機(jī)械控制工程資料-第一章 控制系統(tǒng)導(dǎo)論

自動(dòng)控制原理AutomaticControlTheory胡壽松科學(xué)出版社2008年12月2003年國(guó)家精品課程教材1主講：賈存良教授電話(huà)-mail:jcumt@163.com辦公室：信電樓B22421.人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的三個(gè)時(shí)代人力時(shí)代

人類(lèi)主要依靠自身的肌體來(lái)完成能量變換和信息變換，但是人類(lèi)自身轉(zhuǎn)換的功率和范圍都極其有限，縱有九牛二虎之力，也不能晝夜不停地工作著，因此創(chuàng)造的財(cái)富有限，最高文明只達(dá)到封建社會(huì)。

機(jī)械化時(shí)代

當(dāng)蒸汽機(jī)、發(fā)電機(jī)出現(xiàn)之后，既使用九牛二虎也不夠形容一臺(tái)電動(dòng)機(jī)之巨大威力了，而且可以不間斷地保持著“精力充沛”的狀態(tài)工作。人類(lèi)的“力氣”不知被放大多少億倍！人類(lèi)的力臂不知不覺(jué)被延長(zhǎng)到幾千公里之外！物質(zhì)豐富了，一些農(nóng)民被改造成為工人，進(jìn)入資本主義社會(huì)。3自動(dòng)化時(shí)代在這個(gè)時(shí)代中，能量變換與信息變換都可由機(jī)器來(lái)完成，在人類(lèi)活動(dòng)所見(jiàn)的空間里，只要需要用“力”的地方，都可以給它配上一個(gè)小的腦袋－－單片機(jī)或微處理器之類(lèi)設(shè)備，代替人進(jìn)行某種判斷或操作。不僅工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化了，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、家務(wù)勞動(dòng)、交通運(yùn)輸、人居環(huán)境，．．．凡是已知的規(guī)律，都可以用自動(dòng)化技術(shù)來(lái)完成。自動(dòng)化的基本任務(wù)就是將信息技術(shù)應(yīng)用到傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)中去4

2．自動(dòng)控制原理課程性質(zhì)與地位

自動(dòng)控制原理（自動(dòng)控制理論

自動(dòng)調(diào)節(jié)原理

反饋控制理論，簡(jiǎn)稱(chēng)自控）是研究自動(dòng)控制系統(tǒng)的共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)。它是一門(mén)技術(shù)基礎(chǔ)理論課，主要研究自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成、分析和設(shè)計(jì)的理論。它是本專(zhuān)業(yè)的核心課程之一。

5答疑時(shí)間：周五晚7：30-9：30地點(diǎn)：信電樓B205一共64學(xué)時(shí)，講課54學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)10學(xué)時(shí)

每章學(xué)時(shí)安排：第一章

控制系統(tǒng)導(dǎo)論

4學(xué)時(shí)第二章

控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述8學(xué)時(shí)第三章

線(xiàn)性系統(tǒng)的時(shí)域分析法

12學(xué)時(shí)第四章

線(xiàn)性系統(tǒng)的根軌跡法

8學(xué)時(shí)第五章線(xiàn)性系統(tǒng)的頻域分析法

12學(xué)時(shí)第六章線(xiàn)性系統(tǒng)的校正方法8學(xué)時(shí)

總復(fù)習(xí)2學(xué)時(shí)3．課程學(xué)時(shí)安排6

4．成績(jī)?cè)u(píng)定出勤5％無(wú)故曠課3次以上者不允許參加考試。作業(yè)10％抄襲作業(yè)者視同沒(méi)交，作業(yè)缺一半以上者不允許參加考試

實(shí)驗(yàn)15％

缺一次扣3分考試70％

5．其他參考書(shū)目１.劉明俊

《自動(dòng)控制原理》國(guó)防科技大學(xué)出版社2.鄢景華《自動(dòng)控制原理》哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社3.吳

麒

《自動(dòng)控制原理》

清華大學(xué)出版社

7第一章

控制系統(tǒng)導(dǎo)論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(lèi)1-4自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求1-5控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)81.1自動(dòng)控制的基本原理◆

被控對(duì)象：控制系統(tǒng)要進(jìn)行控制的受控客體，如冰箱，空調(diào)，電機(jī)等?！?/p>

被控量：控制對(duì)象要實(shí)現(xiàn)的物理量，如冰箱的溫度；空調(diào)的溫度、風(fēng)向、風(fēng)速；電機(jī)的轉(zhuǎn)速應(yīng)用領(lǐng)域：冰箱、空調(diào)、洗衣機(jī)、電梯、汽車(chē)、電廠(chǎng)鍋爐、釀酒過(guò)程、航空航天等各種機(jī)器或生產(chǎn)過(guò)程控制以及軍事領(lǐng)域。自動(dòng)控制的定義：是指在沒(méi)有人直接參與的情況下，利用控制裝置（控制器），使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程（被控對(duì)象）的某一工作狀態(tài)或參數(shù)（被控量）自動(dòng)按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。1.自動(dòng)控制技術(shù)及其應(yīng)用

910112自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作原理

按對(duì)象方式運(yùn)動(dòng)控制（電機(jī)調(diào)速、機(jī)器人等）過(guò)程控制（被控對(duì)象為某種生產(chǎn)過(guò)程，如化工過(guò)程）系統(tǒng)：由一些對(duì)象相互作用，相互制約，組成一個(gè)具有一定運(yùn)動(dòng)規(guī)律的整體?？刂葡到y(tǒng)：由被控對(duì)象和控制器構(gòu)成的整體開(kāi)環(huán)控制按控制方式反饋控制（閉環(huán)控制）復(fù)合控制12開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)

Open-loopControlSystem◆定義：系統(tǒng)的控制輸入量不受輸出量影響的控制系統(tǒng)◆特點(diǎn)：系統(tǒng)的輸出量與輸入量間不存在反饋的通道，這種控制方式稱(chēng)為開(kāi)環(huán)控制在開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)中，不需要對(duì)輸出量進(jìn)行測(cè)量，也不需要將輸出量反饋到系統(tǒng)輸入端與輸入量進(jìn)行比較。因此，開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)又稱(chēng)無(wú)反饋控制系統(tǒng)?？刂破鲗?duì)象或過(guò)程輸入量輸出量開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)方塊圖（按輸入量控制方式）（被控量）13功率放大SM負(fù)載++++u0nua電動(dòng)機(jī)速度控制系統(tǒng)（開(kāi)環(huán)）14+-+ugudoMiuinR放大

器負(fù)載前饋控制(更復(fù)雜一點(diǎn)的開(kāi)環(huán)控制)按擾動(dòng)量控制的速度控制系統(tǒng)原理圖（注意：電流前饋，而系統(tǒng)輸出n并沒(méi)有反饋回來(lái)，故依然開(kāi)環(huán)）15

給定信號(hào)ug被控量擾動(dòng)inui

電壓

放大

電阻

R觸發(fā)器

晶闡管可控整流器

電動(dòng)

機(jī)按擾動(dòng)量控制的速度控制系統(tǒng)方框圖(參考輸入量)16閉環(huán)（反饋）控制系統(tǒng)

Closed-loopControlSystem閉環(huán)控制系統(tǒng)又稱(chēng)反饋控制系統(tǒng)，是應(yīng)用最廣泛的控制方式。負(fù)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(guò)程，稱(chēng)為負(fù)反饋。反饋控制——采用負(fù)反饋(正反饋較少使用)并利用偏差進(jìn)行控制的過(guò)程（利用偏差修正偏差）。由于引入了被反饋量的反饋信息，整個(gè)控制過(guò)程成為閉合的，因此反饋控制也稱(chēng)為閉環(huán)控制。17熱力系統(tǒng)的人工反饋控制

18熱力系統(tǒng)的自動(dòng)反饋控制

19電動(dòng)機(jī)速度控制系統(tǒng)+++++電壓放大u0nuaueut功率放大負(fù)載SMTG電動(dòng)機(jī)速度閉環(huán)控制系統(tǒng)20

反饋控制系統(tǒng)是一種能對(duì)輸出量與參考輸入量進(jìn)行比較，并力圖保持兩者之間的既定關(guān)系的系統(tǒng)，它利用輸出量與輸入量的偏差來(lái)進(jìn)行控制。應(yīng)當(dāng)指出，反饋控制系統(tǒng)不限于工程范疇，在各種非工程范疇內(nèi)，諸如社會(huì)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)和生物學(xué)中，也普遍存在著反饋控制系統(tǒng)。反饋控制系統(tǒng)是自動(dòng)控制原理的主要研究對(duì)象21閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖輸入量控制器被控對(duì)象測(cè)量元件輸出量反饋回路被控量干擾量電動(dòng)機(jī)期望轉(zhuǎn)速實(shí)際轉(zhuǎn)速加熱器實(shí)際溫度期望溫度22給定電壓熱電偶輸出電壓恒溫爐的溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)圖例題被控對(duì)象？被控量？23工作原理：當(dāng)爐內(nèi)實(shí)際溫度與給定裝置表征的希望溫度一致時(shí)，熱電偶輸出電壓與給定電壓相等，電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)，系統(tǒng)相對(duì)平衡。偏差電壓經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，將調(diào)壓器電刷向上移動(dòng)，使電阻絲兩端電壓增大，從而使?fàn)t溫升高，趨于希望值，直到達(dá)到新的平衡。

當(dāng)爐溫因擾動(dòng)出現(xiàn)偏差時(shí)（比如爐溫低于希望值），24閉環(huán)與開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的比較開(kāi)環(huán)控制：順向作用，沒(méi)有反向的聯(lián)系，對(duì)不可測(cè)擾動(dòng)及系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)變化導(dǎo)致的輸出量偏差不能自動(dòng)修正，抗擾動(dòng)性較差。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)整方便、成本低。在精度要求不高或擾動(dòng)影響較小的場(chǎng)合，這種控制方式還有一定的實(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(dòng)（負(fù)載變化）對(duì)被控制量產(chǎn)生的影響，對(duì)輸出出現(xiàn)的偏差有自動(dòng)修正能力，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，車(chē)床、洗衣機(jī)、小轎車(chē)）；系統(tǒng)設(shè)計(jì)、分析麻煩。

25復(fù)合控制系統(tǒng)

CompoundControlSystem定義：開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制相結(jié)合的一種控制方式。是構(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)合控制的兩種基本形式按輸入前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制按干擾前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制26圖1.3干擾補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制系統(tǒng)方塊圖輸入量控制器控制對(duì)象測(cè)量元件輸出量反饋回路被控量干擾量前饋補(bǔ)償按干擾前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制27圖1.4輸入補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制系統(tǒng)方塊圖輸入量控制器控制對(duì)象測(cè)量元件輸出量反饋回路被控量干擾量前饋補(bǔ)償按輸入前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制28用“○”號(hào)代表比較元件，“—”號(hào)代表兩者符號(hào)相反（負(fù)反饋）。信號(hào)沿箭頭方向從輸入端到達(dá)輸出端的傳輸通路稱(chēng)前向通路；系統(tǒng)輸出量經(jīng)測(cè)量裝置反饋到輸入端的傳輸通路稱(chēng)主反饋通路。前向通路與主反饋通路共同構(gòu)成主回路。此外，還有局部反饋通路以及由它構(gòu)成的內(nèi)回路。圖1.5閉環(huán)控系統(tǒng)基本組成串聯(lián)校正（補(bǔ)償）元件放大元件執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象反饋校正元件測(cè)量元件被控量——3反饋(閉環(huán))控制系統(tǒng)的基本組成輸入量比較元件給定元件29給定元件：產(chǎn)生給定值或輸入信號(hào)（量）（即參考量或期望值）測(cè)量元件：測(cè)量被控制的物理量（被控量），用于產(chǎn)生反饋信號(hào)各種傳感器：測(cè)速發(fā)電機(jī)、電位計(jì)、熱電偶等。比較元件：把測(cè)量元件檢測(cè)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(dòng)放大器、自整角機(jī)。串聯(lián)校正（補(bǔ)償）元件放大元件執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象反饋校正元件測(cè)量元件被控量——輸入量比較元件給定元件30放大元件：將比較元件給出的偏差進(jìn)行放大，用來(lái)推動(dòng)執(zhí)行元件去控制被控對(duì)象，如放大器、晶閘管。執(zhí)行機(jī)構(gòu)：直接推動(dòng)被控對(duì)象，使其被控量發(fā)生變化。如步進(jìn)電機(jī)，繼電器開(kāi)關(guān)。補(bǔ)償（校正）元件：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。串聯(lián)補(bǔ)償元件放大元件執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象反饋補(bǔ)償元件測(cè)量元件被控量——輸入量比較元件給定元件314自動(dòng)控制理論的發(fā)展簡(jiǎn)史人類(lèi)對(duì)控制系統(tǒng)的基本原理（反饋）早有認(rèn)識(shí)，并利用它創(chuàng)造了許多裝置。如2000年前，羅馬人：水位控制系統(tǒng)（淋?。駨R（開(kāi)關(guān)門(mén)）英雄裝置。中國(guó)能工巧匠（技師、工程師、科學(xué)家）：張衡的地震方向測(cè)定儀，蘇頌的水運(yùn)儀象臺(tái)。1932年，Nyquist提出了一種根據(jù)系統(tǒng)的開(kāi)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。1868年，英國(guó)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(wèn)題。1877年勞斯，1892年李雅普諾夫（《論運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的一般問(wèn)題》），1895年赫爾維茨1787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(dòng)控制領(lǐng)域的第一項(xiàng)重大成果。32從1980－現(xiàn)在，智能控制理論。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(guó)數(shù)學(xué)家N.Wiener出版《Cybernetics》是控制科學(xué)的里程碑?！犊刂普摗返母睒?biāo)題是關(guān)于人、動(dòng)物及其通訊的科學(xué)。19世紀(jì)50年代末，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)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。33古典（經(jīng)典）控制理論自動(dòng)控制原理（理論）（1787——1960）以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)研究單輸入－單輸出定?？刂葡到y(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問(wèn)題。這些理論由于其發(fā)展較早，現(xiàn)已臻成熟。智能控制理論（1980——）以人工智能為基礎(chǔ)，研究復(fù)雜對(duì)象（車(chē)間、工廠(chǎng)、集團(tuán)）、復(fù)雜任務(wù)、復(fù)雜環(huán)境（3C控制問(wèn)題）。

管理和控制一體化:計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，復(fù)雜控制系統(tǒng)現(xiàn)代（近代）控制理論（1960——1980）以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究多輸入－多輸出控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問(wèn)題。系統(tǒng)具有高精度和高效能的特點(diǎn)。最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制計(jì)算機(jī)控制、系統(tǒng)辨識(shí)34

1.液位控制系統(tǒng)圖1.6（a）是一個(gè)液位控制系統(tǒng)原理圖。在這里，自動(dòng)控制器通過(guò)比較實(shí)際液位與希望液位，并通過(guò)調(diào)整閥門(mén)的開(kāi)度，對(duì)誤差進(jìn)行修正，從而保持液位不變。圖1.6（b）是該控制系統(tǒng)的方塊圖。1-2自動(dòng)控制系統(tǒng)示例35圖1.6（a）液位控制系統(tǒng)自動(dòng)控制器通過(guò)比較實(shí)際液位與希望液位，并通過(guò)調(diào)整閥門(mén)的開(kāi)度，對(duì)誤差進(jìn)行修正，從而保持液位不變。36Q1Q2H37控制器：比較、放大的作用浮子：液面高度的反饋元件氣動(dòng)閥門(mén)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象：水箱被控量：液位Q2為擾動(dòng)量圖1.6（b）液位控制系統(tǒng)Q1Q2H38希望液位實(shí)際液肌肉、手閥