自動控制理論基礎(chǔ)詳解演示文稿

自動控制理論基礎(chǔ)詳解演示文稿現(xiàn)在是1頁\一共有88頁\編輯于星期三（優(yōu)選）自動控制理論基礎(chǔ)現(xiàn)在是2頁\一共有88頁\編輯于星期三第一章自動控制的一般概念1-1引言1-2自動控制系統(tǒng)的一般概念1-3自動控制系統(tǒng)的基本類型1-4自動控制系統(tǒng)示例1-5控制系統(tǒng)性能現(xiàn)在是3頁\一共有88頁\編輯于星期三1.1引言1.自動控制技術(shù)及其應(yīng)用

在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的眾多領(lǐng)域中，自動控制技術(shù)起著越來越重要的作用。所謂自動控制，就是在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（控制裝置），使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（控制對象）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（被控量）自動地按照預(yù)定的規(guī)律運行。如數(shù)控車床按預(yù)定程序自動切削，人造衛(wèi)星準(zhǔn)確進(jìn)入預(yù)定軌道并回收等?，F(xiàn)在是4頁\一共有88頁\編輯于星期三現(xiàn)在是5頁\一共有88頁\編輯于星期三

自動控制技術(shù)除了在工業(yè)上廣泛應(yīng)用外，近幾十年來，隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，在宇航、機(jī)器人控制、導(dǎo)彈制導(dǎo)及核動力等高新技術(shù)領(lǐng)域中，自動控制技術(shù)更具特別重要的作用。不僅如此，自動控制技術(shù)的應(yīng)用范圍現(xiàn)在已擴(kuò)展到生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)管理和其它許多社會生活領(lǐng)域中，自動控制已成為現(xiàn)代社會生活中不可缺少的一部分?，F(xiàn)在是6頁\一共有88頁\編輯于星期三自動控制：是指在沒有人直接參與的情況下，利用控制裝置使被控對象（如機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程）的一個或數(shù)個物理量（如電壓、電流、速度、位置、溫度、流量、化學(xué)成分等）自動的按照預(yù)定的規(guī)律運行（或變化）。人造衛(wèi)星準(zhǔn)確進(jìn)入預(yù)定軌道并回收等。自動控制系統(tǒng)：是指能夠?qū)Ρ豢貙ο蟮墓ぷ鳡顟B(tài)進(jìn)行自動控制的系統(tǒng)。它一般由控制裝置和被控對象組成。被控制對象是指那些要求實現(xiàn)自動控制的機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程?？刂蒲b置是指對被控對象起控制作用的設(shè)備總體。如利用自動駕駛儀對飛機(jī)進(jìn)行控制，使飛機(jī)安全的飛往目的地?，F(xiàn)在是7頁\一共有88頁\編輯于星期三舉例控制裝置控制對象被控物理量大腦，眼睛，手臂恒溫控制自動駕駛儀導(dǎo)彈發(fā)射手位置水溫度飛機(jī)姿態(tài)，飛行參數(shù)導(dǎo)彈軌跡現(xiàn)在是8頁\一共有88頁\編輯于星期三現(xiàn)在是9頁\一共有88頁\編輯于星期三現(xiàn)在是10頁\一共有88頁\編輯于星期三2.自動控制理論古典（經(jīng)典）控制理論：單輸出的線性定常系統(tǒng)作為研究對象，數(shù)學(xué)模型采用以拉氏變換為基礎(chǔ)建立起來的傳遞函數(shù)，其主要方法包括時域響應(yīng)法、頻率特性法和根軌跡法?，F(xiàn)代控制理論：多輸出的非線性及時變（非定常）系統(tǒng)作為研究對象，基于狀態(tài)空間法、貝爾曼動態(tài)規(guī)劃法和卡爾曼濾波技術(shù)等方法實現(xiàn)最優(yōu)控制、最優(yōu)濾波和自適應(yīng)控制的理論和方法，克服了經(jīng)典控制理論的很多局限性，為控制技術(shù)的發(fā)展開辟了更加寬廣的道路。現(xiàn)在是11頁\一共有88頁\編輯于星期三2.自動控制理論的發(fā)展

自動控制理論是研究自動控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)。既是一門古老的、已臻成熟的學(xué)科，又是一門正在發(fā)展的、具有強(qiáng)大生命力的新興學(xué)科。開始多用于工業(yè)：壓力、溫度、流量、位移、濕度、粘度自動控制后來進(jìn)入軍事領(lǐng)域：飛機(jī)自動駕駛、火炮自動跟蹤、導(dǎo)彈、衛(wèi)星、宇宙飛船自動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)控制論現(xiàn)在是12頁\一共有88頁\編輯于星期三從1868年馬克斯威爾（J.C.Maxwell）提出低階系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù)至今一百多年里，自動控制理論的發(fā)展可分為四個主要階段：第一階段：經(jīng)典控制理論（或古典控制理論）的產(chǎn)生、發(fā)展和成熟；第二階段：現(xiàn)代控制理論的興起和發(fā)展；第三階段：大系統(tǒng)控制興起和發(fā)展階段；第四階段：智能控制發(fā)展階段?，F(xiàn)在是13頁\一共有88頁\編輯于星期三經(jīng)典控制理論1868年，馬克斯威爾（）提出了低階系統(tǒng)的穩(wěn)定性代數(shù)判據(jù)。1895年，數(shù)學(xué)家勞斯（Routh）和赫爾威茨（Hurwitz）分別獨立地提出了高階系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)，即Routh和Hurwitz判據(jù)。二戰(zhàn)期間（1938-1945年）奈奎斯特（H.Nyquist）提出了頻率響應(yīng)理論1948年，伊萬斯（）提出了根軌跡法。至此，控制理論發(fā)展的第一階段基本完成，形成了以頻率法和根軌跡法為主要方法的經(jīng)典控制理論。現(xiàn)在是14頁\一共有88頁\編輯于星期三經(jīng)典控制理論的基本特征（1）主要用于線性定常系統(tǒng)的研究，即用于常系數(shù)線性微分方程描述的系統(tǒng)的分析與綜合；（2）只用于單輸入，單輸出的反饋控制系統(tǒng)；（3）只討論系統(tǒng)輸入與輸出之間的關(guān)系，而忽視系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)，是一種對系統(tǒng)的外部描述方法。（4）數(shù)學(xué)模型采用以拉氏變換為基礎(chǔ)建立起來的傳遞函數(shù)，其主要方法包括時域響應(yīng)法、頻率特性法和根軌跡法。經(jīng)典控制理論比較直觀，物理概念比較強(qiáng)，發(fā)展比較成熟完整?，F(xiàn)在是15頁\一共有88頁\編輯于星期三現(xiàn)代控制理論1954年貝爾曼（R.Belman)提出動態(tài)規(guī)劃理論1956年龐特里雅金（）提出極大值原理1960年卡爾曼（)提出多變量最優(yōu)控制和最優(yōu)濾波理論解決多輸入、多輸出、時變參數(shù)、高精度復(fù)雜系統(tǒng)的控制問題在數(shù)學(xué)工具、理論基礎(chǔ)和研究方法上不僅能提供系統(tǒng)的外部信息（輸出量和輸入量），而且還能提供系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)變量的信息。它無論對線性系統(tǒng)或非線性系統(tǒng)，定常系統(tǒng)或時變系統(tǒng)，單變量系統(tǒng)或多變量系統(tǒng)，都是一種有效的分析方法。現(xiàn)在是16頁\一共有88頁\編輯于星期三大系統(tǒng)理論與智能控制大系統(tǒng)理論是過程控制與信息處理相結(jié)合的系統(tǒng)工程理論，具有規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能綜合、目標(biāo)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)。大系統(tǒng)理論目前仍處于發(fā)展和開創(chuàng)性階段。智能控制是從“仿人”的概念出發(fā)的。一般認(rèn)為，其方法包括學(xué)習(xí)控制、模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制、和專家控制等方法。例人工智能、模擬人的人腦功能、機(jī)器人等。被控對象的復(fù)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(biāo)度，復(fù)雜的信息模式，龐大的數(shù)據(jù)量，以及嚴(yán)格的特性指標(biāo)等．目前，計算機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，計算機(jī)控制廣泛應(yīng)用，不斷為自動控制理論的進(jìn)一步發(fā)展開拓著更加美妙的前景。現(xiàn)在是17頁\一共有88頁\編輯于星期三1.2控制系統(tǒng)的一般概念

1．開環(huán)控制與閉環(huán)控制

開環(huán)控制是一種最簡單的控制方式，是指系統(tǒng)的被控制量（輸出量）只受控于控制作用，而對控制作用不能反施任何影響的控制方式。采用開環(huán)控制的系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。如圖1-1所示（也稱為最基本控制系統(tǒng)）

例如：圖1-2電加熱爐輸入量控制器控制量輸出量控制對象現(xiàn)在是18頁\一共有88頁\編輯于星期三開環(huán)控制系統(tǒng)例題被控制對象：爐子被控制量（輸出量）：爐溫控制裝置：開關(guān)K和電熱絲，對被控制量起控制作用。圖1－2現(xiàn)在是19頁\一共有88頁\編輯于星期三在該系統(tǒng)中，對于每一個輸入量，就有一個與之對應(yīng)的工作狀態(tài)和輸出量，系統(tǒng)的精度僅取決于元器件的精度和特性調(diào)整的精度。這類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，容易控制，但是控制精度低，因為如果在控制器或控制對象上存在干擾，或者由于控制器元器件老化，控制對象結(jié)構(gòu)或參數(shù)發(fā)生變化，均會導(dǎo)致系統(tǒng)輸出的不穩(wěn)定，使輸出值偏離預(yù)期值。正因為如此，開環(huán)控制系統(tǒng)一般適用于干擾不強(qiáng)或可預(yù)測，控制精度要求不高的場合?，F(xiàn)在是20頁\一共有88頁\編輯于星期三在任何開環(huán)控制中，系統(tǒng)的輸出量都不被用來與參考輸入進(jìn)行比較，因此，對應(yīng)于每一個參考輸入量，便有一個相應(yīng)的固定工作狀態(tài)與之對應(yīng)，這樣，系統(tǒng)的精度便決定于校準(zhǔn)的精度（為了滿足實際應(yīng)用的需要，開環(huán)控制系統(tǒng)必須精確地予以校準(zhǔn)，并且在工作工程中保持這種校準(zhǔn)值不發(fā)生變化）。當(dāng)出現(xiàn)擾動時，開環(huán)控制系統(tǒng)就不能實現(xiàn)既定任務(wù)了，如果輸入量與輸出量之間的關(guān)系已知，并且不存在內(nèi)擾與外擾，則可以采用開環(huán)控制。沿時間坐標(biāo)軸單向運行的任何系統(tǒng)，都是開環(huán)系統(tǒng)。例如：采用時基信號的交通管制，就是開環(huán)控制的另一個例子?，F(xiàn)在是21頁\一共有88頁\編輯于星期三方框圖的有關(guān)概念

方框

控制裝置和被控對象分別用方框表示信號線方框的輸入和輸出以及它們之間的聯(lián)接用帶箭頭的信號線表示輸入信號進(jìn)入方框的信號輸出信號離開方框的信號

控制系統(tǒng)的輸出量就是被控量,它的希望值一般是系統(tǒng)輸入信號的函數(shù)。信號線方框信號線輸入信號輸出信號現(xiàn)在是22頁\一共有88頁\編輯于星期三

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。

輸出量(爐溫)

控制裝置被控對象輸入信號(爐子)(開關(guān))開環(huán)控制系統(tǒng)方框圖現(xiàn)在是23頁\一共有88頁\編輯于星期三開環(huán)控制的特點信號單方向傳遞，不構(gòu)成閉合回路，系統(tǒng)的輸出量不用來與輸入量進(jìn)行比較。系統(tǒng)的精度決定于系統(tǒng)元件的精度；若要使自控系統(tǒng)達(dá)到很高的控制精度，則被控對象和控制器本身的精度要求提高，從而系統(tǒng)的成本大大的提高。只能對一些可測量的干擾或者變化規(guī)律已知的干擾進(jìn)行補(bǔ)償，若干擾未知時則不能進(jìn)行有效的補(bǔ)償，因而抗干擾能力差。開環(huán)控制結(jié)構(gòu)簡單、成本低、工作穩(wěn)定且容易實現(xiàn)?，F(xiàn)在是24頁\一共有88頁\編輯于星期三閉環(huán)控制

閉環(huán)控制是指系統(tǒng)的被控制量（輸出量）與控制作用之間存在著反饋的控制方式。采用閉環(huán)控制的系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。將檢測出來的輸出量送回到系統(tǒng)的輸入端，并與輸入信號比較，稱為反饋。因此，閉環(huán)控制又稱為反饋控制，其控制結(jié)構(gòu)如圖示。在這樣的結(jié)構(gòu)下，系統(tǒng)的控制器和控制對象共同構(gòu)成了前向通道，而反饋裝置構(gòu)成了系統(tǒng)的反饋通道。現(xiàn)在是25頁\一共有88頁\編輯于星期三如圖示在控制系統(tǒng)中，反饋的概念非常重要。在圖中，如果將反饋環(huán)節(jié)取得的實際輸出信號加以處理，并在輸入信號中減去這樣的反饋量，再將結(jié)果輸入到控制器中去控制被控對象，我們稱這樣的反饋為負(fù)反饋；反之，若由輸入量和反饋量相加作為控制器的輸入，則稱為正反饋。控制器被控對象反饋裝置輸出量輸入量現(xiàn)在是26頁\一共有88頁\編輯于星期三閉環(huán)控制是一切生物控制自身運動的基本規(guī)律。人本身就是一個具有高度復(fù)雜控制能力的閉環(huán)系統(tǒng)。（例如圖1-4）手是被控對象，手的位置為被控量?，F(xiàn)在是27頁\一共有88頁\編輯于星期三手臂,手人眼輸入信號大腦人眼輸出信號用自動裝置代替人工操作人作為閉環(huán)系統(tǒng)的方框圖現(xiàn)在是28頁\一共有88頁\編輯于星期三現(xiàn)在是29頁\一共有88頁\編輯于星期三反饋：輸出量送回至輸入端并與輸入信號比較的過程負(fù)反饋：反饋的信號是與輸入信號相減而使偏差越來越小反之，則稱為正反饋。顯然，負(fù)反饋控制是一個利用偏差進(jìn)行控制并最后消除偏差的過程，又稱偏差控制。同時，由于有反饋的存在，整個控制過程是閉合的，故也稱為閉環(huán)控制。反饋的概念現(xiàn)在是30頁\一共有88頁\編輯于星期三開環(huán)向閉環(huán)控制的轉(zhuǎn)換例題現(xiàn)在是31頁\一共有88頁\編輯于星期三閉環(huán)控制的電加熱爐方框圖現(xiàn)在是32頁\一共有88頁\編輯于星期三閉環(huán)控制的特點系統(tǒng)信號按照前向通路和反饋通路形成的回路進(jìn)行傳遞。實現(xiàn)了按偏差控制，因而在元件精度不高的條件下，能獲得較高的控制精度。能夠抵消所有干擾對系統(tǒng)的影響。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。閉環(huán)系統(tǒng)存在穩(wěn)定性的問題。現(xiàn)在是33頁\一共有88頁\編輯于星期三閉環(huán)控制系統(tǒng)典型方框圖控制裝置與被控對象之間既有順向作用，又有反向聯(lián)系的控制過程。現(xiàn)在是34頁\一共有88頁\編輯于星期三在現(xiàn)實世界中，反饋控制系統(tǒng)的形式是多樣的，但一般均可化為上圖的形式。一個水池水位自動控制系統(tǒng)如下圖所示。在這個水位控制系統(tǒng)中，水池的進(jìn)水量來自電動機(jī)控制開度的進(jìn)水閥門，在用戶用水量隨意變化的情況下，保持水箱水位在希望的高度不變。希望水位高度由電位器觸頭設(shè)定，浮子測出實際水位高度。由浮子帶動的電位計觸頭的位置反映實際水位高度。電位計兩點的電位差反映了希望水位與實際水位的偏差。當(dāng)實際水位低于希望水位時，通過放大器驅(qū)使電動機(jī)轉(zhuǎn)動，開大進(jìn)水閥門，使進(jìn)水量增加，從而使水位上升。當(dāng)實際水位上升到希望值時，兩個觸頭在同一位置，電動機(jī)停轉(zhuǎn)，進(jìn)水閥門開度不變，這時進(jìn)水量和出水量達(dá)到了新的平衡。若實際水位高于希望水位，則電動機(jī)使進(jìn)水閥門關(guān)小，進(jìn)水量減少，實際水位下降?，F(xiàn)在是35頁\一共有88頁\編輯于星期三現(xiàn)在是36頁\一共有88頁\編輯于星期三水池水位自動控制系統(tǒng)方框圖放大器減速器進(jìn)水閥門水池浮子電動機(jī)—現(xiàn)在是37頁\一共有88頁\編輯于星期三一個位置自動控制系統(tǒng)如圖所示，該系統(tǒng)的作用是使負(fù)載L(工作機(jī)械)的角位移隨給定的角度的變化而變化，即要求被控量復(fù)現(xiàn)控制量。

現(xiàn)在是38頁\一共有88頁\編輯于星期三指令電位器和反饋電位器組成的橋式電路是測量比較環(huán)節(jié)，其作用就是測量控制量－輸入角度和被控制量--－輸出角度，變成電壓信號和并相減，產(chǎn)生偏差電壓。當(dāng)負(fù)載的實際位置與給定位置相符時，則,電動機(jī)不轉(zhuǎn)動。當(dāng)負(fù)載的實際位置與給定位置不相符時，和也不相等，偏差電壓。偏差電壓經(jīng)過放大器放大，使電動機(jī)轉(zhuǎn)動，通過減速器移動負(fù)載L，使負(fù)載L和反饋電位器向減少偏差的方向轉(zhuǎn)動?，F(xiàn)在是39頁\一共有88頁\編輯于星期三位置自動控制系統(tǒng)方框圖現(xiàn)在是40頁\一共有88頁\編輯于星期三開環(huán)控制與反饋控制的比較開環(huán)優(yōu)點:結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，工作穩(wěn)定，當(dāng)輸入信號和擾動能預(yù)先知道時，控制效果較好。缺點：不能自動修正被控制量的偏離，系統(tǒng)的元件參數(shù)變化以及外來的未知擾動對控制精度影響較大。閉環(huán)優(yōu)點：具有自動修正被控制量出現(xiàn)偏離的能力，可以修正元件參數(shù)變化以及外界擾動引起的誤差，控制精度高。即：檢測偏差，糾正偏差

缺點：被控量可能出現(xiàn)振蕩，甚至發(fā)散。現(xiàn)在是41頁\一共有88頁\編輯于星期三開環(huán)控制直流電動機(jī)速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)示意圖圖1－8現(xiàn)在是42頁\一共有88頁\編輯于星期三閉環(huán)控制直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)圖1－9現(xiàn)在是43頁\一共有88頁\編輯于星期三2.

自動控制系統(tǒng)的組成、名詞術(shù)語和定義（1）控制器（控制裝置）：指對被控制對象起控制作用的機(jī)器和設(shè)備。被控對象：指需要實現(xiàn)自動控制的機(jī)器、設(shè)備和儀表。現(xiàn)在是44頁\一共有88頁\編輯于星期三自動控制系統(tǒng)的組成、名詞術(shù)語和定義（2）參考輸入r:輸入到控制系統(tǒng)中的指令信號；主反饋b:與輸出成正比或某種函數(shù)關(guān)系且與參考輸入量綱相同的反饋信號；偏差e:參考輸入與主反饋之差，即e=r-b;控制量u:從控制器輸出并作用于被控制對象的信號；擾動n：來自系統(tǒng)內(nèi)部或外部，對系統(tǒng)輸出產(chǎn)生不利影響的信號；輸出c：反饋控制系統(tǒng)的被控制量，即被控制對象的輸出量；現(xiàn)在是45頁\一共有88頁\編輯于星期三自動控制系統(tǒng)的組成、名詞術(shù)語、定義（3）①比較環(huán)節(jié)：對系統(tǒng)的給定量與反饋量進(jìn)行比較，產(chǎn)生偏差量的裝置，起著對信號進(jìn)行綜合比較的作用。②檢測變換環(huán)節(jié)（反饋環(huán)節(jié)）：檢測系統(tǒng)的被控量并將其轉(zhuǎn)換為與給定量相同的反饋量的環(huán)節(jié)。反饋環(huán)節(jié)的特點：測量精度高、反應(yīng)靈敏、性能穩(wěn)定。反饋環(huán)節(jié)的性能直接影響自控系統(tǒng)的控制品質(zhì)。③校正環(huán)節(jié)：是自控系統(tǒng)的附加元件，是按照某種規(guī)律對偏差信號進(jìn)行放大、校正運算，用運算的結(jié)果控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。校正環(huán)節(jié)主要用于改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)性能。按照接入系統(tǒng)的形式可以分為串聯(lián)校正環(huán)節(jié)和反饋校正環(huán)節(jié)?，F(xiàn)在是46頁\一共有88頁\編輯于星期三自動控制系統(tǒng)的組成、名詞術(shù)語、定義（3）④放大變換環(huán)節(jié)：將偏差量和其它微弱的小信號進(jìn)行放大變換的裝置。⑤執(zhí)行環(huán)節(jié)：將系統(tǒng)放大變換后的偏差信號，對被控對象進(jìn)行控制，使被控量達(dá)到所要求的數(shù)值的裝置。一般由傳動裝置和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成。⑥被控對象（控制對象）：指需要對它的某個特定的物理量（系統(tǒng)輸出量）進(jìn)行控制的設(shè)備或過程?，F(xiàn)在是47頁\一共有88頁\編輯于星期三主反饋和局部反饋基本概念前向通路：把信號從輸入端沿箭頭方向到達(dá)輸出端的傳輸通路。主反饋通路：系統(tǒng)的輸出量（被控量）經(jīng)由反饋環(huán)節(jié)（檢測變換環(huán)節(jié)）反饋到系統(tǒng)輸入端的傳輸通路。主反饋回路：前向通路與主反饋通路一起構(gòu)成的回路。主反饋和局部反饋的關(guān)系兩個條件：①系統(tǒng)的輸出量經(jīng)反饋通路加到系統(tǒng)的輸入端；②該反饋信號與系統(tǒng)輸入量具有相同的量綱。凡是滿足以上兩個條件的是主反饋回路，否則為局部反饋回路。作用不同：①主反饋回路中，主反饋量與系統(tǒng)的輸入量比較后形成偏差量，然后經(jīng)控制器對被控對象實施控制；②局部反饋回路是為改善系統(tǒng)的動態(tài)特性而設(shè)立，如系統(tǒng)環(huán)節(jié)的非線性特性、時滯等。自動控制系統(tǒng)的組成、名詞術(shù)語、定義（4）現(xiàn)在是48頁\一共有88頁\編輯于星期三1.3自動控制系統(tǒng)的類型開環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)按自動控制的基本方式分類現(xiàn)在是49頁\一共有88頁\編輯于星期三恒值控制系統(tǒng)又稱為自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)和自鎮(zhèn)定系統(tǒng)，即系統(tǒng)的給定量保持不變的自控系統(tǒng)。系統(tǒng)的基本任務(wù)是保持被控量恒定，不受任何干擾的影響。例如各種恒速、恒壓、恒溫系統(tǒng)。按給定量的特征分類現(xiàn)在是50頁\一共有88頁\編輯于星期三隨動控制系統(tǒng)：給定量隨時間任意變化，系統(tǒng)的基本任務(wù)是保證被控量以一定精度隨給定量變化。系統(tǒng)的控制作用在于使系統(tǒng)的輸出量（被控量）以盡可能小的偏差相應(yīng)輸入量的變化而變化。例如飛機(jī)制導(dǎo)系統(tǒng)、雷達(dá)天線系統(tǒng)、位置（或速度或加速度）自動跟蹤的控制系統(tǒng)等等。現(xiàn)在是51頁\一共有88頁\編輯于星期三程序控制系統(tǒng)：系統(tǒng)的給定量按照事先編好的程序或隨時間按一定規(guī)律變化的系統(tǒng)。例如飛機(jī)自動著陸系統(tǒng)、熱處理爐的溫度控制系統(tǒng)?，F(xiàn)在是52頁\一共有88頁\編輯于星期三恒值控制系統(tǒng)的參考輸入為常量，要求它的被控制量在任何擾動的作用下能盡快地恢復(fù)(或接近)到原有的穩(wěn)態(tài)值。由于這類系統(tǒng)能自動地消除各種擾動對被控制量的影響，故它又名為自鎮(zhèn)定系統(tǒng)。隨動系統(tǒng)的參考輸入是一個變化的量，一般是隨機(jī)的，要求系統(tǒng)的被控制量能快速、準(zhǔn)確地跟蹤參考輸入信號的變化而變化?，F(xiàn)在是53頁\一共有88頁\編輯于星期三連續(xù)控制系統(tǒng)

如果通過系統(tǒng)各處的信號均為時間t的連續(xù)函數(shù)，則這種系統(tǒng)稱為連續(xù)控制系統(tǒng)。連續(xù)控制系統(tǒng)的參數(shù)是分布參數(shù)時，要使用偏微分方程來描述；當(dāng)其可簡化為集中參數(shù)時，就可用常微分方程（簡稱微分方程）來描述。前面所舉的液面控制系統(tǒng)和隨動系統(tǒng)都屬于這類控制系統(tǒng)。離散控制系統(tǒng)

如果通過系統(tǒng)的信號只要有一處是脈沖序列或數(shù)字信號，則這種系統(tǒng)稱為離散控制系統(tǒng)或數(shù)字控制系統(tǒng)。它可用差分方程來描述按系統(tǒng)內(nèi)信號傳輸?shù)男问椒诸惉F(xiàn)在是54頁\一共有88頁\編輯于星期三線性系統(tǒng)

系統(tǒng)中各組成元件的輸入輸出特性都是線性的，因而系統(tǒng)可以用線性方程（即一次方程）來描述時，這種系統(tǒng)稱為線性系統(tǒng)。如果線性方程中的系數(shù)都是常數(shù)，則由該方程所描述的系統(tǒng)稱為線性定常系統(tǒng)。如果線性方程的系數(shù)中只要有一個是時間（自變量）的函數(shù)，則由該方程所描述的系統(tǒng)稱為線性時變系統(tǒng)線性系統(tǒng)的基本特點（1）齊次性（2）疊加性按系統(tǒng)組成元件的輸入輸出特性分類現(xiàn)在是55頁\一共有88頁\編輯于星期三非線性系統(tǒng)系統(tǒng)中只要有一個組成元件的輸入輸出特性是非線性，因而系統(tǒng)需要用非線性方程來描述時，這種系統(tǒng)稱為非線性系統(tǒng)。

現(xiàn)在是56頁\一共有88頁\編輯于星期三

在控制系統(tǒng)中，至少要一個元件具有非線性特性，則稱該系統(tǒng)為非線性控制系統(tǒng)。非線性系統(tǒng)一般不具有齊次性，也不適用疊加原理，而且它的輸出響應(yīng)和穩(wěn)定性與其初始態(tài)有很大關(guān)系?，F(xiàn)在是57頁\一共有88頁\編輯于星期三嚴(yán)格地說，絕對的線性控制系統(tǒng)(或元件)是不存在的，因為所用的物理系統(tǒng)和元件在不同的程度上都具有非線性特性。為了簡化對系統(tǒng)的分析和設(shè)計，在一定的條件下，可以用分析線性系統(tǒng)的理論和方法對它進(jìn)行研究。

現(xiàn)在是58頁\一共有88頁\編輯于星期三按有無穩(wěn)態(tài)誤差分類無差系統(tǒng)：沒有穩(wěn)態(tài)誤差的系統(tǒng)稱為無差系統(tǒng)。有差系統(tǒng)：具有穩(wěn)態(tài)誤差的系統(tǒng)稱為有差系統(tǒng)。應(yīng)當(dāng)指出，上述分類只是按常見分類法進(jìn)行劃分，此外還有其它分類方法：如集中參數(shù)系統(tǒng)和分布參數(shù)系統(tǒng)；單輸入輸出系統(tǒng)和多輸入輸出系統(tǒng)；時變系統(tǒng)和非時變系統(tǒng)；有靜差系統(tǒng)和無靜差系統(tǒng)；最優(yōu)控制和次最優(yōu)控制系統(tǒng)；自適應(yīng)系統(tǒng)和自鎮(zhèn)定控制系統(tǒng)，等等?，F(xiàn)在是59頁\一共有88頁\編輯于星期三§1.４自動控制系統(tǒng)示例自動控制系統(tǒng)在人類生活中具有非常廣泛的應(yīng)用，其組成往往也比較復(fù)雜，當(dāng)分析一個自動控制系統(tǒng)時，要對它的工作情況有一個完整而且深入的了解，有必要首先明確如下一些問題：1、控制系統(tǒng)的被控對象是什么？系統(tǒng)的那些狀態(tài)參量要求控制（亦即被控量是什么）？作用在被控對象上的主要干擾量有那些？2、控制系統(tǒng)使用了哪些基本元件來完成對被控量的控制。3、系統(tǒng)的輸入信號（給定值）是什么？由什么裝置提供？4、如何來實現(xiàn)各信號的綜合計算和判斷偏差？畫出系統(tǒng)的方塊圖。現(xiàn)在是60頁\一共有88頁\編輯于星期三工業(yè)爐溫控制系統(tǒng)現(xiàn)在是61頁\一共有88頁\編輯于星期三工作原理：加熱爐采用電加熱方式運行，加熱器所產(chǎn)生的熱量與調(diào)壓器電壓的平方成正比，增高，爐溫就上升，的高低由調(diào)壓器滑動觸點的位置所控制，該觸點由可逆轉(zhuǎn)的直流電動機(jī)驅(qū)動。爐子的實際溫度用熱電偶測量，輸出電壓。作為系統(tǒng)的反饋電壓與給定電壓進(jìn)行比較，得出偏差電壓，經(jīng)電壓放大器、功率放大器放大成后，作為控制電動機(jī)的電樞電壓。

現(xiàn)在是62頁\一共有88頁\編輯于星期三在正常情況下，爐溫等于某個期望值Ｔ°C，熱電偶的輸出電壓正好等于給定電壓ur。此時ue=ur-uf=0，故u1=ua=0，可逆電動機(jī)不轉(zhuǎn)動，調(diào)壓器的滑動觸點停留在某個合適的位置上，使uc保持一定的數(shù)值。這時，爐子散失的熱量正好等于從加熱器吸取的熱量，形成穩(wěn)定的熱平衡狀態(tài)，溫度保持恒定。系統(tǒng)中，加熱爐是被控對象，爐溫是被控量，給定量是由給定電位器設(shè)定的電壓ur（表征爐溫的希望值）?，F(xiàn)在是63頁\一共有88頁\編輯于星期三系統(tǒng)方框圖現(xiàn)在是64頁\一共有88頁\編輯于星期三飛機(jī)自動駕駛儀系統(tǒng)原理圖現(xiàn)在是65頁\一共有88頁\編輯于星期三自動駕駛儀是一種能保持和改變飛機(jī)飛行狀態(tài)的自動裝置，它可以穩(wěn)定飛行的姿態(tài)、高度和航跡。飛機(jī)與自動駕駛儀組成的自動控制系統(tǒng)，稱為飛機(jī)自動駕駛儀系統(tǒng)。如同飛行員操縱飛機(jī)一樣，自動駕駛儀控制飛機(jī)是通過控制飛機(jī)的三個操縱舵面（升降舵、方向舵、副翼）的偏轉(zhuǎn)，改變了舵面的空氣動力特性，已形成圍繞飛機(jī)重心的旋轉(zhuǎn)力矩，從而改變飛機(jī)的飛行姿態(tài)和軌跡?，F(xiàn)在以比例式自動駕駛儀穩(wěn)定飛機(jī)俯仰角為例，說明其工作原理?，F(xiàn)在是66頁\一共有88頁\編輯于星期三飛機(jī)的俯仰角用垂直陀螺儀測量。當(dāng)飛機(jī)按給定俯仰角水平飛行時，陀螺儀電位器沒有電壓輸出。如果飛機(jī)受到擾動，使俯仰角向下偏離給定值，則陀螺儀電位器輸出與俯仰角偏差成正比的信號、經(jīng)放大器放大后驅(qū)動舵機(jī)，一方面推動升降舵舵面向上偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生飛機(jī)抬頭的力矩，減少俯仰角偏差；與此同時，帶動反饋電位器電刷，產(chǎn)生與舵面偏轉(zhuǎn)角成正比的信號并反饋到輸入端。隨著俯仰角偏差的減少，陀螺儀電位器輸出信號越來越小，舵面的偏轉(zhuǎn)角也隨之逐漸減小，直到俯仰角恢復(fù)到給定值為止，這時，舵面也回到原來狀態(tài)?，F(xiàn)在是67頁\一共有88頁\編輯于星期三飛機(jī)駕駛儀穩(wěn)定俯仰角的控制系統(tǒng)方塊圖見課本１６頁圖１－１８系統(tǒng)中，被控對象是飛機(jī)，其俯仰角即是被控制量，自動駕駛儀是控制裝置。系統(tǒng)的輸入量是給定俯仰角，它是一個恒定不變的常值。系統(tǒng)的功用是在任何外來擾動作用下，保持飛機(jī)的俯仰角不變，這種系統(tǒng)稱為恒值控制系統(tǒng)。又由于系統(tǒng)中電壓、位移、角度等信號均是時間的連續(xù)信號，因此，飛機(jī)自動駕駛儀俯仰角穩(wěn)定系統(tǒng)是一個連續(xù)角穩(wěn)定系統(tǒng)。

現(xiàn)在是68頁\一共有88頁\編輯于星期三控制導(dǎo)彈發(fā)射架方位的電位器式隨動系統(tǒng)原理圖現(xiàn)在是69頁\一共有88頁\編輯于星期三當(dāng)導(dǎo)彈發(fā)射架的方位角與輸入軸方位角一致時，系統(tǒng)處于相對靜止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)搖動手輪使電位器的滑臂轉(zhuǎn)過一個輸入角的瞬間，由于輸出軸的轉(zhuǎn)角,于是出現(xiàn)一個誤差角，該誤差角通過電位器、轉(zhuǎn)換成偏差電壓，經(jīng)放大后驅(qū)動電動機(jī)轉(zhuǎn)動，在驅(qū)動導(dǎo)彈發(fā)射架轉(zhuǎn)動的同時，通過輸出軸帶動電位器的滑臂轉(zhuǎn)過一定的角度，直至?xí)r，，偏差電壓，電動機(jī)停止轉(zhuǎn)動。這時，導(dǎo)彈發(fā)射架停留在相應(yīng)的方位角上。只要，偏差就會產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，控制的結(jié)果是消除偏差，使輸出量嚴(yán)格地跟隨輸入量的變化而變化。系統(tǒng)中，導(dǎo)彈發(fā)射架是被控對象，發(fā)射架方位角是被控量，通過手輪輸入的角度是給定量?，F(xiàn)在是70頁\一共有88頁\編輯于星期三倉庫大門自動控制系統(tǒng)原理示意圖

現(xiàn)在是71頁\一共有88頁\編輯于星期三當(dāng)合上開門開關(guān)時，電橋會測量出開門位置與大門實際位置間對應(yīng)的偏差電壓，偏差電壓經(jīng)放大器放大后，驅(qū)動伺服電動機(jī)帶動絞盤轉(zhuǎn)動，將大門向上提起。與此同時，和大門連在一起的電刷也向上移動，直到橋式測量電路達(dá)到平衡，電動機(jī)停止轉(zhuǎn)動，大門達(dá)到開啟位置。反之，當(dāng)合上關(guān)門開關(guān)時，電動機(jī)帶動絞盤使大門關(guān)閉，從而可以實現(xiàn)大門遠(yuǎn)距離開閉自動控制?，F(xiàn)在是72頁\一共有88頁\編輯于星期三水溫控制系統(tǒng)示意圖現(xiàn)在是73頁\一共有88頁\編輯于星期三溫度傳感器不斷測量交換器出口處的實際水溫，并在溫度控制器中與給定溫度相比較，若低于給定溫度，其偏差值使蒸汽閥門開大，進(jìn)入熱交換器的蒸汽量加大，熱水溫度升高，直至偏差為零。如果由于某種原因，冷水流量加大，則流量值由流量計測得，通過溫度控制器，開大閥門，使蒸汽量增加，提前進(jìn)行控制，實現(xiàn)按冷水流量進(jìn)行順饋補(bǔ)償，保證熱交換器出口的水溫不發(fā)生大的波動。其中，熱交換器是被控對象，實際熱水溫度為被控量，給定量（希望溫度）在控制器中設(shè)定；冷水流量是干擾量。現(xiàn)在是74頁\一共有88頁\編輯于星期三1.5控制系統(tǒng)性能1.典型外作用：階躍函數(shù)、斜坡函數(shù)、脈沖函數(shù)、拋物線函數(shù)和正弦函數(shù)。階躍函數(shù)A·1(t)當(dāng)幅值A(chǔ)=1時，則稱為單位階躍函數(shù)，記作1(t)現(xiàn)在是75頁\一共有88頁\編輯于星期三斜坡函數(shù)A·t(t)

A=1時，則稱為單位斜坡函數(shù)，記作t(t)

現(xiàn)在是76頁\一共有88頁\編輯于星期三加速度函數(shù)A·t2/2（t）

A=1時，則稱為等加速函數(shù)，記作1/2·t2(t)

現(xiàn)在是77頁\一共有88頁\編輯于星期三脈沖函數(shù)A·(t)

A=1時，則稱為單位脈沖函數(shù)或(t)函數(shù)

且定義

現(xiàn)在是78頁\一共有88頁\編輯于星期三正弦函數(shù)Asint(t)現(xiàn)在是79頁\一共有88頁\編輯于星期三2.控制系統(tǒng)的性能為了實現(xiàn)自動控制，必須對控制