【正文】 自控系統(tǒng)的基本概念 自控系統(tǒng)的數(shù)學描述 時域分析法 根軌跡分析法 頻域分析法 控制系統(tǒng)的校正 非線性系統(tǒng)的分析 自動控制原理 自動控制原理 課程性質、地位和任務 《 自動控制原理 》 是與所有工程技術相關的 技術基礎課 — 工程中的數(shù)學 。 基 礎 課 技 術 基 礎 課 未 來 工 作 知識學習 能力培養(yǎng) 工作能力 課程性質、地位和任務 任務： 1. 掌握控制系統(tǒng)的基本理論 2. 掌握控制系統(tǒng)的分析和設計方法 高等數(shù)學 積分變換 自動控制理論 現(xiàn)代控制理論 其它專業(yè)課程 專業(yè)基礎課，自動化專業(yè)承上啟下的課程 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 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。 打好基礎 高等數(shù)學（微積分）、積分變換（拉氏變換） 做好預習 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 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 自動控制原理 課程內容 自動控制系統(tǒng) （定義見 ） Ch2：控制系統(tǒng)的數(shù)學模型 Ch1：自動控制系統(tǒng)的基本概念和要求 分析系統(tǒng)的性能 Ch7: 控制系統(tǒng)的 校正 Ch8: 線性離散控制系統(tǒng) Ch9： 非線性控制系統(tǒng) Ch4: 時域分析 Ch5:根軌跡分析 Ch6:頻率特性分析 Ch3：控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性及特性 《 自動控制原理 》 自控系統(tǒng)的基本概念 第 1章 述 自控系統(tǒng)的基本概念 自控系統(tǒng)的數(shù)學描述 時域分析法 根軌跡分析法 頻域分析法 控制系統(tǒng)的校正 非線性系統(tǒng)的分析 自動控制原理 自動控制技術 在工業(yè)、農業(yè)、國防（尤其是在航天、制導、核能等方面）乃至日常生活和社會科學領域中都起著極其重的作用。如爐溫控制、機械手的控制、人造衛(wèi)星的軌道控制、造紙機卷取系統(tǒng)的張力恒定控制等等。 《 自動控制原理 》 自動控制在國民經濟中的作用 ?軍事領域中 導彈命中目標、飛機駕駛系統(tǒng) ?航天技術方面 登月計劃，航天飛機：宇宙飛船準確在月球上著陸并能重返地球。人造衛(wèi)星按預定軌跡運行并返回地面。 ?工業(yè)生產過程中 對壓力、溫度、濕度、流量、頻率及原料、燃料成分比例等方面的控制，全自動生產線 ?現(xiàn)代農業(yè)生產中 溫室自動溫控系統(tǒng)，自動灌溉系統(tǒng)， 雖然我們將要涉及到的全部是自動控制的工程應用方面，但它的概念已經擴大到其它領域，如經濟、政治等領域。 《 自動控制原理 》 自動控制在國民經濟中的作用 增加了產量，提高了產品質量。近十幾年來，由于計算機的廣泛應用，使自動控制理論更加迅速向前發(fā)展，使得自動控制技術所能完成的任務更加復雜，水平大大地提高。電子技術的飛速發(fā)展，計算機技術的迅猛發(fā)展，猶如為自動控制技術安上兩只翅膀，自動控制技術將在愈來愈多的領域發(fā)揮愈來愈重要的作用。因此，各個領域的工程技術人員和科學工作者，都必須具備一定的自動控制知識。 ? 經濟與社會生活的其他領域 導航控制系統(tǒng)使汽車自動保持在設定車速，剎車防抱死系統(tǒng)自動防止汽車在濕滑的路面上打滑，在大型辦公樓或旅館，電梯調度系統(tǒng)自動發(fā)送車輛搭載乘客。 一個現(xiàn)代化的居室內，溫度由溫度調節(jié)裝置自動控制。 自控系統(tǒng)的基本概念 自控系統(tǒng)的數(shù)學描述 時域分析法 根軌跡分析法 頻域分析法 控制系統(tǒng)的校正 非線性系統(tǒng)的分析 自動控制原理 自動控制 ，是指在無人直接參與的情況下，利用外加的設備或裝置，使機器、設備或生產過程的某個工作狀態(tài)或參數(shù)自動地按照預定的規(guī)律運行 控制裝置或控制器 被控對象 被控量 自動控制系統(tǒng) ，是由控制器、被控對象等部件為了一定的目的有機的地聯(lián)接成的一個進行自動控制的整體。 例如 ：在燃油爐溫度的控制系統(tǒng)中，調節(jié)爐子溫度的如電動機、閥門等就是 控制器 ； 燃油爐就是 被控對象 ；而爐子的溫度就是 被控量 ； 爐子正常工作所設定的溫度就是 給定量 。 給定量 例如 ：在燃油爐溫度的控制系統(tǒng)中，調節(jié)爐子溫度的如電動機、閥門等就是 控制器 ； 燃油爐就是 被控對象 ； 而爐子的溫度就是 被控量 ； 爐子正常工作所設定的溫度就是 給定量 。 自控系統(tǒng)的基本概念 自控系統(tǒng)的數(shù)學描述 時域分析法 根軌跡分析法 頻域分析法 控制系統(tǒng)的校正 非線性系統(tǒng)的分析 自動控制原理 ?經典控制理論 ?主要用于工業(yè)控制 1788年瓦特發(fā)明蒸汽機的同時，發(fā)明了離心式調速器，使蒸汽機轉速保持恒定，這是最早的被用于工業(yè)的自動控制裝置 第二次世界大戰(zhàn)期間，對于軍用裝備的設計與制造的強烈需求，進一步促進并完善了自動控制理論的發(fā)展（如飛機及船用自動駕駛儀、火炮定位系統(tǒng)、雷達跟蹤系統(tǒng)等） ?現(xiàn)代控制理論 ，主要研究多輸入和多輸出、時變和非線性等控制系統(tǒng)的分析與設計問題，有線性系統(tǒng)理論、最優(yōu)控制理論、最佳濾波、自適應控制、系統(tǒng)辯識、隨機控制等。主要代表有： Kalman 的濾波器， Pontryagin的極大值原理， Bellman 的 動態(tài)規(guī)劃和 Lyapunov 的穩(wěn)定性理論。 ?大系統(tǒng)理論 和 智能控制理論 ，稱為第三代控制理論。 發(fā)展初期 20世紀 60年代 目前研究方向 ?現(xiàn)代控制理論 ?廣泛應用于工 農業(yè)、國防及 日常生活 ?經典控制理論 ，主要以傳遞函數(shù)為數(shù)學工具，采用頻率方法，研究單輸入 — 單輸出的線性定常系統(tǒng)的分析和設計問題，并在工程上比較成功地解決了如恒值控制系統(tǒng)與隨動控制系統(tǒng)的設計與實踐問題。著名的控制科學家有： Black, Nyquist, Bode. 自控系統(tǒng)的基本概念 自控系統(tǒng)的數(shù)學描述 時域分析法 根軌跡分析法 頻域分析法 控制系統(tǒng)的校正 非線性系統(tǒng)的分析 自動控制原理 現(xiàn)代控制理論與運籌學相結合的產物，采用數(shù)學模型，通過分解－協(xié)調或分解－集結方法，將控制理論中的穩(wěn)定性理論，最優(yōu)化控制理論，多變量控制理論和運籌學中的線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃等加以推廣，應用于大系統(tǒng)的分析和綜合 大系統(tǒng)理論 自控系統(tǒng)的基本概念 自控系統(tǒng)的數(shù)學描述 時域分析法 根軌跡分析法 頻域分析法 控制系統(tǒng)的校正 非線性系統(tǒng)的分析 自動控制原理 智能控制 智能控制是將認知科學、多種數(shù)學編程和控制技術結合起來的，形成感知 — 交互式、以目標導向的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)可以進行規(guī)劃、決策，產生有效的 、有目的的行為，在不確定環(huán)境中，達到既定的目標。 自控系統(tǒng)的基本概念 自控系統(tǒng)的數(shù)學描述 時域分析法 根軌跡分析法 頻域分析法 控制系統(tǒng)的校正 非線性系統(tǒng)的分析 自動控制原理 自動控制 電位器 放大器 電動機 給定電壓 Ur 負載力矩 n 測速發(fā)動機 整流器 Ua Uc Ud Uf 人工控制 分析比較 執(zhí)行 電動機 轉速表 干擾 實際轉速 希望值 眼觀測 人工控制與自動控制 轉速表 觸發(fā)器 整流器 負載 三相交流 ＋ Ua Uf Ur M 給定電位器 — 觸發(fā)器 整流器 三相交流 給定電位器 ＋ Ua Uf Ur 放 大 器 TG M 負載 自控系統(tǒng)的基本概念 自控系統(tǒng)的數(shù)學描述 時域分析法 根軌跡分析法 頻域分析法 控制系統(tǒng)的校正 非線性系統(tǒng)的分析 自動控制原理 開環(huán)控制和閉環(huán)控制 計算／放大 執(zhí)行器 被控對象 給定量 被控量 干擾 開環(huán)控制 (openloop control)系統(tǒng)是指無被控量反饋的系統(tǒng)，即在系統(tǒng)中控制信息的流動未形成閉合回路 。 特點： （ 1）輸入控制輸出，輸出對輸入沒有影響； （ 2）裝置簡單，但控制準確度低。當有擾動時，如果沒有人的干預，輸出量將不能按給定量所期望的狀態(tài)去工作。 自控系統(tǒng)的基本概念 自控系統(tǒng)的數(shù)學描述 時域分析法 根軌跡分析法 頻域分析法 控制系統(tǒng)的校正 非線性系統(tǒng)的分析 自動控制原理 開環(huán)控制和閉環(huán)控制 比較／計算 執(zhí)行器 被控對象 測量 干擾 被控量 給定量 閉環(huán)控制 就是有被控量反饋的控制，即系統(tǒng)的輸出信號沿反饋通道又回到系統(tǒng)的輸入端，構成閉合通道，也叫做反饋控制。 特點： （ 1）輸入控制輸出、輸出對輸入有影響； （ 2）裝置復雜、但控制精度高。 自控系統(tǒng)的基本概念 自控系統(tǒng)的數(shù)學描述 時域分析法 根軌跡分析法 頻域分析法 控制系統(tǒng)的校正 非線性系統(tǒng)的分析 自動控制原理 自動控制系統(tǒng)的組成 給定裝置 比較裝置 串聯(lián)校正裝置 比較、放大裝置 執(zhí)行裝置 被控對象 反饋校正裝置 測量與變送 局部反饋 系統(tǒng)主反饋 干擾 輸入值 被控量 檢測被控量，將檢測值轉換為便于處理的信號，再將該信號輸入比較裝置。 控制系統(tǒng)中所要控制的對象 直接對被控對象作用，以改變被控量的值 將給定量與測量值進行運算得到偏差量 設定與被控量相對應的給定量 在系統(tǒng)中添加的用以改善系統(tǒng)的控制性能的裝置 《 自動控制原理 》 自動控制中的常用術語 ?? ? 控制系統(tǒng)（ Control system）： 為了達到預期的目的（響應）而設計出來的系統(tǒng)，它由相互關聯(lián)的部件組合而成。 ? 控制對象（ Control plant）： 指被控設備或過程。 ? 控制器（ Controller）： 使被控對象達到所要求的性能或狀態(tài)的控制設備。它接受輸入信號或偏差信號，按預定的控制規(guī)律給出控制信號（操作量），送到執(zhí)行元件（放大器）或被控對象。 ? 系統(tǒng)（ System）： 為實現(xiàn)預期的目標而將有關部件（部分）互聯(lián)在一起的整體。 ? 系統(tǒng)輸出，也稱被控量（ System output）： 指被控制的量是一種被測量和被控制的量值或狀態(tài)（工業(yè)過程控制中用符號 PV表示， parameters variable)。它表征被控對象或過程的狀態(tài)和性能，它又常常被稱為系統(tǒng)對輸入的響應（ Response）。 《 自動控制原理 》 自動控制中的常用術語 ?? ? 控制量（操作量 Control signal）： 是由控制器給出的作用于執(zhí)行機構或被控對象的信號，它體現(xiàn)了對被控對象的調節(jié)作用。 （工業(yè)過程控制中用符號 MV表示， Mamipulated variable) ? 參考輸入或給定輸入或希望輸入（ Desired Input）： 是人為給定的系統(tǒng)預期輸出的希望值。 （工業(yè)過程控制中用符號 SV或 SP表示， Set variable、 Set point) ? 擾動（ Interaction或 disturbance）： 干擾和破壞系統(tǒng)預期性能和輸出的干擾信號（作用）。由系統(tǒng)內部產生的稱為內部擾動，由系統(tǒng)外部產生的稱為外部擾動，且外部擾動對系統(tǒng)而言是一種輸入量。 ? 偏差信號（ Error signal）： 參考輸入與實際輸出的差稱為偏差信號，偏差信號一般作為控制器的輸入信號。 《 自動控制原理 》 ? 自動控制： 在無人直接參加的情況下，利用控制裝置使被控對象和過程自動地按預定規(guī)律變化的控制過程。 ? 自動控制系統(tǒng) ：是由控制裝置和被控對象所組成，它們以某種相互依賴的的方式組合成為一個有機整體，并對被控對象進行自動控制。 ? 控制器 ：對被控對象起控制作用裝置的總體 . ? 被控對象 ：要求實現(xiàn)自動控制的機器，設備或生產過程。 ? 控制器 ：對被控對象起控制作用裝置的總體，稱做控制裝置或控制器。 ? 輸出量 ：表現(xiàn)于控制對象或系統(tǒng)輸出端，并要求實現(xiàn)自動控制的物理量。 ? 輸入量 ：作用于控制對象或系統(tǒng)輸入端，并可使系統(tǒng)具