1、 主講人：黃鳳芝 Tel:E_mail: l課程性質 專業基礎課l學時 72學時（60 理論+12 實驗） 4學分l先修課程 高等數學、大學物理、積分變換、電路、數字電子技 術、模擬電子技術 教材介紹前言l自動控制技術應用自動控制技術幾乎滲透到國民經濟的各個領域及社會生活的各個方面，是當代發展最迅速、應用最廣泛、最引人注目的高科技，是推動新的技術革命和新的產業革命的關鍵技術，在某種程度上說，自動化是現代化的同義詞。雷達自動跟蹤的導彈系統無人機人造地球衛星發射系統哈勃望遠鏡特殊地衛星交通系統汽車自動化生產線控制理論控制理論是研究自動控制共同規律的技術科學。 經典控制理論

2、經典控制理論現代控制理論（智能控制理論）現代控制理論（智能控制理論）以傳遞函數為基礎，以傳遞函數為基礎，研究單輸入研究單輸入-單輸出單輸出定?？刂葡到y的分析定?？刂葡到y的分析與設計問題與設計問題以狀態空間法為基礎，研以狀態空間法為基礎，研究多輸入究多輸入-多輸出時變、多輸出時變、非線性、高精度、高效能非線性、高精度、高效能控制系統的分析與設計問控制系統的分析與設計問題題發展概況1年 英國瓦特 飛球調節器 公認的第一個自動控制系統年 麥克斯韋爾“論調速器”公認為自動控制理論的開端1875年 英國勞斯提出代數穩定判據 勞斯穩定判據勞斯穩定判據1895年 德國赫爾維茲提出代數穩定判據1892年 俄國

3、李雅普諾夫提出穩定性定義和兩個穩定判據1932年 美國奈奎斯特提出奈氏穩定判據奈氏穩定判據二戰中自動火炮、雷達、飛機以及通訊系統的控制研究二戰中自動火炮、雷達、飛機以及通訊系統的控制研究直接推動了經典控制的發展直接推動了經典控制的發展1948年，維納出版控制論，形成完整的經典控制理論， 標志控制學科的誕生。發展概況2 二次世界大戰結束后，各國大力發展空間技術，經典控制理論不能滿足需要，需要研究新的控制理論。這個時期，眾多的數學家、科學家投入自動控制理論的研究，如自動控制科學家從力學中引進了狀態空間的概念。 隨著電子計算機的應用，自動控制理論開始進入“現代控制理論”階段。 現代控制理論在空間技術

4、取得巨大成功，但由于工業過程控制中普遍存在的不確定性和干擾，難以取得預期的效果。模擬人的控制技術智能控制。發展概況3本課程學習的內容l 基本內容基本內容控制論的基本理論、方法、控制論的基本理論、方法、特點、綜合設計方法。特點、綜合設計方法。l 研究對象研究對象自動控制系統，揭示自動控自動控制系統，揭示自動控制系統中存在的信息轉換、傳遞和制系統中存在的信息轉換、傳遞和反饋反饋?？刂葡到y基本概念連續系統離散系統時域法復域法頻域法快穩準第一章 控制系統導論第二章 控制系統的數學模型第三章 線性系統的時域分析法第四章 線性系統的根軌跡法第五章 線性系統的頻域分析法第六章 線性系統的校正方法第七章 線性

5、離散系統的分析第一章 控制系統導論1-1 自動控制的基本原理1-2 自動控制系統示例1-3 自動控制系統的分類1-4 自動控制系統的基本要求1-5 自動控制系統的分析與設計工具1-1 自動控制的基本原理一、基本概念一、基本概念1.控制（控制（Control）：根據某種原理或方法，）：根據某種原理或方法，使特定對象（使特定對象（被控對象被控對象）的某些物理量（）的某些物理量（被被控量控量）按照預期規律變化的操縱過程。）按照預期規律變化的操縱過程。2.人工控制（人工控制（Manual Control）：由人直接）：由人直接或間接操作執行裝置的控制方式?；蜷g接操作執行裝置的控制方式。3.自動控制自動

6、控制（Automatic Control）：）：是指在沒有人直接參與的情況下，利用自動控制裝置（或稱為控制裝置或控制器），使機器、設備或生產過程（統稱為被控對象）的某個工作狀態或參數（稱為被控量）自動地按照預定的規律運行。4.自動控制系統自動控制系統 （Control System）：）：是由被控對象被控對象和自動控制裝置自動控制裝置按一定方式聯結起來的，以完成某種自動控制任務的有機整體。自動控制系統控制原理方框圖控制控制對象對象執行裝置執行裝置控制器控制器測量裝置測量裝置控制器控制器比較環節比較環節輸入量輸入量偏差偏差測量值測量值輸出量輸出量控制量控制量擾動量擾動量控制動作控制動作廣義對象廣

7、義對象自動控制裝置自動控制裝置元素：元素：（1 1） ：元件：元件（2 2） ：信號（物理量）及傳遞方向：信號（物理量）及傳遞方向（3 3） ：比較點（信號疊加）：比較點（信號疊加）（4 4） ：引出點（分支、信號強度）：引出點（分支、信號強度） （5 5）+/- +/- ：符號的意義（正、負反饋）：符號的意義（正、負反饋）二、控制系統中常用的名詞術語二、控制系統中常用的名詞術語輸入量輸入量:泛指對系統的輸出量有直接影響的外界輸入信號,既包括控制信號又包括擾動信號。其中控制信號又稱控制量、參考輸入、或給定值。輸出量輸出量: :是指反饋控制系統中被控制的物理量,它與輸入信號之間有一定的函數關系。

8、反饋量反饋量: :將系統(或環節)的輸出信號經變換、處理送到系統(或環節)的輸入端的信號,稱為反饋信號。若此信號是從系統輸出端取出送入系統輸入端,這種反饋信號稱主反饋信號。而其它稱為局部反饋信號。 偏差偏差: :控制輸入信號與主反饋信號之差?？刂戚斎胄盘柵c主反饋信號之差。誤差誤差: :它指系統輸出量的實際值與希望值之它指系統輸出量的實際值與希望值之差。系統希望值是理想化系統的輸出，實際差。系統希望值是理想化系統的輸出，實際上并不存在上并不存在, ,它只能用與控制輸入信號具有它只能用與控制輸入信號具有一定比例關系的信號來表示。在單位反饋情一定比例關系的信號來表示。在單位反饋情況下況下, ,希望值

9、就是系統的輸入信號希望值就是系統的輸入信號, ,誤差信號誤差信號等于偏差信號。等于偏差信號。擾動擾動量量: :除控制信號以外除控制信號以外, ,對系統的輸出有影對系統的輸出有影響的信號。響的信號。 三、反饋控制系統三、反饋控制系統1. 1.反饋控制系統的基本組成部分反饋控制系統的基本組成部分 輸入量輸入量串聯校正串聯校正元件元件放大放大元件元件執行執行元件元件被控被控對象對象擾動擾動并聯并聯校正元件校正元件反饋元件反饋元件輸出量輸出量比較比較元件元件e(t)偏差偏差信號信號主反饋信號主反饋信號b(t)測量反饋元件測量反饋元件主反饋主反饋局部反饋局部反饋( )c t( )r t給定給定元件元件被

10、控對象（被控過程）被控對象（被控過程）又稱控制對象或受控對象，又稱控制對象或受控對象，指需要對它的某個特定的量進行控制的設備或過程。指需要對它的某個特定的量進行控制的設備或過程。被控對象的輸出變量是被控對象的輸出變量是被控變量被控變量，常常記作輸出信號，常常記作輸出信號或輸出量?；蜉敵隽?。被控對象除了受到控制作用外，還受到外被控對象除了受到控制作用外，還受到外部擾動作用。部擾動作用。給定元件給定元件其作用是給出與期望的輸出相對應的系其作用是給出與期望的輸出相對應的系統輸入量，是一類產生系統控制指令的裝置。統輸入量，是一類產生系統控制指令的裝置。測量反饋元件測量反饋元件如傳感器和測量儀表，感受或

11、測量如傳感器和測量儀表，感受或測量被控變量被控變量的值并把它變換為與輸入量同一物理量后，的值并把它變換為與輸入量同一物理量后，再反饋到輸入端以作比較。再反饋到輸入端以作比較。比較元件比較元件比較輸入信號與反饋信號，以產生反映比較輸入信號與反饋信號，以產生反映兩者差值的偏差信號。兩者差值的偏差信號。放大元件放大元件將微弱的信號作線性放大。將微弱的信號作線性放大。校正元件校正元件也叫補償元件，它是按某種函數規律變也叫補償元件，它是按某種函數規律變換控制信號，以利于改善系統的動態品質或靜態性換控制信號，以利于改善系統的動態品質或靜態性能。能。執行元件執行元件根據偏差信號的性質執行相應的控制作根據偏差

12、信號的性質執行相應的控制作用，以便使被控制量按期望值變化。如電動機、氣用，以便使被控制量按期望值變化。如電動機、氣動控制閥等。動控制閥等。 例子1.人取書輸入信號眼睛大腦手、手臂眼睛+（書的位置）輸出量（手的位置）方框圖2.龍門刨床速度控制系統比較電路 放大器觸發器晶閘管電動機n測試發電機 方框圖四、自動控制系統的基本控制方式四、自動控制系統的基本控制方式 控制系統的類型很多，它們的結構類型和所完成的任務也各不相同。控制系統中最常見的兩種控制方式是開環控制開環控制和閉環控制閉環控制，這兩種控制的組合即為復合控制復合控制，相對應的控制系統稱為開環控制系統、閉環控制系統和復合控制系統。 自動控制理

13、論主要研究自動控制理論主要研究閉環閉環控制系統控制系統 （1）反饋控制方式）反饋控制方式閉環控制閉環控制 閉環控制的定義是有被控制量反饋的控制,其原理框如圖所示。從系統中信號流向看,系統的輸出信號沿反饋通道又回到系統的輸入端,構成閉合通道,故稱閉環控制系統,或反饋控制系統。 前前/ /正向通道正向通道反反/ /負向通道負向通道這種控制方式,無論是由于干擾造成,還是由于結構參數的變化引起被控量出現偏差,系統就利用偏差利用偏差去糾正偏差,故這種控制方式為按偏差調節按偏差調節。 閉環控制系統的突出優點突出優點是利用偏差來糾正偏差,使系統達到較高的控制精度較高的控制精度。閉環控制的缺點缺點引入反饋增加

14、了系統的增加了系統的復雜性復雜性，如果閉環系統參數的選取不適當，系統可能會產生振蕩，甚至系統失穩而無法正常工作，這是自動控制理論和系統設計必須解決的重要問題。（2）開環控制開環控制系統是指無被控量反饋無被控量反饋的控制系統,即需要控制的是被控對象的某一量(被控量),而測量的只是給定信號,被控量被控量對于控制作用沒有任何影沒有任何影響響的系統。結構如圖所示。這種控制優點優點結構簡單，系統穩定性好結構簡單，系統穩定性好，調試方便，成本低。因此，在輸入量和輸出量之間的關系固定，且內部參數或外部負載等擾動因素不大，或這些擾動因素可以預測并進行補償的前提下，應盡量采用開環控制系統.缺點抗干擾性能差。抗干

15、擾性能差。當對象或控制裝置受到外部干擾,或工作中特性參數發生變化,會直接影響被控量,而無法自動補償無法自動補償。因此,系統的控制精度難以保證?？刂凭入y以保證。意味著對受控對意味著對受控對象和其它控制元件的象和其它控制元件的技術要求較高技術要求較高。（3）復合控制控制器控制對象擾動輸出量輸入量補償器控制器控制對象擾動輸出量輸入量補償器1-2 自動控制系統示例函數記錄儀放大器變換器伺服電動機齒輪系繩輪記錄筆測速發電機測量電路 _位移LL 函數記錄儀方框圖電阻爐微型計算機溫度控制系統計算機控制量給定溫度D/A變換器觸發器晶閘管導通角電阻絲爐溫熱電偶A/D變換器放大濾波電流電流電流溫度數值方框圖鍋爐

16、液位控制系統方框圖給定值調節器調節閥鍋爐測量變送器 _液位擾動+水耗汽量=給水量偏差值自動控制系統方塊圖的繪制關鍵工作原理工作原理輸入量輸入量輸出量輸出量被控對象被控對象中間環節中間環節信號傳遞信號傳遞1-3 自動控制系統的分類常用的自動控制系統分類方法常用的自動控制系統分類方法按控制方式來分按控制方式來分按描述系統的動態方程分按描述系統的動態方程分按系統參數是否隨時間變化分按系統參數是否隨時間變化分按系統輸入信號的變化規律不同來分按系統輸入信號的變化規律不同來分按信號的傳遞是否連續分按信號的傳遞是否連續分（1）開環控制系統）開環控制系統（2）閉環控制系統）閉環控制系統（3）復合控制系統）復合

17、控制系統1、按控制方式來分2.按描述系統的動態方程分（1）線性系統：組成系統的各環節的輸入輸出特性都是線性線性的，可用一個或一組線性線性微分方程微分方程來描述系統輸入和輸出之間輸入和輸出之間關系。線性系統的主要特征是具有齊次性齊次性和疊加性。疊加性。1011110111( )( )( )( )( )( )( )( )nnnnnnmmmmmmdddac tac tac ta c tdtdtdtdddbr tbr tbr tb r tdtdtdt其中， 為被控量， 為輸入量( )c t( )r t011011, , , , , , , nnmmaaaabbbb為系數0110111111()()()

18、( )()()()( )nnmma c kna c knac ka c kb r kmbr kmbr kb r k( ), ( )r kc k為輸入量和輸出量的采樣序列, ()m mnn為差分方程的次數（2）非線性系統：系統中只要有一個元器只要有一個元器件件的特性不能用不能用線性微分方程描述其輸入和輸入和輸出關系輸出關系,則稱為非線性系統。非線性微分（或差分）方程描述其特性。非線性微分方程特點：系數與變量有關，或方程中含有變量及其導數的高次冪或乘積項 2( )( ) ( )( )( )y ty t y ty tr t飽和非線性死區非線性間隙非線性繼電器非線性3、按系統參數是否隨時間變化分l（1

19、）定常系統定常系統：如果描述系統特性的微分方微分方程中各項系數都是與時間無關的常數程中各項系數都是與時間無關的常數, ,則稱為定常系統。該類系統只要輸入信號的形式不變,在不同時間輸入下的輸出響應形式是相同的。 l（2）時變系統時變系統：如果描述系統特性的微分方程中只要有一項系數是時間的函數系數是時間的函數,此系統稱為時變系統。 4、按系統輸入信號的變化規律不同來分 （）l（1）恒值控制系統：恒值控制系統：這類系統的輸入信號為一常輸入信號為一常數數，擾動使被控量偏離理想值而出現偏差，利用偏差利用偏差該系統可使被控量回復到理想值使被控量回復到理想值或接近理想值。上述的爐溫閉環控制系統、鍋爐液位控制

20、系統均屬于此類系統。l（2）隨動系統（跟蹤系統）：隨動系統（跟蹤系統）：這類系統的輸入量輸入量是預先未知的隨時間任意變化的函數未知的隨時間任意變化的函數，要求被控量被控量以盡可能小的誤差跟隨輸入量以盡可能小的誤差跟隨輸入量的變化，又稱為跟蹤系統。重點研究被控量跟隨的快速性和準確性。如函數記錄儀，雷達天線的自動跟蹤系統（3）程序控制系統：程序控制系統：這類系統 的輸入量為輸入量為按預定的規律隨時間變化的函數按預定的規律隨時間變化的函數，要求被控被控量迅速、準確地加以復現。量迅速、準確地加以復現。如機械加工中的數控機床工作臺移動系統。 5、按信號的傳遞是否連續分（1）連續系統：連續系統：這類系統中

21、所有元件的信號所有元件的信號都是隨時間連續變化隨時間連續變化的,信號的大小均是可任意取值的模擬量模擬量,稱為連續系統。（2）離散系統：離散系統：這類系統在信號傳遞過程中有一處或多處的信號是脈沖序列脈沖序列或數碼形式數碼形式。若系統采用了采樣開關,將連續信號轉變為離散的脈沖形式的信號,此類系統稱為采樣控制系采樣控制系統或脈沖控制系統統或脈沖控制系統。若采用數字計算機或數字控制器,其離散信號是以數碼形式傳遞的,此類系統稱為數字控制系統數字控制系統。1-4 自動控制系統的基本要求一、基本要求 對于不同類型的控制系統，在系統結構和參數已知的情況下，研究的內容研究的內容都是系統在典典型輸入信號下型輸入信

22、號下，被控量變化的全過程被控量變化的全過程。 對每一類被控量變化的全過程提出的共同基本要求都是一樣的，穩定性、快速性、準穩定性、快速性、準確性，即穩、快、準確性，即穩、快、準。（1）穩定性穩定工作是所有自動控制系統的最基本要求,是系統能否工作的前題。不穩定的系統根本無法完成控制任務。線性自控系統的穩定性是由系統結構和參數覺定的，與外界因素無關。穩定的控制系統，被控量偏離期望值初始偏差隨時間的增長逐漸減小并趨于零；不穩定系統的初始偏差隨時間增長而發散。單調過程單調過程衰減振蕩衰減振蕩 等幅振蕩等幅振蕩 漸擴振蕩漸擴振蕩 不穩定不穩定穩定穩定穩定穩定不穩定不穩定（2）快速性自動控制系統其動態過程多屬于衰減振蕩衰減振蕩情況?？刂葡到y的動態過程不僅要是穩定的，并且希望過渡過程時間過渡過程時間（又稱調整時間調整時間）越短越好（快速性快速性），最大振蕩幅度（用超調超調量衡量量衡量）越小越好，衰減得越快越好（用衰衰減比衡量減比衡量）。（3）準確性指系統在過渡過程結束后，偏差的最終值的偏差的最終值的大小，稱為穩態誤差大小，稱為穩態誤差，它是衡量系統穩態精度的重要指標。穩態誤差穩態誤差越小，表示系統的準確性越好，被控量（輸出量）的期望值與實際值之間的差值就越小。二、典型外作用 為了能對不同的控制系統的性能用統一的標準來