第一章自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念

自動(dòng)控制原理講授張曙光河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院課程重要性☆《自動(dòng)控制原理》是工科的技術(shù)基礎(chǔ)課，該課程與其它課程的關(guān)系——承上啟下的課程該課程的學(xué)習(xí)方法與要求

——了解課程特點(diǎn)明確學(xué)習(xí)方法與要求自動(dòng)控制理論電路理論電機(jī)與拖動(dòng)大學(xué)物理信號(hào)與系統(tǒng)復(fù)變函數(shù)拉氏變換模擬電子技術(shù)線性代數(shù)微積分各類專業(yè)課線性系統(tǒng)現(xiàn)代控制理論實(shí)際系統(tǒng)物理模型數(shù)學(xué)模型方法（系統(tǒng)組成分析、設(shè)計(jì)）☆自動(dòng)控制是一門技術(shù)學(xué)科，從方法論的角度來(lái)研究系統(tǒng)的建立、分析與設(shè)計(jì)。研究控制系統(tǒng)的共性問(wèn)題

——提供了研究思想與研究方法課程特點(diǎn)☆自動(dòng)控制技術(shù)是應(yīng)用非常廣泛的技術(shù)本課程學(xué)習(xí)方法☆打好基礎(chǔ)——復(fù)習(xí)學(xué)過(guò)的基礎(chǔ)課☆認(rèn)真聽(tīng)課——掌握基本理論和基本方法☆做好習(xí)題——鍛煉解決實(shí)際問(wèn)題的能力本課程學(xué)習(xí)要求學(xué)會(huì)分析、解決工程問(wèn)題的基本思路和方法

第一章自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念1-1引言1-2自動(dòng)控制的基本方式1-3自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成1-4自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類1-5對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求1-6自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展簡(jiǎn)史自動(dòng)控制——指在沒(méi)有人直接參與的情況下，利用外加裝置（控制裝置或控制器）使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程（被控對(duì)象）的某狀態(tài)或參數(shù)（被控量）按規(guī)定的程序或指令自動(dòng)地進(jìn)行操作或運(yùn)行。1-1引言自動(dòng)控制理論是一個(gè)什么樣的課程？單軸執(zhí)行機(jī)構(gòu)雙軸執(zhí)行機(jī)構(gòu)自動(dòng)控制理論——研究自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成，進(jìn)行系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)的一般性理論。舉例說(shuō)明自動(dòng)控制的概念自動(dòng)控制系統(tǒng)——為實(shí)現(xiàn)某一自動(dòng)控制目標(biāo)所需要的所有物理部件的有機(jī)組合體。例：人工控制與自動(dòng)控制：水箱水位控制問(wèn)題▲用眼觀察水位，目測(cè)出實(shí)際水位高度并反饋到大腦中（測(cè)量過(guò)程）▲在腦中與要求水位進(jìn)行比較，得出偏差大小，決定手的操作動(dòng)作（決策過(guò)程）▲手執(zhí)行大腦決定的動(dòng)作，打開(kāi)或關(guān)閉法門（執(zhí)行過(guò)程）人工控制人工控制過(guò)程歸納：▲傳感器代替眼看測(cè)量出實(shí)際水位高度并反饋到控制器▲在控制器中將實(shí)際水位與設(shè)定水位進(jìn)行比較得出偏差值，對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行放大送到執(zhí)行器▲執(zhí)行器執(zhí)行開(kāi)關(guān)閥門動(dòng)作自動(dòng)控制共同特點(diǎn)：通過(guò)檢測(cè)被控量，得到與給定值的偏差，并去糾正偏差，進(jìn)而減小偏差。

自動(dòng)控制過(guò)程歸納：★分析控制系統(tǒng)的工作原理——分析人要做這個(gè)事情的思路★分析控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)——設(shè)計(jì)與組成系統(tǒng)★分析控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)——是否能夠完成任務(wù)自動(dòng)控制理論——研究和分析控制系統(tǒng)共性的理論自動(dòng)控制就是利用控制裝置代替人去自動(dòng)地完成人要完成的事情1-2自動(dòng)控制的基本方式工作原理·控制裝置控制器+執(zhí)行器+傳感器·被控對(duì)象水箱（水位是被控量）控制裝置被控對(duì)象一、開(kāi)環(huán)控制控制裝置與受控對(duì)象之間只有順向作用而無(wú)反向聯(lián)系.例

轉(zhuǎn)臺(tái)速度開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)

這種轉(zhuǎn)臺(tái)在CD機(jī)、計(jì)算機(jī)磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器等現(xiàn)代裝置中廣泛應(yīng)用.轉(zhuǎn)臺(tái)電機(jī)電源和放大裝置速度設(shè)置系統(tǒng)組成：由圖可見(jiàn)：

被控制量速度沒(méi)有反饋到輸入端與給定信號(hào)比較,為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。輸入量：由電位器給定的電壓ug直流電機(jī)開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)輸入量控制器被控對(duì)象輸出量干擾執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器：電位器+功率放器組成，將弱小的輸入量變成可執(zhí)行的大功率信號(hào)執(zhí)行機(jī)構(gòu)：直流調(diào)速電動(dòng)機(jī)+機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)被控對(duì)象：需要的一定轉(zhuǎn)速n的生產(chǎn)機(jī)械或其他機(jī)械部件輸出量：調(diào)速系統(tǒng)的輸出，即被控對(duì)象的實(shí)際轉(zhuǎn)速（注意：不一定等于電機(jī)轉(zhuǎn)速n）干擾（擾動(dòng)）：在輸入量不變的情況下，如負(fù)載扭矩變化、供電電壓變化等將引起輸出轉(zhuǎn)速變化的影響因素開(kāi)環(huán)控制特點(diǎn)：★系統(tǒng)的輸出與輸入之間沒(méi)有反饋通道，輸出量沒(méi)有與輸入量相比較，即輸出量不參與對(duì)系統(tǒng)的控制，只有輸入量對(duì)輸出量產(chǎn)生控制作用★系統(tǒng)沒(méi)有抗干擾能力★結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所用的元器件少、成本低輸入量控制器被控對(duì)象輸出量干擾執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)用：多用于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)穩(wěn)定和干擾較小的場(chǎng)合。如：自動(dòng)化流水線、自動(dòng)洗衣機(jī)例

轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)直流電機(jī)測(cè)速發(fā)電機(jī)電源和放大裝置負(fù)載系統(tǒng)組成：UnUf給定電壓反饋電壓e=Un-Uf轉(zhuǎn)速取決于給定電壓與反饋電壓的差值。二、閉環(huán)控制控制裝置與受控對(duì)象之間既有順向作用也有無(wú)反向聯(lián)系.直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)輸入量控制器被控對(duì)象輸出量干擾執(zhí)行機(jī)構(gòu)檢測(cè)裝置ugufnno閉環(huán)控制特點(diǎn)：★通過(guò)檢測(cè)裝置構(gòu)成的反饋通道將輸出量送回輸入端，與給定信號(hào)進(jìn)行比較，產(chǎn)生偏差,此偏差經(jīng)過(guò)控制器產(chǎn)生控制作用,使輸出量按照要求的規(guī)律變化

★系統(tǒng)具有抗干擾能力，能實(shí)現(xiàn)高精度控制★因系統(tǒng)按偏差調(diào)節(jié)，有時(shí)間延遲，輸出量的偏離不能立即得到修正，有可能使輸出量處于振蕩狀態(tài)，使系統(tǒng)無(wú)法工作。應(yīng)用：對(duì)系統(tǒng)有精度要求時(shí)廣泛采用反饋控制是最基本的閉環(huán)控制方式。輸入量控制器被控對(duì)象輸出量干擾執(zhí)行機(jī)構(gòu)檢測(cè)裝置ugufnnouf三、復(fù)合控制1。按輸入信號(hào)補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制輸入量控制器被控對(duì)象輸出量干擾執(zhí)行機(jī)構(gòu)檢測(cè)裝置補(bǔ)償裝置補(bǔ)償裝置補(bǔ)償裝置補(bǔ)償裝置noug輸入量補(bǔ)償量補(bǔ)償量輸入量應(yīng)用：提高系統(tǒng)跟蹤輸入信號(hào)的能力和精度輸出量輸出量輸出量輸出量2。按干擾作用補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制輸出量輸入量控制器被控對(duì)象干擾執(zhí)行機(jī)構(gòu)檢測(cè)裝置補(bǔ)償裝置檢測(cè)出干擾量，通過(guò)補(bǔ)償裝置對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償以抵消干擾對(duì)系統(tǒng)輸出量的影響應(yīng)用：增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力1-3自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成輸出量給定環(huán)節(jié)被控對(duì)象干擾執(zhí)行機(jī)構(gòu)反饋校正裝置放大環(huán)節(jié)串聯(lián)校正檢測(cè)裝置要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的設(shè)備或過(guò)程被控設(shè)備或過(guò)程中需要控制的參數(shù)即被控參數(shù)測(cè)量被控參數(shù)的傳感器與測(cè)量電路，它將系統(tǒng)的實(shí)際輸出反饋到輸入端設(shè)定與系統(tǒng)輸出希望值相對(duì)應(yīng)的輸入指令改善系統(tǒng)性能的環(huán)節(jié)，因?yàn)榇?lián)在系統(tǒng)的輸入端，又稱串聯(lián)校正輸入與輸出之間進(jìn)行比較，產(chǎn)生偏差信號(hào)，該偏差信號(hào)描述了系統(tǒng)希望值與實(shí)際值之間的誤差將微小的偏差信號(hào)進(jìn)行放大，使之達(dá)到控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的能量要求執(zhí)行控制任務(wù)，驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象的動(dòng)力設(shè)備改善局部環(huán)節(jié)性能的裝置，用反饋的方法調(diào)整局部信號(hào)達(dá)到校正的目的，所以稱反饋校正（或并聯(lián)校正）順著從輸入到輸出的信號(hào)傳遞方向走出的通道稱為前向通道將輸出（局部輸出）送回到輸入（局部輸入）的通道被稱為反饋通道連接輸入與系統(tǒng)輸出的反饋通道被稱為主反饋通道將局部輸出送回到局部輸入的通道被稱為局部反饋通道典型閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖典型閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖1-4自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類●按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分，開(kāi)環(huán)/閉環(huán)控制系統(tǒng)●按輸入量形式分，恒值/隨動(dòng)控制系統(tǒng)●按信號(hào)傳遞形式分，連續(xù)/離散控制系統(tǒng)●按系統(tǒng)是否滿足疊加性分，線性/非線性控制系統(tǒng)●按系統(tǒng)執(zhí)行裝置分，機(jī)電/液壓/氣壓控制系統(tǒng)等

可以從不同角度對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行分類：▲系統(tǒng)輸入量為常值，要求被控量也等于常值。

▲系統(tǒng)的基本任務(wù)是當(dāng)出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，使系統(tǒng)的輸出量保持為恒定的希望值

▲工業(yè)產(chǎn)生中的溫度、壓力、流量、液面等參數(shù)的控制電力系統(tǒng)的電網(wǎng)電壓、頻率控制等

2.程序控制系統(tǒng)▲系統(tǒng)輸入量按預(yù)定規(guī)律變化，系統(tǒng)的控制過(guò)程按預(yù)定的程序進(jìn)行?！鴶?shù)控機(jī)床按預(yù)定程序自動(dòng)地切削工件。石油化學(xué)工業(yè)中的反應(yīng)塔。

一.按輸入量的特征

1.恒值控制系統(tǒng)▲系統(tǒng)輸入量隨時(shí)間任意變化。系統(tǒng)輸出量常是機(jī)械位移、速度、加速度、力、力矩等機(jī)械量?！到y(tǒng)的基本任務(wù)是使系統(tǒng)輸出量能快速、準(zhǔn)確地跟隨輸入量變化?！鴻C(jī)械加工中的仿形機(jī)床。武器裝備中的火炮自動(dòng)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)、雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)、導(dǎo)彈目標(biāo)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)

3.伺服系統(tǒng)又稱隨動(dòng)系統(tǒng)二、連續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng)▲控制系統(tǒng)中各部分的信號(hào)若都是時(shí)間t

的連續(xù)函數(shù)，則稱這類系統(tǒng)為連續(xù)控制系統(tǒng)?！诳刂葡到y(tǒng)各部分的信號(hào)中只要有一個(gè)是時(shí)間t

的離散信號(hào)，則稱這種系統(tǒng)為離散控制系統(tǒng)。脈沖和數(shù)碼都屬于離散信號(hào)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)就是一種常見(jiàn)的離散控制系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)只能接受和處理數(shù)字信號(hào)，計(jì)算機(jī)的輸出經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換加給放大器，然后再去驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件，或由計(jì)算機(jī)直接輸出數(shù)字信號(hào)，經(jīng)數(shù)字放大器后驅(qū)動(dòng)數(shù)字式執(zhí)行元件。三、線性控制系統(tǒng)和非線性控制系統(tǒng)▲用非線性方程描述的系統(tǒng)，稱為非線性系統(tǒng)。線性系統(tǒng)特性疊加性齊次性（均勻性）如果微分方程或差分方程的系數(shù)為常數(shù)，則稱為線性定常數(shù)系統(tǒng)；否則，稱為線性時(shí)變系統(tǒng)?！捎镁€性微分方程或差分方程描述的系統(tǒng)，稱為線性系統(tǒng)。1-5對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求控制系統(tǒng)應(yīng)用于不同場(chǎng)合，對(duì)它有不同的性能要求。但從控制工程的角度來(lái)看，卻有一些共同的標(biāo)準(zhǔn)。常見(jiàn)的評(píng)價(jià)系統(tǒng)優(yōu)劣的性能指標(biāo)基本有三個(gè)方面：穩(wěn)、快、準(zhǔn)。二、快速性一、穩(wěn)定性三、準(zhǔn)確性

系統(tǒng)受外作用力后,其動(dòng)態(tài)過(guò)程的振蕩傾向和系統(tǒng)恢復(fù)平衡的能力。一、穩(wěn)定性穩(wěn)定性：如果系統(tǒng)受外作用力經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，其被控量達(dá)到某一穩(wěn)定狀態(tài)，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的。否則為不穩(wěn)定的。穩(wěn)定系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程r(t)t0c(t)1r(t)c(t)不穩(wěn)定系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程(a)給定信號(hào)作用c(t)(b)擾動(dòng)信號(hào)作用d(t)t0c(t)r(t)t0c(t)r(t)c(t)d(t)不穩(wěn)定的系統(tǒng)是無(wú)法正常工作的。

一種過(guò)渡過(guò)程是收斂的，即過(guò)渡過(guò)程結(jié)束后，系統(tǒng)又趨于平衡狀態(tài)，這類系統(tǒng)稱為穩(wěn)定的；另一種過(guò)渡過(guò)程是發(fā)散的，這類系統(tǒng)稱為不穩(wěn)定的；等幅振蕩也被認(rèn)為是不穩(wěn)定的。顯然，系統(tǒng)穩(wěn)定是保證系統(tǒng)能正常工作的首要條件。通過(guò)動(dòng)態(tài)過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)短表征。時(shí)間越短，表明快速性越好，反之亦然。二、快速性r(t)t0c(t)r(t)c1(t)c2(t)快速性表明了系統(tǒng)輸出對(duì)輸入響應(yīng)的快慢程度由輸入給定值與輸出響應(yīng)的終值之間的差值ess大小表征。三、準(zhǔn)確性r(t)t0c(t)r(t)c(t)ess過(guò)渡過(guò)程結(jié)束后，輸出量的希望值與實(shí)際值之差。數(shù)控機(jī)床的加工誤差小于0.02mm。

一般恒速、恒溫控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差都在給定值的1%以內(nèi)?！鹜粋€(gè)系統(tǒng)，穩(wěn)、快、準(zhǔn)是相互制約的?！鹛岣呖焖傩?，可能會(huì)引起系統(tǒng)強(qiáng)烈振動(dòng)。○改善了平穩(wěn)性，控制過(guò)程又可能很遲緩，甚至精度也會(huì)變差?！鸱治龊徒鉀Q這些矛盾，將是本學(xué)科討論的重要內(nèi)容。1-5自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展簡(jiǎn)史●經(jīng)典控制理論（19世紀(jì)初）時(shí)域法；復(fù)域法（根軌跡）；頻域法●現(xiàn)代控制理論（20世紀(jì)50年代）線性控制最優(yōu)控制最佳估計(jì)系統(tǒng)識(shí)別自適應(yīng)控制魯棒控制容錯(cuò)控制集散控制大系統(tǒng)復(fù)雜系統(tǒng)●智能控制理論（20世紀(jì)70年代）專家控制模糊控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遺傳算法1400——1900工業(yè)機(jī)器時(shí)代亞歷山大的希羅發(fā)明開(kāi)閉廟門和分發(fā)圣水等自動(dòng)裝置(100年)。中國(guó)張衡發(fā)明水運(yùn)渾象，研制出自動(dòng)測(cè)量地震的候風(fēng)地動(dòng)儀

(132年)。自動(dòng)控制的發(fā)展簡(jiǎn)史中國(guó)馬鈞研制出用齒輪傳動(dòng)的自動(dòng)指示方向的指南車

(235年)

中國(guó)明代宋應(yīng)星所著《天工開(kāi)物》記載有程序控制思想的提花織機(jī)結(jié)構(gòu)圖

(1637年)

英國(guó)

J.Watt用離心式調(diào)速器控制蒸汽機(jī)的速度

(1788年)錢學(xué)森的《工程控制論》(

EngineeringCybernetics)

(1954)德國(guó)V-2飛彈1942年年底進(jìn)行了試驗(yàn)，44年使用。這種飛彈長(zhǎng)14米，射程為300公里，可攜帶950公斤炸藥，飛行高度為9.6萬(wàn)米，飛行速度5800公里/小時(shí)，發(fā)射后一分鐘便可燃燒掉4噸乙烷和5噸液態(tài)氧。它是最早用電磁制導(dǎo)系統(tǒng)控制的武器，不易被偵探，可達(dá)到突然襲擊的效果。

二戰(zhàn)時(shí)期的航空母艦和飛機(jī)美國(guó)

MIT研制出第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床

(1952)美國(guó)研制出第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人樣機(jī)

(1954)計(jì)算機(jī)集成制造的概念(1969)由加工中心和工業(yè)機(jī)器人組成的柔性制造單元

(1976)中國(guó)批準(zhǔn)

863高技術(shù)計(jì)劃，包括自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)和智能機(jī)器人兩個(gè)主題

(1986)世界第一顆人造地球衛(wèi)星由蘇聯(lián)發(fā)射成功(1957)蘇聯(lián)東方-１號(hào)飛船載著加加林進(jìn)入人造地球衛(wèi)星軌道,人類宇航時(shí)代開(kāi)始了(1961)。蘇聯(lián)發(fā)射“月球”9號(hào)探測(cè)器，成功(1966)。三年后

(1969)，美國(guó)“阿波羅”11號(hào)把宇航員送上月球?；鸺?/p>