自動控制工程 Chapter1

1、控制工程基礎主講人：蔡晨曉主講人：蔡晨曉E-mail：南京理工大學自動化學院南京理工大學自動化學院教材及參考文獻1. 胡壽松，胡壽松，自動控制原理自動控制原理（第六版），科學出版（第六版），科學出版社，社，2013年年3月月2. 胡壽松，胡壽松，自動控制原理基礎教程自動控制原理基礎教程（第三版），（第三版），科學出版社，科學出版社，2013年年3月月課程主要內容第一章 自動控制的一般概念第一章 自動控制的一般概念1-1 自動控制的基本原理與方式自動控制的基本原理與方式1、自動控制技術自動控制技術v自動控制自動控制是指在是指在沒有人直接參與沒有人直接參與的情況下，利用的情況下，利用外加的設備和裝

2、置（稱外加的設備和裝置（稱控制裝置控制裝置或或控制器控制器），使），使機器、設備或生產過程（統(tǒng)稱機器、設備或生產過程（統(tǒng)稱被控對象被控對象）的某個）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（即工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量被控量）自動地按照預定的）自動地按照預定的規(guī)律運行。規(guī)律運行。v自動控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)被控對象被控對象控制裝置控制裝置被控量：被控量：即被控對象的輸出量，是要求嚴格加以控即被控對象的輸出量，是要求嚴格加以控制的物理量；制的物理量；控制裝置：控制裝置：對被控對象施加控制作用的機構的總體。對被控對象施加控制作用的機構的總體。第一章 自動控制的一般概念2、自動控制科學自動控制科學v自動控制科學是研究自動控

3、制共同規(guī)律的技術科學。自動控制科學是研究自動控制共同規(guī)律的技術科學。v自動控制理論是關于自動控制系統(tǒng)組成、分析和設計自動控制理論是關于自動控制系統(tǒng)組成、分析和設計的理論，其任務是研究自動控制系統(tǒng)中變量的運動規(guī)的理論，其任務是研究自動控制系統(tǒng)中變量的運動規(guī)律和改變這種運動規(guī)律的可能性與途徑，為建立高性律和改變這種運動規(guī)律的可能性與途徑，為建立高性能的自動控制系統(tǒng)提供必要的理論依據(jù)。能的自動控制系統(tǒng)提供必要的理論依據(jù)。v發(fā)展初期是以發(fā)展初期是以反饋理論反饋理論為基礎的自動調節(jié)原理；為基礎的自動調節(jié)原理；v二戰(zhàn)之后形成以二戰(zhàn)之后形成以傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)為基礎的經典控制理論，主為基礎的經典控制理論，主要

4、研究要研究單輸入單輸入- -單輸出、線性定常系統(tǒng)單輸出、線性定常系統(tǒng)的分析和設計的分析和設計問題；問題；v20世紀世紀60年代之后發(fā)展了現(xiàn)代控制理論，主要研究具年代之后發(fā)展了現(xiàn)代控制理論，主要研究具有高性能、高精度的有高性能、高精度的多變量變參數(shù)多變量變參數(shù)系統(tǒng)的最優(yōu)控制問系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題，主要采用的方法是以狀態(tài)為基礎的題，主要采用的方法是以狀態(tài)為基礎的狀態(tài)空間法狀態(tài)空間法。第一章 自動控制的一般概念3、反饋反饋(feedback)控制原理控制原理v在反饋控制系統(tǒng)中，控制裝置對被控對象施加的在反饋控制系統(tǒng)中，控制裝置對被控對象施加的控制作用，是取自被控量的反饋信息，用來不斷控制作用，是取自被

5、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，從而實現(xiàn)對被修正被控量與輸入量之間的偏差，從而實現(xiàn)對被控對象進行控制的任務?？貙ο筮M行控制的任務。v反饋控制的實質是一個按偏差進行的控制過程。反饋控制的實質是一個按偏差進行的控制過程。 關鍵：利用手和書之間的差距，來縮小兩者之間關鍵：利用手和書之間的差距，來縮小兩者之間的差距。的差距。第一章 自動控制的一般概念3、反饋控制原理反饋控制原理電爐溫度人工控制系統(tǒng)方塊圖電爐溫度人工控制系統(tǒng)方塊圖 人工控制調節(jié)過程：人工控制調節(jié)過程：觀測電爐內溫度；觀測電爐內溫度；與要求的溫度進行比較，與要求的溫度進行比較，得到溫度偏差的大小和方得到溫度偏差的大小

6、和方向；向；根據(jù)偏差大小和方向調節(jié)根據(jù)偏差大小和方向調節(jié)調壓器，控制加熱電阻絲調壓器，控制加熱電阻絲的電流以調節(jié)溫度回復到的電流以調節(jié)溫度回復到要求值。要求值。第一章 自動控制的一般概念3、反饋控制原理反饋控制原理電爐溫度自動控制系統(tǒng)方塊圖電爐溫度自動控制系統(tǒng)方塊圖第一章 自動控制的一般概念3、反饋控制原理反饋控制原理v用測量元件用測量元件檢測檢測被控制的物理量（輸出量）的實被控制的物理量（輸出量）的實際值；際值；v將輸出量的實際值與給定值（輸入量）進行將輸出量的實際值與給定值（輸入量）進行比較比較得出偏差；得出偏差；v用偏差值產生用偏差值產生控制調節(jié)控制調節(jié)作用去消除偏差，使得輸作用去消除偏

7、差，使得輸出量維持在期望輸出。出量維持在期望輸出。v反饋控制系統(tǒng)必須具備反饋控制系統(tǒng)必須具備測量測量、比較比較和和執(zhí)行執(zhí)行三個基三個基本功能。本功能。第一章 自動控制的一般概念控制系統(tǒng)方塊圖控制系統(tǒng)方塊圖(block diagram)v方塊：方塊：被控對象和控制裝置的各元部件（硬件）；被控對象和控制裝置的各元部件（硬件）；v信號線：信號線：系統(tǒng)中感興趣的物理量（信號），用箭頭表系統(tǒng)中感興趣的物理量（信號），用箭頭表示其流向；示其流向； 用用進入方塊進入方塊的箭頭表示各元部件的的箭頭表示各元部件的輸入量輸入量，用，用離離開方塊開方塊的箭頭表示其的箭頭表示其輸出量輸出量； 被控對象的輸出量便是系統(tǒng)

8、的輸出量，即被控量，被控對象的輸出量便是系統(tǒng)的輸出量，即被控量，一般置于方塊圖的最右端，系統(tǒng)的輸入量一般置一般置于方塊圖的最右端，系統(tǒng)的輸入量一般置于系統(tǒng)方塊圖的左端。于系統(tǒng)方塊圖的左端。v：代表比較元件，：代表比較元件，“”表示負反饋，表示負反饋，“+”表示正反饋。表示正反饋。第一章 自動控制的一般概念4、反饋控制系統(tǒng)的基本組成反饋控制系統(tǒng)的基本組成控制裝置控制裝置第一章 自動控制的一般概念4、反饋控制系統(tǒng)的基本組成反饋控制系統(tǒng)的基本組成v被控對象：被控對象：要求實現(xiàn)自動控制的機器、設備或生產過要求實現(xiàn)自動控制的機器、設備或生產過程；程；v測量元件：測量元件：檢測被控制的物理量；檢測被控制的

9、物理量；v給定元件：給定元件：給出與期望的被控量相對應的系統(tǒng)輸入量；給出與期望的被控量相對應的系統(tǒng)輸入量；v比較元件：比較元件：把測量元件檢測的被控量實際值與給定元把測量元件檢測的被控量實際值與給定元件給出的輸入量進行比較，求出它們之間的偏差；件給出的輸入量進行比較，求出它們之間的偏差；v放大元件：放大元件：將比較元件給出的偏差信號進行放大，用將比較元件給出的偏差信號進行放大，用來推動執(zhí)行元件去控制被控對象；來推動執(zhí)行元件去控制被控對象；v執(zhí)行元件：執(zhí)行元件：直接推動被控對象，使其被控量發(fā)生變化；直接推動被控對象，使其被控量發(fā)生變化；v校正元件：校正元件：也叫補償元件，它是結構或參數(shù)便于調整也

10、叫補償元件，它是結構或參數(shù)便于調整的元部件，用串聯(lián)或反饋連接在系統(tǒng)中，以改善系統(tǒng)的元部件，用串聯(lián)或反饋連接在系統(tǒng)中，以改善系統(tǒng)的性能。的性能。第一章 自動控制的一般概念5、自動控制系統(tǒng)基本控制方式自動控制系統(tǒng)基本控制方式v開環(huán)控制方式開環(huán)控制方式控制裝置與被控對象之間控制裝置與被控對象之間只有順向作用只有順向作用而沒有反而沒有反向聯(lián)系的控制過程，其向聯(lián)系的控制過程，其特點特點是系統(tǒng)的輸出量不會是系統(tǒng)的輸出量不會對系統(tǒng)的控制作用發(fā)生影響。對系統(tǒng)的控制作用發(fā)生影響。v反饋控制方式反饋控制方式將輸出量的測量值與期望的輸出值相比較，將輸出量的測量值與期望的輸出值相比較，產生產生偏差信號偏差信號并將偏差

11、信號作用于執(zhí)行機構的控制過并將偏差信號作用于執(zhí)行機構的控制過程，其程，其特點特點是不論什么原因使被控量偏離期望值是不論什么原因使被控量偏離期望值而出現(xiàn)偏差時，必定會產生一個相應的控制作用而出現(xiàn)偏差時，必定會產生一個相應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去減小或消除這個偏差，使被控量與期望值趨于一致。一致。第一章 自動控制的一般概念開環(huán)控制方式開環(huán)控制方式1、按按給定值控制給定值控制的開環(huán)控制系統(tǒng)的開環(huán)控制系統(tǒng)2、按按干擾控制干擾控制的開環(huán)控制系統(tǒng)的開環(huán)控制系統(tǒng)干擾信號：不需要的輸入干擾信號：不需要的輸入信號，它影響系統(tǒng)輸出。信號，它影響系統(tǒng)輸出。p 只適用于擾動是可測量的場合

12、，且一個補償裝置只只適用于擾動是可測量的場合，且一個補償裝置只能補償一種擾動因素。能補償一種擾動因素。第一章 自動控制的一般概念開環(huán)控制方式開環(huán)控制方式v開環(huán)控制方式開環(huán)控制方式特點特點： 結構簡單結構簡單, ,調整方便，成本低；調整方便，成本低； 精度不高（控制精度完全取決于所用元件及校準精度不高（控制精度完全取決于所用元件及校準的精度）；的精度）； 抗干擾能力差。抗干擾能力差。v開環(huán)控制的應用：交通燈、洗衣機、自動售貨機開環(huán)控制的應用：交通燈、洗衣機、自動售貨機等等第一章 自動控制的一般概念反饋控制方式反饋控制方式v反饋原理反饋原理按偏差進行的控制過程按偏差進行的控制過程v反饋控制方式反饋

13、控制方式特點特點： 結構復雜；結構復雜； 精度高，抗干擾能力強；精度高，抗干擾能力強； 有反饋通道，要有測量元件。有反饋通道，要有測量元件。第一章 自動控制的一般概念復合控制方式復合控制方式1、按按輸入輸入補償?shù)膹秃峡刂蒲a償?shù)膹秃峡刂?、按按擾動擾動（可測）補償?shù)膹秃峡刂疲蓽y）補償?shù)膹秃峡刂?按偏差的反饋控制和按擾動按偏差的反饋控制和按擾動的補償控制相結合的控制方式的補償控制相結合的控制方式第一章 自動控制的一般概念1-2 自動控制系統(tǒng)示例自動控制系統(tǒng)示例 分析控制系統(tǒng)的基本步驟：分析控制系統(tǒng)的基本步驟：v應了解生產工藝過程的特點及其對控制提出的要應了解生產工藝過程的特點及其對控制提出的要求

14、；求；v根據(jù)控制的目的和任務，確定控制系統(tǒng)的被控對根據(jù)控制的目的和任務，確定控制系統(tǒng)的被控對象和被控量；象和被控量；v根據(jù)信號的傳遞、加工處理和控制的關系，逐步根據(jù)信號的傳遞、加工處理和控制的關系，逐步地確定出控制系統(tǒng)的其余部分，并繪制系統(tǒng)的方地確定出控制系統(tǒng)的其余部分，并繪制系統(tǒng)的方塊圖。塊圖。第一章 自動控制的一般概念函數(shù)記錄儀函數(shù)記錄儀函數(shù)記錄儀方塊圖函數(shù)記錄儀方塊圖第一章 自動控制的一般概念電阻爐微型計算機溫度控制系統(tǒng)方塊圖電阻爐微型計算機溫度控制系統(tǒng)方塊圖電阻爐微型計算機溫度控制系統(tǒng)電阻爐微型計算機溫度控制系統(tǒng)第一章 自動控制的一般概念鍋爐液位控制系統(tǒng)方塊圖鍋爐液位控制系統(tǒng)方塊圖鍋爐

15、液位控制系統(tǒng)鍋爐液位控制系統(tǒng)第一章 自動控制的一般概念1-3 自動控制系統(tǒng)的分類自動控制系統(tǒng)的分類v 按按數(shù)學模型數(shù)學模型分分線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)與與非線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)由線性微分方程、線性差分方程或線性代線性系統(tǒng)由線性微分方程、線性差分方程或線性代數(shù)方程描述（滿足疊加性和齊次性）；數(shù)方程描述（滿足疊加性和齊次性）；系統(tǒng)中只要有一個元部件的輸入系統(tǒng)中只要有一個元部件的輸入- -輸出特性是非線輸出特性是非線性的，就為非線性系統(tǒng)；性的，就為非線性系統(tǒng)；實際物理系統(tǒng)中都含有程度不同的非線性元部件，實際物理系統(tǒng)中都含有程度不同的非線性元部件，可采用在一定范圍內線性化的方法，將非線性控制可采用在一定

16、范圍內線性化的方法，將非線性控制系統(tǒng)近似為線性化控制系統(tǒng)。系統(tǒng)近似為線性化控制系統(tǒng)。第一章 自動控制的一般概念1-3 自動控制系統(tǒng)的分類自動控制系統(tǒng)的分類v 按按信號的性質信號的性質分分連續(xù)系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)與與離散（數(shù)字）系統(tǒng)離散（數(shù)字）系統(tǒng) 連續(xù)系統(tǒng)中各部分傳遞的信號都是隨時間連續(xù)變連續(xù)系統(tǒng)中各部分傳遞的信號都是隨時間連續(xù)變化的信號；化的信號；連續(xù)系統(tǒng)通常采用微分方程描述。連續(xù)系統(tǒng)通常采用微分方程描述。 離散系統(tǒng)中某一處或多處的信號為脈沖序列或數(shù)離散系統(tǒng)中某一處或多處的信號為脈沖序列或數(shù)碼形式，即信號在時間上是離散的；碼形式，即信號在時間上是離散的；離散系統(tǒng)通離散系統(tǒng)通常采用差分方程描述。常采用

17、差分方程描述。 連續(xù)信號經過采樣開關的采樣就可轉換為離散信連續(xù)信號經過采樣開關的采樣就可轉換為離散信號。一般離散系統(tǒng)中既有連續(xù)的模擬信號，也有號。一般離散系統(tǒng)中既有連續(xù)的模擬信號，也有離散的數(shù)字信號。離散的數(shù)字信號。 第一章 自動控制的一般概念線性定常連續(xù)系統(tǒng)線性定常連續(xù)系統(tǒng))()()()()()()()(1111011110trbtrdtdbtrdtdbtrdtdbtcatcdtdatcdtdatcdtdammmmmmnnnnnn 式中：式中：c(t) 是被控量，是被控量，r(t) 是輸入量。是輸入量。 定常系統(tǒng)又稱為定常系統(tǒng)又稱為時不變系統(tǒng)時不變系統(tǒng)，其特點是：描述系，其特點是：描述系統(tǒng)運

18、動的微分或差分方程的系數(shù)均為常數(shù)。統(tǒng)運動的微分或差分方程的系數(shù)均為常數(shù)。 線性系統(tǒng)的線性系統(tǒng)的疊加原理疊加原理表明：兩個外作用同時加于表明：兩個外作用同時加于系統(tǒng)所產生的總輸出，等于各個外作用單獨作用系統(tǒng)所產生的總輸出，等于各個外作用單獨作用時分別產生的輸出之和，且外作用的數(shù)值增大若時分別產生的輸出之和，且外作用的數(shù)值增大若干倍時，其輸出亦增大同樣的倍數(shù)。干倍時，其輸出亦增大同樣的倍數(shù)。第一章 自動控制的一般概念1-3 自動控制系統(tǒng)的分類自動控制系統(tǒng)的分類v按按輸入量的變化規(guī)律輸入量的變化規(guī)律分分 1、恒值控制恒值控制系統(tǒng)系統(tǒng) 系統(tǒng)輸入量為系統(tǒng)輸入量為恒定值恒定值； 控制的控制的基本任務基本任

19、務是保證在任何擾動作用下系統(tǒng)的是保證在任何擾動作用下系統(tǒng)的輸出量保持為恒定的期望值；輸出量保持為恒定的期望值； 系統(tǒng)分析、設計的重點是研究各種擾動對被控對系統(tǒng)分析、設計的重點是研究各種擾動對被控對象的影響以及抗擾動的措施。象的影響以及抗擾動的措施。 如：電阻爐溫度控制系統(tǒng)、鍋爐液位控制系統(tǒng)等如：電阻爐溫度控制系統(tǒng)、鍋爐液位控制系統(tǒng)等第一章 自動控制的一般概念1-3 自動控制系統(tǒng)的分類自動控制系統(tǒng)的分類v按按輸入量的變化規(guī)律輸入量的變化規(guī)律分分 2、隨動隨動系統(tǒng)系統(tǒng) 系統(tǒng)輸入量系統(tǒng)輸入量隨時間任意變化，不能預先確知隨時間任意變化，不能預先確知； 控制的控制的基本任務基本任務是使系統(tǒng)的輸出量以要求

20、的精度是使系統(tǒng)的輸出量以要求的精度迅速、平穩(wěn)地跟隨輸入量變化，并能排除各種干迅速、平穩(wěn)地跟隨輸入量變化，并能排除各種干擾因素的影響。擾因素的影響。 系統(tǒng)分析、設計的重點是研究被控量跟隨的快速系統(tǒng)分析、設計的重點是研究被控量跟隨的快速性和準確性。性和準確性。 如：函數(shù)記錄儀、雷達跟蹤系統(tǒng)等如：函數(shù)記錄儀、雷達跟蹤系統(tǒng)等第一章 自動控制的一般概念1-3 自動控制系統(tǒng)的分類自動控制系統(tǒng)的分類v按按輸入量的變化規(guī)律輸入量的變化規(guī)律分分 3、程序控制程序控制系統(tǒng)系統(tǒng) 系統(tǒng)輸入量系統(tǒng)輸入量按預定規(guī)律隨時間變化按預定規(guī)律隨時間變化； 控制的控制的基本任務基本任務是要求被控量迅速、準確地復現(xiàn)是要求被控量迅速、

21、準確地復現(xiàn)輸入量；輸入量； 如：數(shù)控加工系統(tǒng)等如：數(shù)控加工系統(tǒng)等第一章 自動控制的一般概念1-3 自動控制系統(tǒng)的分類自動控制系統(tǒng)的分類按按時間時間概念分：概念分：定常系統(tǒng)、時變系統(tǒng)定常系統(tǒng)、時變系統(tǒng) 按按輸入輸出信號的數(shù)量輸入輸出信號的數(shù)量分：分：單輸入單輸出系統(tǒng)、單輸入單輸出系統(tǒng)、多輸入多輸出系統(tǒng)多輸入多輸出系統(tǒng)按按控制方式控制方式分：分：開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)、開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)、復合控制系統(tǒng)復合控制系統(tǒng)按按系統(tǒng)功用系統(tǒng)功用分類：分類：溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、位置控制系統(tǒng)位置控制系統(tǒng) 按按元件類型元件類型分類：分類：機械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、機電系機械

22、系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、機電系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、生物系統(tǒng)統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、生物系統(tǒng)第一章 自動控制的一般概念1-4 自動控制系統(tǒng)的基本要求自動控制系統(tǒng)的基本要求v 基本要求：基本要求：穩(wěn)定性穩(wěn)定性、快速性快速性、準確性準確性 1）穩(wěn)定性穩(wěn)定性 穩(wěn)定性是指動態(tài)過程的振蕩傾向和系統(tǒng)的重新穩(wěn)定性是指動態(tài)過程的振蕩傾向和系統(tǒng)的重新恢復平衡狀態(tài)的能力?；謴推胶鉅顟B(tài)的能力。 穩(wěn)定性是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。穩(wěn)定性是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。 穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，其被控量偏離期望值的初始穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，其被控量偏離期望值的初始偏差應隨時間的增長逐漸減小或趨于零。偏差應隨時間的增長逐漸減小或趨于

23、零。 線性自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性是由系統(tǒng)結構所決線性自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性是由系統(tǒng)結構所決定的，與外界因素無關。定的，與外界因素無關。第一章 自動控制的一般概念1-4 自動控制系統(tǒng)的基本要求自動控制系統(tǒng)的基本要求2）快速性快速性 控制系統(tǒng)中一般含有控制系統(tǒng)中一般含有儲能元件或慣性元件儲能元件或慣性元件，由于，由于儲能元件的能量不可能突變，而慣性元件使控制儲能元件的能量不可能突變，而慣性元件使控制動作不能及時準確地產生，因此當系統(tǒng)受到擾動動作不能及時準確地產生，因此當系統(tǒng)受到擾動或有輸入時，控制過程不會立即完成，而是有一或有輸入時，控制過程不會立即完成，而是有一定的定的延緩和調節(jié)過程延緩和調節(jié)過程，

24、這使得被控量恢復期望值，這使得被控量恢復期望值或跟蹤輸入量有一個時間過程，稱為過渡過程?；蚋欇斎肓坑幸粋€時間過程，稱為過渡過程。 過渡過程性能（動態(tài)性能）包括過渡過程性能（動態(tài)性能）包括快速性快速性和和平穩(wěn)性平穩(wěn)性，即對控制系統(tǒng)過渡過程的時間（即快速性）和最即對控制系統(tǒng)過渡過程的時間（即快速性）和最大振蕩幅度（即超調量）一般都有具體要求。大振蕩幅度（即超調量）一般都有具體要求。第一章 自動控制的一般概念1-4 自動控制系統(tǒng)的基本要求自動控制系統(tǒng)的基本要求3）準確性準確性 穩(wěn)態(tài)誤差是在系統(tǒng)過渡過程結束后，期望的穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)誤差是在系統(tǒng)過渡過程結束后，期望的穩(wěn)態(tài)輸出量與實際的穩(wěn)態(tài)輸出量（即平衡狀態(tài)）之差。輸出