高等數學積分變換自動控制理論現代控制理論其它專業課程

1、專業基礎課，自動化專業承上啟下的課程

2、理論實踐相結合理論性非常強，概念多，內容多，抽象；實際應用緊密結合。能為解決實際控制問題提供理論和方法自動控制原理的課程特點3、自動控制技術是應用非常廣泛的技術

電機控制、自動化生產線、火炮雷達控制、家用電器、機械、冶金、石油、化工、電力電子、航空、航海、航天、核反應堆等。1、打好基礎高等數學（微積分）、積分變換（拉氏變換）2、做好預習3、聽好課講課的速度較快、了解課程內容掌握基本理論和基本方法4、做好習題應用學到的基本理論和基本方法解決實際問題本課程學習方法第一章緒論1.1引言1.2自動控制的基本原理1.3反饋控制系統的組成1.4控制系統的分類1.5控制系統應用實例三則1.6控制系統的設計概述1.7本書內容安排1.8小結1.1引言刻漏：最初兩個壺,由上壺滴水到下面的受水壺,液面使浮箭升起以示刻度（即時間）(圖之右)。這里浮箭可看作是檢測元件。保持上壺的水位恒定，則是自動調節的問題。用互相銜接的多級（3～5級）水壺解決的。蓮華漏(圖之左)由4個壺組成。平水壺向平水小壺供水，平水小壺上有溢水口，可使多余水泄入減水桶以保持水面恒定。在蓮華漏中還采用一個浮子式閥門作為自動切斷閥。當受水壺的水位升至滿刻度時，浮子式閥門就會自動阻塞上級平水小壺的出水小孔，切斷水滴。1.1.1自動控制理論發展簡史遠古時期的自動裝置(來自互聯網)1.1引言指南車采用差動齒輪的機械原理：車里面裝有多個大小不同的齒輪，直行，小輪懸空；轉彎上，一邊的小輪在轅、繩、滑輪的作用下降，與車輪和大輪發生齒和傳動。若車子向左轉90度，左輪不動，右輪要轉半周。與右輪相連的小齒輪也就轉半周（即轉過12個齒），經過小平輪傳動到大平輪，則大平輪將以相反的方向轉動12個齒，即1/4周（90度），仙人在和車一起左轉90度時，又由于齒輪的嚙合傳動右轉了90度。其他運動情況的結果可以類推。仙人指向不變。(來自互聯網)1.1引言1、用于工業過程的自動反饋控制器-飛球調速器1769瓦特發明了飛球調速器，用來與蒸汽機的進氣閥連接構成蒸汽機轉速的閉環自動調速系統。2、動態特性研究的開始：英國劍橋大學的數學和天文學家艾里在1829-1835系統研究了天文望遠鏡的速度控制，根據倒立擺離心力的原理首次發現了反饋系統的不穩定性，并利用微分方程分析了這種系統。近代控制理論的逐步形成和發展瓦特改良的蒸汽機艾里瓦特1.1引言3、反饋調節系統穩定性問題的研究：1868英國物理學家麥克斯韋發表了“論調速器”的論文，首次論述該問題。二三階系統的穩定判據。1895英國勞斯判據和德國數學家赫爾維茨的代數穩定條件；1893李雅普諾夫基于非線性運動的一般運動穩定問題。4、反饋控制系統的頻率特性研究：20世紀20年代，電子管放大器的出現，研究如何減少放大倍數增大而導致信號失真的問題。美國貝爾電話實驗室的科學家本逐步建立了反饋控制系統的頻率特性分析方法。李雅普諾夫1.1引言5、積分和微分控制的思想：1922年俄裔美國工程師米諾斯基分析了船舶駕駛控制系統的穩定性。6、1934年美國麻省理工的赫曾教創立了伺服控制理論，首次提出軌跡跟蹤在反饋控制中的重要性；7、1936年英國工程師考倫德：溫度控制系統的PID控制器；8、1942年美國工程師：PID參數整定準則，至今仍適用；9、二戰期間及戰后10年：控制系統的圖解分析法和根軌跡綜合法，創立根軌跡法的完整理論。現代PID控制器1.1引言1.1.2控制工程實踐自動化的核心是控制與系統，控制工程實踐是實現自動化的手段。自動化最早出現在汽車工業，其初始概念是指在工業生產（加工、制造等）過程中采用自動控制代替人工控制。1947年美國福特公司正式使用自動化一詞，其含義是指加工采用連續方式，生產過程流水式的自動進行。從20世紀70年代開始，我國通過陸續引進國外成套自動化生產線，我國工業生產逐步從局部自動化，發展成今天的全方位、全流程的綜合自動化。我國的自動化學術組織：中國自動化學會，1961年成立，第一屆理事長錢學森院士。1.2.1人工控制與自動控制人工控制：人工控制是人工操作實現：測量、求誤差、控制、再測量、再求誤差、再控制的循環過程。1.2自動控制的基本原理1)操作員將期望的液位值(即水位高度)記在大腦中；2)操作員用眼讀取實際液位值；3)操作員將液位期望值與實際值比較得出偏差值；4)操作員根據偏差的大小和性質（正負性），決定如何通過用手打開或關閉閥門的方式來調節經過閥門的水量大小，達到維持液位恒定的控制目標。自動控制：沒有人直接參與，利用自動控制裝置，使工作機械或生產過程自動地按照預定規律運行或使某些物理量按預定要求變化。1.2自動控制的基本原理連桿的長度人的大腦記下期望液位浮子人的眼睛實際液位浮子和連桿人的大腦計算偏差杠桿機構的另一端人的大腦和手判斷偏差大小和性質，帶動水閥動作，調節水量大小自動控制人工控制1.2自動控制的基本原理1.2.2開環控制與閉環控制開環控制系統：系統的輸入與輸出之間只有前向的信號傳遞，而沒有反向的信號回傳。缺點：開環控制系統的控制精度和抑制干擾能力較差。Mc恒定：ur,ua,nur,ua,nur恒定：Mc,nMc,n1.2自動控制的基本原理反饋：系統從輸出到輸入的反向信息傳遞，這種反向信息傳遞稱為反饋。閉環控制系統：具有反饋的系統因信息在系統內的傳遞形成了閉合環路。稱為閉環系統。Mc恒定：ur,ueu1ua,n,

uf,ue,u1ua,nur恒定：Mc,nuf,ue,u1ua,n開環：單向控制，輸入和輸出間沒有聯系，系統輸入與輸出間沒有反饋回路。但受外界干擾小時，仍被大量使用。閉環：將輸出量返回到輸入端，形成偏差，基于偏差產生控制以減少或消除偏差。相對來看，結構復雜、成本增加、存在穩定性問題，但具有開環控制無法替代的自動糾偏功能和較高控制精度。1.2自動控制的基本原理1.2自動控制的基本原理2．快速性快速性主要是用時間衡量一個穩定的系統對平衡狀態的恢復或跟隨的速度。影響系統平衡狀態的因素：擾動使系統偏離平衡，因控制任務的需要而改變系統的平衡狀態。過渡過程越短，說明系統恢復平衡或跟隨新的平衡狀態的能力越強，快速性就越好。3．準確性過渡過程結束后系統就進入穩態，此時系統輸出量的期望值與實際值之差稱為穩態誤差。穩態誤差越小，控制系統的穩態精度越高。無差系統、有差系統。1.2自動控制的基本原理

上述穩定性、快速性和準確性三個方面往往是相互制約的。穩定裕度過大可能引起系統的快速性變差、過渡過程變長；而單純追求快速性，則可能加劇振蕩，甚至引起不穩定。1.3反饋控制系統的組成1.3.1按構成系統的基本元件劃分測量元件：測量系統的輸出量，量綱轉換。如：熱電偶、各種傳感器，對輸出信號進行測量。比較元件：形成參考輸入信號與測量反饋信號的偏差。如：反向放大器、中位器連接電路等。放大元件：對信號進行線性放大或提供功率放大。多級放大。如：電壓放大器等。1.3反饋控制系統的組成1.3.2按系統內部基本功能環節劃分

傳感器：功能是感受被測量并按照一定的規律轉換成可用的信號。當傳感器的輸出信號為標準信號時，則稱其為變送器。控制器：產生供執行機構執行的控制信號；執行機構：根據控制器發出的命令去控制或調節被控過程；被控對象：描述系統從控制變量到被控變量之間的被控過程。廣義被控對象：執行機構+被控對象控制變量：可以是任何描述被控過程控制輸入的物理量廣義被控對象的控制變量：控制信號常是電信號，電壓或電流1.3反饋控制系統的組成1.3.3若干常用術語控制系統由被控對象和控制器等內部基本功能環節按一定的結構方式聯接，為完成某種控制任務而組成的一個有機整體輸入信號：系統外部輸入的信號，也稱輸入量，如參考輸入，外部干擾輸入，其中參考輸入也稱為給定量（值），它是控制系統被控變量的反饋信號需保持或跟隨的指令輸入。輸出信號：系統向外部輸出的信號，也稱輸出量，在單輸出系統中，系統的輸出信號就是被控對象的被控變量。1.3反饋控制系統的組成擾動信號：擾動可以是小的波動，也可以是大的波動，擾動信號也稱為干擾信號。擾動在系統的方塊圖中屬于外部輸入。反饋信號：指對被控變量測量取出的、經過必要的量綱轉換后反向回送到輸入端的信號。偏差信號：指參考輸入信號與反饋信號之差。誤差信號：指系統輸出量的期望值與實際值之差。由于偏差信號與誤差信號之間存在確定對應關系，故兩者經過量綱換算是等價的。本書中誤差信號采用在輸入端的定義，因此，若不加說明誤差信號即指偏差信號。1.3反饋控制系統的組成分析：把研究對象分成較簡單的組成部分，找出這些部分的本質屬性和彼此之間的關系。控制系統的分析是一種動態分析，即視研究對象為演化的系統。一般是先建立描述系統動態特性的數學模型，這樣系統的結構已確定，而結構參數或參數范圍已確定，然后采用數學工具作為主要手段對系統的動態性能進行分析。

綜合：綜合是分析的反義詞。一般地說，綜合就是將已有的關于研究對象各個部分的認識聯結起來，形成對研究對象的統一整體認識。控制系統的綜合是指根據一定任務，利用系統分析的真知灼見，找出能夠滿足性能指標的控制系統整體結構和參數配置。反饋控制系統中，當被控對象，執行機構和傳感器確定后，控制系統的綜合主要是建立控制器數學模型，解決控制器參數配置或者參數優化問題，以滿足整個控制系統的定量性能指標。1.3反饋控制系統的組成校正：在形成基本的控制系統或者確定了廣義控制對象和相應的傳感器數學模型之后，基于經典控制理論所進行的校正裝置設計工作。設計：指控制系統的設計而非工程設計。控制系統的設計就是針對一個給定的控制任務，利用控制系統的分析與綜合方法，通過一系列反復的選擇、評判和優化，完成構造一個控制系統的逐步試探過程。1.4自動控制系統的分類1.4.1按參考輸入信號特征分類

1．恒值控制系統

參考輸入信號為恒定值，控制系統的任務就是保持某個被控量為一個給定的期望恒值上。如：溫度、水位控制等。2．隨動控制系統

隨動控制系統一般習慣稱為隨動系統或伺服系統。此類系統的參考輸入信號是預先未知的隨時間變化的任意函數。隨動系統的任務就是使系統的被控量以一定精度跟隨參考輸入信號的變化。如：高射炮隨動系統。1.4自動控制系統的分類3．程序控制系統程序控制系統的參考輸入信號是預先設定的函數曲線。如：熱處理爐溫度的升溫、保溫和降溫過程的控制，生產過程中的化學反應器開停車過程中的升溫、保溫和降溫曲線控制。溫度上升預定曲線1.4自動控制系統的分類1.4.2按系統環節間信號傳遞形式分類1．連續系統：信號傳遞均為時間的連續函數2．離散系統：至少一個信號傳遞為脈沖序列或數字編碼形式

3．網絡化控制系統：典型的網絡化控制系統是指控制器到執行器以及傳感器到控制器之間的信號傳遞是通過數據包計算機網絡來實現。采樣過程1.4自動控制系統的分類1.4.3按描述系統的動態方程分類1．線性系統：可以采用線性微分方程來描述的系統2．非線性系統：非線性系統中一般均包含非線性元件3．定常系統：系統中不含參數隨時間變化的元件4．時變系統：系統中含參數隨時間變化的元件1.5控制系統應用實例三則工作原理：蒸汽機帶動負載轉動圓錐齒輪減速帶動一對飛錘作水平旋轉飛錘通過鉸鏈帶動套筒上、下滑動撥動杠桿的一端杠桿另一端通過連桿調節供汽閥門的開度

蒸汽機：蒸汽機的轉速保持在期望值附近

平衡：飛錘旋轉，套筒保持某高度，閥門處于一個平衡位置當出現不平衡時：負載,轉速，圓錐齒輪轉動,飛錘速度,套筒位置,杠桿右端,蒸汽閥門，轉速。負載,轉速，圓錐齒輪轉動,飛錘速度,套筒位置,杠桿右端,蒸汽閥門，轉速。1.5控制系統應用實例三則加熱爐溫度控制系統保持爐溫T恒定：由于擾動，當爐溫T，uf

,ue,u1,ua,加熱電阻絲電壓

,T.1.5控制系統應用實例三則角位置隨動系統旋轉負載的角位置o快速跟隨期望角位置i:i，ur,

ur

-uf=ue,u1,ua,o.1.6控制系統設計概述1.7本書內容安排第一部分：反饋控制系統的建模、穩定性與特性1全書緒論：控制理論發展簡史、自控系統基本原理、類別、對控制系統的要求(穩快準)、設計控制系統的基本步驟；2建立控制系統的微分方程模型、傳遞函數、結構圖、信號流圖、幾種模型