1、自自 動動 控控 制制 原原 理理劉叔軍辦公：百工樓509電話-mail: QQ: 1509220193總學時：總學時： 64 理論理論 ：56 實驗：實驗：8自動控制原理自動控制原理 謝克明主編，電子工謝克明主編，電子工業工業出版社，業工業出版社，2007年年 自動控制原理（第四版）胡壽松主編，自動控制原理（第四版）胡壽松主編，國防工業出版社，國防工業出版社，2002年年 學習方式：學習方式：教教 材：材：參考書：參考書：授課、習題、實驗、考試授課、習題、實驗、考試1、拉普拉斯變換、反變換、拉普拉斯變換、反變換數學知識數學知識 ：2、微分方程求解、微分方程求解3、Z

2、變換與變換與Z反變換反變換本課程與其它課程的關系：本課程與其它課程的關系：自動控制理論自動控制理論電路理論電路理論電機與拖動電機與拖動大學物理大學物理信號與系統信號與系統復變函數復變函數 拉氏變換拉氏變換模擬電子技術模擬電子技術線性代數線性代數微積分微積分各各 類類 專業課專業課線性系統線性系統現代控現代控 制理論制理論第一章 自動控制的基本原理第二節 自動控制系統的分類第一節 自動控制與自動控制系統第四節 自動控制理論發展簡述第三節 對控制系統性能的要求第一節 自動控制與自動控制系統一、自動控制的基本概念第一章自動控制的基本原理1969年7月20日，“阿波羅11號”飛船首次登陸月球時的珍貴圖

3、片 第一節 自動控制與自動控制系統2008年9月25日至28日,中國成功實施了神舟七號載人航天飛行（新化社報道） 第一節 自動控制與自動控制系統圖1-5 飛機在上海浦東國際機場跑道上滑行第一節 自動控制與自動控制系統圖 一列CRH3“和諧號”動車組停靠在改擴建的新北京南站站臺（中國政府網 陳濤 攝）第一節 自動控制與自動控制系統圖 RH煉鋼設備第一節 自動控制與自動控制系統蘇格蘭科學家展示新近研制成功的高仿真仿生學假肢。 第一節 自動控制與自動控制系統圖1-4住宅看護機器人（法新社報道）第一節 自動控制與自動控制系統圖1-7 1989年，人工智能模糊控制全自動洗衣機在三洋研制成功（引自人民網）

4、第一節 自動控制與自動控制系統一、自動控制的基本概念現代科學技術中的現代科學技術中的自動控制技術得到自動控制技術得到 了廣泛的應用了廣泛的應用 航天器航天器 工業控制工業控制 機器人機器人 家用電器家用電器 自動控制：自動控制： 在無人直接參與下，利用控制裝置操在無人直接參與下，利用控制裝置操縱受控對象，使受控對象的被控量按給定縱受控對象，使受控對象的被控量按給定信號變化規律去變化。信號變化規律去變化。 第一節 自動控制與自動控制系統控制量控制量:閥門開閥門開度（蒸汽流量）度（蒸汽流量）例例 水溫人工控制系統水溫人工控制系統 受控對象受控對象:水箱水箱系統的構成：系統的構成：被控制量被控制量:

5、水溫水溫 蒸汽通蒸汽通過熱傳導器過熱傳導器件把熱量傳件把熱量傳遞給水遞給水,水的水的溫度與蒸汽溫度與蒸汽的流量成正的流量成正比比. 手動調手動調節閥門的開節閥門的開度，從而調度，從而調節蒸汽的流節蒸汽的流量量,來控制水來控制水的溫度的溫度.但人工難以實現穩定的高質量控制但人工難以實現穩定的高質量控制. 第一節 自動控制與自動控制系統例例 水溫自動控制系統水溫自動控制系統系統中增加了：系統中增加了：控制器控制器電機電機加入給定信號加入給定信號工作原理：工作原理：檢測實際溫度檢測實際溫度產生控制信號產生控制信號 通過電機調通過電機調節閥門的開度節閥門的開度 從而調節蒸從而調節蒸汽流入，控制汽流入，

6、控制水的溫度水的溫度. 實實現沒有人直接現沒有人直接參入的自動水參入的自動水溫控制溫控制.控制器控制器第一節 自動控制與自動控制系統溫度檢測溫度檢測 為了方便地分析系統性能，一般為了方便地分析系統性能，一般用框圖來表示系統的結構，水溫自動控制用框圖來表示系統的結構，水溫自動控制系統可用框圖表示為：系統可用框圖表示為： 要使自動控制系統滿足工程實際的需要使自動控制系統滿足工程實際的需要要 , 必須研究自動控制系統的結構參數與必須研究自動控制系統的結構參數與系統性能之間的關系。特別是被控對象運系統性能之間的關系。特別是被控對象運動規律動規律實際實際溫度溫度偏差偏差反饋量反饋量預期預期溫度溫度_控制

7、器控制器執行機構執行機構閥門閥門水箱水箱控制器控制器第一節 自動控制與自動控制系統二、自動控制系統的基本構成及控二、自動控制系統的基本構成及控制方式制方式1開環控制開環控制有順向作用而無反向聯系有順向作用而無反向聯系. 不同的被控對象和不同的控制裝不同的被控對象和不同的控制裝置構成了不同的控制系統，所以自動置構成了不同的控制系統，所以自動控制系統的種類是很多的。自動控制控制系統的種類是很多的。自動控制系統一般有兩種基本控制方式系統一般有兩種基本控制方式.開環控制開環控制 控制裝置與受控對象之間只控制裝置與受控對象之間只第一節 自動控制與自動控制系統功率放大器+-負載電動機n uguaueuD給

8、定 偏差例例 轉臺速度開環控制系統轉臺速度開環控制系統轉臺轉臺 電機電機電源和放電源和放 大裝置大裝置速度設置速度設置系統組成：系統組成：由圖可見：由圖可見： 速度設置信號通速度設置信號通過功率放大以后，過功率放大以后，提供給電動機驅動提供給電動機驅動電源，電動機帶動電源，電動機帶動轉臺旋轉。轉臺旋轉。 由于被控制量由于被控制量速度沒有反饋到速度沒有反饋到輸入端與給定信輸入端與給定信號比較號比較,為開環控為開環控制系統。制系統。給定給定速度速度實際實際轉速轉速系統結構圖系統結構圖:放大器放大器直流電動機直流電動機轉臺轉臺 這種轉臺在這種轉臺在C D 機、計算機機、計算機磁盤驅動器等許磁盤驅動器

9、等許多現代裝置中廣多現代裝置中廣泛應用泛應用.第一節 自動控制與自動控制系統例例 轉臺速度開環擾動控制系統轉臺速度開環擾動控制系統功率放大器電壓放大器+- -負載niuguBuaumueuD功 放干擾M電動機擾動測量器n電壓放大器+uBuguaue圖 直流電動機轉速擾動控制系統 測量出外部擾動作用，形成與外部擾動測量出外部擾動作用，形成與外部擾動作用相反的控制量與外部作用共同使被控作用相反的控制量與外部作用共同使被控量基本不受影響。量基本不受影響。第一節 自動控制與自動控制系統例例 轉臺速度開環控制系統轉臺速度開環控制系統結構簡單，穩定性好，容易設計和調整結構簡單，穩定性好，容易設計和調整以及

10、成本較低的優點，對那些負載恒定，以及成本較低的優點，對那些負載恒定，擾動小，控制精度要求不高的實際系統，擾動小，控制精度要求不高的實際系統，是有效的控制方式。是有效的控制方式。開環控制的特點：開環控制的特點：第一節 自動控制與自動控制系統2閉環控制閉環控制閉環控制: 閉環控制又稱為閉環控制又稱為反饋控制反饋控制或或按偏差按偏差控制控制。 控制裝置與受控控制裝置與受控對象之間，不但有對象之間，不但有順向作用，還有反順向作用，還有反向聯系。向聯系。 例例 轉臺速度閉環控制系統轉臺速度閉環控制系統 系統中增加了系統中增加了測速發電機作為測速發電機作為反饋裝置反饋裝置 測出電動機的測出電動機的速度反饋

11、給控制速度反饋給控制器。器。 與給定信號比較產生偏差電壓，經過與給定信號比較產生偏差電壓，經過功率放大后對電動機的速度進行閉環控制功率放大后對電動機的速度進行閉環控制. 當速度受擾動當速度受擾動發生變化時，偏發生變化時，偏差電壓也隨之變差電壓也隨之變化，通過閉環調化，通過閉環調節能消除干擾。節能消除干擾。系統結構圖系統結構圖測速機測速機偏差偏差預 期預 期速度速度實 際實 際轉速轉速放大器放大器_直流電動機直流電動機轉臺轉臺第一節 自動控制與自動控制系統閉環控制閉環控制功率放大器電壓放大器+-負載測速發電機nuguaufueud在這種（閉環）系統中，測量元件測的在這種（閉環）系統中，測量元件測

12、的是被控量（轉速是被控量（轉速n），所以，無論任何），所以，無論任何因素，只要因素，只要n變化，就可以自動調節，變化，就可以自動調節，消除或減小這種變化。消除或減小這種變化。第一節 自動控制與自動控制系統直流調速系統、交流變頻調速系統 （3）能減小或消除由擾動形成的偏差，具有較高的控制精度和較強的抗擾能力。 通過以上的實例分析可得出閉環控制系統具有的特點： （1）系統的控制信號是給定值與反饋量的差值，故稱為按偏差控制或反饋控制。 （2）閉環系統有兩種傳輸通道：前向通道和反饋通道。自動控制原理中主要討論閉環控制系統。自動控制原理中主要討論閉環控制系統。 反饋是控制的精髓第一節 自動控制與自動控制

13、系統3復合控制復合控制 測量出外部作用，形成與測量出外部作用，形成與外部作用相反的控制量與外部作用共同使外部作用相反的控制量與外部作用共同使被控量基本不受影響。被控量基本不受影響。前饋補償控制前饋補償控制復合控制基本形式復合控制基本形式.前饋補償控制：前饋補償控制：復合控制：復合控制：反饋控制反饋控制+ 在外部作用下，由系統被控在外部作用下，由系統被控制量的變化產生調節和控制作用。制量的變化產生調節和控制作用。反饋控制：反饋控制：第一節 自動控制與自動控制系統 按擾動前饋補償的復合控制按擾動前饋補償的復合控制給定值給定值被控被控制量制量_檢測元件檢測元件控制器控制器受控對象受控對象前饋補償控制

14、前饋補償控制反饋控制反饋控制主通道主通道前饋通道前饋通道擾動擾動第一節 自動控制與自動控制系統3復合控制復合控制功率放大器電壓放大器電壓放大器+-負載niuguaumufueuduB-uf功 放電壓放大電壓放大擾動測量器測速發電機干擾電動機nuguauBue+圖圖 直流電動機轉速復合控制系統直流電動機轉速復合控制系統第一節 自動控制與自動控制系統第二節自動控制系統的分類一、按變量的數學關系來分一、按變量的數學關系來分 自動控制系統的分類方法較多，常自動控制系統的分類方法較多，常見的有以下幾種見的有以下幾種 第一章 概 述二、按控制系統的輸入作用來分二、按控制系統的輸入作用來分一、線性系統和非線

15、性系統一、線性系統和非線性系統 由線性微分方程或線性差分方程由線性微分方程或線性差分方程所描述的系統。所描述的系統。由非線性方程描述的系統。由非線性方程描述的系統。第二節自動控制系統的分類線性系統：線性系統：非線性系統：非線性系統：二、定常系統和時變系統定常系統定常系統: 若系統微分方程的系數為常數，則若系統微分方程的系數為常數，則稱之為線性定常系統。此類系統為本書稱之為線性定常系統。此類系統為本書主要討論對象。主要討論對象。 系統數學模型微分方程的系數不是系統數學模型微分方程的系數不是時間變量的函數。時間變量的函數。否則稱為時變系統。否則稱為時變系統。第二節自動控制系統的分類三、連續系統和離

16、散系統連續系統：連續系統： 系統中各部分的信號都是時間的連續系統中各部分的信號都是時間的連續函數即模擬量。函數即模擬量。離散系統：離散系統： 系統中有一處或多處信號為時間的系統中有一處或多處信號為時間的離散函數，如脈沖或數碼信號。離散函數，如脈沖或數碼信號。 若系統中既有模擬量也有離散信號，若系統中既有模擬量也有離散信號，則又可稱之為采樣系統。則又可稱之為采樣系統。第二節自動控制系統的分類四、恒值系統、隨動系統和四、恒值系統、隨動系統和 程序程序 控制控制系統系統(按控制系統的輸入作用來分按控制系統的輸入作用來分 ） 系統的給定值為一定值，而控制任系統的給定值為一定值，而控制任務就是克服擾動，

17、使被控量保持恒值。務就是克服擾動，使被控量保持恒值。 例如：電機速度例如：電機速度控制、恒溫、恒控制、恒溫、恒壓、水位控制系壓、水位控制系統等。統等。 恒值系統：恒值系統： 第二節自動控制系統的分類隨動系統：隨動系統： 系統給定值按照事先不知道的時間函系統給定值按照事先不知道的時間函數變化，并要求被控量跟隨給定值變化。數變化，并要求被控量跟隨給定值變化。如：火炮自動如：火炮自動跟蹤系統、輪跟蹤系統、輪舵位置控制系舵位置控制系統等。統等。第二節自動控制系統的分類第二節自動控制系統的分類放大裝置放大裝置例例 位置隨動系統位置隨動系統環型電位器環型電位器電機電機電源電源齒輪齒輪系統組成：系統組成：負

18、載負載輸入輸入r輸出輸出c工作過程：工作過程：r=cUd= 0UdrcUd0電動機帶動齒輪轉動電動機帶動齒輪轉動,調節調節c,使使 r= c電動機靜止電動機靜止系統結構圖系統結構圖r r_電位器電位器m m c cu ue eu ud d放大器放大器電動機電動機減速器減速器+-cccrrucuauecruuur減速器船舵角位置給定值，表示命令角的位置負載E第二節自動控制系統的分類程序控制系統：程序控制系統： 系統的給定值按照一定的時間函數系統的給定值按照一定的時間函數變化，并要求被控量隨之變化。變化，并要求被控量隨之變化。 例如：例如：機械手機械手第二節自動控制系統的分類自動化生產線：自動化生

19、產線：第二節自動控制系統的分類 問題（問題（problems:） 1反饋控制的概念與作用；反饋控制的概念與作用；What is Feedback? 2.自動控制系統的基本組成有哪些？有哪些自動控制系統的基本組成有哪些？有哪些常用術語？常用術語？ 3自控系統的工作原理？自控系統的工作原理？第二節自動控制系統的分類第三節 對控制系統性能的要求 常見的評價系統優劣的性能指標是常見的評價系統優劣的性能指標是從動態過程中定義出來的。對系統性能從動態過程中定義出來的。對系統性能的基本要求有三個方面。的基本要求有三個方面。 二、快速性二、快速性一、穩定性一、穩定性三、準確性三、準確性第一章 概 述一、穩定性

20、第三節 對控制系統性能的要求 系統受外作用力后系統受外作用力后,其動態過程其動態過程的振蕩傾向和系統恢復平衡的能力。的振蕩傾向和系統恢復平衡的能力。穩定性：穩定性： 系統受外作用力系統受外作用力經過一段時間，其經過一段時間，其被控量達到某一穩被控量達到某一穩定狀態，則系統是定狀態，則系統是穩定的。穩定的。否則為不穩定的。否則為不穩定的。r(t)t0c(t)r(t)c(t)不穩定的系統是不穩定的系統是無法正常工作的。無法正常工作的。 擾動信號作用下擾動信號作用下 的不穩定系統的不穩定系統:d(t)t0c(t)c(t)d(t) 一個能在生產一個能在生產實際中應用的系統實際中應用的系統,不僅應具有穩

21、定性不僅應具有穩定性,而且在動態過程中而且在動態過程中的震蕩也不能過于的震蕩也不能過于強烈強烈. AAfdfc第三節 對控制系統性能的要求通過動態過程時間長短表征快速性。通過動態過程時間長短表征快速性。二、快速性r(t)t0c(t)r(t)c1(t)c2(t) 快速性表明了快速性表明了系統輸出對輸入系統輸出對輸入響應的快慢程度響應的快慢程度 過渡過程時過渡過程時間越短，表明間越短，表明快速性越好。快速性越好。反之亦然。反之亦然。t1t2第三節 對控制系統性能的要求 由輸入給定值與輸出響應的終值之由輸入給定值與輸出響應的終值之間的差值間的差值ess大小表征。大小表征。三、準確性三、準確性r(t)

22、t0c(t)ess 它反映了系統它反映了系統的穩態精度。若的穩態精度。若系統最終的誤差系統最終的誤差為零，則稱為無為零，則稱為無差系統，否則為差系統，否則為有差系統。有差系統。c(t)r(t)第三節 對控制系統性能的要求 穩定性、快速性和準確性往往是互穩定性、快速性和準確性往往是互相制約的。在設計與調試的過程中相制約的。在設計與調試的過程中,若過若過分強調某方面的性能分強調某方面的性能,則可能會使其他方則可能會使其他方面的性能受到影響面的性能受到影響. 怎樣根據工作任務的不同怎樣根據工作任務的不同,分析和設分析和設計自動控制系統，使其對三方面的性能有計自動控制系統，使其對三方面的性能有所側重所

23、側重 ，并兼顧其它正是自控原理課程，并兼顧其它正是自控原理課程要解決的問題。要解決的問題。第三節 對控制系統性能的要求 自動控制理論是研究自動控制共同規自動控制理論是研究自動控制共同規律的技術科學。律的技術科學。第四節 自動控制理論發展簡述第一章 概 述 具有具有“自動自動”功能的裝置自古有之功能的裝置自古有之，瓦特發明的蒸汽機上的離心調速器是比，瓦特發明的蒸汽機上的離心調速器是比較自覺地運用反饋原理進行設計并取得成較自覺地運用反饋原理進行設計并取得成功的首例。功的首例。 麥克斯韋對它的穩定性進行分析，于麥克斯韋對它的穩定性進行分析，于1868年發表的論文當屬最早的理論工作。年發表的論文當屬最早的理論工作。 從從20世紀世紀20年代到年代到40年代形成了以時年代形成了以時域法，頻率法和根軌跡法為支柱的域法，頻率法和根軌跡法為支柱的“古典古典”控制理論。控制理論。第四節 自動控制理論發展簡述 60年代以來，隨著計算機技術的發年代以來，隨著計算機技術的發展和航天等高科技的推動，又產生了基于展和航天等高科技的推動，又產生了基于狀態空間模型的所謂狀態空間模型的所謂“現代現代”控制理論。控制理論。 近年來，在非線性系統理論、離散近年來，在非線性系統理論、離散事件系統、大系統和復雜系統理論以及專事件系統、大系統和復雜系統理論以及專家系統、模糊控制和人工神經網絡控制等