1、歡迎各位！,自動(dòng)控制原理A,授課教師：肖純,班級(jí)：電氣12011202email: ,Principles of Automatic Control,2,2,課程基本情況,學(xué)時(shí): 64學(xué)時(shí)（總計(jì)72學(xué)時(shí)，8學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)） 教材：王孝武等自動(dòng)控制理論北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.8 參考書: 自動(dòng)控制原理王萬良 高等教育出版社 自動(dòng)控制原理胡壽松主編 自動(dòng)控制原理(第四版)導(dǎo)教.導(dǎo)學(xué).導(dǎo)考劉慧英 西北工業(yè)大學(xué)出版社， 自動(dòng)控制原理 國防工業(yè)出版社 李友善 Matlab講義及有關(guān)該軟件的工具書 Linear Control System Analysis and Design JohnJ.Dazzo

2、,Constantine H.Houpos清華大學(xué)出版社影印,3,3,課程基本情況,實(shí)驗(yàn)：模擬實(shí)驗(yàn)（控制理論實(shí)驗(yàn)室 8學(xué)時(shí)） 課程設(shè)計(jì)：8學(xué)時(shí)（自控理論與Matlab編程相結(jié)合） 期末考試：筆試，統(tǒng)考，閉卷（到課率少于三分之一者取消考試資格） 期末總成績(jī)：閉卷考試占，實(shí)驗(yàn)、考勤、作業(yè)、實(shí)踐占30%,4,4,主要內(nèi)容,第1章 緒論 第2章 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 第3章 控制系統(tǒng)的時(shí)域分析法 第4章 根軌跡法 第5章 控制系統(tǒng)的頻域分析 第6章 線性系統(tǒng)的校正方法 第7章 線性離散控制系統(tǒng) 第8章 非線性控制系統(tǒng)分析,控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程 數(shù)學(xué)建模 性能分析 系統(tǒng)校正,連續(xù)系統(tǒng) 離散系統(tǒng),線性系統(tǒng) 非線

3、性系統(tǒng),5,5,第1章緒論,1.0 自動(dòng)控制理論發(fā)展概況 1.1 自動(dòng)控制系統(tǒng) 1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的類型 1.3 對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)性能的基本要求 1.4 本課程的主要內(nèi)容及其相互關(guān)系,6,6,1.0 自動(dòng)控制發(fā)展簡(jiǎn)史,中國古代自動(dòng)化方面的成就： 公元前14世紀(jì)至前11世紀(jì)，中國、埃及和巴比倫出現(xiàn)自動(dòng)計(jì)時(shí)漏壺； 公元130年，張衡發(fā)明水運(yùn)渾象，132年研制出自動(dòng)測(cè)量地震的候風(fēng)地動(dòng)儀； 公元235年，馬鈞研制出用齒輪傳動(dòng)自動(dòng)指示方向的指南車，類似按擾動(dòng)補(bǔ)償?shù)淖钥叵到y(tǒng)；,7,7,公元725年，梁令瓚發(fā)明有自動(dòng)報(bào)時(shí)機(jī)構(gòu)的水運(yùn)渾象，其中使用了一個(gè)天衡裝置，是一個(gè)按被調(diào)量偏差調(diào)節(jié)的自動(dòng)調(diào)節(jié)器； 公元108

4、6-1092年，蘇頌和韓公廉建造具有“天衡”自動(dòng)調(diào)節(jié)和自動(dòng)報(bào)時(shí)機(jī)構(gòu)的水運(yùn)儀象臺(tái)； 公元l135年，宋代王普記述“蓮華漏”上使用浮子閥門式機(jī)構(gòu)自動(dòng)調(diào)節(jié)漏壺的水位； 公元1637年，明代的天工開物一書中記載有程序控制思想的提花織機(jī)結(jié)構(gòu)圖。,中國古代自動(dòng)化方面的輝煌成就：,8,8,世界上公認(rèn)的第一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng),1769年瓦特發(fā)明蒸汽機(jī) （人工調(diào)節(jié)蒸汽閥門）,9,9,1788年瓦特發(fā)明飛球調(diào)節(jié)器，進(jìn)一步推動(dòng)蒸汽機(jī)的應(yīng)用，促進(jìn)了工業(yè)的發(fā)展。 推動(dòng)了社會(huì)進(jìn)步是飛球調(diào)節(jié)器公認(rèn)為第一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的最主要原因！,燃料,發(fā) 動(dòng) 機(jī),負(fù) 載,飛球調(diào)節(jié)器（1788年）,飛球調(diào)節(jié)器的基本原理： 允許進(jìn)入到發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的

5、燃料數(shù)量，根據(jù)希望的發(fā)動(dòng)機(jī)速度與實(shí)際的發(fā)動(dòng)機(jī)速度之差進(jìn)行調(diào)整。,10,10,沒有理論指導(dǎo)使控制技術(shù)停滯了一個(gè)世紀(jì)！,飛球調(diào)節(jié)器有時(shí)使蒸汽機(jī)速度出現(xiàn)大幅度振蕩。其它自動(dòng)控制系統(tǒng)也有類似現(xiàn)象。 由于當(dāng)時(shí)還沒有自控理論，所以不能從理論上解釋這一現(xiàn)象。為了解決這個(gè)問題，盲目探索了大約一個(gè)世紀(jì)之久。,11,11,自動(dòng)控制理論的開端,1868年英國麥克斯韋爾的“論調(diào)速器”論文指出： 不應(yīng)單獨(dú)研究飛球調(diào)節(jié)器，必須從整個(gè)系統(tǒng)分析控制的不穩(wěn)定。 建立系統(tǒng)微分方程，分析微分方程解的穩(wěn)定性，從而分析實(shí)際系統(tǒng)是否會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。這樣，控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的分析，變成了判別微分方程的特征根的實(shí)部的正、負(fù)號(hào)問題。 麥克斯韋爾

6、的這篇著名論文被公認(rèn)為自動(dòng)控制理論的開端。,12,12,1875年，英國勞斯提出代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)。 1895年，德國赫爾維茲提出代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)。 1892年，俄國李雅普諾夫提出穩(wěn)定性定義和兩個(gè)穩(wěn)定判據(jù)。 1932年，美國奈奎斯特提出奈氏穩(wěn)定判據(jù)。 二戰(zhàn)中自動(dòng)火炮、雷達(dá)、飛機(jī)以及通訊系統(tǒng)的控制研究直接推動(dòng)了經(jīng)典控制的發(fā)展。,經(jīng)典控制理論的孕育,13,13,1948年，維納出版控制論，形成完整的經(jīng)典控制理論，標(biāo)志控制學(xué)科的誕生。 維納成為控制論的創(chuàng)始人！ 維納控制論是關(guān)于怎樣把機(jī)械元件和電氣元件組合成穩(wěn)定的并且具有特定性能的系統(tǒng)的科學(xué)。這門新科學(xué)的一個(gè)非常突出的特點(diǎn)就是完全不考慮能量、熱量和效率等因素，

7、可是，在其他各門自然科學(xué)中，這些因素是十分重要的。 控制論所討論的主要問題是一個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)不同部分之間的相互作用的定性性質(zhì)，以及整個(gè)系統(tǒng)的總體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。,經(jīng)典控制理論的形成,14,14,空間技術(shù)促使現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生,二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，各國大力發(fā)展空間技術(shù)，經(jīng)典控制理論不能滿足需要，需要研究新的控制理論。,15,15,L.S. Pontryagin龐特里亞金,1956年前蘇聯(lián) L.S. Pontryagin 發(fā)表“最優(yōu)過程數(shù)學(xué)理論”，提出極大值原理 解決衛(wèi)星發(fā)射過程中火箭的最優(yōu)控制問題。,16,16,1957年世界第一顆人造地球衛(wèi)星(Sputnik)由蘇聯(lián)發(fā)射成功,Sputnik 1 was

8、 the first artificial satellite launched into space,1957. Laika. Sputnik 2,17,17,Oct. 4, 1957: Launch of the rocket carrying Sputnik, the first man-made satellite. Photos of the launch were not initially released. This photo is a still from a 1967 Soviet documentary film.,K.S. Pavlovitch (1906-1966)

9、, Russian spacecraft designer and header of the Vostok and Voskhod projects.,18,18,1961年，蘇聯(lián)東方-號(hào)飛船載著加加林進(jìn)入人造地球衛(wèi)星軌道，人類宇航時(shí)代開始了。,1961, at the age of 27, Gagarin left the earth. It was April the 12th, 9.07 Moscow time (launch-site, Baikonur). 108 minutes later, he was back . The period of orbital revoluti

10、on was 89:34 minutes (this figure was calculated by electronic computers). The missions maximum flight altitude was 327 000 meters. The maximum speed reached was 28 260 kilometers per hour.,宇宙哥倫布-加加林,A stamp issued by Russia to memorize Y. Gagarin,Capsule used in first manned orbit of earth,In 1961,

11、 the first human to pilot a spacecraft, Yuri Gagarin, was launched by the Soviet Union aboard Vostok I.,19,19,1966年，蘇聯(lián)發(fā)射“月球”9號(hào)探測(cè)器，首次在月面軟著陸成功， 1969年，美國“阿波羅”11號(hào)把宇航員N. A. Armstrong送上月球。,N.A. Armstrong,20,20,美籍匈牙利人 R. E. Kalman 1960 年引入狀態(tài)空間法分析系統(tǒng)，提出能控性，能觀測(cè)性，最佳調(diào)節(jié)器和kalman 濾波等概念，奠定了現(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)。,R. E. Kalman,2

12、1,21,1967年瑞典 Karl J. Astrom 提出最小二乘辯識(shí)，解決了線性定常系統(tǒng)參數(shù)估計(jì)問題和定階方法，1973年，提出了自適應(yīng)調(diào)節(jié)器，建立自適應(yīng)控制的基礎(chǔ)。1993年獲得IEEE Medal of Honor。,K. J. Astrom,22,22,1970年英國UMIST H.H Rosenbrock 發(fā)表State Space and Multivariable Theory 提出多變量系統(tǒng)的頻域法。 1974年加拿大 W.M Wonham 發(fā)表Linear Multivariable Control: A Geometric Approach。,W.M Wonham,23,

13、23,現(xiàn)代控制理論促進(jìn)了空間技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)代控制理論在空間技術(shù)取得巨大成功，促進(jìn)了空間技術(shù)的發(fā)展。,24,24,1981年美國“哥倫比亞”號(hào)航天飛機(jī)首次發(fā)射成功,25,25,1996年第一臺(tái)火星探測(cè)器Sojourner在火星表面軟著陸,26,26,旅行者Voyager 一號(hào)，二號(hào)開始走出太陽系， 對(duì)茫茫太空進(jìn)行探索,27,27,現(xiàn)代控制理論在工業(yè)過程控制方面遭遇滑鐵盧，促使了智能控制技術(shù)的誕生,現(xiàn)代控制理論在空間技術(shù)取得巨大成功，但由于工業(yè)過程控制中普遍存在的不確定性和干擾，難以取得預(yù)期的效果。模擬人的控制技術(shù)智能控制，雖然不能實(shí)現(xiàn)精確的控制，但對(duì)各種復(fù)雜系統(tǒng)能夠做到比較滿意的控制。,28,2

14、8,1965年，Zadeh（美國加州大學(xué)）提出模糊集合和模糊控制概念。,Lofti Zadeh,29,29,自動(dòng)化技術(shù)是當(dāng)代發(fā)展最迅速、應(yīng)用最廣泛、最引人注目的高新技術(shù)，是推動(dòng)新的技術(shù)革命和新的產(chǎn)業(yè)革命的關(guān)鍵技術(shù)，在某種程度上說，自動(dòng)化是現(xiàn)代化的同義詞。,控制理論促進(jìn)了工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展,BMW (德國寶馬）轎車的生產(chǎn)過程,30,30,現(xiàn)代自動(dòng)控制系統(tǒng)的監(jiān)控與操作,31,31,Internet,1#子系統(tǒng) （分廠、車間）,防火墻,總公司管理系統(tǒng),2#子系統(tǒng) （分廠、車間）,N#子系統(tǒng) （分廠、車間）,遠(yuǎn)程子系統(tǒng),遠(yuǎn)程用戶,遠(yuǎn)程服務(wù),外部網(wǎng)絡(luò),內(nèi)部網(wǎng)絡(luò),核心交換機(jī),32,32,計(jì) 算 機(jī) 網(wǎng) 絡(luò),

15、數(shù) 據(jù) 庫,CIMS的結(jié)構(gòu)與功能,Computer Integrated Manufacturing Systems,第1章 自動(dòng)控制的基本概念,1.0 自動(dòng)控制發(fā)展簡(jiǎn)史 1.1 自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng) 1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng) 1.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本方式 1.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類 1.5 對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的要求 1.6 本課程的主要內(nèi)容及其相互間的關(guān)系,34,34,1.1 自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng),自動(dòng)控制 所謂自動(dòng)控制，是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱控制裝置或控制器），使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（統(tǒng)稱控制對(duì)象）的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量）自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。,自

16、動(dòng)控制系統(tǒng) 完成自動(dòng)控制的系統(tǒng)稱為自動(dòng)控制系統(tǒng),它是由控制器和被控對(duì)象構(gòu)成的整體。,例1-1 水箱的水位控制系統(tǒng),控制要求：水箱的水位保持一定的高度,控制原理：,（1）若水位比要求的水位高，則操縱控制閥，使其開度減?。?（2）若水位比要求的水位低，則使控制閥開度增大,人在控制過程中的作用： （1）觀測(cè) （2）比較與決策 （3）執(zhí)行 改造成自動(dòng)控制系統(tǒng)需要增加什么元件？,被控對(duì)象：,實(shí)際高度,擾動(dòng)量,控制閥,實(shí)際水位下降，浮子下移，通過杠桿機(jī)構(gòu)使控制閥開度增大,實(shí)際水位上升，浮子上移，推動(dòng)杠桿機(jī)構(gòu)使控制閥開度減小,控制要求：水箱的水位保持一定的高度,工作原理：,浮子及杠桿機(jī)構(gòu),將系統(tǒng)輸出量與輸入

17、量進(jìn)行比較的控制方式稱為反饋控制方式,水箱,要求的水位高度,給定量或稱系統(tǒng)輸入量： 被控制量或稱輸出量： 出水量、進(jìn)水壓力等： 執(zhí)行元件： 測(cè)量比較作用：,37,例1-2 位置控制系統(tǒng),控制要求：,輸出量跟隨輸入量,工作原理：,電動(dòng)機(jī),負(fù)載,齒輪機(jī)構(gòu),負(fù)載是被控對(duì)象,輸入量,輸出量,負(fù)載及電網(wǎng)電壓變化等為擾動(dòng)量,電動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是執(zhí)行元件,電橋、電壓放大器、功率放大器 等 為控制裝置,系統(tǒng)中包含局部反饋-,速度負(fù)反饋,38,例1-3 熱壓爐溫度控制系統(tǒng),控制要求：保持爐內(nèi)溫度為設(shè)定值,39,例1-4 機(jī)器人機(jī)械手的計(jì)算機(jī)控制 （數(shù)字控制系統(tǒng)）,40,40,火炮自動(dòng)控制系統(tǒng),41,41,直流電機(jī)

18、速度控制系統(tǒng),人在控制過程中的作用： （1）觀測(cè) （2）比較與決策 （3）執(zhí)行 改造成自動(dòng)控制系統(tǒng)需要增加什么元件？,1.2.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成,自動(dòng)控制系統(tǒng)是由各種結(jié)構(gòu)不同的元部件組成的。從完成自動(dòng)控制這一職能來看，一個(gè)系統(tǒng)必然包含被控對(duì)象和控制器兩大部分，而控制器是由具有一定職能的各種基本元件組成的。在不同系統(tǒng)中，結(jié)構(gòu)完全不同的元部件卻可以具有相同的職能。因此，將組成系統(tǒng)的元部件按職能分類主要由以下幾種。,（1）被控對(duì)象：被控制的機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程。被控制的物理量稱為輸出量或被控量。,43,（2）測(cè)量元件：其職能是檢測(cè)被控制的物理量，如果這個(gè)物理量是非電量，一般再轉(zhuǎn)換為電量。,（3）

19、比較元件：其職能是把測(cè)量元件檢測(cè)的被控量實(shí)際值與給定元件給出的輸入值進(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。,（4）放大元件：其職能是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。,（5）執(zhí)行元件：其職能是直接推動(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。,1.2.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成,（6）校正元件 也叫補(bǔ)償元件，它是結(jié)構(gòu)或參數(shù)便于調(diào)整的元件，用串聯(lián)或反饋方式連接在系統(tǒng)中，以改善系統(tǒng)的性能。,測(cè)量元件、比較元件、放大元件、執(zhí)行元件和校正元件的組合構(gòu)成系統(tǒng)的控制器。因而，一般認(rèn)為自動(dòng)控制系統(tǒng)是由控

20、制器和被控對(duì)象兩部分組成。,45,1.2.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)原理方框圖的繪制,由自動(dòng)控制系統(tǒng)的原理圖繪制原理方框圖時(shí)，首先需要分析自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作原理，明確：,（1）系統(tǒng)的被控對(duì)象是什么？被控制量是什么？ （2）系統(tǒng)的參考輸入信號(hào)是什么？ （3）哪個(gè)元件是控制元件？控制信號(hào)是什么？ （4）哪個(gè)元件是執(zhí)行元件？ （5）哪個(gè)元件是測(cè)量元件？主反饋信號(hào)是什么？局部反饋信號(hào)是什么？ （6）系統(tǒng)中有哪些擾動(dòng)信號(hào)？主擾動(dòng)信號(hào)是什么？,47,47,過程控制系統(tǒng)實(shí)例,48,48,機(jī)電控制系統(tǒng)實(shí)例,49,49,1.3 自動(dòng)控制的基本方式,開環(huán)、閉環(huán)與復(fù)合控制系統(tǒng),凡是系統(tǒng)輸出信號(hào)對(duì)控制作用有直接影響的系統(tǒng)，都稱

21、為閉環(huán)系統(tǒng)。輸入信號(hào)和反饋信號(hào)之差，稱為偏差信號(hào)，偏差信號(hào)加到控制器上，以減小系統(tǒng)的誤差，并使系統(tǒng)的輸出量趨于所希望的值，換句話說，“閉環(huán)”這個(gè)術(shù)語的涵義，就是應(yīng)用反饋?zhàn)饔脕頊p小系統(tǒng)的誤差。,反饋控制系統(tǒng)分為負(fù)反饋和正反饋。反應(yīng)在給定與反饋量的疊加上。,50,50,1.3 自動(dòng)控制的基本方式,開環(huán)、閉環(huán)與復(fù)合控制系統(tǒng),開環(huán)控制系統(tǒng),如果系統(tǒng)的被控量（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環(huán)控制系統(tǒng)。,特點(diǎn)：系統(tǒng)的輸出量不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的控制作用發(fā)生影響。,51,51,直流電機(jī)速度開環(huán)控制系統(tǒng),開 環(huán),52,52,開環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn),開環(huán)控制系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合 邏輯控制 順序控制 擾動(dòng)少

22、的場(chǎng)合,優(yōu)點(diǎn)： 簡(jiǎn)單，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性 缺點(diǎn)： 控制精度易受擾動(dòng)影響 控制精度差（擾動(dòng)存在時(shí)）,1.3 自動(dòng)控制的基本方式,為了改善開環(huán)控制系統(tǒng)性能，有時(shí)采用基于補(bǔ)償?shù)目刂品椒ǎ?基于擾動(dòng)補(bǔ)償?shù)拈_環(huán)控制如圖b),基于輸入補(bǔ)償?shù)拈_環(huán)控制如圖c),閉環(huán)控制,系統(tǒng)中有測(cè)量元件測(cè)量輸出量，并將其反饋到系統(tǒng)輸入端與輸入量相減，形成誤差（偏差）信號(hào)，用以控制輸出量，使其達(dá)到希望值，這樣的系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)或負(fù)反饋控制系統(tǒng).（輸出量會(huì)影響控制量）,優(yōu)點(diǎn)： (1) 減小前向通道元件參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響。 （2）負(fù)反饋可以減小擾動(dòng)信號(hào)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。 （3）可以改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。,55,55,閉環(huán)

23、控制系統(tǒng)或負(fù)反饋控制系統(tǒng),U與電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。,正反饋如何接線？控制過程分析？,56,56,閉環(huán)控制系統(tǒng)或負(fù)反饋控制系統(tǒng),閉環(huán)控制系統(tǒng) 優(yōu)點(diǎn)： (1) 減小前向通道元件參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響。 （2）負(fù)反饋可以減小擾動(dòng)信號(hào)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。 （3）可以改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能速度 缺點(diǎn)：閉環(huán)系統(tǒng)可能產(chǎn)生振蕩，甚至不穩(wěn)定。,57,57,汽車駕駛中的反饋控制過程,58,58,國民經(jīng)濟(jì)運(yùn)行中的反饋控制系統(tǒng)模型,59,59,復(fù)合控制系統(tǒng),在系統(tǒng)中同時(shí)引進(jìn)開環(huán)控制和閉環(huán)控制，這種系統(tǒng)成為復(fù)合控制系統(tǒng)。,60,60,復(fù)合控制系統(tǒng),（1）順饋控制系統(tǒng)：由給定補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制系統(tǒng),（2）前饋控制系統(tǒng)：由擾動(dòng)

24、補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制系統(tǒng)。,1.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類,自動(dòng)控制系統(tǒng)有多種分類方法： 按控制方式可分為：開環(huán)控制、閉環(huán)控制、復(fù)合控制等； 按元件類型可分為：機(jī)械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、機(jī)電系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)生物系統(tǒng)等； 按系統(tǒng)功用可分為：溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、位置控制系統(tǒng)； 按系統(tǒng)性能可分為：線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)、連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)、定常系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng)、集總參數(shù)系統(tǒng)和分布參數(shù)系統(tǒng)、確定系統(tǒng)和不確定系統(tǒng)等； 按輸入量變化規(guī)律可分為：定值控制系統(tǒng)（鎮(zhèn)定系統(tǒng)）、隨動(dòng)系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)等。,62,62,1、 線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng),對(duì)于用微分方程描述的系統(tǒng)：若系統(tǒng)的輸入量、輸出量及其各階導(dǎo)數(shù)均為線性時(shí)，系

25、統(tǒng)為線性系統(tǒng)。線性定常系統(tǒng)表達(dá)式為：,1.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類,63,63,線性定常離散控制系統(tǒng),1、線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng),線性系統(tǒng)滿足疊加性和齊次性，滿足疊加定理 的系統(tǒng)是線性系統(tǒng)。,64,64,非線性控制系統(tǒng),系統(tǒng)中只要有一個(gè)元部件的輸入-輸出特性是非線性的，這類系統(tǒng)就稱為非線性控制系統(tǒng)，用非線性方程描述。非線性方程的特點(diǎn)是系數(shù)與變量有關(guān)，或者方程中含有與變量及其導(dǎo)數(shù)的高次冪或乘積項(xiàng)。如：,1、 線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng),65,65,2、連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng),連續(xù)系統(tǒng),組成系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)均為連續(xù)信號(hào)；微分方程,離散系統(tǒng),組成系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)為離散信號(hào)；差分

26、方程.,采樣離散控制系統(tǒng),組成系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)既有離散信號(hào)，也有連續(xù)信號(hào)。 工業(yè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是典型的離散系統(tǒng)。,66,66,如果控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、參數(shù)在系統(tǒng)運(yùn)行過程中不隨時(shí)間變化，則稱為定常系統(tǒng)或者時(shí)不變系統(tǒng)，否則，稱為時(shí)變系統(tǒng)。,3、定常系統(tǒng)與時(shí)變系統(tǒng),時(shí)變系統(tǒng)實(shí)例： 航天器的飛行過程,67,67,下列各式是描述系統(tǒng)的微分方程，其中，r(t)為輸入變量，c(t)為輸出變量，判斷哪些是線性定常或時(shí)變系統(tǒng)，哪些是非線性系統(tǒng)?,線性定常,線性時(shí)變,非線性,68,68,定值控制系統(tǒng)：輸入信號(hào)在系統(tǒng)運(yùn)行過程中保持不變。 控制的主要任務(wù)是克服干擾，是輸出量按一定準(zhǔn)確度保持在希望值上。

27、隨動(dòng)控制系統(tǒng)：也稱伺服控制系統(tǒng)，系統(tǒng)運(yùn)行過程中，輸入信號(hào)是隨時(shí)間變化的函數(shù)，系統(tǒng)控制的主要任務(wù)是使輸出量快速跟隨輸入量的變化。 程序控制系統(tǒng)：也稱順序控制系統(tǒng)，系統(tǒng)運(yùn)行過程中，輸入信號(hào)按照事先設(shè)定的規(guī)律隨時(shí)間變化，系統(tǒng)控制的主要任務(wù)是使輸出量以一定的速度和準(zhǔn)確度跟蹤輸入信號(hào)的變化。,4、定值控制系統(tǒng)、隨動(dòng)控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng),69,69,經(jīng)典控制理論中的主要分析對(duì)象,MIMO: multi- input multi- output,復(fù)雜控制系統(tǒng)，信號(hào)多，回路多，變量多，僅僅研究其輸入輸出特性已不能滿足要求，有時(shí)需要從整個(gè)系統(tǒng)出發(fā)，研究其內(nèi)部狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其相互關(guān)系。,5、 單輸入和多輸入系

28、統(tǒng),SISO: single-input single-output,按照輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的數(shù)目，可分為單輸入單輸出（SISO）系統(tǒng)和多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)。,70,70,6 集中參數(shù)系統(tǒng)與分布參數(shù)系統(tǒng),如果在系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)中，可以把一個(gè)系統(tǒng)看作有限多個(gè)理想的分立部件的總體，這類系統(tǒng)稱為集中參數(shù)系統(tǒng)，例如：電阻、電容、電感、阻尼、彈簧、質(zhì)量等。集中參數(shù)系統(tǒng)由常微分方程描述。 如果系統(tǒng)只能看作由無窮多個(gè)無窮小的分立部件組成，則該系統(tǒng)為分布參數(shù)系統(tǒng)，它由偏微分方程描述。例如，導(dǎo)線上的電壓分布是時(shí)間和地點(diǎn)的函數(shù)，只能以偏微分方程描述。 分布參數(shù)系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，本書不涉及這部分內(nèi)容。

29、,71,71,1.5 對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的要求,控制系統(tǒng)的分類很多，但是，對(duì)每一類系統(tǒng)被控量變化的全過程提出的共同的基本要求都是一樣的，且可以歸結(jié)為：,穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性，即穩(wěn)、快、準(zhǔn)的要求。（從穩(wěn)定性、靜態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能）,穩(wěn)定性（穩(wěn)） 穩(wěn)定性是保證系統(tǒng)正常工作的先決條件。不穩(wěn)定的控制系統(tǒng)是不能正常工作的。,快速性（快） 為了很好完成控制任務(wù)，必須對(duì)其過渡過程的形式和快慢提出要求，一般稱為動(dòng)態(tài)性能。（響應(yīng)速度、調(diào)節(jié)速度等）,準(zhǔn)確性（準(zhǔn)） 理想情況下，過渡過程結(jié)束后被控量達(dá)到的穩(wěn)態(tài)值應(yīng)與期望值一致。被控量的穩(wěn)態(tài)值與期望值之間的誤差，稱為穩(wěn)態(tài)誤差。 穩(wěn)態(tài)誤差是衡量控制系統(tǒng)控制精度的重要標(biāo)志。,魯棒性（強(qiáng)） 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或（和）參數(shù)攝動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)性能保持或一定程度的保持。,72,72,穩(wěn)定性是保證控制系統(tǒng)