第一章自動控制原理

一、情況簡介1主講教師情況田思慶：教授、自動控制原理精品課負(fù)責(zé)人周經(jīng)國：副教授、信息學(xué)院副院長楊康：副教授、機(jī)電教研室主任王鹍：講師、工學(xué)碩士姜重然：教授杜旭：高級實(shí)驗師、工學(xué)碩士武俊麗：副教授、工學(xué)博士劉德勝：副教授、工學(xué)博士梁秋艷：講師、工學(xué)碩士12課程介紹（1）課程名稱：自動控制原理總學(xué)時80：理論學(xué)時72；實(shí)驗學(xué)時8適用專業(yè)：自動化、電氣工程自動化課程性質(zhì)：專業(yè)基礎(chǔ)課課程類型：必修課

（2）課程性質(zhì)與地位：

《自動控制原理》作為電氣信息類各專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)課，它既是專業(yè)課程的理論基礎(chǔ)，又是基礎(chǔ)課程向?qū)I(yè)課程的深化。本課在機(jī)械、熱能等專業(yè)中也處于舉足輕重的地位，尤其在自動化專業(yè)中，它將其他專業(yè)課程聯(lián)結(jié)起來，起到承上啟下的核心作用，同時也是自動化等專業(yè)碩士研究生入學(xué)必考科目。強(qiáng)大的工學(xué)必須由理論來支撐，理論不強(qiáng)意味著基礎(chǔ)不牢，很難有重大的成果和突破。我們應(yīng)該加大對基礎(chǔ)課和專業(yè)基礎(chǔ)課程的重視和力度。2該課程與其它課程的關(guān)系自動控制原理電機(jī)與拖動模擬電子技術(shù)線性代數(shù)微積分（含微分方程）復(fù)變函數(shù)、拉普拉斯變換電路理論大學(xué)物理（力學(xué)、熱力學(xué)）電力電子技術(shù)各類控制系統(tǒng)課程343、參考教材適用專業(yè)：自動化、電氣工程自動化、電子信息、生物醫(yī)學(xué)、機(jī)械設(shè)計、農(nóng)機(jī)、熱能工程、包裝等專業(yè)，年學(xué)生量700人。其他參考教材：胡壽松主編.《自動控制原理》.李友善主編.《自動控制原理》.RichardC.DorfRobertH.Bishop.現(xiàn)代控制系統(tǒng).高等教育出版社.5本章重點(diǎn)1.自動控制和自動控制系統(tǒng)的含義；2.反饋和反饋控制的概念、反饋控制的特點(diǎn)；3.控制系統(tǒng)的組成和分類和特點(diǎn)。本章難點(diǎn)深刻理解反饋的概念和思想；確定控制系統(tǒng)的被控對象、被控量、給定量等等，繪制方塊圖，分析實(shí)際控制系統(tǒng)的基本原理。6第一章自動控制理論概述§1-1

引言§1-2自動控制理論和自動控制系統(tǒng)的基本概念§1-3

自動控制系統(tǒng)的組成和分類§1-4自動控制理論概要7第一章自動控制理論概述§1－1

引言自動控制技術(shù)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防、航空航天等各個領(lǐng)域中起著重要的作用！廣泛應(yīng)用于各種工程學(xué)科領(lǐng)域，并擴(kuò)展到生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)管理和其它許多社會生活領(lǐng)域。獨(dú)立的學(xué)科并與其它學(xué)科相互滲透、相互促進(jìn)。

《自動控制原理》是自動控制技術(shù)的基礎(chǔ)理論，是一門理論性較強(qiáng)的工程科學(xué)。

現(xiàn)代的工程技術(shù)人員和科學(xué)工作者，必須具備一定的自動控制理論基礎(chǔ)知識！

8§1-2自動控制理論和自動控制系統(tǒng)的基本概念第一章自動控制理論概述采用離心調(diào)速器的蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)舉例：9第一章自動控制理論概述一、人工控制與自動控制10第一章自動控制理論概述11第一章自動控制理論概述二、開環(huán)控制系統(tǒng)例：烤面包機(jī)輸入—定時器設(shè)定的時間輸出—面包的顏色控制對象—烤箱的加熱系統(tǒng)控制器與被控對象之間只有正向的控制作用。輸出量對控制量沒有影響。輸入輸出間沒有反饋回路。12第一章自動控制理論概述13第一章自動控制理論概述開環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、造價低。系統(tǒng)的控制精度取決于給定信號的標(biāo)定精度及控制器及被控對象參數(shù)的穩(wěn)定性。開環(huán)系統(tǒng)沒有抗干擾的能力。因此精度較低。應(yīng)用場合：控制量的變化規(guī)律可以預(yù)知。可能出現(xiàn)的干擾可以抑制。被控量很難測量。應(yīng)用較為廣泛，如家電、加熱爐、車床等等。14第一章自動控制理論概述三、閉環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)系統(tǒng)精度不高、適應(yīng)性不強(qiáng)。

將輸出量引入到輸入端，使輸出量對控制作用產(chǎn)生直接的影響。形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。15第一章自動控制理論概述前向通道：系統(tǒng)輸入量到輸出量之間的通道。反饋通道：從輸出量到反饋信號之間的通道。比較環(huán)節(jié)：輸出量為各輸入量的代數(shù)和。輸入量：ur

輸出量：n反饋量：uf

控制量：ua偏差量(ue)＝給定量

(ur)－反饋量(uf)16第一章自動控制理論概述閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：系統(tǒng)對外部或內(nèi)部干擾(如內(nèi)部件參數(shù)變動)的影響不甚敏感。出于采用反饋裝置，導(dǎo)致設(shè)備增多，線路復(fù)雜。閉環(huán)系統(tǒng)存在穩(wěn)定性問題。由于反饋通道的存在，對于那些慣性較大的系統(tǒng)，若參數(shù)配合不當(dāng)，控制性能可能變得很差．甚至出現(xiàn)發(fā)散或等幅振蕩等不穩(wěn)定的情況。注意：對于主反饋必須采用負(fù)反饋。若采用正反饋將使偏差越來越大。閉環(huán)控制系統(tǒng)：通過反饋回路使系統(tǒng)構(gòu)成閉環(huán)并按偏差的性質(zhì)產(chǎn)生控制作用，以求減小或消除偏差(從而減小或消除誤差)的控制系統(tǒng)。17第一章自動控制理論概述四、自動控制系統(tǒng)的概念和特征自動控制：在沒有人直接參與的情況下，通過控制器（控制裝置）使被控制對象或過程自動地在一定的精度范圍內(nèi)按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。系統(tǒng)：由相互制約的各個部分按一定的規(guī)律組成的、為達(dá)到一定目的的、具有一定功能的整體。反饋：將檢測出來的輸出量送回到系統(tǒng)的輸入端，并與輸入信號比較的過程。反饋分為負(fù)反饋（反饋信號與輸入信號相減）和正反饋（反饋信號與輸入信號相加）。18第一章自動控制理論概述自動控制系統(tǒng)的特征：1.結(jié)構(gòu)上必須有反饋裝置并按負(fù)反饋的原則構(gòu)成系統(tǒng)。2.由偏差產(chǎn)生控制作用。控制的目的是盡量的減小或消除偏差，使輸出量接近于期望值。自動控制系統(tǒng)定義：

是一個帶有反饋裝置的動力學(xué)系統(tǒng)。系統(tǒng)能自動而連續(xù)地測量被控制量，并求出偏差，進(jìn)而根據(jù)偏差的大小和正負(fù)極性進(jìn)行控制，而控制的目的是力圖減小或消除所存在的偏差。19第一章自動控制理論概述§1－3

自動控制系統(tǒng)的組成和分類一、控制系統(tǒng)的組成20測量反饋元件——用以測量被控量并將其轉(zhuǎn)換成與輸入量同一物理量后，再反饋到輸入端以作比較。比較元件——用來比較輸人信號與反饋信號。放大元件——將微弱的信號作線性放大。校正元件——按某種函數(shù)規(guī)律變換控制信號，并產(chǎn)生反映兩者差值的偏差信號。以利于改善系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)或靜態(tài)性能。執(zhí)行元件——根據(jù)偏差信號的性質(zhì)執(zhí)行相應(yīng)的控制作用，以便使被控量按期望值變化?？刂茖ο蟆址Q被控對象或受控對象，通常是指生產(chǎn)過程中需要進(jìn)行控制的工作機(jī)械或生產(chǎn)過程。出現(xiàn)于被控對象中需要控制的物理量稱為被控量。第一章自動控制理論概述21第一章自動控制理論概述常用的名詞術(shù)語輸入信號：也叫參考輸入，給定量或給定值，它是控制著輸出量變化規(guī)律的指令信號。輸出信號：是指被控對象中要求按一定規(guī)律變化的物理量，又稱被控量，它與輸入量之間保持一定的函數(shù)關(guān)系。反饋信號：由系統(tǒng)(或元件)輸出端取出并反向送回系統(tǒng)(或元件)輸入端的信號稱為反饋信號。反饋有主反饋和局部反饋之分。偏差信號：它是指參考輸入與主反饋信號之差。誤差信號：指系統(tǒng)輸出量的實(shí)際值與期望值之差，簡稱誤差。擾動信號：簡稱擾動或干擾、它與控制作用相反，是一種不希望的、影響系統(tǒng)輸出的不利因素。擾動信號既可來自系統(tǒng)內(nèi)部，又可來自系統(tǒng)外部，前者稱內(nèi)部擾動，后者稱外部擾動。22第一章自動控制理論概述二、自動控制系統(tǒng)的分類1.按輸入信號的特征分

恒值控制系統(tǒng)（又稱自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)）輸入信號為常數(shù)。主要強(qiáng)調(diào)抗擾性。

隨動系統(tǒng)（又稱伺服系統(tǒng)）輸入信號是預(yù)先不知道的隨時間任意變化的函數(shù)，控制系統(tǒng)能使輸出信號以任意高的精度跟隨給定值的變化。主要強(qiáng)調(diào)跟隨性。程序控制系統(tǒng)

輸入信號是已知的、預(yù)先設(shè)定好的時間的函數(shù)。

23第一章自動控制理論概述24第一章自動控制理論概述飛機(jī)示意圖25給定裝置放大器舵機(jī)飛機(jī)

反饋電位器

垂直陀螺儀θ0θc擾動俯仰角控制系統(tǒng)方塊圖26第一章自動控制理論概述2.按描述元件的動態(tài)方程分

線性系統(tǒng)組成系統(tǒng)的全部元件都是線性元件，它們的輸入-輸出的靜態(tài)特性均為線性，這類系統(tǒng)的運(yùn)動可由常系數(shù)的微分方程（或差分方程）來描述。非線性系統(tǒng)系統(tǒng)中含有一個或多個非線性元件，非線性元件的靜態(tài)輸入-輸出特性均為非線性的。凡含有非線性元件的系統(tǒng)均稱為非線性系統(tǒng)。系統(tǒng)的運(yùn)動需要用非線性的微分方程或差分方程來描述。27第一章自動控制理論概述3.按信號傳遞是否連續(xù)分類連續(xù)系統(tǒng)系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)間的信號均為時間t的連續(xù)函數(shù)。運(yùn)動規(guī)律用微分方程來描述。離散系統(tǒng)信號的傳遞過程中，只要有一處是脈沖序列或數(shù)字編碼，這類系統(tǒng)要用差分方程來進(jìn)行描述。4.按系統(tǒng)的參數(shù)是否隨時間的變化而分類定常系統(tǒng)時變系統(tǒng)5.單輸入-單輸出和多輸入多輸出28第一章自動控制理論概述6.確定和不確定系統(tǒng)7.集中參數(shù)系統(tǒng)和分布參數(shù)系統(tǒng)29第一章自動控制理論概述§1-4自動控制理論概要一、自動控制理論主要研究的問題

系統(tǒng)分析

在已知系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)的條件下，研究系統(tǒng)在某種典型輸入信號下輸出信號變化的全過程，并從這個變化過程中得到評價系統(tǒng)性能的指標(biāo)；以及討論系統(tǒng)的性能和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)的關(guān)系。

系統(tǒng)設(shè)計

在給定被控對象及所要求的性能指標(biāo)的情況下，設(shè)計一個即能完成控制任務(wù)又可以滿足所提出的性能指標(biāo)的控制系統(tǒng)。要改變系統(tǒng)的某些參數(shù)或者是加入校正裝置，使其滿足預(yù)定的性能指標(biāo)要求。30第一章自動控制理論概述二、對控制系統(tǒng)的基本要求穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確性，即穩(wěn)、快、準(zhǔn)。

穩(wěn)定性穩(wěn)定性是指系統(tǒng)重新恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力，任何一個正常工作的系統(tǒng)首先必須是穩(wěn)定的?？焖傩杂捎谙到y(tǒng)的對象和元件通常具有一定的慣性，并受到能源功率的限制，因此，當(dāng)系自輸入(給定輸入或擾動輸入)信號改變時，在控制作用下，系統(tǒng)必然由原先的平衡狀態(tài)經(jīng)過一段時間才過渡到另一個新的平衡狀態(tài)，這個過程稱為過渡過程。過渡過程越短，表明系統(tǒng)的快速性越好?？焖傩允呛饬肯到y(tǒng)質(zhì)量高低的重要指標(biāo)之一。31第一章自動控制理論概述

準(zhǔn)確性對一個穩(wěn)定的系統(tǒng)而言，當(dāng)過渡過程結(jié)束后，系統(tǒng)輸出量的實(shí)際值與期望值之差稱為穩(wěn)態(tài)誤差，它是衡量系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度的重要指標(biāo)。穩(wěn)態(tài)誤差越小，表示系統(tǒng)的準(zhǔn)確性越好。穩(wěn)、準(zhǔn)、快是相互制約的！

32第一章自動控制理論概述三、古典控制理論和現(xiàn)代控制理論1.發(fā)展過程

1877年，勞斯(E．Routh)和1895年赫爾維茨(A．Hurwith)分別獨(dú)立地提出了關(guān)于判斷控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的代數(shù)判據(jù)。

1932年奈奎斯特(H．Nyquist)在研究負(fù)反饋放大器時創(chuàng)立了有名的穩(wěn)定性判據(jù)，并提出了穩(wěn)定裕量的概念。

1945年伯德(H.W.Bode)提出了分析控制系統(tǒng)的另一種圖解方法即頻率法。

1948年伊萬斯(w.K．Evans)又創(chuàng)立了根軌跡法。

50年代中期，經(jīng)典控制理論又添加了非線性系統(tǒng)理論和離散控制理論，從而形成了完整的理論體系。33第一章自動控制理論概述

60年代初又形成了現(xiàn)代控制理論。

1956年龐特里亞金提出了極大值原理。

1957年貝爾曼(K．Bellman)提出了動態(tài)規(guī)劃。

1961年卡爾曼(R．E．Kalman)提出了最優(yōu)濾波理論以及狀態(tài)空間方法的應(yīng)用。從60年代至今，現(xiàn)代控制理論義有巨大的發(fā)展，并形成了若干學(xué)科分支．如線性系統(tǒng)理論、最優(yōu)控制理論、動態(tài)系統(tǒng)辨識、自適應(yīng)控制、魯棒控制理論、復(fù)雜大系統(tǒng)理論等。34第一章自動控制理論概述四、自動控制理論的主要內(nèi)容1經(jīng)典控制理論以描述輸入與輸出外部關(guān)系的傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)。研究單輸入、單輸出系統(tǒng)的分析和設(shè)計問題。以積分