自動(dòng)控制理論第一講

關(guān)于自動(dòng)控制理論第一講主要內(nèi)容第一節(jié)自動(dòng)控制理論課程概述第二節(jié)

控制系統(tǒng)的基本概念第三節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類第四節(jié)自動(dòng)控制理論概要第一章引論第2頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天一、課程特點(diǎn)1、它是一門(mén)專業(yè)基礎(chǔ)課第一節(jié)自動(dòng)控制理論課程概述自動(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)代控制理論第3頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天2、理論實(shí)踐緊密結(jié)合理論性非常強(qiáng)與工程實(shí)踐緊密結(jié)合3、內(nèi)容廣泛高等數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)電路電機(jī)機(jī)械經(jīng)濟(jì)航空、航天等等第4頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、學(xué)習(xí)自動(dòng)控制理論的重要性1、本課程是自動(dòng)化專業(yè)承上啟下的課程2、自動(dòng)控制技術(shù)是應(yīng)用非常廣泛的技術(shù)電機(jī)控制、自動(dòng)化生產(chǎn)線、火炮雷達(dá)控制、家用電器、機(jī)械、冶金、石油、化工、電力電子、航空、航海、航天、核反應(yīng)堆等。3、自動(dòng)控制理論能為解決實(shí)際控制問(wèn)題提供理論和方法4、學(xué)分較多

第5頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天三、課程主要學(xué)習(xí)內(nèi)容及課程按排第一章引論2學(xué)時(shí)知識(shí)準(zhǔn)備拉氏變換及拉氏變換定理2學(xué)時(shí)第二章線性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型8學(xué)時(shí)補(bǔ)充知識(shí)復(fù)阻抗法求傳遞函數(shù)2學(xué)時(shí)第三章線性系統(tǒng)的時(shí)域分析10學(xué)時(shí)第四章線性系統(tǒng)的根軌跡分析8學(xué)時(shí)第五章線性系統(tǒng)的頻域分析10學(xué)時(shí)第六章線性系統(tǒng)的校正8學(xué)時(shí)第七章非線性系統(tǒng)的分析8學(xué)時(shí)第八章采樣控制系統(tǒng)8學(xué)時(shí)習(xí)題課各階段習(xí)題講解及課程總結(jié)（3次）6學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)共7個(gè)實(shí)驗(yàn)18學(xué)時(shí)總學(xué)時(shí)數(shù)90學(xué)時(shí)第6頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天四、本課程學(xué)習(xí)方法1、打好基礎(chǔ)高等數(shù)學(xué)（微積分）、積分變換（拉氏變換）2、做好預(yù)習(xí)講課的速度較快、了解課程內(nèi)容3、聽(tīng)好課理解基本理論和基本方法4、做好習(xí)題靈活應(yīng)用基本理論和基本方法解決實(shí)際問(wèn)題第7頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天五、教材和主要參考資料1、教材《自動(dòng)控制理論》夏德鈐機(jī)械工業(yè)出版社第3版2、主要參考書(shū)《自動(dòng)控制理論》鄒伯敏機(jī)械工業(yè)出版社《自動(dòng)控制原理》胡壽松編科學(xué)出版社《自動(dòng)控制原理》李友善國(guó)防工業(yè)出版社《現(xiàn)代控制工程》緒方勝?gòu)┛茖W(xué)出版社第3版

《自動(dòng)控制原理》王建輝清華大學(xué)出版社《ModernControlEngineering》KatsuhikoOgata電子工業(yè)出版社《自動(dòng)控制原理全程導(dǎo)學(xué)及習(xí)題全解》王瑩瑩中國(guó)時(shí)代經(jīng)濟(jì)出版社《自動(dòng)控制理論例題習(xí)題集》王詩(shī)宓等編著,清華大學(xué)出版社2002第8頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天一、控制系統(tǒng)方框圖

常用方框圖來(lái)表示一個(gè)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及信號(hào)在系統(tǒng)中的傳遞路徑。①方框：控制裝置和被控對(duì)象分別用方框表示;②信號(hào)線：方框的輸入和輸出以及它們之間的連接用帶箭頭的信號(hào)線表示;③輸入信號(hào)：進(jìn)入方框的信號(hào);④輸出信號(hào)：離開(kāi)方框的信號(hào);⑤比較環(huán)節(jié)：表示兩個(gè)或兩個(gè)以上的信號(hào)的疊加。信號(hào)線方框信號(hào)線輸出信號(hào)輸入信號(hào)比較環(huán)節(jié)第二節(jié)控制系統(tǒng)的基本概念第9頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天【例1-1】水箱水位控制系統(tǒng)二、控制系統(tǒng)舉例簡(jiǎn)單的水箱水位控制系統(tǒng)第10頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天系統(tǒng)原理方塊圖

被控對(duì)象：水箱被控量：水箱水位控制裝置：杠桿執(zhí)行機(jī)構(gòu)：閥門(mén)檢測(cè)元件：浮球第11頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天較完善的水箱水位控制系統(tǒng)第12頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天【例1-2】家用空調(diào)控制器(制冷)房間交換設(shè)備壓縮機(jī)控制板傳感器控制對(duì)象執(zhí)行機(jī)構(gòu)測(cè)量元件控制單元第13頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天

被控對(duì)象：房間被控量：房間溫度控制裝置：控制板執(zhí)行機(jī)構(gòu)：壓縮機(jī)和冷凝器檢測(cè)元件：溫度傳感器第14頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天【例1-3】帶鋼軋輥轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)

連軋機(jī)在軋鋼過(guò)程中，通過(guò)各機(jī)架的帶鋼必須保持秒流量相等，否則將出現(xiàn)拉鋼或疊鋼，影響產(chǎn)品質(zhì)量或造成故障。這就要求各機(jī)架軋輥的轉(zhuǎn)速保持一定比例，而對(duì)某機(jī)架軋輥來(lái)說(shuō)，即要求其轉(zhuǎn)速恒定。

第15頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天

被控對(duì)象：軋輥被控量：軋輥的速度控制裝置：比較、放大、整流等執(zhí)行機(jī)構(gòu)：電動(dòng)機(jī)檢測(cè)元件：轉(zhuǎn)速反饋裝置工作原理：設(shè)負(fù)載擾動(dòng)變化時(shí)(如變大)，則第16頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天三、控制系統(tǒng)的基本概念【自動(dòng)控制】【自動(dòng)控制理論】研究自動(dòng)控制中共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)。

指在無(wú)人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱為自動(dòng)控制裝置或控制器），使生產(chǎn)過(guò)程（稱為被控對(duì)象）的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)（稱為被控制量）自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。第17頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天【自動(dòng)控制系統(tǒng)】

由被控對(duì)象和自動(dòng)控制裝置等按照一定的方式連接起來(lái)，組成一個(gè)有一定控制功能的有機(jī)整體，稱為自動(dòng)控制系統(tǒng)?！究刂葡到y(tǒng)方框圖】控制器被控對(duì)象輸入量輸出量測(cè)量電路比較第18頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天四、控制系統(tǒng)的兩種基本形式及特點(diǎn)1、兩種基本形式

開(kāi)環(huán)

閉環(huán)2、開(kāi)環(huán)控制定義只有正向作用，沒(méi)有反向控制作用的控制系統(tǒng)。電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)電位器放大電機(jī)功率放大負(fù)載第19頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天控制器被控對(duì)象輸入量控制量輸出量3、開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的特點(diǎn)（1）只有正向作用，沒(méi)有反向作用；（2）控制精度取決于元器件的精度和系統(tǒng)調(diào)整精度；（3）沒(méi)有抑制內(nèi)、外干擾的能力；（4）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低。第20頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天5、閉環(huán)系統(tǒng)的特點(diǎn)

（1）既有正向作用，又有反向作用；（2）控制精度與元件精度、控制方法、調(diào)整精度有關(guān)，控制精度較高；（3）有抑制干擾的能力；（4）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本相對(duì)較高。4、閉環(huán)控制定義既有正向作用，又有反向控制作用的控制系統(tǒng)。第21頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天EEEAB爐溫開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)爐溫閉環(huán)控制系統(tǒng)SS6、開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制的示例第22頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天電阻絲希望溫度實(shí)際爐溫?cái)_動(dòng)量爐子繼電器溫度計(jì)電阻絲實(shí)際爐溫?cái)_動(dòng)量爐子開(kāi)關(guān)希望溫度爐溫開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)爐溫閉環(huán)控制系統(tǒng)第23頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天第三節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類一、按輸入信號(hào)的特征分類1、恒值控制系統(tǒng)（自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)）特征：輸入信號(hào)為常數(shù)典型系統(tǒng)：液位、溫度、壓力、流量控制2、程序控制系統(tǒng)特征：輸入信號(hào)為預(yù)知的隨時(shí)間變化函數(shù)典型系統(tǒng)：熱處理爐控制系統(tǒng)、鏡片固化爐溫度控制、程序控制機(jī)床、灌裝生產(chǎn)線、自動(dòng)生產(chǎn)流水線。3、隨動(dòng)系統(tǒng)（伺服控制系統(tǒng)）特征：輸入信號(hào)為隨時(shí)間任意變化的函數(shù)典型系統(tǒng)：魚(yú)雷飛行、炮瞄雷達(dá)、火炮自動(dòng)瞄準(zhǔn)、導(dǎo)彈制導(dǎo)。第24頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、按描述元件的動(dòng)態(tài)方程分類1、線性系統(tǒng)特征：元件是線性的、系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程可用線性微分方程或差分方程描述。2、非線性系統(tǒng)特征：系統(tǒng)中含有至少一個(gè)非線性元件、系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程需用非線性方程或差分方程描述。典型非線性：飽和、死區(qū)、繼電器、傳動(dòng)間隙。第25頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天三、按系統(tǒng)傳遞的信號(hào)分類1、連續(xù)系統(tǒng)特征：系統(tǒng)各環(huán)節(jié)之間傳遞的信號(hào)均為時(shí)間的連續(xù)函數(shù)，一般用微分方程描述。2、離散系統(tǒng)特征：在信號(hào)傳遞過(guò)程中，至少有一處的信號(hào)是脈沖序列或數(shù)字編碼。第26頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天四、按輸入輸出信號(hào)數(shù)量分類1、單輸入單輸出系統(tǒng)（SISO系統(tǒng)）特征：輸入輸出變量?jī)H有一個(gè)。2、多輸入多輸出系統(tǒng)(MIMO系統(tǒng)）特征：輸入輸出變量多于一個(gè)。五、按系統(tǒng)微分方程分類1、集中參數(shù)系統(tǒng)特征：能用常微分方程描述2、分布參數(shù)系統(tǒng)特征：至少有一個(gè)環(huán)節(jié)需要用偏微分方程描述。第27頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天六、按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)的確定性分類1、確定系統(tǒng)特征：系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)是確定的、已知的，系統(tǒng)的輸入信號(hào)也是確定的，可以用解析式或圖表確切表示。2、不確定系統(tǒng)特征：系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)是不確定的或，系統(tǒng)的輸入信號(hào)是不確定的。第28頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天第四節(jié)自動(dòng)控制理論概要一、閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成和基本環(huán)節(jié)①測(cè)量元件：測(cè)量被控量的實(shí)際值或?qū)Ρ豢亓窟M(jìn)行物理轉(zhuǎn)換。②比較元件：將測(cè)量值和給定值進(jìn)行比較，得到偏差。③控制元件：

根據(jù)偏差大小產(chǎn)生控制信號(hào)。通常包括放大器和校正裝置，控制信號(hào)和偏差信號(hào)具有一定關(guān)系(稱為調(diào)節(jié)規(guī)律)。④執(zhí)行元件：由控制信號(hào)產(chǎn)生控制作用，從而使被控制量達(dá)到要求值。閥、電動(dòng)機(jī)、液壓馬達(dá)等。⑤被控對(duì)象：被控制的機(jī)器、設(shè)備或過(guò)程等。第29頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、控制系統(tǒng)的基本原理反饋的本質(zhì)：利用偏差進(jìn)行控制。反饋的兩大作用：形成閉環(huán)控制，可使系統(tǒng)從不穩(wěn)定到穩(wěn)定，提高穩(wěn)定性；抑制擾動(dòng)，精度高。絕大多數(shù)控制系統(tǒng)都是反饋系統(tǒng)。第30頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天控制量u偏差信號(hào)e反饋信號(hào)b反饋環(huán)節(jié)

H控制環(huán)節(jié)

GC被控對(duì)象

GO擾動(dòng)n輸出信號(hào)C參考輸入信號(hào)r比較環(huán)節(jié)三、自動(dòng)控制系統(tǒng)中的術(shù)語(yǔ)和定義第31頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天四、自動(dòng)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(gè)正常工作的系統(tǒng)首先必須是穩(wěn)定的。快速性

在控制作用下，系統(tǒng)必然由原先的平衡狀態(tài)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才過(guò)渡到另一個(gè)新的平衡狀態(tài)，這個(gè)過(guò)程稱為過(guò)渡過(guò)程。過(guò)渡過(guò)程越短，表明系統(tǒng)的快速性越好。快速性是衡量系統(tǒng)質(zhì)量高低的重要指標(biāo)之一。準(zhǔn)確性對(duì)一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)而言，當(dāng)過(guò)渡過(guò)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。第32頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天五、自動(dòng)控制理論研究的問(wèn)題1、自動(dòng)控制建模問(wèn)題

建立控制系統(tǒng)各個(gè)方框的數(shù)學(xué)模型是控制系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。2、控制系統(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(hào)下輸出信號(hào)變化的全過(guò)程，并從這個(gè)變化過(guò)程中得到評(píng)價(jià)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。3、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在給定被控對(duì)象及所要求的性能指標(biāo)的情況下，設(shè)計(jì)一個(gè)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。第33頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天六、自動(dòng)控制理論的主要內(nèi)容1、古典控制理論

研究對(duì)象：?jiǎn)屋斎雴屋敵鼍€性系統(tǒng)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)：微積分、積分變換系統(tǒng)描述方法：傳遞函數(shù)研究方法：時(shí)域法、頻率特性法、根軌跡法核心概念：輸出反饋適用系統(tǒng)：線性系統(tǒng)第34頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天2、現(xiàn)代控制理論研究對(duì)象：多輸入多輸出線性系統(tǒng)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)：線性代數(shù)、矩陣?yán)碚撓到y(tǒng)描述方法：狀態(tài)空間表達(dá)式研究方法：時(shí)域法核心概念：狀態(tài)反饋適用系統(tǒng)：線性、非線性第35頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天七、自動(dòng)控制理論的發(fā)展1經(jīng)典控制理論40~50年代形成SISO系統(tǒng)基于：二戰(zhàn)軍工技術(shù)目標(biāo)：反饋控制系統(tǒng)的鎮(zhèn)定基本方法：傳遞函數(shù)，頻率法，PID調(diào)節(jié)器2現(xiàn)代