自動控制原理課件第六版第一章胡壽松參考書目:Moderncontrolengineering,4th,KatsuhikoOgata,2002ControlSystemsEngineering6th,NormanS.Nise,2011ModernControlSystems12th,RichardC.Dorf,2011考查方式:平時作業(yè)、出勤、課堂表現(xiàn)30%；期末考試70%。第1章控制系統(tǒng)的基本概念1.1引言1.2開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)1.3自動控制系統(tǒng)的組成1.4自動控制系統(tǒng)的分類1.5自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用實例1.6自動控制理論發(fā)展簡史1.7對自動控制系統(tǒng)的基本要求1.1引言自動控制：是指在沒有人直接參與的情況下，利用自動控制裝置（或稱為控制裝置或控制器），使機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（統(tǒng)稱為被控對象）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（稱為被控量）自動地按照預(yù)定的規(guī)律運行。自動控制理論：是研究有關(guān)自動控制共同規(guī)律的一門技術(shù)科學(xué)，是自動控制技術(shù)的基礎(chǔ)理論，根據(jù)發(fā)展的不同階段，其內(nèi)容可分為經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論。

1.2開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)的類型很多，它們的結(jié)構(gòu)類型和所完成的任務(wù)也各不相同?？刂葡到y(tǒng)中最常見的兩種控制方式是開環(huán)控制和閉環(huán)控制，這兩種控制的組合——即為復(fù)合控制，相對應(yīng)的控制系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)和復(fù)合控制系統(tǒng)。

示例——直流電動機轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng)給定電壓ug經(jīng)放大后得到電樞電壓ua，改變ug可得不同的轉(zhuǎn)速n，該系統(tǒng)只有輸入量ug對輸出量n的單向控制作用。輸出端和輸入端之間不存在反饋回路。+_電壓放大器功率放大器Mc負(fù)載n電動機+_+_+電位器1.2.1開環(huán)控制系統(tǒng)只有輸入量的前向控制作用，輸出量并不反饋回來影響輸入量的控制作用，因而，我們將它稱為開環(huán)控制系統(tǒng)（Open-LoopControlSystem）。擾動控制信號

被控制量

給定電壓ug轉(zhuǎn)速n被控對象控制裝置Mc電壓放大器功率放大器直流電動機開環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)點——結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，調(diào)試方便，成本低。因此，在輸入量和輸出量之間的關(guān)系固定，且內(nèi)部參數(shù)或外部負(fù)載等擾動因素不大，或這些擾動因素可以預(yù)測并進行補償?shù)那疤嵯?，?yīng)盡量采用開環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制的缺點——當(dāng)控制過程中受到來自系統(tǒng)外部的各種擾動因素，如負(fù)載變化、電源電壓波動等，以及來自系統(tǒng)內(nèi)部的擾動因素，如元件參數(shù)變化等，都將會直接影響到輸出量，而控制系統(tǒng)不能自動進行補償，抗干擾性能差。因此，開環(huán)系統(tǒng)對元器件的精度要求較高。1.2.2閉環(huán)控制系統(tǒng)電壓放大器功率放大器Mc負(fù)載n電動機+_+_+_uf電位器測速發(fā)電機+_ue=

ug-uf偏差

直流電動機轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)方塊圖

設(shè)上述系統(tǒng)原已在某個給定電壓ug相對于的轉(zhuǎn)速n狀態(tài)下運行，若一旦受到某些干擾（如負(fù)載轉(zhuǎn)矩突然增大）而引起轉(zhuǎn)速下降時，系統(tǒng)就會自動地產(chǎn)生相應(yīng)的調(diào)整過程。偏差始終存在正反饋不能進行控制，會使系統(tǒng)的偏差越來越大。Mc↑→n↓→uf↓→ue（ue=ug-uf）↑→ua↑→n↑nue輸入量Mc擾動輸出量功

率放大器直

流電動機＋ugua測

速發(fā)電機uf－電

壓放大器

閉環(huán)控制系統(tǒng)（Close-LoopControlSystem）又稱反饋控制系統(tǒng)（FeedbackControlSystem），是在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，把輸出量檢測出來，經(jīng)過物理量的轉(zhuǎn)換，再反饋到輸入端去與給定值（參考輸入）進行比較（相減），并利用比較后的偏差信號，以一定的控制規(guī)律產(chǎn)生控制作用，抑制內(nèi)部或外部擾動對輸出量的影響，逐步減小以至消除這一偏差，從而實現(xiàn)要求的控制性能。

閉環(huán)控制的優(yōu)點——抑制擾動能力強，與開環(huán)控制相比，對參數(shù)變化不敏感，并能獲得滿意的動態(tài)特性和控制精度。閉環(huán)控制的缺點——引入反饋增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，如果閉環(huán)系統(tǒng)參數(shù)的選取不適當(dāng)，系統(tǒng)可能會產(chǎn)生振蕩，甚至系統(tǒng)失穩(wěn)而無法正常工作，這是自動控制理論和系統(tǒng)設(shè)計必須解決的重要問題。自動控制理論主要研究閉環(huán)控制系統(tǒng)

結(jié)論：

通過檢測、比較得到偏差，由偏差產(chǎn)生控制作用，由控制作用使偏差減少或消除的原理就是自動控制原理也稱反饋控制原理。（負(fù)反饋）1.3自動控制系統(tǒng)的組成1.3.1基本組成部分輸入量串聯(lián)校正元件放大元件執(zhí)行元件被控對象擾動并聯(lián)校正元件反饋元件輸出量比較元件e(t)偏差信號主反饋信號b(t)測量反饋元件主反饋局部反饋＋＋－－給定元件被控對象（或過程）——又稱控制對象或受控對象，指需要對它的某個特定的量進行控制的設(shè)備或過程。被控對象的輸出變量是被控變量，常常記作輸出信號或輸出量。被控對象除了受到控制作用外，還受到外部擾動作用。給定元件——其作用是給出與期望的輸出相對應(yīng)的系統(tǒng)輸入量，是一類產(chǎn)生系統(tǒng)控制指令的裝置。測量反饋元件——如傳感器和測量儀表，感受或測量被控變量的值并把它變換為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——比較輸入信號與反饋信號，以產(chǎn)生反映兩者差值的偏差信號。放大元件——將微弱的信號作線性放大。校正元件——也叫補償元件，它是按某種函數(shù)規(guī)律變換控制信號，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，以便使被控制量按期望值變化。如電動機、氣動控制閥等。

自動控制系統(tǒng)：是由被控對象和自動控制裝置按一定方式聯(lián)結(jié)起來的，以完成某種自動控制任務(wù)的有機整體。輸入信號：系統(tǒng)的輸入信號是指參考輸入，又稱給定量或給定值，它是控制著輸出量變化規(guī)律的指令信號。輸出信號：系統(tǒng)的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。1.3.2自動控制系統(tǒng)中常用的名詞術(shù)語反饋信號：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。反饋分為主反饋和局部反饋。偏差信號：它是指參考輸入與主反饋信號之差。偏差信號簡稱偏差。誤差信號：它是指系統(tǒng)輸出量的期望值與實際值之差，簡稱誤差。在單位反饋情況下，誤差值也就是偏差值，二者是相等的。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，前者稱為內(nèi)部擾動，后者稱為外部擾動。外部擾動是不希望的輸入信號。1.4自動控制系統(tǒng)的分類1.恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)：該類系統(tǒng)的輸入信號為一常數(shù)，擾動使被控量偏離理想值而出現(xiàn)偏差，利用偏差該系統(tǒng)可使被控量回復(fù)到理想值或接近理想值。上述的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)、水位控制系統(tǒng)均屬于此類系統(tǒng)。2.程序控制系統(tǒng)：輸入信號為已知的時間函數(shù)，如機械加工中的數(shù)控機床工作臺移動系統(tǒng)。

3.隨動系統(tǒng)：這類系統(tǒng)的給定量是時間的未知函數(shù)，系統(tǒng)能使被控量準(zhǔn)確、快速地跟隨給定量變化。隨動系統(tǒng)又稱伺服系統(tǒng)。火炮自動瞄準(zhǔn)系統(tǒng)、船舶自動舵均屬此類系統(tǒng)。1.4.1按輸入信號的特征分1.線性系統(tǒng)：該類系統(tǒng)的特點在于組成系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)的輸入輸出特性都是線性的，系統(tǒng)的性能可用線性微分方程（或差分方程）來描述。（滿足齊次性與疊加性）2.非線性系統(tǒng)：該類系統(tǒng)的特點在于系統(tǒng)中含有一個或多個非線性元件。系統(tǒng)的性能需用非線性微分方程（或差分方程）來描述。注意：在實際中，絕大多數(shù)對象都具有非線性特性，而大多數(shù)儀器儀表也是非線性的，所以很少有真正意義上線性系統(tǒng)，一般是采用線性化措施將非線性系統(tǒng)處理成線性系統(tǒng)，這樣就可簡化分析和運算。（本質(zhì)非線性除外）1.4.2按描述系統(tǒng)的動態(tài)方程分1.定常系統(tǒng)：特性不隨時間變化的系統(tǒng)稱定常系統(tǒng)，又稱時不變系統(tǒng)。描述定常系統(tǒng)特性的微分方程或差分方程的系數(shù)不隨時間變化。定常系統(tǒng)分為定常線性系統(tǒng)和定常非線性系統(tǒng)。2.時變系統(tǒng)：特性隨時間變化的系統(tǒng)稱時變系統(tǒng)。對于時變系統(tǒng)，其輸出響應(yīng)的波形不僅與輸入信號波形有關(guān)，而且還與參考輸入加入的時刻有關(guān)，這一特點，增加了對時變系統(tǒng)分析和研究的復(fù)雜性。1.4.3按系統(tǒng)參數(shù)是否隨時間變化而分1.4.4按信號的傳遞是否連續(xù)分1.連續(xù)系統(tǒng)：該類系統(tǒng)各環(huán)節(jié)間的信號均為時間t的連續(xù)函數(shù)。2.離散系統(tǒng)：該類系統(tǒng)在信號傳遞過程中有一處或多處的信號是脈沖序列或數(shù)字編碼。數(shù)字控制系統(tǒng)、采樣系統(tǒng)為離散系統(tǒng)。離散信號離散信號計算機被控對象擾動反饋元件e(t)＋－A/DD/A放大元件執(zhí)行元件1.5自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用實例爐溫控制系統(tǒng)的理想溫度由電壓ur給出，熱電偶檢測箱溫輸出電壓uf,，偏差電壓Δu=ur-uf，經(jīng)電壓和功率放大后控制電機的速度和轉(zhuǎn)向，從而改變調(diào)壓器滑動觸頭的位置，改變爐溫控制系統(tǒng)的外施電壓達到恒定爐溫的目的。1.5.1爐溫控制系統(tǒng)溫度Tc下降，Tc↓→uf↓→

ue=ur-

uf↑→ua↑→電機向增大調(diào)壓器輸出電壓的方向加速旋轉(zhuǎn)→Tc↑→uf↑，直到Tc

=Tr，ue=0。原理：即當(dāng)恒溫箱內(nèi)溫度偏高時，使調(diào)壓器降壓，反之升壓，直到溫度達到給定值為止。此時偏差電壓ue=0，電機停轉(zhuǎn)。爐溫自動控制系統(tǒng)方框圖放大器電機減速器調(diào)壓器電爐熱電偶+-ufueurTcua給定裝置Tr擾動1.5.2導(dǎo)彈發(fā)射架方位控制系統(tǒng)

放大器+_+_+_輸入軸給定裝置反饋裝置手輪發(fā)射架輸出軸ⅠⅡ?qū)棸l(fā)射架方位控制系統(tǒng)原理圖隨動系統(tǒng)導(dǎo)彈發(fā)射架方位控制系統(tǒng)方塊圖放大器減速器導(dǎo)彈發(fā)射架－ua直流電動機電位器Ⅰ、Ⅱ1.5.3計算機控制系統(tǒng)

軋鋼機計算機控制系統(tǒng)方塊圖軋鋼機計算機控制系統(tǒng)示意圖

鍋爐設(shè)備的壓力和溫度自動保持恒定數(shù)控機床按照預(yù)定的程序自動地切削工件導(dǎo)彈發(fā)射與制導(dǎo)系統(tǒng)，自動地使導(dǎo)彈攻擊敵方目標(biāo)無人駕駛飛機按照預(yù)定航跡自動升降和飛行人造衛(wèi)星準(zhǔn)確地進入預(yù)定軌道運行并回收自動控制技術(shù)的應(yīng)用范圍已擴展到生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)境、經(jīng)濟管理和其它許多社會生活領(lǐng)域中，自動控制已成為現(xiàn)代社會活動中不可缺少的重要組成部分。1.6自動控制理論發(fā)展簡史一、歷史1.萌芽：18世紀(jì)第一次技術(shù)革命（機械化）時域分析①俄國人波爾佐諾夫發(fā)明鍋爐水位調(diào)節(jié)器②英國人瓦特發(fā)明蒸汽機離心飛錘式調(diào)速器，萌生了自動控制的基本原理③1877年，勞斯，1895年，赫維茨分別提出了系統(tǒng)穩(wěn)定的代數(shù)判據(jù)（19世紀(jì)末）2.奠定基礎(chǔ)（20世紀(jì)）——經(jīng)典控制論①30~40年代，奈奎斯特提出系統(tǒng)穩(wěn)定性的頻率判據(jù)奈氏圖、奈氏判據(jù)，從時域分析轉(zhuǎn)到頻域分析②1940年，伯德在頻率法中引入對數(shù)坐標(biāo)系，伯德圖③1942年，哈里斯引入傳遞函數(shù)概念④1948年，伊萬恩提出根軌跡分析方法⑤1949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)于在動物和機器中控制和通訊的科學(xué)》，奠定了控制論的基礎(chǔ)50年代中期，添加了非線性系統(tǒng)理論和離散控制理論，形成了完整的理論體系。3.發(fā)展迅速滲透到許多學(xué)科，應(yīng)用于火炮、導(dǎo)彈控制系統(tǒng)，數(shù)控、電力、冶金，自動化技術(shù)錢學(xué)森，1954年首創(chuàng)“工程控制論”，推廣到其它領(lǐng)域：

生物控制論：生命系統(tǒng)

經(jīng)濟控制論：經(jīng)濟運行與發(fā)展問題社會控制論：社會管理與社會服務(wù)問題隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，控制論無論在內(nèi)涵上，還是在深度上和廣度上都發(fā)展變化著，對促進生產(chǎn)的發(fā)展和社會進步產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。二、分類1.經(jīng)典控制理論40~50年代，高階常微分方程以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，研究單輸入、單輸出系統(tǒng)的分析和設(shè)計，針對線性定常系統(tǒng)，主要研究方法有時域分析法、根軌跡法和頻率特性法。2.現(xiàn)代控制理論60~70年代以矩陣?yán)碚摰冉鷶?shù)學(xué)方法作為工具，主要研究方法是狀態(tài)空間法，把高階常微分方程轉(zhuǎn)化為一階常微分方程組來描述系統(tǒng)，解決多輸入多輸出的問題，可處理多變量、非線性、時變系統(tǒng)。3.70年代至今巨大發(fā)展最優(yōu)控制、系統(tǒng)辨識、多變量控制、自適應(yīng)控制、專家系統(tǒng)、人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制、大系統(tǒng)理論等等。1.7對自動控制系統(tǒng)的基本要求要提高控制質(zhì)量，就必須對自動控制系統(tǒng)的性能提出一定的具體要求。盡管自動控制系統(tǒng)有不同的類型，對每個系統(tǒng)都有不同的特殊要求。但總的說來，都是希望設(shè)計的控制過程盡量接近理想的控制過程。工程上常常從穩(wěn)、準(zhǔn)、快三個方面來評價自動控制系統(tǒng)的總體精度。

1.穩(wěn)——指控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和平穩(wěn)性。穩(wěn)定性——指系統(tǒng)重新恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力，它是自動控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。一個穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，其被控量偏離期望值的初始偏差應(yīng)隨時間的增長逐漸減小至穩(wěn)態(tài)值或趨于零。

平穩(wěn)性——指過渡過程振蕩的振幅與頻率。即被控量圍繞給定值擺動的幅度和擺動的次數(shù)。好的過渡過程擺動的幅度要小，擺動的次數(shù)要少。2.快速性——即過渡過程繼續(xù)的時間長短。過渡過程越短，說明系統(tǒng)快速性越好，過渡過程持續(xù)時間越長，說明系統(tǒng)響應(yīng)遲鈍，難以實現(xiàn)快速變化的指令信號。3.準(zhǔn)確性——是指系統(tǒng)在過渡過程結(jié)束后，偏差