二月23自動控制原理自動控制原理航空自動化學院郭曉靜二月23自動控制原理教材：《自動控制原理》任彥碩主編,

機械工業出版社主要參考書：《自動控制原理》顧樹生、王建輝主編,

冶金工業出版社《自動控制原理》吳麒主編，清華大學出版社

《自動控制理論》蔡尚峰主編，機械工業出版社《自動控制原理》李友善主編，國防工業出版社《反饋控制系統分析與設計——MATLAB語言應用》薛定宇著，清華大學出版社教材及參考文獻目錄二月23自動控制原理該課程與其它課程的關系自動控制原理電機與拖動模擬電子技術線性代數微積分（含微分方程）復變函數、拉普拉斯變換電路理論大學物理（力學、熱力學）電力電子技術各類控制系統課程控制電機二月23自動控制原理學習方法理論學習+（實驗驗證）控制系統理論分析（課后習題）考試：總評=期末考試*70%+期中考試*15%+平時*15%答疑地點：航空自動化學院教務科（北2-209）電話：2715二月23自動控制原理引言18世紀，JamesWatt為控制蒸汽機速度設計的離心調節器，是自動控制領域的第一項重大成果。1922年，Minorsky研制出船舶操縱自動控制器，并證明了從系統的微分方程確定系統的穩定性的方法。1932年，Nyquist提出了一種根據系統的開環頻率響應(對穩態正弦輸入)，確定閉環系統穩定性的方法。1934年，Hezen提出了用于位置控制系統的伺服機構的概念，討論了可以精確跟蹤變化的輸入信號的機電伺服機構。二月23自動控制原理20世紀40年代，頻率響應法為閉環控制系統提供了一種可行方法，Evans提出并完善了根軌跡法。20世紀50年代末，控制系統設計問題的重點從設計許多可行系統中的一種系統，轉到設計在某種意義上的最佳系統。20世紀60年代，數字計算機的出現為復雜系統的基于時域分析的現代控制理論提供了可能。從1960年到1980，確定性系統、隨機系統的最佳控制，及復雜系統的自適應和學習控制，都得到充分的研究。從1980年到現在，現代控制理論進展集中于魯棒控制、H∞控制及其相關課題。二月23自動控制原理

古典控制理論（20世紀40年代）

現代控制理論（20世紀60年代）

智能控制理論（20世紀70年代）自動控制理論二月23自動控制原理古典控制理論以傳遞函數為基礎研究單輸入-單輸出一類定常控制系統的分析與設計問題。這些理論由于其發展較早，現已臻成熟。現代控制以狀態空間法為基礎，研究多輸入-多輸出、時變、非線性一類控制系統的分析與設計問題。系統具有高精度和高效能的特點。

二月23自動控制原理第一章自動控制系統的基本概念自動控制

自動控制是在沒有人的直接干預下，利用物理裝置對生產設備和工藝過程進行合理的控制，使被控制的物理量保持恒定，或者按照一定的規律變化，例如礦井提升機的速度控制、軋鋼廠加熱爐溫度的控制，空調，加熱爐溫度控制等。自動控制系統

自動控制系統是為實現某一控制目標所需要的所有物理部件的有機組合體。二月23自動控制原理被控對象給定量或控制量輸出量或被控量擾動量開環控制閉環控制專業術語二月23自動控制原理被控對象是一個設備，它是由一些機器零件有機地組合在一起的，其作用是完成一個特定的動作。稱任何被控制的設備或過程（如加熱爐、化學反應器或宇宙飛船）為對象。被控量（輸出量）：被控制的物理量。如溫度控制量（給定量或輸入量）：決定被控量的物理量。如：要求溫度擾動:是一種對系統的輸出產生不利影響的信號。妨礙控制量對被控量進行正常控制的所有因素稱為擾動量。二月23自動控制原理內擾---擾動產生在系統內部；外擾---擾動產生在系統外部。外擾是系統的輸入量。(如空調房間門窗的頻繁開關)自動控制的任務：克服擾動量的影響，使系統按照給定量所設定的規律運行。控制系統(按結構分)：

開環控制、閉環控制與復合控制系統二月23自動控制原理1.1開環控制系統與閉環控制系統1.1.1開環控制系統例1-1.

溫度控制系統(其它如電爐等)

圖1-1開環爐溫控制系統1－爐膛2－電加熱器3－自耦變壓器4－溫度檢測元件5－溫度表6－加熱物體熱力系統的例子

熱力系統的人工反饋控制(利用蒸汽加熱冷水)如:淋浴

二月23自動控制原理圖1-2開環控制結構圖1-控制器（自耦變壓器）2-被控對象（電阻爐）

二月23自動控制原理信號線環節分支點相加點結構圖中的符號±二月23自動控制原理開環控制：控制系統的輸出量對系統沒有控制作用。特點：輸入量與輸出量一一對應。信號傳遞是單方向的，即只有輸入量對輸出量產生控制作用。系統沒有抗干擾能力。二月23自動控制原理

1.1.2閉環控制系統例1-2.爐溫閉環控制系統

圖1-2閉環爐溫控制系統1－爐膛2－電加熱器3－自耦變壓器4－熱電偶5－給定電位器6－放大器7－伺服機8－減速器二月23自動控制原理熱力系統的自動反饋控制

二月23自動控制原理

圖1-4閉環控制結構圖1-控制器2-控制對象3-檢測裝置前向通道反向通道相加點分支點用“

”號代表比較元件，“—”號代表兩者符號相反，“+”號代表兩者符號相同。信號沿箭頭方向從輸入端到達輸出端的傳輸通路稱前向通路；系統輸出量經測量元件反饋到輸入端的傳輸通路稱主反饋通路。前向通路與主反饋通路共同構成主回路。二月23自動控制原理閉環控制：閉環控制是把系統的輸出量檢測出來，經過物理量的轉換，再反饋到系統的輸入端去與給定量進行比較（形成偏差），利用偏差量作為控制信號來糾正偏差。特點：輸入量與輸出量一一對應。信號傳遞是雙方向的：既有輸入量對輸出量的作用，又有輸出量對輸入量的作用。系統具有抗干擾能力。二月23自動控制原理1.2閉環控制系統的組成和基本環節控制執行部件

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-被控對象；7-檢測裝置二月23自動控制原理給定環節：其職能是給出與期望的被控量相對應的系統輸入量（即給定量）。比較環節：把測量元件檢測的被控量實際值與給定元件給出的給定量進行比較，求出它們之間的偏差。校正環節：亦稱補償元件，它是結構或參數便于調整的元件，用串聯或反饋的方式連接在系統中，以改善系統性能。放大環節：將比較元件給出的偏差進行放大，用來推動執行元件去控制被控對象。執行機構：直接作用于控制對象，使被控量發生變化。被控對象或調節對象：要控制的設備或過程。檢測裝置或傳感器：其職能是測量被控制的物理量。二月23自動控制原理-+-+二月23自動控制原理r(t)是它的輸入量(不標正負號的指正號)，反饋量須注明正負號。系統信號在各環節間的傳輸是有方向的，它指明了系統內各環節間物理量的控制與被控制關系，其間有能量的傳遞，但傳遞的能量只起控制作用而并非能量的完全傳輸。前向通道:從輸入信號→控制器→放大環節→執行機構→控制對象→輸出信號的信號傳輸路徑；反饋環節所在路徑稱為反饋通道，圖中有兩個反饋通道，內環的稱局部反饋，是正反饋；外環的稱閉環主反饋，是負反饋。二月23自動控制原理1.3自動控制系統分類按輸入信號的特征分類恒值系統、程序控制系統和隨動系統恒值控制系統:給定輸入量是個常數，被控制的輸出量希望是個恒定值，在除給定輸入量以外的工況發生變化時希望系統的輸出量維持恒值不變。程序控制系統:輸入信號不是恒值，它可以是時間的函數、空間的函數，也可以是幾何圖形或按照某種規律編制的程序等等。(爐溫控制或空調控制等)(細胞冷凍或材料的深冷加工等)二月23自動控制原理隨動控制系統（又稱伺服系統）:隨動控制系統的給定輸入量可以按事先未知的規律變化，要求被控制的輸出量能夠迅速準確地跟隨輸入量而變。自動火炮方位控制系統,導彈制導系統

二月23自動控制原理按信號傳輸過程是否連續分類：連續數據系統和離散數據系統連續控制系統：系統中各處傳輸的信號均是時間t的連續函數，描述連續控制系統的動態方程是微分方程。離散控制系統：信號傳輸過程中存在間歇采樣、脈沖序列等離散信號的系統。描述離散控制系統的動態方程是差分方程。計算機深冷控制系統爐溫控制或空調控制等二月23自動控制原理按系統構成元件是否線性分類（線性和非線性系統）線性系統：均由線性元件構成的的控制系統是線性控制系統。符合疊加定理和齊性定理。非線性控制系統：控制系統內如果含有至少一個非線性元件，則該系統是非線性系統。按系統參數是否隨時間變化分類（定常、時變）定常控制系統：系統參數不隨時間變化的系統。定常控制系統的微分方程或差分方程的系數是常數。時變控制系統：系統參數隨時間變化的系統。時變控制系統的微分方程或差分方程的系數是時間的函數。例如，發射衛星的火箭姿態控制系統，由于燃料的燃燒使質量參數隨時減少，屬時變控制系統。二月23自動控制原理系統的組成及工作原理控制類型自動控制系統分析步驟：1.4自動控制系統舉例畫結構圖（定性分析）求傳遞函數（定量分析）二月23自動控制原理一、速度給定（恒速）控制系統

圖1-4具有負反饋的速度給定控制系統原理圖1－運算放大器2－觸發電路3－可控整流器4－平波電抗器5－直流電動機6－直流他勵繞組7－直流測速發電機8、9－電位器控制轉速保持恒定；恒值控制系統；二月23自動控制原理Un*放大器整流濾波驅動電路電機測速發電機Un-n圖1-4的系統框圖二月23自動控制原理二、函數記錄儀位置隨動控制系統圖1-5函數記錄儀原理示意圖1－放大器2－伺服機3－測速發電機4－減速器

5－電位器6－滑線變阻器7－線輪8－紙帶機9－輸入函數二月23自動控制原理ur放大器減速器電機電位器測速發電機uB-位置輸出圖1-5的系統框圖U=ur+uA-uB電位器5用于調初始平衡點。uA-二月23自動控制原理三、導彈發射架方位隨動控制系統圖1-7導彈發射架方位隨動控制系統原理圖1放大器2伺服電動機3他勵繞組4減速器及發射架底盤5光電編碼盤6模數轉換器7單片機8數模轉換器9數模轉換器二月23自動控制原理二月23自動控制原理穩定性：

1對恒值系統，要求當系統受到擾動后，經過一定時間的調整能夠回到原來的期望值。

2對隨動系統，被控制量始終跟蹤輸入量的變化。

3系統穩定性通常由系統的結構決定與外界因素無關。對自動控制系統性能的基本要求穩定性（長期穩定性）快速性（相對穩定性）準確性（精度）

穩

準快二月23自動控制原理2）根據對系統性能的要求，如何合理地設計校正裝置，使系統的性能能全面地滿足技術上的要求。

本課程的任務1）對于一個具體的控制系統，如何從理論上對它的動態性能和穩態精度進行定性的分析和定量的計算。二月23自動控制原理

小結開環控制系統結構簡單，但不能自動補償擾動對輸出量的影響。閉環控制系統具有反饋環節，它能依靠反饋環節進行自動調節，以克服擾動對系統的影響。閉環