第一章自動控制原理

第一章自動控制原理1第1頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月胡壽松《自動控制原理》科學(xué)出版社胡壽松《自動控制原理習(xí)題集》科學(xué)出版社王建輝《自動控制原理》清華大學(xué)出版社吳麒《自動控制原理》清華大學(xué)出版社梅曉榕《自動控制原理》科學(xué)出版社梅曉榕《自動控制原理學(xué)習(xí)與考研指導(dǎo)》科學(xué)出版社參考書第2頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月控制理論發(fā)展史古典控制理論時(shí)期--20世紀(jì)40年代一60年代主要采用傳遞函數(shù)、頻率特性、根軌跡等頻域分析方法來解決單輸入單輸出系統(tǒng)的控制問題。包括伯德提出的伯德圖法，伊文思的根軌跡法。

1948年維納的著作《控制論》和錢學(xué)森的《工程控制論》是這一階段的代表作第3頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月

現(xiàn)代控制理論時(shí)期--20世紀(jì)60年代-70年代

，主要采用狀態(tài)空間法解決多輸人多輸出的線性、非線性，定常、時(shí)變系統(tǒng)。其代表性成果包括龐特里亞金的極大值原理、貝爾曼的動態(tài)規(guī)劃、卡爾曼和布西提出的卡爾曼濾波器?？刂评碚摪l(fā)展史第4頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月控制理論發(fā)展史智能控制理論--20世紀(jì)80年代以來，控制理論在廣度上向“大系統(tǒng)理論”開拓，深度上向“智能控制’’方向挖掘，以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制為代表的智能控制理論是現(xiàn)代控制理論的研究熱點(diǎn)

第5頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月自動控制理論的發(fā)展史上的著名事件人類對控制系統(tǒng)的基本原理（反饋）早有認(rèn)識，并利用它創(chuàng)造許多裝置。如2000年前，羅馬人：水位控制系統(tǒng)（淋?。駨R（開關(guān)門）英雄裝置。中國能工巧匠（技師、工程師、科學(xué)家）：蘇頌的水運(yùn)儀象臺，張衡的地震方向測定儀。1786年，JamesWatt

為控制蒸汽機(jī)速度設(shè)計(jì)的離心調(diào)節(jié)器，是自動控制領(lǐng)域的第一項(xiàng)重大成果。第6頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月瓦特第7頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月瓦特的蒸汽機(jī)第8頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月離心調(diào)速器工作原理第9頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月工作原理：進(jìn)入蒸汽缸中的蒸汽量，可根據(jù)蒸汽機(jī)的希望轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值自動地進(jìn)行調(diào)整。它的工作原理是：根據(jù)希望的轉(zhuǎn)速，設(shè)置輸入量(控制量)。如果實(shí)際轉(zhuǎn)速降低到希望的轉(zhuǎn)速值以下，則調(diào)速器的離心力下降，從而使控制閥上升，進(jìn)入蒸汽機(jī)的蒸汽量增加，于是蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速隨之增加，直至上升到希望的轉(zhuǎn)速值時(shí)為止。反之，若蒸汽機(jī)的轉(zhuǎn)速增加到超過希望的轉(zhuǎn)速值，調(diào)速器的離心力便會增加，造成控制閥向下移動。這樣就減少了進(jìn)入蒸汽機(jī)的蒸汽量，蒸汽機(jī)的轉(zhuǎn)速也就隨之下降，直到下降至希望的轉(zhuǎn)速時(shí)為止。第10頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月1868年，英國J.C麥克斯韋首先解釋了瓦特速度控制系統(tǒng)中出現(xiàn)的不穩(wěn)定問題。1877年勞斯，1892年李雅普諾夫分別獨(dú)立地得出了勞斯判據(jù)和李雅普諾夫穩(wěn)定判據(jù)。1922年，Minorsky研制出船舶操縱自動控制器，并證明了從系統(tǒng)的微分方程確定系統(tǒng)的穩(wěn)定性的方法。1932年，Nyquist提出了一種根據(jù)系統(tǒng)的開環(huán)頻率響應(yīng)(對穩(wěn)態(tài)正弦輸入)，確定閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法。第11頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月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。1948年,美國數(shù)學(xué)家N.Wiener出版《Cybernetics》是一個控制科學(xué)里程碑?！犊刂普摗返母睒?biāo)題是關(guān)于人、動物及其通訊的科學(xué)。第12頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月19世紀(jì)50年代末，控制計(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)。19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1960－1980，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－現(xiàn)在，智能控制理論集中于3C（Computer計(jì)算機(jī)、Control控制、Communication通信）控制系統(tǒng)及其相關(guān)課題。第13頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月第一章控制系統(tǒng)導(dǎo)論1-1自動控制的基本原理1-2自動控制系統(tǒng)示例1-3自動控制系統(tǒng)的分類1-4對自動控制系統(tǒng)的基本要求第14頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月1-1自動控制的基本原理自動控制技術(shù)及其應(yīng)用自動控制的基本概念自動控制系統(tǒng)的基本控制方式反饋控制系統(tǒng)的原理及結(jié)構(gòu)第15頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月

自動控制

是指在無人直接參加的情況下，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（稱被控對象）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（稱被控量）自動地按照預(yù)定規(guī)律運(yùn)行。第一章控制系統(tǒng)導(dǎo)論1.自動控制技術(shù)及其應(yīng)用第16頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月自動控制：在無人直接參加的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（控制器）使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（被控對象）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（被控量）自動地按預(yù)定規(guī)律運(yùn)行。被控對象：控制系統(tǒng)要進(jìn)行控制的受控客體被控量：控制對象要實(shí)現(xiàn)的量2.自動控制的基本概念第17頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月自動控制理論：研究自動控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)。自動控制系統(tǒng)：是由控制裝置和被控對象所組成，它們按照一定的方式連接起來，組成一個有機(jī)總體。2.自動控制的基本概念第18頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月(-)utug擾動

給定裝置

放大器

電動機(jī)

轉(zhuǎn)速反饋裝置

觸發(fā)器

晶闡管可控整流器控制裝置受控對象n(b)方框圖ueudoRP1ugR0R0R1-utRP2-+-++TGMudouc(a)原理圖+第19頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月

反饋控制——采用負(fù)反饋(正反饋較少)并利用偏差進(jìn)行控制的過程。由于引入了被反饋量的反饋信息，整個控制過程成為閉合的，因此反饋控制也稱為閉環(huán)控制

。3.反饋控制系統(tǒng)的組成第20頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1.5閉環(huán)控系統(tǒng)基本組成框圖被控量——

反饋控制系統(tǒng)的基本組成串連校正裝置放大裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對象反饋校正裝置測量裝置給定裝置第21頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月給定裝置：產(chǎn)生給定值或輸入信號（量）（即參考量或期望值）測量裝置：測量被控制的物理量（被控量），用于產(chǎn)生反饋信號。各種傳感器：測速發(fā)電機(jī)、電位計(jì)、熱電偶等。比較裝置：把測量元件檢測的實(shí)際值（被控量）與給定元件給出的參考量進(jìn)行比較，求出它們之間的偏差。如差動放大器、自整角機(jī)。反饋控制系統(tǒng)的基本組成第22頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月放大裝置：將比較元件給出的偏差進(jìn)行放大，用來推動執(zhí)行元件。去控制被控對象，如放大器、晶閘管。執(zhí)行機(jī)構(gòu)：直接推動被控對象，使其被控量發(fā)生變化。如步進(jìn)電機(jī)，繼電器開關(guān)。補(bǔ)償裝置：它是結(jié)構(gòu)或參數(shù)便于調(diào)整的元件或機(jī)構(gòu)，用串聯(lián)或反饋的方式連接在系統(tǒng)中，以改善控制系統(tǒng)性能。工業(yè)應(yīng)用的控制系統(tǒng)：電動、汽（氣）動、液動。反饋控制系統(tǒng)的基本組成第23頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月輸出量

環(huán)節(jié)名稱(或特性)輸入量(a)

(-)(b)re=r-b

b(c)c引出點(diǎn)cc閉環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖

方框圖的組成：被控量偏差信號

(-)

參考輸入信號r(t)

調(diào)節(jié)器(或控制器)u(t)受控系統(tǒng)e(t)c(t)反饋信號

控制量

擾動

給定

控制環(huán)節(jié)

放大

元件

執(zhí)行

機(jī)構(gòu)

受控

對象

反饋裝置

(測量元件)第24頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月用“○”號代表比較裝置，“—”號代表兩者符號相反。前向通路：信號沿箭頭方向從輸入端到達(dá)輸出端的傳輸通路稱；主反饋通路：系統(tǒng)輸出量經(jīng)測量裝置反饋到輸入端的傳輸通路稱。前向通路與主反饋通路共同構(gòu)成主回路。局部反饋通路以及由它構(gòu)成的內(nèi)回路。

反饋控制系統(tǒng)的基本組成第25頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月4.自動控制系統(tǒng)的控制方式開環(huán)控制方式：開環(huán)控制是指控制器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。分為按給定控制的開環(huán)控制系統(tǒng)和按擾動控制的開環(huán)控制系統(tǒng)主要控制方式有：開環(huán)控制、反饋控制和復(fù)合控制第26頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月控制器被控制對象給定值輸出量按給定值控制的原理方框圖按給定控制的開環(huán)控制系統(tǒng)第27頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月功率放大SM負(fù)載++++u0nua電動機(jī)速度控制系統(tǒng)電動機(jī)速度開環(huán)控制系統(tǒng)(補(bǔ)充)第28頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月信號由給定值至輸出量單向傳遞。一定的給定值對應(yīng)一定的輸出量。系統(tǒng)的控制精度取決于系統(tǒng)事先的調(diào)整精度。對于工作過程中受到的擾動或特性參數(shù)的變化無法自動補(bǔ)償。。

控制形式：第29頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月輸出不影響輸入，對輸出不需要測量，容易實(shí)現(xiàn)；對構(gòu)成系統(tǒng)的元部件精度要求高，只有元部件精度高，系統(tǒng)的精度才能高；系統(tǒng)的穩(wěn)定性不是主要問題結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，多用于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)穩(wěn)定和擾動信號較弱的場合主要特點(diǎn)：第30頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月擾動輸出量控制器被控制對象測量裝置按擾動補(bǔ)償?shù)脑矸娇驁D按擾動控制的開環(huán)控制方式：第31頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月按擾動控制的速度控制系統(tǒng)(P6)負(fù)載功率放大放大電壓SM+++++u0nuaucubR第32頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月

控制形式：利用對擾動信號的測量產(chǎn)生控制作用，以補(bǔ)償擾動對輸出量的影響。由于擾動信號經(jīng)測量裝置，控制器至被控對象的輸出量是單向傳遞的，故屬于開環(huán)控制方式。系統(tǒng)自身無法控制。特點(diǎn)：對于不可測擾動以及被控對象及各功能部件內(nèi)部參數(shù)變化給輸出量造成的影響不能控制，控制精度較低應(yīng)用：常用于工作機(jī)械的恒速控制（如穩(wěn)定刀具轉(zhuǎn)速）以及電源系統(tǒng)的穩(wěn)壓，穩(wěn)頻控制。第33頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月反饋控制方式：反饋：取出輸出量送回輸入端并與輸入信號相比較產(chǎn)生偏差信號的過程負(fù)反饋控制原理：利用反饋產(chǎn)生偏差，并利用偏差進(jìn)行控制直至最后消除偏差分類：正反饋和負(fù)反饋第34頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月輸入量輸出量反饋控制典型方框圖控制器被控制對象擾動反饋控制方式：測量裝置第35頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月特點(diǎn)：按偏差進(jìn)行控制，輸出影響輸入，所以能削弱或抑制干擾；低精度元件可組成高精度系統(tǒng)；因?yàn)榭赡馨l(fā)生超調(diào)，振蕩，所以穩(wěn)定性很重要第36頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月閉環(huán)與開環(huán)控制系統(tǒng)的比較

開環(huán)控制：順向作用，沒有反向的聯(lián)系，沒有修正偏差能力，抗擾動性較差。結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便、成本低。在精度要求不高或擾動影響較小的場合，這種控制方式有一定的實(shí)用價(jià)值（步進(jìn)電機(jī)，水泵，風(fēng)扇）。

閉環(huán)控制：為偏差控制，可以抑制內(nèi)（系統(tǒng)參數(shù)變化）、外擾動（負(fù)載變化）對被控制量產(chǎn)生的影響，因此，控制精度高。但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高（價(jià)格成倍增加）；系統(tǒng)設(shè)計(jì)、分析麻煩。

第37頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月控制方式：按偏差控制和按擾動控制相結(jié)合的一種控制方式優(yōu)點(diǎn)：構(gòu)成高精度控制系統(tǒng)的一種有效控制方式，使控制系統(tǒng)具有良好的控制性能。復(fù)合控制方式：分類：按輸入前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制按干擾前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制第38頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1.4輸入補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制系統(tǒng)框圖輸入量控制器控制對象測量元件輸出量反饋回路被控量干擾量前饋補(bǔ)償按輸入順饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制方式：第39頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1.3干擾補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制系統(tǒng)框圖輸入量控制器控制對象測量元件輸出量反饋回路被控量干擾量前饋補(bǔ)償按擾動前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制方式第40頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月電動機(jī)速度復(fù)合控制系統(tǒng)(P7)+++++電壓放大+u0nuaueutR電壓放大功率放大負(fù)載SMTG第41頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月按擾動前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制方式實(shí)例--電動機(jī)控制電壓放大器電動機(jī)擾動Mc功率放大器電壓放大器電阻R測速發(fā)電機(jī)輸入量輸出量第42頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月函數(shù)記錄儀原理示意圖(P8)RQRWΔuLtur變換器放大器繩輪電機(jī)測速機(jī)減速器1.2自動控制系統(tǒng)示例第43頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月函數(shù)記錄儀方塊圖(P8)第44頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2自動控制系統(tǒng)示例

飛機(jī)——自動駕駛儀系統(tǒng)第45頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月給定裝置放大器舵機(jī)飛機(jī)

反饋電位器

垂直陀螺儀θ0θ擾動俯仰角控制系統(tǒng)方塊圖飛機(jī)方塊圖第46頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月電阻爐微型計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)第47頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月鍋爐液位控制系統(tǒng)第48頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月液位控制系統(tǒng)(P19)控制器減速器電動機(jī)電位器浮子用水開關(guān)Q2Q1cifSM第49頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月倉庫大門終點(diǎn)開閉控制系統(tǒng)(P19)第50頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月發(fā)電機(jī)自動調(diào)壓系統(tǒng)(P20)SMGK負(fù)載uf+G負(fù)載K++Δ110V110VΔU第51頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3自動控制系統(tǒng)的分類按控制方式分類開環(huán)控制、閉環(huán)控制、復(fù)合控制按系統(tǒng)性能分類線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)定常系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)第52頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月按系統(tǒng)的功能分類溫度控制系統(tǒng)、位置控制系統(tǒng)壓力控制系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)第53頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.1線性連續(xù)系統(tǒng)式中c(t)--系統(tǒng)輸出量r(t)--是系統(tǒng)輸入量，系數(shù)是常數(shù)時(shí)，稱為定常系統(tǒng)；系數(shù)隨時(shí)間變化時(shí)，稱為時(shí)變系統(tǒng)。第54頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月恒值控制系統(tǒng)：也稱調(diào)節(jié)器。輸出量以一定的精度等于給定值，而給定值一般不變化或變化很緩慢，擾動可隨時(shí)變化的系統(tǒng)稱為恒值系統(tǒng)，隨動系統(tǒng)：這類系統(tǒng)的特點(diǎn)是系統(tǒng)的給定值變化規(guī)律完全取決于事先不能確定的時(shí)間函數(shù)。輸出量能以一定精度跟隨給定值變化，又稱為跟蹤系統(tǒng)。程序控制系統(tǒng)：自動控制系統(tǒng)的參據(jù)量是按預(yù)定規(guī)律隨時(shí)間變化的函數(shù)，被控制量要迅速、準(zhǔn)確地加以復(fù)現(xiàn)。按輸入輸出分類第55頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.2線性定常離散控制系統(tǒng)

系統(tǒng)中只要有一個傳遞的信號是時(shí)間上斷續(xù)的信號，則稱為離散