自動(dòng)控制的一般概念

1、1自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院吳斌17樓東配樓206E_mail：2主要內(nèi)容 學(xué)習(xí)經(jīng)典控制經(jīng)典控制的基本理論和基本方法，重點(diǎn)學(xué)習(xí)線性控制系統(tǒng)線性控制系統(tǒng)的基本理論和基本方法。主要內(nèi)容包括：控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、控制系統(tǒng)的時(shí)域分析法、控制系統(tǒng)的根軌跡法、控制系統(tǒng)的頻域分析法、控制系統(tǒng)的常用校正方法等。 3所需知識(shí)1 電子學(xué)模擬部分 2 拉普拉斯變換 3 復(fù)變函數(shù) 4 MATLAB FOR WINDOWS 語言等 4教材及參考文獻(xiàn)n1 胡壽松，自動(dòng)控制原理，科學(xué)出版社，第4版，2001 ；n2 胡壽松，自動(dòng)控制原理，科學(xué)出版社，第5版，2007；n3 自動(dòng)控制原理，清華大

2、學(xué)出版社，吳麒主編；n4 自動(dòng)控制原理，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，龐國(guó)仲編；n5 自動(dòng)控制原理試題精選與答題技巧，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，王彤主編；n6 自動(dòng)控制原理常見題型解析及模擬題，西北工業(yè)大學(xué)出版社，史忠科，盧京潮編著；n7 MATLAB 語言工具箱TOOLBOX實(shí)用指南，西北工業(yè)大學(xué)出版社，施陽 李俊等編著；n8 MATLAB 語言演算紙式的科學(xué)工程計(jì)算語言，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，張培強(qiáng)主編；n9 系統(tǒng)分析與仿真MATLAB語言及應(yīng)用，國(guó)防科技大學(xué)出版社，黃文梅 楊勇等編著； 5教學(xué)安排講課講課48(44)課時(shí)，實(shí)驗(yàn)課時(shí)，實(shí)驗(yàn)8(+4)課時(shí)課時(shí)n第一章 自動(dòng)控制的一般概念 （4課時(shí)）n

3、第二章 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 （8課時(shí)）n第三章 線性系統(tǒng)的時(shí)域分析法 （10課時(shí)）n第四章 線性系統(tǒng)的根軌跡法 （6課時(shí)）n第五章 線性系統(tǒng)的頻域分析法 （10課時(shí)）n第六章 線性系統(tǒng)的校正方法 （10課時(shí)）6實(shí)驗(yàn)安排n實(shí)驗(yàn)一：控制系統(tǒng)時(shí)域、頻域?qū)嶒?yàn)一：控制系統(tǒng)時(shí)域、頻域MATLABMATLAB仿真實(shí)驗(yàn)仿真實(shí)驗(yàn) （0 0課時(shí)）課時(shí)） 1、階躍響應(yīng) 2、脈沖響應(yīng) 3、斜坡響應(yīng)4、繪制Bode圖 5、畫Nyquist圖，6、校正結(jié)果分析 n實(shí)驗(yàn)二：直流電機(jī)速度控制實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)二：直流電機(jī)速度控制實(shí)驗(yàn) （8 8課時(shí)）課時(shí)） 1、開環(huán)控制、閉環(huán)控制系統(tǒng)分析（4次大作業(yè)）2、控制系統(tǒng)的校正設(shè)計(jì)（ 1次大設(shè)計(jì)

4、）實(shí)驗(yàn)三：工業(yè)機(jī)器人控制實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)三：工業(yè)機(jī)器人控制實(shí)驗(yàn) （4 4課時(shí)）課時(shí)）1、機(jī)器人開環(huán)控制實(shí)驗(yàn)2、機(jī)器人閉環(huán)控制（測(cè)控系統(tǒng)）實(shí)驗(yàn)7作業(yè)和考試n課堂紀(jì)律課堂紀(jì)律n作業(yè)作業(yè) （課后作業(yè)、大作業(yè)、設(shè)計(jì)）n答疑答疑n考試考試 期末成績(jī)50%，平時(shí)成績(jī)（作業(yè)、平時(shí)測(cè)驗(yàn)及課堂情況）40%，綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?0% 8第一章第一章 自動(dòng)控制的一般概念自動(dòng)控制的一般概念11自動(dòng)控制的基本原理與方式自動(dòng)控制的基本原理與方式1.1.什么是自動(dòng)控制什么是自動(dòng)控制? ? 指在沒有人的直接參與下，利用外加設(shè)備或裝置（控制裝置或控制器）使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（被控對(duì)象）的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)（被控量）自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行

5、。 91.1.什么是自動(dòng)控制什么是自動(dòng)控制? ?人工控制的恒溫箱恒溫箱的自動(dòng)控制系統(tǒng)恒溫控制、溫度曲線控制、導(dǎo)彈自動(dòng)尋敵系統(tǒng)、直流穩(wěn)恒溫控制、溫度曲線控制、導(dǎo)彈自動(dòng)尋敵系統(tǒng)、直流穩(wěn)壓電源、數(shù)控車床、飛機(jī)的自動(dòng)駕駛、人造衛(wèi)星控制等壓電源、數(shù)控車床、飛機(jī)的自動(dòng)駕駛、人造衛(wèi)星控制等 102. 現(xiàn)代控制理論3. 大系統(tǒng)理論4. 智能控制理論采樣控制理論非線性控制理論線性控制理論經(jīng)典控制理論. 12.2.自動(dòng)控制理論的發(fā)展自動(dòng)控制理論的發(fā)展 自動(dòng)控制理論是研究自動(dòng)控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)，其發(fā)展初期是以反饋理論為基礎(chǔ)，并主要應(yīng)用于工業(yè)控制。二戰(zhàn)期間，由于軍事武器裝備競(jìng)爭(zhēng)的需要，自動(dòng)控制應(yīng)用水平和自動(dòng)控制理

6、論都獲得了極大的發(fā)展，二戰(zhàn)后，形成了完整的自動(dòng)控制理論體系經(jīng)典控制理論；60年代后，為適應(yīng)宇航技術(shù)的發(fā)展，研究復(fù)雜系統(tǒng)的控制問題，進(jìn)一步發(fā)展了現(xiàn)代控制理論。 111 1、經(jīng)典控制理論、經(jīng)典控制理論 1717世紀(jì)反饋調(diào)節(jié)器世紀(jì)反饋調(diào)節(jié)器18681868年系統(tǒng)穩(wěn)定性代數(shù)判據(jù)（馬克斯威年系統(tǒng)穩(wěn)定性代數(shù)判據(jù)（馬克斯威爾、數(shù)學(xué)家勞斯及赫爾維茨）爾、數(shù)學(xué)家勞斯及赫爾維茨）二戰(zhàn)期間，奈奎斯特提出了二戰(zhàn)期間，奈奎斯特提出了頻率響應(yīng)理論頻率響應(yīng)理論19481948年，萬斯提出根軌跡法。年，萬斯提出根軌跡法。特點(diǎn)：特點(diǎn)：以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，主要研究單輸入以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，主要研究單輸入單輸出、線性定常系單輸出、線性

7、定常系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問題。統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問題。（單變量系統(tǒng)）（單變量系統(tǒng)）如：調(diào)節(jié)電壓改變電機(jī)的速度；調(diào)整方向盤改變汽車 的運(yùn)動(dòng)軌跡等。2.2.自動(dòng)控制理論的發(fā)展自動(dòng)控制理論的發(fā)展122 2、現(xiàn)代控制理論、現(xiàn)代控制理論 發(fā)展于發(fā)展于2020世紀(jì)世紀(jì)6060年代初期。年代初期。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：主要研究具有高性能、高精度的多變量變參數(shù)系統(tǒng)的最優(yōu)控主要研究具有高性能、高精度的多變量變參數(shù)系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題。制問題。采用以狀態(tài)分析為基礎(chǔ)的時(shí)域方法。采用以狀態(tài)分析為基礎(chǔ)的時(shí)域方法。（多變量系統(tǒng)）（多變量系統(tǒng)）如：汽車看成是一個(gè)具有兩個(gè)輸入（駕駛盤和加速踏 板）和兩個(gè)輸出（方向和速度）的控制系統(tǒng)。2.2.自

8、動(dòng)控制理論的發(fā)展自動(dòng)控制理論的發(fā)展13經(jīng)典控制理論與現(xiàn)代控制理論比較經(jīng)典控制理論與現(xiàn)代控制理論比較 項(xiàng)目項(xiàng)目經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論研究對(duì)象研究對(duì)象線性定常系統(tǒng)線性定常系統(tǒng)（單輸入、單輸出）（單輸入、單輸出）線性、非線性、定常、線性、非線性、定常、時(shí)變系統(tǒng)時(shí)變系統(tǒng)（多輸入、多輸出）（多輸入、多輸出）描述方法描述方法傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)（輸入、輸出描述）（輸入、輸出描述）向量空間向量空間（狀態(tài)空間描述）（狀態(tài)空間描述）研究辦法研究辦法時(shí)域分析法、根軌跡時(shí)域分析法、根軌跡法和頻率法法和頻率法狀態(tài)空間法狀態(tài)空間法研究目標(biāo)研究目標(biāo)系統(tǒng)分析及給定輸入、系統(tǒng)分析及給定輸入、輸出情況下的

9、系統(tǒng)綜輸出情況下的系統(tǒng)綜合合揭示系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律，實(shí)揭示系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律，實(shí)現(xiàn)在一定意義下的最優(yōu)控現(xiàn)在一定意義下的最優(yōu)控制與設(shè)計(jì)制與設(shè)計(jì)14 3 3、大系統(tǒng)控制理論、大系統(tǒng)控制理論 大系統(tǒng)控制理論是一種過程控制與信息處理相結(jié)合的動(dòng)大系統(tǒng)控制理論是一種過程控制與信息處理相結(jié)合的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)工程理論，研究的對(duì)象具有規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功態(tài)系統(tǒng)工程理論，研究的對(duì)象具有規(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(diǎn)。它是一個(gè)多輸入、多能綜合、目標(biāo)多樣、因素眾多等特點(diǎn)。它是一個(gè)多輸入、多輸出、多干擾、多變量的系統(tǒng)。輸出、多干擾、多變量的系統(tǒng)。 如：人體，我們就可以看作為一個(gè)大系統(tǒng)，其中有體溫如：人體，我

10、們就可以看作為一個(gè)大系統(tǒng)，其中有體溫的控制、情感的控制、人體血液中各種成分的控制等等。的控制、情感的控制、人體血液中各種成分的控制等等。 大系統(tǒng)控制理論目前仍處于發(fā)展階段。大系統(tǒng)控制理論目前仍處于發(fā)展階段。 2. 2. 自動(dòng)控制理論的發(fā)展自動(dòng)控制理論的發(fā)展154 4、智能控制、智能控制 發(fā)展于發(fā)展于2020世紀(jì)世紀(jì)8080年代，以人工智能理論為基礎(chǔ)，研年代，以人工智能理論為基礎(chǔ)，研究具有模糊性、不確定性、不完全性、偶然性的系統(tǒng)。究具有模糊性、不確定性、不完全性、偶然性的系統(tǒng)。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：不基于精確的數(shù)學(xué)描述或模型，具有較好的容錯(cuò)不基于精確的數(shù)學(xué)描述或模型，具有較好的容錯(cuò)性能和初級(jí)的智能。性能

11、和初級(jí)的智能。 2.2.自動(dòng)控制理論的發(fā)展自動(dòng)控制理論的發(fā)展162.2.自動(dòng)控制理論的發(fā)展自動(dòng)控制理論的發(fā)展173.3.反饋控制原理反饋控制原理反饋：反饋：系統(tǒng)輸出量送回到輸入端，與輸入信號(hào)相比較產(chǎn)生偏差信號(hào)的過程。利用反饋進(jìn)行控制的系統(tǒng)稱為反饋控制系統(tǒng)。在反饋控制系統(tǒng)中,控制裝置對(duì)被控對(duì)象的控制作用，是取自被控量的反饋信息，用來不斷修正被控量與輸入量之間的偏差，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的控制任務(wù)，這就是反饋控制原理。反饋控制原理。 控制器 加熱器 輸入 T Tout 溫度調(diào)節(jié)器：溫度調(diào)節(jié)器： 反饋控制系統(tǒng)有著廣泛的生物學(xué)基礎(chǔ)。反饋控制系統(tǒng)有著廣泛的生物學(xué)基礎(chǔ)。反饋控制系統(tǒng)在工業(yè)控制和工程實(shí)踐中有大

12、量成熟的應(yīng)用。反饋控制系統(tǒng)在工業(yè)控制和工程實(shí)踐中有大量成熟的應(yīng)用。 183.1 3.1 反饋控制系統(tǒng)的基本原理框圖反饋控制系統(tǒng)的基本原理框圖 控制器 Gc 被控對(duì)象 G0 測(cè)量環(huán)節(jié) H 輸入量 r 輸出量 c 主反饋 b 偏差 e 擾動(dòng) n 輸入量r（參考輸入）：輸入到控制系統(tǒng)的指令信號(hào)；主反饋b:與輸出成正比或某種函數(shù)關(guān)系，量綱與輸入相同；偏差e：等于參考輸入與主反饋之差；控制環(huán)節(jié)Gc：接受偏差信號(hào)，通過轉(zhuǎn)換與運(yùn)算，產(chǎn)生所需的控制量；控制量u：來自控制環(huán)節(jié)，作用于控制對(duì)象的信號(hào)；193.1 3.1 反饋控制系統(tǒng)的基本原理框圖反饋控制系統(tǒng)的基本原理框圖 控制器 Gc 被控對(duì)象 G0 測(cè)量環(huán)節(jié)

13、H 輸入量 r 輸出量 c 主反饋 b 偏差 e 擾動(dòng) n 擾動(dòng)n：不希望的影響輸出的一些信號(hào)；被控對(duì)象G0：接受控制量，輸出被控制量；輸出c：反饋控制系統(tǒng)的被控制量；反饋環(huán)節(jié)H：將輸出轉(zhuǎn)換為主反饋信號(hào)的裝置；比較環(huán)節(jié)：獲得參考輸入與主反饋信號(hào)之差； 203.1 3.1 反饋控制系統(tǒng)的基本原理框圖反饋控制系統(tǒng)的基本原理框圖 控制器 Gc 被控對(duì)象 G0 測(cè)量環(huán)節(jié) H 輸入量 r 輸出量 c 主反饋 b 偏差 e 擾動(dòng) n 控制系統(tǒng)方塊圖：控制系統(tǒng)方塊圖：將控制裝置的各元件和被控對(duì)象用方塊表將控制裝置的各元件和被控對(duì)象用方塊表示，系統(tǒng)中感興趣的物理量（信號(hào)）用箭頭表示，進(jìn)入方塊示，系統(tǒng)中感興趣的

14、物理量（信號(hào)）用箭頭表示，進(jìn)入方塊的箭頭表示元件的輸入量，離開方塊的箭頭表示元件輸出量，的箭頭表示元件的輸入量，離開方塊的箭頭表示元件輸出量，被控對(duì)象的輸出量即為系統(tǒng)的輸出量，位于最右端；系統(tǒng)的被控對(duì)象的輸出量即為系統(tǒng)的輸出量，位于最右端；系統(tǒng)的輸入量為參據(jù)量，位于系統(tǒng)最左端。輸入量為參據(jù)量，位于系統(tǒng)最左端。 213.2 3.2 反饋控制系統(tǒng)的基本組成反饋控制系統(tǒng)的基本組成控制系統(tǒng)包含被控對(duì)象和控制裝置兩大部分，控制裝置是由具有一定功能的各種基本部件組成。不同的系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)完全不同的部件可以具有相同的功能。 串聯(lián)補(bǔ)串聯(lián)補(bǔ)償元件償元件放大放大元件元件執(zhí)行執(zhí)行元件元件被控被控對(duì)象對(duì)象反饋補(bǔ)反饋補(bǔ)償元

15、件償元件測(cè)量測(cè)量元件元件輸出量輸出量局部反饋局部反饋223.2 3.2 反饋控制系統(tǒng)的基本組成反饋控制系統(tǒng)的基本組成串聯(lián)補(bǔ)串聯(lián)補(bǔ)償元件償元件放大放大元件元件執(zhí)行執(zhí)行元件元件被控被控對(duì)象對(duì)象反饋補(bǔ)反饋補(bǔ)償元件償元件測(cè)量測(cè)量元件元件輸出量輸出量局部反饋局部反饋組成控制系統(tǒng)的組成控制系統(tǒng)的部件按功能分為部件按功能分為主要幾種：主要幾種： 測(cè)量元件：測(cè)量元件：檢測(cè)被檢測(cè)被控制的物理量；控制的物理量； 給定元件：給定元件：給定與給定與期望的系統(tǒng)輸出量期望的系統(tǒng)輸出量相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)輸入相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)輸入量；量； 比較元件：比較元件：求出測(cè)量元件得到的被控量實(shí)際值和給定元件給出的輸入量之間的偏差；求出測(cè)量元件得

16、到的被控量實(shí)際值和給定元件給出的輸入量之間的偏差； 放大元件：放大元件：放大偏差信號(hào)；放大偏差信號(hào)； 執(zhí)行元件：執(zhí)行元件：直接推動(dòng)被控對(duì)象，使被控量發(fā)生變化；直接推動(dòng)被控對(duì)象，使被控量發(fā)生變化； 校正元件：校正元件：即補(bǔ)償元件，校正系統(tǒng)參數(shù)，改善系統(tǒng)性能即補(bǔ)償元件，校正系統(tǒng)參數(shù)，改善系統(tǒng)性能；前向通路、主反饋回路、主回路、內(nèi)回路、單回路系統(tǒng)、多回路系統(tǒng)、有用輸入、擾動(dòng)前向通路、主反饋回路、主回路、內(nèi)回路、單回路系統(tǒng)、多回路系統(tǒng)、有用輸入、擾動(dòng)234.4.自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本控制方式自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本控制方式 反饋控制：反饋控制：基本控制方式，應(yīng)用最廣泛；基本控制方式，應(yīng)用最廣泛； 開環(huán)控制開環(huán)控

17、制 復(fù)合控制復(fù)合控制 4.1 4.1 反饋控制反饋控制 利用反饋信號(hào)，按偏差進(jìn)行控制。利用反饋信號(hào)，按偏差進(jìn)行控制。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：控制精度較高，抗內(nèi)外擾動(dòng)能力強(qiáng)?？刂凭容^高，抗內(nèi)外擾動(dòng)能力強(qiáng)。 244.2 4.2 開環(huán)控制開環(huán)控制控制環(huán)節(jié)與被控對(duì)象間控制環(huán)節(jié)與被控對(duì)象間只有順向作用沒有反饋?zhàn)饔弥挥许樝蜃饔脹]有反饋?zhàn)饔?。特點(diǎn)：特點(diǎn)：輸出量不對(duì)系統(tǒng)的控制作用產(chǎn)生影響，沒有自動(dòng)修正偏差的能力，抗擾動(dòng)性輸出量不對(duì)系統(tǒng)的控制作用產(chǎn)生影響，沒有自動(dòng)修正偏差的能力，抗擾動(dòng)性較差。較差。 開環(huán)控制可以按給定量控制方式組成，也可以按擾動(dòng)控制方式組成。開環(huán)控制可以按給定量控制方式組成，也可以按擾動(dòng)控制方式組成。

18、 按給定量控制的開環(huán)系統(tǒng)：按給定量控制的開環(huán)系統(tǒng)：抗干擾能力差，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)整方便、成本低，在精抗干擾能力差，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)影響較小的情況下使用。度要求不高或擾動(dòng)影響較小的情況下使用。 按擾動(dòng)控制的開環(huán)系統(tǒng)：按擾動(dòng)控制的開環(huán)系統(tǒng)：利用可測(cè)量的擾動(dòng)量，產(chǎn)生補(bǔ)償作用，從而減小擾動(dòng)對(duì)輸利用可測(cè)量的擾動(dòng)量，產(chǎn)生補(bǔ)償作用，從而減小擾動(dòng)對(duì)輸出的影響。出的影響。 25按擾動(dòng)控制的開環(huán)系統(tǒng)按擾動(dòng)控制的開環(huán)系統(tǒng) 功放 K 壓放 K1 U0 Ue Ub Ua R R0 I 負(fù)載 UdbeUUU0RIKUb1eaKUUIRIRUUad0IRRRIKKKUUd)(010RRRKK01

19、0KUUdUdUd為反向電動(dòng)勢(shì)，與轉(zhuǎn)速成正比；有為反向電動(dòng)勢(shì)，與轉(zhuǎn)速成正比；有 當(dāng)當(dāng)時(shí)，有時(shí)，有 從而消除了負(fù)載對(duì)轉(zhuǎn)速的影響。從而消除了負(fù)載對(duì)轉(zhuǎn)速的影響。 264.3 4.3 復(fù)合控制復(fù)合控制 按偏差與按擾動(dòng)相結(jié)合的控制方式。按偏差與按擾動(dòng)相結(jié)合的控制方式。 按擾動(dòng)控制較按偏差控制方式簡(jiǎn)單，但只適用于擾動(dòng)可測(cè)量的場(chǎng)合，并且一個(gè)按擾動(dòng)控制較按偏差控制方式簡(jiǎn)單，但只適用于擾動(dòng)可測(cè)量的場(chǎng)合，并且一個(gè)補(bǔ)償裝置只能補(bǔ)償一個(gè)擾動(dòng)因素。比較合理的控制方式是將兩種方式結(jié)合起來：補(bǔ)償裝置只能補(bǔ)償一個(gè)擾動(dòng)因素。比較合理的控制方式是將兩種方式結(jié)合起來：對(duì)于主要擾動(dòng)采用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償裝置實(shí)現(xiàn)按擾動(dòng)控制，同時(shí)，再組成反饋控

20、制系對(duì)于主要擾動(dòng)采用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償裝置實(shí)現(xiàn)按擾動(dòng)控制，同時(shí)，再組成反饋控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)按偏差控制，以消除其余干擾。統(tǒng)實(shí)現(xiàn)按偏差控制，以消除其余干擾。 電壓放電壓放大器大器功率放功率放大器大器電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)測(cè)速發(fā)測(cè)速發(fā)電機(jī)電機(jī)電壓放電壓放大器大器電阻電阻RMcnu0ueui2712自動(dòng)控制系統(tǒng)示例自動(dòng)控制系統(tǒng)示例一、函數(shù)記錄儀一、函數(shù)記錄儀 28正確畫框圖是對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行分析的前提，繪制思路：正確畫框圖是對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行分析的前提，繪制思路：確定系統(tǒng)輸出量（被控量）確定系統(tǒng)輸出量（被控量） 為系統(tǒng)的最終輸出；為系統(tǒng)的最終輸出；確定被控對(duì)象確定被控對(duì)象 被控量的載體，為一獨(dú)立裝置；被控量的載體，為一獨(dú)立裝置；

21、確定測(cè)量環(huán)節(jié)確定測(cè)量環(huán)節(jié) 系統(tǒng)通過測(cè)量元件測(cè)量被控量的環(huán)節(jié)；系統(tǒng)通過測(cè)量元件測(cè)量被控量的環(huán)節(jié)；確定輸入量確定輸入量 與被控量相對(duì)應(yīng)（注意：有時(shí)輸入量會(huì)通過某環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)化為易于與被控量相對(duì)應(yīng)（注意：有時(shí)輸入量會(huì)通過某環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)化為易于比較的形式）；比較的形式）；比較環(huán)節(jié)比較環(huán)節(jié) 測(cè)量環(huán)節(jié)的輸出與輸入量相比較；測(cè)量環(huán)節(jié)的輸出與輸入量相比較；1.1. 按系統(tǒng)信號(hào)傳遞的順序確定其它環(huán)節(jié)按系統(tǒng)信號(hào)傳遞的順序確定其它環(huán)節(jié)（控制器、執(zhí)行器等）；也可從被控對(duì)象（控制器、執(zhí)行器等）；也可從被控對(duì)象開始，開始， 考察各環(huán)節(jié)的控制量和輸出量，從右到左逐一確定；考察各環(huán)節(jié)的控制量和輸出量，從右到左逐一確定； 在繪制的同時(shí)，應(yīng)

22、當(dāng)時(shí)時(shí)記憶典型原理框圖在繪制的同時(shí)，應(yīng)當(dāng)時(shí)時(shí)記憶典型原理框圖 原理框圖的繪制原理框圖的繪制 29二、電阻爐微計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)二、電阻爐微計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng) D/A晶閘管觸發(fā)器電阻爐電阻絲熱電偶A/D放大濾波溫度計(jì)算機(jī)30三、三、水溫控制器水溫控制器 ( (習(xí)題習(xí)題1-4)1-4) 溫度控制器蒸汽閥門交換器溫度測(cè)量流量測(cè)量熱水溫度流量擾動(dòng)給定溫度3113 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類按按控制方式：控制方式：1 1、開環(huán)控制、開環(huán)控制2 2、閉環(huán)控制、閉環(huán)控制3 3、復(fù)合控制、復(fù)合控制 按按元件類型：元件類型：機(jī)械系統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)電氣系統(tǒng)電氣系統(tǒng)機(jī)電系統(tǒng)機(jī)電系統(tǒng)液壓系統(tǒng)液壓系統(tǒng)1.1. 氣動(dòng)

23、系統(tǒng)氣動(dòng)系統(tǒng) 等等 按按系統(tǒng)性能系統(tǒng)性能可分為：線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)；連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)；定?？煞譃椋壕€性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)；連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)；定常系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng)；確定性系統(tǒng)和不確定性系統(tǒng)。系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng)；確定性系統(tǒng)和不確定性系統(tǒng)。 按按參據(jù)量變化規(guī)律參據(jù)量變化規(guī)律：恒值控制系統(tǒng)；隨動(dòng)控制系統(tǒng)；程序控制系統(tǒng)等。：恒值控制系統(tǒng)；隨動(dòng)控制系統(tǒng)；程序控制系統(tǒng)等。 一般，為了全面反映控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，常常將多種分類方法組合使用。一般，為了全面反映控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，常常將多種分類方法組合使用。 32線性連續(xù)控制系統(tǒng)線性連續(xù)控制系統(tǒng) )()()()()()()()(1111011110trbtrdtdbtrd

24、tdbtrdtdbtcatcdtdatcdtdatcdtdammmmmmnnnnnn式中式中 )(tc是被控量，是被控量， )(tr是系統(tǒng)輸入量。系數(shù)是系統(tǒng)輸入量。系數(shù)0a1ana，0b1bnb，為常量時(shí)稱為線性定常系統(tǒng)，為常量時(shí)稱為線性定常系統(tǒng)，隨時(shí)間變化時(shí)為時(shí)變系統(tǒng)隨時(shí)間變化時(shí)為時(shí)變系統(tǒng) （注意：只隨時(shí)間變化）。（注意：只隨時(shí)間變化）。 線性定常連續(xù)系統(tǒng)按其線性定常連續(xù)系統(tǒng)按其輸入量的變化規(guī)律輸入量的變化規(guī)律分為：分為： 恒值恒值控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)隨動(dòng)隨動(dòng)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)1.1. 程序程序控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 33恒值控制系統(tǒng)恒值控制系統(tǒng) (調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器) 輸入量輸入量為一為一常量常量，要求，要

25、求輸出量輸出量等于等于常量常量（但可定期校準(zhǔn)或更改輸入（但可定期校準(zhǔn)或更改輸入量）量） 。恒值控制系統(tǒng)的任務(wù)是保證在任何擾動(dòng)下系統(tǒng)的輸出量為恒值。恒值控制系統(tǒng)的任務(wù)是保證在任何擾動(dòng)下系統(tǒng)的輸出量為恒值。系系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是研究各種干擾對(duì)被控對(duì)象的影響以及抗擾動(dòng)的措施統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是研究各種干擾對(duì)被控對(duì)象的影響以及抗擾動(dòng)的措施。在恒值控制系統(tǒng)中，參據(jù)量可以隨生產(chǎn)條件的變化改變，但在調(diào)整完成后，在恒值控制系統(tǒng)中，參據(jù)量可以隨生產(chǎn)條件的變化改變，但在調(diào)整完成后，被控量應(yīng)當(dāng)及時(shí)與調(diào)整好的參據(jù)量保持一致。在工業(yè)控制系統(tǒng)中，如果被控量應(yīng)當(dāng)及時(shí)與調(diào)整好的參據(jù)量保持一致。在工業(yè)控制系統(tǒng)中，如果被控被控

26、量量是溫度、流量、壓力、液位等是溫度、流量、壓力、液位等生產(chǎn)過程參量生產(chǎn)過程參量時(shí)，稱為時(shí)，稱為過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng)。如：液位控制系統(tǒng)，直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，如：液位控制系統(tǒng)，直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，機(jī)床的位置控制，電力系統(tǒng)的電網(wǎng)機(jī)床的位置控制，電力系統(tǒng)的電網(wǎng)電壓、頻率控制等電壓、頻率控制等； 34隨動(dòng)控制系統(tǒng)隨動(dòng)控制系統(tǒng) (跟蹤系統(tǒng)跟蹤系統(tǒng)) 輸入量是預(yù)先未知的隨時(shí)間任意變化的函數(shù)，要求被控量以盡可能小的誤輸入量是預(yù)先未知的隨時(shí)間任意變化的函數(shù)，要求被控量以盡可能小的誤差跟隨輸入量變化。差跟隨輸入量變化。系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是被控量跟隨的快速性和準(zhǔn)確性系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是被控量跟隨的快速性和準(zhǔn)確性。

27、液壓仿形車床工作原理圖液壓仿形車床工作原理圖如果被控量是機(jī)械位置或其導(dǎo)數(shù)（如速度、如果被控量是機(jī)械位置或其導(dǎo)數(shù)（如速度、加速度）時(shí)，則稱為伺服系統(tǒng)。加速度）時(shí)，則稱為伺服系統(tǒng)。如：自動(dòng)火炮系統(tǒng)、雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)、自動(dòng)如：自動(dòng)火炮系統(tǒng)、雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)、自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)、自動(dòng)駕駛系統(tǒng)及自動(dòng)測(cè)量?jī)x等。導(dǎo)航系統(tǒng)、自動(dòng)駕駛系統(tǒng)及自動(dòng)測(cè)量?jī)x等。35程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng) 輸入量是按預(yù)定規(guī)律隨時(shí)間變化的函數(shù)，要求被控量快速、準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)。輸入量是按預(yù)定規(guī)律隨時(shí)間變化的函數(shù)，要求被控量快速、準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)。如：溫度曲線控制器、仿真控制系統(tǒng)、數(shù)控機(jī)床。如：溫度曲線控制器、仿真控制系統(tǒng)、數(shù)控機(jī)床。 程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)隨動(dòng)系統(tǒng)

28、具有一般性，程序系統(tǒng)和恒值系統(tǒng)是特例。隨動(dòng)系統(tǒng)具有一般性，程序系統(tǒng)和恒值系統(tǒng)是特例。 36其它控制系統(tǒng)其它控制系統(tǒng) 線性定常離散控制系統(tǒng)：線性定常離散控制系統(tǒng)： 系統(tǒng)中某處或多處的信號(hào)在時(shí)間上是離散的。系統(tǒng)中某處或多處的信號(hào)在時(shí)間上是離散的。非線性控制系統(tǒng)：非線性控制系統(tǒng)： 系統(tǒng)中有非線元件，用非線性微分（或差分方程）描述。系統(tǒng)中有非線元件，用非線性微分（或差分方程）描述。特點(diǎn)是方程特點(diǎn)是方程中的系數(shù)與輸入輸出變量有關(guān)，或者方程中含有變量或其導(dǎo)數(shù)的高次冪或中的系數(shù)與輸入輸出變量有關(guān)，或者方程中含有變量或其導(dǎo)數(shù)的高次冪或乘積項(xiàng)。乘積項(xiàng)。 3714 對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求

29、基本要求是穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性，即穩(wěn)、快、準(zhǔn)?；疽笫欠€(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性，即穩(wěn)、快、準(zhǔn)。穩(wěn)定性：穩(wěn)定性：保證系統(tǒng)正常工作的先決條件。被控量偏離期望值后，經(jīng)過一個(gè)過渡保證系統(tǒng)正常工作的先決條件。被控量偏離期望值后，經(jīng)過一個(gè)過渡過程，可以回到期望值狀態(tài)。線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定，與外過程，可以回到期望值狀態(tài)。線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定，與外界無關(guān)，不穩(wěn)定系統(tǒng)多表現(xiàn)為振蕩發(fā)散形式。界無關(guān)，不穩(wěn)定系統(tǒng)多表現(xiàn)為振蕩發(fā)散形式。快速性：快速性：系統(tǒng)過渡時(shí)間的長(zhǎng)，短和過渡形式提出要求。即系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。系統(tǒng)過渡時(shí)間的長(zhǎng)，短和過渡形式提出要求。即系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。準(zhǔn)確性：準(zhǔn)確性：穩(wěn)態(tài)

30、誤差大小提出要求，是表示系統(tǒng)控制精度的重要指標(biāo)。穩(wěn)態(tài)誤差大小提出要求，是表示系統(tǒng)控制精度的重要指標(biāo)。 38典型外作用函數(shù)典型外作用函數(shù) 工程實(shí)踐中，為使用統(tǒng)一的方法研究和比較控制系統(tǒng)的性能，通常選工程實(shí)踐中，為使用統(tǒng)一的方法研究和比較控制系統(tǒng)的性能，通常選用幾種典型函數(shù)作為外部作用，要求是：用幾種典型函數(shù)作為外部作用，要求是：現(xiàn)場(chǎng)或?qū)嶒?yàn)室容易得到；現(xiàn)場(chǎng)或?qū)嶒?yàn)室容易得到；作用性能能夠代替實(shí)際工作條件下的性能；作用性能能夠代替實(shí)際工作條件下的性能；數(shù)學(xué)表達(dá)簡(jiǎn)單，便于理論分析；數(shù)學(xué)表達(dá)簡(jiǎn)單，便于理論分析； 階躍函數(shù)、斜坡函數(shù)、加速度函數(shù)、脈沖函數(shù)、正弦函數(shù)，以及偽隨階躍函數(shù)、斜坡函數(shù)、加速度函數(shù)、脈

31、沖函數(shù)、正弦函數(shù)，以及偽隨機(jī)函數(shù)等。機(jī)函數(shù)等。 39階躍函數(shù)階躍函數(shù)000)(tAttrA=1A=1時(shí)為單位階躍函數(shù)，時(shí)為單位階躍函數(shù)，0100)( 1ttttAf(t)0ssR1)(40斜坡函數(shù)斜坡函數(shù)000)(tAtttrA=1A=1時(shí)為單位斜坡函數(shù)，時(shí)為單位斜坡函數(shù)，000)( 1tttttAf(t)021)(ssR41加速度函數(shù)加速度函數(shù)02100)(2ttAttrA=1A=1時(shí)為單位加速度函數(shù)，時(shí)為單位加速度函數(shù)，02100)( 12tttttAf(t)031)(ssR42脈沖函數(shù)脈沖函數(shù)A=1A=1時(shí)為單位脈沖函數(shù)，時(shí)為單位脈沖函數(shù)，)( 1)( 1 )(00lim00ttttAtrt)( 1)( 1 1)(00lim00tttttrt正弦函數(shù)：正弦函數(shù)：)sin()(wtAtr，當(dāng)，當(dāng)A=1A=1時(shí)為單位正弦函數(shù)。時(shí)為單位正弦函數(shù)。 1)