黃家英編著，東南大學(xué)出版社《自動(dòng)控制原理》，王建輝顧樹生著，清華大學(xué)出版社參考資料現(xiàn)在是7頁\一共有63頁\編輯于星期三1.1自動(dòng)控制的基本原理1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)示例1.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類1.4對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求*1.5自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)工具第一章控制系統(tǒng)導(dǎo)論現(xiàn)在是8頁\一共有63頁\編輯于星期三自動(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（稱控制裝置或控制器），使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（統(tǒng)稱被控對(duì)象）的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量）自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律（給定量）運(yùn)行。如：數(shù)控加工中心、焊接機(jī)器人、溫度控制系統(tǒng)等。自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上述自動(dòng)控制的目的，由相互聯(lián)系和制約的各部件組成的具有特定功能的整體。1.1.1自動(dòng)控制技術(shù)及其應(yīng)用1.1自動(dòng)控制的基本原理與方式現(xiàn)在是9頁\一共有63頁\編輯于星期三指南車復(fù)原模型歷史的回顧1.1.2

自動(dòng)控制理論發(fā)展概述1.1自動(dòng)控制的基本原理與方式現(xiàn)在是10頁\一共有63頁\編輯于星期三指南車原理

指南車結(jié)構(gòu)為馬拉的雙輪獨(dú)轅車，車箱上立一個(gè)伸臂的木人，車箱內(nèi)裝有能自動(dòng)離合的齒輪系。當(dāng)車子轉(zhuǎn)彎偏離正南方向時(shí)車轅前端就順此方向移動(dòng)，而后端則向反方向移動(dòng)，并將傳動(dòng)齒輪放落，使車輪的傳動(dòng)帶動(dòng)木人下的大齒輪向相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，恰好抵消車子轉(zhuǎn)彎產(chǎn)生的影響?，F(xiàn)在是11頁\一共有63頁\編輯于星期三18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。瓦特的調(diào)速器現(xiàn)在是12頁\一共有63頁\編輯于星期三1932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)。19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。19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)。控制理論的發(fā)展現(xiàn)在是13頁\一共有63頁\編輯于星期三20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?？刂评碚摰陌l(fā)展現(xiàn)在是14頁\一共有63頁\編輯于星期三胚胎萌芽期（1945年以前）經(jīng)典控制理論時(shí)期（1940-1960）1945年美國人Bode“網(wǎng)絡(luò)分析與放大器的設(shè)計(jì)”，奠定了控制理論的基礎(chǔ)，50年代趨于成熟。主要內(nèi)容：對(duì)單輸入單輸出系統(tǒng)進(jìn)行分析，采用頻率法、根軌跡法、相平面法、描述函數(shù)法；討論系統(tǒng)穩(wěn)定性的代數(shù)和幾何判據(jù)以及校正網(wǎng)絡(luò)等。四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)性階段現(xiàn)在是15頁\一共有63頁\編輯于星期三3.現(xiàn)代控制理論時(shí)期（50年代末-60年代初）

空間技術(shù)的發(fā)展提出了許多復(fù)雜控制問題，用于導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星和宇宙飛船上,Kalman“控制系統(tǒng)的一般理論”奠定了現(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)。解決多輸入、多輸出、時(shí)變參數(shù)、高精度復(fù)雜系統(tǒng)的控制問題。4.大系統(tǒng)和智能控制時(shí)期（70年代-）

各學(xué)科相互滲透，要分析的系統(tǒng)越來越大，越來越復(fù)雜。例如，人工智能、模擬人的人腦功能、機(jī)器人等。四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)性階段現(xiàn)在是16頁\一共有63頁\編輯于星期三發(fā)展方向：智能控制技術(shù)

自動(dòng)控制成為一門科學(xué)是從1945發(fā)展起來的。開始多用于工業(yè)：壓力、溫度、流量、位移、濕度、粘度自動(dòng)控制后來進(jìn)入軍事領(lǐng)域：飛機(jī)自動(dòng)駕駛、火炮自動(dòng)跟蹤、導(dǎo)彈、衛(wèi)星、宇宙飛船自動(dòng)控制目前滲透到更多領(lǐng)域：大系統(tǒng)、交通管理、圖書管理等生物學(xué)系統(tǒng)：生物控制論、波斯頓假肢、人造器官經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)：模擬經(jīng)濟(jì)管理過程、經(jīng)濟(jì)控制論專家系統(tǒng)、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、預(yù)測(cè)控制現(xiàn)在是17頁\一共有63頁\編輯于星期三第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床（美國MIT，1952）現(xiàn)在是18頁\一共有63頁\編輯于星期三第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人樣機(jī)(美國，1954)現(xiàn)在是19頁\一共有63頁\編輯于星期三包括自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)和智能機(jī)器人中國批準(zhǔn)863計(jì)劃現(xiàn)在是20頁\一共有63頁\編輯于星期三二足步行機(jī)械人SDR-4X(日本SONY，2002)娛樂機(jī)械狗(日本安川，2001)現(xiàn)在是21頁\一共有63頁\編輯于星期三機(jī)器人馬拉松(日本vstone，2010)現(xiàn)在是22頁\一共有63頁\編輯于星期三第一顆人造地球衛(wèi)星（前蘇聯(lián)，1957）現(xiàn)在是23頁\一共有63頁\編輯于星期三飛船載著加加林進(jìn)入人造地球衛(wèi)星軌道，人類宇航時(shí)代開始。東方-１號(hào)飛船(前蘇聯(lián)，1961)現(xiàn)在是24頁\一共有63頁\編輯于星期三宇航員N.A.Armstrong“阿波羅”11號(hào)(美國，1969)現(xiàn)在是25頁\一共有63頁\編輯于星期三第一臺(tái)火星探測(cè)器Sojourner

(美國，1996)旅行者Voyager一號(hào)，二號(hào)開始走出太陽系?，F(xiàn)在是26頁\一共有63頁\編輯于星期三現(xiàn)代化的化工廠現(xiàn)在是27頁\一共有63頁\編輯于星期三1.1.3反饋控制原理人取書的反饋控制系統(tǒng)現(xiàn)在是28頁\一共有63頁\編輯于星期三1.1.3反饋控制原理龍門刨床速度控制系統(tǒng)現(xiàn)在是29頁\一共有63頁\編輯于星期三1.1.3反饋控制原理龍門刨床速度控制系統(tǒng)現(xiàn)在是30頁\一共有63頁\編輯于星期三[動(dòng)態(tài)過程]觀測(cè)恒溫箱內(nèi)的溫度（被控制量）與要求的溫度（給定值）進(jìn)行比較得到溫度偏差的大小和方向根據(jù)偏差大小和方向調(diào)節(jié)調(diào)壓器，控制加熱電阻絲的電流以調(diào)節(jié)溫度恢復(fù)到要求值。[實(shí)質(zhì)]檢測(cè)偏差再糾正偏差。人工控制恒溫箱123現(xiàn)在是31頁\一共有63頁\編輯于星期三控溫箱舉例現(xiàn)在是32頁\一共有63頁\編輯于星期三溫度偏差信號(hào)經(jīng)電壓、功率放大后，用以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，并通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)拖動(dòng)調(diào)壓器動(dòng)觸頭。當(dāng)溫度偏高時(shí)，動(dòng)觸頭向減小電流的方向運(yùn)動(dòng)，反之加大電流，直到溫度達(dá)到給定值為止，此時(shí)，偏差u=0,電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。[實(shí)質(zhì)]檢測(cè)偏差，糾正偏差。恒溫箱實(shí)際溫度由熱電偶轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電壓u2恒溫箱期望溫度由電壓u1給定，并與實(shí)際溫度u2比較得到溫度偏差信號(hào)u=u1-u2恒溫箱自動(dòng)控制系統(tǒng)現(xiàn)在是33頁\一共有63頁\編輯于星期三

檢測(cè)輸出量（被控制量）的實(shí)際值；將輸出量的實(shí)際值與給定值（輸入量）進(jìn)行比較得出偏差；用偏差值產(chǎn)生控制調(diào)節(jié)作用去消除偏差，使得輸出量維持期望的輸出。反饋控制系統(tǒng)的工作原理現(xiàn)在是34頁\一共有63頁\編輯于星期三

為了表明自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成以及信號(hào)的傳遞情況，通常把系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)用框圖表示，并用箭頭標(biāo)明各作用量的傳遞情況，下圖便是電爐箱恒溫自動(dòng)控制系統(tǒng)的方框圖?，F(xiàn)在是35頁\一共有63頁\編輯于星期三方框圖中各符號(hào)的意義

元部件方框（塊）圖信號(hào)（物理量）及傳遞方向中的符號(hào)比較點(diǎn)引出點(diǎn)表示負(fù)反饋現(xiàn)在是36頁\一共有63頁\編輯于星期三●

給定量（參考輸入）：人為給定的并且要求系統(tǒng)輸出量參照變化的外部指令信號(hào)，位于系統(tǒng)的輸入端。給定量與期望的輸出量之間一般存在著物理量綱轉(zhuǎn)換關(guān)系。給定量可以是常值，也可以是隨時(shí)間變化的已知函數(shù)或未知函數(shù)?！?/p>

被控量（輸出量）：位于系統(tǒng)的輸出端，被控對(duì)象中某個(gè)需要被控制的物理量，它與給定量之間存在一定函數(shù)關(guān)系?！?/p>

干擾（擾動(dòng)信號(hào)）：由某些因素（外部和內(nèi)部）引起的、對(duì)系統(tǒng)被控量產(chǎn)生不利影響的信號(hào)。常用名詞術(shù)語

現(xiàn)在是37頁\一共有63頁\編輯于星期三

●

反饋：把取出的輸出量送回輸入端，并與輸入信號(hào)相比較產(chǎn)生偏差信號(hào)的過程。若是從系統(tǒng)輸出端到系統(tǒng)輸入端，這種反饋稱為主反饋；而其他反饋稱為局部反饋。若反饋的信號(hào)與輸入信號(hào)相減，使產(chǎn)生的偏差越來越小，則稱為負(fù)反饋；反之，則稱為正反饋?！?/p>

前向通道：系統(tǒng)的給定量端（輸入）到被控量端（輸出）所經(jīng)過的通路?！?/p>

偏差：給定量與反饋量之差。●

誤差：系統(tǒng)輸出量的實(shí)際值與期望值之差。系統(tǒng)期望值是理想化系統(tǒng)的輸出，實(shí)際中很難達(dá)到。在單位反饋情況下，期望值就是系統(tǒng)的給定量，則誤差就等于偏差?！?/p>

系統(tǒng)：一些部件的組合，能完成一定的任務(wù)。系統(tǒng)的概念可以應(yīng)用于抽象的動(dòng)態(tài)現(xiàn)象?，F(xiàn)在是38頁\一共有63頁\編輯于星期三

將系統(tǒng)的輸出信號(hào)引回輸入端，與輸入信號(hào)相比較，利用所得的偏差信號(hào)進(jìn)行控制，達(dá)到減小偏差、消除偏差的目的。

——構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)的核心

閉環(huán)(反饋)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

(1)系統(tǒng)內(nèi)部存在反饋，信號(hào)流動(dòng)構(gòu)成閉回路；

(2)偏差起調(diào)節(jié)作用。負(fù)反饋原理

由于存在輸出量反饋，使系統(tǒng)能在存在無法預(yù)計(jì)擾動(dòng)的情況下，自動(dòng)減少系統(tǒng)的輸出量與參考輸入量（或者任意變化的希望的狀態(tài)）之間的偏差，故稱之為反饋控制。反饋本質(zhì)——測(cè)量偏差，利用偏差，減少（乃至消除）偏差現(xiàn)在是39頁\一共有63頁\編輯于星期三1.1.4反饋控制系統(tǒng)的基本組成

被控對(duì)象控制系統(tǒng)

測(cè)量元件比較元件

控制裝置

放大元件

執(zhí)行機(jī)構(gòu)

校正裝置給定元件現(xiàn)在是40頁\一共有63頁\編輯于星期三1.1.4反饋控制系統(tǒng)的基本組成現(xiàn)在是41頁\一共有63頁\編輯于星期三1.1.4反饋控制系統(tǒng)的基本組成控制系統(tǒng)的組成現(xiàn)在是42頁\一共有63頁\編輯于星期三

工作原理：根據(jù)被控量的反饋信息，即實(shí)際輸出量，來修正控制裝置對(duì)被控對(duì)象的控制作用，實(shí)現(xiàn)控制任務(wù)。反饋控制系統(tǒng)原理框圖1.1.5自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本控制方式1.反饋控制方式（閉環(huán)控制方式）現(xiàn)在是43頁\一共有63頁\編輯于星期三反饋控制系統(tǒng)舉例

閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)電壓放大器功率放大器測(cè)速發(fā)電機(jī)負(fù)載M

閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)M減速器溫度控制器熱電偶調(diào)壓器220V~現(xiàn)在是44頁\一共有63頁\編輯于星期三工作原理：在控制器和被控對(duì)象之間只有正向控制而沒有反饋控制，即系統(tǒng)的輸出量對(duì)控制量沒有影響。

開環(huán)控制系統(tǒng)原理框圖2.開環(huán)控制方式現(xiàn)在是45頁\一共有63頁\編輯于星期三開環(huán)控制系統(tǒng)舉例電熱絲加熱爐220v~調(diào)壓器

開環(huán)溫度控制系統(tǒng)

開環(huán)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)功率放大器負(fù)載電位器M現(xiàn)在是46頁\一共有63頁\編輯于星期三反饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn):

偏差控制，可以抑制內(nèi)、外擾動(dòng)對(duì)被控制量產(chǎn)生的影響。精度高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)、分析麻煩。開環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：順向作用，沒有反向的聯(lián)系，沒有修正偏差能力，抗擾動(dòng)性較差。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)整方便、成本低?，F(xiàn)在是47頁\一共有63頁\編輯于星期三

工作原理：閉環(huán)控制與開環(huán)控制相結(jié)合的一種自動(dòng)控制系統(tǒng)。在閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上，附加一個(gè)正饋通道，對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，以達(dá)到精確的控制效果。

復(fù)合控制系統(tǒng)原理框圖3.復(fù)合控制方式現(xiàn)在是48頁\一共有63頁\編輯于星期三1-2自動(dòng)控制系統(tǒng)示例函數(shù)記錄儀原理圖現(xiàn)在是49頁\一共有63頁\編輯于星期三

函數(shù)記錄儀方框圖

現(xiàn)在是50頁\一共有63頁\編輯于星期三水溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)現(xiàn)在是51頁\一共有63頁\編輯于星期三水溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)方框圖水溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)給定溫度冷水流量熱水溫度——現(xiàn)在是52頁\一共有63頁\編輯于星期三1.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類線性定常連續(xù)系統(tǒng)包括：恒值控制系統(tǒng)隨動(dòng)系統(tǒng)，包括伺服系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)1線性定?？刂葡到y(tǒng)特點(diǎn)：

各變量及其導(dǎo)數(shù)以一次冪形式出現(xiàn)，

且無常數(shù)項(xiàng)和交叉相乘項(xiàng)；——線性

各系數(shù)都是常數(shù)——定常

系統(tǒng)中各信號(hào)隨著時(shí)間連續(xù)變化——連續(xù)現(xiàn)在是53頁\一共有63頁\編輯于星期三（1）恒值控制系統(tǒng)系統(tǒng)的輸入信號(hào)是某一恒定的常值，要求系統(tǒng)能夠克服干擾的影響，使輸出量在這一常值附近微小變化。例：連續(xù)生產(chǎn)過程中的恒溫、恒壓、恒速等自動(dòng)控制系統(tǒng)。（2）程序控制系統(tǒng)系統(tǒng)的輸入信號(hào)是某一已知的時(shí)間函數(shù)（不是常數(shù)），要求系統(tǒng)按照該時(shí)間函數(shù)進(jìn)行順序操作。例：數(shù)控機(jī)床按給定程序加工一個(gè)工件、家用洗衣機(jī)等。trtr現(xiàn)在是54頁\一共有63頁\編輯于星期三（3）隨動(dòng)控制系統(tǒng)系統(tǒng)的輸入信號(hào)是一個(gè)未知的隨時(shí)間任意變化的函數(shù)，要求輸出量能夠精確地跟隨輸入信號(hào)變化，稱為隨動(dòng)控制系統(tǒng)。隨動(dòng)控制系統(tǒng)中的被控量是機(jī)械位置或其導(dǎo)數(shù)時(shí)，稱為伺服控制系統(tǒng)。例：導(dǎo)彈自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)等。tr現(xiàn)在是55頁\一共有63頁\編輯于星期三2線性定常離散控制系統(tǒng)（m≤n）

r：輸入采樣序列。c：輸出采樣序列

總結(jié)：（1）、（2）線性系統(tǒng)具有齊次性、疊加性。3非線性控制系統(tǒng)（系數(shù)與變量有關(guān)）現(xiàn)在是56頁\一共有63頁\編輯于星期三分類方式現(xiàn)在是57頁\一共有63頁\編輯于星期三

對(duì)于線性定常系統(tǒng)，性能指標(biāo)主要包括三個(gè)方面內(nèi)容：穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確性。

1.4自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求1.4.1基本要求的提法即：☆穩(wěn)（基本要求）☆準(zhǔn)（穩(wěn)態(tài)要求）☆快（動(dòng)