自动控制理论课件

第一章控制系统导论1.1自动控制基本原理1.2自动控制系统示例1.3自动控制系统分类1.4对控制系统基本要求End1/68

本章重点1.自动控制和自动控制系统含义；2.反馈和反馈控制概念、反馈控制特点；3.控制系统组成和分类和特点。

本章难点1.深刻理解反馈概念和思想；2.确定控制系统被控对象、被控量、给定量等；绘制方块图，分析实际控制系统基本原理。2/68§1－1控制系统基本原理自动控制技术在工农业生产、国防、航空航天等各个领域中起着主要作用！广泛应用于多种工程学科领域，并扩展到生物、医学、环境、经济管理和其他许多社会生活领域。独立学科并与其他学科互相渗入、互相促进。《自动控制原理》是自动控制技术基础理论，是一门理论性较强工程科学。

当代工程技术人员和科学工作者，必须具有一定自动控制理论基础知识！

3/68自动控制：是指在没有人直接参与条件下，利用外加设备或装置（称控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称被控对象）某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定规律运行。

系统：由互相制约各个部分按一定规律组成、为达成一定目标、具有一定功能整体。一、自动控制系统概念自动控制理论：是研究自动控制共同规律科学。4/68反馈：将检测出来输出量送回到系统输入端，并与输入信号比较过程。反馈分为负反馈（反馈信号与输入信号相减）和正反馈（反馈信号与输入信号相加）。5/68例水温自动控制系统系统中增加了：控制器电机加入给定信号工作原理：检测实际温度产生控制信号通过电机调整阀门开度从而调整蒸汽流入，控制水温度.实现没有人直接参入自动水温控制.6/68为了方便地分析系统性能，一般用框图来表达系统构造，如图所示:要使自动控制系统满足工程实际需要,必须研究自动控制系统构造参数与系统性能之间关系。实际温度偏差反馈量预期温度_控制器执行机构阀门水箱7/68自动控制系统特性：1.构造上必须有反馈装置并按负反馈标准组成系统。2.由偏差产生控制作用。控制目标是尽可能减小或消除偏差，使输出量接近于盼望值。自动控制系统定义：

是一种带有反馈装置动力学系统。系统能自动而连续地测量被控制量，并求出偏差，进而根据偏差大小和正负极性进行控制，而控制目标是力图减小或消除所存在偏差。8/68自动控制系统：为了实现多种复杂控制任务，首先要将被控对象和控制装置按照一定方式连接起来，组成一种有机整体，这就是自动控制系统。9/68自动控制系统基本控制方式1.开环控制2.闭环控制3.复合控制10/68温度计

加热电阻丝调压器u(a)原理图~220V输出量(手柄位置)输入量调压器加热电阻丝

电炉

恒温箱

被控对象(温度)扰动量(b)方块图控制装置扰动输出量输入量控制装置被控对象开环控制系统方框图

开环控制11/68MugudoVGT+-(a)原理图给定信号(电压)触发器电动机被控对象输出量(转速)扰动量(b)方块图控制装置晶闸管可控整流器控制装置与被控对象之间只有顺向作用而无反向联系。开环控制结论：开环控制长处——构造简单，缺陷——无抗干扰能力12/68按扰动控制开环控制系统，是利用可测量扰动量，产生一种赔偿作用，以减小或抵消扰动对输出影响，这种控制方式也称顺馈控制。按扰动控制速度控制系统13/68开环控制系统特点：构造简单、造价低。系统控制精度取决于给定信号标定精度及控制器及被控对象参数稳定性。开环系统没有抗干扰能力。因此精度较低。应用场所：控制量变化规律能够预知。也许出现干扰能够抑制。被控量很难测量。应用较为广泛，如家电、加热炉、车床等等。14/68闭环控制控制装置与受控对象之间，不但有顺向作用，并且尚有反向联系.闭环控制又称为反馈控制或按偏差控制。15/68例转速负反馈直流电动机调速系统直流电机测速发电机电源和放大装置负载系统组成：UnUf给定电压反馈电压转速取决于给定电压与反馈电压差值。16/68调速系统构造图unufeudn_直流电动机放大器测速机由电网电压波动，负载变化以及其他部分参数变化所引发转速变化，都能够通过系统自动调整加以抑制。n↓→Uf↓→e↑→Ud↑→n↑减小或消除由于扰动所形成偏差值，具有较高控制精度和较强抗扰能力。闭环控制系统具有特点：17/6818/68前向通道：系统输入量到输出量之间通道。反馈通道：从输出量到反馈信号之间通道。比较步骤：输出量为各输入量代数和。输入量：输出量：n反馈量：控制量：偏差量()＝给定量

(

)－反馈量(

)19/68(-)utug扰动给定装置放大器电动机转速反馈装置触发器晶阐管可控整流器控制装置受控对象n(b)方框图ueudoRP1ugR0R0R1-utRP2-+-++

TGMudouc(a)原理图+20/68闭环控制系统：通过反馈回路使系统组成闭环并按偏差性质产生控制作用，以求减小或消除偏差(从而减小或消除误差)控制系统。21/68闭环控制系统特点：系统对外部或内部干扰(如内部件参数变动)影响不甚敏感。出于采取反馈装置，造成设备增多，线路复杂。闭环系统存在稳定性问题。由于反馈通道存在，对于那些惯性较大系统，若参数配合不当，控制性能也许变得很差．甚至出现发散或等幅振荡等不稳定情况。注意：对于主反馈必须采取负反馈。若采取正反馈将使偏差越来越大。22/683．复合控制按偏差控制和按扰动控制相结合控制方式称为复合控制。前馈赔偿控制复合控制具有两种基本形式.复合控制：反馈控制+23/68(a)按输入前馈赔偿复合控制给定值被控制量_受控对象检测元件控制器前馈控制24/68(b)按扰动前馈赔偿复合控制检测元件_前馈控制扰动被控制量给定值受控对象控制器_25/68复合控制udoMRiugutTG(a)原理图负载放大器

放大器+26/68被控量输入信号(-)赔偿装置控制装置受控对象n扰动(ML)uiugut(-)(b)方块图扰动检测装置晶阐管可控整流器转速反馈装置电动机放大器放大器触发器27/68反馈控制系统基本组成控制系统被控对象控制装置测量元件比较元件

放大元件执行机构校正装置给定元件28/68控制系统组成29/68测量反馈元件——用以测量被控量并将其转换成与输入量同一物理量后，再反馈到输入端以作比较。比较元件——用来比较输人信号与反馈信号。放大元件——将薄弱信号作线性放大。校正元件——按某种函数规律变换控制信号，并产生反应二者差值偏差信号。以利于改善系统动态品质或静态性能。30/68执行元件——根据偏差信号性质执行对应控制作用，方便使被控量按盼望值变化。控制对象——又称被控对象或受控对象，一般是指生产过程中需要进行控制工作机械或生产过程。出现于被控对象中需要控制物理量称为被控量。31/68常用名词术语输入信号：也叫参照输入，给定量或给定值，它是控制着输出量变化规律指令信号。输出信号：是指被控对象中要求按一定规律变化物理量，又称被控量，它与输入量之间保持一定函数关系。反馈信号：由系统(或元件)输出端取出并反向送回系统(或元件)输入端信号称为反馈信号。反馈有主反馈和局部反馈之分。偏差信号：它是指参照输入与主反馈信号之差。误差信号：指系统输出量实际值与盼望值之差，简称误差。扰动信号：简称扰动或干扰、它与控制作用相反，是一种不希望、影响系统输出不利原因。扰动信号既可来自系统内部，又可来自系统外部，前者称内部扰动，后者称外部扰动。32/68§1－1自动控制系统示例例1炉温控制系统33/6834/68例2函数统计仪方框图35/6836/68第三节自动控制系统分类按给定信号形式恒值系统/程序系统/随动系统按系统是否满足叠加原理线性系统/非线性系统按系统参数是否随时间变化定常系统/时变系统按信号传递形式连续系统/离散系统按输入输出变量多少单变量系统/多变量系统37/68一、按输入信号形式1、恒值控制系统（或称自动调整系统）此类系统特点是输入信号是一种恒定数值。恒值控制系统主要研究多种干扰对系统输出影响以及如何克服这些干扰，把输入、输出量尽可能保持在希望数值上。38/68一、按输入信号形式2、过程控制系统（或称程序控制系统）此类系统特点是输入信号是一种已知时间函数，系统控制过程按预定程序进行，要求被控量能迅速精确地复现。恒值控制系统也以为是过程控制系统特例。39/683、随动控制系统（或称伺服系统）此类系统特点是输入信号是一种未知函数，要求输出量跟随给定量变化。如雷达天线跟踪系统，当被跟踪目标位置未知时属于此类系统。随动系统是指参照输入量随时间任意变化系统。其任务是要求输出量以一定精度和速度跟踪参照输入量，跟踪速度和精度是随动系统两项主要性能指标。工业自动化仪表中显示统计仪，跟踪卫星雷达天线控制系统(如图所示)等均属于随动控制系统。40/6841/68二、按系统是否满足叠加原理(1)线性系统

当系统运动规律用线性微分方程或者线性差分方程描述时，则此类系统称为线性系统。线性系统有两个主要特性：叠加性和齐次性。（a）叠加性当系统同步存在几个输入量时，其输出量等于各输入量单独作用时所引发输出量和。假如用箭头表达输入量x和输出量y对应关系，上述性质可表达如下：42/68例如：设有线性系统微分方程式为:

若

时，方程式解为

；而

时，方程式解为

：即有：43/68则当

时容易验证，原方程式解为

，这就是叠加性。叠加性表白，两个不一样外作用同步作用于系统所产生总响应，等于两个外作用单独作用时分别产生响应之和。44/68(b)齐次性当输入量增大或缩小k(k为实数)倍时，系统输出量也按同一倍数增大或缩小。即当

时，式中a为常数，则方程式解为

，这就是齐次性。齐次性表白，当外作用数值增大若干倍时，其响应也对应增大同样倍数。45/68(2)非线性系统

在组成系统步骤中有一种或一种以上非线性步骤时，则称此系统为非线性系统。典型非线性特性有饱和特性、死区特性、间隙特性、继电特性、磁滞特性等。如图:46/68（1）定常系统假如系统中参数不随时间变化，则此类系统称为定常系统。在实践中遇到系统，大多数属于这一类。（2）时变系统假如系统中参数是时间t函数，则此类系统称为时变系统。三、按系统参数是否随时间变化47/68假如一种线性系统微分方程系数为常数，那么系统称为线性定常系统。例如：假如一种线性系统微分方程系数为时间函数，那么系统称为线性时变系统。例如:48/68连续系统和离散系统连续系统是指系统内各处信号都是以连续模拟量传递系统。即系统中各元件输入量和输出量均为时间连续函数。连续系统运动规律能够用微分方程来描述。系统内某处或数处信号是以脉冲序列或数码形式传递系统则称为离散系统，如下列图所示，其运动方程只能用差分方程描述。四、按信号传递形式49/68§1-4对控制系统性能要求常见评价系统优劣性能指标是从动态过程中定义出来。对系统性能基本要求有三个方面。二、迅速性一、稳定性三、精确性50/68

系统受外作用力后,其动态过程振荡倾向和系统恢复平衡能力。一、稳定性稳定性：假如系统受外作用力通过一段时间，其被控量达成某一稳定状态，则系统是稳定。不然为不稳定。稳定系统动态过程r(t)t0c(t)1r(t)c(t)不稳定系统动态过程(a)给定信号作用c(t)(b)扰动信号作用d(t)t0c(t)r(t)t0c(t)r(t)c(t)d(t)不稳定系统是无法正常工作。51/68通过动态过程时间长短表征。时间越短，表白迅速性越好，反之亦然。二、迅速性r(t)t0c(t)r(t)c1(t)c2(t)迅速性表白了系统输出对输入响应快慢程度52/68由输入给定值与输出响应终值之间差值ess大小表征。三、精确性r(t)t0c(t)r(t)c(t)ess53/68稳定性、迅速性和精确性往往是互相制约。在设计与调试过程中,若过度强调某方面性能,则也许会使其他方面性能受到影响.如何根据工作任务不一样,分析和设计自动控制系统，使其对三方面性能有所侧重，并兼顾其他正是自控原理课程要处理问题。54/68

自动控制理论研究是如何按受控对象和环境特性，通过能动地采集和利用信息，施加控制作用使系统在不确定条件下正常运行并具有预定功能。它是研究自动控制共同规律技术科学，其主要内容包括受控对象、环境特性、控制目标和控制伎俩以及它们之间互相作用。

§1-5自动控制理论发展简述55/68具有“自动”功能装置自古有之，瓦特发明蒸汽机上离心调速器是比较自觉地利用反馈原理进行设计并取得成功首例。麦克斯韦对它稳定性进行分析，于1868年刊登论文当属最早理论工作。从20世纪23年代到40年代形成了以时域法，频率法和根轨迹法为支柱“古典”控制理论。56/6860年代以来，伴随计算机技术发展和航天等高科技推进，又产生了基于状态空间模型所谓“当代”控制理论。伴随自动化技术发展，人们力求使设计控制系统达成最优性能指标，为了使系统在一定约束条件下，其某项性能指标达成最优而实行控制称为最优控制。57/68当对象或环境特性变化时，为了使系统能自行调整，以跟踪这种变化并保持良好品质，又出现了自适应控制。多种理论中仍是古典频率法最为适用。真正优良设计必须允许模型构造和参数不精确并也许在一定范围内变化，即具有鲁棒性。这是目前主要前沿课题之一。58/68另外，使理论实用化一种主要途径就是数学模拟（仿真）和计算机辅助设计（CAD）。近年来，在非线性系统理论、离散事件系统、大系统和复杂系统理论等方面都有不一样程度发展。智能控制也得到了很快发展，它主要包括专家系统、含糊控制和人工神经元网络等内容。59/68总之，自动控制理论正伴随技术和生产发展而不停发展，而它反过来又成为高新技术发展主要理论根据。本书所介绍内容是该理论中最基本也是最主要内容，即古典控制理论部分。它在工程实践中用得最多，也是深入学习自动控制理论基础。60/68课程要求深刻理解反馈控制概念系统建模和化简掌握时域和频域分析设计办法应用MATLAB进行控制系统辅助分析和设计61/68（1）阶跃信号

阶跃信号体现式为：(1-1)当A=1时，则称为单位阶跃信号，常用1(t)表达，如图1-11所示。

典型外界干扰作用62/68（2）斜坡信号

斜坡信号在t

=0时为零，并随时间线性增加，因此也叫等速度信号。它等于阶跃信号对时间积分，而它对时间导数就是阶跃信号。斜坡信号体现式为：

63/68（2）斜坡信号

斜坡信号在t

=0时为零，并随时间线性增加，因此也叫等速度信号。它等于阶跃信号对时间积分，而它对时间导数就是阶跃信号。斜坡信号体现式为：

64/68（3）抛物线信号

抛物线信号也叫等加速度信号，它能够通过对斜坡信号积分而得。抛物线信号体现式为：