1、Harbin Engineering University自動化學院自動化學院傅薈璇傅薈璇 2013hrbeu_Harbin Engineering University 如何學如何學（How） ？ 學什么學什么（What ） ？ 為什么學（為什么學（Why ） ？ 課程基本信息課程基本信息目標目標（Objectives）Harbin Engineering University1. 課程基本信息課程基本信息180學時，學時，5學分，學分，專業基礎課專業基礎課2 課堂授課+ 課后作業（另配實驗課 獨立設課）3 閉卷考試閉卷考試（百分制）（百分制）Harbin Engineering Unive

2、rsity自動控制原理自動控制原理 劉勝劉勝 主編主編國防工業出版社國防工業出版社 2012,81. 課程基本信息課程基本信息使用教材使用教材Harbin Engineering University胡壽松胡壽松. 科學出版社科學出版社(第五版第五版) . 2007Modern Control Systems (Tenth Edition)Richard.c. Dorf . Science Press . 2005李友善李友善. 國防工業出版社國防工業出版社(第三版第三版) . 20051. 課程基本信息課程基本信息自動控制原理自動控制原理自動控制原理自動控制原理 Katsuhiko Ogat

3、a. Tsinghua University Publishing House. 2006 Modern Control Engineering (Fourth Edition)參考資料參考資料1234Harbin Engineering University第第1章章 自動控制的一般概念自動控制的一般概念第第3章章 控制系統的數學模型控制系統的數學模型第第4章章 線性控制系統的線性控制系統的時域分析法時域分析法第第5章章 線性控制系統的線性控制系統的根軌跡分析法根軌跡分析法第第6章章 線性控制系統的線性控制系統的頻率分析法頻率分析法第第7章章 線性控制系統的校正方法線性控制系統的校正方法 第

4、第8章章 非線性控制系統分析非線性控制系統分析第第9章章 線性離散控制系統的分析與校正線性離散控制系統的分析與校正3. 學什么學什么?Harbin Engineering UniversityHarbin Engineering University 自動控制的基本概念自動控制的基本概念 與自動控制系統的與自動控制系統的原理原理控制系統的數學控制系統的數學建模建模控制系統的控制系統的分析分析方法方法控制系統的控制系統的設計設計方法方法1234循序漸進循序漸進4. 如何學如何學?Harbin Engineering University1234數學建模數學建模能力能力性能分析性能分析能力能力設計

5、與設計與實現實現能力能力基本原理基本原理分析能力分析能力4. 如何學如何學?學完這門課程后，你可以獲得什么能力？學完這門課程后，你可以獲得什么能力？-具有對自動控制系統的Harbin Engineering University要求做到要求做到五五個個“時時”準時準時上課上課按時按時做（交）作業做（交）作業隨時隨時記筆記記筆記適時適時討論討論消疑解惑消疑解惑及時及時預習實驗預習實驗以以消化理論消化理論4. 如何學如何學?郵箱：郵箱：hrbeu_密碼：密碼：hrbeu_zikongHarbin Engineering University自動化學院自動化學院傅薈璇傅薈璇 2013第第1 1章章

6、自動控制的一般概念自動控制的一般概念Harbin Engineering University對自動控制系統的基本要求對自動控制系統的基本要求自動控制如何構成自動控制如何構成-系統系統？如何控制如何控制- 自動控制原理自動控制原理？什么是自動控制？什么是自動控制？第第1章章 自動控制的一般概念自動控制的一般概念Harbin Engineering University第第1 1章章 自動控制的一般概念自動控制的一般概念v 1.1 1.1 自動控制的自動控制的基本原理與方式基本原理與方式v 1.2 1.2 自動控制系統的自動控制系統的基本元件組成基本元件組成v 1.3 1.3 自動控制系統的分類

7、自動控制系統的分類v 1.4 1.4 對自動控制系統的基本要求對自動控制系統的基本要求主要內容主要內容Harbin Engineering University1.1自動控制的基本原理與方式自動控制的基本原理與方式一、什么是一、什么是自動自動控制控制？例：儲水槽的液位例：儲水槽的液位人工控制人工控制1控制任務控制任務：儲水槽液位儲水槽液位穩定不變穩定不變Harbin Engineering University 例：人工控制 vs. 自動自動控制控制一、什么是一、什么是自動自動控制控制？1.1 自動控制的基本原理與方式自動控制的基本原理與方式Harbin Engineering Univers

8、ity一、什么是一、什么是自動自動控制？控制？1.1.自動控制的定義自動控制的定義 (P1第第1段段)u被控對象被控對象：要求實現自動控制的機：要求實現自動控制的機器、設備或生產過程。器、設備或生產過程。u被控量被控量：要求實現自動控制的表征要求實現自動控制的表征被控對象被控對象工作狀態的工作狀態的物理量物理量。u控控 制制 器器：對：對被控對象被控對象起控制作用起控制作用設備或裝置的總體，也稱設備或裝置的總體，也稱控制裝置控制裝置。1.1 1.1 自動控制的基本原理與方式自動控制的基本原理與方式 在在沒有人直接參與沒有人直接參與的情況下，的情況下，利用利用外加的設備或裝置外加的設備或裝置（控

9、制器控制器或或控制裝置控制裝置），），使使機器、設備或生產過程機器、設備或生產過程（被控對象被控對象）的的某個工作狀態或參數某個工作狀態或參數（被控量被控量）自動按照預定的規律運行自動按照預定的規律運行。例例 ：液位控制系統：液位控制系統Harbin Engineering University2. 2. 自動控制的目的自動控制的目的例：例：vs.1提高勞動提高勞動生產率和生產率和產品質量產品質量2改善勞動改善勞動條件，減條件，減輕勞動強輕勞動強度度3提高生活提高生活質量質量一、什么是自動控制？一、什么是自動控制？1.1 自動控制的基本原理與方式自動控制的基本原理與方式Harbin Engin

10、eering University日常生活日常生活：冰箱溫度、風扇、電梯冰箱溫度、風扇、電梯等等人體系統人體系統：體溫、心跳、眼球等體溫、心跳、眼球等工業工業：起重機，數控車床起重機，數控車床等等國防國防：火箭、人造衛星發射火箭、人造衛星發射等等一、什么是自動控制？一、什么是自動控制？1.1 自動控制的基本原理與方式自動控制的基本原理與方式3.自動控制的應用領域自動控制的應用領域Harbin Engineering University1769年年: James Watts蒸氣鍋爐水位調節器和蒸氣機離心飛錘式調節器。蒸氣鍋爐水位調節器和蒸氣機離心飛錘式調節器。蒸氣機離心飛錘式調節器蒸氣機離心飛

11、錘式調節器二、二、自動控制理論的發展歷史自動控制理論的發展歷史蒸氣鍋爐水位調節系統蒸氣鍋爐水位調節系統1.1 自動控制的基本原理與方式自動控制的基本原理與方式Harbin Engineering University經經（古）（古）典控制理論典控制理論現代控制理論現代控制理論魯棒控制、魯棒控制、智能控制理論等智能控制理論等二、二、自動控制理論的發展歷史自動控制理論的發展歷史 1.1 自動控制的基本原理與方式自動控制的基本原理與方式20世紀世紀40-50年代形成年代形成單輸入單輸出（單輸入單輸出（SISO)系統系統基于二戰軍工技術基于二戰軍工技術 20世紀世紀60-70年代形成年代形成多輸入多輸

12、出多輸入多輸出(MIMO)系統系統基于冷戰時期空間技術，計算機技術基于冷戰時期空間技術，計算機技術20世紀世紀80年代開始發展年代開始發展以控制論、信息論、仿生論為基礎以控制論、信息論、仿生論為基礎 Harbin Engineering University自控自控理論理論經經（古）（古）典控制理論典控制理論現代控制理論現代控制理論時間時間分界分界20世紀世紀60年代年代達到完善達到完善20世紀世紀60年代年代開始發展開始發展數學數學工具工具常微分方程，常微分方程，傳遞函數傳遞函數一階微分方程組，一階微分方程組，狀態空間狀態空間方程方程 (傳遞函數陣傳遞函數陣)研究研究對象對象SISO系統，系

13、統，定常系統定常系統MIMO系統，系統，定常和時變系統定常和時變系統注重注重內容內容系統系統輸入、輸出間輸入、輸出間的關系的關系系統輸入、輸出系統輸入、輸出及其內部變量及其內部變量間間的關系的關系二、二、自動控制理論的發展歷史自動控制理論的發展歷史1.1 自動控制的基本原理與方式自動控制的基本原理與方式Harbin Engineering University （P1第二段）第二段）為了實現為了實現各種復雜的控制任務各種復雜的控制任務，將將被被控對象控對象和和控制裝置控制裝置( (控制器控制器) )按照一定的方式連按照一定的方式連接起來，組成一個接起來，組成一個有機總體的系統有機總體的系統。例

14、例 ：液位控制系統：液位控制系統1.1 自動控制的基本原理與方式自動控制的基本原理與方式 三、三、自動控制的基本原理自動控制的基本原理1. 自動控制系統自動控制系統Harbin Engineering Universityu 被控對象：要求實現自動控制的機器，設備或生產過程。被控對象：要求實現自動控制的機器，設備或生產過程。u 控控 制制 器：對被控對象起控制作用裝置的總體，也稱器：對被控對象起控制作用裝置的總體，也稱控制裝置控制裝置。u 輸輸 出出 量量：要求實現自動控制的表征要求實現自動控制的表征被控對象工作狀態的物理量被控對象工作狀態的物理量，也也稱稱被控量被控量。u 輸輸 入入 量量：

15、也：也稱控制系統的稱控制系統的期望值或給定量期望值或給定量。作用于被控對象或作用于被控對象或系統輸入端，可使系統系統輸入端，可使系統具有具有預定功能或輸出預定功能或輸出的物理量的物理量。 u 擾擾 動動：所有妨礙所有妨礙控制器控制器對被控量按對被控量按要求正常控制要求正常控制的因素的因素。u 控制任務控制任務：控制器控制器控制控制被控量被控量以實現的目標以實現的目標。1.1 自動控制的基本原理與方式自動控制的基本原理與方式例例 ：液位控制系統：液位控制系統三、三、 自動控制的自動控制的基本原理基本原理1. 自動控制系統自動控制系統Harbin Engineering University 2.

16、 典型典型自動控制系統的基本原理自動控制系統的基本原理-反饋反饋控制原理（控制原理（P2) 反饋控制原理反饋控制原理：(P2)(P2) 控制器控制器通過通過取自被控量取自被控量（輸出端）（輸出端）的的反反饋信息饋信息，得到得到被控量與期望值之間的被控量與期望值之間的偏差偏差，并不斷，并不斷修正修正偏差偏差，直直至至消除消除偏差偏差，從而實現控制被控對象的目的，從而實現控制被控對象的目的 。 反饋反饋：指：指輸出量輸出量通過適當的通過適當的測量裝置測量裝置將信號返回到輸入端，將信號返回到輸入端， 使之使之與輸入量進行比較與輸入量進行比較的過程。的過程。比較的結果稱為偏差比較的結果稱為偏差。 反饋

17、控制系統反饋控制系統： 利用反饋控制原理組成的系統。利用反饋控制原理組成的系統。1.1 自動控制的基本原理與方式自動控制的基本原理與方式例例 ：液位控制系統：液位控制系統三、三、 自動控制的基本原理自動控制的基本原理Harbin Engineering University1.1 自動控制的基本原理與方式自動控制的基本原理與方式三、三、 自動控制的基本原理自動控制的基本原理 2. 典型自動控制系統的基本原理典型自動控制系統的基本原理-反饋控制原理反饋控制原理例例 ： 爐溫控制系統爐溫控制系統Harbin Engineering University 3. 反饋控制系統反饋控制系統的的方框（塊）

18、圖方框（塊）圖表示表示三、三、 自動控制的基本原理自動控制的基本原理給定量給定量被控量被控量反饋信號反饋信號偏差信號偏差信號v 為了為了便于分析并直觀的表示便于分析并直觀的表示系統各個組成部分間的系統各個組成部分間的相互相互影響（關系）和信號傳遞關系影響（關系）和信號傳遞關系，一般采用，一般采用方框（塊）圖方框（塊）圖表示表示 。1.1 自動控制的基本原理與方式自動控制的基本原理與方式v 輸出量一般輸出量一般置于方框圖的置于方框圖的最右端最右端，輸入量置于左端輸入量置于左端 ；輸出量放在被控對輸出量放在被控對象的后面象的后面 ；v 流向：用箭頭流向：用箭頭 表示；表示； v 方框：方框：表示一

19、個元件、部件、對象、過程、系統、環節等；表示一個元件、部件、對象、過程、系統、環節等； v 分支點分支點表示表示信號引出點信號引出點 ；求和（比較）器表示求和（比較）器表示所有輸入信號的代數和所有輸入信號的代數和 ；v 擾動量：擾動量：作用在誰上即畫在誰上，作用在誰上即畫在誰上，一般一般作用于被控對象上作用于被控對象上。 v 負反饋：負反饋：若若偏差信號偏差信號=輸入輸入量量-反饋信號反饋信號，需標注，需標注“-”號。號。一般一般反饋系統的方框（塊）圖反饋系統的方框（塊）圖Harbin Engineering University例例 : 液位控制系統液位控制系統一般的反饋控制系統的方框圖一般

20、的反饋控制系統的方框圖 3. 反饋控制系統反饋控制系統的方框（塊）圖表示的方框（塊）圖表示水箱水箱實際液位實際液位擾動擾動1.1 自動控制的基本原理與方式自動控制的基本原理與方式三、三、 自動控制的基本原理自動控制的基本原理Harbin Engineering University爐溫控制系統方框圖爐溫控制系統方框圖1.1 自動控制的基本原理與方式自動控制的基本原理與方式三、三、 自動控制的基本原理自動控制的基本原理 3. 反饋控制系統反饋控制系統的的方框（塊）圖表示方框（塊）圖表示Harbin Engineering University1. 控制任務控制任務：例例 : 人取書的反饋控制過程

21、2. 被控量被控量：4. 控制器：控制器：3. 被控對象：被控對象：人手的位置人手的位置達到達到書的位置書的位置人手的位置人手的位置人手或者手臂人手或者手臂人的大腦人的大腦+ +人的眼睛人的眼睛5. 根據控制系統的原理，繪制方框圖。根據控制系統的原理，繪制方框圖。 3. 反饋控制系統反饋控制系統的方框（塊）圖表示的方框（塊）圖表示1.1 自動控制的基本原理與方式自動控制的基本原理與方式提提問問實例實例演示演示三、三、 自動控制的基本原理自動控制的基本原理Harbin Engineering University例例 : :人取書的反饋控制過程方框圖人取書的反饋控制過程方框圖-大腦手臂、手眼睛輸

22、入輸出眼睛書位置手位置 3. 反饋控制系統反饋控制系統的方框（塊）圖表示的方框（塊）圖表示1.1 自動控制的基本原理與方式自動控制的基本原理與方式一般的反饋控制系統的方框圖一般的反饋控制系統的方框圖 三、三、 自動控制的基本原理自動控制的基本原理Harbin Engineering Universityv1.開環控制開環控制v2. 閉環控制閉環控制（反饋控制反饋控制）v3. 復合控制復合控制四、四、自動控制系統基本控制方式自動控制系統基本控制方式 一般反饋控制系統的一般反饋控制系統的方方框框圖圖 1.1 自動控制的基本原理與方式自動控制的基本原理與方式Harbin Engineering Un

23、iversity 1. 開環控制（開環控制（P1最后一段最后一段) 開環控制方式開環控制方式：系統輸出端和輸入端之間只要順向作系統輸出端和輸入端之間只要順向作用，用，不存在反饋作用不存在反饋作用，輸出量對系統的控制作用沒有輸出量對系統的控制作用沒有影響。影響。也稱為也稱為順饋順饋控制方式。控制方式。 開環控制系統：按開環方式組成的系統。開環控制系統：按開環方式組成的系統。被控對象被控對象1.1 自動控制的基本原理與方式自動控制的基本原理與方式四、四、自動控制系統基本控制方式自動控制系統基本控制方式 Harbin Engineering University例：開環直流電動機轉速系統例：開環直流

24、電動機轉速系統1. 開環控制開環控制v 結構簡單、成本低，結構簡單、成本低，系統分析和設計較簡便系統分析和設計較簡便；v 對組成系統的對組成系統的元部件精度要求高元部件精度要求高；v 抗干擾能力差抗干擾能力差（系統穩定性不是主要問題系統穩定性不是主要問題）。多）。多用用于系統結構參數穩定和擾動信號較弱的場合。于系統結構參數穩定和擾動信號較弱的場合。 主要特點主要特點：1.1 自動控制的基本原理與方式自動控制的基本原理與方式四、四、自動控制系統基本控制方式自動控制系統基本控制方式 Harbin Engineering University 2. 閉環控制（閉環控制（P2)閉環控制方式閉環控制方式

25、：系統輸出端和輸入端之間系統輸出端和輸入端之間存在存在反饋作用反饋作用，即輸出量對控制作用，即輸出量對控制作用有直接影響有直接影響的的系統。也稱為系統。也稱為反饋控制反饋控制方式。方式。 閉環控制系統閉環控制系統：按閉環方式組成的系統。按閉環方式組成的系統。1.1 自動控制的基本原理與方式自動控制的基本原理與方式四、四、自動控制系統基本控制方式自動控制系統基本控制方式 Harbin Engineering University例例 ：閉環直流電動機轉速系統：閉環直流電動機轉速系統2. 閉環控制閉環控制 主要特點主要特點：v 結構復雜，結構復雜，系統分析和設計較困難系統分析和設計較困難；v 采用

26、精度不高、成本較低的元器件采用精度不高、成本較低的元器件組成精度較高的閉環控制系統組成精度較高的閉環控制系統；v 能削弱或抑制干擾能削弱或抑制干擾，但，但系統穩定性系統穩定性是非常重要的問題。是非常重要的問題。1.1 自動控制的基本原理與方式自動控制的基本原理與方式四、四、自動控制系統基本控制方式自動控制系統基本控制方式 Harbin Engineering University開環控制開環控制 vs. 閉環控制閉環控制閉環控制閉環控制 開環控制開環控制特點特點對比對比元件精度元件精度要求要求有無有無反饋反饋抗干擾抗干擾能力能力 結構結構 與成本與成本有有無無高高低低差差，對穩定，對穩定性無要

27、求性無要求強，強，穩定穩定性很重要性很重要結構簡單，結構簡單，成本成本低低 結構復雜，結構復雜，成本成本高高 1.1 自動控制的基本原理與方式自動控制的基本原理與方式四、四、自動控制系統基本控制方式自動控制系統基本控制方式 Harbin Engineering University3. 3. 復合控制復合控制（P4)干擾補償的復合控制系統方框圖干擾補償的復合控制系統方框圖輸入量輸入量控制器控制器控制對象控制對象測量元件測量元件 輸出量輸出量反饋回路反饋回路 被控量被控量干擾量干擾量前饋補償前饋補償復合控制：復合控制：開環控制開環控制+閉環控制；閉環控制；特點：控制系統具有良好的控制性能，特點：

28、控制系統具有良好的控制性能，精度更高，結構更復雜精度更高，結構更復雜 。被控對象被控對象1.1 自動控制的基本原理與方式自動控制的基本原理與方式四、四、自動控制系統基本控制方式自動控制系統基本控制方式 Harbin Engineering Universityv開環控制（順饋）開環控制（順饋）v閉環控制閉環控制（反饋）（反饋）v復合控制復合控制（反饋反饋+ +順饋順饋）小結小結1.1 1.1 自動控制的基本原理與方式自動控制的基本原理與方式四、四、自動控制系統基本控制方式自動控制系統基本控制方式 Harbin Engineering University如下為一個如下為一個教學過程控制系統教學

29、過程控制系統各個對應的要素。要求各個對應的要素。要求設計合適的自動控制系統方框圖，并設計合適的自動控制系統方框圖，并說明其自動控制說明其自動控制的原理的原理。u學生學生u作業、實驗、考試等作業、實驗、考試等u課程的大綱要求課程的大綱要求u學生學習的實際水平學生學習的實際水平u教師教師自我評估題自我評估題1.1 自動控制的基本原理與方式自動控制的基本原理與方式Harbin Engineering University自動控制理論教學過程控制系統方框圖自動控制理論教學過程控制系統方框圖答案：答案：自我評估題自我評估題典型自動控制系統的方框圖典型自動控制系統的方框圖 1.1 自動控制的基本原理與方式

30、自動控制的基本原理與方式Harbin Engineering University 閱讀閱讀1.4 的自動控制系統應用舉例；的自動控制系統應用舉例； 完成習題完成習題1-2，1-5。第第1章章 自動控制的一般概念自動控制的一般概念 作業作業1Harbin Engineering University1.2自動控制系統的基本元件組成自動控制系統自動控制系統被控對象被控對象控制裝置（器）控制裝置（器） Harbin Engineering University控制系統控制系統被控對象被控對象控制裝置控制裝置測量元件測量元件比較元件比較元件放大元件放大元件執行機構執行機構校正元件校正元件給定元件給定

31、元件1.2 自動控制系統的基本元件組成Harbin Engineering University圖圖1.6 1.6 反饋控制系統反饋控制系統基本組成基本組成串連校正串連校正元件元件放大放大元件元件執行執行元件元件反饋校正反饋校正元件元件測量測量元件元件被控量被控量 完整的反饋控制系統的基本組成（P5)被控對象被控對象給定給定元件元件1.2自動控制系統的元件組成自動控制系統的元件組成Harbin Engineering University一、按控制方式一、按控制方式（結構）（結構）分類：分類：1.3 自動控制系統的分類自動控制系統的分類開環控制開環控制閉環控制閉環控制(反饋控制反饋控制)復合控制復合控制Harbin Engineering Universi