1、機(jī)械工業(yè)出版社，第1章自動(dòng)控制系統(tǒng)的一般概念，1.1引言，第1章自動(dòng)控制系統(tǒng)的一般概念，1，1.2自動(dòng)控制和自動(dòng)控制系統(tǒng)，2，1.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本類型，對(duì)3，1.4自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求，4，1.5本課程的任務(wù)，在第5章中， 介紹了自動(dòng)控制和自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念，使讀者初步理解反饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、類型、常用術(shù)語(yǔ)、性能指標(biāo)以及經(jīng)典控制理論的主要研究?jī)?nèi)容，為今后章節(jié)的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。 1.1引言，4、人類利用自動(dòng)控制技術(shù)解決生產(chǎn)過(guò)程中的實(shí)際問(wèn)題歷史悠久。 公元前300年，古希臘采用反饋控制原理修訂了浮動(dòng)調(diào)節(jié)器，并應(yīng)用于水鐘和油燈。 我國(guó)自古以來(lái)也發(fā)明了銅瓶滴漏計(jì)時(shí)器、指南車等控制裝置。

2、1769年瓦特(J.Watt )發(fā)明了控制蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速的飛球控制器，才表示了工業(yè)革命的開始。 1.2自動(dòng)控制和自動(dòng)控制系統(tǒng)，5，1 .手動(dòng)控制和自動(dòng)控制2 .控制系統(tǒng)框圖表示法3 .開環(huán)控制和閉環(huán)控制4 .自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成1 .手動(dòng)控制和自動(dòng)控制，6，要正確理解什么是自動(dòng)控制，首先在1、手動(dòng)控制和自動(dòng)控制、7和自動(dòng)控制理論中，控制定義是：給被控制對(duì)象施加用于實(shí)現(xiàn)預(yù)定目標(biāo)的作用，其目的是根據(jù)預(yù)定規(guī)則改變被控制量。 受控對(duì)象是指需要控制其特定量的設(shè)備或過(guò)程，受控量是指受控對(duì)象的輸出。 1、手動(dòng)控制和自動(dòng)控制，8、【例1-2】人改變水溫的過(guò)程。 【例1-3】信號(hào)控制車流的過(guò)程。 1、手動(dòng)控制和自

3、動(dòng)控制、9、控制被控對(duì)象時(shí)，可以根據(jù)是否有直接參與系統(tǒng)的人，分為手動(dòng)控制和自動(dòng)控制。 人完成被控制對(duì)象的控制后，稱為手動(dòng)控制(或手動(dòng)控制)。 代替人用自動(dòng)控制裝置完成控制任務(wù)，稱為自動(dòng)控制。 自動(dòng)控制定義：自動(dòng)控制是指，在沒(méi)有直接相關(guān)人員的情況下(即不需要要人員的交互)，利用控制裝置合理地控制被控制對(duì)象，使被控制量自動(dòng)地按照預(yù)想的那樣變化。 然后，用某種方法連接受控對(duì)象和其他裝置的集合構(gòu)成自動(dòng)控制系統(tǒng)，以完成預(yù)期的自動(dòng)控制任務(wù)。 1、手動(dòng)控制和自動(dòng)控制，10、【例1-4】水溫手動(dòng)控制系統(tǒng)。 【例1-5】水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)是規(guī)定的輸入(也稱為預(yù)想輸出、參考輸入、輸入量、期待值等)控制被控制量的變化

4、規(guī)律的指令信號(hào)。 2、自動(dòng)控制系統(tǒng)的方框圖表示法，11、圖1-6方框圖的基本構(gòu)成要素，控制系統(tǒng)的方框圖用方框表示系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，在方框內(nèi)寫入環(huán)節(jié)的名稱，輸入進(jìn)入方框的信號(hào)，輸出離開方框的信號(hào)， 圖1-6a所示的各個(gè)信號(hào)的名稱在具有箭頭的信號(hào)線上寫入，其中信號(hào)線的箭頭方向用圓圈中帶交叉線的符號(hào)表示比較點(diǎn)(統(tǒng)一點(diǎn))，箭頭指向比較點(diǎn)的一些信號(hào)進(jìn)行加法或減法(被該信號(hào)所確定的符號(hào))，箭頭遠(yuǎn)離比較點(diǎn)的信號(hào)如下所示2、自動(dòng)控制系統(tǒng)的框圖表示法、12、【例1-1】、【例1-2】、圖1-7例1-1和例1-2系統(tǒng)的框圖、3、開環(huán)控制和閉環(huán)控制、13、自動(dòng)控制，僅通過(guò)這樣的控制器進(jìn)行被控對(duì)象的單向控制作用由開環(huán)控

5、制方式構(gòu)成的系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。圖18所示的兩個(gè)系統(tǒng)都是開環(huán)控制系統(tǒng)。 圖1-8例1-2和例1-3的系統(tǒng)框圖、3 .開環(huán)控制和閉環(huán)控制、14、控制器和被控制對(duì)象之間不僅具有正向控制作用，而且對(duì)被控制對(duì)象和控制器具有反向關(guān)系的過(guò)程進(jìn)行閉環(huán)控制由閉環(huán)控制方式構(gòu)成的系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。 由圖1-9的示例1-4和示例1-5系統(tǒng)的框圖、3 .開環(huán)控制和閉環(huán)控制15得出，與開環(huán)控制系統(tǒng)不同，閉環(huán)控制系統(tǒng)追加被控制量的檢測(cè)，并將檢測(cè)值與預(yù)定輸入進(jìn)行比較。 將檢測(cè)信號(hào)送回輸入端，與規(guī)定的輸入進(jìn)行比較的過(guò)程稱為反饋。 被控制量的檢測(cè)值稱為主反饋信號(hào)，預(yù)定輸入與主反饋信號(hào)的差稱為偏差。 如果主反饋信號(hào)的符號(hào)為

6、“-”則稱為負(fù)反饋，相反如果為“”則稱為正反饋。 閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作原理是利用負(fù)反饋來(lái)產(chǎn)生偏差信號(hào)，以一定的控制規(guī)則來(lái)產(chǎn)生控制作用，以逐步減少系統(tǒng)內(nèi)部或干擾對(duì)被控制量的影響，以消除該偏差，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的目的。 因此，閉環(huán)控制也稱為反饋控制，基于這種偏差的控制作用也稱為偏差控制。 4 .自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本配置，16 .如圖1-10所示，在將構(gòu)成自動(dòng)控制器的物理組件按完成自動(dòng)控制任務(wù)中的工作功能進(jìn)行分類后，不同的物理系統(tǒng)具有相同的功能框圖形式。 圖1-10自動(dòng)控制系統(tǒng)的功能框圖，1.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本類型，17，1 .定值控制系統(tǒng)，跟蹤控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)2 .線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)3 .連

7、續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)，1 .定值控制系統(tǒng)，跟蹤控制圖1-11水箱水位自動(dòng)控制系統(tǒng)和框圖，1 .一定值控制系統(tǒng)，跟蹤控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)，19，跟蹤控制系統(tǒng)的特征是系統(tǒng)的規(guī)定輸入是未知的時(shí)間函數(shù)，控制目的是使系統(tǒng)的被控制量快速跟蹤規(guī)定的輸入信號(hào)的變化【例1-7】典型的跟蹤控制系統(tǒng)的控制過(guò)程。 圖1-12的典型跟蹤控制系統(tǒng)和方框圖，1 .恒定值控制系統(tǒng)、跟蹤控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)，20，程序控制系統(tǒng)的特征是預(yù)先知道系統(tǒng)的預(yù)定輸入的時(shí)間函數(shù)，控制目的是使系統(tǒng)的被控制量達(dá)到預(yù)定的例如，電梯的升降控制、數(shù)控車床、機(jī)器人控制系統(tǒng)等。 2、當(dāng)線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)、21、構(gòu)成系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)的輸入輸出關(guān)系可用線性

8、微分方程(或線性差分方程)描述時(shí)，該系統(tǒng)稱為線性控制系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱線性系統(tǒng))。 其特征是重疊的原理，即兼顧重疊性和一次性(或均勻性)。 如果圖1-13線性控制系統(tǒng)的疊加性和均勻性、二、線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)、22、構(gòu)成系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)或要素的輸入輸出關(guān)系中存在至少一個(gè)非線性特性，則這種系統(tǒng)被稱為非線性控制系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱為非線性系統(tǒng))。 由于非線性系統(tǒng)不具有重疊性和一致性，所以不同時(shí)滿足重疊性和一致性的系統(tǒng)也可以說(shuō)都是非線性系統(tǒng)。23、描述系統(tǒng)(鏈路)輸入與輸出的關(guān)系的微分方程式：線性系統(tǒng)、方程式中，輸入輸出函數(shù)和各階導(dǎo)數(shù)都是一次、非線性時(shí)變系統(tǒng)、線性穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)、線性時(shí)變系統(tǒng)、三.連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)、24、控

9、制系統(tǒng)的各此類系統(tǒng)被稱為離散控制系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱為離散系統(tǒng))，只要該系統(tǒng)中的一個(gè)或多個(gè)位置的信號(hào)是時(shí)間上離散的脈沖序列或數(shù)字格式的信號(hào)。 在離散時(shí)間信號(hào)表現(xiàn)為脈沖序列的情況下，如果以數(shù)字形式將被稱為采樣控制系統(tǒng)的離散時(shí)間信號(hào)傳輸至該系統(tǒng)，那么這樣的系統(tǒng)還稱為數(shù)字控制系統(tǒng)(或者校正器控制系統(tǒng))。 圖1-14修正計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的方框圖，對(duì)1.4自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求，25，1 .穩(wěn)定性2 .穩(wěn)定性和高速性3 .正確性，1 .穩(wěn)定性，26，穩(wěn)定性是保證控制系統(tǒng)能正常工作的前提條件。 當(dāng)系統(tǒng)受到干擾的作用時(shí)，處于某動(dòng)作狀態(tài)的被控制量(保持在預(yù)定值)發(fā)生變化，偏離預(yù)定值，當(dāng)干擾消失時(shí)，系統(tǒng)最終將被控制量閉鎖在

10、預(yù)定值或者其所希望的范圍內(nèi)，這樣的現(xiàn)象系統(tǒng)是穩(wěn)定的。 當(dāng)穩(wěn)定的系統(tǒng)受到干擾的作用而恢復(fù)到原來(lái)的工作狀態(tài)時(shí)，其控制量的變化呈現(xiàn)衰減振動(dòng)或者非周期性的過(guò)程。 圖1-15穩(wěn)定系統(tǒng)的輸出曲線，2 .穩(wěn)定性和高速性，27 .穩(wěn)定系統(tǒng)受到干擾的作用，或者給出的輸入發(fā)生變化時(shí)，被控制量發(fā)生變化，偏離期待值。 由于控制系統(tǒng)一般存在儲(chǔ)能元件或慣性元件，被控制量不能立即跟隨輸入信號(hào)的變化而達(dá)到期待值，控制系統(tǒng)經(jīng)常經(jīng)反復(fù)調(diào)整的過(guò)程，達(dá)到新的平衡狀態(tài)，使被控制量跟隨預(yù)定的輸入變化而達(dá)到期待值。 該調(diào)整過(guò)程稱為動(dòng)態(tài)過(guò)程(過(guò)渡過(guò)程)，被控制量達(dá)到的新的平衡狀態(tài)稱為穩(wěn)態(tài)。圖1-16是典型系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線，3 .正確性，2

11、8，其中在一個(gè)穩(wěn)定系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程結(jié)束之后，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，雖然理想地希望被控制量的穩(wěn)定值達(dá)到預(yù)定值，但在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、輸入信號(hào)的形式和諸如摩擦、間隙等非線性元素的被控制量的穩(wěn)定值和規(guī)定值之間的總和穩(wěn)定誤差是測(cè)定系統(tǒng)穩(wěn)定精度的重要指標(biāo)，通常希望系統(tǒng)的穩(wěn)定誤差盡可能小，即系統(tǒng)的控制精度和控制精度高。圖1-17型系統(tǒng)的斜坡響應(yīng)曲線、1.5條路線的任務(wù)、29、控制系統(tǒng)的分析對(duì)給定的控制系統(tǒng)，了解其結(jié)構(gòu)和殘奧儀表，從理論上定性地分析和定量地修正其穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性性能。 1、自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析、2、自動(dòng)控制系統(tǒng)的校準(zhǔn)、控制系統(tǒng)的綜合和校準(zhǔn)是分析的反問(wèn)題。 得出的解決方案是，如何將校準(zhǔn)設(shè)備(或控制器)添加到唯一不滿足系統(tǒng)性能要求的系統(tǒng)的適當(dāng)位置，以配置新的系統(tǒng)配置，以使得校準(zhǔn)后的系統(tǒng)性能完全滿足技術(shù)要求。 本章總結(jié)30、本章以水溫調(diào)節(jié)為線索，依次自然地說(shuō)明了控制、自動(dòng)控制及