自動控制原理講授張曙光河北農業大學機電工程學院課程重要性☆《自動控制原理》是工科的技術基礎課，該課程與其它課程的關系——承上啟下的課程該課程的學習方法與要求

——了解課程特點明確學習方法與要求自動控制理論電路理論電機與拖動大學物理信號與系統復變函數拉氏變換模擬電子技術線性代數微積分各類專業課線性系統現代控制理論實際系統物理模型數學模型方法（系統組成分析、設計）☆自動控制是一門技術學科，從方法論的角度來研究系統的建立、分析與設計。研究控制系統的共性問題

——提供了研究思想與研究方法課程特點☆自動控制技術是應用非常廣泛的技術本課程學習方法☆打好基礎——復習學過的基礎課☆認真聽課——掌握基本理論和基本方法☆做好習題——鍛煉解決實際問題的能力本課程學習要求學會分析、解決工程問題的基本思路和方法

第一章自動控制系統的基本概念1-1引言1-2自動控制的基本方式1-3自動控制系統的組成1-4自動控制系統的分類1-5對控制系統的基本要求1-6自動控制系統的發展簡史自動控制——指在沒有人直接參與的情況下，利用外加裝置（控制裝置或控制器）使機器、設備或生產過程（被控對象）的某狀態或參數（被控量）按規定的程序或指令自動地進行操作或運行。1-1引言自動控制理論是一個什么樣的課程？單軸執行機構雙軸執行機構自動控制理論——研究自動控制系統的組成，進行系統分析、設計的一般性理論。舉例說明自動控制的概念自動控制系統——為實現某一自動控制目標所需要的所有物理部件的有機組合體。例：人工控制與自動控制：水箱水位控制問題▲用眼觀察水位，目測出實際水位高度并反饋到大腦中（測量過程）▲在腦中與要求水位進行比較，得出偏差大小，決定手的操作動作（決策過程）▲手執行大腦決定的動作，打開或關閉法門（執行過程）人工控制人工控制過程歸納：▲傳感器代替眼看測量出實際水位高度并反饋到控制器▲在控制器中將實際水位與設定水位進行比較得出偏差值，對偏差信號進行放大送到執行器▲執行器執行開關閥門動作自動控制共同特點：通過檢測被控量，得到與給定值的偏差，并去糾正偏差，進而減小偏差。

自動控制過程歸納：★分析控制系統的工作原理——分析人要做這個事情的思路★分析控制系統的結構——設計與組成系統★分析控制系統的性能指標——是否能夠完成任務自動控制理論——研究和分析控制系統共性的理論自動控制就是利用控制裝置代替人去自動地完成人要完成的事情1-2自動控制的基本方式工作原理·控制裝置控制器+執行器+傳感器·被控對象水箱（水位是被控量）控制裝置被控對象一、開環控制控制裝置與受控對象之間只有順向作用而無反向聯系.例

轉臺速度開環控制系統

這種轉臺在CD機、計算機磁盤驅動器等現代裝置中廣泛應用.轉臺電機電源和放大裝置速度設置系統組成：由圖可見：

被控制量速度沒有反饋到輸入端與給定信號比較,為開環控制系統。輸入量：由電位器給定的電壓ug直流電機開環調速系統輸入量控制器被控對象輸出量干擾執行機構控制器：電位器+功率放器組成，將弱小的輸入量變成可執行的大功率信號執行機構：直流調速電動機+機械傳動機構被控對象：需要的一定轉速n的生產機械或其他機械部件輸出量：調速系統的輸出，即被控對象的實際轉速（注意：不一定等于電機轉速n）干擾（擾動）：在輸入量不變的情況下，如負載扭矩變化、供電電壓變化等將引起輸出轉速變化的影響因素開環控制特點：★系統的輸出與輸入之間沒有反饋通道，輸出量沒有與輸入量相比較，即輸出量不參與對系統的控制，只有輸入量對輸出量產生控制作用★系統沒有抗干擾能力★結構簡單，所用的元器件少、成本低輸入量控制器被控對象輸出量干擾執行機構應用：多用于系統結構參數穩定和干擾較小的場合。如：自動化流水線、自動洗衣機例

轉速負反饋直流電動機調速系統直流電機測速發電機電源和放大裝置負載系統組成：UnUf給定電壓反饋電壓e=Un-Uf轉速取決于給定電壓與反饋電壓的差值。二、閉環控制控制裝置與受控對象之間既有順向作用也有無反向聯系.直流電機閉環調速系統輸入量控制器被控對象輸出量干擾執行機構檢測裝置ugufnno閉環控制特點：★通過檢測裝置構成的反饋通道將輸出量送回輸入端，與給定信號進行比較，產生偏差,此偏差經過控制器產生控制作用,使輸出量按照要求的規律變化

★系統具有抗干擾能力，能實現高精度控制★因系統按偏差調節，有時間延遲，輸出量的偏離不能立即得到修正，有可能使輸出量處于振蕩狀態，使系統無法工作。應用：對系統有精度要求時廣泛采用反饋控制是最基本的閉環控制方式。輸入量控制器被控對象輸出量干擾執行機構檢測裝置ugufnnouf三、復合控制1。按輸入信號補償的復合控制輸入量控制器被控對象輸出量干擾執行機構檢測裝置補償裝置補償裝置補償裝置補償裝置noug輸入量補償量補償量輸入量應用：提高系統跟蹤輸入信號的能力和精度輸出量輸出量輸出量輸出量2。按干擾作用補償的復合控制輸出量輸入量控制器被控對象干擾執行機構檢測裝置補償裝置檢測出干擾量，通過補償裝置對輸入信號進行補償以抵消干擾對系統輸出量的影響應用：增強系統的抗干擾能力1-3自動控制系統的組成輸出量給定環節被控對象干擾執行機構反饋校正裝置放大環節串聯校正檢測裝置要求實現自動控制的設備或過程被控設備或過程中需要控制的參數即被控參數測量被控參數的傳感器與測量電路，它將系統的實際輸出反饋到輸入端設定與系統輸出希望值相對應的輸入指令改善系統性能的環節，因為串聯在系統的輸入端，又稱串聯校正輸入與輸出之間進行比較，產生偏差信號，該偏差信號描述了系統希望值與實際值之間的誤差將微小的偏差信號進行放大，使之達到控制執行機構的能量要求執行控制任務，驅動被控對象的動力設備改善局部環節性能的裝置，用反饋的方法調整局部信號達到校正的目的，所以稱反饋校正（或并聯校正）順著從輸入到輸出的信號傳遞方向走出的通道稱為前向通道將輸出（局部輸出）送回到輸入（局部輸入）的通道被稱為反饋通道連接輸入與系統輸出的反饋通道被稱為主反饋通道將局部輸出送回到局部輸入的通道被稱為局部反饋通道典型閉環系統結構框圖典型閉環系統結構框圖1-4自動控制系統的分類●按系統結構分，開環/閉環控制系統●按輸入量形式分，恒值/隨動控制系統●按信號傳遞形式分，連續/離散控制系統●按系統是否滿足疊加性分，線性/非線性控制系統●按系統執行裝置分，機電/液壓/氣壓控制系統等

可以從不同角度對控制系統進行分類：▲系統輸入量為常值，要求被控量也等于常值。

▲系統的基本任務是當出現擾動時，使系統的輸出量保持為恒定的希望值

▲工業產生中的溫度、壓力、流量、液面等參數的控制電力系統的電網電壓、頻率控制等

2.程序控制系統▲系統輸入量按預定規律變化，系統的控制過程按預定的程序進行。▲數控機床按預定程序自動地切削工件。石油化學工業中的反應塔。

一.按輸入量的特征

1.恒值控制系統▲系統輸入量隨時間任意變化。系統輸出量常是機械位移、速度、加速度、力、力矩等機械量。▲系統的基本任務是使系統輸出量能快速、準確地跟隨輸入量變化。▲機械加工中的仿形機床。武器裝備中的火炮自動瞄準系統、雷達跟蹤系統、導彈目標自動跟蹤系統

3.伺服系統又稱隨動系統二、連續控制系統和離散控制系統▲控制系統中各部分的信號若都是時間t

的連續函數，則稱這類系統為連續控制系統。▲在控制系統各部分的信號中只要有一個是時間t

的離散信號，則稱這種系統為離散控制系統。脈沖和數碼都屬于離散信號。計算機控制系統就是一種常見的離散控制系統。計算機只能接受和處理數字信號，計算機的輸出經D/A轉換加給放大器，然后再去驅動執行元件，或由計算機直接輸出數字信號，經數字放大器后驅動數字式執行元件。三、線性控制系統和非線性控制系統▲用非線性方程描述的系統，稱為非線性系統。線性系統特性疊加性齊次性（均勻性）如果微分方程或差分方程的系數為常數，則稱為線性定常數系統；否則，稱為線性時變系統。▲可用線性微分方程或差分方程描述的系統，稱為線性系統。1-5對控制系統的基本要求控制系統應用于不同場合，對它有不同的性能要求。但從控制工程的角度來看，卻有一些共同的標準。常見的評價系統優劣的性能指標基本有三個方面：穩、快、準。二、快速性一、穩定性三、準確性

系統受外作用力后,其動態過程的振蕩傾向和系統恢復平衡的能力。一、穩定性穩定性：如果系統受外作用力經過一段時間，其被控量達到某一穩定狀態，則系統是穩定的。否則為不穩定的。穩定系統的動態過程r(t)t0c(t)1r(t)c(t)不穩定系統的動態過程(a)給定信號作用c(t)(b)擾動信號作用d(t)t0c(t)r(t)t0c(t)r(t)c(t)d(t)不穩定的系統是無法正常工作的。

一種過渡過程是收斂的，即過渡過程結束后，系統又趨于平衡狀態，這類系統稱為穩定的；另一種過渡過程是發散的，這類系統稱為不穩定的；等幅振蕩也被認為是不穩定的。顯然，系統穩定是保證系統能正常工作的首要條件。通過動態過程時間長短表征。時間越短，表明快速性越好，反之亦然。二、快速性r(t)t0c(t)r(t)c1(t)c2(t)快速性表明了系統輸出對輸入響應的快慢程度由輸入給定值與輸出響應的終值之間的差值ess大小表征。三、準確性r(t)t0c(t)r(t)c(t)ess過渡過程結束后，輸出量的希望值與實際值之差。數控機床的加工誤差小于0.02mm。

一般恒速、恒溫控制系統的穩態誤差都在給定值的1%以內。○同一個系統，穩、快、準是相互制約的。○提高快速性，可能會引起系統強烈振動。○改善了平穩性，控制過程又可能很遲緩，甚至精度也會變差。○分析和解決這些矛盾，將是本學科討論的重要內容。1-5自動控制系統的發展簡史●經典控制理論（19世紀初）時域法；復域法（根軌跡）；頻域法●現代控制理論（20世紀50年代）線性控制最優控制最佳估計系統識別自適應控制魯棒控制容錯控制集散控制大系統復雜系統●智能控制理論（20世紀70年代）專家控制模糊控制神經網絡遺傳算法1400——1900工業機器時代亞歷山大的希羅發明開閉廟門和分發圣水等自動裝置(100年)。中國張衡發明水運渾象，研制出自動測量地震的候風地動儀

(132年)。自動控制的發展簡史中國馬鈞研制出用齒輪傳動的自動指示方向的指南車

(235年)

中國明代宋應星所著《天工開物》記載有程序控制思想的提花織機結構圖

(1637年)

英國

J.Watt用離心式調速器控制蒸汽機的速度

(1788年)錢學森的《工程控制論》(

EngineeringCybernetics)

(1954)德國V-2飛彈1942年年底進行了試驗，44年使用。這種飛彈長14米，射程為300公里，可攜帶950公斤炸藥，飛行高度為9.6萬米，飛行速度5800公里/小時，發射后一分鐘便可燃燒掉4噸乙烷和5噸液態氧。它是最早用電磁制導系統控制的武器，不易被偵探，可達到突然襲擊的效果。

二戰時期的航空母艦和飛機美國

MIT研制出第一臺數控機床

(1952)美國研制出第一臺工業機器人樣機

(1954)計算機集成制造的概念(1969)由加工中心和工業機器人組成的柔性制造單元

(1976)中國批準

863高技術計劃，包括自動化領域的計算機集成制造系統和智能機器人兩個主題

(1986)世界第一顆人造地球衛星由蘇聯發射成功(1957)蘇聯東方-１號飛船載著加加林進入人造地球衛星軌道,人類宇航時代開始了(1961)。蘇聯發射“月球”9號探測器，成功(1966)。三年后

(1969)，美國“阿波羅”11號把宇航員送上月球。火箭部