第一章自动控制的一般概念

自动控制原理彭生祥西南大学工程技术学院教材及参考书教材《自动控制原理》（第六版）科学出版社，胡寿松教参《自动控制原理》（上、下）清华大学出版社，吴麟

《自动控制原理习题集》科学出版社，胡寿松教学总学时数：72讲课45实验27学习教材前八章，后二章属于现代控制理论考核方式：考勤、作业、实验、考试成绩=实验*20%+平时成绩*20%+期末考试*60%学习方法：听课、作业、实验、实例分析、matlab仿真第一章自动控制的一般概念本章重点自动控制的含义自动控制系统的组成与基本原理自动控制系统的分析方法自动控制理论的发展1.1自动控制系统的一般概念所谓自动控制，就是指在没有人直接参与的情况下，力图使受控对象按照预定规律运行的过程。完成这一过程的所有元件与装置组成的整体就称为自动控制系统。例：直流电机的调速系统预期规律：电机转速n保持恒定电位器RP1被控对象：电机M

被控量：（输出量）电机转速n执行元件：

GT、V给定元件：给出与期望值相对应的系统输入量扰动：妨碍控制过程的各种内外因素系统方块图输出量与输入量之间没有直接的联系。因而，对扰动所引起的输出的变化，系统没有调节或控制作用——开环系统人参与调节时的工作原理人参与：n↑RP↓n↓RP↑人参与的调节过程：观察，测量；高低：与预期值比较；若存在偏差：反方向调节；人参与调节时的方块图特点：存在比较环节；输出发生变化，会反过来影响输入端，从而产生调节作用机器代替人，实现自动控制测量：测速发电机比较：集成运算放大器调节：电机及减速机构闭环控制的电机调速系统闭环控制的电机调速系统方块图反馈反馈及反馈控制系统反馈的含义将输出回送到输入端并与输入进行比较的过程反馈的实质

利用偏差去控制偏差，使系统朝着减少偏差的方向运动闭环控制从信号的流向来看，系统形成了一个闭环是自动控制控制系统最基本和应用最广泛的控制方式1.2自动控制的基本方式自动控制的基本方式：

开环控制闭环控制复合控制一、开环控制特点：单向传递，输出不会对输入反施任何影响按给定值控制按扰动控制顺馈控制二、闭环控制特点：１对反馈环内前向通道上的扰动有调节作用２系统精度取决于给定精度与反馈检测精度３精度高，系统复杂三、闭环控制系统的基本组成给定、比较、放大、执行、测量、校正元件讨论系统的简化积分控制规律对控制系统的理解物理规律数学本质进一步思考：积分器有什么特点？应注意什么？方框图结构图特点：１对反馈环内前向通道上的扰动有调节作用２系统精度取决于给定精度与反馈检测精度

给定值的整定：

1预期值与反馈系数确定（与开环比较）

2受后面环节的约束限幅的影响：1保护

2非线性

3？1.3自动控制系统的类型按信号的流向分

开环系统与闭环系统按系统输入信号分

恒值给定系统：输入信号为一个常值，要求输出也为一个常值，又称为调节器系统。在工业控制中，如果被控量是温度、流量、压力、液位等生产过程参量时，这种控制系统则称为过程控制系统，它们大多数都属于恒值给定系统。

随动系统：输入信号是预先未知的随时间任意变化的函数，要求输出量以一定的精度和速度跟随输入量的变化。侧重快速性与准确性。如果被控量是位移及其导数，则称为伺服系统。

线性系统与非线性系统

同时满足叠加性与均匀性（又称为齐次性）的系统称为线性系统

若以符号T[·]来表示系统输入与输出之间的关系叠加性可表示为均匀性可表示为上述两点统一表示为

定常系统和时变系统如果系统的参数不随时间而变化，则称此类系统为定常系统（或时不变系统）系统的输出（响应）与输入信号作用于系统的时刻无关

连续系统和离散系统连续系统：用微分方程描述离散系统：用差分方程描述线性常系数微分方程所描述的系统是否线性时不变的系统？响应分解：零输入线性与零状态线性通常考虑零状态响应，即总是假定系统为零初始条件。1.4控制系统性能的基本要求和本课程的主要任务1.4.1控制系统性能的基本要求稳快准一、稳稳即指稳定性，是自动控制系统首要考虑的问题稳定的充要条件是“有界的输入产生有界的输出”同样稳定的系统，稳定的程度也可能是不一样的二、快快即指过渡过程的快速性稳与快反映了系统过渡过程中的性能，属于动态性能指标三、准准即指准确性，反映系统的稳态性能过渡过程结束后，系统的输出与期望值的差值，称为稳态误差恒值给定系统对稳与准的要求严格，随动系统则对快速性要求较高1.4.2性能指标的量化一、典型输入信号

1.能反映绝大多数实际工作情况

2.产生方便，利于实验

3.便于数学运算与推理典型输入信号

阶跃函数斜坡函数抛物线函数脉冲函数正弦函数二、时域性能指标的定义阶跃信号对绝大多数系统来说都是比较严格的工作条件，故性能指标往往以阶跃响应为标准。上升时间tr

从原始状态开始，第一次达到单位阶跃响应的时间过渡过程时间ts系统达到给定△区所需的时间超调量

1+△1-△

ts

tp

tr

对于同一系统，稳、快、准是相互制约的

设计控制系统就是要综合考虑相互间的矛盾，使各方面的性能指标都能满足生产工艺的要求问题：单项性能指标的缺点？只能反映动态或稳态某一方面的控制质量，统筹考虑比较困难不适合最优控制（现代控制理论）解决方式：误差积分准则从偏差的幅度和偏差存在的时间综合评价系统性能。采用不同的误差积分指标，意味着评价过渡过程的侧重点不同，也导致调节器参数的设置不同1.偏差积分指标IE2.平方误差积分指标ISE3.误差绝对值积分指标IAE4.时间乘误差平方积分指标ITSE5.时间乘误差绝对值积分指标ITAE大偏差小偏差本课程的主要任务

数学模型讨论线性定常系统在时域、复频域、频域、Z域的数学模型

系统分析

稳定性分析、动态分析与稳态性能分析系统综合控制系统的设计与校正

辅助设计工具Matlab作业：1-11-31-7补充作业：试寻找一个自动控制系统