自動(dòng)控制原理

2015.711一、《自動(dòng)控制原理》

與其它課程的關(guān)系自動(dòng)控制原理電機(jī)與拖動(dòng)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2一、《自動(dòng)控制原理》

與其它課程的關(guān)系自動(dòng)控制電機(jī)二、自動(dòng)控制學(xué)科的特點(diǎn)1應(yīng)用廣泛小至電子表，大至人造衛(wèi)星，幾乎包括各個(gè)領(lǐng)域。開始多用于工業(yè)：壓力、溫度、流量、位移、濕度、粘度自動(dòng)控制后來進(jìn)入軍事領(lǐng)域：飛機(jī)自動(dòng)駕駛、火炮自動(dòng)跟蹤、導(dǎo)彈、衛(wèi)星、宇宙飛船自動(dòng)控制目前滲透到更多領(lǐng)域：大系統(tǒng)、交通管理、圖書管理等生物學(xué)系統(tǒng)：生物控制論、波斯頓假肢、人造器官經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)：模擬經(jīng)濟(jì)管理過程、經(jīng)濟(jì)控制論3二、自動(dòng)控制學(xué)科的特點(diǎn)1應(yīng)用廣泛32日益重要

很難想象現(xiàn)代生活和生產(chǎn)過程沒有自動(dòng)控制裝置如何能夠繼續(xù)？你敢讓大型發(fā)電機(jī)組用人工控制來運(yùn)行嗎?你愿意使用不能自動(dòng)控制溫度的電冰箱嗎？

42日益重要

很難想象現(xiàn)代生活和生產(chǎn)過程沒有自動(dòng)控3發(fā)展迅速從離心重錘式的簡(jiǎn)單自動(dòng)機(jī)械到具有每秒運(yùn)行上億次的CPU的智能機(jī)器人，自動(dòng)控制學(xué)科發(fā)展日新月異。越來越復(fù)雜和越來越精確的控制要求以及高度發(fā)展的現(xiàn)代科技(如計(jì)算機(jī))是促進(jìn)自動(dòng)控制學(xué)科飛速發(fā)展的重要原因。53發(fā)展迅速5

三、自動(dòng)控制理論的內(nèi)容自動(dòng)控制理論經(jīng)典控制理論(19世紀(jì)中葉--20世紀(jì)50年代)線性非線性根軌跡法頻域法

時(shí)域法描述函數(shù)法相平面法采樣控制Z變換法現(xiàn)代控制理論(60年代以來)狀態(tài)反饋控制最優(yōu)控制智能控制預(yù)測(cè)控制自適應(yīng)控制模糊控制大系統(tǒng)多層分散控制6

四、自動(dòng)控制理論的基本問題控制系統(tǒng)的分析典型信號(hào)下的響應(yīng)(階躍響應(yīng))數(shù)學(xué)模型(傳遞函數(shù),狀態(tài)方程，頻率特性)性能指標(biāo)(穩(wěn)態(tài)誤差,超調(diào)量等)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)性能要求(性能指標(biāo),約束條件)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計(jì)和整定性能校核(計(jì)算,仿真,實(shí)驗(yàn))7四、自動(dòng)控制理論的基本問題控制系統(tǒng)的分析7第一章自動(dòng)控制概論

8第一章自動(dòng)控制概論81.1

引言1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)舉例及術(shù)語1.3閉環(huán)控制和開環(huán)控制1.4自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成和分類1.5對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求991.1引言四個(gè)階段:胚胎萌芽期經(jīng)典控制理論時(shí)期、現(xiàn)代控制理論時(shí)期、大系統(tǒng)和智能控制時(shí)期

一.控制系統(tǒng)的發(fā)展史101.1引言一.控制系統(tǒng)的發(fā)展史101.胚胎萌芽期

十八世紀(jì)以后，蒸汽機(jī)的使用提出了調(diào)速穩(wěn)定等問題十九世紀(jì)前半葉，動(dòng)力使用了發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)促進(jìn)了水利、水電站的遙控和程控的發(fā)展以及電壓、電流的自動(dòng)調(diào)節(jié)技術(shù)的發(fā)展。十九世紀(jì)末，二十世紀(jì)初，使用內(nèi)燃機(jī)促進(jìn)了飛機(jī)、汽車、船舶、機(jī)器制造業(yè)和石油工業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)生了伺服控制和過程控制。

1765年俄國(guó)人波爾祖諾夫發(fā)明了鍋爐水位調(diào)節(jié)器；

1784年英國(guó)人瓦特發(fā)明了調(diào)速器，蒸汽機(jī)離心式調(diào)速器；二十世紀(jì)初第二次世界大戰(zhàn)，軍事工業(yè)發(fā)展很快飛機(jī)、雷達(dá)、火炮上的伺服機(jī)構(gòu)，總結(jié)了自動(dòng)調(diào)節(jié)技術(shù)及反饋放大器技術(shù)，搭起了經(jīng)典控制理論的架子，但還沒有形成學(xué)科。111.胚胎萌芽期十八世紀(jì)以后，蒸汽機(jī)的使用提出了調(diào)速穩(wěn)定等2.經(jīng)典控制理論時(shí)期1884年：E.J.Routh提出勞斯穩(wěn)定性判據(jù)。1895年：A.Hurwifz提出赫爾維茨穩(wěn)定性判據(jù)。1932年：H.Nyquist提出奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)。1945年：H.W.Bode提出反饋放大器的一般設(shè)計(jì)方法。1948年：Evans提出并完善了根軌跡法1948年：N.Wiener發(fā)表《控制論》1954年：錢學(xué)森在美國(guó)完成《工程控制論》主要內(nèi)容：對(duì)單輸入單輸出系統(tǒng)進(jìn)行分析，采用頻率法、根軌跡法、相平面法、描述函數(shù)法；討論系統(tǒng)穩(wěn)定性的代數(shù)和幾何判據(jù)以及校正網(wǎng)絡(luò)等。122.經(jīng)典控制理論時(shí)期1884年：E.J.Routh提出4.大系統(tǒng)和智能控制時(shí)期

各學(xué)科相互滲透，要分析的系統(tǒng)越來越大，越來越復(fù)雜。例如人工智能、智能機(jī)器人等。

空間技術(shù)的發(fā)展提出了許多復(fù)雜控制問題，用于導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星和宇宙飛船上。Kalman“控制系統(tǒng)的一般理論”奠定了現(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)，解決多輸入、多輸出、時(shí)變參數(shù)、高精度復(fù)雜系統(tǒng)的控制問題。3.現(xiàn)代控制理論時(shí)期134.大系統(tǒng)和智能控制時(shí)期各學(xué)科相互滲透，要分析的系研究對(duì)象數(shù)學(xué)工具常用分析方法局限性經(jīng)典控制理論單輸入-單輸出線性定常系統(tǒng)微分方程，傳遞函數(shù)時(shí)域分析法，頻域分析法,根軌跡分析法對(duì)復(fù)雜多變量系統(tǒng)、時(shí)變和非線性系統(tǒng)無能為力現(xiàn)代控制理論多輸入-多輸出變系數(shù)，非線性等系統(tǒng)線性代數(shù)、矩陣?yán)碚摖顟B(tài)空間法比較繁瑣（但由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的的迅速發(fā)展，這一局限性已克服)經(jīng)典控制理論與現(xiàn)代控制理論的比較14研究對(duì)象數(shù)學(xué)工具常用分析方法局限性經(jīng)典控制理論單輸入-單輸出二.自動(dòng)控制要解決的基本問題

自動(dòng)控制是使一個(gè)或一些被控制的物理量按照另一個(gè)物理量即控制量的變化而變化或保持恒定，一般地說如何使控制量按照給定量的變化規(guī)律變化，就是一個(gè)控制系統(tǒng)要解決的基本問題。15二.自動(dòng)控制要解決的基本問題自動(dòng)控制是使一個(gè)或三.自動(dòng)控制技術(shù)的作用1.生產(chǎn)自動(dòng)化，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。2.自動(dòng)控制使工作具有高度的準(zhǔn)確性，大大地提高了武器的命中率和戰(zhàn)斗力，（例如火炮自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)必須采用計(jì)算機(jī)控制才能打下高速高空飛行的飛機(jī)。）3.某些人們不能直接參與工作的場(chǎng)合就更離不開自動(dòng)控制技術(shù)了，例如原子能的生產(chǎn)、火炮或?qū)椀闹茖?dǎo)等等。16三.自動(dòng)控制技術(shù)的作用1.生產(chǎn)自動(dòng)化，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，減輕1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)舉例及術(shù)語171.2自動(dòng)控制系統(tǒng)舉例及術(shù)語17

舉例：1.熱力系統(tǒng)溫度控制

18舉例：1.熱力系統(tǒng)溫度控制18熱力系統(tǒng)的自動(dòng)反饋控制

19熱力系統(tǒng)的自動(dòng)反饋控制19控制器：比較、放大的作用溫度測(cè)量裝置：溫度傳感器控制閥：執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象：加熱爐

?￡òoêμ?êòo??·§

?????÷放大元件控制閥加熱爐溫度測(cè)量裝置控制器實(shí)際溫度希望溫度控制系統(tǒng)方塊圖20控制器：比較、放大的作用?￡òoêμ?êòo??2.水箱液位控制系統(tǒng)212.水箱液位控制系統(tǒng)21控制器：比較、放大的作用浮子：液面高度的測(cè)量元件氣動(dòng)閥門：執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象：水箱

?￡òoêμ?êòo??·§

?????÷放大元件氣動(dòng)閥門水箱浮子控制器實(shí)際液位希望液位注入（Ⅱ）控制系統(tǒng)方塊圖22控制器：比較、放大的作用?￡òoêμ?êòo??2對(duì)象

是一個(gè)設(shè)備，它是由一些機(jī)器零件有機(jī)地組合在一起的，其作用是完成一個(gè)特定的動(dòng)作。在下面的討論中，稱任何被控物體（如加熱爐、化學(xué)反應(yīng)器或宇宙飛船）為對(duì)象。3過程

稱任何被控制的運(yùn)行狀態(tài)為過程，其具體例子如化學(xué)過程、經(jīng)濟(jì)學(xué)過程、生物學(xué)過程。4系統(tǒng)

完成一定任務(wù)的一些元部件的組合。1自動(dòng)控制

在無人直接參與的情況下，通過控制器使被控對(duì)象或過程自動(dòng)地按照預(yù)定要求進(jìn)行。232對(duì)象3過程4系統(tǒng)1自動(dòng)控制235

擾動(dòng)6

反饋控制

擾動(dòng)是一種對(duì)系統(tǒng)的輸出產(chǎn)生不利影響的信號(hào)。如果擾動(dòng)產(chǎn)生在系統(tǒng)內(nèi)部稱為內(nèi)擾；擾動(dòng)產(chǎn)生在系統(tǒng)外部，則稱為外擾。外擾是系統(tǒng)的輸入量。

反饋控制是這樣一種控制過程，它能夠在存在擾動(dòng)的情況下，力圖減小系統(tǒng)的輸出量與參考輸入量（也稱參考量）（或者任意變化的希望的狀態(tài)）之間的偏差。245擾動(dòng)6反饋控制擾動(dòng)是一種對(duì)系統(tǒng)的輸出

反饋控制系統(tǒng)是一種能對(duì)輸出量與參考輸入量進(jìn)行比較，并力圖保持兩者之間的既定關(guān)系的系統(tǒng)，它利用輸出量與輸入量的偏差來進(jìn)行控制。應(yīng)當(dāng)指出，反饋控制系統(tǒng)不限于工程范疇，在各種非工程范疇內(nèi)，諸如經(jīng)濟(jì)學(xué)和生物學(xué)中，也存在著反饋控制系統(tǒng)。7反饋控制系統(tǒng)25反饋控制系統(tǒng)是一種能對(duì)輸出量與參考輸入量進(jìn)行比

隨動(dòng)系統(tǒng)是一種反饋控制系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)中，輸出量往往是機(jī)械位移、速度或者加速度。因此，隨動(dòng)系統(tǒng)這個(gè)術(shù)語，與位置（或速度或加速度）控制系統(tǒng)是同義語。8隨動(dòng)系統(tǒng)9過程控制

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，諸如對(duì)壓力、溫度、濕度、流量、頻率以及原料、燃料成分比例等方面的控制，稱為過程控制。26隨動(dòng)系統(tǒng)是一種反饋控制系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)中，一.開環(huán)控制例:電爐溫度控制系統(tǒng)分析控制組成(a)原理圖溫度計(jì)

加熱電阻絲u~220Vk

輸入量控制裝置被控對(duì)象輸出量1.3閉環(huán)控制與開環(huán)控制27一.開環(huán)控制例:電爐溫度控制系統(tǒng)分析控制組成(a)原理圖輸出量輸入量

開關(guān)

加熱電阻絲

電爐

恒溫箱

受控對(duì)象(溫度)擾動(dòng)量控制裝置溫度計(jì)

加熱電阻絲u~220Vk28輸出量輸入量開關(guān)加熱電爐受控對(duì)象(溫度)擾動(dòng)量

開環(huán)控制

控制裝置與被控對(duì)象之間只有順向作用而沒有反向聯(lián)系的控制。29開環(huán)控制29控制器被控制對(duì)象給定值輸出量

控制的原理方框圖控制方式：◆按給定值操縱。◆信號(hào)由給定值至輸出量單向傳遞?！粝到y(tǒng)的控制精度取決于系統(tǒng)事先的調(diào)整精度?！魧?duì)于工作過程中受到的擾動(dòng)或特性參數(shù)的變化無法自動(dòng)補(bǔ)償。30控制器被控制給定值輸出量控制的原理方框圖控制方式：◆例:直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng)。31例:直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng)。31二、閉環(huán)控制32二、閉環(huán)控制32控制過程：控制任務(wù)：保持電機(jī)恒速運(yùn)行.

nuf

△uua

n33控制過程：控制任務(wù)：保持電機(jī)恒速運(yùn)行.nu反饋：

輸出量送回至輸入端并與輸入信號(hào)比較的過程負(fù)反饋：

反饋的信號(hào)與輸入信號(hào)相減而使偏差越來越小34反饋：34

閉環(huán)控制:是指控制器與控制對(duì)象之間既有順向作用有反向聯(lián)系的控制過程。輸入量輸出量閉環(huán)控制典型方框圖擾動(dòng)輸出影響輸入，所以能削弱或抑制干擾；低精度元件可組成高精度系統(tǒng)；因?yàn)榭赡馨l(fā)生超調(diào)，振蕩，所以穩(wěn)定性很重要。

特點(diǎn)：控制器被控制對(duì)象-35閉環(huán)控制:是指控制器與控制對(duì)象之間既有順向輸入量輸出量閉環(huán)

三.開環(huán)控制與反饋控制的比較

開環(huán):

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，工作穩(wěn)定，當(dāng)輸入信號(hào)和擾動(dòng)能預(yù)先知道時(shí)，控制效果較好。

不能自動(dòng)修正被控制量的偏離，系統(tǒng)的元件參數(shù)變化以及外來的未知擾動(dòng)對(duì)控制精度影響較大。閉環(huán):

具有自動(dòng)修正被控制量出現(xiàn)偏離的能力，可以修正元件參數(shù)變化及外界擾動(dòng)引起的誤差，控制精度高。

缺點(diǎn)：被控量可能出現(xiàn)振蕩，甚至發(fā)散。36三.開環(huán)控制與反饋控制的比較不能自一、閉環(huán)系統(tǒng)的組成

:(1)比較元件；(2)放大元件；(3)執(zhí)行元件；(4)校正元件；(5)被控對(duì)象；(6)測(cè)量元件。1.4自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成和分類變換放大串聯(lián)校正變換放大執(zhí)行元件被控對(duì)象測(cè)量元件反饋校正--37一、閉環(huán)系統(tǒng)的組成:(1)比較元件；(2)放大元件；(3)用“○”號(hào)代表比較元件，“—”號(hào)代表兩者符號(hào)相反，“+”號(hào)代表兩者符號(hào)相同。信號(hào)沿箭頭方向從輸入端到達(dá)輸出端的傳輸通路稱前向通道；系統(tǒng)輸出量經(jīng)測(cè)量元件反饋到輸入端的傳輸通路稱主反饋通道。前向通路與主反饋通路共同構(gòu)成主回路。此外，還有局部反饋通路以及由它構(gòu)成的內(nèi)回路。有關(guān)概念38用“○”號(hào)代表比較元件，有關(guān)概念38測(cè)量元件：

------檢測(cè)被控制的物理量，如果這個(gè)物理量是非電量，一般要轉(zhuǎn)換成電量。

例如:

測(cè)速發(fā)電機(jī)用于檢測(cè)電動(dòng)機(jī)軸的速度并轉(zhuǎn)換為電壓；

電位器、旋轉(zhuǎn)變壓器或自整角機(jī)用于檢測(cè)角度并轉(zhuǎn)換為電壓；

熱電偶用于檢測(cè)溫度并轉(zhuǎn)換為電壓等。39測(cè)量元件：39給定元件------給出與期望的被控量相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)輸入量（即參考量）。比較元件------把測(cè)量元件檢測(cè)的被控量實(shí)際值與給定元件給出的參考量進(jìn)行比較，求出它們之間的偏差。

常用的比較元件有差動(dòng)放大器、機(jī)械差動(dòng)裝置、電橋電路等。40給定元件------給出與期望的被控量相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)輸入量（即放大元件------將比較元件給出的偏差信號(hào)進(jìn)行放大，用來推動(dòng)執(zhí)行元件去控制被控對(duì)象。

電壓偏差信號(hào)，可用晶體管、集成電路、晶閘管等組成的電壓放大級(jí)和功率放大級(jí)加以放大。執(zhí)行元件------直接推動(dòng)被控對(duì)象，使其被控量發(fā)生變化。用來作為執(zhí)行元件的有閥、電動(dòng)機(jī)、液壓馬達(dá)等。41放大元件------將比較元件給出的偏差信號(hào)進(jìn)行放大，用來推校正元件(補(bǔ)償元件)------是結(jié)構(gòu)或參數(shù)便于調(diào)整的元部件，用串連或反饋的方式連接在系統(tǒng)中，以改善系統(tǒng)的性能。簡(jiǎn)單的校正元件是由電阻、電容等組成的無源或有源網(wǎng)絡(luò)，復(fù)雜的則用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)校正功能。42校正元件(補(bǔ)償元件)------是結(jié)構(gòu)或參數(shù)便于調(diào)整的元部二.自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類開環(huán)控制閉環(huán)控制(反饋控制)復(fù)合控制按控制方式分43二.自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類按控制方式分43按輸入補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制44按輸入補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制44按擾動(dòng)補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制原理方框圖45按擾動(dòng)補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制原理方框圖45機(jī)械系統(tǒng)電氣系統(tǒng)機(jī)電系統(tǒng)——全自動(dòng)照相機(jī)，光機(jī)電結(jié)合液壓系統(tǒng)——伺服液壓缸，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)，大型的仿真模擬臺(tái)氣動(dòng)系統(tǒng)生物系統(tǒng)按元件類型分46機(jī)械系統(tǒng)按46按系統(tǒng)功用分

溫度控制系統(tǒng)

壓力控制系統(tǒng)

位置控制系統(tǒng)47按系統(tǒng)功用分溫度控制系統(tǒng)壓力控制系統(tǒng)位置控制系統(tǒng)線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)定常系統(tǒng)時(shí)變系統(tǒng)按系統(tǒng)性能分離散系統(tǒng)48線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)定常系統(tǒng)時(shí)變系