1、1,自動(dòng)控制原理,主講:張海霞 電話Email: 2010年9月,2,課程基本信息,課程名稱： 自動(dòng)控制原理（Principles of Automatic Control） 先修課程： 高等數(shù)學(xué)；電路分析；模擬電子線路；數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)；電機(jī)；信號(hào)與系統(tǒng)。 適用專(zhuān)業(yè)：自動(dòng)化及自控專(zhuān)業(yè) 開(kāi)課學(xué)期：5 學(xué) 時(shí)：72 （理論：64 ，實(shí)驗(yàn)：8） 成績(jī)?cè)u(píng)定：總成績(jī)=期末（70%）+ 平時(shí)（20%）+實(shí)驗(yàn)（10%）,3,教材及參考書(shū)目,教材： 自動(dòng)控制原理，馮巧玲，北京航空航天大學(xué)出版社 參考教材： 1.自動(dòng)控制原理，胡壽松，科學(xué)出版社。 2.自動(dòng)控制原理，李友善，國(guó)防工業(yè)

2、出版社 。 3.自動(dòng)控制系統(tǒng)，汪小帆等，高教出版社。 4.LinearControlSystemAnalysisandDesign JohnJ、Dazzo,ConstantineH、Houpis. (FourthEdition). McGraw-HillPress，2000（英文教材） 5.Automatic Control SystemBenjamin C. Kuo， 高教出版社,4,自動(dòng)控制系統(tǒng)的理論及其應(yīng)用,自控理論 研究自動(dòng)控制共同規(guī)律的一門(mén)科學(xué)。 自動(dòng)控制：在無(wú)人直接參與的情況下，利用控制裝置，自動(dòng)的操縱機(jī)器設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程，使其按預(yù)定的規(guī)律工作或運(yùn)行。 自控技術(shù)廣泛的應(yīng)用于工業(yè)、軍事

3、、航天等領(lǐng)域。,5,自控理論發(fā)展簡(jiǎn)史,人類(lèi)對(duì)反饋調(diào)節(jié)原理早有認(rèn)識(shí)： 1765年，James Watt 為控制蒸汽機(jī)速度設(shè)計(jì)的離心調(diào)節(jié)器，是最早的自動(dòng)控制系統(tǒng)。 J. C. Maxwell發(fā)表了論調(diào)節(jié)器，系統(tǒng)地研究了反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定性問(wèn)題（1868年） E. J. Routh（1877年）、A. Hurwitz（1895年）分別獨(dú)立地提出了穩(wěn)定性判據(jù)。 A. M. Lyapunov論運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的一般問(wèn)題（1892年）,6,經(jīng)典控制理論的主要特點(diǎn): 以頻率法和根軌跡法為核心 廣泛應(yīng)用于單輸入單輸出（SISO）系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì),1932年，H. Nyquist提出了穩(wěn)定判據(jù)，為頻率法奠定了基礎(chǔ)。隨后，

4、H. W. Bode完善了分析控制系統(tǒng)的圖解法（頻率法）。 1948年，W. R. Evans提出了根軌跡法,7,1960年代，控制工程的需求（宇航、軍工、過(guò)程控制等），出現(xiàn)了多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)，其特點(diǎn)是： 變量多、變量之間存在耦合； 非線性、時(shí)變； 要求系統(tǒng)能在一定的約束條件下達(dá)到性能指標(biāo)最優(yōu)； 現(xiàn)代數(shù)學(xué)和計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，為控制理論的進(jìn)一步發(fā)展準(zhǔn)備了數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和計(jì)算工具,8,現(xiàn)代控制理論的主要內(nèi)容 美國(guó)Bellman等人提出的狀態(tài)空間法； 前蘇聯(lián)Pontryagin提出的極大值原理； 動(dòng)態(tài)規(guī)劃法（Bellman） 最佳濾波器理論（Kalman） 能控能觀性理論,9,現(xiàn)代控制理論的主要

5、特點(diǎn):,* 以系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型為基礎(chǔ),* 以狀態(tài)空間法為主要的分析和設(shè)計(jì)方法,* 尋找最優(yōu)控制規(guī)律，使系統(tǒng)性能指標(biāo)達(dá)到最優(yōu),10,控制系統(tǒng)的分類(lèi),按照分析和設(shè)計(jì)方法 線性、非線性 時(shí)變、非時(shí)變 參考輸入信號(hào)的變化規(guī)律 恒值控制系統(tǒng)、隨動(dòng)控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng) 系統(tǒng)內(nèi)部傳輸信號(hào)的性質(zhì) 連續(xù)控制系統(tǒng)、離散控制系統(tǒng) 按控制方式分 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng) 被控量的名稱來(lái)分類(lèi) 溫度控制系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng),11,控制系統(tǒng)的分類(lèi),線性控制系統(tǒng)和非線性控制系統(tǒng) 若組成控制系統(tǒng)的元件都具有線性特性，則稱之為線性控制系統(tǒng) 齊次性和疊加性 線性系統(tǒng)中的參數(shù)不隨時(shí)間變化線性定常系統(tǒng) 線性系統(tǒng)中的參數(shù)隨時(shí)間變化線

6、性時(shí)變系統(tǒng) 恒值控制系統(tǒng) 要求被控制量在任何擾動(dòng)作用下能盡快地恢復(fù)或接近到原有的穩(wěn)定值（自鎮(zhèn)定系統(tǒng)：預(yù)定的控制規(guī)律（系統(tǒng)的參考輸入）為常數(shù)）,12,隨動(dòng)控制系統(tǒng) 系統(tǒng)的參考輸入是一個(gè)變化的量，一般是隨機(jī)的，或未知的，要求系統(tǒng)的被控制量能快速、準(zhǔn)確地隨參考輸入信號(hào)的變化而變化 程序控制系統(tǒng) 系統(tǒng)的參考輸入是固化好的程序，要求系統(tǒng)的被控量能按照程序預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行,13,連續(xù)控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)中的各部分的信號(hào)都是時(shí)間連續(xù)函數(shù) 離散控制系統(tǒng) 在控制系統(tǒng)各部分的信號(hào)中只要有一個(gè)是時(shí)間的離散信號(hào),14,基本控制方式,開(kāi)環(huán)控制 如果系統(tǒng)的輸出量與輸入量間不存在反饋的通道，這種控制方式稱為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)

7、單 所用元器件少、成本低 調(diào)整方便，一般情況下容易穩(wěn)定 沒(méi)有消除或減小偏差的功能，抗擾動(dòng)性較差,15,開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)舉例,開(kāi)環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 可控硅（Silicon Controlled Rectifier, SCR; 或Thyristor） 陽(yáng)極：AnodeA 陰極：CathodeK 控制極：GateG,16,閉環(huán)控制方式,閉環(huán)控制 若把系統(tǒng)的被控制量反饋到它的輸入端，并與參考輸入相比較，以二者之差作為控制器的輸入，使被控量按預(yù)定規(guī)律變化的控制方式，稱之為反饋控制，又被稱為閉環(huán)控制。 反饋 把系統(tǒng)的輸出量送回輸入端，并與輸入信號(hào)相比較產(chǎn)生偏差信號(hào)的過(guò)程，稱為反饋。若反饋的信號(hào)與輸入信號(hào)相減，使產(chǎn)

8、生的偏差越來(lái)越小，則稱為負(fù)反饋；反之，則稱為正反饋。 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，分析、設(shè)計(jì)難度大 被控制量所遵從的預(yù)定變化規(guī)律由參考輸入確定 偏差控制，可以抑制甚至消除內(nèi)、外擾動(dòng)對(duì)控制量產(chǎn)生的影響,17,閉環(huán)控制系統(tǒng)舉例,測(cè)速發(fā)電機(jī),測(cè)速發(fā)電機(jī),觸發(fā)器,閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng),18,自動(dòng)控制原理中的一些概念及示例,系統(tǒng) 一些相互作用以完成某個(gè)目標(biāo)的元素或組成部分的集合 控制(Control) 為了達(dá)到某一合適的目的，對(duì)能實(shí)現(xiàn)此目的的對(duì)象所施加的必要的操作。 自動(dòng)控制 在沒(méi)有人直接參與的條件下，利用控制器使被控對(duì)象的某些物理量能自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律變化。 受控量 要求按預(yù)定規(guī)律變化的物理量，稱之為被控量、受

9、控量或輸出量 自動(dòng)控制系統(tǒng) 把實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制所需的各部件按功能組合起來(lái)，去控制被控對(duì)象，這樣所形成的系統(tǒng)，稱之為自動(dòng)控制系統(tǒng),19,1. 溫控系統(tǒng)人工控制,舉例,20,控制目標(biāo)：要求爐子的溫度恒定在期望的數(shù)值上。 控制過(guò)程：,舉例,21,2.溫控系統(tǒng)自動(dòng)控制,舉例,22,控制目標(biāo)：要求爐子的溫度恒定在期望的數(shù)值上。 控制過(guò)程：,舉例,23,舉例,電冰箱溫度自動(dòng)控制系統(tǒng),制冷電機(jī)動(dòng)作狀態(tài),24,洗衣機(jī)動(dòng)作自動(dòng)控制系統(tǒng),預(yù)定水位,正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)定時(shí),排干,正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)定時(shí),排干,正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)定時(shí),排干,甩干定時(shí),25,被控對(duì)象,測(cè)量元件,放大元件,執(zhí)行元件,比較環(huán)節(jié),電動(dòng)機(jī),進(jìn)水閥,儲(chǔ)水箱,功率放大,浮子,液位

10、自動(dòng)控制系統(tǒng),26,位置隨動(dòng)系統(tǒng),被控對(duì)象,測(cè)量元件,執(zhí)行元件,比較環(huán)節(jié),放大器,電動(dòng)機(jī),減速器,直流電橋,27,系統(tǒng)框圖的基本組成單元,引出點(diǎn)： 比較點(diǎn)： 部件：,部件名稱,輸入量,輸出量,28,自動(dòng)控制系統(tǒng)框圖的一般形式,29,對(duì)控制系統(tǒng)的性能要求,穩(wěn)、快、準(zhǔn) 穩(wěn)穩(wěn)定性 快動(dòng)態(tài)性能，衡量指標(biāo)：超調(diào)量、上升時(shí)間、調(diào)整時(shí)間等 準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)精度，衡量指標(biāo)：穩(wěn)態(tài)誤差,30,本課程的特點(diǎn)和任務(wù),課程特點(diǎn)： 自動(dòng)控制原理為分析和設(shè)計(jì)開(kāi)放的、人造的自動(dòng)控制系統(tǒng)提供了方法論。自動(dòng)控制原理能夠指導(dǎo)人們?cè)O(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)目刂破鳎瓜到y(tǒng)的性能滿足設(shè)計(jì)者的預(yù)定目標(biāo)。 自動(dòng)控制原理所研究的對(duì)象主要是動(dòng)態(tài)特性可以用線性微分方程或差分方程表示的簡(jiǎn)單系統(tǒng)或復(fù)雜系統(tǒng)。隨著通信、機(jī)械制造、化工、空間技術(shù)等領(lǐng)域內(nèi)對(duì)自動(dòng)控制的需求，大系統(tǒng)、復(fù)雜巨系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)等的控制理論也在不斷發(fā)展。,31,基本任