1、第一章 緒論1.1 自動控制系統簡介1.2 自動控制系統分類1.3 自動控制理論的發展簡史1.4 工程控制問題的基本要求0.1 控制的含義控制（CONTROL）-某個主體使某個客體按照一定的目的動作主體-人：人工控制； 機器：自動控制客體-指一件物體，一套裝置，一個物化過程，一個特定系統。物體-飛船，電爐。（飛船控制）裝置-鍋爐，汽機。（鍋爐控制）過程-燃燒，傳動。（燃燒控制）系統-電力，化工，冶金。（電力控制）0.1 人工控制與自動控制煤氣灶上油煎雞蛋時的油溫控制自行車速度控制汽車駕駛收音機音量調節電飯煲空調抽水馬桶汽輪機轉速控制導彈飛行控制聲控光控路燈1.1 自動控制系統簡介1、自動控制、

2、系統、自動控制系統自動控制：是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設備或裝置（稱控制裝置或控制器），使機器、設備或生產過程（統稱被控對象）的某個工作狀態或參數（即被控量）自動地按照預定的規律（給定值）運行。 系統：是指按照某些規律結合在一起的物體（元部件）的組合，它們相互作用、相互依存，并能完成一定的任務。 自動控制系統 ：能夠實現自動控制的系統就可稱為自動控制系統，一般由控制裝置和被控對象組成。分析決策執行工作對象實際結果觀察觀察干擾預期目標人工控制圖比較、計算執行被控對象被控量測量測量干擾給定值自動控制方框圖Watts flyball governor爐溫控制系統機械轉速、位置的控制 工

3、業過程中溫度、壓力、流量的控制 遠洋巨輪航行控制深水潛艇的控制 飛機自動駕駛神舟飛船的返回控制“勇氣”號、“機遇”號的火星登陸控制 等等總之，自動控制技術的應用幾乎無所不在 。2、自動控制的應用領域自動控制原理：是研究自動控制共同規律的技術科學，而不是對某一過程或對象的具體控制實現（正如微積分是一種數學工具一樣）。解決的基本問題：建立系統的數學模型（建模）分析控制系統的性能（分析）控制系統的綜合與校正控制器設計（綜合） 3、自動控制原理及其要解決的基本問題4、自動控制原理研究的主要內容經典控制理論現代控制理論研究對象 單輸入、單輸出系統（SISO） 多輸入、多輸出系統（MIMO）數學模型 傳遞

4、函數 狀態方程研究手段 頻域法、根軌跡法 狀態空間方法研究目的 系統綜合、校正 最優控制、系統辨識、最佳估計、自適應控制 爐溫控制系統方框圖爐溫控制系統方框圖控制系統的功能框圖控制系統功能框圖6、控制系統的組成被控對象：在自動化領域，被控制的裝置、物理系統或過程稱為被控對象。 控制器：對控制對象產生控制作用的裝置稱為控制器，有時也稱為控制元件、調節器等。執行元件：直接改變被控變量的元件稱為執行元件。測量元件：能夠將一種物理量檢測出來并轉化成另一種容易處理和使用的物理量的裝置稱為傳感器或測量元件（熱敏電阻） 。參考輸入元件：將指令輸入信號變成參考輸入信號的元件可稱為參考輸入元件（電位器）。8、控

5、制系統中常用的信號和變量輸入信號：由外部加到系統中的變量，它不受系統中其他變量的影響和控制。輸出信號：由系統或元件產生的變量，其中最受關注的輸出信號又稱為被控變量控制變量：控制器的輸出信號稱為控制變量，它作用在控制對象（執行元件、功率放大器）上，影響和改變被控變量（放大器（控制器）的輸出信號）。被控變量：在控制系統中被控制的物理量是被控變量。（空氣溫度）反饋信號：是被控變量經傳感器等元件變換并返回到輸入端的信號，一般與被控變量成正比（熱敏電阻即溫度傳感器的輸出信號）。給定值：又稱為指令輸入信號，它與被控變量是同一物理單位，用來表示被控變量的設定值（室內溫度的設定值） 。參考輸入信號：代表指令輸

6、入信號與反饋信號進行比較的基準信號稱為參考輸入信號（電位器的輸出電壓）。偏差信號：參考輸入信號與反饋信號之差稱為偏差信號（e= r - y）。擾動信號：是加于系統上的不希望的外來信號，它對被控變量產生不利的影響（周圍環境溫度的變化及房間散熱條件的變化等）。1.2 自動控制系統分類開環控制和閉環控制 按照控制方式和策略，系統可分為開環控制系統和閉環控制系統兩大類。圖1-3 開環控制系統圖1-4 閉環控制系統1、開環控制系統控制器和控制對象間只有正向控制作用，系統的輸出量不會對控制器產生任何影響；結構簡單，成本低，容易控制，但控制精度低 ；一般適合于干擾不強或可預測的、控制精度要求不高的場合；如果

7、系統的給定輸入與被控量之間的關系固定，且其內部參數或外來擾動的變化都比較小，或這些擾動因素可以事先確定并能給予補償，則采用開環控制也能取得較為滿意的控制效果；對擾動沒有抑制能力。 按給定值操縱的開環控制系統計算控制對象給定值（控制裝置）被控量執行干擾 按干擾補償的開環控制系統計算控制對象測量被控量執行干擾(溫度)輸出量 (手柄位置)輸入量 調壓器 加熱 電阻絲 電爐 恒溫箱 受控對象擾動量控制裝置擾動輸出量輸入量控制裝置受控對象開環控制系統的方框圖 kudnug例：直流電動機調速系統2、閉環控制系統系統輸出量對控制作用有直接影響 ；實現了按偏差控制；也稱為反饋控制；閉環控制系統由前向通道（控制

8、器和控制對象）和反饋通道（反饋裝置）構成（如圖1-4）；反饋控制：正反饋和負反饋；具有正反饋形式的系統一般不能改進系統性能，而且容易使系統性能變壞 ；通常而言，反饋控制就是指負反饋控制。閉環系統必須考慮穩定性問題按偏差調節的閉環控制系統比較、計算控制對象測量被控量執行干擾給定值例：直流電動機調速系統ug kudnub按偏差調節：nub( ug-ub)ud n 控制量：ud = k (ug-ub)偏差信號：ug-ub3、閉環系統與開環系統的區別與開環控制系統相比，閉環控制系統的最大特點是檢測偏差、糾正偏差 ；從系統結構上看，閉環系統具有反向通道； 從功能上看，閉環系統具有如下特點： 由于增加了反

9、饋通道，系統的控制精度得到了提高，若采用開環控制，要達到同樣的精度，則需要高精度的控制器，從而大大增加了成本；由于存在系統的反饋，可以較好地抑制系統各環節中可能存在的擾動和由于器件的老化而引起的結構和參數的不確定性；反饋環節的存在可以較好地改善系統的動態性能。 開環控制閉環控制結構簡單、成本低復雜、成本高精度精度低、對元器件要求高精度高、對元器件要求低穩定性通常不考慮必須考慮二、線性控制系統和非線性控制系統 按照系統是否滿足疊加原理，系統可分為線性系統和非線性系統兩類 。線性控制系統組成控制系統的元件都具有線性特性； 輸入輸出關系一般可以用微分方程、差分方程、傳遞函數以及狀態空間表達式來描述；

10、線性系統的主要特點是具有齊次性和適用疊加原理；如果線性系統中的參數不隨時間變化，則稱為線性定常系統；否則稱為線性時變系統 。非線性控制系統 控制系統中，若至少有一個元件具有非線性特性； 一般不具有齊次性，也不適用疊加原理； 輸出響應和穩定性與輸入信號和初始狀態有很大關系； 也有時變和定常系統之分； 嚴格地講，絕對線性的控制系統（或元件）是不存在的。三、定值控制系統、伺服系統和程序控制系統 按照輸入信號分類，控制系統可分為定值控制系統、伺服系統和程序控制系統。定值控制系統（r(t) = const.）輸入信號是恒值，要求被控變量保持相對應的數值不變 室溫控制系統、直流電機轉速控制系統伺服系統（r

11、(t) 不可預測） 輸入信號是變化規律未知的任意時間函數 ；系統的任務是使被控變量按照同樣規律變化并與輸入信號的誤差保持在規定的范圍內；導彈發射架控制系統、火炮隨動系統、雷達天線控制系統 ；當被控量為位置或角度時，伺服系統又稱為隨動系統。程序控制系統（ r(t) 變化事先已知） 輸入信號是按已知的規律（事先規定的程序）變化； 要求被控變量也按相應的規律隨輸入信號變化，誤差不超過規定值； 熱處理爐的溫控系統、機床的數碼加工系統和仿形控制系統。四、連續控制系統和離散控制系統連續控制系統：控制系統中各部分的信號都是時間的連續函數。 離散控制系統：在控制系統各部分的信號中只要有一個是時間的離散信號。離

12、散模型是計算機控制的最主要模型。思考題：指出下列方程分別表示哪類系統？1.3 自動控制理論的發展簡史1 經典控制理論4050年代形成 SISO系統 基于：二戰軍工技術目標：反饋控制系統的鎮定 基本方法：傳遞函數，頻率法，PID調節器 (頻域)2 現代控制理論6070年代形成 MIMO系統 基于： 冷戰時期空間技術，計算機技術目標：最優控制基本方法：狀態方程（時域）3 智能控制技術 90年代開始發展專家系統姑蘇慕容 模糊控制醉拳神經網絡預測控制4 正在發展的各個領域 自適應控制獨孤九劍 大系統理論魯棒控制金鐘罩鐵布衫 多率周期控制非線性控制（微分幾何，混沌，變結構）1.4 工程控制問題的基本要求

13、為實現自動控制，必須對控制系統提出一定的要求；對于一個閉環控制系統而言，當輸入量和擾動量均不變時，系統輸出量也恒定不變，這種狀態稱為平衡態或靜態、穩態； 當輸入量或擾動量發生變化時，反饋量將與輸入量產生偏差，通過控制器的作用，從而使輸出量最終穩定，即達到一個新的平衡狀態 ；由于系統中各環節總存在慣性，系統從一個平衡點到另一個平衡點無法瞬間完成，即存在一個過渡過程，該過程也稱為動態過程或暫態過程。 根據系統穩態輸出和暫態過程的特性，對閉環控制系統的基本要求可以歸納為三個方面：穩、快、準。1、穩：控制系統的穩定性與平穩性。穩定性是指控制系統偏離平衡狀態后，自動恢復到平衡狀態的能力；控制系統必須具有穩定性（系統正常工作的必要條件）；穩定的控制系統必然存在過渡過程；穩定與否通常可以用曲線來描述（如下圖所示）。 Otr(t)c(t)平穩是指動態過程振蕩的振幅和頻率。即被控量圍繞給定值擺動的幅度和擺動的次數。好的動態過程擺動的幅度小，擺動的次數少。2、快：系統的快速性，即動態過程進行的時間長短。穩和快反映了系統在控制過程中的性能。系統在跟蹤過程中，被控量偏離給定值越小，偏離時間越短，說明系統的動態精度越高。tc(t)r(t)O3、準：就是要求被控量和設定值之間的誤差達到所要求的精度范圍 。準確