自動控制原理胡壽松主編的《自動控制原理》(第五版)李友善主編《自動控制原理》機械工業(yè)出版社黃忠霖編著《控制系統(tǒng)MATLAB計算及仿真》國防工業(yè)出版社胡壽松主編《自動控制原理習題集》（第2版）科學出版社劉坤主編《MATLAB自動控制原理習題精解》國防工業(yè)出版社主要教學參考書：第一頁1第二頁，共59頁。自動控制原理本課程性質(zhì):專業(yè)基礎課考核方式:閉卷考試成績評定方法：考試占70%，其它占30%(課堂紀律及作業(yè)等）第二頁2第三頁，共59頁。自動控制原理課程的主要內(nèi)容及學時分配第一章控制系統(tǒng)導論6第二章控制系統(tǒng)的數(shù)學模型8第三章線性系統(tǒng)的時域分析法10第四章線性系統(tǒng)的根軌跡分析法6第五章線性系統(tǒng)的頻域分析法10第六章反饋控制系統(tǒng)的設計8第七章數(shù)字控制系統(tǒng)的分析與設計8第三頁3第四頁，共59頁。第一章控制系統(tǒng)導論本章主要內(nèi)容自動控制的一般概念自動控制系統(tǒng)舉例控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)自動控制簡史控制系統(tǒng)設計概述設計實例循序漸進設計示例第四頁4第五頁，共59頁。第一節(jié)自動控制的一般概念

控制：使被控對象按照控制者的意愿運動。系統(tǒng)：是由一些相互聯(lián)系、相互制約的若干組成部分結(jié)合而成的、具有特定功能的一個有機整體。從三個方面理解系統(tǒng)的概念：

（1）系統(tǒng)是由若干要素（部分）組成的。（2）系統(tǒng)有一定的結(jié)構(gòu)。（3）系統(tǒng)有一定的功能，或者說系統(tǒng)要有一定的目的性。第一章控制系統(tǒng)導論

第五頁5第六頁，共59頁。自動控制:在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設備或裝置,使機器、設備或生產(chǎn)過程的某個工作狀態(tài)或參數(shù)自動地按照預定的規(guī)律運行。自動控制系統(tǒng):為了實現(xiàn)自動控制任務，將被控對象和控制裝置按照一定的方式連接起來組成的一個有機整體。自動控制理論:是研究自動控制共同規(guī)律的一門技術科學。第一章控制系統(tǒng)導論

第六頁6第七頁，共59頁。第二節(jié)自動控制系統(tǒng)舉例

例1.1.以機器人為單元的無人化工廠第一章控制系統(tǒng)導論

第七頁7第八頁，共59頁。例1.2.墻面清洗機器人第一章控制系統(tǒng)導論

第八頁8第九頁，共59頁。例1.3.機械手第一章控制系統(tǒng)導論

第九頁9第十頁，共59頁。例1.4.[導彈]:自動飛行到預定目標第一章控制系統(tǒng)導論

第十頁10第十一頁，共59頁。例1.5.[無人駕駛飛機]:按照預定航線飛行第一章控制系統(tǒng)導論

第十一頁11第十二頁，共59頁。例1.6.[人造衛(wèi)星]:在預定軌道飛行第一章控制系統(tǒng)導論

第十二頁12第十三頁，共59頁。例1.7.[電熱水器]:將水加熱到設定溫度第一章控制系統(tǒng)導論

第十三頁13第十四頁，共59頁。例1.8.[全自動洗衣機]:按設定程序洗衣服第一章控制系統(tǒng)導論

第十四頁14第十五頁，共59頁。自動控制的作用與重要性把人從繁重的危險的工作中解放出來礦井掘井、核電站檢查消防、救火、無人偵察機、導彈（無人）完成人無法完成的工作管道機器人、水下6000米機器人比人干得更快、更好，極大地提高生產(chǎn)力從自動化生產(chǎn)線上生產(chǎn)的產(chǎn)品，質(zhì)量越來越好，價格越來越低。第一章控制系統(tǒng)導論

第十五頁15第十六頁，共59頁。管理、經(jīng)濟、金融過程智能化樓宇管理自動化：電、氣、水、消防報警全自動管理，辦公自動化，交通自動化，自助銀行等。自動化在經(jīng)濟生活中應用越來越廣泛，幾乎無處不在。自動化技術是高科技的集中體現(xiàn)與應用。注：在工業(yè)過程（或經(jīng)濟生活）中采用自動控制代替人工控制，稱之為自動化。第一章控制系統(tǒng)導論

第十六頁16第十七頁，共59頁。第三節(jié)控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)第一章控制系統(tǒng)導論

例1.9：調(diào)節(jié)容器液面位置的人工閉環(huán)控制系統(tǒng)第十七頁17第十八頁，共59頁。第一章控制系統(tǒng)導論

分析決策腦執(zhí)行工作對象手觀察觀察干擾或激勵眼預期目標實際結(jié)果眼液體的流入和流出液位第十八頁18第十九頁，共59頁。第一章控制系統(tǒng)導論

例1.10：汽車方向控制系統(tǒng)第十九頁19第二十頁，共59頁。第一章控制系統(tǒng)導論

駕車人汽車預期行駛路線實際行駛路線比較器視覺測量+-偏差方向盤第二十頁20第二十一頁，共59頁。例1.11.人工控制恒溫箱[控制過程]1觀測恒溫箱內(nèi)的溫度（被控制量）2與要求的溫度（給定值）進行比較得到溫度偏差的大小和方向3根據(jù)偏差大小和方向調(diào)節(jié)調(diào)壓器，控制加熱電阻絲的電流以調(diào)節(jié)溫度回復到要求值第一章控制系統(tǒng)導論

第二十一頁21第二十二頁，共59頁。例1.11.人工控制恒溫箱（續(xù)）人工控制恒溫箱方塊圖第一章控制系統(tǒng)導論

第二十二頁22第二十三頁，共59頁。例1.12恒溫箱自動控制系統(tǒng)[控制過程]1恒溫箱實際溫度由熱電偶轉(zhuǎn)換為對應的電壓u22恒溫箱期望溫度由電壓u1給定，并與實際溫度u2比較得到溫度偏差信號u=u1-u23溫度偏差信號經(jīng)放大后，驅(qū)動執(zhí)行電動機調(diào)節(jié)電流，直到溫度達到給定值為止，此時，偏差u=0,電機停止轉(zhuǎn)動。第一章控制系統(tǒng)導論

第二十三頁23第二十四頁，共59頁。例1.12.恒溫箱自動控制系統(tǒng)（續(xù)）恒溫箱自動控制系統(tǒng)方塊圖放大器控制電機減速器調(diào)壓器恒溫箱熱電偶恒溫箱溫度設定溫度第一章控制系統(tǒng)導論

第二十四頁24第二十五頁，共59頁。用偏差值產(chǎn)生控制調(diào)節(jié)作用去消除偏差，使得輸出量維持期望的輸出?？刂葡到y(tǒng)的工作過程：檢測輸出量（被控制量）的實際值；將輸出量的實際值與給定值（輸入量）進行比較得出偏差；第一章控制系統(tǒng)導論

第二十五頁25第二十六頁，共59頁。反饋控制原理：為了實現(xiàn)被控對象的狀態(tài)或參數(shù)按預定規(guī)律運行，需要獲取被控對象的反饋信息，控制裝置根據(jù)反饋信息對被控對象施加控制作用，用來不斷修正輸出量與預定規(guī)律的偏差。將系統(tǒng)的輸出量反送到輸入端，與輸入量相比較產(chǎn)生偏差；根據(jù)偏差確定控制信號；驅(qū)動執(zhí)行器操作以減小或消除偏差，實現(xiàn)控制目標。第一章控制系統(tǒng)導論

第二十六頁26第二十七頁，共59頁?？刂葡到y(tǒng)的基本組成典型控制系統(tǒng)的方塊圖控制器執(zhí)行機構(gòu)被控對象輸入信號給定值偏差-測量裝置輸出量干擾第一章控制系統(tǒng)導論

第二十七頁27第二十八頁，共59頁。被控對象：要求實現(xiàn)自動控制的設備或過程被控量（輸出量）：指被控對象的輸出控制量：控制器施加給被控對象的控制信號輸入量（參考輸入）：作用于控制系統(tǒng)輸入端，并可實現(xiàn)使系統(tǒng)具有預定性能或預定輸出的物理量第一章控制系統(tǒng)導論

第二十八頁28第二十九頁，共59頁。偏差：參考輸入與反饋信號之間的差值誤差：期望輸出與實際輸出之間的偏差擾動：指外界或系統(tǒng)內(nèi)部影響系統(tǒng)輸出的干擾信號反饋：指取出輸出量送回到輸入端并與輸入信號相比較產(chǎn)生偏差的過程第一章控制系統(tǒng)導論

第二十九頁29第三十頁，共59頁。前向通道：從輸入端沿箭頭方向到輸出端的傳輸通道反饋通道：從輸出端到輸入端的反方向通道控制系統(tǒng)的基本控制方式反饋控制方式（閉環(huán)控制）開環(huán)控制方式復合控制方式第一章控制系統(tǒng)導論

第三十頁30第三十一頁，共59頁。⑴反饋控制方式反饋控制是按偏差進行控制的，其特點是輸出端和輸入端之間存在反饋回路。是自動控制理論主要的研究對象。第一章控制系統(tǒng)導論

第三十一頁31第三十二頁，共59頁。⑵開環(huán)控制方式開環(huán)控制是指控制器與被控對象間只有順向作用而無反向聯(lián)系的控制過程。其特點是系統(tǒng)的輸出量不會對系統(tǒng)的控制作用發(fā)生影響。第一章控制系統(tǒng)導論

第三十二頁32第三十三頁，共59頁。開環(huán)控制的兩種控制方式按給定量控制：控制作用直接由系統(tǒng)的輸入量產(chǎn)生，給定一個輸入量，就有一個輸出量與之對應，控制精度完全取決于所用的元件及校準的精度。輸出量給定值控制器被控對象按給定量開環(huán)控制方塊圖第一章控制系統(tǒng)導論

第三十三頁33第三十四頁，共59頁。按擾動控制：通過對擾動信號的測量產(chǎn)生控制作用，以補償擾動對輸出量的影響?？刂破鞅豢貙ο鬁y量環(huán)節(jié)擾動輸出量按擾動開環(huán)控制方塊圖第一章控制系統(tǒng)導論

第三十四頁34第三十五頁，共59頁。⑶復合控制方式復合控制方式是指按偏差控制和按擾動控制相結(jié)合的控制方式。是反饋控制和開環(huán)控制的有機結(jié)合。第一章控制系統(tǒng)導論

第三十五頁35第三十六頁，共59頁。開環(huán)控制和閉環(huán)控制的比較開環(huán)控制1）輸出不影響輸入，對輸出不需要測量，通常容易實現(xiàn)；2）組成系統(tǒng)的元部件精度高，系統(tǒng)的精度才能高；3）系統(tǒng)的穩(wěn)定性不是主要問題。閉環(huán)控制1）輸出影響輸入，所以能削弱或抑制干擾；2）低精度元件可組成高精度系統(tǒng)；3）因為可能發(fā)生超調(diào)，振蕩，所以穩(wěn)定性很重要。第一章控制系統(tǒng)導論

第三十六頁36第三十七頁，共59頁。冷卻器繼電器壓縮機控制器蒸發(fā)器冰箱例題家用電冰箱溫控系統(tǒng)試寫出系統(tǒng)的被控對象、被控量、輸入量和擾動量，工作原理，畫出系統(tǒng)方框圖。第一章控制系統(tǒng)導論

第三十七頁37第三十八頁，共59頁。被控對象：冰箱被控量：輸入量：控制器設定值（代表溫度的期望值）擾動量：開門時的外界溫度解：冰箱內(nèi)溫度工作原理:控制器設定溫度與冰箱內(nèi)溫度比較，如果設定溫度高于冰箱內(nèi)溫度，則繼電器接通，壓縮機工作，使冰箱溫度下降，直到冰箱內(nèi)溫度達到希望溫度，此時繼電器斷開，壓縮機停止工作。第一章控制系統(tǒng)導論

第三十八頁38第三十九頁，共59頁。家用電冰箱溫控系統(tǒng)方框圖如下：第一章控制系統(tǒng)導論

第三十九頁39第四十頁，共59頁。作業(yè)1E1.1,P1.1,P1.6,P1.7,P1.19,P1.20,P1.24（只寫題號，可以不抄題）第一章控制系統(tǒng)導論

第四十頁40第四十一頁，共59頁。第四節(jié)自動控制簡史

人類的夢想：讓機器自動工作，減輕人的腦力和體力勞動。人們普遍認可的最早的自動反饋控制器是：1769年瓦特發(fā)明的蒸汽機離心調(diào)速器。第一章控制系統(tǒng)導論

第四十一頁41第四十二頁，共59頁。第一章控制系統(tǒng)導論

第四十二頁42第四十三頁，共59頁。第一章控制系統(tǒng)導論

瓦特離心調(diào)速器在調(diào)速過程中存在不穩(wěn)定現(xiàn)象（“設備變得發(fā)狂！”），當時并沒有理論指導，所有的努力都集中在改進調(diào)速器本身（重量、彈簧、摩擦）?？刂评碚摰钠鹗?，僅有實踐是不夠的！麥克斯維爾(MAXWELL)把調(diào)節(jié)器跟調(diào)節(jié)對象合在一起，看作一個系統(tǒng)，用微分方程來進行研究，指出微分方程的特征根在左半面或右半面，決定著系統(tǒng)穩(wěn)定與否。第四十三頁43第四十四頁，共59頁。第一章控制系統(tǒng)導論

1877年，麥克斯維爾的學生勞斯提出了勞斯代數(shù)穩(wěn)定性判據(jù)，并獲得了亞當獎。有了理論的指導，才能更好地實踐。1895年，胡爾維茨也提出了本質(zhì)上與勞斯判據(jù)一致的代數(shù)穩(wěn)定性判據(jù)，并在穩(wěn)定性理論的指導下，為瑞士達沃斯電廠的一個蒸汽機設計了一個調(diào)速系統(tǒng)。胡爾維茨被認為是真正運用控制理論，來指導設計控制系統(tǒng)的第一人。第四十四頁44第四十五頁，共59頁。第一章控制系統(tǒng)導論

到了二十世紀40年代，尼可爾斯深入研究了PID（Proportion,Integral,Differential）調(diào)節(jié)問題。他在MIT僅有的一臺模擬機（又叫微分分析儀）上做了大量的仿真實驗，最后列出來了PID的整定表?？刂乒こ讨?，有一項工作歷經(jīng)60多年，至今還在使用的，這就是尼可爾斯編排的這個PID整定表。1950年以前，稱為經(jīng)典控制理論時期；1950年以后，稱為現(xiàn)代控制理論時期。第四十五頁45第四十六頁，共59頁。第一章控制系統(tǒng)導論

經(jīng)典控制理論時期的主要代表人物還有：伯德（H.W.Bode）：1945年提出了簡便而實用的伯德圖法。伊文思（W.R.Evans）：1948年提出了直觀而又形象的根軌跡法。維納：1948年發(fā)表了著名的《控制論——關于在動物和機器中控制和通訊的科學》，標志著自動控制理論的誕生。第四十六頁46第四十七頁，共59頁。第一章控制系統(tǒng)導論

項目經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論研究對象線性定常系統(tǒng)（單輸入、單輸出）線性、非線性、定常、時變系統(tǒng)（多輸入、多輸出）描述方法傳遞函數(shù)（輸入、輸出描述）向量空間（狀態(tài)空間描述）研究辦法根軌跡法和頻率法狀態(tài)空間法研究目標系統(tǒng)分析及給定輸入、輸出情況下的系統(tǒng)綜合揭示系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律，實現(xiàn)在一定意義下的最優(yōu)控制與設計經(jīng)典控制理論與現(xiàn)代控制理論比較第四十七頁47第四十八頁，共59頁。第五節(jié)控制系統(tǒng)設計概述

明確用戶要求論證設計要求開發(fā)多種解決方案選定解決方案并加以詳細技術設計和技術實現(xiàn)工程設計是工程師的中心工作。學以致用。設計是為了達到特定的目的，構(gòu)思或創(chuàng)造系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、組成和技術細節(jié)的過程。設計的主要步驟是：第一章控制系統(tǒng)導論

第四十八頁48第四十九頁，共59頁。工程設計的限制條件：成本、時間和效率。工程設計是一個循環(huán)往復的過程?？刂葡到y(tǒng)設計是工程設計的特例，也是逐步確定系統(tǒng)控制變量、設計指標、結(jié)構(gòu)配置、選擇關鍵參數(shù)，以滿足實際需求的過程?？刂葡到y(tǒng)設計的主要步驟是：第一章控制系統(tǒng)導論

第四十九頁49第五十頁，共59頁。第一章控制系統(tǒng)導論

若性能滿足規(guī)范要求，則設計工作結(jié)束

建立控制目標步驟1確定被控變量

步驟2給定各變量的控制要求（設計目標）

步驟3確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇執(zhí)行機構(gòu)

步驟4建立對象執(zhí)行機構(gòu)傳感器模型步驟5

建立控制模型選擇待調(diào)參數(shù)步驟6

優(yōu)化系統(tǒng)設計分析系統(tǒng)性能

步驟7若性能不能滿足要求，則重新確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和執(zhí)行機構(gòu)第五十頁50第五十一頁，共59頁。第六