1、【上一頁】【返回】2022-3-32 【返回】【上一頁】【返回】2022-3-330 0 自動控制原理綜述自動控制原理綜述 1、授課對象授課對象： 工業自動化專業、測控技術與儀器本科專業 2、本課程的性質和任務本課程的性質和任務： 自動控制原理是工業自動化專業和測控技術與儀器專業的一門重要的專業基礎課。 通過本課程的教學（講課、實驗、答疑和習題課），使學生了解自動控制系統的組成、特點及專業術語，學習并掌握經典控制理論的基本分析方法和設計方法，掌握實驗技能，為設計和調試工業自動控制系統打下理論基礎。并為進一步的理論學習和研究打下堅實的基礎。 【上一頁】【返回】2022-3-343、本課程與相關課

2、程的關系本課程與相關課程的關系自動控制原理自動控制原理微微積積分分積積分分變變換換復復變變函函數數電電子子技技術術電電路路理理論論現代現代控制控制理論理論過 程過 程控 制控 制系統系統各類各類專業專業課程課程大大學學物物理理電電機機拖拖動動【上一頁】【返回】2022-3-354 4、課程的理論體系、課程的理論體系 理論體系：系統描述、系統分析、系統綜合理論體系：系統描述、系統分析、系統綜合【上一頁】【返回】2022-3-361 1）經典控制理論）經典控制理論 研究對象：線性定常單輸入單輸出系統 數學模型：微分方程，傳遞函數（第二章） 系統分析：時域分析、根軌跡分析、 頻率特性分析 （第三、四

3、、五章） 系統綜合：根軌跡法、 頻率特性法（第六章）2 2）現代控制理論）現代控制理論 研究對象：多輸入多輸出系統 數學模型：狀態空間表達式 系統分析：時域分析、能控能觀性分析、穩定性分析 系統綜合：狀態反饋控制、輸出反饋控制、解耦控制 和最優控制【上一頁】【返回】2022-3-37 經典控制理論所采用的方法本質上是頻域方法，建立在試探法的基礎上，主要研究系統的外部特性輸入輸出關系，只適用于比較簡單的線性定常SISO系統。 現代控制理論所采用的方法本質上是時域的方法，它不僅適用于線性定常的SISO系統，還適用于時變系統、非線性系統和MIMO系統；不僅可以研究系統的外部特性，還可以研究系統的內部

4、特性，并將其引入控制，而且可以依據一定的性能指標設計出最優控制系統。 【上一頁】【返回】2022-3-38 5 5、控制理論學科的發展、控制理論學科的發展 控制理論的產生可追述到18世紀中葉英國的第一次工業革命。1765年，Jams Watt發明了蒸汽機，進而應用離心式飛錘調速原理控制蒸汽機，標志著人類以蒸汽為動力的機械化時代的開始，人們開始研究調速系統的穩定性問題。 1872年E.J.Routh,1890年Hurwitz先后找到了系統穩定性的代數判據 【上一頁】【返回】2022-3-39 1892年A.M.Liapunov在其“論運動穩定性的一般問題”的博士論文中給出了基于廣義能量函數的系統

5、穩定性的一般判據。 1932年H.Nyquist給出了基于頻率特性的關于系統穩定性的Nyquist判據。 在二次世界大戰期間，由于軍事上的需要，雷達和火力控制系統有了較大的發展，N.Winner在總結前人成果的基礎上發表了控制論一書，標志著控制理論學科的誕生。【上一頁】【返回】2022-3-310控制理論發展經過了三個時期： 第一階段：經典控制理論（上世紀40年代末到50年代）。研究對象；主要數學工具；主要研究方法；主要解決的問題。 第二階段：現代控制理論（形成于上世紀60年代）。 研究對象；主要數學工具；主要方法；重點問題；核心控制裝置。 第三階段：大系統理論時期（形成于上世紀70年代）。

6、研究對象；研究方法；重點問題；核心裝置。【上一頁】【返回】2022-3-311 七十年代開始，人們不僅解決社會、經濟、管理、生態環境等系統問題，而且為解決模擬人腦功能，形成了新的學科人工智能科學，這是控制論的發展前沿。 人們通過計算機的強大的信息處理能力來開發人工智能，并用它來模仿人腦。在沒有人的干預下，人工智能系統能夠進行自調節、自學習和自組織，以適應外界環境的變化，并作出相應的決策和控制。 【上一頁】【返回】2022-3-312 本課程只介紹經典控制理論部分，現代控制理論和智能控制部分將在后續課程中介紹。 【上一頁】【返回】2022-3-3136 6、選用教材：、選用教材： 自動控制原理，

7、顧樹生、王建輝，冶金工業出版社。 主要參考書目：主要參考書目： 1楊自厚，自動控制原理，冶金工業出版社，2003.6。 2胡壽松，自動控制原理，國防工業出版社，2000年。 3緒方勝彥，盧伯英等譯，現代控制工程，科學出版 社，1981年。 4李友善，自動控制原理，國防工業出版社 5孫虎章主編，自動控制原理，北京：中央廣播電視大學出 版社，1984 6李光泉主編，自動控制原理，北京：機械工業出版社，1987 7 7、學時安排：、學時安排：9090學時學時【上一頁】【返回】2022-3-314一、基本概念一、基本概念【上一頁】【返回】2022-3-315閥水 池調節器【上一頁】【返回】2022-3

8、-316供水閥水槽水漂檢測實際液位排水干擾實際液位給定液位【上一頁】【返回】2022-3-317【上一頁】【返回】2022-3-318 測量信號測量信號 檢測儀表的輸出經變送器變換后的與被控信號實際值成比例的信號（測量水位）。6 6 偏差信號偏差信號 給定信號與測量信號的差值信號。7 7 控制信號控制信號 調節器（或控制器（內含算法，控制率）輸出的信號。8 8 執行機構執行機構 執行器+調節閥。【上一頁】【返回】2022-3-3191. 1. 概念概念: 【上一頁】【返回】2022-3-320【上一頁】【返回】2022-3-321 按給定補償的前饋控制 按擾動補償的前饋控制)(1sW)(2sW

9、)(sWc)(sH)(sXr)(sXc)(1sW)(2sW)(sWc)(sH)(sXr)(sXc)(sN【上一頁】【返回】2022-3-322 測量信號給定信號被調參數調節器執行機構對象檢測儀表【上一頁】【返回】2022-3-323【上一頁】【返回】2022-3-324220VUcufUgU12 1-熱電偶; 2-加熱器 【上一頁】【返回】2022-3-325KnDnCF1UfUgU【上一頁】【返回】2022-3-326給定量輸出量控制器被控對象檢測裝置擾動信號閉環系統結構圖可看出,輸出量也參與了控制四、復合控制系統 把開環控制與閉環控制結合起來構成的系統為復合控制系統。【上一頁】【返回】20

10、22-3-327(1) 結構圖中信號的傳遞具有單項性。 (2) 作用線只表示信號的傳遞方向,不代表實際物流方向。 (3) 方塊圖可簡可繁,以能清晰描述信號傳遞關系以及突出研究環節性能為原則。（4）從輸入端到輸出端的信號傳遞通道稱為正向通道或前向通道，其傳遞函數為正向通道傳遞函數。（5）從輸出端到輸入端的信號傳遞通道稱為反饋通道，其傳遞函數為反饋通道傳遞函數。【上一頁】【返回】2022-3-328 1.給定環節 2.比較環節 3.校正環節 4.放大環節 5.執行機構 6.控制對象 7.檢測裝置1275634輸入輸出該圖經常作為描述分析系統的工具應重點掌握。【上一頁】【返回】2022-3-329【

11、上一頁】【返回】2022-3-330 將偏差信號轉換成適合于執行器工作的信號(功放,SCR)。注意注意: 2、3、4合為一體控制器(裝置)。 直接作用于控制對象（調節機構、傳動裝置、電機） 要控制的機器,設備,或生產過程(水槽控制量水位；爐體爐溫；軋輥輥速壓下量.)。 測量控制量并轉換成與給定量同物理量信號，要求：精度高、反映靈敏、性能穩定的傳感器(測速發電機、熱電偶、自整角機)。【上一頁】【返回】2022-3-331主反饋：輸出量引回到輸入端的反饋為主反饋。局部反饋：在正向通道里，后面環節的輸出對前面環節的返回影響稱為局部反饋。1275634輸入輸出8注意：注意：【上一頁】【返回】2022-

12、3-332 【上一頁】【返回】2022-3-333 T1T2O2O1給定f1f2【上一頁】【返回】2022-3-334 控制器 Controler 對象 Object輸出參考輸入【上一頁】【返回】2022-3-335 【上一頁】【返回】2022-3-336對方程對方程 txbdttxdbdttxdbtyadttydadttydammmmmnnnnn.11101110【上一頁】【返回】2022-3-337 典型非線性環節特性如下圖典型非線性環節特性如下圖XrXrXrXrXrXra.繼電器 b.飽和 c.不靈敏區(死區)【上一頁】【返回】2022-3-338【上一頁】【返回】2022-3-339采

13、樣開關數據保持器控制對象tXrtete*【上一頁】【返回】2022-3-340:輸入給定值為常值.如恒溫、恒壓、恒速系統.:給定值隨時間任意變化,該系統使輸出跟隨輸入的變化(以一定精度)如雷達、導彈瞄準及攔截位置(前例),過程控制的副回路.又如自動平衡電子電位差計.:給定量按照事先指定的時間函數變化,如程控機床.【上一頁】【返回】2022-3-341 4.4. 自動控制系統的性能指標自動控制系統的性能指標【上一頁】【返回】2022-3-342對于SISO系統可以用微分方程描述,而微分方程(線性)的穩態解(特解)正是描述了系統的穩態;而其暫態解（齊次通解 描述了系統穩態時的穩定程度,用穩態誤差表示,它實指系統達到穩態時輸出量的實際值與期望值(給定值)之間的誤差。其值為零稱為無差系統。它能夠表示出系統穩態時的控制精度。【上一頁】【返回】2022-3-343t)(tx)(txtt)(tx)(txt【上一頁】【返回】2022-3-344t)(txt)(tx (a)(a)給定突增給定突增 (b)(b)擾動突變擾動突變t)(txt)(tx (a) (a)給定突增給定突增 (b)(b)擾動突變擾動突變【上一頁】【返回】2022-3-345 【上一頁】【返回】2022-3-346【上一頁】【返回】2022-3-347三、暫態性能指標三、暫態性能指標t)(txtrxc()x