【正文】 自控系統(tǒng)的基本概念 自控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述 時(shí)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(dòng)控制原理 自動(dòng)控制原理 課程性質(zhì)、地位和任務(wù) 《 自動(dòng)控制原理 》 是與所有工程技術(shù)相關(guān)的 技術(shù)基礎(chǔ)課 — 工程中的數(shù)學(xué) 。 基 礎(chǔ) 課 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 課 未 來 工 作 知識(shí)學(xué)習(xí) 能力培養(yǎng) 工作能力 課程性質(zhì)、地位和任務(wù) 任務(wù)： 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(shè)計(jì)方法 高等數(shù)學(xué) 積分變換 自動(dòng)控制理論 現(xiàn)代控制理論 其它專業(yè)課程 專業(yè)基礎(chǔ)課，自動(dòng)化專業(yè)承上啟下的課程 理論實(shí)踐相結(jié)合 理論性非常強(qiáng)，概念多，內(nèi)容多，抽象； 實(shí)際應(yīng)用緊密結(jié)合。能為解決實(shí)際控制問題提供理論和方法 自動(dòng)控制原理的課程特點(diǎn) 自動(dòng)控制技術(shù)是應(yīng)用非常廣泛的技術(shù) 電機(jī)控制、自動(dòng)化生產(chǎn)線、火炮雷達(dá)控制、家用電器、機(jī)械、冶金、石油、化工、電力電子、航空、航海、航天、核反應(yīng)堆等。 打好基礎(chǔ) 高等數(shù)學(xué)（微積分）、積分變換（拉氏變換） 做好預(yù)習(xí) 聽好課 講課的速度較快、了解課程內(nèi)容 掌握基本理論和基本方法 做好習(xí)題 應(yīng)用學(xué)到的基本理論和基本方法解決實(shí)際問題 本課程學(xué)習(xí)方法 自動(dòng)控制原理 課程內(nèi)容 自動(dòng)控制系統(tǒng) （定義見 ） Ch2：控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 Ch1：自動(dòng)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(shí)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(dòng)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(xué)描述 時(shí)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(dòng)控制原理 自動(dòng)控制技術(shù) 在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防（尤其是在航天、制導(dǎo)、核能等方面）乃至日常生活和社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域中都起著極其重的作用。如爐溫控制、機(jī)械手的控制、人造衛(wèi)星的軌道控制、造紙機(jī)卷取系統(tǒng)的張力恒定控制等等。 《 自動(dòng)控制原理 》 自動(dòng)控制在國民經(jīng)濟(jì)中的作用 ?軍事領(lǐng)域中 導(dǎo)彈命中目標(biāo)、飛機(jī)駕駛系統(tǒng) ?航天技術(shù)方面 登月計(jì)劃，航天飛機(jī)：宇宙飛船準(zhǔn)確在月球上著陸并能重返地球。人造衛(wèi)星按預(yù)定軌跡運(yùn)行并返回地面。 ?工業(yè)生產(chǎn)過程中 對(duì)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(dòng)生產(chǎn)線 ?現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中 溫室自動(dòng)溫控系統(tǒng)，自動(dòng)灌溉系統(tǒng)， 雖然我們將要涉及到的全部是自動(dòng)控制的工程應(yīng)用方面，但它的概念已經(jīng)擴(kuò)大到其它領(lǐng)域，如經(jīng)濟(jì)、政治等領(lǐng)域。 《 自動(dòng)控制原理 》 自動(dòng)控制在國民經(jīng)濟(jì)中的作用 增加了產(chǎn)量，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。近十幾年來，由于計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，使自動(dòng)控制理論更加迅速向前發(fā)展，使得自動(dòng)控制技術(shù)所能完成的任務(wù)更加復(fù)雜，水平大大地提高。電子技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，猶如為自動(dòng)控制技術(shù)安上兩只翅膀，自動(dòng)控制技術(shù)將在愈來愈多的領(lǐng)域發(fā)揮愈來愈重要的作用。因此，各個(gè)領(lǐng)域的工程技術(shù)人員和科學(xué)工作者，都必須具備一定的自動(dòng)控制知識(shí)。 ? 經(jīng)濟(jì)與社會(huì)生活的其他領(lǐng)域 導(dǎo)航控制系統(tǒng)使汽車自動(dòng)保持在設(shè)定車速，剎車防抱死系統(tǒng)自動(dòng)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(diào)度系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)送車輛搭載乘客。 一個(gè)現(xiàn)代化的居室內(nèi)，溫度由溫度調(diào)節(jié)裝置自動(dòng)控制。 自控系統(tǒng)的基本概念 自控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述 時(shí)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(dòng)控制原理 自動(dòng)控制 ，是指在無人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置，使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行 控制裝置或控制器 被控對(duì)象 被控量 自動(dòng)控制系統(tǒng) ，是由控制器、被控對(duì)象等部件為了一定的目的有機(jī)的地聯(lián)接成的一個(gè)進(jìn)行自動(dòng)控制的整體。 例如 ：在燃油爐溫度的控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)爐子溫度的如電動(dòng)機(jī)、閥門等就是 控制器 ； 燃油爐就是 被控對(duì)象 ；而爐子的溫度就是 被控量 ； 爐子正常工作所設(shè)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(diào)節(jié)爐子溫度的如電動(dòng)機(jī)、閥門等就是 控制器 ； 燃油爐就是 被控對(duì)象 ； 而爐子的溫度就是 被控量 ； 爐子正常工作所設(shè)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(xué)描述 時(shí)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(dòng)控制原理 ?經(jīng)典控制理論 ?主要用于工業(yè)控制 1788年瓦特發(fā)明蒸汽機(jī)的同時(shí)，發(fā)明了離心式調(diào)速器，使蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速保持恒定，這是最早的被用于工業(yè)的自動(dòng)控制裝置 第二次世界大戰(zhàn)期間，對(duì)于軍用裝備的設(shè)計(jì)與制造的強(qiáng)烈需求，進(jìn)一步促進(jìn)并完善了自動(dòng)控制理論的發(fā)展（如飛機(jī)及船用自動(dòng)駕駛儀、火炮定位系統(tǒng)、雷達(dá)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(shí)變和非線性等控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問題，有線性系統(tǒng)理論、最優(yōu)控制理論、最佳濾波、自適應(yīng)控制、系統(tǒng)辯識(shí)、隨機(jī)控制等。主要代表有： Kalman 的濾波器， Pontryagin的極大值原理， Bellman 的 動(dòng)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(jì) 60年代 目前研究方向 ?現(xiàn)代控制理論 ?廣泛應(yīng)用于工 農(nóng)業(yè)、國防及 日常生活 ?經(jīng)典控制理論 ，主要以傳遞函數(shù)為數(shù)學(xué)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(shè)計(jì)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(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐問題。著名的控制科學(xué)家有： Black, Nyquist, Bode. 自控系統(tǒng)的基本概念 自控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述 時(shí)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(dòng)控制原理 現(xiàn)代控制理論與運(yùn)籌學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，采用數(shù)學(xué)模型，通過分解－協(xié)調(diào)或分解－集結(jié)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(yùn)籌學(xué)中的線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃等加以推廣，應(yīng)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(xué)描述 時(shí)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(dòng)控制原理 智能控制 智能控制是將認(rèn)知科學(xué)、多種數(shù)學(xué)編程和控制技術(shù)結(jié)合起來的，形成感知 — 交互式、以目標(biāo)導(dǎo)向的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)可以進(jìn)行規(guī)劃、決策，產(chǎn)生有效的 、有目的的行為，在不確定環(huán)境中，達(dá)到既定的目標(biāo)。 自控系統(tǒng)的基本概念 自控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述 時(shí)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(dòng)控制原理 自動(dòng)控制 電位器 放大器 電動(dòng)機(jī) 給定電壓 Ur 負(fù)載力矩 n 測(cè)速發(fā)動(dòng)機(jī) 整流器 Ua Uc Ud Uf 人工控制 分析比較 執(zhí)行 電動(dòng)機(jī) 轉(zhuǎn)速表 干擾 實(shí)際轉(zhuǎn)速 希望值 眼觀測(cè) 人工控制與自動(dòng)控制 轉(zhuǎn)速表 觸發(fā)器 整流器 負(fù)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(fù)載 自控系統(tǒng)的基本概念 自控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述 時(shí)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(dòng)控制原理 開環(huán)控制和閉環(huán)控制 計(jì)算／放大 執(zhí)行器 被控對(duì)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(dòng)未形成閉合回路 。 特點(diǎn)： （ 1）輸入控制輸出，輸出對(duì)輸入沒有影響； （ 2）裝置簡單，但控制準(zhǔn)確度低。當(dāng)有擾動(dòng)時(shí)，如果沒有人的干預(yù)，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(xué)描述 時(shí)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(dòng)控制原理 開環(huán)控制和閉環(huán)控制 比較／計(jì)算 執(zhí)行器 被控對(duì)象 測(cè)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(hào)沿反饋通道又回到系統(tǒng)的輸入端，構(gòu)成閉合通道，也叫做反饋控制。 特點(diǎn)： （ 1）輸入控制輸出、輸出對(duì)輸入有影響； （ 2）裝置復(fù)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(xué)描述 時(shí)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(dòng)控制原理 自動(dòng)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(duì)象 反饋校正裝置 測(cè)量與變送 局部反饋 系統(tǒng)主反饋 干擾 輸入值 被控量 檢測(cè)被控量，將檢測(cè)值轉(zhuǎn)換為便于處理的信號(hào)，再將該信號(hào)輸入比較裝置。 控制系統(tǒng)中所要控制的對(duì)象 直接對(duì)被控對(duì)象作用，以改變被控量的值 將給定量與測(cè)量值進(jìn)行運(yùn)算得到偏差量 設(shè)定與被控量相對(duì)應(yīng)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(dòng)控制原理 》 自動(dòng)控制中的常用術(shù)語 ?? ? 控制系統(tǒng)（ Control system）： 為了達(dá)到預(yù)期的目的（響應(yīng)）而設(shè)計(jì)出來的系統(tǒng)，它由相互關(guān)聯(lián)的部件組合而成。 ? 控制對(duì)象（ Control plant）： 指被控設(shè)備或過程。 ? 控制器（ Controller）： 使被控對(duì)象達(dá)到所要求的性能或狀態(tài)的控制設(shè)備。它接受輸入信號(hào)或偏差信號(hào)，按預(yù)定的控制規(guī)律給出控制信號(hào)（操作量），送到執(zhí)行元件（放大器）或被控對(duì)象。 ? 系統(tǒng)（ System）： 為實(shí)現(xiàn)預(yù)期的目標(biāo)而將有關(guān)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(cè)量和被控制的量值或狀態(tài)（工業(yè)過程控制中用符號(hào) PV表示， parameters variable)。它表征被控對(duì)象或過程的狀態(tài)和性能，它又常常被稱為系統(tǒng)對(duì)輸入的響應(yīng)（ Response）。 《 自動(dòng)控制原理 》 自動(dòng)控制中的常用術(shù)語 ?? ? 控制量（操作量 Control signal）： 是由控制器給出的作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)或被控對(duì)象的信號(hào)，它體現(xiàn)了對(duì)被控對(duì)象的調(diào)節(jié)作用。 （工業(yè)過程控制中用符號(hào) 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(yù)期輸出的希望值。 （工業(yè)過程控制中用符號(hào) SV或 SP表示， Set variable、 Set point) ? 擾動(dòng)（ Interaction或 disturbance）： 干擾和破壞系統(tǒng)預(yù)期性能和輸出的干擾信號(hào)（作用）。由系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的稱為內(nèi)部擾動(dòng)，由系統(tǒng)外部產(chǎn)生的稱為外部擾動(dòng)，且外部擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)而言是一種輸入量。 ? 偏差信號(hào)（ Error signal）： 參考輸入與實(shí)際輸出的差稱為偏差信號(hào)，偏差信號(hào)一般作為控制器的輸入信號(hào)。 《 自動(dòng)控制原理 》 ? 自動(dòng)控制： 在無人直接參加的情況下，利用控制裝置使被控對(duì)象和過程自動(dòng)地按預(yù)定規(guī)律變化的控制過程。 ? 自動(dòng)控制系統(tǒng) ：是由控制裝置和被控對(duì)象所組成，它們以某種相互依賴的的方式組合成為一個(gè)有機(jī)整體，并對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行自動(dòng)控制。 ? 控制器 ：對(duì)被控對(duì)象起控制作用裝置的總體 . ? 被控對(duì)象 ：要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的機(jī)器，設(shè)備或生產(chǎn)過程。 ? 控制器 ：對(duì)被控對(duì)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(duì)象或系統(tǒng)輸出端，并要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的物理量。 ? 輸入量 ：作用于控制對(duì)象或系統(tǒng)輸入端，并可使系統(tǒng)具