自动控制原理第一章ppt

1、1自动控制原理自动控制原理荆涛荆涛航空自动化学院航空自动化学院2010.92自动控制理论自动控制理论n第一章第一章 自动控制理论的一般概念自动控制理论的一般概念n第二章第二章 控制系统的数学模型控制系统的数学模型n第三章第三章 控制系统的时域分析法控制系统的时域分析法n第四章第四章 根轨迹法根轨迹法n第五章第五章 频率法频率法n第六章第六章 控制系统的校正控制系统的校正n第七章第七章 非线性系统的分析非线性系统的分析n第八章第八章 采样控制系统的分析与设计采样控制系统的分析与设计34控制器控制器气动阀门气动阀门流入流入Q1Q1浮子浮子水箱水箱流出流出 Q2Q2H H水位自动控制系统水位自动控制

2、系统下面通过具体例子来说明自动控制和自动控制系统下面通过具体例子来说明自动控制和自动控制系统的概念的概念第一章第一章 绪论绪论5控制器控制器气动阀门气动阀门流入流入Q1Q1浮子浮子水箱水箱流出 Q2流出 Q2H H水位自动控制系统水位自动控制系统控制任务：控制任务：维持水箱内水位恒定；维持水箱内水位恒定；控制装置：控制装置：气动阀门、控制器；气动阀门、控制器；受控对象：受控对象：水箱、供水系统；水箱、供水系统；被控量：被控量：水箱内水位的高度；水箱内水位的高度；6控制器控制器气动阀门气动阀门流入流入Q1Q1浮子浮子水箱水箱流出 Q2流出 Q2H H水位自动控制系统水位自动控制系统给定值：给定值

3、：控制器刻度盘指针标定控制器刻度盘指针标定的预定水位高度；的预定水位高度；测量装置：测量装置：浮子；浮子；比较装置：比较装置：控制器刻度盘；控制器刻度盘；干扰：干扰：水的流出量和流入量的水的流出量和流入量的变化都将破坏水位保持变化都将破坏水位保持恒定；恒定；7自动控制即没有人直接参与的控制，其基本任务是：自动控制即没有人直接参与的控制，其基本任务是：在无人直接参与的情况下，只利用控制装置操纵被控在无人直接参与的情况下，只利用控制装置操纵被控对象，使被控制量等于给定值。对象，使被控制量等于给定值。另一种定义：是指机器设备在没有人直接参与的情况另一种定义：是指机器设备在没有人直接参与的情况下，经过

4、自动检测、信息处理、分析判断、操纵控制下，经过自动检测、信息处理、分析判断、操纵控制实现预期的目标。实现预期的目标。自动控制系统：是指实现上述控制目的，由相互制约的各部分按一定规律组成的具有特定功能的整体。 例：交通控制、水位控制、 经济控制、人体控制一般由控制装置控制装置和被控对象被控对象组成。由此可见：由此可见： 8自动化的核心是自动化的核心是“控制控制” 自动化技术的两个方面：自动化技术的两个方面： 人手（脚）的延伸人手（脚）的延伸动力方面的自动化技术：工业化动力方面的自动化技术：工业化 人脑的延伸人脑的延伸信息处理方面的自动化技术信息处理方面的自动化技术: 信息化信息化9第一阶段: 经

5、典(自动)控制理论 经典控制理论经典控制理论即古典控制理论古典控制理论,也称为自动控制理论自动控制理论。主要研究对象:对单输入单输出线性定常系统的分析和设计问题。它的发展大致经历了以下几个过程：一一 萌芽阶段萌芽阶段 如果要追朔自动控制技术的发展历史,早在两千年前中国就有了自动控制技术的萌芽萌芽。自动控制的发展历史自动控制的发展历史101. 1. 两千年前我国发明的两千年前我国发明的 指南车指南车，就是一种开，就是一种开 环自动调节系环自动调节系 统。统。指南车2. 2. 公元公元1086108610891089年年 （北宋哲宗元（北宋哲宗元祐祐初年），初年）， 我国发明的我国发明的水运仪象台

6、水运仪象台， 就是一种闭环自动调节系就是一种闭环自动调节系 统。统。水运仪象台11公元235年马钧研制出能自动指示方向的指南车 12公元前我国的自动计时漏壶公元132年张衡研制的候风地动仪13二二 起步阶段起步阶段 随着科学技术与工业生产的发展，到十八世纪十八世纪，自动控制技术逐渐应用到现代工业中。其中最卓越的代表是瓦特瓦特（J.WattJ.Watt）发明的蒸汽机离心调速器，加速了第一次工业革命的步伐。瓦特瓦特141788年英国Watt发明的控制蒸汽机速度的离心式调速器 15三三 发展阶段发展阶段1. 1868年马克斯韦尔年马克斯韦尔（J.C.Maxwell）解决了蒸汽）解决了蒸汽机调速系统中

7、出现的剧烈振机调速系统中出现的剧烈振荡的不稳定问题，提出了简荡的不稳定问题，提出了简单的稳定性代数判据。单的稳定性代数判据。马克斯韦尔（马克斯韦尔（J.C.MaxwellJ.C.Maxwell）16 1895年劳斯（年劳斯（Routh）与赫）与赫尔维茨（尔维茨（Hurwitz）把马克）把马克斯韦尔的思想扩展到高阶微斯韦尔的思想扩展到高阶微分方程描述的更复杂的系分方程描述的更复杂的系统中统中,各自提出了两个著名各自提出了两个著名的稳定性判据的稳定性判据劳斯判据劳斯判据和赫尔维茨判据。基本上和赫尔维茨判据。基本上满足了二十世纪初期控制满足了二十世纪初期控制工程师的需要。工程师的需要。 赫尔维茨（赫

8、尔维茨（HurwitzHurwitz）173.由于第二次世界大战需要由于第二次世界大战需要控制系统具有准确跟踪与补控制系统具有准确跟踪与补偿能力，偿能力，1932年年奈奎斯特奈奎斯特（H.Nyquist）提出了频域内）提出了频域内研究系统的频率响应法，为研究系统的频率响应法，为具有高质量的动态品质和静具有高质量的动态品质和静态态 准确度的军用控制系统准确度的军用控制系统提供了所需的分析工具。提供了所需的分析工具。 奈奎斯特奈奎斯特184.1948年伊万斯（年伊万斯（W.R.Ewans）提出了复数域内研究）提出了复数域内研究系统的根轨迹法。系统的根轨迹法。 建立在奈奎斯特的频率响应法和伊万斯的根

9、轨迹建立在奈奎斯特的频率响应法和伊万斯的根轨迹法基础上的理论，称为经典（古典）控制理论（或法基础上的理论，称为经典（古典）控制理论（或自动控制理论）。自动控制理论）。19四四 标志阶段标志阶段 1.1947年控制论的奠基人美国年控制论的奠基人美国数学家数学家韦纳韦纳（N.Weiner）把控制）把控制论引起的自动化同第二次产业革论引起的自动化同第二次产业革命联系起来，并与命联系起来，并与1948年出版了年出版了控制论控制论关于在动物和机器中关于在动物和机器中控制与通讯的科学控制与通讯的科学，书中论述，书中论述了控制理论的一般方法，推广了了控制理论的一般方法，推广了反馈的概念，为控制理论这门学反馈

10、的概念，为控制理论这门学科奠定了基础。科奠定了基础。控制论之父控制论之父韦纳韦纳202.我国著名科学家我国著名科学家钱学森钱学森将控制理论应用于工程实将控制理论应用于工程实践，并与践，并与1954年出版了年出版了工程控制论工程控制论。钱学森钱学森21 从四十年代到五十年代末，经典控制理论的从四十年代到五十年代末，经典控制理论的发展与应用使整个世界的科学水平出现了巨大发展与应用使整个世界的科学水平出现了巨大的飞跃，几乎在工业、农业、交通运输及国防的飞跃，几乎在工业、农业、交通运输及国防建设的各个领域都广泛采用了自动化控制技术。建设的各个领域都广泛采用了自动化控制技术。（可以说工业革命和战争促使了

11、经典控制理论（可以说工业革命和战争促使了经典控制理论的发展）。的发展）。22第二阶段第二阶段 现代控制理论现代控制理论 科学技术的发展不仅需要迅速地发展控制理论，而且也科学技术的发展不仅需要迅速地发展控制理论，而且也给现代控制理论的发展准备了两个重要的条件给现代控制理论的发展准备了两个重要的条件现代数学和现代数学和数字计算机。数字计算机。 现代数学，例如泛函分析、现代代数等，为现代控制理现代数学，例如泛函分析、现代代数等，为现代控制理论提供了多种多样的分析工具；而数字计算机为现代控制理论提供了多种多样的分析工具；而数字计算机为现代控制理论发展提供了应用的平台。论发展提供了应用的平台。 在二十世

12、纪五十年代末开始，随着计算机的飞速发展，在二十世纪五十年代末开始，随着计算机的飞速发展，推动了核能技术、空间技术的发展，从而对出现的多输入多推动了核能技术、空间技术的发展，从而对出现的多输入多输出系统、非线性系统和时变系统。输出系统、非线性系统和时变系统。 主要研究对象主要研究对象: :多输入、多输出、时变参数、高精度多输入、多输出、时变参数、高精度复杂系统的分析和设计问题。复杂系统的分析和设计问题。 231.五十年代后期，贝尔曼（贝尔曼（BellmanBellman）等人提出了状态分析法；在19571957年年提出了动态规划。1.1959年年卡尔曼卡尔曼（Kalman）和布西创）和布西创建了

13、卡尔曼滤波理论；建了卡尔曼滤波理论；1960年在控制年在控制系统的研究中成功地应用了状态空间系统的研究中成功地应用了状态空间法，并提出了可控性和可观测性的新法，并提出了可控性和可观测性的新概念。概念。卡尔曼243. 罗森布洛克（罗森布洛克（H.H.Rosenbrock）、欧文斯）、欧文斯（D.H.Owens）和麦克法轮（）和麦克法轮（G.J.MacFarlane）研究了）研究了使用于计算机辅助控制系统设计的现代频域法理论，将使用于计算机辅助控制系统设计的现代频域法理论，将经典控制理论传递函数的概念推广到多变量系统，并探经典控制理论传递函数的概念推广到多变量系统，并探讨了传递函数矩阵与状态方程之

14、间的等价转换关系，为讨了传递函数矩阵与状态方程之间的等价转换关系，为进一步建立统一的线性系统理论奠定了基础进一步建立统一的线性系统理论奠定了基础2. 1961年庞特里亚金（俄国人）提出了极小（大）值原理。庞特里亚金 L.S.Pontryagin254. 20世纪世纪70年代奥斯特隆姆年代奥斯特隆姆（瑞典）和朗道（法国，（瑞典）和朗道（法国，L.D.Landau）在自适应控制）在自适应控制理论和应用方面作出了贡献。理论和应用方面作出了贡献。 与此同时，关于系统辨识、最优控制、离散时间系统和自与此同时，关于系统辨识、最优控制、离散时间系统和自适应控制的发展大大丰富了现代控制理论的内容。适应控制的发

15、展大大丰富了现代控制理论的内容。 朗道朗道L.D.Landau26第三阶段第三阶段 鲁棒控制理论阶段鲁棒控制理论阶段 1. 由于现代数学的发展，结合着H2和H等范数而 出现了H2和H控制，还有逆系统控制等方法。2. 20世纪70年代末，控制理论向着“大系统理论”、 “智能控制理论”和“复杂系统理论”的方向发展：27大系统理论：大系统理论：用控制和信息的观点，研究各种大系统用控制和信息的观点，研究各种大系统的结构方案、总体设计中的分解方法和协调等问题的技术的结构方案、总体设计中的分解方法和协调等问题的技术基础理论。基础理论。复杂大系统控制复杂大系统控制28智能控制理论：智能控制理论：研究与模拟人

16、类智能活动及其控制与信息研究与模拟人类智能活动及其控制与信息传递过程的规律，研制具有某些拟人智能传递过程的规律，研制具有某些拟人智能 的工程控制与信息的工程控制与信息处理系统的理论。处理系统的理论。洗衣机智能模糊控制机器人神经网络控制29复杂系统理论：复杂系统理论：把系统的研究拓广到开放复杂巨系统的范把系统的研究拓广到开放复杂巨系统的范 筹，以解决复杂系统的控制为目标。筹，以解决复杂系统的控制为目标。 回顾控制理论的发展历程可以看出，它的发展过程反映了回顾控制理论的发展历程可以看出，它的发展过程反映了人类由机械化时代进入电气化时代，并走向自动化、信息化、人类由机械化时代进入电气化时代，并走向自

17、动化、信息化、智能化时代。智能化时代。复杂航天器控制复杂航天器控制30研究对研究对象象数学工数学工具具分析方分析方法法局限性局限性经典经典控制控制理论理论单单I/OI/O线性定常线性定常系统系统微分方程，微分方程，传递函数传递函数时域法时域法频域法频域法根轨迹法根轨迹法对复杂多变量系统、对复杂多变量系统、时变和非线性系统时变和非线性系统无能为力无能为力现代现代控制控制理论理论多输入多输入- -多输出变多输出变系数，非系数，非线性等系线性等系统统线性代数、线性代数、矩阵理论矩阵理论状态状态空间法空间法比较繁琐比较繁琐（但由于计（但由于计算机技术的算机技术的 迅速发展，已克迅速发展，已克服服) )

18、31自动立体仓库自动立体仓库4. 4. 自动控制系统（应用举例）自动控制系统（应用举例）32注塑机注塑机自动搬运车自动搬运车4. 4. 自动控制系统（应用举例）自动控制系统（应用举例）33哈勃望远镜特殊地卫星中巴资源卫星 人造地球卫星人造地球卫星控制其准确地进入预定轨道运行并回收控制其准确地进入预定轨道运行并回收4. 4. 自动控制系统（应用举例）自动控制系统（应用举例）34无人驾驶飞机按预定轨迹飞行无人驾驶飞机按预定轨迹飞行4. 4. 自动控制系统（应用举例）自动控制系统（应用举例）35制导导弹制导导弹 现代的高新技术让导弹长上了“眼睛”和“大脑”，利用负反馈控制原理去紧紧盯住目标我国研制的

19、地空导弹4. 4. 自动控制系统（应用举例）自动控制系统（应用举例）36雷达技术雷达技术 雷达操作时，天线就要不停地转动。天线的作用是雷达操作时，天线就要不停地转动。天线的作用是把雷达中产生的无线电波按照一定的方向向外发射出去，把雷达中产生的无线电波按照一定的方向向外发射出去，并把被反射回来的无线电波接收下来。正因为天线所起并把被反射回来的无线电波接收下来。正因为天线所起的作用好似人的眼睛一样，因此雷达要注视和侦察整个的作用好似人的眼睛一样，因此雷达要注视和侦察整个天空的状况，天线就要不停地转动，用一个驱动马达使天空的状况，天线就要不停地转动，用一个驱动马达使天线作天线作360360度的旋转，

20、这样它就能在度的旋转，这样它就能在360360度范围内进行度范围内进行“搜索搜索”。4. 4. 自动控制系统（应用举例）自动控制系统（应用举例）37机器人足球比赛机器人足球比赛4. 4. 自动控制系统（应用举例）自动控制系统（应用举例）月球车月球车38机器人干活机器人干活机器人跳舞机器人跳舞4. 4. 自动控制系统（应用举例）自动控制系统（应用举例）39第二节第二节 控制系统的基本组成控制系统的基本组成控制系统的组成：输入部分、控制系统部分和输出控制系统的组成：输入部分、控制系统部分和输出部分。部分。从从物理物理角度上看，自动控制研究的是特定角度上看，自动控制研究的是特定激励作用激励作用下的系

21、统响应下的系统响应变化情况；变化情况；从从数学数学角度上看，研究的是角度上看，研究的是输入与输出之间的映射输入与输出之间的映射关系。关系。404142例：烤面包机输入定时器设定的时间输出面包的颜色控制对象烤箱的加热系统控制器与被控对象之间只有正向的控制作用。输出量对控制量没有影响。输入输出间没有反馈回路。43温度计温度计 加热电阻丝加热电阻丝u220Vk炉温开环控制系统炉温开环控制系统 开关闭合后，不开关闭合后，不同的输入电压同的输入电压u u对应于对应于不同的温度不同的温度t t。44给定值给定值输出量输出量控制器控制器被控制被控制对象对象扰动扰动输出量输出量 受控对象受控对象控制装置控制装

22、置 (电源电源 )输入量输入量( (温度温度) )扰动量扰动量开关开关电炉恒电炉恒温箱温箱加热电加热电阻丝阻丝炉温开环控制系统方框图炉温开环控制系统方框图4546 按干扰补偿的开环控制q定义：利用干扰信号产生控制作用，以及时定义：利用干扰信号产生控制作用，以及时补偿干扰对被控量的直接影响。补偿干扰对被控量的直接影响。计算计算测量测量受控对象受控对象执行执行干扰干扰被控量被控量特点特点：只能对可测干扰进行补偿，对不可测干扰以及受控对：只能对可测干扰进行补偿，对不可测干扰以及受控对象、各功能部件内部参数变化对被控量的影响，系统自身无象、各功能部件内部参数变化对被控量的影响，系统自身无法控制。法控制

23、。适用于：存在强干扰且变化比较剧烈的场合。适用于：存在强干扰且变化比较剧烈的场合。47水位高度控制系统原理图水位高度控制系统原理方框图48开环控制系统的特点开环控制系统的特点： 结构简单、造价低。结构简单、造价低。 系统的控制精度取决于给定信号的标定精度及控制器系统的控制精度取决于给定信号的标定精度及控制器及被控对象参数的稳定性。及被控对象参数的稳定性。 开环系统没有抗干扰的能力。因此精度较低。开环系统没有抗干扰的能力。因此精度较低。 应用场合：应用场合： 控制量的变化规律可以预知。控制量的变化规律可以预知。 可能出现的干扰可以抑制。可能出现的干扰可以抑制。 被控量很难测量。被控量很难测量。应

24、用较为广泛，如家电、加热炉、车床等等。应用较为广泛，如家电、加热炉、车床等等。49开环系统精度不高、适应性不强。开环系统精度不高、适应性不强。将输出量引入到输入端，使输出量对控制作用产生直接将输出量引入到输入端，使输出量对控制作用产生直接的影响。形成的影响。形成闭环控制系统闭环控制系统。50前向通道：系统输入量到输出量之间的通道。前向通道：系统输入量到输出量之间的通道。反馈通道：从输出量到反馈信号之间的通道。反馈通道：从输出量到反馈信号之间的通道。比较环节：输出量为各输入量的代数和。比较环节：输出量为各输入量的代数和。输入量：输入量：u ur r 输出量：输出量：n n 反馈量：反馈量：u u

25、f f 控制量：控制量：u ua a偏差量偏差量(u(ue e) )给定量给定量 (u(ur r ) )反馈量反馈量(u(uf f ) ) 51 如人取桌上书的过程（见下图）：如人取桌上书的过程（见下图）：眼睛大脑手臂、手眼睛输出量（手位置）输入信号（书位置）被控对象被控量测量元件52输出量输出量环节名称环节名称（或特性）（或特性）输入量输入量(a) (- -)(b)re=r-b b(c)c引出点引出点cc 扰动扰动被控量被控量偏差偏差信号信号 (- -) 参考参考 输入信号输入信号r(t) 调节器调节器(或控制器或控制器)u(t)受控系统受控系统e(t) c(t)反馈信号反馈信号 控制量控制

26、量 给定给定 控制控制 环节环节 放大放大 元件元件 执行执行 机构机构 受控受控 对象对象 反馈装置反馈装置 (测量元件测量元件)53扰动扰动(b) 方框图方框图(- -)utug 给定给定 装置装置 放大器放大器 电动机电动机 转速反转速反 馈装置馈装置 触发器触发器 晶阐管可晶阐管可 控整流器控整流器控控 制制 装装 置置受控对象受控对象nueudo54闭环控制系统的特点：闭环控制系统的特点： 系统对外部或内部干扰系统对外部或内部干扰( (如内部件参数变动如内部件参数变动) )的影响不甚的影响不甚敏感。敏感。 出于采用反馈装置，导致设备增多，线路复杂。出于采用反馈装置，导致设备增多，线路

27、复杂。 闭环系统存在稳定性问题。由于反馈通道的存在，对于闭环系统存在稳定性问题。由于反馈通道的存在，对于那些惯性较大的系统，若参数配合不当，控制性能可能那些惯性较大的系统，若参数配合不当，控制性能可能变得很差甚至出现发散或等幅振荡等不稳定的情况。变得很差甚至出现发散或等幅振荡等不稳定的情况。注意注意：对于主反馈必须采用负反馈。若采用正反馈将使：对于主反馈必须采用负反馈。若采用正反馈将使偏差越来越大。偏差越来越大。闭环控制系统：通过反馈回路使系统构成闭环并按偏差的性闭环控制系统：通过反馈回路使系统构成闭环并按偏差的性质产生控制作用，以求减小或消除偏差质产生控制作用，以求减小或消除偏差( (从而减

28、小或消除误从而减小或消除误差差) )的控制系统。的控制系统。55 56五、复合控制复合控制就是开环控制和闭环控制相结合的一种控制。实质复合控制就是开环控制和闭环控制相结合的一种控制。实质上，它是在闭环控制回路的基础上，附加了一个输入信号或上，它是在闭环控制回路的基础上，附加了一个输入信号或扰动作用的顺馈通路，来提高系统的控制精度。扰动作用的顺馈通路，来提高系统的控制精度。控制装置被控对象 CR补偿装置a.按输入作用补偿b.按扰动作用补偿n控制装置被控对象 CR补偿装置5758测量反馈元件测量反馈元件用以测量被控量并将其转换成与输入量同一物理量后，再反馈到输入端以作比较。比较元件比较元件用来比较

29、输人信号与反馈信号。放大元件放大元件将微弱的信号作线性放大。校正元件校正元件按某种函数规律变换控制信号，并产生反映两者差值的偏差信号。以利于改善系统的动态品质或静态性能。执行元件执行元件根据偏差信号的性质执行相应的控制作用，以便使被控量按期望值变化。控制对象控制对象又称被控对象或受控对象，通常是指生产过程中需要进行控制的工作机械或生产过程。出现于被控对象中需要控制的物理量称为被控量被控量。59常用的名词术语常用的名词术语输入信号输入信号：也叫参考输入，给定量或给定值，它是控制着输出：也叫参考输入，给定量或给定值，它是控制着输出量变化规律的指令信号。量变化规律的指令信号。输出信号输出信号：是指被

30、控对象中要求按一定规律变化的物理量，又：是指被控对象中要求按一定规律变化的物理量，又称被控量，它与输入量之间保持一定的函数关系。称被控量，它与输入量之间保持一定的函数关系。反馈信号反馈信号：由系统：由系统( (或元件或元件) )输出端取出并反向送回系统输出端取出并反向送回系统( (或元件或元件) )输入端的信号称为反馈信号。反馈有输入端的信号称为反馈信号。反馈有主反馈主反馈和和局部反馈局部反馈之分。之分。偏差信号偏差信号：它是指参考输入与主反馈信号之差。：它是指参考输入与主反馈信号之差。误差信号误差信号：指系统输出量的实际值与期望值之差，简称误差。：指系统输出量的实际值与期望值之差，简称误差。

31、扰动信号扰动信号：简称扰动或干扰、它与控制作用相反，是一种不希：简称扰动或干扰、它与控制作用相反，是一种不希望的、影响系统输出的不利因素。扰动信号既可来自系统内部，望的、影响系统输出的不利因素。扰动信号既可来自系统内部，又可来自系统外部，前者称又可来自系统外部，前者称内部扰动内部扰动，后者称，后者称外部扰动外部扰动。 601. 1. 按输入信号的特征分按输入信号的特征分 恒值控制系统（又称自动调节系统） 输出量以一定的精度等于给定值，而给定值一般不变化或变化很缓慢，扰动可随时变化的系统称为恒值系统，在生产过程中，这类系统非常多。例如，冶金部门的恒温系统，石油部门的恒压系统等。主要强调抗扰性。

32、随动系统（又称伺服系统） 输入信号是预先不知道的随时间任意变化的函数，控制系统能使输出信号以任意高的精度跟随给定值的变化 。主要强调跟随性。第三节自动控制系统的分类第三节自动控制系统的分类618-ERRnU*R+1-R15U9TG2347M6380VI1I23IACnU+-+-+-Uct+ndb00图图1-4 1-4 具有负反馈的速度给定控制系统原理图具有负反馈的速度给定控制系统原理图1 1运算放大器运算放大器 2 2触发电路触发电路 3 3可控整流器可控整流器 4 4平波电抗器平波电抗器5 5直流电动机直流电动机 6 6直流他励绕组直流他励绕组 7 7直流测速发电机直流测速发电机 8 8、9

33、 9电位器电位器6297E234856U17urt图图1-5 1-5 函数记录仪原理示意图函数记录仪原理示意图1 1放大器放大器 2 2伺服机伺服机 3 3测速发电机测速发电机 4 4减速器减速器 5 5电位器电位器 6 6滑线变阻器滑线变阻器 7 7线轮线轮 8 8纸带机纸带机 9 9输入函数输入函数6364 系统通过间隙传感器实时测量出密封间隙值并送入计算系统通过间隙传感器实时测量出密封间隙值并送入计算机，与设定值比较后，发出控制指令至电动机提升机构，调机，与设定值比较后，发出控制指令至电动机提升机构，调整密封板的位置，达到维持密封间隙值恒定的目的。整密封板的位置，达到维持密封间隙值恒定的

34、目的。65飞机自动驾驶系统原理图飞机自动驾驶系统原理图66控制任务控制任务：系统在任何扰动作用下，保持飞机俯仰角不变。被控对象被控对象：飞机。被控量被控量：飞机的俯仰角 。 俯仰角控制系统原理方框图67+_受信仪放大器减速器校正装置检测装置电机+6869系统的参据量时按预定规律随时间变化的函数，要系统的参据量时按预定规律随时间变化的函数，要求被控量迅速、准确地加以复现。程序控制系统和求被控量迅速、准确地加以复现。程序控制系统和随动系统的参据量都是时间函数，不过前者是已知随动系统的参据量都是时间函数，不过前者是已知的时间函数，后者是未知的任意时间函数，的时间函数，后者是未知的任意时间函数，而恒值

35、而恒值控制系统也可视为程序控制系统的特例。控制系统也可视为程序控制系统的特例。程序控制系统 70电炉温度控制系统 电阻丝通过晶闸管主电路加热，炉温期望值预先设电阻丝通过晶闸管主电路加热，炉温期望值预先设定，炉温实际值由热电偶检测，并转换成电压，经放定，炉温实际值由热电偶检测，并转换成电压，经放大、滤波后，由大、滤波后，由A/DA/D转换后送入计算机，并与所设置转换后送入计算机，并与所设置的期望温度进行比较，产生偏差信号，计算机根据控的期望温度进行比较，产生偏差信号，计算机根据控制算法计算相应控制量，再经制算法计算相应控制量，再经D/AD/A转换成电流，通过转换成电流，通过触发器控制晶闸管导通角

36、，从而改变电阻丝中电流大触发器控制晶闸管导通角，从而改变电阻丝中电流大小，达到控制炉温的目的。小，达到控制炉温的目的。71电炉温度控制系统的方框图电炉温度控制系统的方框图722. 2. 按描述元件的动态方程分按描述元件的动态方程分 线性系统 组成系统的全部元件都是线性元件，它们的输入-输出的静态特性均为线性，这类系统的运动可由常系数的微分方程（或差分方程）来描述。 非线性系统 系统中含有一个或多个非线性元件，非线性元件的静态输入-输出特性均为非线性的。凡含有非线性元件的系统均称为非线性系统。系统的运动需要用非线性的微分方程或差分方程来描述。733. 3. 按信号传递是否连续分类按信号传递是否连

37、续分类 连续系统 系统中各环节间的信号均为时间t的连续函数。运动规律用微分方程来描述。 离散系统 信号的传递过程中，只要有一处是脉冲序列或数字编码，这类系统要用差分方程来进行描述。4. 4. 按系统的参数是否随时间的变化而分类按系统的参数是否随时间的变化而分类 定常系统 时变系统5. 5. 单输入单输入- -单输出和多输入多输出单输出和多输入多输出6. 6. 确定和不确定系统确定和不确定系统7. 7. 集中参数系统和分布参数系统集中参数系统和分布参数系统 74第四节第四节 自动控制系统的基本要求自动控制系统的基本要求一、自动控制理论主要研究的问题 系统分析在已知系统的结构参数的条件下，研究系统

38、在某种典型在已知系统的结构参数的条件下，研究系统在某种典型输入信号下输出信号变化的全过程，并从这个变化过程中输入信号下输出信号变化的全过程，并从这个变化过程中得到评价系统性能的指标；以及讨论系统的性能和系统结得到评价系统性能的指标；以及讨论系统的性能和系统结构、参数的关系。构、参数的关系。 系统设计在给定被控对象及所要求的性能指标的情况下，设计一在给定被控对象及所要求的性能指标的情况下，设计一个即能完成控制任务又可以满足所提出的性能指标的控制个即能完成控制任务又可以满足所提出的性能指标的控制系统。要改变系统的某些参数或者是加入校正装置，使其系统。要改变系统的某些参数或者是加入校正装置，使其满足

39、预定的性能指标要求。满足预定的性能指标要求。75二、对控制系统的性能要求n定义：通常将系统受到给定值或干扰信号作用后，定义：通常将系统受到给定值或干扰信号作用后，控制被控量变化的全过程称为系统的动态过程。控制被控量变化的全过程称为系统的动态过程。工程上常从稳、快、准三个方面来评价控制系统。工程上常从稳、快、准三个方面来评价控制系统。 稳：稳： 指动态过程的平稳性。指动态过程的平稳性。 快：快： 指动态过程的快速性。指动态过程的快速性。 准：准： 指动态过程的最终精度。指动态过程的最终精度。76稳：稳：指动态过程的平稳性指动态过程的平稳性稳定性是指系统重新恢复平稳定性是指系统重新恢复平衡状态的能

40、力，任何一个正常工作的系统首先必须是稳衡状态的能力，任何一个正常工作的系统首先必须是稳定的。定的。控制系统动态过程曲线如上图所示，系统在外力作用下，输出逐渐与期望值一致，如上图所示，系统在外力作用下，输出逐渐与期望值一致，则系统是稳定的，如曲线则系统是稳定的，如曲线所示；反之，输出如曲线所示；反之，输出如曲线所示，所示，则系统是不稳定的。则系统是不稳定的。77快速性即动态过程进行的时间的长短。过程时间越短，说明系统快速性越好，反之说明系统响应迟钝，如曲线所示。稳和快反映了系统动态过程性能的好坏。既快又稳，表明系统稳和快反映了系统动态过程性能的好坏。既快又稳，表明系统的动态精度高。的动态精度高。快：快： 指动态过程的快速性，指动态过程的快速性，由于系统的对象和元件通常具有一定的惯由于系统的对象和元件通常具有一定的惯性，并受到能源功率的限制，因此，当系自输入性，并受到能源功率的限制，因此，当系自输入( (给定输入或扰动输入给定输入或扰动输入) )信号信号改变时，在控制作用下，系统必然由原先的平衡状态经过一段时间才过渡到改