自動控制理論基礎(chǔ)電氣工程與自動化專業(yè)專業(yè)基礎(chǔ)課(必修課)1第1章自動控制原理第1章自動控制原理概述

自動控制原理是自動控制技術(shù)的基礎(chǔ)理論，它分為經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論兩大部份。經(jīng)典控制理論：它以反饋控制理論和傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，研究單輸入----單輸出控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計問題，主要的研究方法是根軌跡法和頻率法。現(xiàn)代控制理論：它以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究多輸入、多輸出、變參數(shù)、非線性、高精度控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計問題。2第1章自動控制原理自動控制理論經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論線性控制理論非線性控制理論采樣控制理論——Z變換法時域分析法頻域分析法根軌跡法李亞普絡(luò)夫第二法相平面法描述函數(shù)法波波夫法智能控制狀態(tài)反饋控制——狀態(tài)空間法預(yù)測控制自適應(yīng)控制模糊控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制多層遞階控制多指標綜合優(yōu)化控制3第1章自動控制原理1.1自動控制的發(fā)展歷史

所謂自動控制，是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱控制裝置或控制器），使機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（統(tǒng)稱被控對象）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量）自動的按照預(yù)定的規(guī)律運行。

例如，數(shù)控車床按照預(yù)定程序自動地切削工件；無人駕駛飛機按照預(yù)定軌跡自動飛行和升降；化學(xué)反應(yīng)爐的溫度或壓力自動地維持恒定等，這一切都是以高水平的自動控制技術(shù)為前提的。4第1章自動控制原理控制系統(tǒng)的發(fā)展簡史1769JamesWatt改進了蒸汽機和調(diào)節(jié)裝置。Watt蒸汽機的普及和使用成為英國工業(yè)革命開始的標志。這個時期，自動化技術(shù)得到飛躍發(fā)展。

1800Whiney的關(guān)于通用部件的制造理論被用于步槍的生產(chǎn)中。

1868J.C.Maxwell總結(jié)出了蒸汽機調(diào)節(jié)器控制的數(shù)學(xué)模型公式。

1913HerryFord把流水裝配線引入到汽車生產(chǎn)中。

1927H.W.Bode系統(tǒng)的分析了反饋放大器。

5第1章自動控制原理1932H.Nyquist發(fā)展了一種用于分析系統(tǒng)穩(wěn)定性的獨特方法。

1952為控制機床軸承，麻省理工學(xué)院發(fā)展了數(shù)控技術(shù)。

1954GeorgeDavol制造了“流程化產(chǎn)品傳送裝置”，被認為是第一個工業(yè)機器人。

1960在Davol的設(shè)計基礎(chǔ)上，第一臺通用機械手機器人出現(xiàn)。它在1960年被用來裝配在壓鑄機上。1970狀態(tài)變量模型和最優(yōu)化控制理論出現(xiàn)。1980魯棒控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究得到進一步發(fā)展。1994反饋控制被廣泛的應(yīng)用于汽車工業(yè)。可靠的魯棒系統(tǒng)受到制造業(yè)的極大歡迎。6第1章自動控制原理

隨著電子計算機技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，在宇宙航行、機器人控制、導(dǎo)彈制導(dǎo)以及核動力等高新技術(shù)領(lǐng)域中，自動控制技術(shù)有著特別重要的作用，它的發(fā)展目標是實現(xiàn)高度靈活與高度自動化。

不僅如此，自動控制技術(shù)的應(yīng)用范圍已擴展到生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)境、經(jīng)濟管理和其它許多社會領(lǐng)域中，自動控制已成為現(xiàn)代社會生活中不可缺少的重要組成部分。7第1章自動控制原理

控制器輸入量

被控對象控制量輸出量開環(huán)控制系統(tǒng)1.2開環(huán)控制和閉環(huán)控制

若控制系統(tǒng)的輸出量對系統(tǒng)的控制作用沒有影響，則稱該系統(tǒng)為開環(huán)控制系統(tǒng)。即輸入---輸出間只有順向作用，沒有反向聯(lián)系。開環(huán)控制8第1章自動控制原理開環(huán)控制系統(tǒng)特點：開環(huán)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)1.

結(jié)構(gòu)簡單,成本低;2.系統(tǒng)穩(wěn)定性好;3.抗干擾能力差,無自動修正被控量偏差的能力,故系統(tǒng)精度低。4.可用于控制精度要求不高的場合。功率放大器+-+-SM+-uaurn負載被控量給定輸入9第1章自動控制原理

在實際生活中，開環(huán)控制系統(tǒng)的例子是很多的。如自動售貨機、自動洗衣機、產(chǎn)品生產(chǎn)自動線、數(shù)控車床以及指揮交通的紅綠燈的轉(zhuǎn)換等，一般都是開環(huán)控制系統(tǒng)。10第1章自動控制原理

閉環(huán)控制系統(tǒng)是一種反饋控制，在控制過程中對被控量（輸出量）不斷檢測，并將其反饋到輸入端與給定值比較，利用放大后的偏差信號產(chǎn)生控制作用，從而使被控量最終趨于期望輸出。但與此同時，反饋的引入使本來穩(wěn)定運行的開環(huán)系統(tǒng)可能出現(xiàn)強烈震蕩，甚至不穩(wěn)定，這是采用反饋控制構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)需要解決的問題。閉環(huán)控制閉環(huán)控制系統(tǒng)

控制器輸入量

被控對象控制量輸出量

檢測元件-擾動11第1章自動控制原理

控制器輸入量

被控對象控制量輸出量

檢測元件-擾動

信號的傳遞方向用箭頭表示。信號從輸入端沿箭頭方向到達輸出端的傳輸通路稱為前向通路（道）；由系統(tǒng)輸出端沿箭頭方向經(jīng)測量元件反饋到輸入端的傳輸通路，稱為主反饋通路。前向通路和主反饋通路一起構(gòu)成主回路。

此外，可能還有局部反饋通路以及由它組成的內(nèi)回路。12第1章自動控制原理

控制器輸入量

被控對象控制量輸出量

檢測元件-擾動量輸入量：即給定輸入量，給出與期望的被控量相對應(yīng)的系統(tǒng)輸入量，常用r(t)表示。輸出量：即被控量，需要控制的物理量，常用C(t)表示。C(t)r(t)反饋量：將輸出量經(jīng)檢測元件測量并轉(zhuǎn)換成與給定輸入量相同的物理量，且反饋到輸入端，用b(t)表示。b(t)偏差量（凈輸入信號）：將給定輸入信號與反饋信號進行比較求和后所得的信號，用e(t)表示。e(t)

在實際系統(tǒng)中，控制器可由校正元件、放大元件、執(zhí)行元件等構(gòu)成。n(t)13第1章自動控制原理閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)特點：1.控制精度高,可用較低精度元件組成較高精度的控制系統(tǒng)。2.可以克服反饋環(huán)內(nèi)所有擾動對系統(tǒng)的干擾。KSCR功率放大+-+-SM2+-uauPn負載+-CFufue-++-ur放大器SM1Ei+-+-14第1章自動控制原理3.結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。4.由于反饋回路的存在，可能出現(xiàn)系統(tǒng)振蕩或不穩(wěn)定。閉環(huán)控制系統(tǒng)舉例：高溫爐溫度恒定控制示意圖如下~220V調(diào)壓器電壓放大功率放大減速器電動機E電位計+-+-uruf+-

u密封電爐up15第1章自動控制原理~220V調(diào)壓器電壓放大功率放大減速器電動機E電位計+-+-uruf+-

u密封電爐方框圖給定電位器放大器執(zhí)行電動機減速器調(diào)壓器電爐熱電偶uruf-

u爐溫擾動16第1章自動控制原理Q2節(jié)流閥控制閥

減速器SM+-CQ1+-if浮子液位自動控制系統(tǒng)UAUBU擾動控制量檢測反饋執(zhí)行機構(gòu)若Q1=Q2，液位保持恒定，U=UA-UB=0；若Q2增加，C下降，電位器觸頭上移，UB增大，U=UA-UB<0，電機反轉(zhuǎn)，使閥門開大，Q1增大，液位C上升，直到上升到給定位置，此時U=UA-UB=0。若Q2減小，則調(diào)整過程相反。17第1章自動控制原理給定電位器電動機減速器控制閥水箱uAuB-

uCQ1Q2浮球杠桿可動觸頭液位自動控制系統(tǒng)方框圖18第1章自動控制原理

其實，人的一切活動都體現(xiàn)出反饋控制的原理，人本身就是一個具有高度復(fù)雜控制能力的反饋控制系統(tǒng)。例如，人用手拿取桌上的物，其方框圖如下：（物位置）眼睛大腦手臂、手眼睛輸入信號輸出量（手位置）反饋控制實質(zhì)上是一個按偏差進行控制的過程。19第1章自動控制原理例：下圖所示為調(diào)速系統(tǒng)的方框圖，圖中Kh=0.1V/(rad/s)。當(dāng)輸入電壓為10V時，試求（1）輸出的希望值Cr(rad/s)；（2）穩(wěn)態(tài)值C()(rad/s)；（3）穩(wěn)態(tài)誤差ess(V)，并說明該系統(tǒng)是有差系統(tǒng)還是無差系統(tǒng)。100Kh-U(s)E(s)C(s)放大控制器電動機轉(zhuǎn)速計20第1章自動控制原理解：100Kh-U(s)E(s)C(s)放大控制器電動機轉(zhuǎn)速計21第1章自動控制原理100Kh-U(s)E(s)C(s)放大控制器電動機轉(zhuǎn)速計系統(tǒng)穩(wěn)定22第1章自動控制原理100Kh-U(s)E(s)C(s)放大控制器電動機轉(zhuǎn)速計有差系統(tǒng)23第1章自動控制原理復(fù)合控制開環(huán)控制與閉環(huán)控制相結(jié)合的一種控制方式。

控制器輸入量

被控對象控制量輸出量

檢測元件-補償裝置

控制器輸入量

被控對象控制量輸出量

檢測元件-擾動量補償裝置(a)按輸入作用補償(b)按擾動作用補償24第1章自動控制原理1.3自動控制系統(tǒng)的分類及要求控制系統(tǒng)分類按系統(tǒng)元件性質(zhì)分：線性控制系統(tǒng)與非線性控制系統(tǒng)。

線性控制系統(tǒng)是全部由線性元件（輸出輸入成線性關(guān)系）組成的；而非線性控制系統(tǒng)中含有非線性元件。按給定輸入信號分：1.恒值控制系統(tǒng)----這類系統(tǒng)的給定輸入是恒定的,如:恒定速度、恒定溫度控制系統(tǒng)。2.程序控制系統(tǒng)----這類系統(tǒng)的給定輸入信號是按照一定的程序或時間函數(shù)變化的，如：程序控制機床、洗衣機等。25第1章自動控制原理3.隨動控制系統(tǒng)----這類系統(tǒng)的給定量按照事先不知道的時間函數(shù)變化，要求輸出量能跟隨給定輸入量的變化，如：火炮自動跟蹤系統(tǒng)、位置隨動系統(tǒng)等。按控制器裝置分：連續(xù)信號系統(tǒng)和離散信號系統(tǒng)。

連續(xù)信號系統(tǒng)即模擬信號系統(tǒng)，系統(tǒng)中各部份是模擬的連續(xù)信號，其控制器由模擬電路構(gòu)成。

離散信號系統(tǒng)，其控制器是數(shù)字控制器，系統(tǒng)中存在著離散（數(shù)字）信號。由于被控量通常是模擬量，所以這種系統(tǒng)中有數(shù)/模（D/A）和模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器。26第1章自動控制原理對控制系統(tǒng)的基本要求：穩(wěn)、快、準

當(dāng)反饋控制系統(tǒng)的給定量或擾動量發(fā)生變化時，被控制量就會偏離期望輸出值，但通過反饋的自動調(diào)節(jié)作用，經(jīng)過一定時間的過渡過程，被控量又趨于新的穩(wěn)定值，系統(tǒng)由原來的平衡狀態(tài)過渡到新的平衡狀態(tài)，這一過程稱為動態(tài)過程。一個自控系統(tǒng)性能的好壞，通常從三個方面來評價：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)隨著時間的增長逐漸減小并趨于零。27第1章自動控制原理快速性：是指動態(tài)過程進行的時間長短。動態(tài)過程持續(xù)時間長，說明系統(tǒng)反應(yīng)遲鈍，難以復(fù)現(xiàn)快速變化的指令信號。

0C(t)t系統(tǒng)對輸入的階躍響應(yīng)

曲線的相對穩(wěn)定性優(yōu)于曲線準確性：當(dāng)過渡過程結(jié)束后，由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、外作用形式以及元件精度等因素的影響，被控量穩(wěn)態(tài)值與期望值之間會有誤差存在，這就是穩(wěn)態(tài)誤差。它是衡量系統(tǒng)控制精度的重要標志。28第1章自動控制原理小結(jié)：

控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和穩(wěn)態(tài)精度這三方面的性能指標是相互制約的。提高了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，可能使動態(tài)性能變壞；快速性的改善可能會引起系統(tǒng)的強烈振蕩；平穩(wěn)性好的系統(tǒng)又可能很遲緩。分析和解決這些矛盾，是本課程的重要內(nèi)容之一。29第1章自動控制原理控制系統(tǒng)計算機仿真的基本概念2.控制系統(tǒng)的MATLAB仿真

控制系統(tǒng)的MATLAB仿真是應(yīng)用MATLAB中的TOOLBOX工具箱及其SIMULINK仿真集成環(huán)境作仿真工具，它是目前控制領(lǐng)域最流行的計算與仿真軟件。1.4控制系統(tǒng)的MATLAB仿真

控制系統(tǒng)的計算機仿真，是一門涉及到計算機技術(shù)、計算數(shù)學(xué)與控制理論、系統(tǒng)辨識、控制工程以及系統(tǒng)科學(xué)的綜合性學(xué)科，用來幫助設(shè)計人員進行控制系統(tǒng)分析、綜合、設(shè)計、校驗等多方面的計算機處理。具體內(nèi)容將在MATLAB上機實驗中做介紹。30第1章自動控制原理本章作業(yè)(P14)1.31.51.631第1章自動控制原理1-3晶體管穩(wěn)壓電源如圖所示，畫出其方框圖，并說明電路中哪些元件起著測量、放大、執(zhí)行的作用，系統(tǒng)的給定值、輸出量、干擾量分別是什么？題1.3圖32第1