自动控制原理胡寿松第三版第1章课件

自动控制原理信息控制类专业重要的专业基础课之一课程简介：性质：学科基础课教材：胡寿松.自动控制原理.科学出版社.方式：课堂讲授+实验第一章自动控制的一般概念第二章控制系统的数学模型第三章线性系统的时域分析法第四章线性系统的根轨迹法第五章线性系统的频域分析法第六章线性系统的校正方法第七章线性离散系统的分析与校正第八章非线性系统分析第九章线性系统的状态空间分析与综合第一章自动控制系统的基本概念1-1认识自动控制的概念1-2自动控制的基本原理1-3自动控制系统分类1-4控制系统性能要求1.基本概念自动控制在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置，使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定规律运行。§1-1自动控制技术介绍1.基本概念自动控制在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置，使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定规律运行。锅炉液位控制、化工过程流量、温度、液位的控制……自动控制系统实现某一控制目标的所有物理部件的有机组合体。控制装置被控对象被控变量我们身边的自动控制系统与装置现代生活离不开自动控制！空调冰箱电热水器2.自动控制技术的直观认识3.自动控制理论研究简史经典控制理论：20世纪40-50年代分析方法：时域、复域、频域研究对象：SISO(Single-inputSingle-output)数学工具：微分方程、拉氏变换等现代控制理论：20世纪60年代分析方法：状态空间方程研究对象：MIMO（Multiple-inputMultiple-output)数学工具：矩阵理论（线性代数）智能控制理论：20世纪70年代至今研究对象：多因素、多层次、复杂对象方法：专家系统、模糊控制技术、神经网络、智能进化算法等等重要的人物：1948，维纳《控制论》1954，钱学森《工程控制论》★《Cybernetics：ortheControlandCommunicationintheAnimalandtheMachine》

★《EngineeringCybernetics》

§1-2自动控制的基本原理【例】

水箱系统入口流量Qi取决于阀门开度u，出口流量与液位H和出口阀门有关问题：如何使得实际液位H控制在期望液位不变期望液位：Hs人工控制与自动控制水池水位系统的人工控制控制目的：水池中的水源源不断地经出水管流出，以供用户使用。为了使水位上升或下降都有足够的余地，避免过满或抽空，应使水池水位与要求值相等。控制手段：改变进水阀门的开度人工控制过程1.测量过程用眼睛作测量工具，测量水位实际高度2.决策过程通过大脑，将观测到的实际液位与期望液位高度进行比较，得出偏差。根据偏差情况（正、负、大、小）进行分析运算，发出一控制命令；3.执行过程手执行大脑的命令，改变进水阀的开度，调节进水量，使水位偏差减小；反复执行上述过程，使水位实际值与要求值相等。由于有人直接参与控制，故称为人工控制。水池是被控对象，水池水位是被控变量。1.人工控制

眼：测量实际液位H——检测过程。

脑：将实际液位H和期望液位Hs比较，根据两者偏差正负及大小作出决策。——比较、分析、决策过程。

手：执行大脑命令，调节阀门开度。——执行过程。

人工控制原理方块图实际液位脑眼给定值手水槽扰动测量值2.自动控制变送器(眼）：测量实际液位H并进行物理转换。控制器（大脑）：也叫调节器，将测量值mv和给定值sv相比较，根据两者的偏差进行运算，输出控制信号u。执行器（手）：也叫调节阀，改变阀门开度。以上元件共同作用，反复检测和控制，使水位实际值与要求值相等。自动控制系统的方块图方块图可直观的表达控制系统的组成及信号间的传递关系方块图由方块、信号（带箭头的直线）和信号相加点、分支点组成。方块图中，每一个方块代表了自动控制系统的一个环节。箭头指向方块表示为该环节输入，反之输出。自动控制原理方块图：实际液位控制器变送器给定值执行器水槽扰动测量值实际液位脑眼给定值手水槽扰动测量值人工控制原理方块图：3.反馈控制原理（闭环控制）反馈控制原理被控变量作为反馈信号，与希望值比较得到偏差输入；根据输入偏差大小，调整控制信号；控制信号通过执行器的操作消除偏差，实现控制目标。（三层意思）负反馈控制原理将系统的输出信号引回输入端，与输入信号相减，形成偏差信号。然后根据偏差信号产生相应的控制作用，力图消除或减少偏差的过程。例子4.反馈控制系统的基本组成用方框和箭头表示的控制系统元件作用图比较元件信号从输入端到达输出端的传输通路称为前向通路；系统输出量经测量元件反馈到输入端的传输通路称为主反馈通路。前向通路与主反馈通路共同构成主回路。此外，还有局部反馈通路。只包含一个主反馈通路的系统称为单回路系统，有两个或两个以上反馈通路的系统称为多回路系统。反馈控制系统的基本组成

组成装置

1)测量元件：检测被控制的物理量。非电量转化为电量。例如：测速发电机检测电动机轴的转速并转化为电压。

2)给定元件：给出与期望的被控制量相对应的系统输入量（如给出电压的电位器）。

3)比较元件：把测量元件检测的被控量的实际值与给定元件给出的输入量进行比较，求出它们之间的偏差。

4)放大元件：偏差信号的放大，用以推动执行元件。

5)执行元件：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，结构或参数便于调整，串联或反馈方式连接在系统中，以改善系统性能。

被控对象5.基本控制方式开环控制方式

按给定量控制按扰动控制反馈控制方式复合控制方式存在输出到输入的反馈，输出量参与控制开环控制方式1）开环控制：不存在输出到输入的反馈，输出量不参与控制。

按给定值进行控制按给定量控制的开环控制系统，其控制作用直接由系统的输入量产生，给定一个输入量，就有一个输出量与之对应，控制精度完全取决于所用的元件及校准的精度。结构简单、成本低、抗扰动性差。交通灯、自动售货机开环控制方式

按干扰进行控制（即顺馈控制，对干扰进行补偿）扰动必须可测！按扰动控制的开环控制系统，是利用可测量的扰动量，产生一种补偿作用，以减小或抵消扰动对输入量的影响。这种按扰动控制的开环控制方式直接从扰动取得信息，其控制精度较高，只适用于扰动可测量的场合。例+M负载+++压放功放+功放电机负载压放电动机转速的下降是由于电枢回路的电压下降引起的，将负载引起的电流变化测量出来，按其大小产生一个附加的控制作用，用以补偿由它引起的转速下降，构成按扰动控制的开环控制系统。这种按扰动控制控制的开环控制系统直接从扰动取得信息并据以改变被控量，适用于扰动可测量的场合。而且一个补偿装置只能补偿一个扰动因素。按扰动控制的速度控制系统2）闭环控制系统（反馈控制系统）结构特征：信息循环往复传递，按偏差进行控制。系统特点：按偏差控制，因此必须有输出量的测量装置；抗干扰性好，控制精度高；系统较复杂，有稳定性问题。使用场合：多用于系统结构参数不稳定和扰动信号较强的场合。3）复合控制系统对主要扰动采用适当的补偿装置实现按扰动控制，同时，再组成反馈控制系统实现偏差控制，以消除其余扰动产生的偏差。主要扰动已被补偿，反馈控制系统比较容易设计，控制效果会更好。§1-3自动控制系统分类1.按输入信号特征分类1）恒值控制系统给定输入为常数，扰动的影响带来偏差的存在，系统克服扰动影响例：液位控制系统，温度控制系统等工业系统2）随动系统给定输入是随机时间变化的函数（未知）,要求被控系统以尽可能小的误差跟随输入量的变化。重点研究跟踪的快速性和准确性。例：函数记录仪、火炮自动跟踪系统3）程序控制系统给定输入是预知的时间函数，要求被控量迅速准确的加以复现。例：数字程序控制机床2.按描述元件特性分类1）线性系统组成系统的元件都是线性元件，输入输出的静态特性为线性关系用线性微分方程描述2）非线性系统只要系统中有一个元部件是非线性的用非线性微分方程描述如何区分一个系统是线性的还是非线性的呢？线性连续控制系统这类系统可以用线性微分方程描述，一般形式为：

系数a0，‥，an，b0,‥bn是常数时，称为定常系统；系数a0，‥，an，b0,‥bn随时间变化时，称为时变系统。（按系统参数是否随时间变化）

3.按照传递信号类型分类连续系统各个环节间的信号均为时间t的连续函数，可用微分方程描述例：水箱系统离散系统只要有一处信号是脉冲信号或者数字信号，定义在离散时刻上，用差分方程描述例：计算机控制系统4.按照参数是否随时间变化分类定常系统时变系统5.其他分类单输入输出系统与多输入输出系统（按输入输出变量的多少）确定性系统与不确定性系统可用线性微分方程或差分方程描述的系统，成为线性系统。如果微分方程或差分方程的系数全为常数，则为线性定常系统；否则称为线性时变系统。用非线性方程描述的系统，称为非线性系统。§1-4对控制系统性能的基本要求时间tr上升峰值时间tpAB超调量σ%=AB100%调节时间ts“稳，快，准”1.稳定性（最基本要求）系统在扰动消失后，由初始偏差状态恢复到平衡状态的能力。１、稳定２、不稳定稳定性：

(1)对恒值系统，要求当系统受到扰动后，经过一定时间的调整能够回到原来的期望值。

(2)对随动系统，被控制量始终跟踪输入量的变化。稳定性是对系统的基本要求，不稳定的系统不能实现预定任务。线性系统稳定性，通常由系统的结构决定与外界因素无关。2.快速性（动态要求）动态性能:调节时间、上升时间对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称为动态性能。过渡过程要平稳，快速。稳定高射炮射角随动系统，虽然炮身最终能跟踪目标，但如果目标变动迅速，而炮身行动迟缓，仍然抓不住目标。3.准确性（稳态要求）稳态性能：稳态误差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。系统响应达到稳态时，输出跟踪精度要高。典型外作用：可选为典型外作用的函数应具备以下条件：

⑴这种函数在现场或实验室中容易得到；

⑵控制系统在这种函数作用下的性能代表在实际工作条件下的性能；

⑶这种函数的数学表达式简单、便于理论计算。1、阶跃函数数学表达式：或

在t=0时刻突然加到系统上一个幅值不变的外作用。幅值R=1的阶跃函数称为单位阶跃函数。电源电压突然跳动，负载突然增大或减小；飞机飞行中遇到的常值阵风扰动。

在控制系统的分析设计工作中，一般将阶跃函数作用下系统的响应特性作为评价系统动态性能指标的依据。2、斜坡函数（速度信号）

表示在t=0时刻开始，以恒定速率R随时间变化的函数。雷达-高射炮防空系统，当雷达跟踪的目标