自動(dòng)控原理第一章

1、第五版馮浩源自動(dòng)控制原理（多媒體課件）自動(dòng)控制原理教學(xué)大綱一、課程名稱(chēng)：自動(dòng)控制原理（Autocontrol theory)二、課程編號(hào)：07ZX084105 三、類(lèi)別（必修或選修）： 必修 四、 總學(xué)時(shí)： 理論學(xué)時(shí)100；實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)10 五、總學(xué)分： 5.5六、開(kāi)課學(xué)期： 5學(xué)期、6學(xué)期 七、適用專(zhuān)業(yè)： 自動(dòng)化 八、先修課程： 高數(shù)、復(fù)變函數(shù)、積分變換、線(xiàn)性代數(shù)、 電路理論、模擬技術(shù)、電機(jī)拖動(dòng)一、課程簡(jiǎn)介：自動(dòng)控制原理一課將闡述自動(dòng)控制的基本理論與應(yīng)用。深入淺出地介紹了自動(dòng)控制基本概念，控制系統(tǒng)在時(shí)域和復(fù)域中的數(shù)學(xué)模型及其結(jié)構(gòu)圖和信號(hào)流圖，比較全面地闡述了線(xiàn)性控制系統(tǒng)的分析法、根軌跡法以及校正

2、和設(shè)計(jì)等方法。對(duì)線(xiàn)性離散系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論、數(shù)學(xué)模型、穩(wěn)定性及穩(wěn)態(tài)誤差、動(dòng)態(tài)性能分析以及數(shù)字校正等問(wèn)題也進(jìn)行了比較詳細(xì)的討論。在非線(xiàn)性控制系統(tǒng)分析方面，給出了相平面和描述函數(shù)兩種常用的分析方法。在現(xiàn)代控制理論方面，介紹了線(xiàn)性狀態(tài)空間分析方法。并引入了MATLAB應(yīng)用技術(shù)。二、本課程的目的和任務(wù)： 任務(wù)：通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，使本專(zhuān)業(yè)的學(xué)生能掌握如下知識(shí)目的：自動(dòng)控制原理(Autocontrol theory) 是自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的一門(mén)基礎(chǔ)理論課，通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，使本專(zhuān)業(yè)的學(xué)生能系統(tǒng)的建立有關(guān)自動(dòng)控制的基本概念以及各種分析、計(jì)算方法，為后續(xù)專(zhuān)業(yè)課的學(xué)習(xí)打基礎(chǔ)。 1、統(tǒng)地了解自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念和原理 2、

3、控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型、結(jié)構(gòu)圖和信號(hào)流圖 3、線(xiàn)性控制系統(tǒng)的時(shí)域分析法、根軌跡法、頻域分析法以及控制系統(tǒng)校正和設(shè)計(jì)等方法 4、線(xiàn)性離散系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論、數(shù)學(xué)模型、性能分析以及系統(tǒng)校正和設(shè)計(jì)方法 5、兩種常用非線(xiàn)性控制系統(tǒng)分析方法：相平面分析方法和描述函數(shù)的分析方法 6、了解線(xiàn)性系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析的基本概念三、本課程的基本要求及授大綱：第一章自動(dòng)控制的一般概念（4學(xué)時(shí)）（一）基本要求：建立控制系統(tǒng)的基本概念、控制系統(tǒng)的專(zhuān)業(yè)名詞述語(yǔ)以及自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求。（二）課程內(nèi)容：1、自動(dòng)控制系統(tǒng)概念和基本原理2、自動(dòng)控制系統(tǒng)示例3、自動(dòng)控制系統(tǒng)分類(lèi)4、對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的要求 5、MATLAB介紹第二章：控制系統(tǒng)

4、的數(shù)學(xué)模型（6學(xué)時(shí)）（一）基本要求：學(xué)會(huì)建立控制系統(tǒng)的時(shí)域、復(fù)域數(shù)學(xué)模型和控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。（二）課程內(nèi)容：1、控制系統(tǒng)的時(shí)域數(shù)學(xué)模型2、控制系統(tǒng)的復(fù)域數(shù)學(xué)模型3、控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖與信號(hào)流圖 4、使用MATLAB表示系統(tǒng)模型第三章：線(xiàn)性系統(tǒng)的時(shí)域分析方法（12學(xué)時(shí)）（一）基本要求：掌握控制系統(tǒng)時(shí)域分析的性能指標(biāo)、系統(tǒng)時(shí)域分析和方法、重點(diǎn)掌握二階系統(tǒng)的時(shí)域分析方法。（二）課程內(nèi)容：1、線(xiàn)性系統(tǒng)時(shí)間響應(yīng)的性能指標(biāo)2、一階系統(tǒng)的時(shí)域分析3、二階系統(tǒng)的時(shí)域分析4、線(xiàn)性系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析5、線(xiàn)性系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差計(jì)算6、高階系統(tǒng)的時(shí)域分析 7、使用MATLAB工具求解時(shí)域系統(tǒng)第四章：線(xiàn)性系統(tǒng)的根軌跡法（8學(xué)時(shí)

5、） （一）基本要求：掌握根軌跡圖的作圖方法和根軌跡與系統(tǒng)性能的關(guān)系。 （二）課程內(nèi)容：1、根軌跡方程2、根軌跡繪制基本法則3、廣義根軌跡4、系統(tǒng)性能分析 5、使用MATLAB繪制根軌跡圖第五章：線(xiàn)性系統(tǒng)的頻域分析法（12學(xué)時(shí)）（一）基本要求：掌握系統(tǒng)頻域分析法的基本概念、分析計(jì)算方法以及頻率穩(wěn)定判據(jù)。重點(diǎn)掌握對(duì)數(shù)頻率分析方法。（二）課程內(nèi)容：1、頻率特性2、典型環(huán)節(jié)和開(kāi)環(huán)系統(tǒng)頻率特性3、奈氏穩(wěn)定判據(jù)4、穩(wěn)定裕度5、閉環(huán)頻率特性 6、使用MATLAB分析頻域系統(tǒng)第六章：線(xiàn)性系統(tǒng)的校正方法（10學(xué)時(shí)）（一）基本要求：了解系統(tǒng)校正的基本思想和幾種常用的工程校正方法。（二）課程內(nèi)容：1、常用校正裝置及

6、其特性2、串聯(lián)校正第七章：線(xiàn)性離散系統(tǒng)的分析與校正（12學(xué)時(shí)） （一）基本要求：掌握線(xiàn)性離散系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論、數(shù)學(xué)模型和分析方法。 （二）課程內(nèi)容： 1、基本概念 2、信號(hào)的采樣與保持 3、Z變換理論 4、離散系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 5、離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)誤差 6、離散系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析第八章：非線(xiàn)性控制系統(tǒng)分析（10學(xué)時(shí)）（一）基本要求：了解非線(xiàn)性控制系統(tǒng)分析的基本思想和非線(xiàn)性控制系統(tǒng)的常用的二種分析方法：相平面分析方法和描述函數(shù)分析方法。（二）課程內(nèi)容：1、非線(xiàn)性系統(tǒng)概述2、常見(jiàn)非線(xiàn)性特性及其對(duì)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的影響3、相平面法4、描述函數(shù)法第九章：線(xiàn)性系統(tǒng)的狀空間分析與綜合（14學(xué)時(shí)） （一）基本要求：了

7、解系統(tǒng)狀態(tài)空間的基本概念、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和分析方法重點(diǎn)了解系統(tǒng)的可控性、可觀測(cè)性以及狀態(tài)觀測(cè)器的內(nèi)容。 （二）課程內(nèi)容： 1、線(xiàn)性系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述 2、線(xiàn)性系統(tǒng)的可控性與可觀測(cè)性 3、線(xiàn)性定常系統(tǒng)的狀態(tài)反饋與狀態(tài)觀測(cè)器 4、穩(wěn)定性分析 四、學(xué)時(shí)分配的建議：總學(xué)時(shí)：110學(xué)時(shí)其 中：理論學(xué)時(shí)：100學(xué)時(shí)（含習(xí)題課） 實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：10學(xué)時(shí) 教學(xué)安排： 上學(xué)期：第一章至第七章，理論學(xué)時(shí)70學(xué)時(shí)（考試）； 實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)10學(xué)時(shí) 下學(xué)期：第七章至第九章，理論學(xué)時(shí)40學(xué)時(shí)（考查） 周學(xué)時(shí)：4學(xué)時(shí)五、推薦教材和參考書(shū)目：1、自動(dòng)控制原理 科學(xué)出版社2、自動(dòng)控制原理 華中理工大學(xué)出版社3、自動(dòng)控制原理 清華大學(xué)出版社4

8、、參考教材：現(xiàn)代控制系統(tǒng)（第八版） 高等教育出版社Linear Control Systems EngineeringMon,s Driels 清華大學(xué)出版社自動(dòng)控制原理課程考試大綱一、考試大綱的性質(zhì) 自動(dòng)控制原理是自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，也是相關(guān)電氣控制、機(jī)電一體化等專(zhuān)業(yè)的選修課，它是報(bào)考自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)研究生的考試科目之一。 為幫助考生明確考試復(fù)習(xí)范圍和有關(guān)要求，制定本考試大綱。 本考試大綱主要根據(jù)襄樊學(xué)院自動(dòng)控制原理教學(xué)大綱編制而成，適用于自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)普通本科的考生。二、考試內(nèi)容考查方式：上學(xué)期17章學(xué)習(xí)內(nèi)容：考試，筆試、閉卷，時(shí)間：120分鐘下學(xué)期學(xué)習(xí)內(nèi)容考查，筆試、開(kāi)卷，時(shí)間：90分鐘；

9、或課程論文。上學(xué)期考試成績(jī)?yōu)榻Y(jié)業(yè)考試成績(jī)，成績(jī)構(gòu)成（百分比）：考試成績(jī)：75，實(shí)驗(yàn)成績(jī)：10，平時(shí)成績(jī)：10（包括作業(yè)、提問(wèn)、測(cè)驗(yàn)等）上課出勤：5 主要題型：（至少五種） 1、基本概念 2、基本性能指標(biāo)的計(jì)算 3、基本圖形 4、系統(tǒng)基本分析 5、基本設(shè)計(jì)考試內(nèi)容： 第一章：自動(dòng)控制的一般概念a、自動(dòng)控制系統(tǒng)概念和基本原理b、自動(dòng)控制系統(tǒng)分類(lèi)c、對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的要求第二章：數(shù)學(xué)模型、傳遞函數(shù)與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖a、控制系統(tǒng)的時(shí)域數(shù)學(xué)模型b、控制系統(tǒng)的復(fù)域數(shù)學(xué)模型c、控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖與信號(hào)流圖第三章：系統(tǒng)性能指標(biāo)、二階系統(tǒng)時(shí)域分析、系統(tǒng)的穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)誤差a、線(xiàn)性系統(tǒng)時(shí)間響應(yīng)的性能指標(biāo)b、一階系統(tǒng)的時(shí)域分析

10、c、二階系統(tǒng)的時(shí)域分析d、線(xiàn)性系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析e、線(xiàn)性系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差計(jì)算第四章：線(xiàn)性系統(tǒng)的根軌跡法a、根軌跡繪制基本法則b、系統(tǒng)性能分析第五章：對(duì)數(shù)頻率特性曲線(xiàn)與系統(tǒng)性能指標(biāo)a、頻率特性b、典型環(huán)節(jié)和開(kāi)環(huán)系統(tǒng)頻率特性c、奈氏穩(wěn)定判據(jù)d、穩(wěn)定裕度第六章：串聯(lián)校正a、系統(tǒng)校正的基本概念b、常用校正裝置及其特性c、串聯(lián)校正第七章：線(xiàn)性離散控制系統(tǒng)的分析a、基本概念b、信號(hào)的采樣與保持c、Z變換理論d、離散系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型e、離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)誤差 考查內(nèi)容：1、第八章：非線(xiàn)性控制系統(tǒng)分析，a相平面分析b描述函數(shù)分析c非線(xiàn)性系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析2、第九章：線(xiàn)性系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析a、狀態(tài)空間的描述b、線(xiàn)性

11、系統(tǒng)的可控性與可觀測(cè)性c、線(xiàn)性定常系統(tǒng)的反饋結(jié)構(gòu)及狀態(tài)觀測(cè)器。第一章 概 論 現(xiàn)代社會(huì)和現(xiàn)代生活 離不開(kāi)對(duì)一些物理量的控制，包括實(shí)現(xiàn)對(duì)這種控制的自動(dòng)化。例如公共電網(wǎng)上的電壓是50周、220伏的交流電。電壓偏離這些給定值，會(huì)引起電器工作的不正常，甚至損壞。為此，在發(fā)電廠就要設(shè)法控制電壓、頻率這兩物理量為恒值，這要采用自動(dòng)調(diào)壓和自動(dòng)調(diào)頻裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中，如在化肥廠控制反應(yīng)釜（塔）內(nèi)溫度和壓力為恒值，使化學(xué)反應(yīng)速度加快。 在機(jī)械加工廠金屬切削機(jī)床上，經(jīng)常是控制工件或刀具的轉(zhuǎn)速為恒值，使產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量能提高。什么是自動(dòng)化？ 而各種現(xiàn)代火炮的俯仰角和方位角都是自動(dòng)控制的。 現(xiàn)代生活中，空調(diào)器保持室內(nèi)

12、溫度為恒值、衛(wèi)生潔具水箱的水位也保持為恒值。其它如冰箱、洗衣機(jī)無(wú)不進(jìn)行一些物理量的控制為恒值，而洗衣機(jī)更把洗衣、漂洗和脫水等操作自動(dòng)按程序進(jìn)行。保持室內(nèi)溫度為恒值、衛(wèi)生潔具水箱的水位也保持為恒值。其它如冰箱、洗衣機(jī)無(wú)不進(jìn)行一些物理量的控制為恒值，而洗衣機(jī)更把洗衣、漂洗和脫水等操作自動(dòng)按程序進(jìn)行。什么是自動(dòng)化？ (a) 手動(dòng)控制漫畫(huà) (b) 自動(dòng)控制水溫的手動(dòng)控制和自動(dòng)控制的示意圖圖中水溫的操作員要用手（通過(guò)感覺(jué)）來(lái)測(cè)試水的溫度，并將此溫度與他要求的值（給定值）相比較（通過(guò)大腦）。同時(shí)他要決定（通過(guò)大腦）：他的手應(yīng)該朝哪個(gè)方向旋轉(zhuǎn)加溫用的蒸汽閥門(mén)和旋轉(zhuǎn)多大的角度。采用自動(dòng)控制時(shí)上述功能都有各種的

13、元件和儀表來(lái)代替。例如，溫度測(cè)量元件、控制記錄儀表和調(diào)節(jié)閥等。防 空 導(dǎo) 彈 制 導(dǎo)1-目標(biāo)跟蹤雷達(dá)2-導(dǎo)彈導(dǎo)引雷達(dá)3-計(jì)算機(jī)雷達(dá)4-導(dǎo)彈發(fā)射架 各種現(xiàn)代火炮的俯仰角和方位角都是自動(dòng)控制的，特別用雙雷達(dá)控制的防空導(dǎo)彈可以自動(dòng)跟蹤高空的飛行目標(biāo)進(jìn)行命中爆炸。自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用 在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的眾多領(lǐng)域中，自動(dòng)控制技術(shù)著越來(lái)越重要的作用。 隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，在宇航、機(jī)器人控制、導(dǎo)彈制導(dǎo)以及核動(dòng)力等高新技術(shù)領(lǐng)域中，自動(dòng)控制技術(shù)更具有特別重要的作用。不僅如此，自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用范圍現(xiàn)已擴(kuò)展到生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)管理和其他許多社會(huì)生活領(lǐng)域中，自動(dòng)控制已成為現(xiàn)代社會(huì)活動(dòng)中不可缺少的重要組成部

14、分?？刂评碚撛诎l(fā)展社會(huì)生產(chǎn)力中的作用1. 軍事、航天領(lǐng)域火炮、雷達(dá)、跟蹤系統(tǒng)；人造衛(wèi)星、宇宙飛船。工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程軋鋼過(guò)程化工水泥制造造紙現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)疫情檢測(cè)自動(dòng)灌概農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史人類(lèi)在長(zhǎng)期的生產(chǎn)和生活中，為了減輕自己的勞動(dòng)強(qiáng)度，逐漸利用自然界的動(dòng)力，如：風(fēng)力、水力等代替人力和畜力。以及用自動(dòng)裝置代替人的部分復(fù)雜的腦力活動(dòng)和對(duì)自然界動(dòng)力的控制。一、古代自動(dòng)裝置公元前14世紀(jì)至公元前11世紀(jì)，在中國(guó)和巴比倫出現(xiàn)了自動(dòng)計(jì)時(shí)裝置刻漏，為人類(lèi)研制和使用自動(dòng)裝置之始。三國(guó)時(shí)期，使用了自動(dòng)指示方向的指南車(chē)。公元一世紀(jì)古埃及和希臘的發(fā)明家創(chuàng)造了教堂廟門(mén)的自動(dòng)開(kāi)啟和銅祭司自動(dòng)灑圣水等設(shè)備。中國(guó)的

15、天文學(xué)家張衡發(fā)明了對(duì)天體運(yùn)行自動(dòng)仿真的渾天儀和自動(dòng)檢測(cè)地震的地動(dòng)儀。 指南車(chē) 指南車(chē)是一種馬拉的雙輪獨(dú)轅車(chē)，車(chē)箱上立一個(gè)伸臂的木人。車(chē)箱內(nèi)裝有能自動(dòng)離合的齒輪系。當(dāng)車(chē)子轉(zhuǎn)彎偏離正南方向時(shí)車(chē)轅前端就順此方向移動(dòng)，而后端則向反方向移動(dòng)，并將傳動(dòng)齒輪放落，使車(chē)輪的傳動(dòng)帶動(dòng)木人下的大齒輪向相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，恰好抵消車(chē)子轉(zhuǎn)彎產(chǎn)生的影響（圖2.3） 齒輪系車(chē)身木人方向車(chē)輛轉(zhuǎn)彎中國(guó)古代用來(lái)指示方向的一種具有能自動(dòng)離合的齒輪系裝置的車(chē)輛。指 南 車(chē) 復(fù) 原 模 型指南車(chē) 原理 銅壺滴漏 中國(guó)古代的自動(dòng)計(jì)時(shí)（測(cè)量時(shí)間）裝置，又稱(chēng)刻漏或漏刻。 這種計(jì)時(shí)裝置最初只有兩個(gè)壺，由上壺滴水到下面的受水壺，液面使浮箭升起以示刻

16、度（即時(shí)間）（圖2.6之右）。保持上壺的水位恒定是滴漏計(jì)時(shí)準(zhǔn)確的關(guān)鍵。這個(gè)問(wèn)題后來(lái)是用互相銜接的多極（3-5極）水壺來(lái)解決的。 根據(jù)宋朝楊軍的六經(jīng)圖（公元1155）轉(zhuǎn)述：蓮華漏（圖2.6之左）由4個(gè)壺組成。天地壺、平水壺逐級(jí)向平水小壺供水。 平水小壺上有溢水口，可使多余的水泄入減水桶以保持水面恒定。在蓮華漏中還采用一個(gè)浮子式閥門(mén)作為自動(dòng)切斷閥。當(dāng)受水壺的水位升至滿(mǎn)刻度時(shí)，浮子式閥門(mén)就會(huì)自動(dòng)阻塞上級(jí)平水壺的出水小孔，切斷水滴（見(jiàn)圖2.6上平水壺前的一個(gè)小鳥(niǎo)式裝置）。 銅壺滴漏飲酒速度自動(dòng)調(diào)節(jié)， 計(jì)里鼓車(chē) 圖2.8 飲酒速度自動(dòng)調(diào)節(jié) 圖2.9 、2.10 計(jì)里鼓車(chē)(復(fù)原模型) 及原理 候風(fēng)地動(dòng)儀圖

17、圖2.12 候風(fēng)地動(dòng)儀圖(復(fù)原模型)及剖面圖 水運(yùn)儀象臺(tái)公元1088年，中國(guó)蘇頌等人把渾儀（天文觀測(cè)儀器）、渾象（天文表演儀器）和自動(dòng)計(jì)時(shí)裝置結(jié)合在一起建成了水運(yùn)儀象臺(tái)。 水運(yùn)儀象臺(tái)樞輪和天衡裝置示意圖 公元2世紀(jì)，中國(guó)東漢的天文學(xué)家張衡創(chuàng)制的一種天文表演儀器。它是一種用漏水推動(dòng)的水運(yùn)渾象，和現(xiàn)在的天球儀相似，可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)天體運(yùn)行的自動(dòng)仿真。 圖2.11 張衡水力天文儀器中齒輪系推想圖 漏水轉(zhuǎn)渾天儀二、近代自動(dòng)裝置17世紀(jì)以來(lái)，在歐洲的一些國(guó)家相繼出現(xiàn)了多種自動(dòng)裝置，如1642年法國(guó)物理學(xué)家帕斯卡（Pascal)發(fā)明了加法器。1657年荷蘭人惠更斯（Huygens）發(fā)明了鐘表。1765年俄國(guó)機(jī)

18、械師波爾祖諾夫發(fā)明了鍋爐水位保持恒定的浮子式閥門(mén)水位調(diào)節(jié)器。1788年瓦特（Watt）發(fā)明了離心式調(diào)速器，并把它與蒸汽機(jī)的閥門(mén)連接起來(lái)，構(gòu)成蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)，這項(xiàng)發(fā)明對(duì)第一次工業(yè)革命和控制理論后來(lái)的發(fā)展具有重要的影響。自動(dòng)化技術(shù)形成時(shí)期（18世紀(jì)末至20世紀(jì)30年代）公元1788年 J.瓦特將離心式調(diào)速器與蒸汽機(jī)的閥門(mén)連接起來(lái)，構(gòu)成蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)（圖2.16） 對(duì)象和調(diào)節(jié)器形成調(diào)節(jié)系統(tǒng)蒸汽源蒸汽機(jī)(對(duì)象)負(fù)荷離心式調(diào)速器(調(diào)節(jié)器)進(jìn)汽閥轉(zhuǎn)速測(cè)量18世紀(jì)以前，自動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)展的特點(diǎn)是憑借發(fā)明者的直覺(jué)、聰明和經(jīng)驗(yàn)，往往是就事論事，不同控制系統(tǒng)之間沒(méi)有多少聯(lián)系，沒(méi)有理論上的

19、指導(dǎo)。 隨著技術(shù)的發(fā)展，控制系統(tǒng)的應(yīng)用增多，人們發(fā)現(xiàn)，不同的控制系統(tǒng)有一些共同的問(wèn)題要解決，如：系統(tǒng)的穩(wěn)定性、控制精度，過(guò)渡過(guò)程。因此，需要發(fā)展一門(mén)專(zhuān)門(mén)的理論來(lái)研究自動(dòng)控制系統(tǒng)的一些共性的問(wèn)題自動(dòng)控制理論。1868年，英國(guó)人麥克期韋爾（Maxwell）用微分方程建立了一類(lèi)調(diào)節(jié)器的數(shù)學(xué)模型，將自動(dòng)控制系統(tǒng)與數(shù)學(xué)聯(lián)系起來(lái)。自從數(shù)學(xué)分析方法引入控制系統(tǒng)后，對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究成為一門(mén)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)，極大地推動(dòng)了自動(dòng)控制理論和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展。數(shù)學(xué)分析方法的引入，拋開(kāi)了以前對(duì)某一具體的實(shí)物進(jìn)行研究的方法，而是用數(shù)學(xué)語(yǔ)言來(lái)描述某一個(gè)控制系統(tǒng)，即建立數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而對(duì)數(shù)學(xué)模型研究。在實(shí)際應(yīng)用中，有各種各樣不同

20、的控制系統(tǒng)，如水位、流量、壓力、溫度、轉(zhuǎn)速等。在控制理論中則拋開(kāi)事物的具體物理含義而進(jìn)行抽象化，只要它們的數(shù)學(xué)模型相同，我們就可以認(rèn)為它們具相同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，因此自動(dòng)控制理論具有廣泛的指導(dǎo)意義，是自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)必修的基礎(chǔ)課。請(qǐng)注意：在本課中所討論的數(shù)學(xué)模型即是用數(shù)學(xué)語(yǔ)言描述的控制系統(tǒng)，分析這些數(shù)學(xué)模型，就是在進(jìn)行系統(tǒng)分析。所以要學(xué)好本課，我們要復(fù)習(xí)好相關(guān)的數(shù)學(xué)知識(shí)，特別是微分方程、復(fù)變函數(shù)、積分變換、線(xiàn)性代數(shù)等?？刂评碚摷皯?yīng)用在當(dāng)時(shí)科技發(fā)達(dá)的國(guó)家，如美國(guó)、歐洲的發(fā)展情況與俄羅斯的發(fā)展經(jīng)歷了不同的途徑。在美國(guó)Bode（伯德）、Nyquist（奈奎斯特）等采用帶寬等頻域指標(biāo)來(lái)分析控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，建立

21、了控制系統(tǒng)的頻域分析法。在俄羅斯的科學(xué)家則傾向于用微分方程來(lái)描述控制系統(tǒng)時(shí)域分析法。自動(dòng)控制技術(shù)發(fā)展時(shí)期（20世紀(jì)4050年代）在第二次世界大戰(zhàn)期間，自動(dòng)控制理論及應(yīng)用得到了很大的發(fā)展，由于戰(zhàn)爭(zhēng)的需要，用反饋控制方法設(shè)計(jì)和建造飛機(jī)自動(dòng)駕駛儀、火炮定位系統(tǒng)、雷達(dá)天線(xiàn)控制等軍用系統(tǒng)，這使人們更加關(guān)注對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究，同時(shí)也產(chǎn)生了許多新見(jiàn)解和分析方法。在拉普拉斯（Laplace）變換的基礎(chǔ)上，傳遞函數(shù)（Transfer Function）的概念引入成為重要的分析工具。使頻域分析法在控制領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。在這一時(shí)期還發(fā)展了S平面法、根軌跡分析法。此外，勞斯（Rounth）、霍爾維茨（Hurw

22、itz）提出了在S平面上系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù)。奈奎斯特提出了系統(tǒng)頻域穩(wěn)定判據(jù)。上述理論上的發(fā)展，形成了完善的經(jīng)典控制理論體系。1945年美國(guó)數(shù)學(xué)家維納（Wiener）出版了控制論一書(shū)，為控制論奠定的基礎(chǔ)。1954年中國(guó)科學(xué)家錢(qián)學(xué)森全面總結(jié)和提高了經(jīng)典控制理論，出版了很有影響的工程控制論一書(shū)。自動(dòng)控制技術(shù)的普及應(yīng)用（20世紀(jì)50年代）隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，計(jì)算機(jī)引入了自動(dòng)控制領(lǐng)域，為自動(dòng)控制系統(tǒng)提供了前所未有的運(yùn)算速度和精度，同時(shí)也為多變量控制系統(tǒng)提供了條件，并發(fā)展了離散系統(tǒng)控制理論。人造衛(wèi)星和空間時(shí)代的到來(lái)，為導(dǎo)彈和空間探測(cè)器設(shè)計(jì)復(fù)雜、高精度、多變量、多輸入、多輸出的控制系統(tǒng)成為現(xiàn)實(shí)的需要。1

23、956年前蘇聯(lián)數(shù)學(xué)家龐特里亞金提出了極大值原理，同年美國(guó)數(shù)學(xué)家貝爾曼（Bellman）創(chuàng)立了動(dòng)態(tài)規(guī)劃為解決最優(yōu)控制問(wèn)題提供了理論工具。1960年美國(guó)數(shù)學(xué)家卡爾曼（Kalman）引入了狀態(tài)空間法（State space mathod），這些新概念和新方法標(biāo)志著現(xiàn)代控制理論的誕生?，F(xiàn)代控制理論形成后，形成了多個(gè)分支：1、系統(tǒng)辨識(shí)：根據(jù)系統(tǒng)輸入、輸出數(shù)據(jù)為系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型的理論和方法。2、自適應(yīng)控制：能在控制對(duì)象數(shù)學(xué)模型變動(dòng)和系統(tǒng)外界信息不完備的情況下改變反饋控制器的特性，以保持良好的工作品質(zhì)。3、遙測(cè)、遙控、遙感4、綜合自動(dòng)化：柔性制造系統(tǒng)（FMS）和無(wú)人車(chē)間。5、人工智能、大系統(tǒng)理論等。 自動(dòng)防

24、空火力控制系統(tǒng) 在第二次世界大戰(zhàn)期間，為了防空火力控制系統(tǒng)和飛機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)等軍事技術(shù)問(wèn)題，各國(guó)科學(xué)家設(shè)計(jì)出各種精密的自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置，開(kāi)創(chuàng)了防空火力系統(tǒng)和控制這一新的科學(xué)領(lǐng)域（圖2.19和圖2.20）。智能化的儀表YS-80及所屬的可編程序智能控制器SLPC 國(guó)產(chǎn)巨型“銀河”電子數(shù)字計(jì)算機(jī)封里彩圖為國(guó)產(chǎn)巨型“銀河”電子數(shù)字計(jì)算機(jī) 綜合自動(dòng)化 20世紀(jì)50年代末到60年代初，開(kāi)始出現(xiàn)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)控制的化工廠，60年代末在制造工業(yè)中出現(xiàn)了許多自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)，工業(yè)生產(chǎn)開(kāi)始由局部自動(dòng)化向綜合（全盤(pán)）自動(dòng)化方向發(fā)展。70年代出現(xiàn)用專(zhuān)用機(jī)床組成的無(wú)人工廠，80年代初才出現(xiàn)用柔性制造系統(tǒng)組成的無(wú)人工廠（圖2.2

25、5和圖2.26）。 無(wú)人加工車(chē)間 圖2.25 無(wú)人組裝車(chē)間 智能和水下機(jī)器人本章重點(diǎn)：1.自動(dòng)控制概念；2.控制系統(tǒng)的組成和術(shù)語(yǔ)；3.控制系統(tǒng)的基本分類(lèi)；4.對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求。1、自動(dòng)控制的概念 自動(dòng)控制，指在無(wú)人直接參與的情況下，利用控制裝置（控制器）自動(dòng)地、有目的地控制機(jī)器或生產(chǎn)過(guò)程，使被控對(duì)象(如位移、速度、溫度，電力系統(tǒng)中電壓、電流、功率等物理量或某些化合物的成分等)，依照預(yù)定的規(guī)律進(jìn)行運(yùn)動(dòng)或變化。這種能對(duì)被控制對(duì)象的工作狀態(tài)進(jìn)行控制的系統(tǒng)稱(chēng)為自動(dòng)控制系統(tǒng)。它一般由控制器和被控對(duì)象組成。液位控制系統(tǒng)控制器減速器電動(dòng)機(jī)電位器浮子用水開(kāi)關(guān)Q2Q1cifSM液位控制系統(tǒng)工作原理經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)?/p>

26、調(diào)試，使電位器的活動(dòng)臂位于中間位置時(shí)，電動(dòng)機(jī)的輸入電壓為0伏，電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)控制閥門(mén)保持一定的開(kāi)啟度，使水箱中的進(jìn)水量Q1與出水量Q2相等，從而使水位保持在希望的高度上。當(dāng)流入水量或流出水量發(fā)生變化，水箱中液位也會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)浮子帶動(dòng)電位器的滑臂移動(dòng)，改變電動(dòng)機(jī)的輸入電壓，使電動(dòng)機(jī)正向或反向轉(zhuǎn)動(dòng)。如當(dāng)液面上升時(shí)，浮子升高，帶動(dòng)電位器的滑臂位置從中間點(diǎn)往下移，給電動(dòng)機(jī)提供一個(gè)負(fù)值電壓，使電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，通過(guò)減速器減小閥門(mén)的開(kāi)啟度，使進(jìn)水量Q1小于出水量Q2，從而使水位下降，浮子也隨之下降，直到電位器的滑臂回到中間點(diǎn)的位置。系統(tǒng)重新處于平衡狀態(tài)，液面恢復(fù)給定的高度。反之，若水箱的液位下降，則系統(tǒng)

27、會(huì)自動(dòng)增大閥門(mén)的開(kāi)啟度，加大進(jìn)水量，使液位上升到給定的高度。2、控制系統(tǒng)的組成和術(shù)語(yǔ)： 1.為達(dá)到某一目的，由相互制約、相互聯(lián)系的各個(gè)部件按照一定規(guī)律構(gòu)成且具有獨(dú)立功能的整體稱(chēng)為系統(tǒng)。 2.自動(dòng)控制系統(tǒng)是由被控對(duì)象和控制器按照一定方式連接起來(lái)，能完成一定自動(dòng)控制任務(wù)的總體。3.自動(dòng)控制系統(tǒng)的系統(tǒng)輸出量稱(chēng)為被控制量。 4.輸入量： 給定輸入（或稱(chēng)參考輸入、希望值等）：指對(duì)系統(tǒng)輸出量的要求值。 擾動(dòng)輸入：指對(duì)系統(tǒng)輸出量有不利影響的輸入量。 如，液位控制系統(tǒng)中： 被控對(duì)象：閥門(mén) 被控量：液位 執(zhí)行元件：減速器 控制器：電動(dòng)機(jī) 給定元件：電位器反饋控制系統(tǒng) 5.反饋：將檢測(cè)出來(lái)的輸出量送回到系統(tǒng)的輸入

28、端，并與輸入信號(hào)相比較，產(chǎn)生偏差的過(guò)程稱(chēng)為反饋。若反饋信號(hào)與輸入信號(hào)相減，則稱(chēng)為負(fù)反饋；反之，若二信號(hào)相加，則稱(chēng)為正反饋。6、開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng) 輸出量對(duì)輸入量沒(méi)有影響的系統(tǒng)叫開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，給定的一個(gè)輸入，便有一個(gè)相應(yīng)輸出，但輸出量不可能有準(zhǔn)確的數(shù)值，尤其是當(dāng)系統(tǒng)有外界擾動(dòng)時(shí)，變化更大。開(kāi)環(huán)控制精度不高的重要原因是：沒(méi)有根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際輸出修正輸入值。7、閉環(huán)控制系統(tǒng) 輸出量對(duì)輸入量有影響的系統(tǒng)叫閉環(huán)控制系統(tǒng)。自動(dòng)控制理論中研究的系統(tǒng)都是閉環(huán)控制系統(tǒng)。8、反饋控制系統(tǒng)的基本組成一個(gè)控制系統(tǒng)是由各種功能不同的部件組成，主要有：1.測(cè)量元件：其職能是檢測(cè)被控制的物理量，溫度控制系統(tǒng)中

29、：溫度傳感器；壓力控制系統(tǒng)中：壓力傳感器；速度控制系統(tǒng)中：速度傳感器等。2.給定元件：給出與期望被控量相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)輸入量，如：電位器。3.比較元件：求出給定值與反饋值之間的偏差。4.放大元件：由放大器組成的放大電路，可用晶體管、集成電路、晶閘管等組成。5.執(zhí)行元件：直接推動(dòng)被控對(duì)象。如液位控制系統(tǒng)中的閥門(mén)；速度控制系統(tǒng)中的功率放大器；溫度控制系統(tǒng)中的發(fā)熱材料。6.校正元件或稱(chēng)為補(bǔ)償元件，用以改善系統(tǒng)的性能。9、方框圖R歐姆定律：URIIU控制系統(tǒng)多種多樣，控制原理不討論具體的實(shí)物系統(tǒng)，而是將控制系統(tǒng)的共同規(guī)律抽象出來(lái)進(jìn)行研究。 為了方便起見(jiàn)，常用方框圖來(lái)表示一個(gè)控制系統(tǒng)。 用方框表示被控對(duì)象和

30、各元件功能，系統(tǒng)中的物理量如：電壓、電流、溫度、壓力、速度等用帶箭頭的直線(xiàn)表示。如圖所示：進(jìn)入方框的箭頭表示輸入量，離開(kāi)方框的箭頭表示輸出量。 用方框中的函數(shù)關(guān)系表示輸入輸出關(guān)系在方框圖中信號(hào)從輸入端沿箭頭方向到達(dá)輸出端的傳輸通道稱(chēng)為前向通路。系統(tǒng)輸出量經(jīng)測(cè)量元件反饋到輸入端的傳輸通路稱(chēng)主反饋通路。前向通路與主反饋通路共同構(gòu)成主回路。在主回路內(nèi)還可以有局部反饋通路和由它們構(gòu)成的內(nèi)回路。只包含一個(gè)主反饋通路的系統(tǒng)稱(chēng)單回路系統(tǒng)。有兩個(gè)或兩個(gè)以上反饋通路的系統(tǒng)稱(chēng)為多回路系統(tǒng)。10、輸入作用、擾動(dòng)作用作用到反饋控制系統(tǒng)上的外界作用有兩種，一種是有用輸入；一種是擾動(dòng)。輸入作用決定系統(tǒng)被控量的變化規(guī)律，是

31、系統(tǒng)運(yùn)行的控制量。擾動(dòng)作用是系統(tǒng)不希望的外作用，它破壞輸入作用對(duì)系統(tǒng)的控制。擾動(dòng)的種類(lèi)很多，在實(shí)際系統(tǒng)中，擾動(dòng)總是不可避免的，如：電源電壓的波動(dòng)；環(huán)境溫度、壓力的變化、飛行中氣流的變化。航海中的波浪、半導(dǎo)體器件的零漂等。反饋系統(tǒng)的作用之一就是要使擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響減小到最低。參考輸入r： 輸入到控制系統(tǒng)的指令信號(hào)；主反饋b： 與輸出成正比或成某種函數(shù)關(guān)系，但量綱與參考輸入相同的信號(hào)；偏差e： 參考輸入與主反饋之差的信號(hào)，偏差有時(shí)也稱(chēng)為誤差；控制環(huán)節(jié)Gc：接受偏差信號(hào)，通過(guò)轉(zhuǎn)換與運(yùn)算，產(chǎn)生控制量；控制量u： 控制環(huán)節(jié)的輸出，作用于被控對(duì)象的信號(hào)；擾動(dòng)n： 不希望的、影響輸出的信號(hào)；被控對(duì)象Go：它

32、接受控制量并輸出被控制量；輸出c： 系統(tǒng)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)： 相當(dāng)于偏差檢測(cè)器，它的輸出量等于兩輸出量的代數(shù)和。箭頭上 的符號(hào)表示輸入在此相加或相減。 11、控制系統(tǒng)的分類(lèi) 控制系統(tǒng)分類(lèi)的方法有很多種，本書(shū)將系統(tǒng)分為：一、線(xiàn)性連續(xù)控制系統(tǒng)：當(dāng)組成系統(tǒng)的各元件的輸入/輸出關(guān)系特性是線(xiàn)性特性，系統(tǒng)的狀態(tài)和性能可以用線(xiàn)性微分方程或線(xiàn)性差分方程來(lái)描述時(shí)，則稱(chēng)這種系統(tǒng)為線(xiàn)性系統(tǒng)。線(xiàn)性系統(tǒng)的特點(diǎn)：可以運(yùn)用疊加原理。線(xiàn)性連續(xù)控制系統(tǒng)的一般表達(dá)式 上式中： c(t)是被控量（輸出量） r(t)是輸入量 a0、a1、a2an；b0、b1、b2bm是系數(shù) 當(dāng)系數(shù)為常數(shù)時(shí)

33、，稱(chēng)為線(xiàn)性定常系統(tǒng)； 當(dāng)系數(shù)隨時(shí)間變化時(shí)，稱(chēng)為時(shí)變系統(tǒng)。二線(xiàn)性定常離散控制系統(tǒng) 離散控制系統(tǒng)是指系統(tǒng)的某處或多處的信號(hào)為脈沖序列或者說(shuō)系統(tǒng)的某處或多處的信號(hào)不是時(shí)間的連續(xù)函數(shù)。如計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，控制信號(hào)是數(shù)字脈沖量。離散系統(tǒng)要用差分方程描述 a0c(k+n)+a1c(k+n-1)+an-1c(k+1)+anc(k) =b0r(k+m)+b1r(k+m-1)+ +bm-1r(k+1)+bmr(k)式中： a0、a1 an；b0、b1、bm是系數(shù)，n為差分方程的次數(shù)r(k)、c(k)分別為輸入和輸出采樣序列三、非線(xiàn)性控制系統(tǒng)系統(tǒng)中只要有一個(gè)元件的輸入輸出特性是非線(xiàn)性的，這類(lèi)系統(tǒng)就稱(chēng)為非線(xiàn)性控制系統(tǒng)

34、。非線(xiàn)性系統(tǒng)用非線(xiàn)性微分方程或非線(xiàn)性差分方程描述。非線(xiàn)性系統(tǒng)不滿(mǎn)足疊加原理，典型非線(xiàn)性環(huán)節(jié)輸入輸出特性1.死區(qū)特性死區(qū)非線(xiàn)性特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式為2.飽和特性飽和非線(xiàn)性特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式3.繼電器特性a)c)b)d)理想繼電器有死區(qū)的繼電器有回環(huán)的繼電器有死區(qū)和回環(huán)的繼電器4.間隙特性圖為磁滯回路的輸入、輸出特性，它的數(shù)學(xué)表達(dá)式為從嚴(yán)格的意義上講，實(shí)際上不存在絕對(duì)的線(xiàn)性系統(tǒng)，各種物理系統(tǒng)都含有程度不同的非線(xiàn)性元件，如：放大器的死區(qū)、飽和特性，鐵磁元件的磁滯特性，運(yùn)動(dòng)部件的間隙、摩擦等。對(duì)于非線(xiàn)性系統(tǒng)，在數(shù)學(xué)上處理較困難，目前尚無(wú)統(tǒng)一的方法來(lái)研究不同形式的非線(xiàn)性系統(tǒng)。在實(shí)際研究中，對(duì)于非線(xiàn)性程度不太嚴(yán)重的元件，可一定范圍內(nèi)作線(xiàn)性化處理，將非線(xiàn)性問(wèn)題轉(zhuǎn)化成線(xiàn)性問(wèn)題。如：三極管放大電路分析所用的小信號(hào)分析法。12.對(duì)自動(dòng)控制控制系統(tǒng)的基本要求：(1) 穩(wěn)定性：穩(wěn)定性是對(duì)控制系統(tǒng)最基本的要求。所謂系統(tǒng)穩(wěn)定，一般指當(dāng)系統(tǒng)受到擾動(dòng)作用后，