自動控制原理第1章引論目錄引論§1引言§2開環(huán)控制和閉環(huán)控制§1.3自動控制系統(tǒng)的組成及術(shù)語§1.4自動控制系統(tǒng)的類型§1.5自動控制系統(tǒng)性能的基本要求§1.6自動控制課程的主要任務(wù)§1.7自動控制系統(tǒng)實例第1章引論一、自動控制理論發(fā)展簡史經(jīng)典控制理論(19世紀(jì)初)

時域方法頻域方法復(fù)域方法根軌跡法現(xiàn)代控制理論(20世紀(jì)60年代)

線性系統(tǒng)自適應(yīng)控制最優(yōu)控制魯棒控制最佳估計容錯控制系統(tǒng)辨識集散控制智能控制理論(20世紀(jì)70年代)

專家系統(tǒng)模糊控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遺傳算法§1.1引言

研究單輸入—單輸出線性定常系統(tǒng)的分析和設(shè)計問題；理論基礎(chǔ)是描述系統(tǒng)輸入—輸出關(guān)系的傳遞函數(shù)；研究多輸入—多輸出、線性或非線性、定?；驎r變系統(tǒng)的分析和設(shè)計問題；采用時域分析方法。第1章引論二、自動控制理論研究自動控制過程共同規(guī)律的技術(shù)學(xué)科三、人工控制與自動控制1、控制概念控制——就是使某個對象（被控對象）中的物理量按照一定的目標(biāo)來動作。第1章引論

3、自動控制在沒有人直接參與的情況下,利用控制裝置使被控對象中某一物理量或數(shù)個物理量準(zhǔn)確地按照預(yù)定的規(guī)律變化。

二者都是建立在“測量偏差，修正偏差”的基礎(chǔ)上的。2、人工控制指在人的直接參與下,通過觀察、分析，使生產(chǎn)設(shè)備或裝置（被控對象）按照預(yù)定的程序運行，或使其某些物理量（被控變量）按預(yù)定規(guī)律變化。四、實際系統(tǒng)舉例例題1恒溫箱系統(tǒng)的人工控制和自動控制（1）目的使恒溫箱內(nèi)溫度保持在某一給定的溫度范圍（期望值）（2）控制手段控制加熱源的通、斷（一）人工控制（3）控制過程a測量（4）人工控制過程方框圖b決策c執(zhí)行第1章引論（二）恒溫箱自動控制系統(tǒng)若電熱偶測出的實際溫度低→送到控制器與期望值比較→結(jié)果為負(fù)→進行放大變換→執(zhí)行機構(gòu)工作，增加電壓→箱內(nèi)溫度升高控制原理第1章引論恒溫箱自動控制系統(tǒng)信號流程方框圖第1章引論例題2水池水位系統(tǒng)的人工控制和自動控制（一）人工控制（1）目的使水池內(nèi)的水保持在一定的水位（期望值）（2）控制手段改變進水閥門的開度控制進水量（3）控制過程a測量（4）人工控制過程方框圖b決策c執(zhí)行第1章引論（二）自動控制系統(tǒng)若出水量增加→實際水位下降→送到控制器與期望值比較→結(jié)果為負(fù)→執(zhí)行機構(gòu)工作，打開閥門進水→水池內(nèi)水位升高控制原理第1章引論水位自動控制系統(tǒng)信號流程方框圖第1章引論例3爐溫控制系統(tǒng)第1章引論爐溫控制系統(tǒng)方框圖第1章引論五、方框圖第1章引論方框圖中各符號的意義元部件（環(huán)節(jié)）

方框（塊）圖信號（物理量）及傳遞方向中的符號比較點引出點表示負(fù)反饋§1.2開環(huán)控制和閉環(huán)控制一、開環(huán)控制

開環(huán)控制系統(tǒng)是指控制裝置與被控對象之間只有順向作用而沒有反向聯(lián)系的控制系統(tǒng)。

簡單地說，就是沒有被控量反饋的控制系統(tǒng)方框圖為第1章引論（4）控制精度較低。開環(huán)控制系統(tǒng)的特點（1）控制裝置只按照給定的輸入量對被控對象進行單向控制。（2）無反饋作用。（3）結(jié)構(gòu)簡單。例如，采用電加熱器控制房間溫度的方框示意圖二、閉環(huán)控制(反饋控制)閉環(huán)控制是指在控制裝置和被控對象之間，除有正向作用外，還存在著反饋作用。例如，采用電加熱器控制房間溫度的方框示意圖第1章引論閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點（1）系統(tǒng)的控制精度較高（2）抗干擾能力強。（3）結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,構(gòu)造比較困難。（4）存在穩(wěn)定性問題。系統(tǒng)元件參數(shù)配合不當(dāng)，易產(chǎn)生震蕩，會使系統(tǒng)不能正常工作。返回閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖為第1章引論§1.3自動控制系統(tǒng)的組成及術(shù)語典型反饋控制系統(tǒng)的原理如圖所示第1章引論

(1)被控對象

(2)控制器

(3)放大變換環(huán)節(jié)

(4)校正裝置

(5)反饋環(huán)節(jié)

(6)給定環(huán)節(jié)第1章引論控制系統(tǒng)中常用的名詞術(shù)語(1)輸入信號(又稱控制量、參考輸入、或給定值)(2)輸出信號(輸出量)

(3)反饋信號(分主反饋信號和局部反饋信號)

(4)偏差信號第1章引論(5)誤差信號

(6)擾動信號

(7)前向通道

(8)主反饋通道返回第1章引論1、控制概念控制——就是使某個對象（被控對象）中的物理量按照一定的目標(biāo)來動作。課程回顧(1)2、人工控制指在人的直接參與下,通過觀察、分析，使生產(chǎn)設(shè)備或裝置（被控對象）按照預(yù)定的程序運行，或使其某些物理量（被控變量）按預(yù)定規(guī)律變化。3、自動控制在沒有人直接參與的情況下,利用控制裝置使被控對象中某一物理量或數(shù)個物理量準(zhǔn)確地按照預(yù)定的規(guī)律變化。

“測量偏差，修正偏差”第1章引論4、方框圖中各符號的意義元部件（環(huán)節(jié)）

方框（塊）圖信號（物理量）及傳遞方向中的符號比較點引出點表示負(fù)反饋課程回顧(2)5、開環(huán)控制

開環(huán)控制系統(tǒng)是指控制裝置與被控對象之間只有順向作用而沒有反向聯(lián)系的控制系統(tǒng)。

簡單地說，就是沒有被控量反饋的控制系統(tǒng)課程回顧(3)（4）控制精度較低。特點：（1）控制裝置只按照給定的輸入量對被控對象進行單向控制。（2）無反饋作用。（3）結(jié)構(gòu)簡單。6、閉環(huán)控制(反饋控制)閉環(huán)控制是指在控制裝置和被控對象之間，除有正向作用外，還存在著反饋作用。課程回顧(4)特點：（1）系統(tǒng)的控制精度較高（2）抗干擾能力強。（3）結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,構(gòu)造比較困難。（4）存在穩(wěn)定性問題。系統(tǒng)元件參數(shù)配合不當(dāng)，易產(chǎn)生震蕩，會使系統(tǒng)不能正常工作。§1.4自動控制系統(tǒng)的類型一、按信號流向劃分1、開環(huán)控制系統(tǒng)2、閉環(huán)控制系統(tǒng)二、按系統(tǒng)輸入信號劃分1、恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)(自動調(diào)節(jié)系統(tǒng))

特點：輸入量為一恒值。

任務(wù)：盡量排除各種干擾因素的影響，使輸出量維持在給定值(期望值)。重點：研究怎樣克服實際系統(tǒng)所存在的干擾。

2、隨動系統(tǒng)(跟蹤系統(tǒng))

特點：輸入量是一個事先無法確定的任意變化的量。任務(wù)：要求系統(tǒng)的輸出量能迅速平穩(wěn)地復(fù)現(xiàn)或跟蹤輸入信號的變化。重點：系統(tǒng)跟蹤的快速性、準(zhǔn)確性。第1章引論3、程序控制系統(tǒng)

特點：輸入信號按照事先確定的運動規(guī)律變化。

任務(wù)：將預(yù)知信號的運動規(guī)律編成程序裝在輸入裝置中（即控制輸入信號是事先確定的程序信號），使被控對象的被控量按照要求的程序動作。三、線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)1、線性系統(tǒng)如果系統(tǒng)的運動規(guī)律可以用線性微分方程來描述，則該系統(tǒng)為線性系統(tǒng)。線性系統(tǒng)的主要特征：具有齊次性和疊加性。齊次性：當(dāng)輸入量增大或減小k倍時，系統(tǒng)的輸出量也按同一倍數(shù)增大或減小。齊次性：當(dāng)輸入量增大或減小k倍時，系統(tǒng)的輸出量也按同一倍數(shù)增大或減小。疊加性：當(dāng)系統(tǒng)同時存在幾個輸入量時，其輸出量等于各輸入量單獨作用時所引起的輸出量的和。2、非線性系統(tǒng)四、定常系統(tǒng)和時變系統(tǒng)

1、定常系統(tǒng)2、時變系統(tǒng)五、連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)1、連續(xù)系統(tǒng)2、離散系統(tǒng)六、單輸入單輸出系統(tǒng)與多輸入多輸出系統(tǒng)1、單輸入單輸出系統(tǒng)(單變量系統(tǒng))2、多輸入多輸出系統(tǒng)(多變量系統(tǒng))§1.5自動控制系統(tǒng)性能的基本要求對控制系統(tǒng)的基本要求：穩(wěn)、準(zhǔn)、快（好）。一、穩(wěn)定性(穩(wěn))1、自動控制系統(tǒng)正常工作的前提條件系統(tǒng)必須是穩(wěn)定的2、穩(wěn)定的物理意義一個控制系統(tǒng)的輸出量對給定的輸入量的偏離值，應(yīng)該隨時間的增加逐漸趨于零，或者穩(wěn)定在某一微小變化范圍內(nèi)。這一微小變化范圍稱為穩(wěn)定裕量。二、準(zhǔn)確性(準(zhǔn))

三、快速性（快）或動態(tài)過程(好)

準(zhǔn)確性是指系統(tǒng)的過渡過程結(jié)束，達到新的平衡狀態(tài)以后，其輸出量與給定的輸入量（期望值）之間的偏差值達到所要求的精度范圍，故又稱穩(wěn)態(tài)精度?？焖傩允侵府?dāng)系統(tǒng)的輸出量與給定的輸入量之間產(chǎn)生誤差時，系統(tǒng)消除這一誤差的快慢速度。返回穩(wěn)態(tài)精度與控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、參數(shù)及輸入信號形式有關(guān)。衡量快速性（或動態(tài)過程）的品質(zhì)好壞，常采用單位階躍信號作用下過渡過程中的超調(diào)量（最大震蕩幅度），調(diào)節(jié)時間等指標(biāo)。一、階躍函數(shù)(恒值控制)它的數(shù)學(xué)表達式為：§1.6自控系統(tǒng)典型的外輸入信號典型的外輸入信號應(yīng)滿足以下條件（1）這種函數(shù)在現(xiàn)場或?qū)嶒炇抑腥菀椎玫?；?）控制系統(tǒng)在這種函數(shù)作用下的性能應(yīng)代表在實際工作條件下的性能；（3）這種函數(shù)的數(shù)學(xué)表達式簡單，便于計算。第1章引論

它表示一個在t=0時出現(xiàn)的，幅值為A的階躍變化函數(shù)。在實際系統(tǒng)中，這意味著t=0時突然加到系統(tǒng)上的一個幅值不變的外作用。第1章引論A=1的函數(shù)稱為單位階躍函數(shù)，記作1(t)。因此，幅值為A的階躍函數(shù)也可表示為

出現(xiàn)在時刻的階躍函數(shù)，表示為

二、斜坡函數(shù)（等速度函數(shù)）

它的數(shù)學(xué)表達式為

斜坡函數(shù)從t=0時刻開始，隨時間以恒定速度增加。A=1時斜坡函數(shù)稱作單位斜坡函數(shù)。斜坡函數(shù)等于階躍函數(shù)對時間的積分，反之，階躍函數(shù)等于斜坡函數(shù)對時間的導(dǎo)數(shù)。它的數(shù)學(xué)表達式為

當(dāng)A=1時，稱為單位拋物線函數(shù)。

拋物線函數(shù)是斜坡函數(shù)對時間的積分。反之，斜坡函數(shù)等于拋物線函數(shù)對時間的導(dǎo)數(shù)。

三、拋物線函數(shù)（等加速度函數(shù)）（隨動系統(tǒng)）

四、脈沖函數(shù)（沖擊試驗）其面積為A。即

面積A表示脈沖函數(shù)的強度。的脈沖函數(shù)稱為單位脈沖函數(shù)，記作，即

第1章引論于是強度為A的脈沖函數(shù)可表示為

表示在時刻出現(xiàn)的單位脈沖函數(shù)，即

單位脈沖函數(shù)是單位階躍函數(shù)的導(dǎo)數(shù)

五、正弦函數(shù)（頻率特性、頻譜特性）

它的數(shù)學(xué)表達式為

式中A為振幅，ω為角頻率，正弦函數(shù)為周期函數(shù)。

返回§1.7自動控制系統(tǒng)實例一、造紙機分部傳動控制系統(tǒng)

二