第1章-自动控制理论绪论

1、自动控制理论教材：教材：自动控制理论自动控制理论王孝武，方敏，葛锁良编王孝武，方敏，葛锁良编. . 机械工业出版社机械工业出版社 2010.62010.6参考书：参考书： 自动控制理论自动控制理论（第五版）（第五版），胡寿松主编胡寿松主编. .科学出版社科学出版社 现代控制工程现代控制工程 绪方胜彦著绪方胜彦著, ,科学出版社科学出版社 自动控制原理自动控制原理 孙虎章主编，中央广播电视大学孙虎章主编，中央广播电视大学参考葛锁良老师课件参考葛锁良老师课件主讲教师主讲教师: : 平兆武平兆武合肥工业大学电气与自动化工程学院自动化系合肥工业大学电气与自动化工程学院自动化系第一章 绪 论1.1 自动

2、控制与自动控制系统 一：自动控制所谓自动控制，是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称控制对象）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。思考：实际中的自动控制？蒸汽机速度控制英国英国JWatt发明的离心式发明的离心式调速器控制蒸汽机速度，被调速器控制蒸汽机速度，被普遍认为是普遍认为是最早应用于工业最早应用于工业过程过程的自动控制系统。的自动控制系统。（年）（年）n0二：自动控制系统由控制器（控制装置）和被控对象组成，具有自动控制功能的系统，称为自动控制系统。控制器被控对象-( )r t( )c t被控制的机器设备或

3、生产过程称作被控对象，将表征其工况的关键参数称作被控量（输出量），而将对这些工况参数所要求达到的值称作给定值（或希望值、输入量）。自动控制的任务可抽象为：使被控对象的被控量按给定值变化。对被控对象实施控制的装置称为控制器。其基本功能有:测量、决策和执行1.2 自动控制系统的组成自动控制系统是由各种结构不同的元部件组成的。将组成系统的元部件按职能分类主要由以下几种。 1：测量元件 其职能是对物理量进行检测(被控量、内部变量、干扰信号)2：给定元件 其职能是给出与期望的被控量相对应的系统输入量 3：比较元件 其职能是对两个物理量进行比较、加减运算，以形成偏差信号4：放大元件 其职能是将比较元件给出

4、的偏差信号进行放大，用来推动执行元件去控制被控对象。 5：执行元件 其职能是直接推动被控对象，使被控量发生变化6:校正元件 也叫补偿元件，它是结构或参数便于调整的元件，用串联或反馈方式连接在系统中，以改善系统的性能。 自动控制系统原理框图 术语：前向通道（从输入端到输出端）、反馈通道（从输出端到比较元件）输入信号、输出信号、扰动信号扰动负反馈、正反馈反馈信号、误差信号、控制信号控制装置1.3 1.3 自动控制方式自动控制方式根据控制信号的来源不同，可以分为以下三种控制结构：根据控制信号的来源不同，可以分为以下三种控制结构：输出输出计算计算执行执行被控对象被控对象干扰干扰控制装置控制装置输入输入

5、控制量控制量按给定值控制：按给定值控制：按干扰补偿：按干扰补偿：输出输出计算计算执行执行被控对象被控对象干扰干扰控制装置控制装置测量测量控制量控制量输入输入输出输出比较、计算比较、计算执行执行被控对象被控对象测量测量干扰干扰控制装置控制装置输入输入控制量控制量自动控制方式：自动控制方式：1.开环控制方式：开环控制方式：按给定值控制、按干扰补偿按给定值控制、按干扰补偿2.闭环控制方式（反馈控制）：闭环控制方式（反馈控制）：按偏差调节按偏差调节基本控制方式3.复合控制方式：复合控制方式：在闭环控制基础上附加输入补偿或干扰补偿在闭环控制基础上附加输入补偿或干扰补偿按偏差调节：按偏差调节：干扰干扰控制

6、装置控制装置补偿装置补偿装置被控对象被控对象输出输出干扰干扰输入输入控制装置控制装置补偿装置补偿装置被控对象被控对象输出输出输入输入按输入补偿的复合控制按输入补偿的复合控制按干扰补偿的复合控制按干扰补偿的复合控制明确控制系统的任务；明确控制系统的任务；明确系统工作原理；明确系统工作原理；被控对象是什么？被控量（系统输出量）？有哪些干扰？被控对象是什么？被控量（系统输出量）？有哪些干扰？参考输入？有谁提供？参考输入？有谁提供？画出控制系统的原理方框图，分析系统采用何种控制方式。画出控制系统的原理方框图，分析系统采用何种控制方式。分析实际控制系统的步骤：分析实际控制系统的步骤：分析举例分析举例炉温

7、控制系统控制任务：控制任务：保持炉温保持炉温T为为T0不变不变被控对象：炉子被控对象：炉子被控量：炉温被控量：炉温T控制方式：按给定值控制控制方式：按给定值控制定时开关电阻丝炉子给定炉温实际炉温工作原理：工作原理：水位自动控制系统水门水门2 2杠杆杠杆水门水门1水箱水箱控制任务：控制任务：保持水位保持水位为为不变不变被控对象：水箱被控对象：水箱被控量：水位被控量：水位工作原理：工作原理：水门杠杆水箱水门用水量控制方式：按干扰补偿控制方式：按干扰补偿热处理炉温度控制系统控制任务：控制任务：保持炉温保持炉温T为为T0不变不变被控对象：烘炉被控对象：烘炉被控量：炉温被控量：炉温T工作原理：工作原理：

8、控制方式：按偏差调节控制方式：按偏差调节无静差系统无静差系统位置随动控制系统位置随动控制系统桥式电位计桥式电位计放大器放大器电动机电动机减速器减速器工作机械工作机械手柄手柄控制任务控制任务：要求工作机械的角位置要求工作机械的角位置c c跟随给定角位置跟随给定角位置r r被控对象：工作机械被控对象：工作机械被控量：角位置被控量：角位置工作原理：工作原理：控制方式：按偏差调节控制方式：按偏差调节rsue减速器桥式电位器电动机-c放大器工作机械无静差系统无静差系统谷物湿度控制系统控制任务控制任务：保持输出谷物湿度为给定值保持输出谷物湿度为给定值被控对象：谷物被控对象：谷物被控量：谷物湿度被控量：谷物

9、湿度工作原理：工作原理：控制方式：复合控制控制方式：复合控制e湿度测量调节器谷物-阀门给定湿度谷物湿度湿度测量输入谷物湿度1. 自动控制系统的分类另外：另外： 按控制方式按控制方式可分为开环控制、闭环控制、复合控制等； 按元件类型按元件类型可分为机械系统、电气系统、液压系统、气动系统等； 按系统功用按系统功用可分为温度控制系统、压力控制系统、位置控制系统等； 按系统性能按系统性能可分为集总参数系统和分布参数系统、确定系统和不确定系统等；按照描述系统的数学模型：按照描述系统的数学模型： 线性系统 ： 时变系统、定常系统时变系统、定常系统 非线性系统按照系统传递的信号的性质：按照系统传递的信号的性

10、质： 连续控制系统（用微分方程描述） 离散控制系统（用差分方程描述）按照系统输入信号的变化规律：按照系统输入信号的变化规律： 随动控制系统（伺服系统） 恒值控制系统（镇定系统、调节系统） 程序控制系统线性连续系统线性连续系统这类系统可用线性微分方程描述，其一般形式为： 1010( )( )( )( )( )( )nmnmnmddddac tac ta c tbr tbr tb r tdtdtdtdt系数a0、a1、，b0、b1、为常数时，系统称为线性定常系统线性定常系统，系数a0、a1、，b0、b1、随时间而变时，系统称为线性时变系统线性时变系统。 线性离散系统线性离散系统离散系统是指系统的某

11、处或多处的信号为脉冲序列或数码形式，因而信号在时间上是离散的。这类系统可用差分方程描述，其一般形式为： 1010()(1)( )()(1)( )nma c knac ka c kb r kmbr kb r k非线性系统非线性系统 系统中只要有一个元部件的输入-输出特性是非线性的，这类系统就称为非线性系统，这时要用非线性微分（或差分）方程来描述其特性。例如：2( )( )( )( )( )ctc t c tctr t1.5 对控制系统的性能要求控制系统的时间响应过程系统受到外部作用（给定值或干扰）后，被控量（输出）随时间变化系统受到外部作用（给定值或干扰）后，被控量（输出）随时间变化的全过程称为

12、系统的时间响应过程的全过程称为系统的时间响应过程c(t) 。控制系统控制系统( )r t( )c t( )d t动态过程（瞬态过程）动态过程（瞬态过程）稳态过程稳态过程t076) c( )c t1( )c t1t0123) at0) b45( )c t1( )1( )r tt考虑 时：不同控制系统的时间响应过程比较稳定性稳定性 稳定性是保证系统正常工作的先决条件。一个稳定的控制系统，其被控量偏离期望值的初始偏差应随时间的增长逐渐减小或趋于零。也就是说，控制器的控制作用应使误差逐渐减小。若控制不当，使误差逐渐变大，就形成了不稳定的控制系统，不稳定的控制系统是不能正常工作的。 快速性快速性 为了很

13、好完成控制任务，控制系统仅仅满足稳定性要求是不够的，还必须对其过渡过程的形式和快慢提出要求。 准确性准确性 当过渡过程结束后，被控量达到的稳态值（即平衡状态）应与期望值一致。被控量的稳态值与期望值之间的误差称为稳态误差。稳态误差是衡量控制系统控制精度的重要标志。 对控制系统要求：稳、快、准1.6 自动控制理论发展概况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共同规律的技术科学。它的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理，并主要用于工业控制。第二次世界大战期间，为了设计和制造飞机及船用自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达跟踪系统以及其他基于反馈原理的军用装备，进一步促进并完善了自动控制理

14、论的发展。到战后，已形成完整的自动控制理论体系，这就是以传递函数为基础的经典控制理论，它主要研究单输入-单输出、线性定常系统的分析和设计。 60年代初期，随着现代应用数学新成果的推出和电子计算机技术的应用，为适应宇航技术的发展，自动控制理论跨入了一个新阶段现代控制理论。它主要研究具有高性能、高精度的多变量变参数系统的最优控制问题，采用的方法是以状态为基础的时域法。目前，自动控制理论还在继续发展，并且已跨越学科界限，正向以控制论、信息论、仿生学为基础的智能控制理论发展。 经典控制理论经典控制理论 核心是核心是反馈反馈控制的思想控制的思想 20世纪40 - 50年代发展形成1945年美国人Bode

15、 “网络分析与放大器的设计”（专著），奠定了控制理论的基础。 50年代趋于成熟 对单输入单输出系统进行分析，采用频率法、根轨迹法、相平面法、描述函数法；讨论系统稳定性的代数和几何判据以及校正网络等现代控制理论现代控制理论 20世纪60年代以后空间技术的发展提出了许多复杂控制问题，用于导弹、人造卫星和宇宙飞船 Kalman “控制系统的一般理论”（论文）奠定了现代控制理论的基础 解决多输入、多输出、时变参数、高精度复杂系统的控制问题大系统、复杂系统、智能控制系统大系统、复杂系统、智能控制系统 20世纪80年代以后各学科相互渗透，要分析的系统越来越大，越来越复杂。例人工智能、模拟人的人脑功能、机器

16、人等。自动控制的应用领域 交通工程 机器人 建筑与楼宇自动化 办公自动化 家庭自动化 商业自动化 管理自动化 社会与经济系统控制 军事与国防 航空航天 工业生产过程 （石油、化工、冶金、热动 .） 电力系统自动化 先进制造技术 车辆工程1.7 1.7 本课程的内容本课程的内容线性定常连续系统线性定常连续系统系统的数学模型系统的数学模型 系统的分析方法：系统的分析方法： 系统的校正方法系统的校正方法 （第（第2章）章）（第（第3章）章）（第（第4章）章）（第（第5章）章）（第（第6章）章）时域法时域法 根轨迹法根轨迹法 频域法频域法复习:拉普拉斯变换及线性微分方程的求解 1 拉氏变换的定义存在

17、，则称其为 的拉普拉斯变换，记为设函数 当 时有定义，且积分为实变量）（ttf)(0t0( ) ( )( )stF sf tf t edtL)(sF)(tf0( )()stf t e dtsj11( ) ( )( )2jstjf tF sF se dsj L2 几种典型函数的拉氏变换 0001)( 1)(ttttf1）单位阶跃函数 1(t)1f(t)t2）单位斜坡函数)( 1000)(ttttttff(t)t3）单位加速度函数)( 12100021)(22ttttttff(t)t1(t)可用于表示信号作用的时间域f(t)tab1t2t0112( )1( ) 1()1() 1()f tatttb

18、tttt4）单位脉冲函数( )( )00f ttt( )1t dt1且1f(t)tf(t)t0001( )lim1( ) 1()1( )dttttdt( ) t( )F s11( ) t1s( )f tt21s212t31sate1sasint22scost22ss规定积分下限取0-3 拉氏变换的几个基本法则拉氏变换的几个基本法则(0)0f121212( )( )( )( )( )( )af tbf taf tbf taF sbF sLLL( )( )(0)df tsF sfdtL( )( )df tsF sdtL1).线性性质2).微分性质若则( 1)011( )( )(0)tf t dtF

19、 sfssL( 1)(0)0ft其中积分在时的值( 1)(0)0f若01( )( )tf t dtF ss则L3).积分性质4).终值定理设 ，且 在 平面的右半平面及除原点外的虚轴上解析，即 极点均位于 平面的左半平面（包括坐标原点） ( )( )f tF sL( )F ss( )F ss)(lim)(lim0ssFtfst设 ，则有 5).位移定理 ( )( )f tF sL00 ()( )sf teF sL( )()ate f tF saL22( )sin()atF setsa例如L按定义求拉氏反变换很困难，一般常用部分分式法计算：4 拉氏反变换拉氏反变换nmnmbbbaaaasasas

20、bsbsbsbsAsBsFmnnnnnmmmm为正数，且、均为实数，及，其中10211111110)()()(12( )()()()(1, )( )0niA ssssssss inA s是的根。121121)( )0( )niniiiniA sCCCCCF sssssssssss无重根( )(1)lim()( )(2)( )iiiiiisss sB sCCssF sCA s的求法：1111( )( )inns tiiiiiCf tF sC essLL例例22( )43sF sss求的反变换。12222( )43(1)(3)13CCssF sssssss112321lim(1)(3)(1)221lim(3)(3)(1)2sssCssssCsss31122( )1311( )22ttF sssf tee的计算公式：的计算同单根部分，为单根）重根，有有重根（设、mnmnnmmmmmmnmmCCCCssCssCssCssCssCsFsssmssA,)()()(,0)(21111111