自控-第一章课件

自动控制原理曹萃文副教授

Tel:64252576(O)Email:caocuiwen@办公地点:实验15楼212课程介绍主要参考书:《自动控制理论》（第3版）“十一五”国家规划教材夏德钤,翁贻方机械工业出版社，2007年6月出版其它参考书:1、《自动控制原理简明教程》，胡寿松主编，科学出版社，2003；

2、《自动控制原理》田玉平主编，科学出版社，2006；

3、《自动控制原理知识要点与习题解析》，王晓陵主编，哈尔滨工程大学出版社，2006；

4、《自动控制原理学习辅导》，姚佩阳主编，清华大学出版社、北京交通大学出版社，2005；

5、《MATLAB基础与应用简明教程》，张平等，北京航空航天大学出版社，2001。课程介绍前续课程：

微积分(含微分方程)、复变函数(含拉普拉斯变换)、线性代数、矩阵论等；

理论力学、材料力学、电工电子、电机学等。周数：1~18学时：64

学分：4答疑：每周最后一次课后作业：每周一课后交(准备两个作业本)考核：平时出勤、作业(实验)、期中闭卷、期末闭卷课程的性质和特点《自动控制原理》课程，从方法论的角度来研究工程技术领域的各种系统数学模型的建立、系统的分析与设计。实际系统物理模型数学模型方法(系统组成、分析、设计)自动控制理论已经发展为理论严密、系统完整、逻辑性很强的一门学科——控制论。控制论包括：工程控制论、生物控制论和经济控制论等。课程的主要内容和特点主要内容：

自动控制的一般概念、物理系统的数学模型、控制系统的一般分析方法、系统的设计或校正以及线性离散系统的初步知识。

主要的学习目的和任务：掌握关于自动控制系统的基本概念、基本理论和基本方法；掌握各类控制系统的数学模型建立、系统分析和综合方法以及线性离散系统的分析和研究方法。第一章绪论2自动控制的应用及发展31自动控制系统的构成2自动控制的基本原理33自动控制系统的分类4控制系统的性能和典型测试信号35本章小结61.1

应用波音787、2007年7月8日在美国西雅图首次亮相飞机自动驾驶仪1.1

应用奋进号航天飞机2007年8月9日升空1.1

应用1.1

应用1.1

应用1.2

起源及发展起源：工业革命的到来，为自动化的发展带来了巨大的动力。1788年，为了解决工业生产中蒸汽机的速度控制问题，瓦特在1769年发明的蒸汽机上安装了一个飞球调节器左图为18世纪末英国的一个采煤场的场景瓦特的飞球调节器当蒸汽机的负载减轻、蒸汽温度升高等原因导致蒸汽机转速升高，汽阀关；反之，汽阀开。蒸汽机速度可以稳定在设定值上但是，有时为了提高调速精度，蒸汽机速度反而出现大幅度振荡，其后相继出现的其它自动控制系统也有类似现象。不能从理论上解释。1.2

起源及发展上世纪五六十年代1868现代1788瓦特的飞球调节器诞生英国的麦克斯韦尔(J.C.Maxwell)发表“论调速器”论文，第一次指出不应该单独讨论一个离心锤，必须从整个控制系统出发推导出微分方程，然后讨论微分方程解的稳定性，从而分析实际控制系统是否会出现不稳定现象1、经典控制理论形成：以传递函数为理论基础，主要研究SISO线性时不变系统的分析与设计；2、现代控制理论产生：采用状态空间描述系统，主要研究MIMO及变参数系统的分析与设计自适应控制、优化控制、不确定系统的鲁棒控制、大系统控制、非线性控制、智能控制等第一章绪论2自动控制的应用及发展31自动控制系统的构成2自动控制的基本原理33自动控制系统的分类4控制系统的性能和典型测试信号35本章小结62.1

水箱水位控制

例1

人工控制与自动控制：水箱水位控制问题控制对象：水箱系统被控量：水箱水位控制要求：实际水位=希望值人工控制系统人的作用：测量、比较和决策、执行闭环控制（反馈控制）眼手脑2.1

水箱水位控制

自动控制给定控制器水位测量与变送执行器自动控制系统代替人完成前面的功能:测量、比较、放大、执行机构和被控对象闭环负反馈2.2

电加热炉温度控制

例2

人工控制与自动控制：电加热炉温控制问题控制对象：电加热炉被控量：炉温控制要求：实际炉温=希望值人的作用：测量、比较和决策、执行2.2

电加热炉温度控制

自动控制系统组成:给定元件、测量元件、比较元件、放大元件、执行元件、校正元件、能源元件和被控对象2.3

控制系统方框图方框图可以清晰、简洁地表示一个控制系统中信号的流向，还可以表示出系统中各部分的连接关系。一般有四个基本单元组成：（1）信号线，以箭头表明信号传递方向；（2）引出点（或测量点）；（3）比较点（或信号综合点）表示对信号进行叠加；（4）方框（或环节）表示对信号进行变换，方框中写入元部件或系统的名称（或传递函数→结构图）输入量输出量干扰控制装置被控对象水箱水位控制系统方框图

水箱水位自动控制给定控制器水位测量变送执行器输出控制器执行器水箱系统传感器(测量、变送)给定扰动电加热炉控制系统方框图调压器放大器执行电机减速器给定元件电炉测量元件（热电偶）给定T0U1U2U实际炉温T第一章绪论2自动控制的应用及发展31自动控制系统的构成2自动控制的基本原理33自动控制系统的分类4控制系统的性能和典型测试信号35本章小结63

自动控制的基本原理

自动控制：在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备(装置)，使机器、设备或生产过程的某个工作状态(参数)自动按预定的规律运行。具有自动控制功能的系统称之为自动控制系统。一、开环控制

特点：控制装置与被控对象之间只有顺序作用，无反向联系输入量干扰控制装置被控对象输出量3

自动控制的基本原理

二、闭环控制（反馈控制）反馈：将输出量通过一定的方式送回到输入端，并与输入信号比较产生偏差信号的过程称为反馈负反馈：输入信号反馈信号（偏差控制），目的：偏差减小（正反馈：输入信号+反馈信号）

输入量输出量干扰控制装置被控对象3

自动控制的基本原理

三、复合控制：开环控制+闭环控制输入量输出量干扰控制装置被控对象前馈补偿输入量输出量控制装置被控对象前馈补偿3

自动控制的基本原理

四、其它控制过程控制、预测控制、自适应控制、分布参数控制、最优控制、智能控制等第一章绪论2自动控制的应用及发展31自动控制系统的构成2自动控制的基本原理33自动控制系统的分类4控制系统的性能和典型测试信号35本章小结64

自动控制系统的分类

分类方法按控制方式：开环控制、闭环控制、复合控制等按元件类型：机械系统、电气系统、机电系统、液压系统、气动系统、生物系统等按系统功能：温度、压力、位置、流量等按输入信号变化规律：恒值、随动、程序控制按系统性能：线性与非线性、连续与离散、定常与时变按输入信号变化规律的分类

按输入信号变化规律：恒值、随动、程序控制（1）恒值控制系统：输入信号是常量，要求被控量在存在扰动的情况下，使被控量保持在一个给定的期望值上。（2）随动系统：输入信号是预先未知的随时间任意变化的函数，要求被控量以尽可能小的误差跟随参考输入量变化。主要矛盾为克服系统的惯性、抗干扰。（3）程序控制系统：参考输入是按预定规律随时间变化的函数，要求被控量迅速、准确地复现。按系统性能分类（1）

如果一个系统具有下列性质：（1）输入u1(t)产生输出y1(t)；（2）输入u2(t)产生输出y2(t)；（3）输入c1u1(t)+c2u2(t)产生输出c1y1(t)+c2y2(t)；

其中，u1(t)

、u2(t)是任意的输入信号，c1、c2是任意的常数，则该系统是线性系统，否则是非线性系统。从上面的叙述可以看出，“线性”性和“叠加原理”是等价的。

按系统输出对输入的响应特性：线性、非线性叠加原理：在线性系统中，由n个输入ui(t)(i=1,2,…,n）共同产生的输出y(t)，等于各个输入ui(t)单独产生的输出之yi(t)和，即：

线性系统满足叠加原理。反之，满足叠加原理的系统是线性系统。

从数学模型看：可用线性方程（线性微分、线性差分或线性代数方程）描述的系统为线性系统；而用非线性方程描述的系统为非线性系统。按系统性能分类（2）按系统参数是否随时间变化：定常、时变如果控制系统的结构、参数在系统运行过程中不随时间变化，则称为定常系统或者时不变系统；否则，称为时变系统。若系统由微分方程表示，则可由微分方程系数判定按系统性能分类（3）

按系统参数信号的形式分类：连续、离散

按照系统中的参数信号随时间变量取值的连续性与离散性，可将信号分为连续时间信号与离散时间信号，简称为连续信号与离散信号。

离散时间信号的幅值可以是连续的，也可以是离散的。若离散信号的幅值是连续的，则又可称为采样信号。如果离散信号的幅值也被限定为某些离散值，即信号取值时间和幅值都是离散的，则又称为数字信号。

若系统中所有信号都是连续信号，则称为连续时间系统，简称为连续系统。如果系统中有一处或几处的信号是离散信号，则称为离散时间系统，简称为离散系统。

第一章绪论2自动控制的应用及发展31自动控制系统的构成2自动控制的基本原理33自动控制系统的分类4控制系统的性能和典型测试信号35本章小结65.1

控制系统的性能要求稳定性

稳定性是控制系统最基本的性质。所谓稳定性是指控制系统偏离平衡状态后，自动恢复到平衡状态的能力。当系统受到扰动后，其状态偏离了平衡状态，在随后所有时间内，如果系统的输出响应能够最终回到原先的平衡状态，则系统是稳定的；反之，如果系统的输出响应逐渐增加趋于无穷，或者进入振荡状态，则系统是不稳定的。线性控制系统的稳定性由系统本身的结构与参数所决定的，与外部条件无关。判别系统是否稳定的问题，称为绝对稳定性分析。事实上，对于稳定或者不稳定的系统，还需要进一步分析系统稳定或者不稳定的程度，称为相对稳定性分析。

5.1

控制系统的性能要求暂态性能

对于稳定的系统，虽然理论上能够到达平衡状态，但还要求能够快速到达，而且，在调节过程中，要求系统输出超过给定的稳态值的最大偏差，即所谓的超调量不要太大，要求调节的时间比较短。这些性能称为暂态性能。稳态性能

系统给定值与系统稳态输出的误差称为稳态误差。系统的暂态性能和稳态性能常常是矛盾的。由于控制统的功能要求不同，所