自動(dòng)控制原理武漢大學(xué)王泉德qdwang@QQ:3718910841自動(dòng)控制原理武漢大學(xué)王泉德1課程任務(wù)學(xué)習(xí)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本理論；掌握分析和綜合自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本方法；具有初步的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)基本技能；為自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)打好基礎(chǔ)。2課程任務(wù)學(xué)習(xí)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本理論；2課程特點(diǎn)理論性很強(qiáng)，同時(shí)注重結(jié)合工程實(shí)踐。微積分（含微分方程）電機(jī)與拖動(dòng)模擬電子技術(shù)線性代數(shù)電路理論信號(hào)與系統(tǒng)自動(dòng)控制理論復(fù)變函數(shù)、拉普拉斯變換大學(xué)物理（力學(xué)、熱力學(xué)）3課程特點(diǎn)理論性很強(qiáng)，同時(shí)注重結(jié)合工程實(shí)踐。微積分（含微分方程課程要求聽(tīng)記做4課程要求聽(tīng)4第一章自動(dòng)控制的一般概念5第一章自動(dòng)控制的一般概念5本章內(nèi)容提要1.1自動(dòng)控制的基本原理與方式1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)示例1.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(lèi)1.4對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求6本章內(nèi)容提要1.1自動(dòng)控制的基本原理與方式61.1自動(dòng)控制的基本原理與方式1自動(dòng)控制技術(shù)及其應(yīng)用自動(dòng)控制：在沒(méi)有人直接參與的情況下，通過(guò)控制器，使被控對(duì)象或過(guò)程自動(dòng)地按預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。應(yīng)用：工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、國(guó)防、宇航、社會(huì)。優(yōu)點(diǎn)：①節(jié)省人力；②提高系統(tǒng)的精度；③可以完成人工控制系統(tǒng)無(wú)法完成的工作。71.1自動(dòng)控制的基本原理與方式1自動(dòng)控制技術(shù)及其應(yīng)用自動(dòng)2自動(dòng)控制理論自動(dòng)控制技術(shù)的基礎(chǔ)理論,分析或設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的主要方法和依據(jù)。1.1自動(dòng)控制的基本原理與方式經(jīng)典控制理論（20世紀(jì)40年代開(kāi)始）：以拉氏變換和傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，在復(fù)頻域內(nèi)研究單輸入-單輸出(SISO)線性定常系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)方法；現(xiàn)代控制理論（20世紀(jì)60年代開(kāi)始）：以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，在時(shí)域內(nèi)研究多輸入-多輸出（MIMO）系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)方法；智能控制理論（20世紀(jì)70年代開(kāi)始）：以模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，研究多變量復(fù)雜大系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)方法。82自動(dòng)控制理論自動(dòng)控制技術(shù)的基礎(chǔ)理論,分析或設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系3反饋控制原理

自動(dòng)控制系統(tǒng):為實(shí)現(xiàn)各種控制任務(wù),將被控對(duì)象和控制裝置按照一定的方式連接起來(lái)的一個(gè)有機(jī)總體.

反饋控制:在自動(dòng)控制系統(tǒng)中將被控量以負(fù)反饋的形式與輸入量進(jìn)行比較,并利用偏差來(lái)不斷消除偏差的控制過(guò)程.1.1自動(dòng)控制的基本原理與方式93反饋控制原理自動(dòng)控制系統(tǒng):為實(shí)現(xiàn)各種控制任務(wù),將3反饋控制原理例：人取書(shū)本的過(guò)程眼睛大腦手臂、手眼睛輸入信號(hào)（書(shū)位置）輸出量（手位置）1.1自動(dòng)控制的基本原理與方式103反饋控制原理例：人取書(shū)本的過(guò)程眼睛大腦手臂、手眼睛輸入信例：電壓控制系統(tǒng)系統(tǒng)要求：保持發(fā)電機(jī)輸出電壓U不變（在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速n不變條件下，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，U會(huì)變化）人工控制：調(diào)節(jié)R,使if變化,保持U穩(wěn)定。自動(dòng)控制：圖中虛線框內(nèi)所示。SD——執(zhí)行電機(jī)UU0V負(fù)載發(fā)電機(jī)ufifRUISD1.1自動(dòng)控制的基本原理與方式11例：電壓控制系統(tǒng)系統(tǒng)要求：保持發(fā)電機(jī)輸出電壓U不變（在發(fā)電機(jī)電壓控制系統(tǒng)方塊圖

——給定值U——被控制量放大器SD執(zhí)行機(jī)構(gòu)R電位計(jì)發(fā)電機(jī)+-控制器對(duì)象1.1自動(dòng)控制的基本原理與方式12電壓控制系統(tǒng)方塊圖——給定值4反饋控制系統(tǒng)的基本組成測(cè)量元件：測(cè)量被控量并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電量，如速度、位移、壓力傳感器；1.1自動(dòng)控制的基本原理與方式134反饋控制系統(tǒng)的基本組成測(cè)量元件：測(cè)量被控量并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的4反饋控制系統(tǒng)的基本組成給定元件：給出與期望的被控量相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)輸入量（參據(jù)量）；1.1自動(dòng)控制的基本原理與方式144反饋控制系統(tǒng)的基本組成給定元件：給出與期望的被控量相對(duì)應(yīng)4反饋控制系統(tǒng)的基本組成比較元件：將被控量與給定值加以比較，形成偏差信號(hào)；1.1自動(dòng)控制的基本原理與方式154反饋控制系統(tǒng)的基本組成比較元件：將被控量與給定值加以比較4反饋控制系統(tǒng)的基本組成放大元件：將偏差信號(hào)進(jìn)行前置或功率放大，從而推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)或被控對(duì)象。1.1自動(dòng)控制的基本原理與方式164反饋控制系統(tǒng)的基本組成放大元件：將偏差信號(hào)進(jìn)行前置或功率4反饋控制系統(tǒng)的基本組成執(zhí)行元件：直接推動(dòng)被控對(duì)象，以改變被控量；1.1自動(dòng)控制的基本原理與方式174反饋控制系統(tǒng)的基本組成執(zhí)行元件：直接推動(dòng)被控對(duì)象，以改變4反饋控制系統(tǒng)的基本組成校正元件：改善系統(tǒng)的靜態(tài)性能。1.1自動(dòng)控制的基本原理與方式184反饋控制系統(tǒng)的基本組成校正元件：改善系統(tǒng)的靜態(tài)性能。1.注意：①在實(shí)際系統(tǒng)中，一個(gè)元件常兼有兩種或兩種以上的職能；②元件不一定都是電氣元件，有時(shí)可以是機(jī)械、氣動(dòng)、液壓等元件，從而可以構(gòu)成機(jī)械、氣動(dòng)、液壓等控制系統(tǒng)，但其工作原理都是一致的。1.1自動(dòng)控制的基本原理與方式19注意：②元件不一定都是電氣元件，有時(shí)可以是機(jī)械、氣5自動(dòng)控制系統(tǒng)基本控制方式⑴開(kāi)環(huán)控制方式：控制作用直接由系統(tǒng)的輸入量產(chǎn)生1.1自動(dòng)控制的基本原理與方式例：轉(zhuǎn)臺(tái)速度開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)在CD機(jī)、計(jì)算機(jī)磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器等現(xiàn)代裝置中應(yīng)用.205自動(dòng)控制系統(tǒng)基本控制方式⑴開(kāi)環(huán)控制方式：控制作用直接由1.1自動(dòng)控制的基本原理與方式預(yù)期速度實(shí)際轉(zhuǎn)速直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)放大器轉(zhuǎn)臺(tái)速度開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖:211.1自動(dòng)控制的基本原理與方式預(yù)期速度實(shí)際轉(zhuǎn)速直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)②按擾動(dòng)控制方式：利用可測(cè)量的擾動(dòng)量，產(chǎn)生一種補(bǔ)償作用，以減小或抵消擾動(dòng)對(duì)輸出量的影響，也叫順饋控制（只適合擾動(dòng)可測(cè)量的場(chǎng)合）；開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的組成：①按給定量控制方式：控制作用直接由系統(tǒng)的輸入量產(chǎn)生，控制精度完全取決于所用的元件及校準(zhǔn)的精度；1.1自動(dòng)控制的基本原理與方式22②按擾動(dòng)控制方式：利用可測(cè)量的擾動(dòng)量，產(chǎn)生一種補(bǔ)償作用，以③結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；②誤差不能靠系統(tǒng)本身來(lái)克服；開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的特點(diǎn)：④不存在穩(wěn)定性問(wèn)題。①系統(tǒng)的控制精度取決于各元件的精度及參數(shù)的穩(wěn)定性；1.1自動(dòng)控制的基本原理與方式23③結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；②誤差不能靠系統(tǒng)本身來(lái)克服；開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的特點(diǎn)：⑵閉環(huán)控制方式（反饋控制方式）控制裝置與受控對(duì)象之間，不但有順向作用，而且還有反向聯(lián)系。按反饋控制原理構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng),是一種重要、廣泛應(yīng)用的控制系統(tǒng)。自動(dòng)控制理論主要的研究對(duì)象,也是用這種控制方式組成的系統(tǒng)。1.1自動(dòng)控制的基本原理與方式24⑵閉環(huán)控制方式（反饋控制方式）控制裝置與受控對(duì)象之1.1自動(dòng)控制的基本原理與方式測(cè)速機(jī)偏差反饋量預(yù)期速度實(shí)際轉(zhuǎn)速直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)放大器_

當(dāng)實(shí)際速度受擾動(dòng)的影響發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，從而消除擾動(dòng)對(duì)速度的影響。轉(zhuǎn)臺(tái)速度閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖251.1自動(dòng)控制的基本原理與方式測(cè)速機(jī)偏差反饋量預(yù)期速度實(shí)際1.1自動(dòng)控制的基本原理與方式例轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)直流電機(jī)測(cè)速發(fā)電機(jī)電源和放大裝置負(fù)載系統(tǒng)組成：UnUf給定電壓反饋電壓e=Un-Uf轉(zhuǎn)速取決于給定電壓與反饋電壓的差值。261.1自動(dòng)控制的基本原理與方式例轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流電動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖unufeudn_直流電動(dòng)機(jī)放大器測(cè)速機(jī)由電網(wǎng)電壓波動(dòng)，負(fù)載變化以及其他部分的參數(shù)變化所引起的轉(zhuǎn)速變化，都可以通過(guò)系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)整加以抑制。n↓→Uf↓→e↑→Ud↑→n↑27調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖unufeudn_直流電動(dòng)機(jī)放大器測(cè)速機(jī)③穩(wěn)定性是個(gè)重要問(wèn)題。②能抑制內(nèi)部或外部擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響，可用低成本元件構(gòu)成高精度系統(tǒng)；閉環(huán)系統(tǒng)的特點(diǎn)：①利用偏差消除偏差；1.1自動(dòng)控制的基本原理與方式28③穩(wěn)定性是個(gè)重要問(wèn)題。②能抑制內(nèi)部或外部擾動(dòng)對(duì)系⑶復(fù)合控制方式對(duì)于主要擾動(dòng)采用適當(dāng)?shù)难b置實(shí)現(xiàn)按擾動(dòng)控制；組成反饋控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)按偏差控制,以消除其余擾動(dòng)產(chǎn)生的偏差；按偏差控制和按擾動(dòng)控制相結(jié)合的控制方式稱(chēng)為復(fù)合控制方式。1.1自動(dòng)控制的基本原理與方式前饋補(bǔ)償控制復(fù)合控制：反饋控制+29⑶復(fù)合控制方式對(duì)于主要擾動(dòng)采用適當(dāng)?shù)难b置實(shí)現(xiàn)按擾動(dòng)控制；1.被控量控制器被控對(duì)象給定量檢測(cè)裝置補(bǔ)償裝置被控量控制器被控對(duì)象給定量檢測(cè)裝置補(bǔ)償裝置擾動(dòng)量按輸入補(bǔ)償按擾動(dòng)補(bǔ)償30被控量控制器被控對(duì)象給定量檢測(cè)裝置補(bǔ)償裝置被控量控制器被控對(duì)電壓放大器電阻R功率放大器測(cè)速發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)電壓放大器-u0utueMcn電動(dòng)機(jī)速度復(fù)合控制系統(tǒng)1.1自動(dòng)控制的基本原理與方式31電壓電阻R功率測(cè)速電動(dòng)機(jī)電壓-u0utueMcn電動(dòng)1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)示例1、函數(shù)記錄儀321.2自動(dòng)控制系統(tǒng)示例1、函數(shù)記錄儀32函數(shù)記錄儀方塊圖放大器變換器伺服電動(dòng)機(jī)齒輪系繩輪記錄筆測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)量電路位移ur-up33函數(shù)記錄儀方塊圖放大器伺服齒輪系記錄筆測(cè)速測(cè)量位移ur-2、飛機(jī)-自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)俯仰角控制系統(tǒng)方塊圖給定裝置放大器舵機(jī)飛機(jī)擾動(dòng)反饋電位器垂直陀螺儀--342、飛機(jī)-自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)俯仰角控制系統(tǒng)方塊圖給定裝置放大器舵3、電阻爐溫度微機(jī)控制系統(tǒng)微型計(jì)算機(jī)353、電阻爐溫度微機(jī)控制系統(tǒng)微型計(jì)算機(jī)354、無(wú)人駕駛飛機(jī)——按預(yù)定軌跡飛行364、無(wú)人駕駛飛機(jī)——按預(yù)定軌跡飛行365、我國(guó)研制的地空導(dǎo)彈制導(dǎo)導(dǎo)彈——瞄準(zhǔn)目標(biāo)375、我國(guó)研制的地空導(dǎo)彈制導(dǎo)導(dǎo)彈——瞄準(zhǔn)目標(biāo)376、雷達(dá)技術(shù)——搜索目標(biāo)386、雷達(dá)技術(shù)——搜索目標(biāo)387、人造地球衛(wèi)星哈勃望遠(yuǎn)鏡－特殊衛(wèi)星中巴資源衛(wèi)星——控制其準(zhǔn)確地進(jìn)入預(yù)定軌道運(yùn)行并回收397、人造地球衛(wèi)星哈勃望遠(yuǎn)鏡－特殊衛(wèi)星中巴資源衛(wèi)星——控制其準(zhǔn)1.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(lèi)開(kāi)環(huán)控制閉環(huán)控制復(fù)合控制按控制方式分機(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)按元件類(lèi)型分按系統(tǒng)性能分線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)定常系統(tǒng)時(shí)變系統(tǒng)確定性系統(tǒng)不確定性系統(tǒng)離散系統(tǒng)恒值控制系統(tǒng)隨動(dòng)系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)按參據(jù)量變化規(guī)律分401.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(lèi)開(kāi)環(huán)控制按控制機(jī)械系統(tǒng)按元件按系統(tǒng)1.3.1線性連續(xù)控制系統(tǒng)式中,c(t)是被控量,r(t)是輸入量.系數(shù)a0,a1,…,an,b0,b1,…,bm是常數(shù)時(shí),稱(chēng)為定常系統(tǒng);系數(shù)a0,a1,…,an,b0,b1,…,bm隨時(shí)間變化時(shí),稱(chēng)為時(shí)變系統(tǒng).線性定常連續(xù)系統(tǒng)按其輸入量的變化規(guī)律不同又可分為恒值控制系統(tǒng)、隨動(dòng)系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng).線性連續(xù)控制系統(tǒng)可以用線性微分方程式描述,其一般形式為(1-1)411.3.1線性連續(xù)控制系統(tǒng)式中,c(t)是被控量,r(t)⑵隨動(dòng)系統(tǒng)輸入信號(hào)是時(shí)間的任意函數(shù)，其變化規(guī)律事先不知道。系統(tǒng)要求輸出量以盡可能小的誤差跟隨輸入信號(hào)的變化。系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是研究被控量跟隨的快速性和準(zhǔn)確性。⑶程序控制系統(tǒng)這類(lèi)控制系統(tǒng)的輸入信號(hào)是按預(yù)定規(guī)律隨時(shí)間變化的函數(shù),要求被控量迅速、準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn).例：機(jī)械加工使用的數(shù)字程序控制機(jī)床⑴恒值控制系統(tǒng)輸入信號(hào)是恒定常值，被控量也是一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的常值，當(dāng)外界有擾動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)要求被控量保持為一個(gè)不變的常值。如電壓控制系統(tǒng)。對(duì)系統(tǒng)的要求是穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)誤差。42⑵隨動(dòng)系統(tǒng)輸入信號(hào)是時(shí)間的任意函數(shù)，其變化規(guī)律事先不知道。1.3.2線性定常離散系統(tǒng)離散系統(tǒng)是指系統(tǒng)的某處或多處的信號(hào)為脈沖序列或數(shù)碼形式,因而信號(hào)在時(shí)間上是離散的.一般,在離散系統(tǒng)中既有連續(xù)的模擬信號(hào),也有離散的數(shù)字信號(hào).因此,離散系統(tǒng)要用差分方程來(lái)描述.線性差分方程的一般形式為工業(yè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)就是典型的離散系統(tǒng).式中,,n為差分方程的次數(shù),a0,a1,…,an,b0,b1,…,bm為常系數(shù),r(k),c(k)分別為輸入和輸出采樣序列.(1-2)431.3.2線性定常離散系統(tǒng)離散系統(tǒng)是指系統(tǒng)的某處或1.3.3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(lèi)系統(tǒng)就稱(chēng)為非線性系統(tǒng).這時(shí),要用非線性微分(或差分)方程來(lái)描述其特性.嚴(yán)格地說(shuō),實(shí)際的控制系統(tǒng)都是非線性系統(tǒng).但對(duì)于非線性程度不太嚴(yán)重的元部件,可采用在一定范圍內(nèi)線性化的方法,從而將非線性系統(tǒng)近似為線性控制系統(tǒng).非線性方程的特點(diǎn)是系數(shù)與變量有關(guān),或者方程中含有變量及其導(dǎo)數(shù)的高次冪或乘積項(xiàng),例如由于非線性方程在數(shù)學(xué)處理上較困難,目前對(duì)不同類(lèi)型的非線性系統(tǒng)的研究還沒(méi)有統(tǒng)一的方法.441.3.3非線性控制系統(tǒng)系統(tǒng)中只要有一個(gè)元部件的輸1.4對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求穩(wěn)定性快速性準(zhǔn)確性451.4對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求穩(wěn)定性快速性準(zhǔn)確性45⑴穩(wěn)定性穩(wěn)定性是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件.一個(gè)穩(wěn)定的控制系統(tǒng),其被控量偏離期望值的初始偏差應(yīng)隨時(shí)間的增長(zhǎng)逐漸減小或趨于零.線性自動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性是由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)所決定,與外界因素?zé)o關(guān).46⑴穩(wěn)定性穩(wěn)定性是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件.一⑵快速性控制系統(tǒng)不僅要穩(wěn)定,還必須對(duì)其過(guò)渡過(guò)程的形式和快慢提出要求,一般稱(chēng)為動(dòng)態(tài)性能,其中包括過(guò)渡過(guò)程時(shí)間(即快速性)和最大振蕩幅度(即超調(diào)量).47⑵快速性控制系統(tǒng)不僅要穩(wěn)定,還必須對(duì)其過(guò)渡過(guò)程的形⑶準(zhǔn)確性理想情況下,當(dāng)過(guò)渡過(guò)程結(jié)束后,被控量達(dá)到的穩(wěn)態(tài)值(即平衡狀態(tài))應(yīng)與期望值一致.但實(shí)際上,由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、外作用形式以及摩擦、間隙等非線性因素的影響,被控量的穩(wěn)態(tài)值與期望值之間會(huì)有誤差存在,稱(chēng)為穩(wěn)態(tài)誤差.穩(wěn)態(tài)誤差又稱(chēng)穩(wěn)態(tài)性能,是衡量控制系統(tǒng)控制精度的重要標(biāo)志,在技術(shù)指標(biāo)中一般都有具體要求.48⑶準(zhǔn)確性理想情況下,當(dāng)過(guò)渡過(guò)程結(jié)束后,被控量達(dá)到的典型輸入（外作用）為了便于用統(tǒng)一的方法研究和比較控制系統(tǒng)的性能,通常選用幾種確定性函數(shù)作為典型輸入。它們應(yīng)具備以下條件:①這種函數(shù)在現(xiàn)場(chǎng)或?qū)嶒?yàn)室中容易得到;②控制系統(tǒng)在這種函數(shù)作用下的性能應(yīng)代表在實(shí)際工作條件下的性能;③這種函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式簡(jiǎn)單便于理論計(jì)算49典型輸入（外作用）為了便于用統(tǒng)一的方法研究和比較控制典型外作用⑴階躍函數(shù)其數(shù)學(xué)表達(dá)式為幅值R=1的階躍函數(shù)稱(chēng)為單位階躍函數(shù),用1(t)表示;幅值為R的階躍函數(shù)便可表示為,在任意時(shí)刻t0出現(xiàn)的階躍函數(shù)可表示為50典型外作用⑴階躍函數(shù)其數(shù)學(xué)表達(dá)式為幅值R=1的階躍⑵斜坡函數(shù)其數(shù)學(xué)表達(dá)式為表示在t=0時(shí)刻開(kāi)始,以恒定速率R隨時(shí)間而變化的函數(shù),即斜坡函數(shù)。51⑵斜坡函數(shù)其數(shù)學(xué)表達(dá)式為表示在t=0時(shí)刻開(kāi)始,以⑶脈沖函數(shù)其數(shù)學(xué)定義為式中,(A/t0)[1(t)-1(t-t0)]是由兩個(gè)階躍函數(shù)合成的脈沖函數(shù),其面積A=(A/t0)t0。當(dāng)寬度t0趨于零時(shí),脈動(dòng)函數(shù)的極限便是脈沖函數(shù),它是一個(gè)寬度為零、幅值為無(wú)窮大、面積為A的極限脈沖。52⑶脈沖函數(shù)其數(shù)學(xué)定義為式中,(A/t0)[1(t)-脈沖函數(shù)的的強(qiáng)度通常用其面積表示.面積A=1的脈沖函數(shù)稱(chēng)為單位脈沖函數(shù)或函數(shù);強(qiáng)度為A的脈沖函數(shù)可表示為.在t0時(shí)刻出現(xiàn)的單位脈沖函數(shù)則表示為.53脈沖函數(shù)的的強(qiáng)度通常用其面積表示.面積A=1的脈⑷正弦函數(shù)其數(shù)學(xué)表達(dá)式為式中,A為正弦函數(shù)的振幅,為正弦函數(shù)角頻率,為初始角.54⑷正弦函數(shù)其數(shù)學(xué)表達(dá)式為式中,A為正弦函數(shù)的振幅,作業(yè)1-1,1-5,1-6；55作業(yè)1-1,1-5,1-6；55自動(dòng)控制原理武漢大學(xué)王泉德qdwang@QQ:37189108456自動(dòng)控制原理武漢大學(xué)王泉德1課程任務(wù)學(xué)習(xí)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本理論；掌握分析和綜合自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本方法；具有初步的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)基本技能；為自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)打好基礎(chǔ)。57課程任務(wù)學(xué)習(xí)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本理論；2課程特點(diǎn)理論性很強(qiáng)，同時(shí)注重結(jié)合工程實(shí)踐。微積分（含微分方程）電機(jī)與拖動(dòng)模擬電子技術(shù)線性代數(shù)電路理論信號(hào)與系統(tǒng)自動(dòng)控制理論復(fù)變函數(shù)、拉普拉斯變換大學(xué)物理（力學(xué)、熱力學(xué)）58課程特點(diǎn)理論性很強(qiáng)，同時(shí)注重結(jié)合工程實(shí)踐。微積分（含微分方程課程要求聽(tīng)記做59課程要求聽(tīng)4第一章自動(dòng)控制的一般概念60第一章自動(dòng)控制的一般概念5本章內(nèi)容提要1.1自動(dòng)控制的基本原理與方式1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)示例1.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(lèi)1.4對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求61本章內(nèi)容提要1.1自動(dòng)控制的基本原理與方式61.1自動(dòng)控制的基本原理與方式1自動(dòng)控制技術(shù)及其應(yīng)用自動(dòng)控制：在沒(méi)有人直接參與的情況下，通過(guò)控制器，使被控對(duì)象或過(guò)程自動(dòng)地按預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。應(yīng)用：工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、國(guó)防、宇航、社會(huì)。優(yōu)點(diǎn)：①節(jié)省人力；②提高系統(tǒng)的精度；③可以完成人工控制系統(tǒng)無(wú)法完成的工作。621.1自動(dòng)控制的基本原理與方式1自動(dòng)控制技術(shù)及其應(yīng)用自動(dòng)2自動(dòng)控制理論自動(dòng)控制技術(shù)的基礎(chǔ)理論,分析或設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的主要方法和依據(jù)。1.1自動(dòng)控制的基本原理與方式經(jīng)典控制理論（20世紀(jì)40年代開(kāi)始）：以拉氏變換和傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，在復(fù)頻域內(nèi)研究單輸入-單輸出(SISO)線性定常系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)方法；現(xiàn)代控制理論（20世紀(jì)60年代開(kāi)始）：以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，在時(shí)域內(nèi)研究多輸入-多輸出（MIMO）系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)方法；智能控制理論（20世紀(jì)70年代開(kāi)始）：以模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，研究多變量復(fù)雜大系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)方法。632自動(dòng)控制理論自動(dòng)控制技術(shù)的基礎(chǔ)理論,分析或設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系3反饋控制原理

自動(dòng)控制系統(tǒng):為實(shí)現(xiàn)各種控制任務(wù),將被控對(duì)象和控制裝置按照一定的方式連接起來(lái)的一個(gè)有機(jī)總體.

反饋控制:在自動(dòng)控制系統(tǒng)中將被控量以負(fù)反饋的形式與輸入量進(jìn)行比較,并利用偏差來(lái)不斷消除偏差的控制過(guò)程.1.1自動(dòng)控制的基本原理與方式643反饋控制原理自動(dòng)控制系統(tǒng):為實(shí)現(xiàn)各種控制任務(wù),將3反饋控制原理例：人取書(shū)本的過(guò)程眼睛大腦手臂、手眼睛輸入信號(hào)（書(shū)位置）輸出量（手位置）1.1自動(dòng)控制的基本原理與方式653反饋控制原理例：人取書(shū)本的過(guò)程眼睛大腦手臂、手眼睛輸入信例：電壓控制系統(tǒng)系統(tǒng)要求：保持發(fā)電機(jī)輸出電壓U不變（在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速n不變條件下，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，U會(huì)變化）人工控制：調(diào)節(jié)R,使if變化,保持U穩(wěn)定。自動(dòng)控制：圖中虛線框內(nèi)所示。SD——執(zhí)行電機(jī)UU0V負(fù)載發(fā)電機(jī)ufifRUISD1.1自動(dòng)控制的基本原理與方式66例：電壓控制系統(tǒng)系統(tǒng)要求：保持發(fā)電機(jī)輸出電壓U不變（在發(fā)電機(jī)電壓控制系統(tǒng)方塊圖

——給定值U——被控制量放大器SD執(zhí)行機(jī)構(gòu)R電位計(jì)發(fā)電機(jī)+-控制器對(duì)象1.1自動(dòng)控制的基本原理與方式67電壓控制系統(tǒng)方塊圖——給定值4反饋控制系統(tǒng)的基本組成測(cè)量元件：測(cè)量被控量并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電量，如速度、位移、壓力傳感器；1.1自動(dòng)控制的基本原理與方式684反饋控制系統(tǒng)的基本組成測(cè)量元件：測(cè)量被控量并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的4反饋控制系統(tǒng)的基本組成給定元件：給出與期望的被控量相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)輸入量（參據(jù)量）；1.1自動(dòng)控制的基本原理與方式694反饋控制系統(tǒng)的基本組成給定元件：給出與期望的被控量相對(duì)應(yīng)4反饋控制系統(tǒng)的基本組成比較元件：將被控量與給定值加以比較，形成偏差信號(hào)；1.1自動(dòng)控制的基本原理與方式704反饋控制系統(tǒng)的基本組成比較元件：將被控量與給定值加以比較4反饋控制系統(tǒng)的基本組成放大元件：將偏差信號(hào)進(jìn)行前置或功率放大，從而推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)或被控對(duì)象。1.1自動(dòng)控制的基本原理與方式714反饋控制系統(tǒng)的基本組成放大元件：將偏差信號(hào)進(jìn)行前置或功率4反饋控制系統(tǒng)的基本組成執(zhí)行元件：直接推動(dòng)被控對(duì)象，以改變被控量；1.1自動(dòng)控制的基本原理與方式724反饋控制系統(tǒng)的基本組成執(zhí)行元件：直接推動(dòng)被控對(duì)象，以改變4反饋控制系統(tǒng)的基本組成校正元件：改善系統(tǒng)的靜態(tài)性能。1.1自動(dòng)控制的基本原理與方式734反饋控制系統(tǒng)的基本組成校正元件：改善系統(tǒng)的靜態(tài)性能。1.注意：①在實(shí)際系統(tǒng)中，一個(gè)元件常兼有兩種或兩種以上的職能；②元件不一定都是電氣元件，有時(shí)可以是機(jī)械、氣動(dòng)、液壓等元件，從而可以構(gòu)成機(jī)械、氣動(dòng)、液壓等控制系統(tǒng)，但其工作原理都是一致的。1.1自動(dòng)控制的基本原理與方式74注意：②元件不一定都是電氣元件，有時(shí)可以是機(jī)械、氣5自動(dòng)控制系統(tǒng)基本控制方式⑴開(kāi)環(huán)控制方式：控制作用直接由系統(tǒng)的輸入量產(chǎn)生1.1自動(dòng)控制的基本原理與方式例：轉(zhuǎn)臺(tái)速度開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)在CD機(jī)、計(jì)算機(jī)磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器等現(xiàn)代裝置中應(yīng)用.755自動(dòng)控制系統(tǒng)基本控制方式⑴開(kāi)環(huán)控制方式：控制作用直接由1.1自動(dòng)控制的基本原理與方式預(yù)期速度實(shí)際轉(zhuǎn)速直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)放大器轉(zhuǎn)臺(tái)速度開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖:761.1自動(dòng)控制的基本原理與方式預(yù)期速度實(shí)際轉(zhuǎn)速直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)②按擾動(dòng)控制方式：利用可測(cè)量的擾動(dòng)量，產(chǎn)生一種補(bǔ)償作用，以減小或抵消擾動(dòng)對(duì)輸出量的影響，也叫順饋控制（只適合擾動(dòng)可測(cè)量的場(chǎng)合）；開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的組成：①按給定量控制方式：控制作用直接由系統(tǒng)的輸入量產(chǎn)生，控制精度完全取決于所用的元件及校準(zhǔn)的精度；1.1自動(dòng)控制的基本原理與方式77②按擾動(dòng)控制方式：利用可測(cè)量的擾動(dòng)量，產(chǎn)生一種補(bǔ)償作用，以③結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；②誤差不能靠系統(tǒng)本身來(lái)克服；開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的特點(diǎn)：④不存在穩(wěn)定性問(wèn)題。①系統(tǒng)的控制精度取決于各元件的精度及參數(shù)的穩(wěn)定性；1.1自動(dòng)控制的基本原理與方式78③結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；②誤差不能靠系統(tǒng)本身來(lái)克服；開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的特點(diǎn)：⑵閉環(huán)控制方式（反饋控制方式）控制裝置與受控對(duì)象之間，不但有順向作用，而且還有反向聯(lián)系。按反饋控制原理構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng),是一種重要、廣泛應(yīng)用的控制系統(tǒng)。自動(dòng)控制理論主要的研究對(duì)象,也是用這種控制方式組成的系統(tǒng)。1.1自動(dòng)控制的基本原理與方式79⑵閉環(huán)控制方式（反饋控制方式）控制裝置與受控對(duì)象之1.1自動(dòng)控制的基本原理與方式測(cè)速機(jī)偏差反饋量預(yù)期速度實(shí)際轉(zhuǎn)速直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)放大器_

當(dāng)實(shí)際速度受擾動(dòng)的影響發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，從而消除擾動(dòng)對(duì)速度的影響。轉(zhuǎn)臺(tái)速度閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖801.1自動(dòng)控制的基本原理與方式測(cè)速機(jī)偏差反饋量預(yù)期速度實(shí)際1.1自動(dòng)控制的基本原理與方式例轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)直流電機(jī)測(cè)速發(fā)電機(jī)電源和放大裝置負(fù)載系統(tǒng)組成：UnUf給定電壓反饋電壓e=Un-Uf轉(zhuǎn)速取決于給定電壓與反饋電壓的差值。811.1自動(dòng)控制的基本原理與方式例轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流電動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖unufeudn_直流電動(dòng)機(jī)放大器測(cè)速機(jī)由電網(wǎng)電壓波動(dòng)，負(fù)載變化以及其他部分的參數(shù)變化所引起的轉(zhuǎn)速變化，都可以通過(guò)系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)整加以抑制。n↓→Uf↓→e↑→Ud↑→n↑82調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖unufeudn_直流電動(dòng)機(jī)放大器測(cè)速機(jī)③穩(wěn)定性是個(gè)重要問(wèn)題。②能抑制內(nèi)部或外部擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響，可用低成本元件構(gòu)成高精度系統(tǒng)；閉環(huán)系統(tǒng)的特點(diǎn)：①利用偏差消除偏差；1.1自動(dòng)控制的基本原理與方式83③穩(wěn)定性是個(gè)重要問(wèn)題。②能抑制內(nèi)部或外部擾動(dòng)對(duì)系⑶復(fù)合控制方式對(duì)于主要擾動(dòng)采用適當(dāng)?shù)难b置實(shí)現(xiàn)按擾動(dòng)控制；組成反饋控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)按偏差控制,以消除其余擾動(dòng)產(chǎn)生的偏差；按偏差控制和按擾動(dòng)控制相結(jié)合的控制方式稱(chēng)為復(fù)合控制方式。1.1自動(dòng)控制的基本原理與方式前饋補(bǔ)償控制復(fù)合控制：反饋控制+84⑶復(fù)合控制方式對(duì)于主要擾動(dòng)采用適當(dāng)?shù)难b置實(shí)現(xiàn)按擾動(dòng)控制；1.被控量控制器被控對(duì)象給定量檢測(cè)裝置補(bǔ)償裝置被控量控制器被控對(duì)象給定量檢測(cè)裝置補(bǔ)償裝置擾動(dòng)量按輸入補(bǔ)償按擾動(dòng)補(bǔ)償85被控量控制器被控對(duì)象給定量檢測(cè)裝置補(bǔ)償裝置被控量控制器被控對(duì)電壓放大器電阻R功率放大器測(cè)速發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)電壓放大器-u0utueMcn電動(dòng)機(jī)速度復(fù)合控制系統(tǒng)1.1自動(dòng)控制的基本原理與方式86電壓電阻R功率測(cè)速電動(dòng)機(jī)電壓-u0utueMcn電動(dòng)1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)示例1、函數(shù)記錄儀871.2自動(dòng)控制系統(tǒng)示例1、函數(shù)記錄儀32函數(shù)記錄儀方塊圖放大器變換器伺服電動(dòng)機(jī)齒輪系繩輪記錄筆測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)量電路位移ur-up88函數(shù)記錄儀方塊圖放大器伺服齒輪系記錄筆測(cè)速測(cè)量位移ur-2、飛機(jī)-自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)俯仰角控制系統(tǒng)方塊圖給定裝置放大器舵機(jī)飛機(jī)擾動(dòng)反饋電位器垂直陀螺儀--892、飛機(jī)-自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)俯仰角控制系統(tǒng)方塊圖給定裝置放大器舵3、電阻爐溫度微機(jī)控制系統(tǒng)微型計(jì)算機(jī)903、電阻爐溫度微機(jī)控制系統(tǒng)微型計(jì)算機(jī)354、無(wú)人駕駛飛機(jī)——按預(yù)定軌跡飛行914、無(wú)人駕駛飛機(jī)——按預(yù)定軌跡飛行365、我國(guó)研制的地空導(dǎo)彈制導(dǎo)導(dǎo)彈——瞄準(zhǔn)目標(biāo)925、我國(guó)研制的地空導(dǎo)彈制導(dǎo)導(dǎo)彈——瞄準(zhǔn)目標(biāo)376、雷達(dá)技術(shù)——搜索目標(biāo)936、雷達(dá)技術(shù)——搜索目標(biāo)387、人造地球衛(wèi)星哈勃望遠(yuǎn)鏡－特殊衛(wèi)星中巴資源衛(wèi)星——控制其準(zhǔn)確地進(jìn)入預(yù)定軌道運(yùn)行并回收947、人造地球衛(wèi)星哈勃望遠(yuǎn)鏡－特殊衛(wèi)星中巴資源衛(wèi)星——控制其準(zhǔn)1.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(lèi)開(kāi)環(huán)控制閉環(huán)控制復(fù)合控制按控制方式分機(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)按元件類(lèi)型分按系統(tǒng)性能分線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)定常系統(tǒng)時(shí)變系統(tǒng)確定性系統(tǒng)不確定性系統(tǒng)離散系統(tǒng)恒值控制系統(tǒng)隨動(dòng)系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)按參據(jù)量變化規(guī)律分951.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(lèi)開(kāi)環(huán)控制按控制機(jī)械系統(tǒng)按元件按系統(tǒng)1.3.1線性連續(xù)控制系統(tǒng)式中,c(t)是被控量,r(t)是輸入量.系數(shù)a0,a1,…,an,b0,b1,…,bm是常數(shù)時(shí),稱(chēng)為定常系統(tǒng);系數(shù)a0,a1,…,an,b0,b1,…,bm隨時(shí)間變化時(shí),稱(chēng)為時(shí)變系統(tǒng).線性定常連續(xù)系統(tǒng)按其輸入量的變化規(guī)律不同又可分為恒值控制系統(tǒng)、隨動(dòng)系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng).線性連續(xù)控制系統(tǒng)可以用線性微分方程式描述,其一般形式為(1-1)961.3.1線性連續(xù)控制系統(tǒng)式中,c(t)是被控量,r(t)⑵隨動(dòng)系統(tǒng)輸入信號(hào)是時(shí)間的任意函數(shù)，其變化規(guī)律事先不知道。系統(tǒng)要求輸出量以盡可能小的誤差跟隨輸入信號(hào)的變化。系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是研究被控量跟隨的快速性和準(zhǔn)確性。⑶程序控制系統(tǒng)這類(lèi)控制系統(tǒng)的輸入信號(hào)是按預(yù)定規(guī)律隨時(shí)間變化的函數(shù),要求被控量迅速、準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn).例：機(jī)械加工使用的數(shù)字程序控制機(jī)床⑴恒值控制系統(tǒng)輸入信號(hào)是恒定常值，被控量也是一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的常值，當(dāng)外界有擾動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)要求被控量保持為一個(gè)不變的常值。如電壓控制系統(tǒng)。對(duì)系統(tǒng)的要求是穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)誤差。97⑵隨動(dòng)系統(tǒng)輸入信號(hào)是時(shí)間的任意函數(shù)，其變化規(guī)律事先不知道。1.3.2線性定常離散系統(tǒng)離散系統(tǒng)是指系統(tǒng)的某處或多處的信號(hào)為脈沖序列或數(shù)碼形式,因而信號(hào)在時(shí)間上是離散的.一般,在離散系統(tǒng)中既有連續(xù)的模擬信號(hào),也有離散的數(shù)字信號(hào).因此,離散系統(tǒng)要用差分方程來(lái)描述.線性差分方程的一般形式為工業(yè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)就是典型的離散系統(tǒng).式中,,n為差分方程的次數(shù),a0,a1,…,an,b0,b1,…,bm為常系數(shù),r(k),c(k)分別為輸入和輸出采樣序列.(1-2)981.3.2線性定常離散系統(tǒng)離散系統(tǒng)是指系統(tǒng)的某處或1.3.3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(lèi)系統(tǒng)就稱(chēng)為非線性系統(tǒng).這時(shí),要用非線性微分(或差分)方程來(lái)描述其特性.嚴(yán)格地說(shuō),實(shí)際的控制系統(tǒng)都是非線性系統(tǒng).但對(duì)于非線性程度不太嚴(yán)重的元部件,可采用在一定范圍內(nèi)線性化的方法,從而將非線性系統(tǒng)近似為線性控制系統(tǒng).非線性方程的特點(diǎn)是系數(shù)與變量有關(guān),或者方程中含有變量及其導(dǎo)數(shù)的高次冪或乘積項(xiàng),例如由于非線性方程在數(shù)學(xué)處理上較困難,目前對(duì)不同類(lèi)型的非線性系統(tǒng)的研究還沒(méi)有統(tǒng)一的方法.99