自動控制理論培訓(xùn)

1、自動控制理論培訓(xùn)引 言 自動控制學科由自動控制技術(shù)和自動控制理論兩部分組成。 什么是自動控制? 無須人的直接參與，通過控制裝置，使機器、設(shè)備、生產(chǎn)過程等按照預(yù)定的規(guī)律運行，完成要求的任務(wù)，就叫自動控制。 近幾十年來，自動控制技術(shù)正在迅猛的發(fā)展，近幾十年來，自動控制技術(shù)正在迅猛的發(fā)展，并在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、國防建并在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、國防建設(shè)和航空航天事業(yè)等領(lǐng)域中獲得廣泛應(yīng)用。設(shè)和航空航天事業(yè)等領(lǐng)域中獲得廣泛應(yīng)用。比如：人造地球衛(wèi)星的比如：人造地球衛(wèi)星的發(fā)射成功與安全返回。發(fā)射成功與安全返回。導(dǎo)彈的準確擊中目標，導(dǎo)彈的準確擊中目標，雷達系統(tǒng)的準確跟蹤目標；雷達系統(tǒng)的準確跟蹤目標；交通系統(tǒng)

2、：安全、快捷、舒適、準點鋼鐵生產(chǎn)鋼鐵生產(chǎn)制造系統(tǒng)：數(shù)控機床數(shù)控機床加工生產(chǎn)線加工生產(chǎn)線自動碼垛機器人自動碼垛機器人自動包裝機器人自動包裝機器人家用電器：電扇：控制轉(zhuǎn)速電冰箱、空調(diào)、電飯煲：控制溫度洗衣機：控制水位、強弱、時間等 智能建筑：通信通信電梯電梯供水供水通風通風空調(diào)空調(diào)安防安防抄表抄表工業(yè)機器人：拉提琴拉提琴靈巧手靈巧手排排 爆爆步行步行吹笛吹笛足球比賽足球比賽其他機器人： 自動控制的應(yīng)用領(lǐng)域軍事工業(yè)航空航天制造業(yè)機器人流程工業(yè)電子工業(yè)家用電器交通系統(tǒng)，樓宇系統(tǒng)，經(jīng)濟系統(tǒng)，社會系統(tǒng) 隨著生產(chǎn)和科學技術(shù)的發(fā)展，自動控制技術(shù)可以說已隨著生產(chǎn)和科學技術(shù)的發(fā)展，自動控制技術(shù)可以說已滲透到各種學

3、科領(lǐng)域，成為促進當代生產(chǎn)發(fā)展和科學技術(shù)滲透到各種學科領(lǐng)域，成為促進當代生產(chǎn)發(fā)展和科學技術(shù)進步的重要因素。進步的重要因素。 事實上，任何技術(shù)事實上，任何技術(shù)設(shè)備、工作機械或生產(chǎn)設(shè)備、工作機械或生產(chǎn)過程都必須按要求運行。過程都必須按要求運行。例如：要使火炮能自動例如：要使火炮能自動跟蹤并命中飛行目標，跟蹤并命中飛行目標，炮身就必須按照指揮儀炮身就必須按照指揮儀的命令而作方位角和俯的命令而作方位角和俯仰角的變動；仰角的變動； 要把數(shù)噸重人造衛(wèi)星送入數(shù)百公里高空的軌道，使其所攜帶的各種儀器能長期使用、準確地工作，就必須保持衛(wèi)星的正確姿態(tài)，使它的太陽能電池一直朝向太陽，無線電發(fā)射天線一直指向地球； 要使

4、數(shù)控機床能加工出高精度的工件，就必須保證其工作臺或刀架的進給量準確地按照程序指令的設(shè)定值變化；要想使輪船安全順利的要想使輪船安全順利的航行，就必須按照領(lǐng)航航行，就必須按照領(lǐng)航員的命令改變尾舵的方員的命令改變尾舵的方向；向；所有這一切都是以高水平的自動控制技術(shù)為前提的。要使煉鋼爐提供優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品，就必須嚴格控制爐溫要使煉鋼爐提供優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品，就必須嚴格控制爐溫等等。等等。 隨著自動控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用和迅猛發(fā)展，出現(xiàn)了許多新問題，這些問題要求從理論上加以解決。自動控制理論正是在解決這些實際技術(shù)問題的過程中逐步形成和發(fā)展起來的，它是研究自動控制技術(shù)的基礎(chǔ)理論，是研究自動控制共同規(guī)律的技術(shù)科學。按其發(fā)展的

5、不同階段，可把自動控制理論分為經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論兩大部分。 經(jīng)典控制理論也就是自動控制原理，是20世紀40年代到50年代形成的一門獨立學科。早期的控制自動控制理論的發(fā)展概況系統(tǒng)較為簡單，只要列出微分方程并求解之，就可以用時域法分析他們的性能。第二次世界大戰(zhàn)前后，由于生產(chǎn)和軍事的需要，各國均在大力研制新型武器，于是出現(xiàn)了較復(fù)雜的控制系統(tǒng)，這些控制系統(tǒng)通常是用高階微分方程來描述的。由于高階微分方程求解的困難，各種控制系統(tǒng)的理論研究和分析方法就應(yīng)運而生。1932年奈奎斯特（H.Nyquist）在研究負反饋放大器時創(chuàng)立了有名的穩(wěn)定性判據(jù)，并提出了穩(wěn)定裕量的概念。 在此基礎(chǔ)上，1945年伯德（H

6、.W.Bode）提出了分析控制系統(tǒng)的一種圖解方法即頻率法，致使研究控制系統(tǒng)的方法由初期的時域分析轉(zhuǎn)到頻域分析。隨后，1948年伊文斯（W.R.Evans）又創(chuàng)立了另一種圖解法即有名的根軌跡法。追溯到1877年，勞斯（E.Routh）和1895年赫爾維茨（A.Hurwitz）分別獨立地提出了關(guān)于判斷控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的代數(shù)判據(jù)。這些都是經(jīng)典控制理論的重要組成部分。50年代中期，經(jīng)典控制理論又添加了非線性系統(tǒng)理論和離散控制理論，從而形成了完整的理論體系。 4050年代年代 經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論 （頻域法或復(fù)頻域法）（頻域法或復(fù)頻域法）核心：傳遞函數(shù)，穩(wěn)定性、穩(wěn)定裕度等核心：傳遞函數(shù)，穩(wěn)定性、穩(wěn)定裕

7、度等特點：圖形方法，直觀簡便，設(shè)置參數(shù)少，特點：圖形方法，直觀簡便，設(shè)置參數(shù)少， （以簡單控制結(jié)構(gòu)獲取相對滿意的性能）（以簡單控制結(jié)構(gòu)獲取相對滿意的性能） 適用范圍：單輸入單輸出（適用范圍：單輸入單輸出（SISO）系統(tǒng)）系統(tǒng)數(shù)學基礎(chǔ)：復(fù)變函數(shù)，積分變換數(shù)學基礎(chǔ)：復(fù)變函數(shù)，積分變換SISO: Single Input and Single Output 50年代開始，由于空間技術(shù)的發(fā)展，各種高速、高性能的飛行器相繼出現(xiàn)，要求高精度地處理多變量、非線性、時變和自適應(yīng)等控制問題，60年代初又形成了現(xiàn)代控制理論?，F(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)是：1956年龐特里亞金提出了極大值原理，1957年貝爾曼（R.Bell

8、man）提出了動態(tài)規(guī)劃，1960年卡爾曼（R.E.Kalman）提出了最優(yōu)濾波理論以及狀態(tài)空間方法的應(yīng)用。從60年代至今40多年來，現(xiàn)代控制理論又有巨大的發(fā)展，并形成了若干學科分支，如線性控制理論、最優(yōu)控制理論、動態(tài)系統(tǒng)辨識、自適應(yīng)控制、大系統(tǒng)理論等。 60 70年代年代 現(xiàn)代控制理論（狀態(tài)空間法）現(xiàn)代控制理論（狀態(tài)空間法）核心：狀態(tài)變量的能控、能觀性，核心：狀態(tài)變量的能控、能觀性， 系統(tǒng)性能的最優(yōu)化系統(tǒng)性能的最優(yōu)化特點：時域法，統(tǒng)一處理特點：時域法，統(tǒng)一處理SISO、MIMO系統(tǒng)，系統(tǒng)， 有完整的理論體系有完整的理論體系 數(shù)學基礎(chǔ)：線性代數(shù)，矩陣理論數(shù)學基礎(chǔ)：線性代數(shù)，矩陣理論缺點：對系統(tǒng)的

9、數(shù)學模型精度要求高，缺點：對系統(tǒng)的數(shù)學模型精度要求高， 實際性能達不到設(shè)計的最優(yōu)，實際性能達不到設(shè)計的最優(yōu)， 所需狀態(tài)反饋難以直接實現(xiàn)所需狀態(tài)反饋難以直接實現(xiàn)MIMO: Multi-Input and Multi-Output70年代年代現(xiàn)在現(xiàn)在 多種新型控制理論多種新型控制理論 經(jīng)典經(jīng)典SISOMIMO； 基于互質(zhì)分解的全新的頻域優(yōu)化理論基于互質(zhì)分解的全新的頻域優(yōu)化理論魯棒性（魯棒性（robustness）：系統(tǒng)存在模型誤差或）：系統(tǒng)存在模型誤差或 受到受到擾動時仍能保持良好性能的能力擾動時仍能保持良好性能的能力魯棒控制：使系統(tǒng)具有良好魯棒性的控制魯棒控制：使系統(tǒng)具有良好魯棒性的控制70年代

10、年代現(xiàn)在現(xiàn)在 多種新型控制理論多種新型控制理論控制系統(tǒng)具有擬人智能（學習、記憶、判斷、推控制系統(tǒng)具有擬人智能（學習、記憶、判斷、推理等）理等）被控系統(tǒng)具有高維數(shù)、強關(guān)聯(lián)、多約束、多目標、不確被控系統(tǒng)具有高維數(shù)、強關(guān)聯(lián)、多約束、多目標、不確定性、分散性、非線性、大時滯、難建模等特征，如電定性、分散性、非線性、大時滯、難建模等特征，如電力系統(tǒng)、城市交通系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、制造系統(tǒng)、經(jīng)濟系力系統(tǒng)、城市交通系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、制造系統(tǒng)、經(jīng)濟系統(tǒng)等統(tǒng)等 自動控制技術(shù)的應(yīng)用，推動了控制理論的發(fā)展；而自動控制理論的發(fā)展，又指導(dǎo)了控制技術(shù)的應(yīng)用，使其進一步完善。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，自動控制技術(shù)及理論已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于機

11、械、冶金、石油、化工、電子、電力、航空、航海、航天、核反應(yīng)等各個學科領(lǐng)域。近年來，控制科學的應(yīng)用范圍還擴展到生物、醫(yī)學、環(huán)境、經(jīng)濟管理和其他許多社會生活領(lǐng)域，并為各學科之間的相互滲透起了促進作用?？梢院敛豢鋸埖卣f，自動控制技術(shù)和理論已經(jīng)成為現(xiàn)代化社會不可缺少的組成部分。 自動控制技術(shù)的應(yīng)用，不僅使生產(chǎn)過程實現(xiàn)自動化，從而提高了勞動生產(chǎn)率和生活質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟效益，改善勞動條件，而且在人類征服大自然、探索新能源、發(fā)展空間技術(shù)和創(chuàng)造人類文明等方面都具有十分重要的意義。作為現(xiàn)代的工程技術(shù)人員和科學工作者，都必須具備一定的自動控制理論基礎(chǔ)知識。 本課程的體系結(jié)構(gòu)內(nèi)容：經(jīng)典控制理論 建模、分

12、析、綜合范圍：線性定常SISO系統(tǒng) （包括連續(xù)與離散）與非線性系統(tǒng)重點：基本概念、基本理論、基本方法 高等數(shù)學微分方程、拉氏變換、富 氏變換及復(fù)變函數(shù)等電 路電路理論及運算方法、暫 態(tài)過程分析電子技術(shù)運算放大器元件及參數(shù) 計算電 機工作原理及機械特性基基 本本 要要 求求 通過學習本課程，獲得自動控制系統(tǒng)的基本概念和基本理論；掌握分析自動控制系統(tǒng)或過程控制系統(tǒng)的基本方法。 自動控制理自動控制理論論經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論非線性控制系統(tǒng)非線性控制系統(tǒng)第第二二章章第第三三章章第第四四章章第第五五章章第第六六章章第第七七章章第第八八章章線性控制系統(tǒng)線性控制系統(tǒng)連續(xù)控制系統(tǒng)連續(xù)

13、控制系統(tǒng)離散控制系統(tǒng)離散控制系統(tǒng)自動控制概論自動控制概論 1 引言引言 2 自動控制的基本原理自動控制的基本原理 3 自動控制系統(tǒng)的分類自動控制系統(tǒng)的分類 4 自動控制理論概要自動控制理論概要 主要內(nèi)容主要內(nèi)容1.自動控制的基本原理自動控制的基本原理2.概念：自動控制、受控對象、控制器、被控量等概念：自動控制、受控對象、控制器、被控量等3.自動控制的基本方式和自動控制系統(tǒng)的分類自動控制的基本方式和自動控制系統(tǒng)的分類4.掌握根據(jù)系統(tǒng)原理圖畫方框圖的方法掌握根據(jù)系統(tǒng)原理圖畫方框圖的方法5.對控制系統(tǒng)的基本要求對控制系統(tǒng)的基本要求6.典型輸入信號典型輸入信號1.2.1 自動控制的基本概念自動控制的基

14、本概念 1、人工控制：、人工控制：控制系統(tǒng)可以由人工控制，也可以采用自動控制?？刂葡到y(tǒng)可以由人工控制，也可以采用自動控制。進進水水水水池池要要求求水水位位實實際際水水位位出出水水圖圖11 水位人工控制原理圖水位人工控制原理圖 如圖如圖11 所示，所示， 水水 位保持系統(tǒng)。位保持系統(tǒng)。1. 2 自動控制的基本原理自動控制的基本原理若要求在出水量隨意的條件下，保持水位高度不變：若要求在出水量隨意的條件下，保持水位高度不變：操作人員需先測實際水位，并在腦子中與要求的水操作人員需先測實際水位，并在腦子中與要求的水位進行比較。若低于要求的水位，則需開大進水閥位進行比較。若低于要求的水位，則需開大進水閥門

15、。否則應(yīng)關(guān)小進水閥門。若兩者正好相等，則進門。否則應(yīng)關(guān)小進水閥門。若兩者正好相等，則進水閥門不動。水閥門不動。人工控制（續(xù)）人工控制（續(xù)） 根據(jù)系統(tǒng)原理圖可畫出其方框圖如圖根據(jù)系統(tǒng)原理圖可畫出其方框圖如圖12所示。所示。 要要求求水水位位執(zhí)執(zhí)行行水水池池實實際際水水位位出出水水量量測測量量 比比較較、計計算算圖圖12 水位人工控制系統(tǒng)方框圖水位人工控制系統(tǒng)方框圖人工控制（續(xù)）人工控制（續(xù)） 2、自動控制：、自動控制： 該水池若改為由自動控制裝置代替操作人員：由該水池若改為由自動控制裝置代替操作人員：由 浮子測出實際水位，與要求的水位比較。然后得出偏浮子測出實際水位，與要求的水位比較。然后得出偏

16、 差再由調(diào)節(jié)元件根據(jù)偏差的大小和正負產(chǎn)生控制信號。差再由調(diào)節(jié)元件根據(jù)偏差的大小和正負產(chǎn)生控制信號。 最后由執(zhí)行元件根據(jù)信號產(chǎn)生控制作用。如圖最后由執(zhí)行元件根據(jù)信號產(chǎn)生控制作用。如圖1-3所示。所示。進進水水浮浮子子實實際際水水位位出出水水 + +- -連連桿桿電電機機M M圖圖13 水位自動控制系統(tǒng)原理圖水位自動控制系統(tǒng)原理圖 在此：浮子測水位，由連桿和電位器進行比較：浮在此：浮子測水位，由連桿和電位器進行比較：浮子低則電位器上得到正電壓，經(jīng)放大后使電機向進水閥子低則電位器上得到正電壓，經(jīng)放大后使電機向進水閥門開大的方向旋轉(zhuǎn)；反之，當浮子高時，電位器上得到門開大的方向旋轉(zhuǎn)；反之，當浮子高時，電

17、位器上得到負電壓，電機向閥門關(guān)小的方向旋轉(zhuǎn)；若水位正好，則負電壓，電機向閥門關(guān)小的方向旋轉(zhuǎn)；若水位正好，則電位器上電壓為零，電機不轉(zhuǎn)，閥門不動。電位器上電壓為零，電機不轉(zhuǎn)，閥門不動。要求水位電電機機閥閥門門水水池池出出水水量量實實際際水水位位浮浮子子 電位器連桿比較圖圖14水位自動控制系統(tǒng)方框圖水位自動控制系統(tǒng)方框圖自動控制（續(xù)）自動控制（續(xù)）3、控制系統(tǒng)中的常用術(shù)語、控制系統(tǒng)中的常用術(shù)語 (1) 自動控制自動控制在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置使整個生產(chǎn)過程或工作機械自動的按預(yù)定規(guī)律備或裝置使整個生產(chǎn)過程或工作機械自動的按預(yù)定規(guī)律運行、或使

18、其某個參數(shù)按要求變化。運行、或使其某個參數(shù)按要求變化。(2) 控制裝置控制裝置外加的設(shè)備或裝置，亦叫控制器。外加的設(shè)備或裝置，亦叫控制器。(3) 受控對象受控對象被控制的機器或物體。被控制的機器或物體。(4) 被控量被控量表征被控對象工作狀態(tài)的物理參量，也叫輸出表征被控對象工作狀態(tài)的物理參量，也叫輸出量。量。(4) 給定量給定量要求被控量所應(yīng)保持的數(shù)值。也叫輸入量或叫要求被控量所應(yīng)保持的數(shù)值。也叫輸入量或叫參考輸入。參考輸入。(5) 干擾量干擾量系統(tǒng)不希望的外作用，也叫擾動輸入。系統(tǒng)不希望的外作用，也叫擾動輸入。如水位自動控制系統(tǒng)：如水位自動控制系統(tǒng)：進進 水水浮浮 子子實實際際水水位位出出

19、水水 + +- -連連桿桿電電 機機M M圖圖13 水位自動控制系統(tǒng)原理圖水位自動控制系統(tǒng)原理圖干擾干擾信號信號 測量測量元件元件 輸出量輸出量 受控對象受控對象 比較元件比較元件 (9)(9) 自動控制系統(tǒng)：由受控對象和控制器按一定方式連接自動控制系統(tǒng)：由受控對象和控制器按一定方式連接起來的、完成一定自動控制任務(wù)的總體。起來的、完成一定自動控制任務(wù)的總體。如圖如圖15所示。所示。圖圖15 自動控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)給定量給定量控制器控制器被控量被控量干擾量干擾量自控系統(tǒng)自控系統(tǒng)受控對象受控對象(7) (7) 反饋量：由系統(tǒng)輸出端取出并反向送回系統(tǒng)輸反饋量：由系統(tǒng)輸出端取出并反向送回系統(tǒng)輸 入端

20、的信號。反饋有主反饋和局部反饋之分。入端的信號。反饋有主反饋和局部反饋之分。(8) (8) 偏差量：給定量與主反饋信號之差。偏差量：給定量與主反饋信號之差。串 聯(lián) 校 正放 大執(zhí) 行受 控 對 象反 饋 校 正測 量輸入量輸入量輸出量輸出量圖圖16 自動控制系統(tǒng)的組成自動控制系統(tǒng)的組成 自動控制的任務(wù)自動控制的任務(wù)利用控制器操縱受控對象，使其被控量利用控制器操縱受控對象，使其被控量按技術(shù)要求變化。若按技術(shù)要求變化。若r(t)給定量，給定量，c(t)被控量，則自控被控量，則自控的任務(wù)之數(shù)學表達式為：使被控量滿足的任務(wù)之數(shù)學表達式為：使被控量滿足c(t) r(t)。自控系。自控系統(tǒng)的組成如統(tǒng)的組成

21、如1-6圖所示。圖所示。1.2.2 自動控制系統(tǒng)的基本組成自動控制系統(tǒng)的基本組成給定元件：其職能是給出與期望的被控量相對給定元件：其職能是給出與期望的被控量相對 應(yīng)的系統(tǒng)輸入量。一般為電位器。應(yīng)的系統(tǒng)輸入量。一般為電位器。比較元件：其職能是把測量到的被控量實際值比較元件：其職能是把測量到的被控量實際值 與給定元件給出的輸入量進行比較，求出他們與給定元件給出的輸入量進行比較，求出他們 之間的偏差。常用的有差動放大器、機械差動之間的偏差。常用的有差動放大器、機械差動 裝置、電橋電路、計算機等。裝置、電橋電路、計算機等。測量元件：其職能是檢測被控制量的物理量。測量元件：其職能是檢測被控制量的物理量。

22、 如測速機、熱電偶、自整角機、電位器、旋轉(zhuǎn)如測速機、熱電偶、自整角機、電位器、旋轉(zhuǎn) 變壓器、浮子等。變壓器、浮子等?；窘M成（續(xù)）基本組成（續(xù)）放大元件：其職能是將比較元件給出的偏差放大元件：其職能是將比較元件給出的偏差 信號進行放大，用來推動執(zhí)行元件去控制受信號進行放大，用來推動執(zhí)行元件去控制受 控對象。如：晶體管、集成電路、晶閘管等控對象。如：晶體管、集成電路、晶閘管等 組成的電壓、功率放大器。組成的電壓、功率放大器。執(zhí)行元件：其職能是直接推動受控對象，使執(zhí)行元件：其職能是直接推動受控對象，使 其被控量發(fā)生變化。如：閥門、電機、液壓其被控量發(fā)生變化。如：閥門、電機、液壓 馬達等。馬達等?；?/p>

23、本組成（續(xù)）基本組成（續(xù)）自控系統(tǒng)的特點：自控系統(tǒng)的特點：從信號傳送看：從信號傳送看：c(t)經(jīng)測量后回到輸入端，構(gòu)成閉環(huán)，經(jīng)測量后回到輸入端，構(gòu)成閉環(huán)，具有反饋形式，且為負反饋。具有反饋形式，且為負反饋。從控制作用的產(chǎn)生看：由偏差產(chǎn)生的控制作用使系統(tǒng)沿從控制作用的產(chǎn)生看：由偏差產(chǎn)生的控制作用使系統(tǒng)沿減小或消除偏差的方向運動減小或消除偏差的方向運動偏差控制。偏差控制。校正元件：也叫補償元件，它是結(jié)構(gòu)或參數(shù)便于校正元件：也叫補償元件，它是結(jié)構(gòu)或參數(shù)便于 調(diào)整的元件。用串聯(lián)或并聯(lián)（反饋）的方式連接調(diào)整的元件。用串聯(lián)或并聯(lián)（反饋）的方式連接 于系統(tǒng)中，以改善系統(tǒng)的性能。如：電阻、電容于系統(tǒng)中，以改善

24、系統(tǒng)的性能。如：電阻、電容 組成的無源或有源網(wǎng)絡(luò)，還有計算機。組成的無源或有源網(wǎng)絡(luò)，還有計算機?；窘M成（續(xù)）基本組成（續(xù)）1.2.3 自動控制的基本方式一、一、開環(huán)控制系統(tǒng)：開環(huán)控制系統(tǒng)：1.定義：開環(huán)控制定義：開環(huán)控制控制器與被控對象之間只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。有順向作用而沒有反向聯(lián)系的控制過程。2.特點：被控量對系統(tǒng)的控制作用不產(chǎn)生影響，特點：被控量對系統(tǒng)的控制作用不產(chǎn)生影響， 需要控制的是需要控制的是c(t)，而測量的只是，而測量的只是r(t).+ + +u ug g- -U Ua a功功放放n n負負載載u ug gu ua an n電電動動機機

25、功功放放圖圖17 開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)（續(xù)）開環(huán)控制系統(tǒng)（續(xù)）3. 例如：直流電機開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)如圖例如：直流電機開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)如圖17所示。所示。 給定電壓放大后得到電樞電壓給定電壓放大后得到電樞電壓ua，從而控制，從而控制轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速n。 改變改變ugua改變改變n改變，改變，ug與與n一一對一一對應(yīng)。但是，當負載變化時（干擾量），會使應(yīng)。但是，當負載變化時（干擾量），會使n改改變，即使變，即使ug不變，不變，n 也改變。也改變。ua（ug）與）與n的關(guān)的關(guān)系不精確，抗擾動能力差，系統(tǒng)控制精度難以保系不精確，抗擾動能力差，系統(tǒng)控制精度難以保證，應(yīng)用少。證，應(yīng)用少。開環(huán)控制系

26、統(tǒng)（續(xù)）開環(huán)控制系統(tǒng)（續(xù)）二、閉環(huán)控制系統(tǒng)二、閉環(huán)控制系統(tǒng)：1.定義：閉環(huán)控制定義：閉環(huán)控制被控量與給定值比較后用其被控量與給定值比較后用其偏差對系統(tǒng)進行控制。亦稱反饋控制。偏差對系統(tǒng)進行控制。亦稱反饋控制。2.特點：不論什么原因使被控量偏離期望值而出現(xiàn)偏特點：不論什么原因使被控量偏離期望值而出現(xiàn)偏差時，必定會產(chǎn)生一個相應(yīng)的控制作用去減小或消差時，必定會產(chǎn)生一個相應(yīng)的控制作用去減小或消除這個偏差，使被控量與期望值趨于一致。需要控除這個偏差，使被控量與期望值趨于一致。需要控制的是制的是c(t)、而測量的是、而測量的是c(t)對對r(t)的偏差。只要的偏差。只要c(t)出現(xiàn)偏差，系統(tǒng)就自行糾正。出

27、現(xiàn)偏差，系統(tǒng)就自行糾正。3. 例如：直流電機閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)如圖例如：直流電機閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)如圖18所示。所示。自動控制概論自動控制概論+ + + + +- -+ +- -T TG GMMu ug gu uu u1 1u ua a- -n nu un n= =n n電電壓壓放放大大功功率率放放大大負負載載u ug gu uu u1 1u ua an nu un n- -電電壓壓放放大大測測速速機機電電機機功功率率放放大大圖圖18 閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)（續(xù)）閉環(huán)控制系統(tǒng)（續(xù)）自動控制概論自動控制概論 負載負載TL(TeTL)nunuu1ua n 或溫度或溫度TRaEnunuu1

28、ua n系統(tǒng)精度高、抗干擾能力強、應(yīng)用廣泛。系統(tǒng)精度高、抗干擾能力強、應(yīng)用廣泛。閉環(huán)控制系統(tǒng)（續(xù)）閉環(huán)控制系統(tǒng)（續(xù)）三、復(fù)合控制系統(tǒng)：三、復(fù)合控制系統(tǒng)：1.定義：復(fù)合控制定義：復(fù)合控制給定補償或干擾補償與反饋控制給定補償或干擾補償與反饋控制 結(jié)合起來就組成復(fù)合控制。結(jié)合起來就組成復(fù)合控制。自動控制概論自動控制概論復(fù)合控制系統(tǒng)（續(xù)）復(fù)合控制系統(tǒng)（續(xù)）2. 例如：例如： 如圖如圖19 所示調(diào)速所示調(diào)速 系統(tǒng)。此系統(tǒng)。此 系統(tǒng)在閉系統(tǒng)在閉 環(huán)控制的環(huán)控制的 基礎(chǔ)上增基礎(chǔ)上增 加了負載加了負載 擾動補償。擾動補償。+ +u ug g+ + + + + + +- - - -u un n= =n nu u

29、a aR Rs sM MT TG Gu u1 1u u2 2- -電電壓壓放放大大功功率率放放大大電電壓壓放放大大負負載載u u1 1u us si i圖圖19 復(fù)合控制調(diào)速系統(tǒng)原理圖復(fù)合控制調(diào)速系統(tǒng)原理圖自動控制概論自動控制概論負載突增負載突增TLI IdLdLU Us sU U2 2= =U U1 1+ +U Us s必必u ua an nTeTLn n測測速速機機功功率率放放大大u ug gu un nu u1 1- -電電壓壓放放大大u u1 1u us su u2 2電電壓壓放放大大電電機機R Rs sT TL L( (I Id dL L) )n nu ua a圖圖110 復(fù)合控制調(diào)

30、速系統(tǒng)方框圖復(fù)合控制調(diào)速系統(tǒng)方框圖復(fù)合控制系統(tǒng)（續(xù)）復(fù)合控制系統(tǒng)（續(xù)）自動控制概論自動控制概論1. 3 自動控制系統(tǒng)的分類自動控制系統(tǒng)的分類1.3.1 從信號傳送的特點或系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點分類從信號傳送的特點或系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點分類 可以將控制系統(tǒng)分為開環(huán)控制系統(tǒng)、閉可以將控制系統(tǒng)分為開環(huán)控制系統(tǒng)、閉 環(huán)控制系統(tǒng)和復(fù)合控制系統(tǒng)三大類，前環(huán)控制系統(tǒng)和復(fù)合控制系統(tǒng)三大類，前 已述及，故不贅述。已述及，故不贅述。自動控制概論自動控制概論一、一、恒值系統(tǒng)：恒值系統(tǒng)：1.定義定義r(t)為常值的系統(tǒng)。為常值的系統(tǒng)。2.目的目的保證保證c(t)恒定。恒定。3.例如：調(diào)速系統(tǒng)（當例如：調(diào)速系統(tǒng)（當ug不變時），水池水不

31、變時），水池水位控制系統(tǒng)，空調(diào)、冰箱、恒溫箱及爐溫位控制系統(tǒng)，空調(diào)、冰箱、恒溫箱及爐溫控制系統(tǒng)等。控制系統(tǒng)等。1.3.2 按給定值的特點分：按給定值的特點分：自動控制概論自動控制概論D DA AA AD D放放大大濾濾波波熱熱電電偶偶電電爐爐電電阻阻絲絲T TP P3 30 01 1- -B B單單板板機機 期期望望T T計計算算機機D D/ /A A觸觸發(fā)發(fā)器器晶晶閘閘管管爐爐體體環(huán)環(huán)溫溫T TA A/ /D D- -放放大大濾濾波波熱熱電電偶偶圖圖1 112 12 電阻爐微機溫度控制系統(tǒng)電阻爐微機溫度控制系統(tǒng)恒值系統(tǒng)（續(xù)）恒值系統(tǒng)（續(xù)）自動控制概論自動控制概論 如圖如圖112所示為電阻爐微

32、機溫度控制系統(tǒng)，電阻絲所示為電阻爐微機溫度控制系統(tǒng)，電阻絲通過晶閘管主電路加熱，爐溫期望值用計算機鍵盤預(yù)先設(shè)通過晶閘管主電路加熱，爐溫期望值用計算機鍵盤預(yù)先設(shè)置，實際爐溫由熱電偶檢測，并轉(zhuǎn)換成電壓（置，實際爐溫由熱電偶檢測，并轉(zhuǎn)換成電壓（mv），經(jīng)），經(jīng)放大濾波后，由模放大濾波后，由模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）將模擬信號）將模擬信號數(shù)數(shù)字信號送入計算機。在計算機中與所設(shè)置的期望值比字信號送入計算機。在計算機中與所設(shè)置的期望值比較后產(chǎn)生偏差信號。計算機便根據(jù)預(yù)定的控制算法較后產(chǎn)生偏差信號。計算機便根據(jù)預(yù)定的控制算法（即控制（即控制 規(guī)律）計算相應(yīng)的控制量，再經(jīng)規(guī)律）計算相應(yīng)的控制量，再經(jīng)D/

33、A轉(zhuǎn)換變?yōu)檗D(zhuǎn)換變?yōu)楹阒迪到y(tǒng)（續(xù)）恒值系統(tǒng)（續(xù)）自動控制概論自動控制概論4. 優(yōu)點優(yōu)點: 計算機溫度控制系統(tǒng)，具有精度高、功能計算機溫度控制系統(tǒng)，具有精度高、功能 強、經(jīng)濟性好、無噪聲、顯示醒目、讀數(shù)強、經(jīng)濟性好、無噪聲、顯示醒目、讀數(shù) 直觀、打印存檔方便、操作簡單、靈活性直觀、打印存檔方便、操作簡單、靈活性 和適應(yīng)性好等一系列優(yōu)點。和適應(yīng)性好等一系列優(yōu)點。 010mA的電流，通過觸發(fā)器控制晶閘管的控的電流，通過觸發(fā)器控制晶閘管的控制角制角，從而改變晶閘管的整流電壓，也就改變了，從而改變晶閘管的整流電壓，也就改變了電阻絲中電流的大小，達到控制爐溫的目的。電阻絲中電流的大小，達到控制爐溫的目的。恒

34、值系統(tǒng)（續(xù)）恒值系統(tǒng)（續(xù)）自動控制概論自動控制概論3. 例如：跟蹤目標的雷達系統(tǒng)、火炮群控例如：跟蹤目標的雷達系統(tǒng)、火炮群控 制系制系 統(tǒng)、導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)、參數(shù)的自動檢驗系統(tǒng)、統(tǒng)、導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)、參數(shù)的自動檢驗系統(tǒng)、 X-Y記錄儀、船舶駕駛舵位跟蹤系統(tǒng)、飛機自記錄儀、船舶駕駛舵位跟蹤系統(tǒng)、飛機自 動駕駛儀等等。動駕駛儀等等。 如圖如圖113所示為船舶駕駛舵角位置跟蹤系統(tǒng)。所示為船舶駕駛舵角位置跟蹤系統(tǒng)。 1.定義：給定值隨意變化而事先無法知道的系統(tǒng)。定義：給定值隨意變化而事先無法知道的系統(tǒng)。2.目的：使目的：使c(t)按一定精度跟蹤按一定精度跟蹤r(t)的變化。的變化。二、隨動系統(tǒng)二、隨動系統(tǒng)自動

35、控制概論自動控制概論U Ui iu u0 0i0-+Mnu u電壓放大功率放大負載圖圖1 113 13 船舶駕駛舵角位置跟蹤系統(tǒng)船舶駕駛舵角位置跟蹤系統(tǒng)隨動系統(tǒng)（續(xù)）隨動系統(tǒng)（續(xù)）其任務(wù)是使船舵角位置按給定指令變化，即要求其任務(wù)是使船舵角位置按給定指令變化，即要求0跟跟隨隨i:0(t)=i(t)。第一章第一章 自動控制概論自動控制概論uiu0uiu0-=u u圖圖1 11414 電 位 計電 壓 放 大功 率 放 大電 機船 舵-i0圖圖1 115 15 船舶駕駛舵角位置跟蹤系統(tǒng)方框圖船舶駕駛舵角位置跟蹤系統(tǒng)方框圖隨動系統(tǒng)（續(xù)）隨動系統(tǒng)（續(xù)）該系統(tǒng)由船舵（受控對該系統(tǒng)由船舵（受控對象）、電位計

36、（測量、象）、電位計（測量、比較元件）、電機、減比較元件）、電機、減速器、電壓和功率放大速器、電壓和功率放大器等組成。器等組成。自動控制概論自動控制概論 由兩個電位計組成橋式連接，由兩個電位計組成橋式連接，u=ui-ua。若。若0=i， 則預(yù)先整定則預(yù)先整定ui=u0 ,則則u=0， 電機不動，系統(tǒng)處于平電機不動，系統(tǒng)處于平 衡狀態(tài)。若衡狀態(tài)。若i 變了，而變了，而0 未變，則有未變，則有0i ， uiu0，u0 ，從而使電機轉(zhuǎn)動，帶動船舵角位，從而使電機轉(zhuǎn)動，帶動船舵角位 置置0向向i 要求的位置變化，直至要求的位置變化，直至0=i ，u=0 ， 電機才停止。系統(tǒng)重又平衡。電機才停止。系統(tǒng)重

37、又平衡。隨動系統(tǒng)（續(xù)）隨動系統(tǒng)（續(xù)）4. 優(yōu)點：控制對象簡單，指令信號事先無法知道其優(yōu)點：控制對象簡單，指令信號事先無法知道其變化規(guī)律?？捎霉β屎苄〉闹噶钚盘柌倏v功率很變化規(guī)律?？捎霉β屎苄〉闹噶钚盘柌倏v功率很大的工作機械，還可進行遠距離控制。大的工作機械，還可進行遠距離控制。自動控制概論自動控制概論三、程控系統(tǒng)：三、程控系統(tǒng)：1.定義：給定值或指令輸入信號按預(yù)定程序變化的定義：給定值或指令輸入信號按預(yù)定程序變化的 系統(tǒng)。系統(tǒng)。1.目的：目的：c(t)按預(yù)定的程序去運行。按預(yù)定的程序去運行。2.例如：順序控制器、數(shù)控機床、仿形機床等。例如：順序控制器、數(shù)控機床、仿形機床等。 如圖如圖116所示

38、為數(shù)控機床，將輸入處理，所示為數(shù)控機床，將輸入處理， 插補計算和控制功能可由邏輯電路實現(xiàn)，插補計算和控制功能可由邏輯電路實現(xiàn)， 也可由計算機來完成。也可由計算機來完成。 一般都將加工軌跡編好程序。并轉(zhuǎn)換成脈一般都將加工軌跡編好程序。并轉(zhuǎn)換成脈 沖輸入，再將工作臺移動軌跡也換算成脈沖輸入，再將工作臺移動軌跡也換算成脈 沖側(cè)出來與輸入脈沖比較后再換算成模擬沖側(cè)出來與輸入脈沖比較后再換算成模擬 信號用以控制信號用以控制SM。自動控制概論自動控制概論進給脈沖比較放大SM齒輪箱工作臺測量反饋脈沖圖圖1 116 16 數(shù)控機床控制系統(tǒng)方框圖數(shù)控機床控制系統(tǒng)方框圖程控系統(tǒng)（續(xù)）程控系統(tǒng)（續(xù)）自動控制概論自動

39、控制概論可分為線性控制系統(tǒng)和非線性控制系統(tǒng)可分為線性控制系統(tǒng)和非線性控制系統(tǒng) 線性系統(tǒng)的數(shù)學描述：線性系統(tǒng)的數(shù)學描述： 線性函數(shù)，如線性微分方程、線性差分方程、線性函數(shù)，如線性微分方程、線性差分方程、 線性代數(shù)方程。線性系統(tǒng)具有齊次性和疊加線性代數(shù)方程。線性系統(tǒng)具有齊次性和疊加 性，其優(yōu)點是數(shù)學處理簡便，理論體系完整。性，其優(yōu)點是數(shù)學處理簡便，理論體系完整。 非線性控制系統(tǒng)：非線性控制系統(tǒng)： 用非線性方程描述的系統(tǒng)，不滿足疊加原理。用非線性方程描述的系統(tǒng)，不滿足疊加原理。1.3.3 按數(shù)學描述分類按數(shù)學描述分類自動控制概論自動控制概論1.3.4 按時間信號的性質(zhì)分類按時間信號的性質(zhì)分類可分為連

40、續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng)：可分為連續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng)： 連續(xù)控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中各變量均對時間連續(xù)。連續(xù)控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中各變量均對時間連續(xù)。離散控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中一處或幾處的變量為離離散控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中一處或幾處的變量為離 散信號，如計算機控制系統(tǒng)或采樣控制系統(tǒng)。散信號，如計算機控制系統(tǒng)或采樣控制系統(tǒng)。0t t連續(xù)信號連續(xù)信號0t t離散信號離散信號自動控制概論自動控制概論 定常系統(tǒng)：定常系統(tǒng)： 系統(tǒng)的參數(shù)不隨時間變化的系統(tǒng)。描述其系統(tǒng)的參數(shù)不隨時間變化的系統(tǒng)。描述其 動態(tài)特性的微分方程或差分方程的系數(shù)為動態(tài)特性的微分方程或差分方程的系數(shù)為 常數(shù)。常數(shù)。 時變系統(tǒng)：時變系統(tǒng)： 系統(tǒng)的參數(shù)隨時間

41、而變化。描述其動態(tài)特性系統(tǒng)的參數(shù)隨時間而變化。描述其動態(tài)特性 的微分方程或差分方程的系數(shù)不為常數(shù)。的微分方程或差分方程的系數(shù)不為常數(shù)。 可分為定常系統(tǒng)與時變系統(tǒng)可分為定常系統(tǒng)與時變系統(tǒng)1.3.5 按系統(tǒng)參數(shù)是否隨時間變化分類按系統(tǒng)參數(shù)是否隨時間變化分類自動控制概論自動控制概論1. 4 自動控制理論概要自動控制理論概要 系統(tǒng)有各種各樣，對每個系統(tǒng)也都有不同的特殊要求，但系統(tǒng)有各種各樣，對每個系統(tǒng)也都有不同的特殊要求，但對于各類系統(tǒng)來說，在已知系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)時，研究的和感對于各類系統(tǒng)來說，在已知系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)時，研究的和感興趣的卻是系統(tǒng)在某種典型輸入信號下，其被控量變化的全過興趣的卻是系統(tǒng)在某

42、種典型輸入信號下，其被控量變化的全過程。也就是說，研究的內(nèi)容和方法都是相同或相似的，如：恒程。也就是說，研究的內(nèi)容和方法都是相同或相似的，如：恒值系統(tǒng)研究擾動作用引起被控量變化的全過程；隨動系統(tǒng)研究值系統(tǒng)研究擾動作用引起被控量變化的全過程；隨動系統(tǒng)研究被控量如何克服擾動影響并跟隨給定量的變化過程。所以對于被控量如何克服擾動影響并跟隨給定量的變化過程。所以對于各種控制系統(tǒng)的要求可歸納為：系統(tǒng)的各種控制系統(tǒng)的要求可歸納為：系統(tǒng)的c(t)必須迅速、準確必須迅速、準確的按輸入量的變化而變化，克服擾動影響。的按輸入量的變化而變化，克服擾動影響。1.4.1 自動控制系統(tǒng)的基本要求自動控制系統(tǒng)的基本要求自動

43、控制概論自動控制概論 實際中，由于機械部分質(zhì)量、慣量的存在以及電實際中，由于機械部分質(zhì)量、慣量的存在以及電路中路中L.C的存在，輸出不會是理想狀態(tài)。要有一個過渡的存在，輸出不會是理想狀態(tài)。要有一個過渡過程，最后趨于新的穩(wěn)態(tài)值。因此，從穩(wěn)、快、準三方過程，最后趨于新的穩(wěn)態(tài)值。因此，從穩(wěn)、快、準三方面來評價系統(tǒng)的總體精度。面來評價系統(tǒng)的總體精度。 r(t)00ttc(t)理想實際圖117圖118基本要求（續(xù)）基本要求（續(xù)）自動控制概論自動控制概論穩(wěn)定性穩(wěn)定性1.穩(wěn)定性指動態(tài)過程的振蕩傾向和系統(tǒng)重新恢復(fù)穩(wěn)定性指動態(tài)過程的振蕩傾向和系統(tǒng)重新恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力。平衡狀態(tài)的能力。2.穩(wěn)定性是保證控制系統(tǒng)正

44、常工作的先決條件，穩(wěn)定性是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件，一個穩(wěn)定的系統(tǒng)，其一個穩(wěn)定的系統(tǒng)，其c(t)偏離期望值的初始偏差偏離期望值的初始偏差應(yīng)隨應(yīng)隨t的延長逐漸減小或趨于零。的延長逐漸減小或趨于零。(如曲線和如曲線和)3.一個不穩(wěn)定的系統(tǒng)，其一個不穩(wěn)定的系統(tǒng)，其c(t)偏離期望值的初始偏偏離期望值的初始偏差將隨著差將隨著t的增長而發(fā)散。無法實現(xiàn)預(yù)定的任務(wù)。的增長而發(fā)散。無法實現(xiàn)預(yù)定的任務(wù)。（如曲線）（如曲線）自動控制概論自動控制概論c(t)t0基本要求（續(xù)）基本要求（續(xù)）自動控制概論自動控制概論 快速性快速性 1.快速性指動態(tài)過程進行的時間長短?？焖傩灾竸討B(tài)過程進行的時間長短。2.T過長：系

45、統(tǒng)長久出現(xiàn)大偏差，難以復(fù)現(xiàn)快速變化的過長：系統(tǒng)長久出現(xiàn)大偏差，難以復(fù)現(xiàn)快速變化的指令信號。（例雷達、導(dǎo)彈等）指令信號。（例雷達、導(dǎo)彈等）3.若滿足既穩(wěn)又快，則系統(tǒng)的動態(tài)精度高。（如：飛若滿足既穩(wěn)又快，則系統(tǒng)的動態(tài)精度高。（如：飛機自動駕駛儀系統(tǒng)、當飛機受到陣風干擾偏離航線。機自動駕駛儀系統(tǒng)、當飛機受到陣風干擾偏離航線。若系統(tǒng)自動恢復(fù)原航線的速度過快，則乘客感到不若系統(tǒng)自動恢復(fù)原航線的速度過快，則乘客感到不適。函數(shù)記錄儀還可能損壞記錄筆。）適。函數(shù)記錄儀還可能損壞記錄筆。）自動控制概論自動控制概論 準確性準確性 準確性指系統(tǒng)過渡過程結(jié)束到新準確性指系統(tǒng)過渡過程結(jié)束到新的平衡工作狀態(tài)以后或系統(tǒng)受干

46、擾后重的平衡工作狀態(tài)以后或系統(tǒng)受干擾后重新恢復(fù)平衡，最終保持的精度。反映后新恢復(fù)平衡，最終保持的精度。反映后期性能。期性能。自動控制概論自動控制概論 說明說明1.因受控對象的不同，各種系統(tǒng)對穩(wěn)、準、快的要求因受控對象的不同，各種系統(tǒng)對穩(wěn)、準、快的要求有所側(cè)重。如：恒值系統(tǒng)有所側(cè)重。如：恒值系統(tǒng)-對穩(wěn)（平衡）要求嚴格。對穩(wěn)（平衡）要求嚴格。而對隨動系統(tǒng)而對隨動系統(tǒng)-快、準要求高?？?、準要求高。2.同一個系統(tǒng)穩(wěn)、快、準是相互制約的，提高過渡過程同一個系統(tǒng)穩(wěn)、快、準是相互制約的，提高過渡過程的快速性，可能會引起振蕩；改善了平穩(wěn)性，過渡過的快速性，可能會引起振蕩；改善了平穩(wěn)性，過渡過程又很遲緩。程又很遲緩。3.本課程的主要內(nèi)容就是如何分析和解決上述矛盾。本課程的主要內(nèi)容就是如何分析和解決上述矛盾。自動控制概論自動控制概論1.4.2 典型輸入信號 1階躍函數(shù)（位置函數(shù)）：階躍函數(shù)（位置函數(shù)）： )( 1)(ttrstL1)( 1 000)(ttAtr自動控制概論自動控制概論當當B =1時，時， 稱為單稱為單 位斜坡函數(shù)。位斜坡函數(shù)。 )( 1)(tttr),( 1)( 1.1)( 12tttdtdsttL000)(ttBttr時時當當1C)( 121)(2tttr).( 1