自動控制原理第一章概述

1、自動控制原理自動控制原理濟南大學濟南大學主講：宗西舉主講：宗西舉辦公地點：信息樓辦公地點：信息樓 1203信控在線辦公信控在線辦公室室郵箱：郵箱：cse_聯(lián)系電話：聯(lián)系電話學時：總學時： 120自動控制原理自動控制原理 第第3版版 李友善李友善 編著，國防工編著，國防工業(yè)出版社，業(yè)出版社，2004年年 自動控制原理（第四版）胡壽松主編，自動控制原理（第四版）胡壽松主編，國防工業(yè)出版社，國防工業(yè)出版社，2002年年 自動控制原理自動控制原理 孫亮等主編，北京工業(yè)孫亮等主編，北京工業(yè)大學出版社大學出版社 1999年年自動控制原理自動控制原理 基本理論基本理論 例題詳解例題

2、詳解 典型習典型習題題 ，張家桂、黃明鍵主編，國防工業(yè)出版，張家桂、黃明鍵主編，國防工業(yè)出版社，社，2007年年自動控制原理實驗指導書，本?？刂谱詣涌刂圃韺嶒炛笇拘？刂茖W院自動學院自動 化系編化系編學習方式：學習方式：教教 材：材：參考書：參考書：習題集：習題集：實驗指導書：實驗指導書：授課、習題、實驗、考試授課、習題、實驗、考試2、拉普拉斯變換、反變換、拉普拉斯變換、反變換（1）求矩陣逆）求矩陣逆 伴伴隨隨矩矩陣陣:1AAAA A（2） 矩陣行列式矩陣行列式 3維維數(shù)學知識復習：數(shù)學知識復習：3、微分方程求解、微分方程求解4、復變函數(shù)留數(shù)定理（求部分分式展開）、復變函數(shù)留數(shù)定理（求部

3、分分式展開）1、線性代數(shù)、線性代數(shù) 矩陣計算矩陣計算 （矩陣加、乘法）（矩陣加、乘法）上課時間上課時間 上課地點上課地點周一周一 3、4 2J202 周二周二 7、8 2J301 周四周四 9、10 2J301第一章第一章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述1 1 引言引言l l 自動化定義：自動化定義： l l 自動控制系統(tǒng)：自動控制系統(tǒng)： 機器機器或或裝置裝置在在無人干預無人干預的情況下的情況下按規(guī)定的程序或指令按規(guī)定的程序或指令自動進行操作或控制的過自動進行操作或控制的過程。程。 摘自中國大百科全書摘自中國大百科全書 由內部互相聯(lián)系的由內部互相聯(lián)系的部件部件按照按照一一定規(guī)律定規(guī)律組成，能

4、夠完成組成，能夠完成一定功能一定功能的有機整體。的有機整體。降低成本。降低成本。l l 自動控制的目標：自動控制的目標：l l 自動控制原理課程：自動控制原理課程：提高勞動生產率，提高勞動生產率，提高產品質量，提高產品質量，改善勞動條件，改善勞動條件，節(jié)約能源，節(jié)約能源，基礎理論，理論性強，基礎理論，理論性強，研究控制系統(tǒng)的一般規(guī)律，研究控制系統(tǒng)的一般規(guī)律，設計自動控制系統(tǒng)。設計自動控制系統(tǒng)。2 自動控制簡史自動控制簡史2.1 經典控制理論經典控制理論q古老的反饋控制思想古老的反饋控制思想q40年代形成獨立學科，機械化自動化年代形成獨立學科，機械化自動化q瓦特蒸汽機的離心調節(jié)器瓦特蒸汽機的離心

5、調節(jié)器 自動控制自動控制 領域的第一項重大成果（領域的第一項重大成果（18世紀中葉）世紀中葉）q中國古代發(fā)明中國古代發(fā)明 線性微分方程和基于拉普拉斯變線性微分方程和基于拉普拉斯變 換的傳遞函數(shù)換的傳遞函數(shù) 單輸入單輸入單輸出的線性定常系統(tǒng)單輸出的線性定常系統(tǒng)時域分析法、頻率特性分析法和根軌跡分析法時域分析法、頻率特性分析法和根軌跡分析法難于解決復雜問題，如時變，多變量等難于解決復雜問題，如時變，多變量等2.2 現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論60年代始獲得長足發(fā)展，主要以分析和設計復雜年代始獲得長足發(fā)展，主要以分析和設計復雜控制系統(tǒng)為目標?？刂葡到y(tǒng)為目標?，F(xiàn)代控制理論的發(fā)展是計算機發(fā)展的衍生物?，F(xiàn)代控

6、制理論的發(fā)展是計算機發(fā)展的衍生物。 狀態(tài)空間分析方法狀態(tài)空間分析方法 線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)、定常系統(tǒng)線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)、定常系統(tǒng) 與時變系統(tǒng)、多輸入與時變系統(tǒng)、多輸入多輸出系統(tǒng)等多輸出系統(tǒng)等2.3先進控制與智能控制先進控制與智能控制主要研究方向：主要研究方向：人工神經元網絡研究等人工神經元網絡研究等預測控制預測控制模糊控制模糊控制自適應控制自適應控制多學科的融匯、貫通多學科的融匯、貫通3 開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)控制器控制器受控對象受控對象控制量控制量輸入量輸入量輸出量輸出量(a) 開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)控制量控制量輸入量輸入量輸出量輸出量(b) 閉環(huán)控制系統(tǒng)閉

7、環(huán)控制系統(tǒng)反饋元件反饋元件控制器控制器受控對象受控對象開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)特點：特點： 缺點：缺點： 最簡單的控制方式最簡單的控制方式 系統(tǒng)結構簡單、維護容易、系統(tǒng)結構簡單、維護容易、成本低、不存在穩(wěn)定性問題成本低、不存在穩(wěn)定性問題 信號傳遞沒有形成閉合回路信號傳遞沒有形成閉合回路 輸出量不能對控制量產生輸出量不能對控制量產生 影響。影響。 控制精度不高控制精度不高 系統(tǒng)抗干擾能力差系統(tǒng)抗干擾能力差 對元器件的要求對元器件的要求 比較高比較高控制量控制量輸入量輸入量輸出量輸出量(b) 閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)反饋元件反饋元件控制器控制器受控對象受控對象控制器控制器受控對象受控對象控制量控制

8、量輸入量輸入量輸出量輸出量(a) 開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng) 反饋控制系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng)l l 反饋通路反饋通路負反饋與正反饋負反饋與正反饋控制系統(tǒng)一般采用負反饋控制系統(tǒng)一般采用負反饋l l 信號傳遞形成一個閉合回路信號傳遞形成一個閉合回路 輸入量與反饋量之差稱為輸入量與反饋量之差稱為偏差信號偏差信號 控制量控制量輸入量輸入量輸出量輸出量(b) 閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)反饋元件反饋元件控制器控制器受控對象受控對象控制器控制器受控對象受控對象控制量控制量輸入量輸入量輸出量輸出量(a) 開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)4 自動控制與自動控制系統(tǒng)自動控制與自動控制系統(tǒng)4.1 自動控制系統(tǒng)

9、的組成及定義自動控制系統(tǒng)的組成及定義以自動化實驗室水槽液位控制系統(tǒng)為例：以自動化實驗室水槽液位控制系統(tǒng)為例：調節(jié)系統(tǒng)方塊圖調節(jié)系統(tǒng)方塊圖給定給定流量流量1液位液位1液位液位2微機式微機式調節(jié)器調節(jié)器調節(jié)閥調節(jié)閥水槽水槽1水槽水槽2變送器變送器1自動控制系統(tǒng)的基本結構：自動控制系統(tǒng)的基本結構：設定值設定值r控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器被控對象被控對象測量、變送測量、變送擾動擾動 f被控變量被控變量y反饋量反饋量 z自動控制系統(tǒng)的基本結構自動控制系統(tǒng)的基本結構偏差偏差e控制變量控制變量u1、控制系統(tǒng)的一些常用術語、控制系統(tǒng)的一些常用術語 被控對象被控對象控制量控制量設定值（給定值）設定值（給定值）設定

10、值設定值r控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器被控對象被控對象測量、變送測量、變送擾動擾動 f被控變量被控變量y反饋量反饋量 z圖圖12 自動控制系統(tǒng)的基本結構自動控制系統(tǒng)的基本結構偏差偏差e控制變量控制變量u是指被控制的裝置或者設備。是指被控制的裝置或者設備。希望系統(tǒng)輸出達到的數(shù)值，一般用符號希望系統(tǒng)輸出達到的數(shù)值，一般用符號r 表示。表示。施加給被控對象的信號，使受控對象按照一定施加給被控對象的信號，使受控對象按照一定的規(guī)律運行，一般用符號的規(guī)律運行，一般用符號u 表示。表示。被控變量被控變量控制系統(tǒng)的輸出，即被控的物理量，一般用符號控制系統(tǒng)的輸出，即被控的物理量，一般用符號y 表示。表示。偏差信號偏

11、差信號擾動信號擾動信號設定值設定值r控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器被控對象被控對象測量、變送測量、變送擾動擾動 f被控變量被控變量y反饋量反饋量 z圖圖12 自動控制系統(tǒng)的基本結構自動控制系統(tǒng)的基本結構偏差偏差e控制變量控制變量u系統(tǒng)的設定值與反饋信號之差稱為偏差，用符號系統(tǒng)的設定值與反饋信號之差稱為偏差，用符號e 表示。表示。使對象輸出偏離設定值的輸入信號。一般用符號使對象輸出偏離設定值的輸入信號。一般用符號f 表示。表示。 2、控制系統(tǒng)的組成、控制系統(tǒng)的組成定值元件定值元件 控制器控制器 執(zhí)行元件執(zhí)行元件設定值設定值r控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器被控對象被控對象測量、變送測量、變送擾動擾動 f被控變

12、量被控變量y反饋量反饋量 z圖圖12 自動控制系統(tǒng)的基本結構自動控制系統(tǒng)的基本結構偏差偏差e控制變量控制變量u用來產生設定值或參考輸入。用來產生設定值或參考輸入。 或稱調節(jié)器。通過一定的控制規(guī)律給出或稱調節(jié)器。通過一定的控制規(guī)律給出控制量，送到執(zhí)行元件?？刂屏浚偷綀?zhí)行元件。完成功率轉換或信號轉換，常稱為執(zhí)完成功率轉換或信號轉換，常稱為執(zhí)行機構或者執(zhí)行器。行機構或者執(zhí)行器。 測量、變送元件測量、變送元件又稱傳感器，用于檢測被控對象的輸出又稱傳感器，用于檢測被控對象的輸出量，并變換成標準信號送到控制器。量，并變換成標準信號送到控制器。 比較元件比較元件用以產生偏差信號用以產生偏差信號2、控制系統(tǒng)

13、的組成、控制系統(tǒng)的組成設定值設定值r控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器被控對象被控對象測量、變送測量、變送擾動擾動 f被控變量被控變量y反饋量反饋量 z圖圖12 自動控制系統(tǒng)的基本結構自動控制系統(tǒng)的基本結構偏差偏差e控制變量控制變量u4.2 自動控制系統(tǒng)的分類自動控制系統(tǒng)的分類開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)1、定值控制系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)和程序控制、定值控制系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)和程序控制根據(jù)給定信號形式的不同分類。根據(jù)給定信號形式的不同分類。 恒值控制系統(tǒng)：恒值控制系統(tǒng)： 系統(tǒng)的參考輸入為恒定值或者波系統(tǒng)的參考輸入為恒定值或者波動范圍很小，要求系統(tǒng)的輸出量也保持恒定。動范圍很小，要求系

14、統(tǒng)的輸出量也保持恒定。隨動控制系統(tǒng)（伺服控制系統(tǒng)）：隨動控制系統(tǒng)（伺服控制系統(tǒng)）： 參考輸入值不參考輸入值不斷變化，變化規(guī)律未知。控制目的是使得系統(tǒng)的斷變化，變化規(guī)律未知?？刂颇康氖鞘沟孟到y(tǒng)的輸出量能夠準確地跟蹤輸入值的變化。輸出量能夠準確地跟蹤輸入值的變化。程序控制系統(tǒng)：程序控制系統(tǒng)： 設定值變化，是時間的已知函數(shù)，設定值變化，是時間的已知函數(shù)，即按照事先規(guī)定的時間程序或規(guī)律變化。即按照事先規(guī)定的時間程序或規(guī)律變化。2、線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)、線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)根據(jù)描述系統(tǒng)的方程形式分類。根據(jù)描述系統(tǒng)的方程形式分類。 非線性的微分方程或代數(shù)方程描述的非線性的微分方程或代數(shù)方程描述的是非線性系

15、是非線性系統(tǒng)統(tǒng)。如：。如：2,/1xyxy 等。等。本課程主要研究線性定常系統(tǒng)。本課程主要研究線性定常系統(tǒng)。3、連續(xù)時間系統(tǒng)與離散時間系統(tǒng)、連續(xù)時間系統(tǒng)與離散時間系統(tǒng)根據(jù)傳輸信號的形式分類。根據(jù)傳輸信號的形式分類。 連續(xù)時間系統(tǒng)：連續(xù)時間系統(tǒng)：離散時間系統(tǒng)：離散時間系統(tǒng)：系統(tǒng)的輸入與輸出信號均是系統(tǒng)的輸入與輸出信號均是連續(xù)時間函數(shù)連續(xù)時間函數(shù)u(t)與與y(t)，系統(tǒng)的輸入與輸出信號均是系統(tǒng)的輸入與輸出信號均是離散時間量離散時間量u(kT)與與y(kT)。 計算機控制系統(tǒng)是典型的離散控制系統(tǒng)。計算機控制系統(tǒng)是典型的離散控制系統(tǒng)。0tu(t)0tu(kt)2TTnT圖圖1-5 連續(xù)時間信號與離散

16、時間信號連續(xù)時間信號與離散時間信號4、單輸入、單輸入單輸出系統(tǒng)與多輸入單輸出系統(tǒng)與多輸入多輸出系統(tǒng)多輸出系統(tǒng)從輸入與輸出信號的數(shù)量分類。從輸入與輸出信號的數(shù)量分類。單輸入單輸入單輸出系統(tǒng)（單輸出系統(tǒng)（SISO） 多輸入多輸入多輸出系統(tǒng)（多輸出系統(tǒng)（MIMO）集中參數(shù)系統(tǒng)與分布參數(shù)系統(tǒng)集中參數(shù)系統(tǒng)與分布參數(shù)系統(tǒng)uy(a) SISO系統(tǒng)系統(tǒng)系系統(tǒng)統(tǒng)1u2unu1y2yny(b) MIMO系統(tǒng)系統(tǒng)系系 統(tǒng)統(tǒng)確定性系統(tǒng)與隨機控制系統(tǒng)等確定性系統(tǒng)與隨機控制系統(tǒng)等本章主要介紹：本章主要介紹： 自動控制的發(fā)展自動控制的發(fā)展 開環(huán)與閉環(huán)控制開環(huán)與閉環(huán)控制 控制系統(tǒng)組成控制系統(tǒng)組成 控制系統(tǒng)分類控制系統(tǒng)分類作業(yè)：作業(yè)：A12中國、古埃及和巴比倫人發(fā)明的自動計時裝置中國、古埃及和巴比倫人發(fā)明的自動計時裝置 (公元前公元前11世紀世紀)具有過程控制思想的提花織布機具有過程控制思想的提花織布機（明代）（明代）James wat發(fā)明的飛球調節(jié)器，控制蒸汽機的轉速發(fā)明的飛球調節(jié)器，控制蒸汽機的轉速（1769年）年