自控原理 第一章概述

自控原理第一章概述第一頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三1總學(xué)時：70自動控制原理第3版李友善編著，國防工業(yè)出版社，2004年自動控制原理（第四版）胡壽松主編，國防工業(yè)出版社，2002年自動控制原理孫亮等主編，北京工業(yè)大學(xué)出版社1999年自動控制原理基本理論例題詳解典型習(xí)題，張家桂、黃明鍵主編，國防工業(yè)出版社，2007年自動控制原理實驗指導(dǎo)書，本?？刂茖W(xué)院自動化系編學(xué)習(xí)方式：教材：參考書：習(xí)題集：實驗指導(dǎo)書：授課、習(xí)題、實驗、考試第二頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三22、拉普拉斯變換、反變換（1）求矩陣逆（2）

矩陣行列式

→3維數(shù)學(xué)知識復(fù)習(xí)：3、微分方程求解4、復(fù)變函數(shù)留數(shù)定理（求部分分式展開）1、線性代數(shù)－矩陣計算（矩陣加、乘法）上課時間上課地點周二3、4(單周)11J1201周四5、611J1201周五3、411J1202第三頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三3第一章

自動控制系統(tǒng)概述§1引言l

自動化定義：

l

自動控制系統(tǒng)：

機器或裝置在無人干預(yù)的情況下按規(guī)定的程序或指令自動進行操作或控制的過程?！灾袊蟀倏迫珪?/p>

由內(nèi)部互相聯(lián)系的部件按照一定規(guī)律組成，能夠完成一定功能的有機整體。第四頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三4降低成本。l

自動控制的目標(biāo)：l

《自動控制原理》課程：提高勞動生產(chǎn)率，提高產(chǎn)品質(zhì)量，改善勞動條件，節(jié)約能源，基礎(chǔ)理論，理論性強，研究控制系統(tǒng)的一般規(guī)律，設(shè)計自動控制系統(tǒng)。第五頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三5§2自動控制簡史2.1經(jīng)典控制理論古老的反饋控制思想40年代形成獨立學(xué)科，機械化－自動化瓦特蒸汽機的離心調(diào)節(jié)器—自動控制領(lǐng)域的第一項重大成果（18世紀(jì)中葉）中國古代發(fā)明第六頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三6數(shù)學(xué)工具—線性微分方程和基于拉普拉斯變換的傳遞函數(shù)研究對象三大分析方法：研究對象和范圍有限—單輸入-單輸出的線性定常系統(tǒng)時域分析法、頻率特性分析法和根軌跡分析法—難于解決復(fù)雜問題，如時變，多變量等第七頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三72.2現(xiàn)代控制理論60年代始獲得長足發(fā)展，主要以分析和設(shè)計復(fù)雜控制系統(tǒng)為目標(biāo)?，F(xiàn)代控制理論的發(fā)展是計算機發(fā)展的衍生物?！獱顟B(tài)空間分析方法數(shù)學(xué)工具—線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)、定常系統(tǒng)與時變系統(tǒng)、多輸入-多輸出系統(tǒng)等研究對象第八頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三82.3先進控制與智能控制主要研究方向：人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)研究等預(yù)測控制模糊控制自適應(yīng)控制多學(xué)科的融匯、貫通第九頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三9階段Ⅰ形成時期30-50年代理論基礎(chǔ)經(jīng)典控制論分析方法時域、復(fù)域(1948)、頻域(1932)研究對象SISO(Single-input,Single-output)研究重點反饋控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)工具微分方程、拉氏變換等Ⅱ60-70年代現(xiàn)代控制論狀態(tài)空間時域MIMO(Multiple-inputMultiple-output)最優(yōu)控制自適應(yīng)控制等矩陣?yán)碚?線性代數(shù))Ⅲ70年代至今大系統(tǒng)理論智能控制時域\復(fù)域\頻域法，模糊集法多因素多層次復(fù)雜對象大系統(tǒng)復(fù)雜系統(tǒng)智能控制表1控制理論的發(fā)展第十頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三10§3開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)控制器受控對象控制量輸入量輸出量(a)開環(huán)控制系統(tǒng)控制量輸入量輸出量(b)閉環(huán)控制系統(tǒng)反饋元件﹢﹣控制器受控對象第十一頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三11開環(huán)控制系統(tǒng)特點：缺點：—最簡單的控制方式●系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、維護容易、成本低、不存在穩(wěn)定性問題●信號傳遞沒有形成閉合回路●輸出量不能對控制量產(chǎn)生影響。

●控制精度不高

●系統(tǒng)抗干擾能力差

●對元器件的要求比較高控制量輸入量輸出量(b)閉環(huán)控制系統(tǒng)反饋元件﹢﹣控制器受控對象控制器受控對象控制量輸入量輸出量(a)開環(huán)控制系統(tǒng)第十二頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三12閉環(huán)控制系統(tǒng)—反饋控制系統(tǒng)l

反饋通路負(fù)反饋與正反饋控制系統(tǒng)一般采用負(fù)反饋l

信號傳遞形成一個閉合回路輸入量與反饋量之差稱為偏差信號

控制量輸入量輸出量(b)閉環(huán)控制系統(tǒng)反饋元件﹢﹣控制器受控對象控制器受控對象控制量輸入量輸出量(a)開環(huán)控制系統(tǒng)第十三頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三13§4自動控制與自動控制系統(tǒng)4.1自動控制系統(tǒng)的組成及定義以自動化實驗室水槽液位控制系統(tǒng)為例：第十四頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三14調(diào)節(jié)系統(tǒng)方塊圖給定流量1液位1液位2微機式調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥水槽1水槽2變送器1﹣第十五頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三15自動控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)：設(shè)定值r﹣控制器執(zhí)行器被控對象測量、變送擾動f被控變量y反饋量

z自動控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)偏差e控制變量u第十六頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三161、控制系統(tǒng)的一些常用術(shù)語被控對象控制量設(shè)定值（給定值）設(shè)定值r﹣控制器執(zhí)行器被控對象測量、變送擾動f被控變量y反饋量z圖1—2自動控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)偏差e控制變量u是指被控制的裝置或者設(shè)備。希望系統(tǒng)輸出達(dá)到的數(shù)值，一般用符號r

表示。施加給被控對象的信號，使受控對象按照一定的規(guī)律運行，一般用符號u

表示。第十七頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三17被控變量控制系統(tǒng)的輸出，即被控的物理量，一般用符號y

表示。偏差信號擾動信號設(shè)定值r﹣控制器執(zhí)行器被控對象測量、變送擾動f被控變量y反饋量z圖1—2自動控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)偏差e控制變量u系統(tǒng)的設(shè)定值與反饋信號之差稱為偏差，用符號e表示。使對象輸出偏離設(shè)定值的輸入信號。一般用符號f表示。

第十八頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三182、控制系統(tǒng)的組成定值元件控制器執(zhí)行元件設(shè)定值r﹣控制器執(zhí)行器被控對象測量、變送擾動f被控變量y反饋量z圖1—2自動控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)偏差e控制變量u用來產(chǎn)生設(shè)定值或參考輸入。

或稱調(diào)節(jié)器。通過一定的控制規(guī)律給出控制量，送到執(zhí)行元件。完成功率轉(zhuǎn)換或信號轉(zhuǎn)換，常稱為執(zhí)行機構(gòu)或者執(zhí)行器。

第十九頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三19測量、變送元件又稱傳感器，用于檢測被控對象的輸出量，并變換成標(biāo)準(zhǔn)信號送到控制器。比較元件用以產(chǎn)生偏差信號2、控制系統(tǒng)的組成設(shè)定值r﹣控制器執(zhí)行器被控對象測量、變送擾動f被控變量y反饋量z圖1—2自動控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)偏差e控制變量u第二十頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三204.2自動控制系統(tǒng)的分類開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)1、定值控制系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)和程序控制根據(jù)給定信號形式的不同分類。恒值控制系統(tǒng)：系統(tǒng)的參考輸入為恒定值或者波動范圍很小，要求系統(tǒng)的輸出量也保持恒定。隨動控制系統(tǒng)（伺服控制系統(tǒng)）：參考輸入值不斷變化，變化規(guī)律未知?？刂颇康氖鞘沟孟到y(tǒng)的輸出量能夠準(zhǔn)確地跟蹤輸入值的變化。程序控制系統(tǒng)：設(shè)定值變化，是時間的已知函數(shù)，即按照事先規(guī)定的時間程序或規(guī)律變化。第二十一頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三212、線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)根據(jù)描述系統(tǒng)的方程形式分類。非線性的微分方程或代數(shù)方程描述的是非線性系統(tǒng)。如：等。本課程主要研究線性定常系統(tǒng)。第二十二頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三223、連續(xù)時間系統(tǒng)與離散時間系統(tǒng)根據(jù)傳輸信號的形式分類。連續(xù)時間系統(tǒng)：離散時間系統(tǒng)：系統(tǒng)的輸入與輸出信號均是連續(xù)時間函數(shù)u(t)與y(t)，系統(tǒng)的輸入與輸出信號均是離散時間量u(kT)與y(kT)。計算機控制系統(tǒng)是典型的離散控制系統(tǒng)。0tu(t)0tu(kt)2TTnT…圖1-5連續(xù)時間信號與離散時間信號第二十三頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三234、單輸入-單輸出系統(tǒng)與多輸入-多輸出系統(tǒng)從輸入與輸出信號的數(shù)量分類。單輸入-單輸出系統(tǒng)（SISO）多輸入-多輸出系統(tǒng)（MIMO）集中參數(shù)系統(tǒng)與分布參數(shù)系統(tǒng)uy(a)SISO系統(tǒng)系統(tǒng)……(b)MIMO系統(tǒng)系統(tǒng)確定性系統(tǒng)與隨機控制系統(tǒng)等第二十四頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三24本章主要介紹：自動控制的發(fā)展開環(huán)與閉環(huán)控制控制系統(tǒng)組成控制系統(tǒng)分類作業(yè)：A－1－2第二十五頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三25中國、古埃及和巴比倫人發(fā)明的自動計時裝置(公元前11世紀(jì))第二十六頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三26具有過程控制思想的提花織布機（明代）第二十七頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三27Jameswat發(fā)明的飛球調(diào)節(jié)器，控制蒸汽機的轉(zhuǎn)速（1769年）第二十八頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三28Polzunov發(fā)明的浮球調(diào)節(jié)器，用于水位控制（1765年）第二十九頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三29Gray設(shè)計的第一艘全自動蒸汽輪船“東方號”（1866年）第三十頁，共三十五頁，編輯于2023年