自動控制原理

AutomaticControlTheory賀容波Tel-mail:hrb100200@163.com課程郵箱：zidongkongzhi_ahut@163.com密碼：10002000

電氣信息學院SchoolofElectricalInformation8/21/2023北京郵電大學信息工程學院參考書《自動控制原理》國防工業出版社李友善《自動控制原理》科學出版社胡壽松

《自動控制原理考研教案》西北工業大學出版社劉慧英《自動控制原理試題精選與答題技巧》哈爾濱工業大學出版社王彤《自動控制原理習題集》科學出版社胡壽松

8/21/2023北京郵電大學信息工程學院講課內容：第1章～第8章課時安排：一、3學時；二、10學時；三、10學時；四、8學時；五、10學時；六、6學時；七、8學時；八、8學時：實驗安排：6學時，時間大概在16周左右；課堂作業：隨堂布置，認真、及時地完成課后作業，檢查所學內容；考試：閉卷考試（19周左右）8/21/2023北京郵電大學信息工程學院自動控制理論是研究自動控制系統組成，進行系統分析設計的一般性理論；是研究自動控制過程共同規律的技術學科。注重工程應用，在專業術語上不是非常嚴謹的理論。學習方法：比較抽象的技術基礎課，以數學、物理及有關學科為其理論基礎，運用信息的傳遞、處理與反饋進行控制這一正確的思維方法與觀點，在數理基礎學科與專業課程之間架起一道橋梁，將兩者緊密結合起來。在學習本課程前，應有良好的數學、力學、電學的基礎，有一定的機械等其它學科的知識。不必過分追求數學論證的嚴密性，但一定要充分注意數學結論的準確性與物理概念的明晰性。要重視實驗，要重視習題，獨立完成作業，有助于對基本概念的理解與基本方法的運用。8/21/2023北京郵電大學信息工程學院本課程與其它課程的關系：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8/21/2023北京郵電大學信息工程學院第1章自動控制系統概述

§1.1自動控制的基本概念§1.2開環控制和閉環控制§1.3自動控制系統的基本類型§1.4自動控制系統的性能要求本章要點：（1）反饋控制工作原理及相關概念（2）控制系統的類型（3）對控制系統的基本要求基本要求：（1）了解自動控制概念及研究對象與任務（2）掌握反饋的含義，學會分析動態系統內信息流動的過程，掌握系統或過程中存在的反饋。（3）了解正反饋、負反饋的概念。（4）了解控制系統中基本名詞和基本變量。（5）了解對控制系統的基本要求。§1.1自動控制系統的基本概念工業、農業、交通運輸和國防各個方面，凡是要求較高的場合,都離不開自動控制。自動控制：在無人直接參與的情況下，利用外加的設備或裝置（控制裝置或控制器），使機器、設備或生產過程（被控對象）的某個工作狀態或參數(被控量)自動地按照預定的規律(給定量)運行。自動控制系統：能夠對被控制對象的工作狀態進行自動控制的系統。包括被控對象和控制裝置。自動控制的目的：提高產品質量；提高勞動生產；改善勞動條件，減輕勞動強度；提高生活質量等。自動控制系統舉例（一）例1水位控制系統自動控制系統舉例（一）自動控制系統舉例（二）自動控制系統舉例（二）第一階段:經典(自動)控制理論經典控制理論即古典控制理論,也稱為自動控制理論。它的發展大致經歷了以下幾個過程：一萌芽階段如果要追朔自動控制技術的發展歷史,早在兩千年前中國就有了自動控制技術的萌芽。控制理論的產生和發展要分為以下幾個發展階段：1.兩千年前我國發明的指南車，就是一種開環自動調節系統。指南車2.公元1086－1089年（北宋哲宗元祐初年），我國發明的水運儀象臺，就是一種閉環自動調節系統。水運儀象臺指南車指南車是我國古代偉大的發明之一，也是世界上最早的控制論機械之一。用英國著名科學史專家李約瑟的話說，中國古代的指南車“可以說是人類歷史上邁向控制論機器的第一步”，是人類“第一架體內穩定機”。8/21/2023北京郵電大學信息工程學院整個水運儀象臺高12米，寬7米，共分3層，相當于一幢四層樓的建筑物。最上層的板屋內放置著1臺渾儀，屋的頂板可以自由開啟，平時關閉屋頂，以防雨淋，這已經具有現代天文觀測室的雛型了；中層放置著一架渾象；下層又可分成五小層木閣，每小層木閣內均安排了若干個木人，5層共有162個木人，它們各司其職：每到一定的時刻，就會有木人自行出來打鐘、擊鼓或敲打樂器、報告時刻、指示時辰等。在木閣的后面放置著精度很高的兩級漏刻和一套機械傳動裝置，可以說這里是整個水運儀象臺的“心臟”部分，用漏壺的水沖動機輪，驅動傳動裝置，渾儀、渾象和報時裝置便會按部就班地動作起來。

這臺儀器的制造水平堪稱一絕，充分體現了我國古代人民的聰明才智和富于創造的精神。水運儀象臺水運儀象臺是我國古代一種大型的天文儀器，由宋朝天文學家蘇頌等人創建。它是集觀測天象的渾儀、演示天象的渾象、計量時間的漏刻和報告時刻的機械裝置于一體的綜合性觀測儀器，實際上是一座小型的天文臺。8/21/2023北京郵電大學信息工程學院3.一千年前我國發明的銅壺滴漏計時器。二起步階段隨著科學技術與工業生產的發展，到十八世紀，自動控制技術逐漸應用到現代工業中。其中最卓越的代表是瓦特（J.Watt）發明的蒸汽機離心調速器，加速了第一次工業革命的步伐。瓦特8/21/2023北京郵電大學信息工程學院《現代控制理論課程》三發展階段1.1868年麥克斯韋（J.C.Maxwell）解決了蒸汽機調速系統中出現的劇烈振蕩的不穩定問題，提出了簡單的穩

定性代數判據。1895年勞斯（Routh）與赫爾維（Hurwitz）把馬克斯韋爾的思想擴展到高階微分方程描述的更復雜的系統中,各自提出了兩個著名的穩定性判據—勞斯判據和赫爾維茨判據。基本上滿足了二十世紀初期控制工程師的需要。3.由于第二次世界大戰需要控制系統具有準確跟蹤與補償能力，1932年奈奎斯特（H.Nyquist）提出了頻域內研究系統的頻率響應法，為具有高質量的動態品質和靜態準確度的軍用控制系統提供了所需的分析工具。4、1940年Bode引入了對數坐標系，使頻率法更適合于工程運用。5.1948年伊萬斯（W.R.Ewans）提出了復數域內研究系統的根軌跡法。建立在奈奎斯特的頻率響應法和伊萬斯的根軌跡法基礎上的理論，稱為經典（古典）控制理論（或自動控制理論）。四標志階段1.1947年控制論的奠基人美國數學家韋納（N.Weiner）把控制論引起的自動化同第二次產業革命聯系起來，并與1948年出版了《控制論—關于在動物和機器中控制與通訊的科學》(Cybernetics)

，書中論述了控制理論的一般方法，推廣了反饋的概念，為控制理論這門學科奠定了基礎。物理、電學了。他18歲時取得了哈佛大學數學和哲學兩個博士學位，后來又到德國、英國學習，拜著名哲學家羅素、數學家希爾伯特為師，進一步深造。維納已是一個很有名的數學家了，但他對其他學科也很有興趣。在第二次世界大戰末期，有兩個大問題特別引起了他的興趣，一個是電子計算機，另一個是火炮命中率問題。維納和一位年輕工程師合作，從駕駛汽車這種簡單的動作中發現，人是采用了一種叫“反饋”的控制方法，使汽車按要求行駛。維納又請來了神經專家進行共同研究，發現機器和人的控制機能有相似之處。后來，維納又和許多有名科學家進行討論，聽取對方的批評意見，甚至是“攻擊”意見，終于于1948年把自己的研究成果發表了出來，叫《控制論》。維納維納生于哥倫比亞市一個猶太人家里。維納4歲開始讀書。9歲時讀中學，11歲進入大學學習．他的數學知識已超過大學一年級學生的水平，所以轉而熱衷于研究化學、8/21/2023北京郵電大學信息工程學院2.我國著名科學家錢學森將控制理論應用于工程實踐，并與1954年出版了《工程控制論》。錢學森從四十年代到五十年代末，經典控制理論的發展與應用使整個世界的科學水平出現了巨大的飛躍，幾乎在工業、農業、交通運輸及國防建設的各個領域都廣泛采用了自動化控制技術。（可以說工業革命和戰爭促使了經典控制理論的發展）。第二階段現代控制理論科學技術的發展不僅需要迅速地發展控制理論，而且也給現代控制理論的發展準備了兩個重要的條件—現代數學和數字計算機。現代數學，例如泛函分析、現代代數等，為現代控制理論提供了多種多樣的分析工具；而數字計算機為現代控制理論發展提供了應用的平臺。在二十世紀五十年代末開始，隨著計算機的飛速發展，推動了核能技術、空間技術的發展，從而對出現的多輸入多輸出系統、非線性系統和時變系統。現代控制理論與經典控制理論的差異經典控制理論現代控制理論研究對象單輸入單輸出系統(SISO)高階微分方程多輸入多輸出系統(MIMO):一階微分方程研究方法傳遞函數法(外部描述)狀態空間法(內部描述)研究工具拉普拉斯變換線性代數矩陣分析方法頻域(復域),頻率響應和根軌跡法復域、實域，可控和可觀測設計方法PID控制和校正網絡狀態反饋和輸出反饋其他頻率法的物理意義直觀、實用，難于實現最優控制易于實現實時控制和最優控制§1.2開環控制和閉環控制1開環控制系統2閉環控制系統輸出量與輸入量之間沒有反向聯系，只靠輸入量對輸出量單向控制的系統叫開環控制系統（Open-loopControlSystem）。開環控制又可稱為前饋控制，因為控制作用是由輸入信號直接向前輸送，而不是由輸出信號回輸到輸入信號來進行控制的，故稱為前饋控制。系統輸出量通過反饋環節返回作用于控制部分形成閉合回路的系統叫閉環控制系統（Close-loopControlSystem）。閉環控制又稱為反饋控制(feedbackControlSystem)§1.2.1開環控制擾動輸出量輸入量控制裝置受控對象開環控制系統的方框圖

溫度計

加熱電阻絲調壓器u(a)原理圖~220V輸出量(手柄位置)輸入量調壓器加熱電阻絲

電爐

恒溫箱

受控對象(溫度)擾動量(b)方塊圖控制裝置§1.2.1開環控制數控加工機床示意圖數控加工機床開環控制框圖§1.2.1開環控制特點：無反饋環節優點：結構簡單，系統穩定性好，成本也低缺點：當控制過程受到各種擾動因素影響時，將會直接影響輸出量，而系統不能自動進行補償。特別是當無法預計的擾動因素使輸出量產生的偏差超過允許的限度時，開環控制系統便無法滿足技術要求適用場合：在輸出量和輸入量之間的關系固定，且內部參數或外部負載等擾動因素不大，或這些擾動因素產生的誤差可以預計確定并能進行補償，應盡量采用開環控制系統，比如自動化流水線、自動洗衣機等。

§1.2.2閉環控制ugTiΔu(-)ufQTo給定裝置放大器電動機、傳動裝置和閥門

熱處理爐放大器熱電偶M

uaΔuufug給定電位計+-電動機煤氣空氣閥門熱處理爐工件熱電偶放大器混合器放大器§1.2.2閉環控制§1.2.2閉環控制電爐箱自動控制框圖§1.2.2閉環控制例：位置跟隨系統§1.2.2閉環控制繪制框圖時，通常將給定元件放在最左端，控制對象排在最右端。即輸入量在最左端，輸出量在最右端。從左至右(即從輸入至輸出)的通道稱為順饋通道（FeedforwordPath)或前向通路(ForwordPath)，將輸出信號引回輸入端的通道稱為反饋通道或反饋回路(FeedbackPath)。方框圖中各符號的意義元部件方框（塊）圖信號（物理量）及