自动控制原理-高国燊ch1课件

自动控制原理教材：高国燊《自动控制原理》(第三版)华南理工大学出版社《自动控制原理》与其它课程的关系微积分电机与拖动模拟电子技术电路分析信号与系统复变函数与积分变换大学物理（力学、热力学）自动控制原理各类控制系统课程1.胡寿松，《自动控制原理》(第4版)，科学出版社2.涂植英，《自动控制原理》(第二版)，重庆大学出版社4.孙亮，《自动控制原理》，北京工业大学出版社参考书主要教学环节1.课堂教学

认真听课，积极思考，主动学习，理解基本概念、基本理论，掌握分析、设计简单自动控制系统的方法、技巧。2.课后自学、独立完成作业培养自学能力和分析与处理问题的能力。考试方式：闭卷总成绩=平时成绩×30％+期末成绩×70%考试方式及成绩评定第一章绪论1.1引言1.2自动控制的基本概念1.3自动控制系统的组成1.4自动控制系统的分类1.6对自动控制系统的基本要求及本课程的研究内容1.1引言一、自动控制的定义及应用自动控制技术在化工、造纸、电力、汽车和钢铁等领域起着越来越重要的作用。近几十年来，计算机技术的发展与应用，自动控制技术在许多高科技领域(航空航天、导弹制导、核动力)作用更大，且扩展到生物、医学、环境、经济管理和其他许多社会领域。自动控制：在没有人直接参与的情况下，利用控制装置使被控对象自动地按照预定的规律运行。锅炉设备的压力和温度自动保持恒定；数控机床按照预定的程序自动地切削工件；导弹发射与制导系统，自动地使导弹攻击敌方目标；无人驾驶飞机能按预定轨道自动飞行；人造地球卫星能够发射到预定轨道并能准确回收；……人造地球卫星无人驾驶飞机雷达技术制导导弹二、自动控制理论的发展1.经典控制理论(自动控制原理)控制理论的发展初期是以反馈理论为基础的自动调节原理，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、雷达跟踪系统等基于反馈原理的军用装备，进一步促进和完善了自动控制理论的发展。两千年前我国发明的指南车，就是一种开环自动调节系统。公元1086-1092年(北宋)，我国发明的水运仪象台，就是一种闭环自动调节系统。水运仪象台是集观测天象的浑仪、演示天象的浑象、计量时间的漏刻和报告时刻的机械装置于一体的大型综合性观测仪器。随着科学技术与工业生产的发展，到十八世纪，自动控制技术逐渐应用到现代工业中。1765年瓦特(J.Watt)发明蒸汽机，1788年瓦特利用反馈原理发明蒸汽机用的离心调速器。1868年马克斯威尔(J.C.Maxwell)发表《论调节器》，提出了低阶系统的稳定性代数判据，解决了蒸汽机调速系统中出现的剧烈振荡的不稳定问题。1877年劳斯(Routh)、1895年赫尔维茨(Hurwitz)把马克斯韦尔的思想扩展到高阶微分方程描述的更复杂的系统中，分别独立地提出了两个著名的稳定性判据—劳斯判据和赫尔维茨判据，基本上满足了二十世纪初期控制工程师的需要。赫尔维茨(Hurwitz)由于第二次世界大战需要控制系统具有准确跟踪与补偿能力，1932年奈魁斯特(H.Nyquist)提出了频域内研究系统的频率响应法，为具有高质量的动态品质和静态准确度的军用控制系统提供了所需的分析工具。奈魁斯特(H.Nyquist)1945年伯德(H.W.Bode)提出了简便而实用的伯德图法(频率法)；1948年伊文思(W.R.Evans)提出了直观而又形象的根轨迹法；20世纪50年代非线性系统理论和离散控制理论。研究对象：单输入单输出(SISO)、线性定常系统核心概念：输出反馈数学基础：微积分、积分变换系统描述方法：传递函数研究方法：时域法、根轨迹法、频率特性法2.现代控制理论由于经典控制理论只适用于单输入、单输出的线性定常系统，只注重系统的外部描述而忽视系统的内部状态。因而在实际应用中有很大局限性。随着航天事业和计算机的发展，20世纪60年代初，在经典控制理论的基础上，以线性代数理论和状态空间分析法为基础的现代控制理论迅速发展起来。五十年代后期，贝尔曼(Bellman)等人提出了状态分析法，在1957年提出了动态规划。1960年卡尔曼(Kalman)成功地应用了状态空间法，提出了可控性和可观测性的新概念。卡尔曼1965年罗森布洛克(H.H.Rosenbrock)提出了寻求最优控制的动态规划方法。1961年庞特里亚金(俄国人)证明了最优控制中的极大值原理。庞特里亚金(L.S.Pontryagin)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，形成若干分支。研究对象：多输入多输出(MIMO)、非线性、时变系统核心概念：状态反馈数学基础：线性代数、矩阵理论系统描述方法：状态空间表达式研究方法：时域法1.2自动控制的基本概念一、人工控制与自动控制人工控制的恒值水位系统水池进水出水实际水位要求水位阀门被控对象--水池被控量--水池中的水位简单的水位自动控制系统水池出水浮子连杆进水阀二、控制系统的两种基本形式1.开环控制系统输入量被控对象输出量控制器特点：(1)只有正向作用，没有反馈作用；(2)结构简单，成本低，调试方便；(3)抗干扰能力差，控制精度不高。应用：自动售货机、自动洗衣机、自动流水线、包装机等直流电动机转速开环控制系统+电压放大器功率放大器+-+-+-+-+ERWuruaMCn电动机负载给定量ur电压放大器功率放大器输出量n(对象)直流电动机MC干扰(控制装置)ua2.闭环控制系统特点：(1)既有正向作用，又有反馈控制；(2)系统具有纠正偏差的能力；(3)具有较高的控制精度和较强的抗干扰能力；(4)包含元件多，结构复杂，成本相对较高。输入量被控对象输出量控制器测量元件+-偏差量反馈量直流电动机转速闭环控制系统+电压放大器功率放大器+-+-+-+-+ERWuruaMCn电动机负载uf+-+-u1ue测速发电机开环与闭环控制系统的比较开环控制系统：

1.结构简单、成本低廉；

2.调试方便；

3.抗干扰能力差，控制精度不高。闭环控制系统：

1.系统具有纠正偏差的能力；

2.抗扰性好，控制精度高；

3.包含元件多，结构复杂，价格高；

4.参数应选择适当。开环＋闭环＝复合控制系统(兼有两者的优点，精度很高)三、自动控制系统的特征和定义特征：1.必须要有负反馈；2.由偏差产生控制作用；3.控制的作用是使被控量尽量接近期望值。自动控制系统：为实现某种自动控制，需要把一些相互关联的部件按一定的模式组合起来，构成一个系统，来实现自动控制。1.3自动控制系统的组成一、基本组成串联校正元件放大元件执行元件并联校正元件反馈元件输出——r(t)c(t)输入信号++偏差信号e主反馈信号测量反馈元件主反馈局部反馈比较元件扰动控制对象基本元部件测量反馈元件：测量被控制量并将其转换成与输入相同的物理量后，再反馈到输入端以作比较。测速发电机、电位器、热电偶比较元件：用来比较输入信号与反馈信号，并产生反映两者差值的偏差信号。差动放大器、机械差动装置、电桥电路放大元件：将微弱的信号作线性放大，用来推动执行元件去控制被控对象。电压放大级、功率放大级执行元件：根据偏差信号的性质执行相应的控制作用，以便被使被控量按期望值变化。阀、电动机、液压马达校正环节：用于改善系统性能，校正环节可加于偏差信号与输出信号之间的通道内，也可加于某一局部反馈通道内。由电阻、电容组成的无源或有源网络控制对象：生产过程中需要进行控制的工作机械或生产过程。被控量：出现于被控对象中需要控制的物理量。二、常用名词术语系统：由被控对象和自动控制装置按一定方式联接起来的，以完成某种自动控制任务的有机整体。输入信号：参考输入、给定值、期望值输出信号：被控制量反馈信号：由系统的输出端送回到系统的输入端的信号。偏差信号：参考输入与主反馈之差。误差信号：输出量的实际值与期望值之差。在单位反馈下：误差信号＝偏差信号扰动信号：一种对系统的输出产生不利影响的信号。1.4自动控制系统的分类一、按参考输入信号分1.恒值控制系统--输入信号为常数(恒值)如温度、流量、液位、压力控制tr(t)2.程序控制系统--输入信号为预知的随时间变化函数如数控机床、热处理炉温控制3.随动控制系统(伺服系统)--输入信号是未知的随时间变化任意函数如火炮控制、雷达天线控制二、按系统数学性质分1.线性系统--可用线性微分方程(差分方程)描述。2.非线性系统--需用非线性微分方程(或差分方程)描述。三、按系统传递的信号分1.连续系统2.离散系统四、按时间信号分1.定常系统2.时变系统1.6对自动控制系统的基本要求及本课程的研究内容

1.“稳”定性(stability)--基本要求系统受到扰动后，重新恢复平衡状态的能力。稳定性是对系统的最基本要求，不稳定的系统无法正常工作。稳定性，通常由系统的结构决定与外界因素无关。

一、基本要求C()C(t)t01321--衰减振荡2--等幅振荡3--发散2.“快”速性(rapidness)--动态要求对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般来说，都希望系统的快速性要好。C()C(t)t01323.“准”确性(accuracy)--稳态要求用稳态误差来表示。如果在参考输入信号作用下，当系统达到稳态后，其稳态输出与参考输入所要求的期望输出之差叫做给定稳态误差。显然，这种误差越小，表示系统的输出跟随参考输入的精度越高。

从总体上讲，