自動控制原理第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引言阿貍洗澡的故事一天，阿貍很開心的去洗澡~洗白白~~洗白白~~阿貍洗澡的故事進到浴室后，打開了水閥。。阿貍洗澡的故事燙燙燙燙然而，水非常燙。。。阿貍洗澡的故事悲劇的是。。?？梢哉{(diào)節(jié)水溫的熱水器再浴室外面。。。阿貍洗澡的故事于是，阿貍叫浴室外的桃子幫忙調(diào)水溫。。桃子~我要被煮熟了~桃子~阿貍洗澡的故事好的~→小大桃子把火力調(diào)節(jié)旋鈕向小的方向扭了60°阿貍洗澡的故事然而，調(diào)得太低水變得非常冷。。結冰了。。阿貍洗澡的故事→小大桃子把火力調(diào)節(jié)旋鈕向大的方向扭了30°小大阿貍洗澡的故事水溫終于合適了。。。阿貍洗澡的故事最終，阿貍在合適的水溫下把自己洗干凈了。案例分析→水溫偏高→→讓桃子調(diào)低水溫偏低→讓桃子調(diào)高→調(diào)高→調(diào)低→水溫變化熱水器出水：被控對象阿貍：測量反饋元件桃子：執(zhí)行元件阿貍：比較元件最合適阿貍洗澡的水的溫度：給定量從熱水器出來的水的溫度：被控量被控對象（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。P5-6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)結起來的，以完成某種自動控制任務的有機整體。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)關系。自動控制系統(tǒng)中常用的名詞術語反饋信號：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)輸出量的實際值與期望值之差，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?；窘M成部分（方塊圖）

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＋＋－－給定元件方塊圖基本組成符號④相加點（綜合點、比較點）

相同性質(zhì)的信號進行去取代數(shù)和（相同量綱的物理量）裝置R(s)Y(s)①信號流線：箭頭表示信號傳遞

方向②方塊：一個元件（環(huán)節(jié)）③分支點：信號多路輸出且相等：比較點的圖形符號？-什么是自動控制系統(tǒng)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）自動地按照預定的規(guī)律運行。P11.1第一段第二句什么是人工控制系統(tǒng)由人直接或間接操作執(zhí)行裝置的控制方式。思考題這是一個人工控制系統(tǒng)還是自動控制系統(tǒng)？系統(tǒng)框圖合適阿貍的水溫調(diào)熱水器的桃子實際水溫熱水器火力調(diào)節(jié)旋鈕比較水溫的阿貍|↑熱水器出水：被控對象從花灑出來的水的溫度：被控量最合適阿貍洗澡的水的溫度：給定量阿貍：測量反饋元件桃子：執(zhí)行元件阿貍：比較元件溫度設定器溫度計電機系統(tǒng)框圖溫度設定溫度計實際水溫熱水器火力調(diào)節(jié)旋鈕比較器|↑執(zhí)行器被控對象實際水溫↑|反饋裝置執(zhí)行器設定值思考題這是一個人工控制系統(tǒng)還是自動控制系統(tǒng)？水溫偏高水溫偏低水溫偏高水溫偏低水溫偏高水溫偏低控制（Control）：根據(jù)某種原理或方法，使特定對象（被控對象）的某些物理量（被控量）按照預期規(guī)律變化的操縱過程。什么是自動控制原理？自動控制理論：是研究有關自動控制共同規(guī)律的一門技術科學，是自動控制技術的基礎理論，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，它們的結構類型和所完成的任務也各不相同?？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——即為復合控制，相對應的控制系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)和復合控制系統(tǒng)。

示例——直流電動機轉速開環(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，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——結構簡單，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系固定，且內(nèi)部參數(shù)或外部負載等擾動因素不大，或這些擾動因素可以預測并進行補償?shù)那疤嵯?，應盡量采用開環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制的缺點——當控制過程中受到來自系統(tǒng)外部的各種擾動因素，如負載變化、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

直流電動機轉速閉環(huán)控制系統(tǒng)方塊圖設上述系統(tǒng)原已在某個給定電壓ug相對于的轉速n狀態(tài)下運行，若一旦受到某些干擾（如負載轉矩突然增大）而引起轉速下降時，系統(tǒng)就會自動地產(chǎn)生相應的調(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↑

n電

壓放大器ue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－

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)的復雜性，如果閉環(huán)系統(tǒng)參數(shù)的選取不適當，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。（負反饋）作業(yè)：P141.21.31.41.51.6作業(yè)1.6當實際水位低于要求水位時，電位器輸出電壓值為正，且其大小反映了實際水位與水位要求值的差值，放大器輸出信號將有正的變化，電動機帶動減速器使進水閥門開度增加，直到實際水位重新與水位要求值相等時為止。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)結起來的，以完成某種自動控制任務的有機整體。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)關系。1.3.2自動控制系統(tǒng)中常用的名詞術語反饋信號：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)：

特點：輸入信號是一個恒定的數(shù)值。如：工業(yè)生產(chǎn)中的恒溫、恒壓等控制系統(tǒng)。2.程序控制系統(tǒng)：

特點：輸入信號是一個已知的函數(shù)?？刂七^程按預定的程序進行，要求被控量能迅速準確地復現(xiàn)輸入。

如：機械加工中的數(shù)控機床工作臺移動系統(tǒng)。

1.4.1按輸入信號的特征分

3.隨動系統(tǒng)：

特點：輸入信號是一個未知函數(shù)。要求控制系統(tǒng)的輸出量跟隨輸入信號變化。如：火炮自動跟蹤系統(tǒng)。該系統(tǒng)要求有較好的跟蹤能力。1.4.1按輸入信號的特征分1）線性系統(tǒng)：

特點：系統(tǒng)由線性元件構成，描述運動規(guī)律的數(shù)學模型為線性微分方程。具有迭加性和齊次性。如果元件輸入為r(t)、r1(t)、r2(t)，對應的輸出為c(t)、c1(t)、c2(t)如果r(t)=r1(t)+r2(t)時，c(t)=c1(t)+c2(t)滿足迭加性如果r(t)=a·r1(t)時，c(t)=ac1(t)滿足齊次性滿足迭加性和齊次性的元件才是線性元件。1.4.2按描述系統(tǒng)的動態(tài)方程分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.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)，其輸出響應的波形不僅與輸入信號波形有關，而且還與參考輸入加入的時刻有關，這一特點，增加了對時變系統(tǒng)分析和研究的復雜性。1.4.3系統(tǒng)還可按其參數(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ue=ur-uf，經(jīng)電壓和功率放大后控制電機的速度和轉向，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→Tc↑→uf↑，直到Tc

=Tr，ue=0。原理：即當恒溫箱內(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。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)導彈發(fā)射架方位控制系統(tǒng)方塊圖放大器減速器導彈發(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

鍋爐設備的壓力和溫度自動保持恒定數(shù)控機床按照預定的程序自動地切削工件導彈發(fā)射與制導系統(tǒng)，自動地使導彈攻擊敵方目標無人駕駛飛機按照預定航跡自動升降和飛行人造衛(wèi)星準確地進入預定軌道運行并回收自動控制技術的應用范圍已擴展到生物、醫(yī)學、環(huán)境、經(jīng)濟管理和其它許多社會生活領域中，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世紀第一次技術革命（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世紀末）離心調(diào)速器蒸汽機2.奠定基礎（20世紀）——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)，從時域分析轉到頻域分析②1940年，伯德在頻率法中引入對數(shù)坐標系，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——關于在動物和機器中控制和通訊的科學》，奠定了控制論的基礎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科，應用于火炮、導彈控制系統(tǒng)，數(shù)控、電力、冶金，自動化技術錢學森，1954年首創(chuàng)“工程控制論”，推廣到其它領域：

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問題隨著計算機技術的發(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，研究單輸入、單輸出系統(tǒng)的分析和設計，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年代以矩陣理論等近代數(shù)學方法作為工具，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.智能控制系統(tǒng)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、自適應控制、專家系統(tǒng)、人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡控制、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、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