自動(dòng)控制原理第一章20150301

1自動(dòng)控制原理主講韓敏E-mail：minhan@助課許美玲

2第一章自動(dòng)控制的基本概念（2學(xué)時(shí)）控制系統(tǒng)導(dǎo)論，反饋控制系統(tǒng)的工作原理、分類方法、基本要求。第二章系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型（8學(xué)時(shí)）控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，控制系統(tǒng)微分方程的建立及非線性方程的線性化。第三章時(shí)域分析（8學(xué)時(shí)）控制系統(tǒng)的時(shí)域分析法，典型輸入信號(hào)，系統(tǒng)的性能指標(biāo)，一階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)分析，系統(tǒng)穩(wěn)定性分析。3第四章根軌跡法（8學(xué)時(shí)）根軌跡法，根軌跡的基本概念，繪制根軌跡的基本規(guī)則。第五章頻率響應(yīng)法（12

學(xué)時(shí)）線性系統(tǒng)的頻域分析，頻率特性的概念，開環(huán)系統(tǒng)的幅相頻率特性曲線。第六章控制系統(tǒng)的校正（6學(xué)時(shí)）線性系統(tǒng)的校正方法，校正與綜合的概念，校正的基本方式，基本控制規(guī)律，常用校正裝置及其特性。4第七章非線性控制系統(tǒng)（10學(xué)時(shí)）非線性系統(tǒng)理論，非線性系統(tǒng)的特點(diǎn)、研究方法，典型非線性特性的數(shù)學(xué)描述及特性。第八章離散控制系統(tǒng)（10學(xué)時(shí)）線性離散控制系統(tǒng)，系統(tǒng)分類，采樣過程的數(shù)學(xué)描述，采樣定理，零階保持器。5第一章自動(dòng)控制的基本概念

Chapter1Thebasicconceptofautomaticcontrol§1-1概述

(Introduction)§1-2自動(dòng)控制的基本方式

(Basicmode)§1-3自動(dòng)控制的分類

(Classification)§1-4自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)

(Performanceindex)§1-5自動(dòng)控制系統(tǒng)中的常用術(shù)語

(Commonterms)§1-6當(dāng)前自動(dòng)化學(xué)科的研究方向(Researchinterests)6§1-1概述(Introduction)自動(dòng)控制原理：自動(dòng)控制技術(shù)的基礎(chǔ)理論自動(dòng)控制：是指在無人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置，使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行

控制裝置或控制器被控對(duì)象被控量給定量7自動(dòng)控制系統(tǒng)(Automaticcontrolsystem)：是由控制器、被控對(duì)象等部件為了一定的目的有機(jī)地聯(lián)接成一個(gè)進(jìn)行自動(dòng)控制的整體?？刂葡到y(tǒng)通常由軟件平臺(tái)+硬件系統(tǒng)構(gòu)成軟件平臺(tái)：上位機(jī)操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫等硬件系統(tǒng)：控制用計(jì)算機(jī)、檢測機(jī)構(gòu)等控制系統(tǒng)的目標(biāo)：理論上滿足靜態(tài)特性，實(shí)際應(yīng)用中動(dòng)靜特性都要滿足系統(tǒng)要滿足穩(wěn)定性系統(tǒng)要可靠，要有應(yīng)用價(jià)值8日常生活中的自動(dòng)控制微波爐自動(dòng)售票機(jī)空調(diào)自動(dòng)門航天器太空倉空氣控制系統(tǒng)9h

使導(dǎo)彈與目標(biāo)間距離h(t)逐漸減小并趨于零。軍事中的自動(dòng)控制導(dǎo)彈的控制10航天中的自動(dòng)控制神舟飛船11工業(yè)中的自動(dòng)控制最先進(jìn)的加工中心12工業(yè)中的自動(dòng)控制龍門刨床13工業(yè)中的自動(dòng)控制電動(dòng)汽車14控制論(Cybernetics)是怎樣形成的—自動(dòng)化發(fā)展簡史早期探索經(jīng)典控制理論時(shí)期現(xiàn)代控制理論時(shí)期智能控制時(shí)期15隨著生產(chǎn)的發(fā)展，控制技術(shù)也在不斷地發(fā)展，尤其是計(jì)算機(jī)的更新?lián)Q代，更加推動(dòng)了控制理論不斷地向前發(fā)展?？刂评碚摰陌l(fā)展過程一般可分為三個(gè)階段：控制論是怎樣形成的—自動(dòng)化發(fā)展簡史20世紀(jì)之前，科學(xué)家的早期探索第一階段。20世紀(jì)初～60年代，稱為“經(jīng)典控制理論”時(shí)期。第二階段。20世紀(jì)60～70年代，稱為“現(xiàn)代控制理論”時(shí)期。第三階段。20世紀(jì)70年代末至今。向著“大系統(tǒng)理論”和“智能控制”方向發(fā)展。16我國北宋時(shí)期(1086～1089年)天文學(xué)家蘇頌、韓公廉建造了水運(yùn)儀象臺(tái)

十七-十八世紀(jì)，動(dòng)力裝置成為研究重點(diǎn)，風(fēng)車技術(shù)和蒸氣機(jī)取得突破發(fā)展。1679年法國物理學(xué)家丹尼斯·巴本制造了第一臺(tái)蒸汽機(jī)的工作模型。1698年托馬斯·塞維利、1712年托馬斯·紐科門制造了早期的工業(yè)蒸汽機(jī)。1750年，安得魯.

米克爾為風(fēng)車引入了“扇尾”傳動(dòng)裝置，使風(fēng)車自動(dòng)地面向風(fēng)。隨后，威廉.

丘比特對(duì)其改進(jìn)，使得風(fēng)車能夠自動(dòng)調(diào)整傳動(dòng)速度。1765年，俄國人普爾佐諾夫(I.Polzunov)發(fā)明了蒸汽鍋爐水位調(diào)節(jié)器。1、20世紀(jì)之前：科學(xué)家的早期探索早期的蒸汽機(jī)工作效率太低，難以推廣17要保持無論外界負(fù)載怎么變化，轉(zhuǎn)速都要保持恒定，需要不斷地隨著外界負(fù)載的變化而相應(yīng)地改變供氣量的大小，如果靠人工去控制氣門顯然非常緊張和吃力。問題：瓦特在發(fā)明了蒸汽機(jī)后，發(fā)現(xiàn)不變的供氣量會(huì)使機(jī)器因?yàn)橥饨缲?fù)荷的變換而產(chǎn)生轉(zhuǎn)速的忽高忽低，外界負(fù)荷大了同樣的供氣量機(jī)器的轉(zhuǎn)速就得下降，外界負(fù)荷小了同樣的供氣量機(jī)器的轉(zhuǎn)速就要上升。1、20世紀(jì)之前：科學(xué)家的早期探索1760年－1800年，詹姆斯.瓦特對(duì)蒸氣機(jī)進(jìn)行了徹底得改造，終于使其得到廣泛的應(yīng)用。18解決方法：1788年，瓦特研制成了蒸汽機(jī)離心式調(diào)速器，使它能夠保持蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速“恒定”。瓦特離心式調(diào)速器示意圖蒸汽機(jī)1通過皮帶輪帶動(dòng)工具機(jī)2轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)2負(fù)荷增大時(shí)，蒸汽機(jī)1的轉(zhuǎn)子速度降低，這時(shí)裝在轉(zhuǎn)子上的傘齒輪3的轉(zhuǎn)速也下降，安裝在傘齒輪轉(zhuǎn)軸上的一對(duì)飛錘4轉(zhuǎn)速下降，并下垂，帶動(dòng)滑塊5下降，滑塊帶動(dòng)杠桿6將蒸汽機(jī)進(jìn)汽閥門7打開，加大進(jìn)氣量，轉(zhuǎn)子速度上升，從而達(dá)到恒速的目的。

蒸汽機(jī)離心式調(diào)速器19瓦特離心式調(diào)速器的負(fù)反饋原理圖被控量是蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速控制量是蒸汽的輸入量反饋量誤差反饋系數(shù)20瓦特離心式調(diào)速器的負(fù)反饋原理圖根據(jù)原理圖，有如下方程：聯(lián)立三個(gè)方程，有如果Q不變，n基本也不會(huì)變，這里假定K和b都是常數(shù)。如果負(fù)荷變化引起轉(zhuǎn)速n變化，那么改變的只是Qf，亦即，通常稱為誤差。這是一個(gè)反向調(diào)節(jié)過程：所以稱它為：閉環(huán)負(fù)反饋控制(Closed-loopnegativefeedbackcontrol)原理21

勞斯－赫爾維茨(Routh-Hurwitz)判據(jù)問題：瓦特調(diào)速器并沒有達(dá)到預(yù)期的效果，反而引起“晃動(dòng)”。解決方法：1868年，英國物理學(xué)家J.C.麥克斯維爾（Maxwell）把蒸汽機(jī)晃動(dòng)現(xiàn)象變成線性微分方程來研究，而線性微分方程解的收斂性取決于它的特征值的符號(hào)。他指出只有這些根都是負(fù)實(shí)根，或者具有負(fù)實(shí)部的復(fù)根，這個(gè)方程所描述的系統(tǒng)才是穩(wěn)定的。問題：如何解高階代數(shù)方程成為新的問題。22得到的啟示！“晃動(dòng)”→J.C.麥克斯維爾微分方程→勞斯－赫爾維茨判據(jù)

——這就是科學(xué)的規(guī)律!解決方法：1877年，英國人E.勞斯（Routh）和德國人A.赫爾維茨（Hurwitz）兩人各自獨(dú)立研究，利用特征方程系數(shù)得到判別系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法，從而省去了解系統(tǒng)特征方程的過程。（第三章內(nèi)容）

勞斯－赫爾維茨(Routh-Hurwitz)判據(jù)23

負(fù)反饋原理(Negativefeedback)問題：在鋪設(shè)從紐約到舊金山的長途電話線時(shí)，由于距離過長，輸送的電話信號(hào)產(chǎn)生了衰減和畸變。1928年8月2日，在貝爾實(shí)驗(yàn)室工作的H.布萊克（Black）

，在前往曼哈頓西街的上班途中，在哈得孫河的渡船上靈光一閃，發(fā)明了在當(dāng)今控制理論中占核心地位的負(fù)反饋放大器。由于手頭沒有合適的紙張，他將其發(fā)明記在了一份紐約時(shí)報(bào)上，這份早報(bào)已成為一件珍貴的文物珍藏在AT&T的檔案館中。2、第一階段：20世紀(jì)初～60年代，“經(jīng)典控制理論”時(shí)期24解決方法：1927年-1932年，H.布萊克等人利用負(fù)反饋原理設(shè)計(jì)了具有線性負(fù)反饋的電子管放大器，解決了由于放大器的非線性放大系數(shù)Kn引起的信息畸變問題。設(shè)放大器輸入信號(hào)為F1，輸出信號(hào)為F2，非線性放大系數(shù)為Kn，而線性負(fù)反饋系數(shù)K可表達(dá)為：負(fù)反饋原理25當(dāng)時(shí)，具有線性負(fù)反饋放大器(閉環(huán))放大系數(shù)K取下式上式表明閉環(huán)系統(tǒng)具有線性負(fù)反饋放大器的放大系數(shù)K與反饋通道的線性系數(shù)成反比，因而能夠消除放大器的非線性畸變。負(fù)反饋原理26解決方法：1932年，在貝爾實(shí)驗(yàn)室工作的H.奈奎斯特(Nyquist）在解釋放大器振蕩問題時(shí)，建立了奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)。稱之為奈奎斯特頻率法。（第五章內(nèi)容）問題：雖然畸變消除了，但又產(chǎn)生了放大振蕩問題，放大系數(shù)太大、太小都會(huì)造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

奈奎斯特頻率法

(NyquistFrequency-ResponseMethod)27

奈奎斯特頻率法的重要貢獻(xiàn)在于：它可以利用物理上能夠測量的開環(huán)系統(tǒng)頻率特性來判別閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、靜態(tài)誤差和過渡過程某些品質(zhì)指標(biāo)等一系列問題。不用直接去解微分方程，只要畫出開環(huán)系統(tǒng)的頻率特性，就能知道系統(tǒng)穩(wěn)定性如何，并可以估計(jì)出系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)，而且還能知道應(yīng)該采取什么措施可以使系統(tǒng)穩(wěn)定下來，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)等等。

奈奎斯特頻率法28PID控制器(ProportionalIntegralDerivativeController)瓦特所用的小錘控制轉(zhuǎn)速，實(shí)際上就是純比例調(diào)節(jié)（P）。比例作用比較容易被人理解，因此在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。問題：在應(yīng)用過程中，人們發(fā)現(xiàn)這種控制方法有很大的局限。系統(tǒng)被控對(duì)象很不容易達(dá)到要設(shè)定的目標(biāo)值，我們現(xiàn)在稱之為存在靜態(tài)偏差。29解決方法：1939年，F(xiàn)oxboro

儀器公司為了克服靜態(tài)偏差問題，手動(dòng)增強(qiáng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的比例作用，使得系統(tǒng)調(diào)節(jié)“恰好”彌補(bǔ)偏差。他們稱之為“重置”（Reset）。后來人們專門設(shè)置了自動(dòng)重置技術(shù)（Automaticreset），每一時(shí)刻都根據(jù)上一時(shí)刻的偏差，自動(dòng)修改系數(shù)，在偏差不為零的時(shí)候，執(zhí)行機(jī)構(gòu)一直動(dòng)作下去，這就是積分作用（I）。同年，Taylor儀器公司發(fā)布了一款全新設(shè)計(jì)的氣動(dòng)控制器：Fulscope，新儀器提供了“預(yù)動(dòng)作”（Pre-act）控制作用，就是微分作用（D）。

PID控制器301936年，英國諾夫威治市帝國化學(xué)有限公司的考倫德（AlbertCallender）和斯蒂文森（AllanStevenson）等人給出了一個(gè)溫度控制系統(tǒng)的PID控制器的方法，并于1939年獲得美國專利。

PID理論正式誕生PID控制器31二戰(zhàn)期間（1939-1945）：戰(zhàn)爭的需要使自動(dòng)控制理論和應(yīng)用得到巨大發(fā)展。利用反饋控制的方法設(shè)計(jì)和制造了飛機(jī)自動(dòng)駕駛儀、火炮定位系統(tǒng)、雷達(dá)天線控制系統(tǒng)以及其他軍用系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的復(fù)雜性和對(duì)高性能的要求，進(jìn)一步促進(jìn)并完善了自動(dòng)控制理論的發(fā)展。

二戰(zhàn)期間的理論發(fā)展321940年，H.W.伯德（Bode）引入了半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系（Bode圖），把復(fù)數(shù)運(yùn)算變成代數(shù)運(yùn)算，大大地簡化了頻率特性的繪制。（第五章內(nèi)容）1942年，H.哈利斯（Harris）在拉普拉斯變換的基礎(chǔ)上引入了傳遞函數(shù)(Transferfunction)概念，用方框圖、環(huán)節(jié)、輸入、輸出等信息傳輸?shù)母拍蠲枋鱿到y(tǒng)的性能和關(guān)系。（第二章內(nèi)容）

1941年，前蘇聯(lián)學(xué)者哥德發(fā)爾布把線性系統(tǒng)伯德頻率法推廣到非線性系統(tǒng)，不僅能解決某些非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題，還能改善系統(tǒng)的性能指標(biāo)。這種方法被成為描述函數(shù)法(Describingfunctionmethod)。（第七章內(nèi)容）

二戰(zhàn)期間的理論發(fā)展331948年，埃文斯（W.R.Evans）提出了一種在復(fù)平面上由開環(huán)系統(tǒng)極、零點(diǎn)確定閉環(huán)系統(tǒng)極零點(diǎn)的圖解方法——根軌跡法(Rootlocusapproach)

。（第四章內(nèi)容）

二戰(zhàn)之后的理論成熟1948年，英國人維納在火炮控制中發(fā)現(xiàn)了反饋的概念，出版了《控制——關(guān)于在動(dòng)物和機(jī)器中控制和通訊的科學(xué)》，奠定了控制論的基礎(chǔ)。341954年，我國著名科學(xué)家錢學(xué)森出版了《工程控制論》，他系統(tǒng)地總結(jié)了20世紀(jì)前幾十年來控制論的成就。1958年，崔普欽把連續(xù)系統(tǒng)的頻率法推廣到離散系統(tǒng)(Discretesystem)，產(chǎn)生了和連續(xù)系統(tǒng)拉普拉斯變換相對(duì)應(yīng)的離散系統(tǒng)的拉普拉斯變換——Z變換(Z-transform)。（第八章內(nèi)容）

二戰(zhàn)之后的理論成熟經(jīng)典控制理論形成了完整的理論體系3、第二階段：20世紀(jì)60～70年代，“現(xiàn)代控制理論”時(shí)期，計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，推動(dòng)了航空航天與現(xiàn)代工業(yè)的迅速興起。1957年，蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造地球衛(wèi)星。1969年，美國阿波羅載人飛船成功登上月球。推動(dòng)并發(fā)展了“現(xiàn)代控制理論”：1956年，蘇聯(lián)科學(xué)家龐特里亞金提出極大值原理。

1957年，美國科學(xué)家貝爾曼提出動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法。1960年，美國科學(xué)家卡爾曼引入狀態(tài)空間法(Statespacemethod)分析系統(tǒng)，提出能控性，能觀測性，最佳調(diào)節(jié)器和Kalman

濾波等概念，奠定了現(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)。用數(shù)學(xué)解決控制問題36工業(yè)界4、第三階段：20世紀(jì)70年代末至今，控制理論向著“大系統(tǒng)理論”和“智能控制”方向發(fā)展。1969年，美國數(shù)字設(shè)備公司研制出了第一臺(tái)可編程邏輯控制器（ProgrammableLogicController,PLC），其實(shí)質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本與微型計(jì)算機(jī)相同。1973年，瑞典KarlJ.Astrom提出了自啟調(diào)節(jié)器，建立了自適應(yīng)控制(Adaptivecontrol)的基礎(chǔ)。1981年，加拿大G.Zames提出H∞

魯棒控制(Robustcontrol)設(shè)計(jì)方法。學(xué)術(shù)界37現(xiàn)代工業(yè)控制分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（DistributedConutrolSystem,

DCS），就是專用于工業(yè)過程控制的設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)各種基本控制，是現(xiàn)代流程工業(yè)不可缺少的重要設(shè)備。38計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（ComputerIntegratedManufacturingSystem,CIMS）：通過計(jì)算機(jī)軟硬件，并綜合運(yùn)用現(xiàn)代管理技術(shù)、制造技術(shù)、信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、系統(tǒng)工程技術(shù)。將企業(yè)生產(chǎn)全部過程中有關(guān)的人、技術(shù)、經(jīng)營管理三要素及其信息與物流有機(jī)集成并優(yōu)化運(yùn)行的復(fù)雜的大系統(tǒng)?，F(xiàn)代工業(yè)控制39現(xiàn)代工業(yè)控制嵌入式系統(tǒng)：以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。所有帶有數(shù)字接口的設(shè)備，如手表、微波爐、錄像機(jī)、汽車等，都使用嵌入式系統(tǒng)。嵌入式開發(fā)板40經(jīng)典控制理論主要用于工業(yè)控制現(xiàn)代控制理論，主要研究多輸入和多輸出、時(shí)變和非線性等控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問題，有線性系統(tǒng)理論、最優(yōu)控制理論、最佳濾波、自適應(yīng)控制、系統(tǒng)辯識(shí)、魯棒控制等。此階段中數(shù)學(xué)工具對(duì)控制發(fā)展起了很大的作用。大系統(tǒng)理論和智能控制理論，稱為第三代控制理論。發(fā)展初期20世紀(jì)60年代目前研究方向現(xiàn)代控制理論廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)、國防及日常生活經(jīng)典控制理論，主要以傳遞函數(shù)為數(shù)學(xué)工具，以反饋為核心，采用頻率方法，研究單輸入—單輸出的線性定常系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問題。此階段中控制系統(tǒng)的發(fā)展推動(dòng)了控制理論的研究。自動(dòng)化發(fā)展簡史總括返回41分析決策執(zhí)行工作對(duì)象觀察觀察預(yù)期目標(biāo)干擾實(shí)際結(jié)果人工智能圖比較、計(jì)算執(zhí)行被控對(duì)象測量測量給定值干擾被控量自動(dòng)控制方框圖§1-2自動(dòng)控制的基本方式(Basicmode)42自動(dòng)控制應(yīng)具備三條基本功能測量比較分析執(zhí)行參與控制的信號(hào)來自三條通道：給定值(Setpoint)，干擾(Disturbance)和被控量(Controlledvariable)43開環(huán)控制(Open-loopcontrol)之一：按給定值操作需要控制的只是受控對(duì)象的被控量；測量的只是給定值；抗干擾能力差；部分自動(dòng)化流水線屬此類控制。執(zhí)行受控對(duì)象計(jì)算給定值干擾被控量44開環(huán)控制(Open-loopcontrol)之二：按干擾補(bǔ)償按干擾補(bǔ)償；由于測量的是干擾，只能對(duì)可測干擾進(jìn)行補(bǔ)償；機(jī)械加工的恒速控制等常用這種方式。執(zhí)行受控對(duì)象計(jì)算干擾被控量測量45閉環(huán)（反饋）控制(Closed-loop(feedback)control)：按偏差調(diào)節(jié)由于有反饋?zhàn)饔玫拇嬖?，具有自?dòng)修正被控量出現(xiàn)偏差的能力，可以修正元件參數(shù)變化及外界擾動(dòng)引起的誤差，控制效果好，精度高。不足：1）結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高；

2）反饋的存在，使控制系統(tǒng)可能出現(xiàn)“振蕩”，有可能使系統(tǒng)失去穩(wěn)定而無法工作。比較、計(jì)算執(zhí)行受控對(duì)象測量給定值干擾被控量46V<熱電偶T煤氣混合器空氣電動(dòng)機(jī)閥門烘爐指定電位計(jì)工件自動(dòng)控制系統(tǒng)示例（一）溫度控制系統(tǒng)（1）受控對(duì)象——烘爐；（2）被控量——爐溫T；（3）干擾——工件、環(huán)境溫度、煤氣壓力等；（4）依靠調(diào)節(jié)煤氣管道上的閥門，改變爐溫（5）測量元件——熱點(diǎn)耦（6）給定裝置——即給定電位計(jì)。其輸出電壓相當(dāng)于要求的爐溫。（7）ur,uT兩電壓反接，即完成了減法運(yùn)算。輸出電壓相當(dāng)于爐溫的偏差量。（8）執(zhí)行機(jī)構(gòu)——電動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)裝置

控制系統(tǒng)的任務(wù)是保持烘烤爐爐溫T恒定。而爐溫受工件數(shù)量以及環(huán)境溫度的影響而波動(dòng)，通過改變由混合器輸出的煤氣流量來實(shí)現(xiàn)控制。47工件環(huán)溫比較線路放大器電動(dòng)機(jī)放大器（給定指令）（被控量）ur（計(jì)算）烘爐（對(duì)象）熱電偶烘爐溫度控制系統(tǒng)功能方框圖48（二）位置隨動(dòng)系統(tǒng)〉工作機(jī)構(gòu)電位器1電動(dòng)機(jī)方框圖：原理圖：

控制的任務(wù)是使工作機(jī)構(gòu)隨指令機(jī)構(gòu)同步轉(zhuǎn)動(dòng)。即要求工作機(jī)械的角位置跟蹤指令轉(zhuǎn)角，即(1)受控對(duì)象——工作機(jī)械(2)被控量——角位置(4)測量元件——轉(zhuǎn)角及通過兩個(gè)相同的電位計(jì)，測量并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓ur及uc。(5)計(jì)算比較——兩個(gè)測量電位計(jì)的橋式連接，即完成了減法運(yùn)算ur－uc，為系統(tǒng)誤差(6)執(zhí)行機(jī)構(gòu)——電機(jī)減速裝置(3)給定值——指令轉(zhuǎn)角電位計(jì)式橋路〉電動(dòng)機(jī)構(gòu)工作機(jī)械給定值干擾力矩被控量（執(zhí)行、對(duì)象）指令機(jī)構(gòu)比較放大器電位器1的滑臂由指令機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)(ur)，電位器2的滑臂隨工作機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)(uc)，以u(píng)c-ur作為放大裝置的輸入，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。電位器2按偏差調(diào)節(jié)的反饋控制系統(tǒng)49（三）轉(zhuǎn)爐煉鋼基本原理轉(zhuǎn)爐煉鋼：通過向轉(zhuǎn)爐中的鐵水頂吹氧氣，使其與鐵水中的碳、硅、錳等雜質(zhì)發(fā)生氧化反應(yīng)釋放大量的熱，從而達(dá)到降碳、升溫和除雜的目的，最終獲得滿足成分和溫度要求的鋼水。轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)中控制穩(wěn)定的氧氣流量是實(shí)現(xiàn)其他生產(chǎn)控制的基礎(chǔ)和保證。50轉(zhuǎn)爐煉鋼氧氣閥門開度的負(fù)反饋原理圖被控量是氧氣閥門的開度控制量是氧氣的流量將測量的開度信號(hào)轉(zhuǎn)換為流量信號(hào)51（四）液位自動(dòng)控制系統(tǒng)示例演示控制系統(tǒng)的特點(diǎn):1.系統(tǒng)以信號(hào)的反饋為基礎(chǔ)的閉環(huán)控制系統(tǒng)；2.系統(tǒng)靠誤差起作用,目的是減少誤差或消除誤差,以提高系統(tǒng)抑制干擾的能力；3.由于系統(tǒng)的慣性和延滯作用,反饋的引入有可能使系統(tǒng)穩(wěn)定性變壞；4.大多數(shù)物理系統(tǒng)都存在著小信號(hào)控制大功率問題,一般系統(tǒng)均具有放大、執(zhí)行元件。返回52§1-3自動(dòng)控制的分類(Classification)一、按輸入信號(hào)特征分類（1）恒值控制系統(tǒng)（自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)）輸入信號(hào)是一個(gè)恒值。工業(yè)生產(chǎn)中的恒值、恒速等自動(dòng)控制系統(tǒng)都屬于這一類型。恒值控制系統(tǒng)主要研究各種干擾對(duì)系統(tǒng)輸出的影響以及如何克服這些干擾，把輸入、輸出量盡量保持在希望數(shù)值上。（2）程序控制系統(tǒng)（3）隨動(dòng)系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）輸入信號(hào)是一個(gè)已知的時(shí)間函數(shù)，系統(tǒng)的控制過程按預(yù)定的程序進(jìn)行，要求被控量能迅速復(fù)現(xiàn)給定量。輸入信號(hào)是一個(gè)未知函數(shù)，要求輸出量跟蹤給定量變化。53二、按所使用的數(shù)學(xué)方法分類（一）線性系統(tǒng)(Linearsystem)和非線性系統(tǒng)(Nonlinearsystem)1、線性系統(tǒng)(Linearsystem)—疊加性和均勻性xyoyxo由線性元件構(gòu)成的系統(tǒng)叫線性系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程為線性微分方程線性系統(tǒng)的靜特性542、非線性系統(tǒng)(Nonlinearsystem)—參數(shù)隨變量大小而變化，不滿足疊加原理在構(gòu)成系統(tǒng)的環(huán)節(jié)中有一個(gè)或一個(gè)以上的非線性環(huán)節(jié)時(shí)，稱為非線性系統(tǒng)。55（二）連續(xù)系統(tǒng)(Continuoussystem)和離散系統(tǒng)(Discretesystem)1、連續(xù)系統(tǒng)(Continuoussystem)：系統(tǒng)中各元件的輸入量和輸出量均為時(shí)間t的連續(xù)函數(shù)；運(yùn)動(dòng)規(guī)律可用微分方程描述。2、離散系統(tǒng)(Discretesystem)：系統(tǒng)中只要有一個(gè)地方的信號(hào)是脈沖序列或數(shù)字編碼；運(yùn)動(dòng)規(guī)律可用差分方程描述。56（三）定常系統(tǒng)(Time-invariantsystem)和時(shí)變系統(tǒng)(Time-varyingsystem)1、定常系統(tǒng)(Time-invariantsystem)：參數(shù)不隨時(shí)間變化2、時(shí)變系統(tǒng)(Time-varyingsystem)：參數(shù)是時(shí)間t的函數(shù)返回57§1-4自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)

(Performanceindex)

一、穩(wěn)定性(Stability)系統(tǒng)穩(wěn)定是系統(tǒng)正常工作的基本條件不穩(wěn)定系統(tǒng)的輸出信號(hào)58二、過渡過程指標(biāo)(Transientresponseindex)—表現(xiàn)系統(tǒng)的快速性表示對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的要求單位階躍(Unitstep)響應(yīng)59三、穩(wěn)態(tài)誤差(Steady-stateerror)系統(tǒng)要求（或希望）的輸出量與實(shí)際輸出量之差稱為誤差；誤差的穩(wěn)態(tài)分量稱為穩(wěn)態(tài)誤差；穩(wěn)態(tài)誤差表示到達(dá)平衡狀態(tài)（過渡過程結(jié)束）的精度。返回60§1-5自動(dòng)控制系統(tǒng)中的常用術(shù)語

(Commonterms)控制環(huán)節(jié)Gc被控對(duì)象G0反饋環(huán)節(jié)H輸入

r

比較環(huán)節(jié)偏差e控制量u擾動(dòng)n輸出c主反饋b輸入到控制系統(tǒng)的指令信號(hào),又稱為參考輸入或給定值與輸入成正比或成某種函數(shù)關(guān)系,但量綱與輸入相同的信號(hào)輸入與主反饋之差的信號(hào)接受誤差信號(hào),通過轉(zhuǎn)換與運(yùn)算,產(chǎn)生控制量控制環(huán)節(jié)的輸出,作用于被控對(duì)象的信號(hào)系統(tǒng)的主體,接受控制量并輸出被控制量系統(tǒng)的被控制量將輸出轉(zhuǎn)換為反饋信號(hào)的裝置相當(dāng)于誤差檢測器,完成輸入與反饋信號(hào)的代數(shù)運(yùn)算返回61系統(tǒng)理論與控制理論非線性系統(tǒng)復(fù)雜性與復(fù)雜系統(tǒng)理論建模、辨識(shí)與估計(jì)優(yōu)化控制與優(yōu)化方法魯棒控制與H∞控制學(xué)習(xí)控制穩(wěn)定性與鎮(zhèn)定自適應(yīng)控制變結(jié)構(gòu)控制分布參數(shù)系統(tǒng)混合系統(tǒng)與DEDS大系統(tǒng)理論與方法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與控制模糊系統(tǒng)與控制故障診斷CIMS與制造系統(tǒng)仿真與控制系統(tǒng)CAD智能信息處理系統(tǒng)遺傳算法與