自动控制理论 第八章(工大出品) (2).ppt

自自 动动 控控 制制 原理原理贺容波贺容波安徽工业大学电气信息学院安徽工业大学电气信息学院安徽工业大学电气信息学院安徽工业大学电气信息学院12/27/2022安徽工业大学电气信息学院参考书参考书自动控制原理自动控制原理 国防工业出版社国防工业出版社 李友善李友善 自动控制原理学习与考研指导自动控制原理学习与考研指导 科学出版社科学出版社 梅晓榕梅晓榕 自动控制原理试题精选与答题技巧自动控制原理试题精选与答题技巧 哈尔滨工业大学出版社哈尔滨工业大学出版社 王彤王彤 12/27/2022安徽工业大学电气信息学院讲课内容讲课内容讲课内容讲课内容：第一章第五章，第七章。第一章第五章，第七章。第一章第五章，第七章。第一章第五章，第七章。课时安排课时安排课时安排课时安排：一，一，一，一，3 3；二，；二，；二，；二，8 8；三，；三，；三，；三，1010；四，；四，；四，；四，6 6；五，；五，；五，；五，1010；七，；七，；七，；七，8 8；学习方法学习方法学习方法学习方法：比较抽象的技术基础课，以数学、物理比较抽象的技术基础课，以数学、物理比较抽象的技术基础课，以数学、物理比较抽象的技术基础课，以数学、物理及有关学科为其理论基础，运用信息的传递、处理及有关学科为其理论基础，运用信息的传递、处理及有关学科为其理论基础，运用信息的传递、处理及有关学科为其理论基础，运用信息的传递、处理与反馈进行控制这一正确的思维方法与观点，在数与反馈进行控制这一正确的思维方法与观点，在数与反馈进行控制这一正确的思维方法与观点，在数与反馈进行控制这一正确的思维方法与观点，在数理基础学科与专业课程之间架起一道桥梁，将两者理基础学科与专业课程之间架起一道桥梁，将两者理基础学科与专业课程之间架起一道桥梁，将两者理基础学科与专业课程之间架起一道桥梁，将两者紧密结合起来。在学习本课程前，应有良好的数学、紧密结合起来。在学习本课程前，应有良好的数学、紧密结合起来。在学习本课程前，应有良好的数学、紧密结合起来。在学习本课程前，应有良好的数学、力学、电学的基础，有一定的机械等其它学科的知力学、电学的基础，有一定的机械等其它学科的知力学、电学的基础，有一定的机械等其它学科的知力学、电学的基础，有一定的机械等其它学科的知识。不必过分追求数学论证的严密性，但一定要充识。不必过分追求数学论证的严密性，但一定要充识。不必过分追求数学论证的严密性，但一定要充识。不必过分追求数学论证的严密性，但一定要充分注意数学结论的准确性与物理概念的明晰性。要分注意数学结论的准确性与物理概念的明晰性。要分注意数学结论的准确性与物理概念的明晰性。要分注意数学结论的准确性与物理概念的明晰性。要重视实验，要重视习题，独立完成作业，有助于对重视实验，要重视习题，独立完成作业，有助于对重视实验，要重视习题，独立完成作业，有助于对重视实验，要重视习题，独立完成作业，有助于对基本概念的理解与基本方法的运用。基本概念的理解与基本方法的运用。基本概念的理解与基本方法的运用。基本概念的理解与基本方法的运用。作业作业作业作业：随堂布置，认真、及时地完成课后作业，检随堂布置，认真、及时地完成课后作业，检随堂布置，认真、及时地完成课后作业，检随堂布置，认真、及时地完成课后作业，检查所学内容查所学内容查所学内容查所学内容；考试考试考试考试：闭卷考试（闭卷考试（闭卷考试（闭卷考试（1313周）周）周）周）12/27/2022安徽工业大学电气信息学院第一章第一章 概概 论论本章要点本章要点：（1 1）反馈控制工作原理及相关概念）反馈控制工作原理及相关概念（2 2）控制系统的类型）控制系统的类型（3 3）对控制系统的基本要求）对控制系统的基本要求基本要求：基本要求：（1 1）了解自动控制概念及研究对象与任务）了解自动控制概念及研究对象与任务（2 2）掌握反馈的含义，学会分析动态系统内信息流动的）掌握反馈的含义，学会分析动态系统内信息流动的 过程，掌握系统或过程中存在的反馈。过程，掌握系统或过程中存在的反馈。（3 3）了解正反馈、负反馈的概念。）了解正反馈、负反馈的概念。（4 4）了解控制系统中基本名词和基本变量。）了解控制系统中基本名词和基本变量。（5 5）了解对控制系统的基本要求。）了解对控制系统的基本要求。12/27/2022安徽工业大学电气信息学院本课程与其它课程的关系本课程与其它课程的关系：自动控制理论自动控制理论电路理论电路理论电机与拖动电机与拖动大学物理大学物理信号与系统信号与系统复变函数复变函数 拉氏变换拉氏变换模拟电子技术模拟电子技术线性代数线性代数微积分微积分各各 类类 专业课专业课线性系统线性系统现代控现代控 制理论制理论12/27/2022安徽工业大学电气信息学院 1-1 自动控制的一般概念自动控制的一般概念 一一一一.自动控制系统自动控制系统自动控制系统自动控制系统 1 1、自动控制的应用、自动控制的应用、自动控制的应用、自动控制的应用自动控制自动控制自动控制自动控制：在没有人直接参与的情况下，利用外加的在没有人直接参与的情况下，利用外加的在没有人直接参与的情况下，利用外加的在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称为控制装置或控制器），使机器、设设备或装置（称为控制装置或控制器），使机器、设设备或装置（称为控制装置或控制器），使机器、设设备或装置（称为控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（通称被控对象）的某个工作状态或参备或生产过程（通称被控对象）的某个工作状态或参备或生产过程（通称被控对象）的某个工作状态或参备或生产过程（通称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行数（即被控量）自动地按照预定的规律运行数（即被控量）自动地按照预定的规律运行数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。自动控制系统自动控制系统自动控制系统自动控制系统：能够对被控制对象的工作状态进行自能够对被控制对象的工作状态进行自能够对被控制对象的工作状态进行自能够对被控制对象的工作状态进行自动控制的系统。包括被控对象和控制装置动控制的系统。包括被控对象和控制装置动控制的系统。包括被控对象和控制装置动控制的系统。包括被控对象和控制装置。自动控制的目的自动控制的目的自动控制的目的自动控制的目的：提高产品质量；提高劳动生产率；提高产品质量；提高劳动生产率；提高产品质量；提高劳动生产率；提高产品质量；提高劳动生产率；改善劳动条件，减轻劳动强度；提高生活质量等。改善劳动条件，减轻劳动强度；提高生活质量等。改善劳动条件，减轻劳动强度；提高生活质量等。改善劳动条件，减轻劳动强度；提高生活质量等。12/27/2022安徽工业大学电气信息学院自动控制系统应用举例自动控制系统应用举例自动控制系统应用举例自动控制系统应用举例例例例例1 1 工业工业工业工业加热炉的控制加热炉的控制加热炉的控制加热炉的控制生产工艺过程要求控制炉温为设定值（例如生产工艺过程要求控制炉温为设定值（例如生产工艺过程要求控制炉温为设定值（例如生产工艺过程要求控制炉温为设定值（例如600600左左左左右），并且在各种扰动（如电源电压波动、热负荷变右），并且在各种扰动（如电源电压波动、热负荷变右），并且在各种扰动（如电源电压波动、热负荷变右），并且在各种扰动（如电源电压波动、热负荷变化等）作用下只允许很下的偏差（例如化等）作用下只允许很下的偏差（例如化等）作用下只允许很下的偏差（例如化等）作用下只允许很下的偏差（例如1 1）。这时）。这时）。这时）。这时受控对象为热处理炉，被控量为炉温。如果不用自动受控对象为热处理炉，被控量为炉温。如果不用自动受控对象为热处理炉，被控量为炉温。如果不用自动受控对象为热处理炉，被控量为炉温。如果不用自动控制而由人工操作，控制精度很难保证，产品质量也控制而由人工操作，控制精度很难保证，产品质量也控制而由人工操作，控制精度很难保证，产品质量也控制而由人工操作，控制精度很难保证，产品质量也将受到影响。将受到影响。将受到影响。将受到影响。1）开环控制开环控制12/27/2022安徽工业大学电气信息学院2）闭环控制闭环控制12/27/2022安徽工业大学电气信息学院例例2 液位控制系统液位控制系统控制器控制器减速器减速器电动机电动机电位器电位器浮子浮子用水开关用水开关Q2Q1cifSM12/27/2022安徽工业大学电气信息学院问题的提出问题的提出问题的提出问题的提出（1 1）受控系统的性能难合人意）受控系统的性能难合人意）受控系统的性能难合人意）受控系统的性能难合人意（2 2）存在各种扰动阻碍系统的被控量按照预定的规）存在各种扰动阻碍系统的被控量按照预定的规）存在各种扰动阻碍系统的被控量按照预定的规）存在各种扰动阻碍系统的被控量按照预定的规 律变化律变化律变化律变化 系统的输入信号系统的输入信号系统的输入信号系统的输入信号=有用的输入信号有用的输入信号有用的输入信号有用的输入信号+扰动扰动扰动扰动12/27/2022安徽工业大学电气信息学院2 自动控制理论自动控制理论自动控制理论是研究自动控制技术的基础理论，是自动控制理论是研究自动控制技术的基础理论，是自动控制理论是研究自动控制技术的基础理论，是自动控制理论是研究自动控制技术的基础理论，是理论性较强的工程学科。注重工程应用，在专业术理论性较强的工程学科。注重工程应用，在专业术理论性较强的工程学科。注重工程应用，在专业术理论性较强的工程学科。注重工程应用，在专业术语上不是非常严谨的理论。语上不是非常严谨的理论。语上不是非常严谨的理论。语上不是非常严谨的理论。经典控制理论经典控制理论经典控制理论经典控制理论现代控制理论现代控制理论现代控制理论现代控制理论时间分界时间分界时间分界时间分界2020世纪世纪世纪世纪6060年代，达年代，达年代，达年代，达到完善；到完善；到完善；到完善；2020世纪世纪世纪世纪6060年代，开始发展；年代，开始发展；年代，开始发展；年代，开始发展；数学工具数学工具数学工具数学工具常微分方程，传递常微分方程，传递常微分方程，传递常微分方程，传递函数；函数；函数；函数；一阶微分方程组，状态空间一阶微分方程组，状态空间一阶微分方程组，状态空间一阶微分方程组，状态空间方程方程方程方程(传递函数阵传递函数阵传递函数阵传递函数阵)研究对象研究对象研究对象研究对象单输入单输出系统，单输入单输出系统，单输入单输出系统，单输入单输出系统，定常系统；定常系统；定常系统；定常系统；多输入多输出系统，定常和多输入多输出系统，定常和多输入多输出系统，定常和多输入多输出系统，定常和时变系统时变系统时变系统时变系统系统变量系统变量系统变量系统变量注重系统的输入输注重系统的输入输注重系统的输入输注重系统的输入输出关系；出关系；出关系；出关系；研究系统输入、输出及内部研究系统输入、输出及内部研究系统输入、输出及内部研究系统输入、输出及内部变量的运动关系；变量的运动关系；变量的运动关系；变量的运动关系；12/27/2022安徽工业大学电气信息学院自动控制的发展史自动控制的发展史自动控制思想及其实践历史悠久。它是人类在认识世界和改造世自动控制思想及其实践历史悠久。它是人类在认识世界和改造世界的过程中产生的，并随着社会的发展和科学水平的进步而不断界的过程中产生的，并随着社会的发展和科学水平的进步而不断发展。发展。1 1、一千多年前：铜壶滴漏计时器、指南针、各种天文、一千多年前：铜壶滴漏计时器、指南针、各种天文、一千多年前：铜壶滴漏计时器、指南针、各种天文、一千多年前：铜壶滴漏计时器、指南针、各种天文仪器仪器仪器仪器 12/27/2022安徽工业大学电气信息学院2 2、17691769年年年年J.WattJ.Watt用离心式飞锤调速器构建了蒸汽机转用离心式飞锤调速器构建了蒸汽机转用离心式飞锤调速器构建了蒸汽机转用离心式飞锤调速器构建了蒸汽机转速自动控制系统，在锅炉压力和负荷变化的条件下将速自动控制系统，在锅炉压力和负荷变化的条件下将速自动控制系统，在锅炉压力和负荷变化的条件下将速自动控制系统，在锅炉压力和负荷变化的条件下将蒸汽机转速维持在一定的范围内蒸汽机转速维持在一定的范围内蒸汽机转速维持在一定的范围内蒸汽机转速维持在一定的范围内。12/27/2022安徽工业大学电气信息学院3 3、18681868年年年年J.C.MaxwellJ.C.Maxwell基于线性常微分方程描述，从理基于线性常微分方程描述，从理基于线性常微分方程描述，从理基于线性常微分方程描述，从理论上给出了系统稳定的条件。此后劳斯（论上给出了系统稳定的条件。此后劳斯（论上给出了系统稳定的条件。此后劳斯（论上给出了系统稳定的条件。此后劳斯（RouthRouth）于）于）于）于18771877年和赫尔维茨（年和赫尔维茨（年和赫尔维茨（年和赫尔维茨（HuiwitzHuiwitz）于）于）于）于18951895年分别提出了用年分别提出了用年分别提出了用年分别提出了用于高阶线性系统的稳定性判据。于高阶线性系统的稳定性判据。于高阶线性系统的稳定性判据。于高阶线性系统的稳定性判据。4 4、18921892年年年年LyapunovLyapunov发表了专著发表了专著发表了专著发表了专著论运动稳定性的一般论运动稳定性的一般论运动稳定性的一般论运动稳定性的一般问题问题问题问题，用严格的数学分析方法全面论述了稳定性问，用严格的数学分析方法全面论述了稳定性问，用严格的数学分析方法全面论述了稳定性问，用严格的数学分析方法全面论述了稳定性问题。题。题。题。5 5、19321932年顺应时代需要，年顺应时代需要，年顺应时代需要，年顺应时代需要，NyqiustNyqiust提出了稳定性的频域提出了稳定性的频域提出了稳定性的频域提出了稳定性的频域方法。它不仅可以判断系统的稳定性，解决了方法。它不仅可以判断系统的稳定性，解决了方法。它不仅可以判断系统的稳定性，解决了方法。它不仅可以判断系统的稳定性，解决了BlackBlack负负负负反馈放大器的稳定性问题；而且还可以用来分析系统的反馈放大器的稳定性问题；而且还可以用来分析系统的反馈放大器的稳定性问题；而且还可以用来分析系统的反馈放大器的稳定性问题；而且还可以用来分析系统的稳定裕量。稳定裕量。稳定裕量。稳定裕量。6 6、19401940年年年年BodeBode引入了对数坐标系，使频率法更适合于引入了对数坐标系，使频率法更适合于引入了对数坐标系，使频率法更适合于引入了对数坐标系，使频率法更适合于工程运用。工程运用。工程运用。工程运用。12/27/2022安徽工业大学电气信息学院7 7、1942 1942 年年年年HarrisHarris引入了传递函数的概念。引入了传递函数的概念。引入了传递函数的概念。引入了传递函数的概念。8 8、18481848年年年年EvansEvans提出了根轨迹法。至此基于传递函数提出了根轨迹法。至此基于传递函数提出了根轨迹法。至此基于传递函数提出了根轨迹法。至此基于传递函数（或频率特性）在复数域或频率域进行讨论的方法（或频率特性）在复数域或频率域进行讨论的方法（或频率特性）在复数域或频率域进行讨论的方法（或频率特性）在复数域或频率域进行讨论的方法（频域法）趋于成熟，从而形成了经典的控制理论（频域法）趋于成熟，从而形成了经典的控制理论（频域法）趋于成熟，从而形成了经典的控制理论（频域法）趋于成熟，从而形成了经典的控制理论9 9、19481948年数学家维纳（年数学家维纳（年数学家维纳（年数学家维纳（N.WienerN.Wiener）出版了专著）出版了专著）出版了专著）出版了专著控制控制控制控制论论论论，它是经典控制论的辉煌总结。，它是经典控制论的辉煌总结。，它是经典控制论的辉煌总结。，它是经典控制论的辉煌总结。19541954年钱学森出年钱学森出年钱学森出年钱学森出版了专著版了专著版了专著版了专著工程控制论工程控制论工程控制论工程控制论，系统的阐述了控制论与工，系统的阐述了控制论与工，系统的阐述了控制论与工，系统的阐述了控制论与工程结合的理论和应用，揭示了控制论在自动化，航空、程结合的理论和应用，揭示了控制论在自动化，航空、程结合的理论和应用，揭示了控制论在自动化，航空、程结合的理论和应用，揭示了控制论在自动化，航空、航天、电子和通信等工程技术领域的意义和深远影航天、电子和通信等工程技术领域的意义和深远影航天、电子和通信等工程技术领域的意义和深远影航天、电子和通信等工程技术领域的意义和深远影响，标志着控制论学科分支学科响，标志着控制论学科分支学科响，标志着控制论学科分支学科响，标志着控制论学科分支学科“工程控制论工程控制论工程控制论工程控制论”的诞的诞的诞的诞生。生。生。生。12/27/2022安徽工业大学电气信息学院1-2 自动控制系统的基本形式自动控制系统的基本形式 1 1 开环控制（开环控制有何特点）开环控制（开环控制有何特点）开环控制（开环控制有何特点）开环控制（开环控制有何特点）控制装置与被控制对象之间只有正向作用而没有反向联系的控控制装置与被控制对象之间只有正向作用而没有反向联系的控控制装置与被控制对象之间只有正向作用而没有反向联系的控控制装置与被控制对象之间只有正向作用而没有反向联系的控制过程；每个输入量对应的有一输出量，在开环系统中，不需制过程；每个输入量对应的有一输出量，在开环系统中，不需制过程；每个输入量对应的有一输出量，在开环系统中，不需制过程；每个输入量对应的有一输出量，在开环系统中，不需要对输出量进行测量。要对输出量进行测量。要对输出量进行测量。要对输出量进行测量。开环控制的特点：开环控制的特点：开环控制的特点：开环控制的特点：（1 1 1 1）输出不影响输入，对输出不需要测量，通常较容易实现；）输出不影响输入，对输出不需要测量，通常较容易实现；）输出不影响输入，对输出不需要测量，通常较容易实现；）输出不影响输入，对输出不需要测量，通常较容易实现；（2 2 2 2）组成系统的元、部件精度高，系统的精度才能高；）组成系统的元、部件精度高，系统的精度才能高；）组成系统的元、部件精度高，系统的精度才能高；）组成系统的元、部件精度高，系统的精度才能高；（3 3 3 3）系统的稳定性不是主要问题。）系统的稳定性不是主要问题。）系统的稳定性不是主要问题。）系统的稳定性不是主要问题。开环系统存在的问题：开环系统存在的问题：开环系统存在的问题：开环系统存在的问题：（1 1 1 1）要求元、部件的精度要高；）要求元、部件的精度要高；）要求元、部件的精度要高；）要求元、部件的精度要高；（2 2 2 2）当存在变化规律无法预测的干扰时，不容易实现。）当存在变化规律无法预测的干扰时，不容易实现。）当存在变化规律无法预测的干扰时，不容易实现。）当存在变化规律无法预测的干扰时，不容易实现。12/27/2022安徽工业大学电气信息学院结结结结论论论论：如如如如果果果果系系系系统统统统中中中中存存存存在在在在干干干干扰扰扰扰,或或或或者者者者由由由由于于于于控控控控制制制制元元元元器器器器件件件件老老老老化化化化,均均均均会会会会导导导导致致致致系系系系统统统统输输输输出出出出发发发发生生生生变变变变化化化化,使使使使输输输输出出出出值值值值偏偏偏偏离离离离预预预预期期期期值值值值。开开开开环环环环控控控控制制制制系系系系统统统统一一一一般般般般适适适适用用用用于于于于干干干干扰扰扰扰不不不不强强强强或或或或可可可可预预预预测、测、测、测、并且控制精度要求不高的场合。并且控制精度要求不高的场合。并且控制精度要求不高的场合。并且控制精度要求不高的场合。2 2、闭环控制、闭环控制、闭环控制、闭环控制12/27/2022安徽工业大学电气信息学院在闭环控制系统中在闭环控制系统中在闭环控制系统中在闭环控制系统中,对系统输出量不断地进行测量并反馈到系对系统输出量不断地进行测量并反馈到系对系统输出量不断地进行测量并反馈到系对系统输出量不断地进行测量并反馈到系统的输入端与输入量进行比较统的输入端与输入量进行比较统的输入端与输入量进行比较统的输入端与输入量进行比较,产生偏差信号产生偏差信号产生偏差信号产生偏差信号,按偏差实现控按偏差实现控按偏差实现控按偏差实现控制。制。制。制。闭环控制又称为反馈控制。闭环控制又称为反馈控制。闭环控制又称为反馈控制。闭环控制又称为反馈控制。闭环控制的特点：闭环控制的特点：闭环控制的特点：闭环控制的特点：（1 1 1 1）信号双向传递，既有正向控制作用，又有反馈作用，系）信号双向传递，既有正向控制作用，又有反馈作用，系）信号双向传递，既有正向控制作用，又有反馈作用，系）信号双向传递，既有正向控制作用，又有反馈作用，系统输出量对控制量有直接影响，所以能削弱或抑制干扰；统输出量对控制量有直接影响，所以能削弱或抑制干扰；统输出量对控制量有直接影响，所以能削弱或抑制干扰；统输出量对控制量有直接影响，所以能削弱或抑制干扰；（2 2 2 2）低精度元件可组成高精度系统；）低精度元件可组成高精度系统；）低精度元件可组成高精度系统；）低精度元件可组成高精度系统；（3 3 3 3）因为可能发生超调、振荡，所以稳定性问题很重要。）因为可能发生超调、振荡，所以稳定性问题很重要。）因为可能发生超调、振荡，所以稳定性问题很重要。）因为可能发生超调、振荡，所以稳定性问题很重要。系统的控制器和被控对象共同构成了前向通道系统的控制器和被控对象共同构成了前向通道,而测量元件构而测量元件构成了系统的反馈通道。成了系统的反馈通道。12/27/2022安徽工业大学电气信息学院采用正反馈形式的系统一般不能改进系统性能采用正反馈形式的系统一般不能改进系统性能采用正反馈形式的系统一般不能改进系统性能采用正反馈形式的系统一般不能改进系统性能,而且容易使而且容易使而且容易使而且容易使系统性能变坏系统性能变坏系统性能变坏系统性能变坏;而具有负反馈形式的系统而具有负反馈形式的系统而具有负反馈形式的系统而具有负反馈形式的系统,它能抑制系统回它能抑制系统回它能抑制系统回它能抑制系统回路中存在的内扰和外扰的影响，使系统输出趋于给定输入量路中存在的内扰和外扰的影响，使系统输出趋于给定输入量路中存在的内扰和外扰的影响，使系统输出趋于给定输入量路中存在的内扰和外扰的影响，使系统输出趋于给定输入量,最终达到自动控制的目的。通常而言最终达到自动控制的目的。通常而言最终达到自动控制的目的。通常而言最终达到自动控制的目的。通常而言,反馈控制就是指负反反馈控制就是指负反反馈控制就是指负反反馈控制就是指负反馈控制。馈控制。馈控制。馈控制。总总总总结结结结：采采采采用用用用闭闭闭闭环环环环控控控控制制制制的的的的系系系系统统统统，由由由由于于于于增增增增加加加加了了了了反反反反馈馈馈馈通通通通道道道道,可可可可以以以以较较较较好好好好地地地地抑抑抑抑制制制制系系系系统统统统各各各各环环环环节节节节中中中中可可可可能能能能存存存存在在在在的的的的扰扰扰扰动动动动和和和和由由由由于于于于器器器器件件件件的的的的老老老老化化化化而而而而引引引引起起起起的的的的结结结结构构构构和和和和参参参参数数数数的的的的不不不不确确确确定定定定性性性性，使使使使系系系系统统统统的的的的控控控控制制制制精精精精度度度度得得得得到到到到了了了了极极极极大的提高。大的提高。大的提高。大的提高。日常生活过程中的控制系统例子日常生活过程中的控制系统例子日常生活过程中的控制系统例子日常生活过程中的控制系统例子12/27/2022安徽工业大学电气信息学院水箱水位控制系统水箱水位控制系统-12/27/2022安徽工业大学电气信息学院调调调调节节节节器器器器(杠杠杠杠杆杆杆杆)执执执执行行行行器器器器调调调调节节节节阀阀阀阀水水水水箱箱箱箱变变变变送送送送器器器器(浮浮浮浮球球球球)+-水箱水位控制系统框图水箱水位控制系统框图测量水位测量水位测量水位测量水位偏偏偏偏差差差差量量量量控控控控制制制制量量量量调调调调节节节节位位位位移移移移进进进进水水水水量量量量实实实实际际际际水水水水位位位位设设设设定定定定水水水水位位位位12/27/2022安徽工业大学电气信息学院下图是一个阀门的人工控制系统原理示意图。操作员根据下图是一个阀门的人工控制系统原理示意图。操作员根据下图是一个阀门的人工控制系统原理示意图。操作员根据下图是一个阀门的人工控制系统原理示意图。操作员根据仪表显示的液体浓度来调节阀门，达到控制处理罐输出液仪表显示的液体浓度来调节阀门，达到控制处理罐输出液仪表显示的液体浓度来调节阀门，达到控制处理罐输出液仪表显示的液体浓度来调节阀门，达到控制处理罐输出液体浓度的目的。体浓度的目的。体浓度的目的。体浓度的目的。（1 1）该系统是开环控制还是闭环控制系统。）该系统是开环控制还是闭环控制系统。）该系统是开环控制还是闭环控制系统。）该系统是开环控制还是闭环控制系统。（2 2）指出什么是输入量，什么是输出量。）指出什么是输入量，什么是输出量。）指出什么是输入量，什么是输出量。）指出什么是输入量，什么是输出量。12/27/2022安徽工业大学电气信息学院1-3 自动控制系统的基本类型自动控制系统的基本类型 12/27/2022安徽工业大学电气信息学院 线性控制系统线性控制系统线性控制系统线性控制系统 输入与输出成正比，可用叠加原理输入与输出成正比，可用叠加原理输入与输出成正比，可用叠加原理输入与输出成正比，可用叠加原理 用线性数学模型描述用线性数学模型描述用线性数学模型描述用线性数学模型描述 非线性控制系统非线性控制系统非线性控制系统非线性控制系统 输入与输出不成正比，不可用叠加原理输入与输出不成正比，不可用叠加原理输入与输出不成正比，不可用叠加原理输入与输出不成正比，不可用叠加原理 用非线性数学模型描述用非线性数学模型描述用非线性数学模型描述用非线性数学模型描述 12/27/2022安徽工业大学电气信息学院非线性系统非线性系统非线性系统非线性系统:在构成系统的环节中有一个或一个以上的非线性环节在构成系统的环节中有一个或一个以上的非线性环节在构成系统的环节中有一个或一个以上的非线性环节在构成系统的环节中有一个或一个以上的非线性环节典型非线性特性典型非线性特性典型非线性特性典型非线性特性:饱和特性、死区性、间隙特性、继电特性、磁滞特性等。饱和特性、死区性、间隙特性、继电特性、磁滞特性等。饱和特性、死区性、间隙特性、继电特性、磁滞特性等。饱和特性、死区性、间隙特性、继电特性、磁滞特性等。12/27/2022安徽工业大学电气信息学院如果线性系统中的参数如果线性系统中的参数如果线性系统中的参数如果线性系统中的参数 不不不不随时间变化随时间变化随时间变化随时间变化,则称为线性定常系统则称为线性定常系统则称为线性定常系统则称为线性定常系统;否则称为线性时变否则称为线性时变否则称为线性时变否则称为线性时变系统。系统。系统。系统。本书主要讨论线性定常系统。本书主要讨论线性定常系统。本书主要讨论线性定常系统。本书主要讨论线性定常系统。12/27/2022安徽工业大学电气信息学院恒值控制系统恒值控制系统恒值控制系统恒值控制系统（或称自动调节系统）（或称自动调节系统）（或称自动调节系统）（或称自动调节系统）特点：输入信号是一个恒定的数值。恒值控制系统特点：输入信号是一个恒定的数值。恒值控制系统特点：输入信号是一个恒定的数值。恒值控制系统特点：输入信号是一个恒定的数值。恒值控制系统主要研究各种干扰对系统输出的影响以及如何克服主要研究各种干扰对系统输出的影响以及如何克服主要研究各种干扰对系统输出的影响以及如何克服主要研究各种干扰对系统输出的影响以及如何克服这些干扰这些干扰这些干扰这些干扰随动控制系统随动控制系统随动控制系统随动控制系统（或称伺服系统）（或称伺服系统）（或称伺服系统）（或称伺服系统）特点：输入信号是一个未知函数，要求输出量特点：输入信号是一个未知函数，要求输出量特点：输入信号是一个未知函数，要求输出量特点：输入信号是一个未知函数，要求输出量以一以一定的准确度定的准确度定的准确度定的准确度跟随给定量变化。跟随给定量变化。跟随给定量变化。跟随给定量变化。雷达天线控制系统就雷达天线控制系统就雷达天线控制系统就雷达天线控制系统就是典型的伺服控制系统。是典型的伺服控制系统。是典型的伺服控制系统。是典型的伺服控制系统。程序控制系统程序控制系统程序控制系统程序控制系统特点：输入信号是一个已知的时间函数，系统的控特点：输入信号是一个已知的时间函数，系统的控特点：输入信号是一个已知的时间函数，系统的控特点：输入信号是一个已知的时间函数，系统的控制过程按预定的程序进行，要求被控量能迅速准确制过程按预定的程序进行，要求被控量能迅速准确制过程按预定的程序进行，要求被控量能迅速准确制过程按预定的程序进行，要求被控量能迅速准确地复现。地复现。地复现。地复现。12/27/2022安徽工业大学电气信息学院连续时间控制系统连续时间控制系统 系统各部分的信号是模拟的连续函数，例：工业中普遍系统各部分的信号是模拟的连续函数，例：工业中普遍系统各部分的信号是模拟的连续函数，例：工业中普遍系统各部分的信号是模拟的连续函数，例：工业中普遍采用的常规采用的常规采用的常规采用的常规PIDPID调节器控制的系统调节器控制的系统调节器控制的系统调节器控制的系统 离散时间控制系统离散时间控制系统系统的某一处或几处，信号以脉冲序列或数码的形式传系统的某一处或几处，信号以脉冲序列或数码的形式传系统的某一处或几处，信号以脉冲序列或数码的形式传系统的某一处或几处，信号以脉冲序列或数码的形式传递的控制系统，递的控制系统，递的控制系统，递的控制系统，例：计算机控制的温度控制系统例：计算机控制的温度控制系统例：计算机控制的温度控制系统例：计算机控制的温度控制系统 12/27/2022安徽工业大学电气信息学院1-4 自动控制系统的性能要求自动控制系统的性能要求 对自动控制系统的要求，在时域中一般可归纳为三大性对自动控制系统的要求，在时域中一般可归纳为三大性对自动控制系统的要求，在时域中一般可归纳为三大性对自动控制系统的要求，在时域中一般可归纳为三大性能指标：能指标：能指标：能指标：（1 1）稳定性）稳定性）稳定性）稳定性稳定性是保证系统正常工作的先决条件。稳定性是保证系统正常工作的先决条件。稳定性是保证系统正常工作的先决条件。稳定性是保证系统正常工作的先决条件。（2 2）快速性）快速性）快速性）快速性为了很好完成控制任务，还必须对其过为了很好完成控制任务，还必须对其过为了很好完成控制任务，还必须对其过为了很好完成控制任务，还必须对其过渡过程的形式和快慢提出要求。渡过程的形式和快慢提出要求。渡过程的形式和快慢提出要求。渡过程的形式和快慢提出要求。（3 3）准确性）准确性）准确性）准确性要求系统最终的响应准确度。要求系统最终的响应准确度。要求系统最终的响应准确度。要求系统最终的响应准确度。上述要求，简称稳、快、准。不同的系统对稳、快、准上述要求，简称稳、快、准。不同的系统对稳、快、准上述要求，简称稳、快、准。不同的系统对稳、快、准上述要求，简称稳、快、准。不同的系统对稳、快、准的要求一般是不同的。对同一系统的稳、快、准是相互的要求一般是不同的。对同一系统的稳、快、准是相互的要求一般是不同的。对同一系统的稳、快、准是相互的要求一般是不同的。对同一系统的稳、快、准是相互制约的。制约的。制约的。制约的。“稳稳稳稳”与与与与“快快快快”是说明系统动态（过渡过程）是说明系统动态（过渡过程）是说明系统动态（过渡过程）是说明系统动态（过渡过程）品质。品质。品质。品质。“准准准准”是说明系统的稳态（静态）品质。是说明系统的稳态（静态）品质。是说明系统的稳态（静态）品质。是说明系统的稳态（静态）品质。12/27/2022安徽工业大学电气信息学院自动控制系统被控量变化的动态特性自动控制系统被控量变化的动态特性(a)(a)(a)(a)单调过程单调过程单调过程单调过程 (b)b)b)b)衰减振荡过程衰减振荡过程衰减振荡过程衰减振荡过程 (c)c)c)c)等幅振荡过程等幅振荡过程等幅振荡过程等幅振荡过程(d)d)d)d)渐扩振荡过程渐扩振荡过程渐扩振荡过程渐扩振荡过程12/27/2022安徽工业大学电气信息学院单位阶跃响应单位阶跃响应 12/27/2022安徽工业大学电气信息学院自动控制系统性能要求自动控制系统性能要求:稳稳 准准 快快12/27/2022安徽工业大学电气信息学院本章小结自动控制理论中常用的术语：被控对象，参考输入信号自动控制理论中常用的术语：被控对象，参考输入信号自动控制理论中常用的术语：被控对象，参考输入信号自动控制理论中常用的术语：被控对象，参考输入信号（给定值信号），扰动、偏差信号、被控量、控制量和（给定值信号），扰动、偏差信号、被控量、控制量和（给定值信号），扰动、偏差信号、被控量、控制量和（给定值信号），扰动、偏差信号、被控量、控制量和自动控制系统自动控制系统自动控制系统自动控制系统自动控制系统的组成及其方框图自动控制系统的组成及其方框图自动控制系统的组成及其方框图自动控制系统的组成及其方框图,自动控制系统的分类自动控制系统的分类自动控制系统的分类自动控制系统的分类方法方法方法方法开环控制系统和闭环控制系统概念。注开环控制系统和闭环控制系统概念。注开环控制系统和闭环控制系统概念。注开环控制系统和闭环控制系统概念。注:实际生产过程实际生产过程实际生产过程实际生产过程的自动控制系统，绝大多数是闭环控制系统，即负反馈的自动控制系统，绝大多数是闭环控制系统，即负反馈的自动控制系统，绝大多数是闭环控制系统，即负反馈的自动控制系统，绝大多数是闭环控制系统，即负反馈控制系统。控制系统。控制系统。控制系统。对自动控制系统的性能要求，即稳定性、快速性和准确对自动控制系统的性能要求，即稳定性、快速性和准确对自动控制系统的性能要求，即稳定性、快速性和准确对自动控制系统的性能要求，即稳定性、快速性和准确性。自动控制系统的最基本要求是稳，然后进一步要求性。自动控制系统的最基本要求是稳，然后进一步要求性。自动控制系统的最基本要求是稳，然后进一步要求性。自动控制系统的最基本要求是稳，然后进一步要求快和准，当后两者存在矛盾时，设计自动控制系统要兼快和准，当后两者存在矛盾时，设计自动控制系统要兼快和准，当后两者存在矛盾时，设计自动控制系统要兼快和准，当后两者存在矛盾时，设计自动控制系统要兼顾两方面的要求顾两方面的要求顾两方面的要求顾两方面的要求12/27/2022安徽工业大学电气信息学院