自動(dòng)控制理論(鄒伯敏第三版)第01章

理論課教材：

自動(dòng)控制理論（第3版）鄒伯敏主編自動(dòng)控制原理2/3/20231第一章緒論第一章緒論第一節(jié)自動(dòng)控制理論發(fā)展史簡(jiǎn)述第二節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的一般概念第三節(jié)開環(huán)控制與閉環(huán)控制第四節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類第五節(jié)對(duì)控制系統(tǒng)性能的要求和本 課程的任務(wù)2/3/20232第一章緒論第一節(jié)自動(dòng)控制理論發(fā)展史簡(jiǎn)述自動(dòng)控制是一門年輕的學(xué)科,它在20世紀(jì)40年代末才形成。自動(dòng)控制理論

18世紀(jì)中葉由瓦特研制的世界上最早的自動(dòng)控制系統(tǒng)——蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)速度的調(diào)節(jié)器。

1932年奈奎斯特針對(duì)反饋放大器提出了幾何穩(wěn)定判據(jù)。

1945年博德提出來了反饋放大器的一般設(shè)計(jì)方法，并編著了《網(wǎng)絡(luò)分析與反饋放大器的設(shè)計(jì)》一書。

1947年美國(guó)出版了當(dāng)時(shí)世界上第一本控制方面的教材《伺服機(jī)原理》。

1948年美國(guó)麻省理工學(xué)院的輻射研究所完成了雷達(dá)自動(dòng)跟蹤、火炮指揮儀和數(shù)控車床等一系列的自動(dòng)控制實(shí)踐工程。同年，埃文斯工程師提出了一種很實(shí)用的控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)方法—根軌跡法美國(guó)數(shù)學(xué)家維納把那時(shí)發(fā)表的有關(guān)控制方面的理論稱為“控制論”。2/3/20233第一章緒論

20世紀(jì)60年代前的控制理論----經(jīng)典控制理論。經(jīng)典控制理論研究的是單輸入—單輸出線性定常系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)，所用的數(shù)學(xué)工具是常微分方程和復(fù)變函數(shù)。

20世紀(jì)60年代后所提出的控制理論---現(xiàn)代控制理論。用這種理論能分析與設(shè)計(jì)多輸入—多輸出，高精度和參數(shù)時(shí)變系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)，其內(nèi)容有狀態(tài)空間分析法，最優(yōu)控制原理最優(yōu)估計(jì)、系統(tǒng)辨識(shí)、大系統(tǒng)理論、模糊控制與預(yù)測(cè)控制、智能控制等，它們所研究的問題和所用的數(shù)學(xué)工具也各不相同。控制理論發(fā)展歷程：機(jī)械化——電氣化——自動(dòng)化——信息化和智能化。由此可見，經(jīng)典控制理論是基礎(chǔ)，它有效地解決單輸入—單輸出線性定常系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)，是解決一般工程問題的基本方法。經(jīng)典控制理論的一些基本概念有助于研究現(xiàn)代控制理論相關(guān)的內(nèi)容。因此本教材主要介紹經(jīng)典控制理論的相關(guān)內(nèi)容。自動(dòng)控制理論2/3/20234第一章緒論第二節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的一般概念

自動(dòng)控制就是在人不直接參與的條件下，利用控制器使被控制的對(duì)象（如生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)過程）的某些物理量（或工作狀態(tài)）能自動(dòng)地按規(guī)定的規(guī)律變化（或運(yùn)行）。如：圖1-1水池液面控制系統(tǒng)一、液位控制系統(tǒng)水池液面控制如圖1-1所示。電網(wǎng)的電壓與頻率自動(dòng)地保持不變金屬切割機(jī)床的速度在電壓變化或負(fù)載變化時(shí)能自動(dòng)保持不變自動(dòng)控制理論把實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制所需的各個(gè)部件按一定的規(guī)律組合起來，去控制被控對(duì)象，這個(gè)組合體叫做自動(dòng)控制系統(tǒng)2/3/20235第一章緒論人工控制測(cè)量實(shí)際液面的高度

-------用眼實(shí)際液面高度ｈ1與希望液面高度h0相比較

-------用腦按比較的結(jié)果，即液面高度偏差的正負(fù)去決定執(zhí)行動(dòng)作

-------用手液面人工控制系統(tǒng)的方框圖如圖1-2所示。圖1-2液面人工控制系統(tǒng)的方框圖自動(dòng)控制理論2/3/20236第一章緒論自動(dòng)控制人工控制中有三種職能作用：測(cè)量、比較和執(zhí)行，而在自動(dòng)控制系統(tǒng)中也必須有這三種，如圖1-3所示。圖1-3液面自動(dòng)控制系統(tǒng)被控對(duì)象-----水池測(cè)量元件-----浮子比較機(jī)構(gòu)-----浮子的希望位置與實(shí)際位置之差放大機(jī)構(gòu)-----提高系統(tǒng)的控制精度執(zhí)行元件-----驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象，以改變被控制的量液位控制系統(tǒng)由以下五部分組成：自動(dòng)控制理論2/3/20237第一章緒論圖1-5液面自動(dòng)控制系統(tǒng)的方框圖

為了控制系統(tǒng)的表示簡(jiǎn)單明了，控制工程中一般用方框圖表示系統(tǒng)的各個(gè)組件，組件的基本組成單元如圖1-4所示，其中圖a）為引出點(diǎn)，圖b）為比較點(diǎn)，圖c）部件的框圖。圖1-4控制系統(tǒng)框圖的基本組成單元故液位自動(dòng)控制系統(tǒng)也可用圖1-5來表示。自動(dòng)控制理論2/3/20238第一章緒論二、隨動(dòng)控制系統(tǒng)圖1-6直流隨動(dòng)系統(tǒng)的原理圖自動(dòng)控制理論2/3/20239第一章緒論圖1-7直流隨動(dòng)系統(tǒng)的方框圖圖1-6直流隨動(dòng)系統(tǒng)是用一對(duì)電位器作為位置的檢測(cè)元件，它們分別把系統(tǒng)的輸入與輸出的位置信號(hào)轉(zhuǎn)換成與之成比例的電信號(hào)，并進(jìn)行比較。其控制系統(tǒng)的方框圖如圖1-7所示。自動(dòng)控制理論2/3/202310第一章緒論第三節(jié)開環(huán)控制與閉環(huán)控制自動(dòng)控制框圖的一般形式自動(dòng)控制系統(tǒng)的框圖自動(dòng)控制理論2/3/202311第一章緒論圖中：

r(t)-----系統(tǒng)的參考輸入(簡(jiǎn)稱輸入量或給定量)

c(t)-----系統(tǒng)的被控制量(又簡(jiǎn)稱輸出量)

b(t)-----系統(tǒng)的主反饋量

e(t)-----系統(tǒng)的誤差e(t)＝r(t)－b(t)

d(t)-----系統(tǒng)的干擾,它是一種對(duì)系統(tǒng)輸出產(chǎn)生不利的信號(hào)給定環(huán)節(jié)-----產(chǎn)生參考輸入信號(hào)的元件如:電位器、旋轉(zhuǎn)變壓器等

控制器-----其輸入是系統(tǒng)的誤差信號(hào),經(jīng)其變換或相關(guān)的運(yùn)算后,產(chǎn)生期望的控制信號(hào)去控制被控對(duì)象被控對(duì)象-----系統(tǒng)控制的對(duì)象,其輸入量是控制器的輸出,輸出量就是被控量反饋環(huán)節(jié)-----將被控制量轉(zhuǎn)換為主反饋信號(hào)的裝置,這個(gè)裝置一般為檢測(cè)元件自動(dòng)控制理論2/3/202312第一章緒論開環(huán)控制的優(yōu)缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所用元器件少，成本低系統(tǒng)抗擾動(dòng)能力差自動(dòng)控制理論開環(huán)控制如果系統(tǒng)的輸出量沒有與參考輸入相比較,即系統(tǒng)的輸出與輸入間不存在著反饋的通道,這種控制方式叫開環(huán)控制。結(jié)構(gòu)特征：信號(hào)單向傳遞，沒有形成閉合回路使用場(chǎng)合：多用于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)穩(wěn)定和擾動(dòng)信號(hào)較弱的 場(chǎng)合。 如：全自動(dòng)洗衣機(jī)、電風(fēng)扇2/3/202313第一章緒論若把系統(tǒng)的被控制量反饋到它的輸入端，并與參考輸入相比較，這種控制方式叫閉環(huán)控制。相應(yīng)的系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制的優(yōu)缺點(diǎn)：按偏差控制（因此必須有輸出量的測(cè)量裝置）抗干擾性好，能自動(dòng)地消弱或清除來自系統(tǒng)內(nèi)部或外部擾動(dòng)對(duì)被控制量的影響系統(tǒng)較復(fù)雜，還要考慮穩(wěn)定性問題閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)特征：信息循環(huán)往復(fù)傳遞，按偏差進(jìn)行控制使用場(chǎng)合：多用于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)不穩(wěn)定和擾動(dòng)信號(hào)較強(qiáng)

的場(chǎng)合。如：空調(diào)的室溫控制、電冰箱溫度控制、坐便器的水 箱水位控制2/3/202314第一章緒論電動(dòng)機(jī)，是自動(dòng)控制系統(tǒng)中常用的部件定性的講，當(dāng)負(fù)載ML一定時(shí)，電壓U增大轉(zhuǎn)速n提高

當(dāng)電壓U一定時(shí)，負(fù)載ML增大轉(zhuǎn)速n減小想一想：當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，要想保持轉(zhuǎn)速恒定，應(yīng)該怎么辦？下面看一龍門刨床自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)該系統(tǒng)的控制目的是：當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，維持轉(zhuǎn)速n不變。電動(dòng)機(jī)M轉(zhuǎn)速n,負(fù)載ML電壓U2/3/202315第一章緒論閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)自動(dòng)控制理論2/3/202316第一章緒論該系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)的程：自動(dòng)控制理論2/3/202317第一章緒論三種常用的分類方法：第四節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類線性控制系統(tǒng)和非線性控制系統(tǒng)

若組成控制的元件都具有線性特性則稱這種系統(tǒng)為線性控制系統(tǒng)若在控制系統(tǒng)中有一個(gè)以上的元件具有非線性則稱這種系統(tǒng)為非線性控制系統(tǒng)特點(diǎn)：不具有比例性，也不適用疊加原理系統(tǒng)的輸出響應(yīng)穩(wěn)定性與其初始狀態(tài)有關(guān)特點(diǎn)：系統(tǒng)用微分方程、傳遞函數(shù)或狀態(tài)方程來描述具有比例性并適用疊加原理恒值控制系統(tǒng)和隨動(dòng)控制系統(tǒng)按系統(tǒng)參考輸入信號(hào)的變化規(guī)律分恒值控制和隨動(dòng)控制系統(tǒng)。自動(dòng)控制理論（按數(shù)學(xué)模型的性質(zhì)分）2/3/202318第一章緒論連續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng)恒值控制系統(tǒng)的參與輸入量為常量，要求它的被控制量在任何擾動(dòng)的作用下能盡快地恢復(fù)（或接近）原有的穩(wěn)態(tài)值按系統(tǒng)內(nèi)部傳輸信號(hào)的性質(zhì)分為連續(xù)控制和離散控制系統(tǒng)。

控制系統(tǒng)中各部分傳輸信號(hào)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)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的方框圖自動(dòng)控制理論隨動(dòng)控制系統(tǒng)的輸入是一個(gè)變化量，要求系統(tǒng)的被控制量能快速準(zhǔn)確地跟隨參考輸入信號(hào)的變化而變化若在控制系統(tǒng)內(nèi)部有一個(gè)或一個(gè)以上的信號(hào)是時(shí)間Ｔ的離散信號(hào)，則稱這類系統(tǒng)為離散控制系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是一種常見離散控制系統(tǒng)。2/3/202319第一章緒論第五節(jié)對(duì)控制系統(tǒng)性能的要求和本課程的任務(wù)一、穩(wěn)定性（穩(wěn)）

穩(wěn)定性是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。當(dāng)系統(tǒng)受到某一擾動(dòng)作用后，使被控制量偏離了原來的平衡狀態(tài)，但當(dāng)擾動(dòng)一撤離，經(jīng)過一定的時(shí)間，如果系統(tǒng)仍能回到原有的平衡狀態(tài)，則稱系統(tǒng)是穩(wěn)定的。

線性控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性由系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)與參數(shù)所決定的，與外部條件和初始狀態(tài)無關(guān)。二、快速性（快）

“快”是說明系統(tǒng)動(dòng)態(tài)（過渡過程）品質(zhì)，要求系統(tǒng)的輸出響應(yīng)具有一定的快速性。系統(tǒng)的過渡過程產(chǎn)生的原因：系統(tǒng)中儲(chǔ)能元件的能量不可能突變。三、穩(wěn)態(tài)精度（準(zhǔn)）

控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度通常是用它的穩(wěn)態(tài)誤差來表示，穩(wěn)態(tài)誤差越小，系統(tǒng)的控制精度就越高。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，其穩(wěn)態(tài)輸出與參考輸入所要求的期望輸出的偏差，或系統(tǒng)受擾動(dòng)作用又重新平衡后，系統(tǒng)可能會(huì)出現(xiàn)偏差，這種偏差稱為穩(wěn)態(tài)誤差。自動(dòng)控制理論2/3/202320第一章緒論由于被控對(duì)象具體情況的不同，各種系統(tǒng)對(duì)上述三方面性能要求的側(cè)重點(diǎn)也有所不同。例如隨動(dòng)系統(tǒng)對(duì)響應(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)精度的要求較高，而恒值控制系統(tǒng)一般卻側(cè)重于穩(wěn)定性和抗擾動(dòng)的能力。在同一系統(tǒng)中，上述三方面的性能要求通常是相互制約的。

例如為了提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性和穩(wěn)態(tài)精度，就需要增大系統(tǒng)的放大能力，而放大能力的增強(qiáng)，必然會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的變差，甚至?xí)瓜到y(tǒng)變?yōu)椴环€(wěn)定。反之，若強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程穩(wěn)