《自动控制课件原理》

自动控制原理课程基本情况课时：理论课（54学时）实验课（18学时）介绍第一章至第五章：第一章基本概念；第二章为基础；第三至第五章分别为不同方法分析自动控制系统（连续）。第九章看情况挑选个别题讲解。

实验是在MATLAB平台上仿真。课程前续课程：复变函数与积分变换、电路分析基础、信号与系统、模拟电路、MATLAB等课程后续课程：现代控制理论、计算机控制技术等课程性质：考试课

1.《自动控制原理（宋丽蓉）》机械工业出版社20042.《自动控制原理（胡寿松）》国防工业出版社2006

3.《自动控制原理（顾树生）》冶金工业出版社2004参考文献评价控制系统性能建立系统数学模型给定输入信号分析方法学习目的学习本门课程的主线所需已知条件1-1第1章自动控制的一般概念1.1自动控制的基本概念与方式1.2自动控制系统的分类1.3对控制系统性能的基本要求及评价1.1自动控制的基本概念与方式1.1.1自动控制的基本概念自动控制：在没有人直接参与的情况下，通过控制器，使被控对象或过程自动地按预定的规律运行。应用：工业、农业、交通、国防、宇航、社会。自动控制已成为现代社会活动中不可缺少的重要组成部分。自动控制的优点：①节省人力；②提高系统的精度；③可以完成人工控制系统无法完成的工作。比如：人造地球卫星的发射成功与安全返回导弹的准确击中目标，雷达系统的准确跟踪目标；交通系统：安全、快捷、舒适、准点钢铁生产家用电器：电扇：控制转速电冰箱、空调、电饭煲：控制温度洗衣机：控制水位、强弱、时间等智能建筑：通信电梯供水通风空调安防抄表…工业机器人：拉提琴灵巧手排爆步行吹笛足球比赛其他机器人：自动控制的应用领域军事工业航空航天制造业机器人流程工业

电子工业家用电器交通系统，楼宇系统，经济系统，社会系统…钢铁、石化、造纸、制药等控制无处不在！1.1.2自动控制理论自控理论：①是自动控制技术的基础理论；

以拉氏变换和传递函数为基础，在复频域内研究单输入-单输出(SISO)线性定常系统的分析设计方法。发展:①经典控制理论（二十世纪四十年代开始）②现代控制理论（二十世纪六十年代开始）

以状态空间法为基础，在时域内研究多输入-多输出（MIMO）系统的分析和设计方法。③智能控制理论（二十世纪七十年代开始）

以模糊控制和神经网络为基础，研究多变量复杂大系统的分析设计方法。②分析或设计自动控制系统的主要方法和依据。例1-1

恒压人工控制系统如图1-1所示。图1-1恒压人工控制装置已知：在发电机转速n不变。系统要求：保持发电机输出电压U不变。

分析：当负载变化时，U变化。若采用人工控制：调节R,使if变化,保持U恒定。自动控制：图中虚线框内所示。SD——执行电机例1-2恒压自动控制系统如图1-2所示。图1-2恒压自动控制系统采用自动控制方式能使系统具有较高精度和达到实时性等要求。由上例可知，一个控制系统包括以下几个部分：

①被控对象；②被控量；③控制器；④执行机构；⑤给定量；⑥检测装置。图1-3恒压自动控制系统结构框图为方便分析恒压系统，用结构框图表示各部件之间的关系如下：1.1.2自动控制系统的基本控制方式⑴开环控制方式控制装置与受控对象之间只有顺向作用而无反向联系时，称为开环控制。图1-4直流电动机转速开环控制系统图1-5直流电动机转速开环控制系统结构图③结构比较简单；②误差不能靠系统本身来克服；开环系统的特点：④不存在稳定性问题。⑵闭环控制方式①系统的控制精度取决于各元件的精度及参数的稳定性；控制装置与受控对象之间，不但有顺向作用，还有反向联系，即有被控量对控制过程的影响，这种控制称为闭环控制，相应的控制系统称为闭环控制系统。闭环控制又常称为反馈控制。例1-4图1-6是直流电动机转速闭环控制系统

图1-8直流电动机转速闭环控制系统

图1-9直流电动机转速闭环控制系统结构图③系统结构复杂，增加调试难度：稳定性是个重要问题。②抑制扰动能力强：能抑制内部或外部扰动对系统的影响，可用低成本元件构成高精度系统；闭环系统的特点：①利用偏差消除偏差；闭环控制系统的反馈原理就是将系统的被控量以负反馈的形式与给定量进行比较,并利用偏差来不断消除偏差的控制过程。负反馈：反馈的信号与输入信号信号相减，使产生的偏差越来越小。正反馈：反馈的信号与输入信号信号相加，使产生的偏差越来越大。⑶复合控制方式把按偏差控制和按扰动控制结合起来,是一种比较合理的控制方式.这种按偏差控制和按扰动控制相结合的控制方式称为复合控制方式.

下图表示的是电动机速度的复合控制系统的方块图.电压放大器电阻R功率放大器测速发电机电动机电压放大器-u0utueMcn图1-10电动机速度复合控制系统1.2自动控制系统的分类自动控制系统有多种分类方法：1.按照描述系统性能的动态方程来分，可分为线性系统和非线性系统。2.按照系统中信号在传递过程中的特点分，可分为连续系统和离散系统。3.按照系统输入信号的变化规律分，可分为恒值系统、随动系统和程序控制系统。1-2一、线性系统和非线性系统1)线性系统可用线性微分方程（或差分方程）来描述，即其各项系数均与变量无关.(1)线性定常连续系统微分方程式的一般形式为：

(1-1)①系数a0,a1,…,an,b0,b1,…,bm是常数时,称为线性定常系统；②系数a0,a1,…,an,b0,b1,…,bm随时间变化时,称为线性时变系统。2)非线性系统可用非线性微分方程（或差分方程）描述非线性方程的特点是系数与变量有关,或者方程中含有变量及其导数的高次幂或乘积项。例如：

(1-3)(2)线性定常离散系统差分方程式的一般形式为：

(1-2)二、连续系统和离散系统从系统中的信号来看，若系统各部分的信号都是时间ｔ的连续函数即模拟量，则称此系统为连续系统。若系统中有一处或多处信号为时间ｔ的离散函数，如脉冲或数码信号，则称之为离散系统。若离散系统中既有离散信号又有模拟量，亦称之为采样系统。图1-11计算机控制系统三、恒值系统、随动系统和程序控制系统

1、若系统的给定值为一定值，而控制任务就是克服扰动，使被控量保持恒值，此类系统称为恒值系统。

例如：电动机速度控制、恒温、恒压、水位控制等。

2、若系统给定值按照事先不知道的时间函数变化，并要求被控量跟随给定值变化，则此类系统称为随动系统。

例如：火炮自动跟踪系统、轮舵位置控制系统等。

3、若系统的给定值按照一定的时间函数变化，并要求被控量随之变化，则此类系统称为程序控制系统。

例如：数控伺服系统以及一些自动化生产线等。

四、其他类型系统根据系统元件的类型，还可分为：机电控制系统、液压控制系统、气动系统以及生物系统等；

根据系统的功能作用，可分为温度控制系统、压力控制系统、位置控制系统等。1.3对自动控制系统的基本要求在已知系统的结构和参数时,在某种典型输入信号下,其被控量变化的全过程,且对全过程提出的共同基本要求都是一样的.1.3.1控制系统基本要求的提法1、稳定性2、快速性3、准确性⑴稳定性稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件.线性自动控制系统的稳定性是由系统的结构和参数所决定,与外界因素和初始条件无关.不稳定系统是无法正常工作的。图1-11稳定系统图1-12不稳定系统

稳定性是这样来表述的：系统受到外作用后，其动态过程的振荡倾向和系统恢复平衡的能力。⑵快速性控制系统不仅要稳定,还必须对其过渡过程的形式和快慢提出要求,一般称为动态性能,其中包括过渡过程时间(即快速性)和最大振荡幅度(即超调量).图1-13控制系统的快速性及稳态精度示意图⑶准确性理想情况下,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.但实际上,由于系统结构、外作用形式以及摩擦、间隙等非线性因素的影响,被控量的稳态值与期望值之间会有误差存在,称为稳态误差.图1-14无差系统图1-15有差系统衡量控制系统的稳、快、准等性能指标有一定的参考标准，即控制系统性能的评价指标是否达到设计要求。控制系统性能的评价指标分为动态性能指标和稳态性能指标，它们是用来衡量控制系统输出量随着时间变化的基本标准。1.3.2对控制系统性能的评价表1-1典型输入信号1.典型外作用在控制工程设计中常用的典型输入信号有：阶跃函数、斜坡函数(又称速度函数)、加速度函数（又称抛物线函数）、单位脉冲函数和正弦函数。⑴阶跃函数

(1-4)⑵斜坡函数

(1-5)⑶正弦函数

(1-6)

图1-16典型外作用(a)阶跃函数；(b)斜坡函数；(c)正弦函数(4)

等加速度信号(抛物线函数)其数学表达式和图形为:上式中R为常数,当R=1时,称为单位等加速度信号.动态过程与稳态过程在典型输入信号作用下,任何一个控制系统的时间响应都由动态过程和稳态过程两部分组成.

动态过程又称过渡过程或瞬态过程,是指在典型输入信号作用下,系统输出量从初始状态到最终状态的响应过程.由于实际控制系统具有惯性、摩擦以及其它一些原因,动态过程表现为衰减、发散或等幅振荡的形式.一个可以实际运行的控制系统,其动态过程必须是衰减的,即系统必须是稳定的.3.1.3动态性能与稳态性能

稳态过程系统在典型输入信号作用下,当时间t趋于无穷时,系统输出量的表现方式.它提供系统有关稳态误差的信息,用稳态性能描述.对于图3-1a)所示的单位阶跃响应h(t),其动态性能指标通常为:⑴延迟时间td:指响应曲线第一次达到其终值一半所需的时间.⑵上升时间tr:指响应从终值10%上升到终值90%所需的时间；对于有振荡的系统，亦可定义为响应从零第一次上升到终值所需的时间.图3-1单位阶跃响应稳定系统的阶跃响应有衰减振荡和单调变化两种类型。⑶峰值时间

tp:指响应超过其终值到达第一个峰值所需的时间.⑸超调量:又称最大超调量(或百分比超调量),它是指响应的最大偏离值与终值之差的百分比,即⑷调节时间ts

:指响应到达并保持在终值(或)内所需的最短时间.若,则响应无超调.(3–1)

(6)振荡次数N:调节时间ts内，响应曲线偏离稳态值h(∞)的振荡次数。

稳态性能稳态误差是描述系统稳态性能的一种性能指标,通常在阶跃函数、斜坡函数或加速度函数作用下进行测定或计算.若时间t趋于无穷时,系统的输出量不等于输入量或输入量的确定函数,则系统存在稳态误差.稳态误差是系统控制精度或抗扰动能力的一种度量.

（7）稳态误差：ess=lim[h(t)-h(∞)]t→∞2.线性控制系统阶跃响应的性能指标图1-1