閉環(huán)控制系統(tǒng)課件

第一章自動控制的一般概念第一章自動控制的一般概念1第一章自動控制的一般概念第一章自動控制的一般概念1本章主要內(nèi)容

自動控制理論發(fā)展概況；古典控制理論的基本內(nèi)容；自動控制與自動控制系統(tǒng)的基本概念及對控制系統(tǒng)的基本要求。重點內(nèi)容自動控制與自動控制系統(tǒng)的基本概念對控制系統(tǒng)的基本要求本章主要內(nèi)容自動控制理論發(fā)展概況；古典控制理2本章主要內(nèi)容自動控制理論發(fā)展概況；古典控制理第一節(jié)引言一、自動控制在國民經(jīng)濟中的作用：2、鐵路上1、生活中，洗衣機、電冰箱、電飯煲。高速列車、磁懸浮列車第一節(jié)引言一、自動控制3第一節(jié)引言一、自動控制日本新干線100系（1985）日本新干線100系（1985）4日本新干線100系（1985）日本新干線100系（1985）日本新干線300系（1992）日本新干線300系（1992）5日本新干線300系（1992）日本新干線300系（1992）日本新干線700系（1999）日本新干線700系（1999）6日本新干線700系（1999）日本新干線700系（1999）國產(chǎn)“中華之星”國產(chǎn)“中華之星”7國產(chǎn)“中華之星”國產(chǎn)“中華之星”7法國TGV高速列車普通輪軌列車最大時速為350-400公里法國TGV高速列車普通輪軌列車最大時速為350-400公里8法國TGV高速列車普通輪軌列車最大時速為350-400公里法中科院院士嚴陸光—高速磁懸浮技術倡導者。中國鐵道科學研究院、西南交大、國防科大、中科院電工所等單位對常導低速磁懸浮列車的懸浮、導向、推進等關鍵技術做了基礎性研究。中科院院士嚴陸光—高速磁懸浮技術倡導者。中國鐵道科學研究院、9中科院院士嚴陸光—高速磁懸浮技術倡導者。中國鐵道科學研究院、上海磁浮列車全長30公里，將上海市區(qū)與東海之濱的浦東國際機場連接起來，單向運行時間約8分鐘，平均運行速度達到每秒60－70米。列車大部分時間時速為300多公里，達到最高設計時速430公里的時間有20多秒。上海磁浮列車全長30公里，將上海市區(qū)與東海之濱的浦東國際機場10上海磁浮列車全長30公里，將上海市區(qū)與東海之濱的浦東國際機場日本磁懸浮列車超導線圈與U型列車行駛導槽中設置的推力、上浮、導向線圈一起使列車獲得上浮、推進、導向力。日本使用的超導物質(zhì)是將超細鈮鈦合金多芯線埋入銅母線內(nèi)制成的超導電線，當此種超導電線浸入液氦(－269℃)中時進入超導狀態(tài)產(chǎn)生強大磁場。日本磁懸浮列車超導線圈與U型列車行駛導槽中設置的推力、上浮、11日本磁懸浮列車超導線圈與U型列車行駛導槽中設置的推力、上浮、3、軍事上航空:（F-15）戰(zhàn)斗機3、軍事上航空:（F-15）戰(zhàn)斗機123、軍事上航空:（F-15）戰(zhàn)斗機3、軍事上航空:（F-15航天：APOLLO宇宙飛船航天：APOLLO宇宙飛船13航天：APOLLO宇宙飛船航天：APOLLO宇宙飛船13海上：核潛艇海上：核潛艇14海上：核潛艇海上：核潛艇14“庫爾斯克”號核潛艇“庫爾斯克”號核潛艇15“庫爾斯克”號核潛艇“庫爾斯克”號核潛艇154、工業(yè)上二、自動控制理論發(fā)展概要2、現(xiàn)代控制論：研究SISO線性定常時不變系統(tǒng)，其數(shù)學基礎為傳遞函數(shù)。1、古典控制論：以狀態(tài)空間法為基礎研究多輸入-多輸出、變參數(shù)、非線性系統(tǒng)。其數(shù)學基礎是線性代數(shù)。4、工業(yè)上二、自動控制理論發(fā)展概要2、現(xiàn)代控制論：研究SIS164、工業(yè)上二、自動控制理論發(fā)展概要2、現(xiàn)代控制論：研究SIS1788年，英國Wate利用反饋原理發(fā)明蒸汽機用的離心調(diào)速機?！?875年，1895年，英國Routh和德國Hurwitz先后提出判別系統(tǒng)穩(wěn)定性的代數(shù)方法。1892年，俄國李雅普諾夫在《論運動穩(wěn)定性的一般問題》中建立了動力學系統(tǒng)的一般穩(wěn)定性理論。1932年，Nyquist提出了根據(jù)頻率響應判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性的準則。古典控制論1788年，英國Wate利用反饋原理發(fā)明蒸汽機用的離心調(diào)速機171788年，英國Wate利用反饋原理發(fā)明蒸汽機用的離心調(diào)速機Wate飛輪調(diào)節(jié)器汽閥Wate飛輪調(diào)節(jié)器汽閥18Wate飛輪調(diào)節(jié)器汽閥Wate飛輪調(diào)節(jié)器汽閥181945年，美國Bode在《網(wǎng)絡分析和反饋放大器設計》中提出頻率響應分析法－Bode圖。1948年，Evans提出了根軌跡法，這時美國Wiener在《控制論－關于在動物和機器中控制和通信的科學》中系統(tǒng)地論述了控制理論的一般原理和方法。－－－標志控制學科的誕生控制論：研究動物（包括人類）和機器內(nèi)部控制和通信的一般規(guī)律的學科。1954年，錢學森的《工程控制論》在美國出版。－－－奠定了工程控制論的基礎1945年，美國Bode在《網(wǎng)絡分析和反饋放大器設計》中提出191945年，美國Bode在《網(wǎng)絡分析和反饋放大器設計》中提出

1960——1970現(xiàn)代控制理論機組自動化1958年，R.E.Kalman采用狀態(tài)空間法分析系統(tǒng)，提出能控性、能觀性、Kalman濾波概念1961年，龐特里亞金證明了最優(yōu)控制中的極大值原理。1970——1980大系統(tǒng)理論控制管理綜合1980——1990智能控制理論智能自動化1990——21c集成控制理論網(wǎng)絡控制自動化現(xiàn)代控制理論1960——1970現(xiàn)代控制理論機組201960——1970現(xiàn)代控制理論機組引例：水箱水位自動控制系統(tǒng)圖1

水箱水位自動控制系統(tǒng)示意圖氣動閥門流入量控制器浮子流出量引例：水箱水位自動控制系統(tǒng)圖1水箱水位自動控制系統(tǒng)21引例：水箱水位自動控制系統(tǒng)圖1水箱水位自動控制系統(tǒng)第二節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)的基本概念控制器和被控對象的總和，稱為控制系統(tǒng)1、自動控制：應用控制裝置自動地、有目的地控制或操縱機器設備或過程，使之具有一定的狀態(tài)和性能。被控制的機器設備或物體、生產(chǎn)過程，稱為被控制對象；所用的控制裝置，常稱為控制器2、控制系統(tǒng)：第二節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)的基本概念控制器和被控對22第二節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)的基本概念控制器和被控對系統(tǒng)的輸出就是被控制的量，它表征對象或過程的狀態(tài)和性能。3、輸入量（參考輸入、控制輸入、給定輸入）：是作用于系統(tǒng)的激發(fā)信號，其中使系統(tǒng)具有預定性能或預定輸出的，稱為控制輸入、指令輸入或參考輸入。4、擾動量：干擾或破壞系統(tǒng)具有預定性或預定輸出的，稱為擾動輸入。5、被控制量（輸出量）系統(tǒng)的輸出就是被控制的量，它表征對象或過程的狀態(tài)和性23系統(tǒng)的輸出就是被控制的量，它表征對象或過程的狀態(tài)和性9、負反饋控制系統(tǒng)的示意圖6、反饋量：與輸出成正比或某種函數(shù)關系，但量綱與參考輸入相同的信號。7、偏差量：等于參考輸入與主反饋量之差的信號。8、比較元件：相當于一個偏差器，其輸出信號等于各輸入信號的代數(shù)和。9、負反饋控制系統(tǒng)的示意圖6、反饋量：與輸出成正比或249、負反饋控制系統(tǒng)的示意圖6、反饋量：與輸出成正比或控制環(huán)節(jié)擾動量輸入量被控對象輸出量反饋環(huán)節(jié)反饋量_+圖2控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖偏差量控制環(huán)節(jié)擾動量輸入量被控對象輸出量反饋環(huán)節(jié)反饋量_+圖225控制環(huán)節(jié)擾動量輸入量被控對象輸出量反饋環(huán)節(jié)反饋量_+圖2輸入量控制器水箱浮子流出量流入量反饋量_+圖4

水箱水位自動控制系統(tǒng)示意圖輸入量控制器水箱浮子流出量反饋量_+圖426輸入量控制器水箱浮子流出量反饋量_+圖4

自動控制系統(tǒng)的基本方式即系統(tǒng)的輸出量對控制量沒有影響。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示：被控制量控制器對象或過程控制量圖5開環(huán)控制系統(tǒng)1、舉例：電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)一、開環(huán)控制：自動控制系統(tǒng)的基本方式即系統(tǒng)的輸出量對控制量沒27自動控制系統(tǒng)的基本方式即系統(tǒng)的輸出量對控制量沒閉環(huán)控制系統(tǒng)課件28閉環(huán)控制系統(tǒng)課件28電動機轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng)SMn電壓功率放大器人工閉環(huán)控制系統(tǒng)電動機轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng)SMn電人工閉環(huán)控制系統(tǒng)29電動機轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng)SMn電人工閉環(huán)控制系統(tǒng)電動機轉(zhuǎn)速開環(huán)缺點：抗干擾能力差，無法消除輸出量產(chǎn)生的偏差。3、電機轉(zhuǎn)速開環(huán)速度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖：電機轉(zhuǎn)速開環(huán)速度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖電壓和功率放大器直流電動機輸入量輸出量擾動量2、開環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)、缺點：優(yōu)點：組成簡單、易實現(xiàn)；工作穩(wěn)定。缺點：抗干擾能力差，無法消除輸出量產(chǎn)生的偏差。3、電機轉(zhuǎn)速開30缺點：抗干擾能力差，無法消除輸出量產(chǎn)生的偏差。3、電機轉(zhuǎn)速開在控制器和被控對象之間不僅存在著正向作用，而且存在著負反饋的作用來減小系統(tǒng)的誤差，因此又稱為負反饋控制?？刂骗h(huán)節(jié)被控對象反饋環(huán)節(jié)擾動量輸入量反饋量輸出量_+二、閉環(huán)控制系統(tǒng)：在控制器和被控對象之間不僅存在著正向作用，而且存在著負反饋的31在控制器和被控對象之間不僅存在著正向作用，而且存在著負反饋的（3）加快系統(tǒng)的過渡過程1、舉例：電樞控制的直流電動機閉環(huán)控制系統(tǒng)2、優(yōu)點：（1）可有效地抑制擾動對系統(tǒng)的影響（2）可提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度（4）自動化投資少（3）加快系統(tǒng)的過渡過程1、舉例：電樞控制的直流電動機閉環(huán)控32（3）加快系統(tǒng)的過渡過程1、舉例：電樞控制的直流電動機閉環(huán)控SMn電壓功率放大器TG電機轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)SMn電TG電機轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)33SMn電TG電機轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)SMn電TG直流電動機閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖+測速發(fā)電機輸入量_輸出量直流電動機擾動量電壓、功率放大器直流電動機閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖+測速發(fā)電機輸34直流電動機閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖+測速發(fā)電機輸可能引起超調(diào)，造成系統(tǒng)振蕩，甚至使得系統(tǒng)不穩(wěn)定。3、特點：（1）有前向及反饋支路（2）有檢測環(huán)節(jié)（3）靠偏差信號進行工作，閉環(huán)系統(tǒng)是有源的4、缺點：可能引起超調(diào)，造成系統(tǒng)振蕩，甚至使得系統(tǒng)不穩(wěn)定。3、特點：（35可能引起超調(diào)，造成系統(tǒng)振蕩，甚至使得系統(tǒng)不穩(wěn)定。3、特點：（開環(huán)控制和閉環(huán)控制相結(jié)合的控制方式。分為按輸入信號補償和按擾動信號補償兩種方式?？刂破鞅豢貙ο笱a償裝置輸入量輸出量按輸入作用補償三、復合控制系統(tǒng)開環(huán)控制和閉環(huán)控制相結(jié)合的控制方式。分為按輸入信號補償和按擾36開環(huán)控制和閉環(huán)控制相結(jié)合的控制方式。分為按輸入信號補償和按擾按擾動作用補償控制裝置被控對象補償裝置輸入量輸出量擾動量按擾動作用補償控制被控補償輸入量輸出量擾動量37按擾動作用補償控制被控補償輸入量輸出量擾動量按擾動作用補原理圖如圖所示，主要裝置：自整角機，前置放大，相敏檢波，校正裝置，直流放大，功率放大，電動機，減速器，火炮第三節(jié)控制系統(tǒng)的分類一、隨動系統(tǒng)：在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，如果控制信號為一任意時間函數(shù)，其變化規(guī)律無法預先予以確定，則承受這類控制信號的閉環(huán)控制系統(tǒng)叫做隨動系統(tǒng)，又叫做跟蹤系統(tǒng)。例1.4-1火炮隨動系統(tǒng)任務：控制火炮跟蹤敵機，以便適時開炮擊中目標按參考輸入的類型來分：原理圖如圖所示，主要裝置：自整角機，前置放大，相敏檢波，校正38原理圖如圖所示，主要裝置：自整角機，前置放大，相敏檢波，校正火炮隨動系統(tǒng)原理圖

前置放大

相敏檢波

校正裝置

直流放大

功率放大SMu直流激磁發(fā)送機接收機火炮隨動系統(tǒng)原理圖前置放大相敏檢波校正裝置直流39火炮隨動系統(tǒng)原理圖前置放大相敏檢波校正裝置直流工作原理：工作原理：40工作原理：工作原理：40前置放大相敏檢波校正裝置直流放大功率放大執(zhí)行電機減速器+u火炮隨動系統(tǒng)方塊圖

運動目標的自動跟蹤；瞄準和攔截系統(tǒng)；自動儀量儀器系統(tǒng)；仿形控制系統(tǒng)等。1、隨動系統(tǒng)的特點：跟隨給定值。2、應用：前置放大相敏檢波校正裝置直流放大功率放大執(zhí)行電41前置放大相敏檢波校正裝置直流放大功率放大執(zhí)行電工作原理：二、恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)：如果反饋控制系統(tǒng)的控制信號為恒定的常量，則稱這類反饋控制系統(tǒng)為恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)。1、特點：(1)主要矛盾：擾動；（2）發(fā)生擾動，盡快恢復原值2、應用：電壓、電流、轉(zhuǎn)速、壓力、溫度、水位的自動調(diào)節(jié)等。例1.4-2電爐爐溫控制系統(tǒng)工作原理：二、恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)：如果反饋控制系統(tǒng)的控制信號為恒定42工作原理：二、恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)：如果反饋控制系統(tǒng)的控制信號為恒定電壓放大功率放大SMEW電爐爐溫控制系統(tǒng)~220V電阻絲熱電偶電壓功率SMEW電爐爐溫控制系統(tǒng)~220V電阻絲熱電偶43電壓功率SMEW電爐爐溫控制系統(tǒng)~220V電阻絲熱電偶電壓功飛機示意圖給定電位器反饋電位器飛機—自動駕駛儀系統(tǒng)升降舵面飛機示意圖給定電位器反饋電位器飛機—自動駕駛儀系統(tǒng)升降舵面44飛機示意圖給定電位器反饋電位器飛機—自動駕駛儀系統(tǒng)升降舵面飛給定裝置放大器舵機飛機

反饋電位器

垂直陀螺儀θ0θc擾動俯仰角控制系統(tǒng)方塊圖給定裝置放大器舵機飛機反饋電位器垂直陀螺儀θ0θc擾動45給定裝置放大器舵機飛機反饋電位器垂直陀螺儀θ0θc擾動2、MIMO：信號多、回路多、變量多，而且相互之間又有耦合（關聯(lián)）的多輸入多輸出系統(tǒng)，又叫多變量系統(tǒng)。四、連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)1、線性定常連續(xù)控制系統(tǒng)：（*滿足疊加原理）組成系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的輸入信號和輸出信號都是時間的連續(xù)信號。2、線性定常離散控制系統(tǒng)：（數(shù)字控制系統(tǒng)）如果控制系統(tǒng)中的信號為離散信號時，則它就屬于離散控制系統(tǒng)。五、單輸入單輸出系統(tǒng)（SISO）和多輸入多輸出系統(tǒng)（MIMO）1、SISO：指只有一個輸入量和一個輸出量的系統(tǒng)。2、MIMO：信號多、回路多、變量多，而且相互之間又有耦合（462、MIMO：信號多、回路多、變量多，而且相互之間又有耦合（稱該系統(tǒng)為線性時變系統(tǒng)。1、線性系統(tǒng)：若系統(tǒng)可用線性常微分方程來描述則該系統(tǒng)是線性的。六、線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)又稱線性時不變系統(tǒng)或線性定常系統(tǒng)。2、非線性系統(tǒng)：若線性系統(tǒng)中，系數(shù)不是常數(shù)，而是時間的函數(shù)，如：稱該系統(tǒng)為線性時變系統(tǒng)。1、線性系統(tǒng)：若系統(tǒng)可用線性常微分方47稱該系統(tǒng)為線性時變系統(tǒng)。1、線性系統(tǒng)：若系統(tǒng)可用線性常微分方2、不確定系統(tǒng)：若有一個不滿足，則為不確定系統(tǒng)。1、系統(tǒng)是穩(wěn)定的----------“穩(wěn)”；第五節(jié)對控制系統(tǒng)的要求3、相對穩(wěn)定性好，動態(tài)品質(zhì)好------------“好”。2、穩(wěn)態(tài)誤差要小-----------“準”；七、確定系統(tǒng)和不確定系統(tǒng)：1、確定系統(tǒng)：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定，輸入輸出信號都為時間的確定函數(shù)。2、不確定系統(tǒng)：若有一個不滿足，則為不確定系統(tǒng)。1、系統(tǒng)是482、不確定系統(tǒng)：若有一個不滿足，則為不確定系統(tǒng)。1、系統(tǒng)是234控制系統(tǒng)的過渡過程曲線234控制系統(tǒng)的過渡過程曲線49234控制系統(tǒng)的過渡過程曲線234控制系統(tǒng)的過渡過程曲線單位階躍下控制系統(tǒng)的過渡過程單位階躍下控制系統(tǒng)的過渡過程50單位階躍下控制系統(tǒng)的過渡過程單位階躍下控制系統(tǒng)的典型外作用（自學）1、階躍函數(shù)（單位階躍）2、斜坡函數(shù)（單位斜坡）3、脈沖函數(shù)4、正弦函數(shù)典型外作用（自學）1、階躍函數(shù)（單位階躍）51典型外作用（自學）1、階躍函數(shù)（單位階躍）典型外作用（自學）1．(1)掌握三種基本控制方式及特點。(2)掌握自動控制的任務、作用，自動控制系統(tǒng)的組成，自動控制的常用術語（給定值，被控量，被控對象，控制量，反饋量等）。2．(1)認識對控制系統(tǒng)性能的要求。（“穩(wěn)”、“準”、“好”）(2)通過對自動控制系統(tǒng)的示例，逐步建立起"控制系統(tǒng)"的概念；"動態(tài)"的概念。3.三種基本控制方式：（1）只接受給定值信號r（t），稱按給定值操縱得開環(huán)控制；（2）只測量干擾信號d（t），稱按干擾補償?shù)瞄_環(huán)控制；（3）接受、測量（或計算的是被控量對給定值的偏差信號r（t）－c（t），稱按偏差調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制，閉環(huán)控制必然是負反饋控制。反饋控制是本章最重要的概念。第一章小結(jié)1．(1)掌握三種基本控制方式及特點。第一章小521．(1)掌握三種基本控制方式及特點。第一章小第一章題型1、簡答題：簡要回答自動控制理論的發(fā)展分為哪幾個階段，代表人物是誰？舉例說明什么是開環(huán)控制和閉環(huán)控制？對控制系統(tǒng)的基本要求是什么？控制系統(tǒng)有哪些分類？2、填空題：古典控制包括：、、。它的數(shù)學基礎是：

。

3、判斷選擇題4、分析綜合題第一章題型1、簡答題：53第一章題型1、簡答題：第一章題作業(yè)：1-2，1-4，1-6，1-8，1-9，1-10第一次大作業(yè)：自動控制理論經(jīng)過了哪幾個發(fā)展階段？目前最新的進展如何？有哪些方面？（要求至少要檢索兩篇最近1~2年內(nèi)的外文文獻，一篇中文文獻并附在作業(yè)后?？梢酝ㄟ^E-mail提交作業(yè)。）預習與自學：拉氏變換與微分方程求解作業(yè)：1-2，1-4，1-6，1-8，1-9，1-10第一次54作業(yè)：1-2，1-4，1-6，1-8，1-9，1-10第一次SMn電壓功率放大器電壓放大i測驗一SMn電電i測驗一55SMn電電i測驗一SMn電電i測驗一55第一章自動控制的一般概念第一章自動控制的一般概念56第一章自動控制的一般概念第一章自動控制的一般概念56本章主要內(nèi)容

自動控制理論發(fā)展概況；古典控制理論的基本內(nèi)容；自動控制與自動控制系統(tǒng)的基本概念及對控制系統(tǒng)的基本要求。重點內(nèi)容自動控制與自動控制系統(tǒng)的基本概念對控制系統(tǒng)的基本要求本章主要內(nèi)容自動控制理論發(fā)展概況；古典控制理57本章主要內(nèi)容自動控制理論發(fā)展概況；古典控制理第一節(jié)引言一、自動控制在國民經(jīng)濟中的作用：2、鐵路上1、生活中，洗衣機、電冰箱、電飯煲。高速列車、磁懸浮列車第一節(jié)引言一、自動控制58第一節(jié)引言一、自動控制日本新干線100系（1985）日本新干線100系（1985）59日本新干線100系（1985）日本新干線100系（1985）日本新干線300系（1992）日本新干線300系（1992）60日本新干線300系（1992）日本新干線300系（1992）日本新干線700系（1999）日本新干線700系（1999）61日本新干線700系（1999）日本新干線700系（1999）國產(chǎn)“中華之星”國產(chǎn)“中華之星”62國產(chǎn)“中華之星”國產(chǎn)“中華之星”62法國TGV高速列車普通輪軌列車最大時速為350-400公里法國TGV高速列車普通輪軌列車最大時速為350-400公里63法國TGV高速列車普通輪軌列車最大時速為350-400公里法中科院院士嚴陸光—高速磁懸浮技術倡導者。中國鐵道科學研究院、西南交大、國防科大、中科院電工所等單位對常導低速磁懸浮列車的懸浮、導向、推進等關鍵技術做了基礎性研究。中科院院士嚴陸光—高速磁懸浮技術倡導者。中國鐵道科學研究院、64中科院院士嚴陸光—高速磁懸浮技術倡導者。中國鐵道科學研究院、上海磁浮列車全長30公里，將上海市區(qū)與東海之濱的浦東國際機場連接起來，單向運行時間約8分鐘，平均運行速度達到每秒60－70米。列車大部分時間時速為300多公里，達到最高設計時速430公里的時間有20多秒。上海磁浮列車全長30公里，將上海市區(qū)與東海之濱的浦東國際機場65上海磁浮列車全長30公里，將上海市區(qū)與東海之濱的浦東國際機場日本磁懸浮列車超導線圈與U型列車行駛導槽中設置的推力、上浮、導向線圈一起使列車獲得上浮、推進、導向力。日本使用的超導物質(zhì)是將超細鈮鈦合金多芯線埋入銅母線內(nèi)制成的超導電線，當此種超導電線浸入液氦(－269℃)中時進入超導狀態(tài)產(chǎn)生強大磁場。日本磁懸浮列車超導線圈與U型列車行駛導槽中設置的推力、上浮、66日本磁懸浮列車超導線圈與U型列車行駛導槽中設置的推力、上浮、3、軍事上航空:（F-15）戰(zhàn)斗機3、軍事上航空:（F-15）戰(zhàn)斗機673、軍事上航空:（F-15）戰(zhàn)斗機3、軍事上航空:（F-15航天：APOLLO宇宙飛船航天：APOLLO宇宙飛船68航天：APOLLO宇宙飛船航天：APOLLO宇宙飛船68海上：核潛艇海上：核潛艇69海上：核潛艇海上：核潛艇69“庫爾斯克”號核潛艇“庫爾斯克”號核潛艇70“庫爾斯克”號核潛艇“庫爾斯克”號核潛艇704、工業(yè)上二、自動控制理論發(fā)展概要2、現(xiàn)代控制論：研究SISO線性定常時不變系統(tǒng)，其數(shù)學基礎為傳遞函數(shù)。1、古典控制論：以狀態(tài)空間法為基礎研究多輸入-多輸出、變參數(shù)、非線性系統(tǒng)。其數(shù)學基礎是線性代數(shù)。4、工業(yè)上二、自動控制理論發(fā)展概要2、現(xiàn)代控制論：研究SIS714、工業(yè)上二、自動控制理論發(fā)展概要2、現(xiàn)代控制論：研究SIS1788年，英國Wate利用反饋原理發(fā)明蒸汽機用的離心調(diào)速機?！?875年，1895年，英國Routh和德國Hurwitz先后提出判別系統(tǒng)穩(wěn)定性的代數(shù)方法。1892年，俄國李雅普諾夫在《論運動穩(wěn)定性的一般問題》中建立了動力學系統(tǒng)的一般穩(wěn)定性理論。1932年，Nyquist提出了根據(jù)頻率響應判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性的準則。古典控制論1788年，英國Wate利用反饋原理發(fā)明蒸汽機用的離心調(diào)速機721788年，英國Wate利用反饋原理發(fā)明蒸汽機用的離心調(diào)速機Wate飛輪調(diào)節(jié)器汽閥Wate飛輪調(diào)節(jié)器汽閥73Wate飛輪調(diào)節(jié)器汽閥Wate飛輪調(diào)節(jié)器汽閥731945年，美國Bode在《網(wǎng)絡分析和反饋放大器設計》中提出頻率響應分析法－Bode圖。1948年，Evans提出了根軌跡法，這時美國Wiener在《控制論－關于在動物和機器中控制和通信的科學》中系統(tǒng)地論述了控制理論的一般原理和方法。－－－標志控制學科的誕生控制論：研究動物（包括人類）和機器內(nèi)部控制和通信的一般規(guī)律的學科。1954年，錢學森的《工程控制論》在美國出版。－－－奠定了工程控制論的基礎1945年，美國Bode在《網(wǎng)絡分析和反饋放大器設計》中提出741945年，美國Bode在《網(wǎng)絡分析和反饋放大器設計》中提出

1960——1970現(xiàn)代控制理論機組自動化1958年，R.E.Kalman采用狀態(tài)空間法分析系統(tǒng)，提出能控性、能觀性、Kalman濾波概念1961年，龐特里亞金證明了最優(yōu)控制中的極大值原理。1970——1980大系統(tǒng)理論控制管理綜合1980——1990智能控制理論智能自動化1990——21c集成控制理論網(wǎng)絡控制自動化現(xiàn)代控制理論1960——1970現(xiàn)代控制理論機組751960——1970現(xiàn)代控制理論機組引例：水箱水位自動控制系統(tǒng)圖1

水箱水位自動控制系統(tǒng)示意圖氣動閥門流入量控制器浮子流出量引例：水箱水位自動控制系統(tǒng)圖1水箱水位自動控制系統(tǒng)76引例：水箱水位自動控制系統(tǒng)圖1水箱水位自動控制系統(tǒng)第二節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)的基本概念控制器和被控對象的總和，稱為控制系統(tǒng)1、自動控制：應用控制裝置自動地、有目的地控制或操縱機器設備或過程，使之具有一定的狀態(tài)和性能。被控制的機器設備或物體、生產(chǎn)過程，稱為被控制對象；所用的控制裝置，常稱為控制器2、控制系統(tǒng)：第二節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)的基本概念控制器和被控對77第二節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)的基本概念控制器和被控對系統(tǒng)的輸出就是被控制的量，它表征對象或過程的狀態(tài)和性能。3、輸入量（參考輸入、控制輸入、給定輸入）：是作用于系統(tǒng)的激發(fā)信號，其中使系統(tǒng)具有預定性能或預定輸出的，稱為控制輸入、指令輸入或參考輸入。4、擾動量：干擾或破壞系統(tǒng)具有預定性或預定輸出的，稱為擾動輸入。5、被控制量（輸出量）系統(tǒng)的輸出就是被控制的量，它表征對象或過程的狀態(tài)和性78系統(tǒng)的輸出就是被控制的量，它表征對象或過程的狀態(tài)和性9、負反饋控制系統(tǒng)的示意圖6、反饋量：與輸出成正比或某種函數(shù)關系，但量綱與參考輸入相同的信號。7、偏差量：等于參考輸入與主反饋量之差的信號。8、比較元件：相當于一個偏差器，其輸出信號等于各輸入信號的代數(shù)和。9、負反饋控制系統(tǒng)的示意圖6、反饋量：與輸出成正比或799、負反饋控制系統(tǒng)的示意圖6、反饋量：與輸出成正比或控制環(huán)節(jié)擾動量輸入量被控對象輸出量反饋環(huán)節(jié)反饋量_+圖2控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖偏差量控制環(huán)節(jié)擾動量輸入量被控對象輸出量反饋環(huán)節(jié)反饋量_+圖280控制環(huán)節(jié)擾動量輸入量被控對象輸出量反饋環(huán)節(jié)反饋量_+圖2輸入量控制器水箱浮子流出量流入量反饋量_+圖4

水箱水位自動控制系統(tǒng)示意圖輸入量控制器水箱浮子流出量反饋量_+圖481輸入量控制器水箱浮子流出量反饋量_+圖4

自動控制系統(tǒng)的基本方式即系統(tǒng)的輸出量對控制量沒有影響。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示：被控制量控制器對象或過程控制量圖5開環(huán)控制系統(tǒng)1、舉例：電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)一、開環(huán)控制：自動控制系統(tǒng)的基本方式即系統(tǒng)的輸出量對控制量沒82自動控制系統(tǒng)的基本方式即系統(tǒng)的輸出量對控制量沒閉環(huán)控制系統(tǒng)課件83閉環(huán)控制系統(tǒng)課件83電動機轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng)SMn電壓功率放大器人工閉環(huán)控制系統(tǒng)電動機轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng)SMn電人工閉環(huán)控制系統(tǒng)84電動機轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng)SMn電人工閉環(huán)控制系統(tǒng)電動機轉(zhuǎn)速開環(huán)缺點：抗干擾能力差，無法消除輸出量產(chǎn)生的偏差。3、電機轉(zhuǎn)速開環(huán)速度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖：電機轉(zhuǎn)速開環(huán)速度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖電壓和功率放大器直流電動機輸入量輸出量擾動量2、開環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)、缺點：優(yōu)點：組成簡單、易實現(xiàn)；工作穩(wěn)定。缺點：抗干擾能力差，無法消除輸出量產(chǎn)生的偏差。3、電機轉(zhuǎn)速開85缺點：抗干擾能力差，無法消除輸出量產(chǎn)生的偏差。3、電機轉(zhuǎn)速開在控制器和被控對象之間不僅存在著正向作用，而且存在著負反饋的作用來減小系統(tǒng)的誤差，因此又稱為負反饋控制?？刂骗h(huán)節(jié)被控對象反饋環(huán)節(jié)擾動量輸入量反饋量輸出量_+二、閉環(huán)控制系統(tǒng)：在控制器和被控對象之間不僅存在著正向作用，而且存在著負反饋的86在控制器和被控對象之間不僅存在著正向作用，而且存在著負反饋的（3）加快系統(tǒng)的過渡過程1、舉例：電樞控制的直流電動機閉環(huán)控制系統(tǒng)2、優(yōu)點：（1）可有效地抑制擾動對系統(tǒng)的影響（2）可提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度（4）自動化投資少（3）加快系統(tǒng)的過渡過程1、舉例：電樞控制的直流電動機閉環(huán)控87（3）加快系統(tǒng)的過渡過程1、舉例：電樞控制的直流電動機閉環(huán)控SMn電壓功率放大器TG電機轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)SMn電TG電機轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)88SMn電TG電機轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)SMn電TG直流電動機閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖+測速發(fā)電機輸入量_輸出量直流電動機擾動量電壓、功率放大器直流電動機閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖+測速發(fā)電機輸89直流電動機閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖+測速發(fā)電機輸可能引起超調(diào)，造成系統(tǒng)振蕩，甚至使得系統(tǒng)不穩(wěn)定。3、特點：（1）有前向及反饋支路（2）有檢測環(huán)節(jié)（3）靠偏差信號進行工作，閉環(huán)系統(tǒng)是有源的4、缺點：可能引起超調(diào)，造成系統(tǒng)振蕩，甚至使得系統(tǒng)不穩(wěn)定。3、特點：（90可能引起超調(diào)，造成系統(tǒng)振蕩，甚至使得系統(tǒng)不穩(wěn)定。3、特點：（開環(huán)控制和閉環(huán)控制相結(jié)合的控制方式。分為按輸入信號補償和按擾動信號補償兩種方式?？刂破鞅豢貙ο笱a償裝置輸入量輸出量按輸入作用補償三、復合控制系統(tǒng)開環(huán)控制和閉環(huán)控制相結(jié)合的控制方式。分為按輸入信號補償和按擾91開環(huán)控制和閉環(huán)控制相結(jié)合的控制方式。分為按輸入信號補償和按擾按擾動作用補償控制裝置被控對象補償裝置輸入量輸出量擾動量按擾動作用補償控制被控補償輸入量輸出量擾動量92按擾動作用補償控制被控補償輸入量輸出量擾動量按擾動作用補原理圖如圖所示，主要裝置：自整角機，前置放大，相敏檢波，校正裝置，直流放大，功率放大，電動機，減速器，火炮第三節(jié)控制系統(tǒng)的分類一、隨動系統(tǒng)：在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，如果控制信號為一任意時間函數(shù)，其變化規(guī)律無法預先予以確定，則承受這類控制信號的閉環(huán)控制系統(tǒng)叫做隨動系統(tǒng)，又叫做跟蹤系統(tǒng)。例1.4-1火炮隨動系統(tǒng)任務：控制火炮跟蹤敵機，以便適時開炮擊中目標按參考輸入的類型來分：原理圖如圖所示，主要裝置：自整角機，前置放大，相敏檢波，校正93原理圖如圖所示，主要裝置：自整角機，前置放大，相敏檢波，校正火炮隨動系統(tǒng)原理圖

前置放大

相敏檢波

校正裝置

直流放大

功率放大SMu直流激磁發(fā)送機接收機火炮隨動系統(tǒng)原理圖前置放大相敏檢波校正裝置直流94火炮隨動系統(tǒng)原理圖前置放大相敏檢波校正裝置直流工作原理：工作原理：95工作原理：工作原理：95前置放大相敏檢波校正裝置直流放大功率放大執(zhí)行電機減速器+u火炮隨動系統(tǒng)方塊圖

運動目標的自動跟蹤；瞄準和攔截系統(tǒng)；自動儀量儀器系統(tǒng)；仿形控制系統(tǒng)等。1、隨動系統(tǒng)的特點：跟隨給定值。2、應用：前置放大相敏檢波校正裝置直流放大功率放大執(zhí)行電96前置放大相敏檢波校正裝置直流放大功率放大執(zhí)行電工作原理：二、恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)：如果反饋控制系統(tǒng)的控制信號為恒定的常量，則稱這類反饋控制系統(tǒng)為恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)。1、特點：(1)主要矛盾：擾動；（2）發(fā)生擾動，盡快恢復原值2、應用：電壓、電流、轉(zhuǎn)速、壓力、溫度、水位的自動調(diào)節(jié)等。例1.4-2電爐爐溫控制系統(tǒng)工作原理：二、恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)：如果反饋控制系統(tǒng)的控制信號為恒定97工作原理：二、恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)：如果反饋控制系統(tǒng)的控制信號為恒定電壓放大功率放大SMEW電爐爐溫控制系統(tǒng)~220V電阻絲熱電偶電壓功率SMEW電爐爐溫控制系統(tǒng)~220V電阻絲熱電偶98電壓功率SMEW電爐爐溫控制系統(tǒng)~220V電阻絲熱電偶電壓功飛機示意圖給定電位器反饋電位器飛機—自動駕駛儀系統(tǒng)升降舵面飛機示意圖給定電位器反饋電位器飛機—自動駕駛儀系統(tǒng)升降舵面99飛機示意圖給定電位器反饋電位器飛機—自動駕駛儀系統(tǒng)升降舵面飛給定裝置放大器舵機飛機

反饋電位器

垂直陀螺儀θ0θc擾動俯仰角控制系統(tǒng)方塊圖給定裝置放大器舵機飛機反饋電位器垂直陀螺儀θ0θc擾動100給定裝置放大器舵機飛機反饋電位器垂直陀螺儀θ0θc擾動2、MIMO：信號多、回路多、變量多，而且相互之間又有耦合（關聯(lián)）的多輸入多輸出系統(tǒng)，又叫多變量系統(tǒng)。四、連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)1、線性定常連續(xù)控制系統(tǒng)：（*滿足疊加原理）組成系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的輸入信號和輸出信號都是時間的連續(xù)信號。2、線性定常離散控制系統(tǒng)：（數(shù)字控制系統(tǒng)）如果控制系統(tǒng)中的信號為離散信號時，則它就屬于離散控制系統(tǒng)。五、單輸入單輸出系統(tǒng)（SISO）和多輸入多輸出系統(tǒng)（MIMO）1、SISO：指只有一個輸入量和一個輸出量的系統(tǒng)。2、MIMO：信號多、回路多、變量多，而且相互之間又有耦合（1012、MIMO：信號多、回路多、變量多，而且相互之間又有耦合（稱該系統(tǒng)為線性時變系統(tǒng)。1、線性系統(tǒng)：若系統(tǒng)可用線性常微分方程