自控原理課件

1、自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述時(shí)域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理課程性質(zhì)、地位和任務(wù)課程性質(zhì)、地位和任務(wù) 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理是與所有工程技術(shù)是與所有工程技術(shù)相關(guān)的相關(guān)的技術(shù)基礎(chǔ)課技術(shù)基礎(chǔ)課工程中的數(shù)學(xué)。工程中的數(shù)學(xué)?；A(chǔ)課技術(shù)基礎(chǔ)課未來工作知識(shí)知識(shí)學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)能力能力培養(yǎng)培養(yǎng)工作工作能力能力課程性質(zhì)、地位和任務(wù)課程性質(zhì)、地位和任務(wù) 任務(wù)：任務(wù)：1.1.掌握控制系統(tǒng)的基本理論掌握控制系統(tǒng)的基本理論2.2.掌握控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)方法掌握控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)方法高等數(shù)學(xué)高等數(shù)學(xué)積分變換積分變換自動(dòng)控制理論自動(dòng)控制理論現(xiàn)代控制理

2、論現(xiàn)代控制理論其它專業(yè)課程其它專業(yè)課程1 1、專業(yè)基礎(chǔ)課，自動(dòng)化專業(yè)承上啟下的課程、專業(yè)基礎(chǔ)課，自動(dòng)化專業(yè)承上啟下的課程2 2、理論實(shí)踐相結(jié)合、理論實(shí)踐相結(jié)合理論性非常強(qiáng)，概念多，內(nèi)容多，抽象；理論性非常強(qiáng)，概念多，內(nèi)容多，抽象；實(shí)際應(yīng)用緊密結(jié)合。能為解決實(shí)際控制問題提供理論和方法實(shí)際應(yīng)用緊密結(jié)合。能為解決實(shí)際控制問題提供理論和方法自動(dòng)控制原理的課程特點(diǎn)自動(dòng)控制原理的課程特點(diǎn)3 3、自動(dòng)控制技術(shù)是應(yīng)用非常廣泛的技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)是應(yīng)用非常廣泛的技術(shù)電機(jī)控制、自動(dòng)化生產(chǎn)線、火炮雷達(dá)控制、家用電器、機(jī)電機(jī)控制、自動(dòng)化生產(chǎn)線、火炮雷達(dá)控制、家用電器、機(jī)械、冶金、石油、化工、電力電子、航空、航海、航天

3、、械、冶金、石油、化工、電力電子、航空、航海、航天、核反應(yīng)堆等。核反應(yīng)堆等。1 1、打好基礎(chǔ)、打好基礎(chǔ)高等數(shù)學(xué)（微積分）、積分變換（拉氏變換）高等數(shù)學(xué)（微積分）、積分變換（拉氏變換）2 2、做好預(yù)習(xí)、做好預(yù)習(xí)3 3、聽好課、聽好課講課的速度較快、了解課程內(nèi)容講課的速度較快、了解課程內(nèi)容掌握基本理論和基本方法掌握基本理論和基本方法4 4、做好習(xí)題、做好習(xí)題應(yīng)用學(xué)到的基本理論和基本方法解決實(shí)際問題應(yīng)用學(xué)到的基本理論和基本方法解決實(shí)際問題本課程學(xué)習(xí)方法本課程學(xué)習(xí)方法自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 課程內(nèi)容課程內(nèi)容自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)（定義見（定義見1.1節(jié)首段）節(jié)首段）Ch2：控制系統(tǒng)的：控制系統(tǒng)的數(shù)

4、學(xué)模型數(shù)學(xué)模型Ch1：自動(dòng)控：自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本制系統(tǒng)的基本概念和要求概念和要求分析系統(tǒng)分析系統(tǒng)的性能的性能Ch7:控制系控制系統(tǒng)的統(tǒng)的校正校正Ch8:線性離線性離散控制散控制系統(tǒng)系統(tǒng)Ch9：非線性非線性控制系控制系統(tǒng)統(tǒng)Ch4: 時(shí)域分析時(shí)域分析 Ch5:根軌跡分析根軌跡分析 Ch6:頻率特性分析頻率特性分析 Ch3：控制系統(tǒng)的：控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性及特性穩(wěn)定性及特性自動(dòng)自動(dòng)控制原控制原理理 自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的基本概念第第1章章自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述時(shí)域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動(dòng)控制原理在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防（尤其是在航天、制導(dǎo)、核能等方面）

5、乃至日常生活和社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域中都起著極其重的作用。如爐溫控制、機(jī)械手的控制、人造衛(wèi)星的軌道控制、造紙機(jī)卷取系統(tǒng)的張力恒定控制等等。自動(dòng)自動(dòng)控制原控制原理理自動(dòng)控制在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的作用 軍事領(lǐng)域中軍事領(lǐng)域中 導(dǎo)彈命中目標(biāo)、飛機(jī)駕駛系統(tǒng)導(dǎo)彈命中目標(biāo)、飛機(jī)駕駛系統(tǒng)航天技術(shù)方面航天技術(shù)方面 登月計(jì)劃，航天飛機(jī)：宇宙飛船準(zhǔn)確在月球上著陸并能重登月計(jì)劃，航天飛機(jī)：宇宙飛船準(zhǔn)確在月球上著陸并能重返地球。人造衛(wèi)星按預(yù)定軌跡運(yùn)行并返回地面。返地球。人造衛(wèi)星按預(yù)定軌跡運(yùn)行并返回地面。工業(yè)生產(chǎn)過程中工業(yè)生產(chǎn)過程中 對(duì)壓力、溫度、濕度、流量、頻率及原料、燃料成分比例對(duì)壓力、溫度、濕度、流量、頻率及原料、燃料成分比例等方面

6、的控制，全自動(dòng)生產(chǎn)線等方面的控制，全自動(dòng)生產(chǎn)線現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中 溫室自動(dòng)溫控系統(tǒng)，自動(dòng)灌溉系統(tǒng)，溫室自動(dòng)溫控系統(tǒng)，自動(dòng)灌溉系統(tǒng)， 雖然我們將要涉及到的全部是自動(dòng)控制的工程應(yīng)用方面，雖然我們將要涉及到的全部是自動(dòng)控制的工程應(yīng)用方面，但它的概念已經(jīng)擴(kuò)大到其它領(lǐng)域，如經(jīng)濟(jì)、政治等領(lǐng)域。但它的概念已經(jīng)擴(kuò)大到其它領(lǐng)域，如經(jīng)濟(jì)、政治等領(lǐng)域。自動(dòng)自動(dòng)控制原控制原理理自動(dòng)控制在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的作用生產(chǎn)的自動(dòng)化，管理的科學(xué)化，大大地改善了勞動(dòng)條件，生產(chǎn)的自動(dòng)化，管理的科學(xué)化，大大地改善了勞動(dòng)條件，增加了產(chǎn)量，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。近十幾年來，由于計(jì)算機(jī)增加了產(chǎn)量，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。近十幾年來，由于計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)

7、用，使自動(dòng)控制理論更加迅速向前發(fā)展，使得自的廣泛應(yīng)用，使自動(dòng)控制理論更加迅速向前發(fā)展，使得自動(dòng)控制技術(shù)所能完成的任務(wù)更加復(fù)雜，水平大大地提高。動(dòng)控制技術(shù)所能完成的任務(wù)更加復(fù)雜，水平大大地提高。電子技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，猶如為自電子技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，猶如為自動(dòng)控制技術(shù)安上兩只翅膀，自動(dòng)控制技術(shù)將在愈來愈多的動(dòng)控制技術(shù)安上兩只翅膀，自動(dòng)控制技術(shù)將在愈來愈多的領(lǐng)域發(fā)揮愈來愈重要的作用。因此，各個(gè)領(lǐng)域的工程技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮愈來愈重要的作用。因此，各個(gè)領(lǐng)域的工程技術(shù)人員和科學(xué)工作者，都必須具備一定的自動(dòng)控制知識(shí)。人員和科學(xué)工作者，都必須具備一定的自動(dòng)控制知識(shí)。 經(jīng)濟(jì)與社會(huì)

8、生活的其他領(lǐng)域經(jīng)濟(jì)與社會(huì)生活的其他領(lǐng)域 導(dǎo)航控制系統(tǒng)使汽車自動(dòng)保持在設(shè)定車速，剎車防抱死系導(dǎo)航控制系統(tǒng)使汽車自動(dòng)保持在設(shè)定車速，剎車防抱死系統(tǒng)自動(dòng)防止汽車在濕滑的路面上打滑，在大型辦公樓或旅統(tǒng)自動(dòng)防止汽車在濕滑的路面上打滑，在大型辦公樓或旅館，電梯調(diào)度系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)送車輛搭載乘客。館，電梯調(diào)度系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)送車輛搭載乘客。 一個(gè)現(xiàn)代化的居室內(nèi)，溫度由溫度調(diào)節(jié)裝置自動(dòng)控制。一個(gè)現(xiàn)代化的居室內(nèi)，溫度由溫度調(diào)節(jié)裝置自動(dòng)控制。自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述時(shí)域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動(dòng)控制原理，是指在無人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置，使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程的

9、某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行 ，是由控制器、被控對(duì)象等部件為了一定的目的有機(jī)的地聯(lián)接成的一個(gè)進(jìn)行自動(dòng)控制的整體。：在燃油爐溫度的控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)爐子溫度的如電動(dòng)機(jī)、閥門等就是；燃油爐就是；而爐子的溫度就是爐子正常工作所設(shè)定的溫度就是：在燃油爐溫度的控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)爐子溫度的如電動(dòng)機(jī)、閥門等就是；燃油爐就是；而爐子的溫度就是爐子正常工作所設(shè)定的溫度就是自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述時(shí)域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動(dòng)控制原理經(jīng)典控制理論主要用于工業(yè)控制1788年瓦特發(fā)明蒸汽機(jī)的同時(shí)，發(fā)明了離心式調(diào)速器，使蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速保持恒定，這是最早的被用于工業(yè)的

10、自動(dòng)控制裝置第二次世界大戰(zhàn)期間，對(duì)于軍用裝備的設(shè)計(jì)與制造的強(qiáng)烈需求，進(jìn)一步促進(jìn)并完善了自動(dòng)控制理論的發(fā)展（如飛機(jī)及船用自動(dòng)駕駛儀、火炮定位系統(tǒng)、雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)等），主要研究多輸入和多輸出、時(shí)變和非線性等控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問題，有線性系統(tǒng)理論、最優(yōu)控制理論、最佳濾波、自適應(yīng)控制、系統(tǒng)辯識(shí)、隨機(jī)控制等。主要代表有：Kalman 的濾波器，Pontryagin的極大值原理，Bellman 的 動(dòng)態(tài)規(guī)劃和Lyapunov 的穩(wěn)定性理論。大系統(tǒng)理論和智能控制理論，稱為第三代控制理論?，F(xiàn)代控制理論廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)、國(guó)防及日常生活 ，主要以傳遞函數(shù)為數(shù)學(xué)工具，采用頻率方法，研究單輸入單輸出的線性定常系統(tǒng)的分

11、析和設(shè)計(jì)問題，并在工程上比較成功地解決了如恒值控制系統(tǒng)與隨動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐問題。著名的控制科學(xué)家有：Black, Nyquist, Bode. 自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述時(shí)域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動(dòng)控制原理 現(xiàn)代控制理論與運(yùn)籌學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，采用數(shù)學(xué)模型，通過分解協(xié)調(diào)或分解集結(jié)方法，將控制理論中的穩(wěn)定性理論，最優(yōu)化控制理論，多變量控制理論和運(yùn)籌學(xué)中的線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃等加以推廣，應(yīng)用于大系統(tǒng)的分析和綜合大系統(tǒng)理論大系統(tǒng)理論自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述時(shí)域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動(dòng)控制原理智能控制

12、智能控制 智能控制是將認(rèn)知科學(xué)、多種數(shù)學(xué)編程和控制技術(shù)結(jié)合起來的，形成感知交互式、以目標(biāo)導(dǎo)向的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)可以進(jìn)行規(guī)劃、決策，產(chǎn)生有效的 、有目的的行為，在不確定環(huán)境中，達(dá)到既定的目標(biāo)。自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述時(shí)域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動(dòng)控制原理電位器放大器電動(dòng)機(jī)給定電壓Ur負(fù)載力矩n測(cè)速發(fā)動(dòng)機(jī)整流器UaUcUdUf分析比較執(zhí)行電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表干擾實(shí)際轉(zhuǎn)速希望值眼觀測(cè)1.2.1 人工控制與自動(dòng)控制人工控制與自動(dòng)控制 轉(zhuǎn)速表觸發(fā)器整流器負(fù)載三相交流UaUfUrM給定電位器觸發(fā)器整流器三相交流給定電位器UaUfUr放大器TGM負(fù)載自控系統(tǒng)的基本概念自

13、控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述時(shí)域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動(dòng)控制原理1.2.2 開環(huán)控制和閉環(huán)控制開環(huán)控制和閉環(huán)控制計(jì)算放大計(jì)算放大執(zhí)行器執(zhí)行器被控對(duì)象被控對(duì)象給定量給定量被控量被控量干擾干擾開環(huán)控制開環(huán)控制(open-loop control)系統(tǒng)是指無被控量反饋系統(tǒng)是指無被控量反饋的系統(tǒng)，即在系統(tǒng)中控制信息的流動(dòng)未形成閉合回的系統(tǒng)，即在系統(tǒng)中控制信息的流動(dòng)未形成閉合回路路 。特點(diǎn)：特點(diǎn)：（1）輸入控制輸出，輸出對(duì)輸入沒有影響；）輸入控制輸出，輸出對(duì)輸入沒有影響；（2）裝置簡(jiǎn)單，但控制準(zhǔn)確度低。當(dāng)有擾動(dòng)時(shí)，如）裝置簡(jiǎn)單，但控制準(zhǔn)確度低。當(dāng)有擾動(dòng)時(shí)，如果沒有人的干預(yù)，輸出

14、量將不能按給定量所期望的果沒有人的干預(yù)，輸出量將不能按給定量所期望的狀態(tài)去工作。狀態(tài)去工作。自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述時(shí)域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動(dòng)控制原理1.2.2 開環(huán)控制和閉環(huán)控制開環(huán)控制和閉環(huán)控制比較計(jì)算執(zhí)行器被控對(duì)象測(cè)量干擾被控量給定量閉環(huán)控制閉環(huán)控制就是有被控量反饋的控制，即系統(tǒng)的輸出信就是有被控量反饋的控制，即系統(tǒng)的輸出信號(hào)沿反饋通道又回到系統(tǒng)的輸入端，構(gòu)成閉合通道，號(hào)沿反饋通道又回到系統(tǒng)的輸入端，構(gòu)成閉合通道，也叫做反饋控制。也叫做反饋控制。特點(diǎn)：（1）輸入控制輸出、輸出對(duì)輸入有影響；）輸入控制輸出、輸出對(duì)輸入有影響；（2）裝置復(fù)雜

15、、但控制精度高。）裝置復(fù)雜、但控制精度高。自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述時(shí)域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動(dòng)控制原理1.2.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成 給定裝置比較裝置串聯(lián)校正裝置比較、放大裝置執(zhí)行裝置被控對(duì)象反饋校正裝置測(cè)量與變送局部反饋系統(tǒng)主反饋干擾輸入值 被控量檢測(cè)被控量，將檢測(cè)值轉(zhuǎn)換為便于處理的信號(hào)，再將該信號(hào)輸入比較裝置?？刂葡到y(tǒng)中所要控制的對(duì)象直接對(duì)被控對(duì)象作用，以改變被控量的值將給定量與測(cè)量值進(jìn)行運(yùn)算得到偏差量 設(shè)定與被控量相對(duì)應(yīng)的給定量在系統(tǒng)中添加的用以改善系統(tǒng)的控制性能的裝置 自動(dòng)自動(dòng)控制原控制原理理自動(dòng)控制中的常用術(shù)語自動(dòng)控

16、制中的常用術(shù)語 控制系統(tǒng)（控制系統(tǒng)（Control system）：）： 為了達(dá)到預(yù)期的目的（響應(yīng)）而設(shè)計(jì)出來的系統(tǒng)，它由相互關(guān)聯(lián)的部件組合而成。 控制對(duì)象（控制對(duì)象（Control plant）：）： 指被控設(shè)備或過程。 控制器（控制器（Controller）：）： 使被控對(duì)象達(dá)到所要求的性能或狀態(tài)的控制設(shè)備。它接受輸入信號(hào)或偏差信號(hào)，按預(yù)定的控制規(guī)律給出控制信號(hào)（操作量），送到執(zhí)行元件（放大器）或被控對(duì)象。 系統(tǒng)（系統(tǒng)（System）：）： 為實(shí)現(xiàn)預(yù)期的目標(biāo)而將有關(guān)部件（部分）互聯(lián)在一起的整體。 系統(tǒng)輸出，也稱被控量（系統(tǒng)輸出，也稱被控量（System output）：）： 指被控制的量是

17、一種被測(cè)量和被控制的量值或狀態(tài)（工業(yè)過程控制中用符號(hào)PV表示，parameters variable)。它表征被控對(duì)象或過程的狀態(tài)和性能，它又常常被稱為系統(tǒng)對(duì)輸入的響應(yīng)（Response）。 自動(dòng)自動(dòng)控制原控制原理理自動(dòng)控制中的常用術(shù)語自動(dòng)控制中的常用術(shù)語 控制量（操作量控制量（操作量 Control signal）：）： 是由控制器給出的作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)或被控對(duì)象的信號(hào)，它體現(xiàn)了對(duì)被控對(duì)象的調(diào)節(jié)作用。 （工業(yè)過程控制中用符號(hào)MV表示，Mamipulated variable) 參考輸入或給定輸入或希望輸入（參考輸入或給定輸入或希望輸入（Desired Input）：）：是人為給定的系統(tǒng)預(yù)期輸出

18、的希望值。 （工業(yè)過程控制中用符號(hào)SV或SP表示，Set variable、Set point) 擾動(dòng)（擾動(dòng)（Interaction或或disturbance）：）： 干擾和破壞系統(tǒng)預(yù)期性能和輸出的干擾信號(hào)（作用）。由系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的稱為內(nèi)部擾動(dòng)，由系統(tǒng)外部產(chǎn)生的稱為外部擾動(dòng)，且外部擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)而言是一種輸入量。 偏差信號(hào)（偏差信號(hào)（Error signal）：）： 參考輸入與實(shí)際輸出的差稱為偏差信號(hào)，偏差信號(hào)一般作為控制器的輸入信號(hào)。 自動(dòng)自動(dòng)控制原控制原理理 自動(dòng)控制：在無人直接參加的情況下，利用控制裝置使被控對(duì)象和過程自動(dòng)地按預(yù)定規(guī)律變化的控制過程。 自動(dòng)控制系統(tǒng)：是由控制裝置和被控對(duì)象所組

19、成，它們以某種相互依賴的的方式組合成為一個(gè)有機(jī)整體，并對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行自動(dòng)控制。 控制器：對(duì)被控對(duì)象起控制作用裝置的總體. 被控對(duì)象：要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的機(jī)器，設(shè)備或生產(chǎn)過程。 控制器：對(duì)被控對(duì)象起控制作用裝置的總體，稱做控制裝置或控制器。 輸出量：表現(xiàn)于控制對(duì)象或系統(tǒng)輸出端，并要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的物理量。 輸入量：作用于控制對(duì)象或系統(tǒng)輸入端，并可使系統(tǒng)具有預(yù)定功能或預(yù)定輸出的物理量。 擾動(dòng)：所有妨礙控制量對(duì)被控量按要求進(jìn)行正?？刂频囊蛩?，稱為干擾量或擾動(dòng)量。 自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述時(shí)域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分

20、析自動(dòng)控制原理1.2.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)例自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)例 爐溫控制系統(tǒng) 液位控制系統(tǒng) 舵輪隨動(dòng)系統(tǒng) 自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述時(shí)域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動(dòng)控制原理給定電位器電動(dòng)機(jī)UrUaUtT工件燃油爐混合器閥門空氣燃油Q熱電偶爐溫控制系統(tǒng)爐溫控制系統(tǒng)電位器電動(dòng)機(jī)燃油爐與T對(duì)應(yīng)的給定阻值工件溫度等t熱電偶閥門UUa混合器nQ放大器放大器UUt被控對(duì)象被控對(duì)象T:給定溫度給定溫度 t:被控量被控量控制器控制器測(cè)測(cè)量量變變送送裝裝置置 自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述時(shí)域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動(dòng)控制原理液位

21、控制系統(tǒng)液位控制系統(tǒng) 電動(dòng)機(jī) 閥門L2閥門L1 減速器電位器浮子及連桿進(jìn)水量Q1 出水量Q2給定液位H電位器電動(dòng)機(jī)水箱給定阻值Q2h浮子連桿閥門L1Uan1減速器n2Q1被控對(duì)象被控對(duì)象H:給定高度給定高度h:實(shí)際高度實(shí)際高度控制器控制器比較比較裝置裝置干擾干擾 自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述時(shí)域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動(dòng)控制原理舵輪隨動(dòng)系統(tǒng)舵輪隨動(dòng)系統(tǒng) 電位器舵輪UrUc Ua U舵減速器cABr電位器A比較放大干擾力矩n電位器B電動(dòng)機(jī)減速裝置UcUr舵Urc被控對(duì)象被控對(duì)象輸輸入入設(shè)設(shè)定定裝裝置置控制器控制器比較放大裝置比較放大裝置 自控系統(tǒng)的基本

22、概念自控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述時(shí)域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動(dòng)控制原理給定量按事先設(shè)定的規(guī)律而變化 常常稱作伺服系統(tǒng)，它的特征是給定量是變化的，而且其變化規(guī)律是未知的 恒值給定控制系統(tǒng)的特征是給定量一經(jīng)設(shè)定就維持不變系統(tǒng)中所有元件都是線性元件 系統(tǒng)中含有一個(gè)或多個(gè)非線性元件系統(tǒng)中所有的信號(hào)都是連續(xù)時(shí)間變量的函數(shù) 系統(tǒng)中各種參數(shù)及信號(hào)在是以在時(shí)間上是離散的數(shù)碼形式或脈沖序列傳遞的，所以可以采用數(shù)字計(jì)算機(jī)來參與生產(chǎn)過程的控制注意：注意：每個(gè)標(biāo)題按一下顯示內(nèi)容，再按一下結(jié)束顯示自動(dòng)自動(dòng)控制原控制原理理按控制方式分按控制方式分開環(huán)控制開環(huán)控制閉環(huán)控制，反饋控制閉環(huán)控制，反饋控

23、制復(fù)合控制復(fù)合控制按元件類型分按元件類型分機(jī)械系統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)恒張力系統(tǒng)恒張力系統(tǒng)電氣系統(tǒng)電氣系統(tǒng)機(jī)電系統(tǒng)機(jī)電系統(tǒng)全自動(dòng)照相機(jī)，光機(jī)電結(jié)合全自動(dòng)照相機(jī)，光機(jī)電結(jié)合液壓系統(tǒng)液壓系統(tǒng)伺服液壓缸，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)，大型的仿真伺服液壓缸，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)，大型的仿真模擬臺(tái)模擬臺(tái)氣動(dòng)系統(tǒng)氣動(dòng)系統(tǒng)生物系統(tǒng)生物系統(tǒng)自動(dòng)自動(dòng)控制原控制原理理按系統(tǒng)功用分按系統(tǒng)功用分溫度控制系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)壓力控制系統(tǒng)壓力控制系統(tǒng)位置控制系統(tǒng)位置控制系統(tǒng)按系統(tǒng)性能分按系統(tǒng)性能分線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)定常系統(tǒng)定常系統(tǒng)時(shí)變系統(tǒng)時(shí)變系統(tǒng)確定性系統(tǒng)確定性系統(tǒng)不確定性系統(tǒng)不確定性系統(tǒng)自動(dòng)自動(dòng)控制原控制原理理按參據(jù)量變化規(guī)律分

24、按參據(jù)量變化規(guī)律分恒值控制系統(tǒng)恒值控制系統(tǒng)隨動(dòng)系統(tǒng)隨動(dòng)系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng) 如果系統(tǒng)可用微分方程式描述，表示成輸入量與輸出量的如果系統(tǒng)可用微分方程式描述，表示成輸入量與輸出量的微分方程，且微分方程的系數(shù)是常數(shù)，反之，如果微分方微分方程，且微分方程的系數(shù)是常數(shù)，反之，如果微分方程的系數(shù)隨時(shí)間變化，稱為時(shí)變系統(tǒng)程的系數(shù)隨時(shí)間變化，稱為時(shí)變系統(tǒng)。 線性定常系統(tǒng)按其輸入量的變化規(guī)律不同又可分為：恒值線性定常系統(tǒng)按其輸入量的變化規(guī)律不同又可分為：恒值控制系統(tǒng)、隨動(dòng)系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)、隨動(dòng)系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。自動(dòng)自動(dòng)控制原控制原理理 恒值控制系統(tǒng)恒值控制系統(tǒng) 參變量是一個(gè)常值，要求被控量

25、亦等于一參變量是一個(gè)常值，要求被控量亦等于一個(gè)常值。個(gè)常值。 溫度控制系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)恒溫箱（剛出生的早產(chǎn)恒溫箱（剛出生的早產(chǎn)兒要放在保溫箱里，做溫度試驗(yàn)時(shí)）溫度兒要放在保溫箱里，做溫度試驗(yàn)時(shí)）溫度一經(jīng)調(diào)整，被控量就應(yīng)與調(diào)整好的參據(jù)量一經(jīng)調(diào)整，被控量就應(yīng)與調(diào)整好的參據(jù)量保持一致。壓力控制系統(tǒng)、液位控制系統(tǒng)保持一致。壓力控制系統(tǒng)、液位控制系統(tǒng)等。等。自動(dòng)自動(dòng)控制原控制原理理 隨動(dòng)系統(tǒng)隨動(dòng)系統(tǒng) 這類系統(tǒng)的參據(jù)量是預(yù)先未知的隨時(shí)間任這類系統(tǒng)的參據(jù)量是預(yù)先未知的隨時(shí)間任意變化的函數(shù)，要求被控制量以盡可能小意變化的函數(shù)，要求被控制量以盡可能小的誤差跟隨參據(jù)量的變化。在隨動(dòng)系統(tǒng)中，的誤差跟隨參據(jù)量的變化。

26、在隨動(dòng)系統(tǒng)中，擾動(dòng)的影響是次要的，系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)的擾動(dòng)的影響是次要的，系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是研究被控制量跟隨的快速性和準(zhǔn)確重點(diǎn)是研究被控制量跟隨的快速性和準(zhǔn)確性。函數(shù)記錄儀、性。函數(shù)記錄儀、高炮自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)高炮自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)便是便是典型的隨動(dòng)系統(tǒng)的例子。在隨動(dòng)系統(tǒng)中，典型的隨動(dòng)系統(tǒng)的例子。在隨動(dòng)系統(tǒng)中，如果被控制量是機(jī)械位置（角位置）或其如果被控制量是機(jī)械位置（角位置）或其導(dǎo)數(shù)時(shí)，這類系統(tǒng)稱之為伺服系統(tǒng)。導(dǎo)數(shù)時(shí)，這類系統(tǒng)稱之為伺服系統(tǒng)。自動(dòng)自動(dòng)控制原控制原理理 程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng) 這類控制系統(tǒng)的參據(jù)量是按預(yù)定規(guī)律隨時(shí)這類控制系統(tǒng)的參據(jù)量是按預(yù)定規(guī)律隨時(shí)間變化的函數(shù)，要求被控制量迅速、準(zhǔn)確間

27、變化的函數(shù)，要求被控制量迅速、準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)。機(jī)械加工使用的數(shù)字程序控制機(jī)地復(fù)現(xiàn)。機(jī)械加工使用的數(shù)字程序控制機(jī)床便是一例。程序控制系統(tǒng)和隨動(dòng)系統(tǒng)的床便是一例。程序控制系統(tǒng)和隨動(dòng)系統(tǒng)的參據(jù)量都是時(shí)間的函數(shù)，不同之處在于程參據(jù)量都是時(shí)間的函數(shù)，不同之處在于程序控制系統(tǒng)是已知的時(shí)間函數(shù)，隨動(dòng)系統(tǒng)序控制系統(tǒng)是已知的時(shí)間函數(shù)，隨動(dòng)系統(tǒng)是未知的任意的時(shí)間函數(shù)，而恒值控制系是未知的任意的時(shí)間函數(shù)，而恒值控制系統(tǒng)可視為程序控制系統(tǒng)的特例。統(tǒng)可視為程序控制系統(tǒng)的特例。自動(dòng)自動(dòng)控制原控制原理理 隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展利用數(shù)字計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制的系隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展利用數(shù)字計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制的系統(tǒng)越來越多。連續(xù)信號(hào)經(jīng)過開關(guān)的采樣統(tǒng)越來

28、越多。連續(xù)信號(hào)經(jīng)過開關(guān)的采樣（可以（可以轉(zhuǎn)換成）離散系統(tǒng)，離散系統(tǒng)用差分方程描述。轉(zhuǎn)換成）離散系統(tǒng)，離散系統(tǒng)用差分方程描述。工業(yè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)就是典型的離散系統(tǒng)。工業(yè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)就是典型的離散系統(tǒng)。 系統(tǒng)中只要有一個(gè)元部件的輸入輸出特性是非線系統(tǒng)中只要有一個(gè)元部件的輸入輸出特性是非線性，這類系統(tǒng)就稱為非線性控制系統(tǒng)。嚴(yán)格地說，性，這類系統(tǒng)就稱為非線性控制系統(tǒng)。嚴(yán)格地說，實(shí)際物理系統(tǒng)中都含有程度不同的非線性元部件。實(shí)際物理系統(tǒng)中都含有程度不同的非線性元部件。由飽和特性、死區(qū)、間隙和摩擦等產(chǎn)生。非線性由飽和特性、死區(qū)、間隙和摩擦等產(chǎn)生。非線性線性（一定范圍內(nèi)的線性化）線性（一定范圍內(nèi)的線性化）自

29、控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述時(shí)域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制系統(tǒng)的任務(wù)：自動(dòng)控制系統(tǒng)的任務(wù)：被控量和給定值，在任何時(shí)候都相等或保持一個(gè)固定的比例關(guān)系，沒有任何偏差，而且不受干擾的影響 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程，也稱為過渡過程過渡過程，是指系統(tǒng)受到外加信號(hào)(給定值或干擾)作用后，被控量隨時(shí)間變化的全過程反映系統(tǒng)控制性能優(yōu)劣的指標(biāo)，工程上常常從穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確性三個(gè)方面來評(píng)價(jià)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的振蕩傾向和重新恢復(fù)平衡工作狀態(tài)的能力，是評(píng)價(jià)系統(tǒng)能否正常工作的重要性能指標(biāo)控制系統(tǒng)過渡過程的時(shí)間長(zhǎng)控制系統(tǒng)過渡過程的時(shí)間長(zhǎng)短，是評(píng)價(jià)穩(wěn)定系統(tǒng)暫態(tài)

30、性短，是評(píng)價(jià)穩(wěn)定系統(tǒng)暫態(tài)性能的指標(biāo)能的指標(biāo)控制系統(tǒng)過渡過程結(jié)束后，或系統(tǒng)受干擾重新控制系統(tǒng)過渡過程結(jié)束后，或系統(tǒng)受干擾重新恢復(fù)平衡狀態(tài)時(shí)，最終保持的精度，是反映過恢復(fù)平衡狀態(tài)時(shí)，最終保持的精度，是反映過渡過程后期性能的指標(biāo)渡過程后期性能的指標(biāo)自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述時(shí)域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動(dòng)控制原理tc(t)r(t)0(a)tc(t)r(t)0(b)tc(t)r(t)0(c)tc(t)r(t)0(d)自動(dòng)控制原理控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述 自動(dòng)控制原理自動(dòng)自動(dòng)控制原控制原理理第第2章章 自控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述自控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述自控系統(tǒng)的基本

31、概念自控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述時(shí)域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動(dòng)控制原理2.1.1 系統(tǒng)微分方程的建立系統(tǒng)微分方程的建立控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型是指描述系統(tǒng)或元件輸入量、輸出量以及內(nèi)部各變量之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。而把描述各變量動(dòng)態(tài)關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式稱為動(dòng)態(tài)模型。常用的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型有微分方程、傳遞函數(shù)及動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。建立數(shù)學(xué)模型，可以使用解析法和實(shí)驗(yàn)法 解析法建立微分方程的一般步驟是解析法建立微分方程的一般步驟是 自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述時(shí)域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動(dòng)控制原理解析法建立微分方程的一般步驟是 根據(jù)實(shí)際工根據(jù)實(shí)際工

32、作情況，確定系作情況，確定系統(tǒng)和各元件的輸統(tǒng)和各元件的輸入、輸出量；入、輸出量； 標(biāo)準(zhǔn)化工作標(biāo)準(zhǔn)化工作:將與輸入有關(guān)的各項(xiàng)放將與輸入有關(guān)的各項(xiàng)放在等號(hào)的右側(cè)，即將與輸出有關(guān)的各項(xiàng)在等號(hào)的右側(cè)，即將與輸出有關(guān)的各項(xiàng)放在等號(hào)的左側(cè)，并按照降冪排列。放在等號(hào)的左側(cè)，并按照降冪排列。 從輸入端開始，按照信號(hào)的傳遞從輸入端開始，按照信號(hào)的傳遞時(shí)序及方向，根據(jù)各變量所遵循的物理、時(shí)序及方向，根據(jù)各變量所遵循的物理、化學(xué)定律，列寫出變化（運(yùn)動(dòng)）過程中化學(xué)定律，列寫出變化（運(yùn)動(dòng)）過程中的微分方程組；的微分方程組； 消去中間變消去中間變量，得到只包含量，得到只包含輸入、輸出量的輸入、輸出量的微分方程；微分方程；

33、 最后將系數(shù)歸化為具有一定物理最后將系數(shù)歸化為具有一定物理意義的形式。意義的形式。12345自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述時(shí)域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動(dòng)控制原理UrUciRC 試列寫圖示的RC無源網(wǎng)絡(luò)的微分方程 idtCRiUr1idtCUc1根據(jù)電路理論的基爾霍夫定律，列寫方程 其中i為中間變量，Ur為輸入量，Uc為輸出量，消去中間變量得： UrUcdtdUcRC令RC=T（時(shí)間常數(shù)），則有：UrUcdtdUcT RC無源網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型為一階常系數(shù)無源網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型為一階常系數(shù)線性微分方程。線性微分方程。自動(dòng)自動(dòng)控制原控制原理理線性系統(tǒng)滿足疊

34、加原理有兩重含義，即可疊加性和均勻性。線性系統(tǒng)滿足疊加原理有兩重含義，即可疊加性和均勻性。 說明說明)()()()(21220txtyadttdyadttyda 當(dāng)當(dāng)x=x1時(shí)，其解為時(shí)，其解為y1當(dāng)當(dāng)x=x2時(shí)，其解為時(shí)，其解為y2當(dāng)當(dāng)x=x1+x2時(shí)，其解為時(shí)，其解為y=y1+y2。當(dāng)當(dāng)x=Ax1時(shí)，其解為時(shí)，其解為y=Ay1，其中，其中A為常數(shù)為常數(shù)。 1 線性系統(tǒng)重要特性線性系統(tǒng)重要特性疊加原理疊加原理2.1.2 線性系統(tǒng)特性及線性定常微分方線性系統(tǒng)特性及線性定常微分方程求解程求解自動(dòng)自動(dòng)控制原控制原理理從圖中可知，通過Laplace變換，可以將微分方程的解簡(jiǎn)化為復(fù)變域中關(guān)于s的代數(shù)方

35、程，并得到輸出的Laplace變換C(s)后，反變換得到微分方程的時(shí)間域解c(t)。 自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述時(shí)域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動(dòng)控制原理2.1.2 線性微分方程的求解線性微分方程的求解js0)(dtetfst0)()()(dtetftfLsFst為復(fù)變量，其線性積分如果存在，就稱其為函數(shù) f(t) 的拉普拉斯變換（簡(jiǎn)稱拉氏變換），記作并稱 F(s) 為 f(t) 的象函數(shù)或變換函數(shù)，f(t) 稱為 F(s) 的原函數(shù)。有函數(shù)f(t)，t為實(shí)變量幾種典型函數(shù)幾種典型函數(shù)的拉氏變換的拉氏變換)()()()()()(212121sbFsaF

36、tfbLtfaLtbftafL1.線性定理2.微分定理F(t) 及其各階導(dǎo)數(shù)在t-0 時(shí)的值都為零則有)()(sFsdttfdLnnn)(1)(.sFsdttfLnnn 3.積分定理F(t) 及其各重積分在t-0時(shí)的值都為零則有4.位移定理)()(sFetfLs)()(asFtfeLat實(shí)域位移定理 復(fù)域位移定理5.終值定理)()(limlim0ssFtfst函數(shù)名稱時(shí)間曲線數(shù)學(xué)表達(dá)式拉氏變換階躍函數(shù)F(s)=1/s斜坡函數(shù)F(s)=1/s2加速函數(shù)F(s)=1/s3指數(shù)函數(shù)F(s)=1/(s-a)正、余弦函數(shù)F(s)=/(s2-2)F(s)=s/(s2-2)0001)( 1)(ttttf0f

37、(t)t10f(t)t000)(ttttf000)(221ttttf000)(ttetfat000sin)(ttttf000cos)(ttttf0f(t)t0f(t)t0f(t)t1正弦余弦自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述時(shí)域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動(dòng)控制原理Atf)(sAtALtALsF)( 1 )( 1)( ttf)(2)( 1)()(settLsFstetftsin)(22)(sin)(steLsFt已知已知，求，求F(s)。這里。這里A是常數(shù)。是常數(shù)。解：因?yàn)榻猓阂驗(yàn)锳是常數(shù)，所以是常數(shù)，所以，根據(jù)線性定理則有，根據(jù)線性定理則有已知已知，求，求F

38、(s)。解：根據(jù)實(shí)域位移定理則有解：根據(jù)實(shí)域位移定理則有例二例二自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述時(shí)域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動(dòng)控制原理拉拉氏氏反反變變換換拉氏變換的逆運(yùn)算 jjstdsesFjsFLtf)(21)()(1稱為拉氏反變換，該式是拉氏反變換的數(shù)學(xué)定義，而在實(shí)際應(yīng)用中常常采用的方法是：1. 先將先將F(s)分解為一些簡(jiǎn)單的有理分式函數(shù)之和，這分解為一些簡(jiǎn)單的有理分式函數(shù)之和，這些函數(shù)基本上都是前面介紹過的典型函數(shù)形式；些函數(shù)基本上都是前面介紹過的典型函數(shù)形式；2. 然后由拉氏變換求出其反變換函數(shù)，即原函數(shù)然后由拉氏變換求出其反變換函數(shù)，即原函數(shù)

39、f(t)。nnnnmmmmasasasbsbsbsbsAsBsF1111110.)()()(設(shè)F(s)的一般表達(dá)式為(通常都是s的有理分式函數(shù))式中的a1、a2. an以及b1、b2. bm為實(shí)數(shù)，m、n為正數(shù)，且mn。根據(jù)上式分母的根，分為以下兩種情況來討論自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述時(shí)域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動(dòng)控制原理A(s)=0有重根有重根自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述時(shí)域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動(dòng)控制原理用拉氏變換求解系統(tǒng)微分方程或方程組的步驟如下：用拉氏變換求解系統(tǒng)微分方程或方程組的步驟如下：自控

40、系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述時(shí)域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動(dòng)控制原理345)(2ssssF13) 1)(3(5)(21sCsCssssF115)() 3(limlim331sssFsCss235)() 1(limlim112sssFsCss已知：，求其拉氏反變換。接下來是確定兩個(gè)待定系數(shù)確定兩個(gè)待定系數(shù)，解：將將F(s)進(jìn)行因式分解后得到進(jìn)行因式分解后得到1231) 1)(3(5)(ssssssFtteetf32)(這時(shí)有將上式進(jìn)行拉氏反變換拉氏反變換得到自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述時(shí)域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動(dòng)

41、控制原理)3() 1(2)(2sssssF)(tf31) 1()(43122sCsCsCsCsF32)3() 1(2)(2003limlimssssFsCss121) 1(2)()3(2334limlimssssFsCss21)3(2)() 1(limlim111212ssssFsCss43)3(2)() 1(limlim111211sssdsdsFsdsdCss311211321143) 1(121)(2sssssFttteetetf3121324321)( 已知：，求原函數(shù)解：將F(s)進(jìn)行因式分解進(jìn)行因式分解后得到將所求得的系數(shù)代入F(s)中這時(shí)將上式進(jìn)行反拉氏變換得到自控系統(tǒng)的基本概念

42、自控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述時(shí)域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動(dòng)控制原理)(2222txdtdxdtxdccc12)(2)(2cccXssXsXs1) 1(1221)(22ssssXctesXLtxtccsin)()(1已知系統(tǒng)微分方程為Xc在t=0時(shí)刻的各階導(dǎo)數(shù)均為零。求系統(tǒng)的輸出Xc(t)。解：對(duì)該系統(tǒng)的微分方程進(jìn)行拉氏變換得到輸出量的拉氏變換表達(dá)式為所以使用復(fù)域位移定理求出系統(tǒng)的輸出為自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述時(shí)域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動(dòng)控制原理傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)：線性定常系統(tǒng)在零初始條件下，系統(tǒng)輸出量的拉氏變換與輸入量

43、的拉氏變換之比。 G(s)C（S）R（S）傳遞函數(shù)的方框圖左圖所示的是)22)(3()2)(1()(2ssssssG的零、極點(diǎn)分布圖。 自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述時(shí)域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動(dòng)控制原理2.2.1 關(guān)于傳遞函數(shù)的幾點(diǎn)說明關(guān)于傳遞函數(shù)的幾點(diǎn)說明自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述時(shí)域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動(dòng)控制原理比比例例環(huán)環(huán)節(jié)節(jié)的的傳傳遞遞函函數(shù)數(shù)r(t)c(t)t01C(t)r(t)自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述時(shí)域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動(dòng)控制原理慣慣

44、性性環(huán)環(huán)節(jié)節(jié)的的傳傳遞遞函函數(shù)數(shù)2C(t)r(t)自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述時(shí)域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動(dòng)控制原理積積分分環(huán)環(huán)節(jié)節(jié)的的傳傳遞遞函函數(shù)數(shù)3 自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述時(shí)域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動(dòng)控制原理微微分分環(huán)環(huán)節(jié)節(jié)的的傳傳遞遞函函數(shù)數(shù)4tKdttdKtut)()()()(ssKsUtsKssUsGt)()()(輸入量取角度時(shí)的傳遞函數(shù)即為微分環(huán)節(jié)。表示電機(jī)單位角速度的輸出電壓。則測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出電壓與輸入角速度之間的關(guān)系為進(jìn)行拉氏變換得到那么該元件的傳遞函數(shù)為自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)

45、的數(shù)學(xué)描述時(shí)域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動(dòng)控制原理微微分分環(huán)環(huán)節(jié)節(jié)的的傳傳遞遞函函數(shù)數(shù)5)()()()()()()(1)()()(112212111RtiRtitutititidttiCRtiRtitucrRRRK21()2121RRCRRT)() 1()(sUTsKsUrc) 1()()()(TsKsUsUsGrc自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述時(shí)域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動(dòng)控制原理振振蕩蕩環(huán)環(huán)節(jié)節(jié)的的傳傳遞遞函函數(shù)數(shù)6自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述時(shí)域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自

46、動(dòng)控制原理延延遲遲環(huán)環(huán)節(jié)節(jié)的的傳傳遞遞函函數(shù)數(shù)7自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述時(shí)域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動(dòng)控制原理2.3.1 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖是數(shù)學(xué)模型的圖解化，它描述了組成系統(tǒng)的各元部件的特性及相互之間信號(hào)傳遞的關(guān)系，表達(dá)了系統(tǒng)中各變量所進(jìn)行的運(yùn)算。是控制理論中描述復(fù)雜系統(tǒng)的一種簡(jiǎn)便方法，它適用于線性和非線性系統(tǒng)。 動(dòng)動(dòng)態(tài)態(tài)結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)圖圖的的組組成成 1）信號(hào)線帶有表示信號(hào)傳遞方向箭頭的直線。一般在線上寫明該信號(hào)的拉氏變換表達(dá)式。2）綜合點(diǎn)3）引出點(diǎn)4）方 框在信號(hào)線上的“”，表示信號(hào)引出的位置。方框中為元部件或系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，方框的輸出量等于方

47、框內(nèi)的傳遞函數(shù)與輸入量的乘積。它完成兩個(gè)以上信號(hào)的加減運(yùn)算，以O(shè) 表示。如果輸入的信號(hào)帶“”號(hào)，就執(zhí)行加法；帶“”號(hào)就執(zhí)行減法。自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述時(shí)域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動(dòng)控制原理自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述時(shí)域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動(dòng)控制原理動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖建立步驟是 建立系統(tǒng)各元部件的微分建立系統(tǒng)各元部件的微分方程。要注意，必須先明確系方程。要注意，必須先明確系統(tǒng)的輸入量和輸出量，還要考統(tǒng)的輸入量和輸出量，還要考慮相鄰元件間的負(fù)載效應(yīng)。慮相鄰元件間的負(fù)載效應(yīng)。 按照系統(tǒng)中各變量傳遞順按照系統(tǒng)中

48、各變量傳遞順序，依次連接序，依次連接3）中得到的結(jié)）中得到的結(jié)構(gòu)圖，系統(tǒng)的輸入量放在左端，構(gòu)圖，系統(tǒng)的輸入量放在左端，輸出量放在右端，即可得到系輸出量放在右端，即可得到系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。 將得到的系統(tǒng)將得到的系統(tǒng)微分方程組進(jìn)行拉微分方程組進(jìn)行拉氏變換。氏變換。 按照各元部件的輸按照各元部件的輸入、輸出，對(duì)各方程進(jìn)入、輸出，對(duì)各方程進(jìn)行一定的變換，并據(jù)此行一定的變換，并據(jù)此繪出各元部件的動(dòng)態(tài)結(jié)繪出各元部件的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。構(gòu)圖。1234自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述時(shí)域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動(dòng)控制原理自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述時(shí)域

49、分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動(dòng)控制原理CR2R1U1U2I1I2IR2U2(S)步驟一 列寫方程組步驟二 畫出對(duì)應(yīng)方程的部分結(jié)構(gòu)圖1R1U2(S)U1(S)_U (S)CS步驟三 依次連接得到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述時(shí)域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動(dòng)控制原理C (s)R(s)2.3.2 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的化簡(jiǎn)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的化簡(jiǎn) 結(jié)構(gòu)圖的等效變換的原結(jié)構(gòu)圖的等效變換的原則則：變換前后輸入輸出之間的傳遞函數(shù)保持不變。 G1(s)G2(s).G3(s)R(s)C (s)R(s)G1(s)G2(s) C (s)Gn(s).并

50、聯(lián)：并聯(lián)：G1(s)G2(s).Gn(s)R(s)C (s)R(s)G2(s)G1(s)C (s)Gn(s).自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述時(shí)域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動(dòng)控制原理1.綜合點(diǎn)前移：綜合點(diǎn)前移：2.綜合點(diǎn)后移：綜合點(diǎn)后移：3.綜合點(diǎn)之間移動(dòng)：綜合點(diǎn)之間移動(dòng)：結(jié)構(gòu)圖中綜合點(diǎn)的移動(dòng)方法結(jié)構(gòu)圖中綜合點(diǎn)的移動(dòng)方法自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述時(shí)域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動(dòng)控制原理1.引出點(diǎn)前移：引出點(diǎn)前移：2.引出點(diǎn)后移：引出點(diǎn)后移：3.引出點(diǎn)之間移動(dòng)：引出點(diǎn)之間移動(dòng)：結(jié)構(gòu)圖中引出點(diǎn)的移動(dòng)方法結(jié)構(gòu)圖中引出點(diǎn)

51、的移動(dòng)方法G1(s)G2(s)R(s)C(s)G1(s)G2(s)C(s) R(s)等效方塊圖等效方塊圖原方塊圖原方塊圖等效運(yùn)算關(guān)系等效運(yùn)算關(guān)系)()()()(21sGsGsRsC 串聯(lián)等效串聯(lián)等效G1(s) G2(s)C(s) R(s)并聯(lián)等效并聯(lián)等效)()()()(21sGsGsRsC G1(s)G2(s)R(s)C(s)C(s)R(s)()(1)(211sGsGsG反饋等效反饋等效)()(1)()()(211sGsGsGsRsC G1(s)G2(s)R(s)C(s)等效單位反饋等效單位反饋-G1(s)G2(s)R(s)C(s)-G1(s)G2(s)R(s)C(s)1/G2(s)()(1)

52、()()(1)()(21212sGsGsGsGsGsRsC 結(jié)構(gòu)圖化簡(jiǎn)規(guī)則結(jié)構(gòu)圖化簡(jiǎn)規(guī)則結(jié)構(gòu)圖化簡(jiǎn)規(guī)則結(jié)構(gòu)圖化簡(jiǎn)規(guī)則（續(xù)表）（續(xù)表）等效方塊圖等效方塊圖原方塊圖原方塊圖等效運(yùn)算關(guān)系等效運(yùn)算關(guān)系比較點(diǎn)后移比較點(diǎn)后移G(s)R(s)C(s)Q(s)G(s)G(s)R(s)C(s)Q(s)()()()()()()()(sGsQsGsRsGsQsRsC G(s)R(s)C(s)Q(s)G(s)1/G(s)R(s)C(s)Q(s)比較點(diǎn)前移比較點(diǎn)前移)()()()()()()()(sGsGsQsRsQsGsRsC G(s)R(s)C(s)C(s)G(s)R(s)C(s)C(s)G(s)引出點(diǎn)前移引出點(diǎn)前

53、移)()()(sGsRsC G(s)R(s)C(s)R(s)G(s)R(s)C(s)R(s)1/G(s)引出點(diǎn)后移引出點(diǎn)后移)()()(sGsRsC )(1)()()(sGsGsRsR 結(jié)構(gòu)圖化簡(jiǎn)規(guī)則結(jié)構(gòu)圖化簡(jiǎn)規(guī)則（續(xù)表）（續(xù)表）等效方塊圖等效方塊圖原方塊圖原方塊圖等效運(yùn)算關(guān)系等效運(yùn)算關(guān)系R1(s)C(s)R2(s)R3(s)E(s)R1(s)C(s)R2(s)R3(s)E(s)C(s)R2(s)R1(s)R3(s)變換或合并比較點(diǎn)變換或合并比較點(diǎn))()()(31sRsEsC )()()(321sRsRsR R1(s)C(s)R2(s)-C(s)R1(s)C(s)R2(s)-C(s)-R2(s

54、)交換比較點(diǎn)或引出點(diǎn)交換比較點(diǎn)或引出點(diǎn)（一般不采用）（一般不采用）)()()(21sRsRsC -G (s)H(s)R(s)C(s)E(s)+G(s)-H(s)R(s)C(s)E(s)負(fù)號(hào)在支路上移動(dòng)負(fù)號(hào)在支路上移動(dòng))()()()(sCsHsRsE )()()(sCsHsR 自控系統(tǒng)的基本概念自控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述時(shí)域分析法根軌跡分析法頻域分析法控制系統(tǒng)的校正非線性系統(tǒng)的分析自動(dòng)控制原理)()()(sRsCs G1(s)G2(s)G4(s)G3(s)H2(s)R(s)C (s)H3(s)H1(s)1串聯(lián)化簡(jiǎn)串聯(lián)化簡(jiǎn)用結(jié)構(gòu)圖的等效變換，求圖所示系統(tǒng)的傳遞函數(shù)解：這是一個(gè)無交叉多回路系統(tǒng)，可以應(yīng)用串聯(lián)

55、和反饋連接的等效變換公式進(jìn)行化簡(jiǎn)。本題的簡(jiǎn)化過程演示如下：G3(s)G4(s)2負(fù)反饋化簡(jiǎn)負(fù)反饋化簡(jiǎn)G3(s)G4(s)1+ G3(s)G4(s) H3(s)3串聯(lián)化簡(jiǎn)串聯(lián)化簡(jiǎn)G2(s)G3(s)G4(s)1+ G3(s)G4(s) H3(s)G2(s)G3(s)G4(s)1+ G3(s)G4(s) H3(s)+G2(s)G3(s)G4(s) H2(s)G1(s)G2(s)G3(s)G4(s)1+ G3(s)G4(s) H3(s)+G2(s)G3(s)G4(s) H2(s)G1(s)G2(s)G3(s)G4(s)1+ G3(s)G4(s) H3(s)+G2(s)G3(s)G4(s) H2(s)

56、+G1(s)G2(s)G3(s)G4(s) H1(s)自動(dòng)自動(dòng)控制原控制原理理自動(dòng)自動(dòng)控制原控制原理理2.3.3 信號(hào)流圖信號(hào)流圖信號(hào)流圖是一種表示一組線性代數(shù)方程的圖信號(hào)流圖是一種表示一組線性代數(shù)方程的圖示方法。像結(jié)構(gòu)圖一樣，它也是一種描述系示方法。像結(jié)構(gòu)圖一樣，它也是一種描述系統(tǒng)內(nèi)部信號(hào)傳遞關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。信號(hào)流圖統(tǒng)內(nèi)部信號(hào)傳遞關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。信號(hào)流圖比結(jié)構(gòu)圖更簡(jiǎn)便明了，不用進(jìn)行化簡(jiǎn)，就可比結(jié)構(gòu)圖更簡(jiǎn)便明了，不用進(jìn)行化簡(jiǎn)，就可利用梅遜（利用梅遜（Mason)公式求出任意兩點(diǎn)之間的公式求出任意兩點(diǎn)之間的傳遞函數(shù)，但它與結(jié)構(gòu)圖不同的是只能用來傳遞函數(shù)，但它與結(jié)構(gòu)圖不同的是只能用來描述線性系統(tǒng)。

57、描述線性系統(tǒng)。 xay節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)：以小圓圈表示，代表方程式中的變量。：以小圓圈表示，代表方程式中的變量。支路支路：兩節(jié)點(diǎn)之間的定向線段，兩節(jié)點(diǎn)之間的定向線段， 支路增益表示方程中兩個(gè)變量的因果關(guān)系。相當(dāng)支路增益表示方程中兩個(gè)變量的因果關(guān)系。相當(dāng)于乘法器。于乘法器。1.由節(jié)點(diǎn)和支路組成的信號(hào)傳遞網(wǎng)絡(luò)圖由節(jié)點(diǎn)和支路組成的信號(hào)傳遞網(wǎng)絡(luò)圖y=axx2x1x3x4x51abcefdgx5信號(hào)流圖信號(hào)流圖的組成及術(shù)語的組成及術(shù)語 2 常用術(shù)語常用術(shù)語源節(jié)點(diǎn)源節(jié)點(diǎn) (輸入節(jié)點(diǎn)輸入節(jié)點(diǎn) source nodes)：只有輸出支路，沒有輸入支路的節(jié)點(diǎn)：只有輸出支路，沒有輸入支路的節(jié)點(diǎn) 一般表示系統(tǒng)的輸入變量，故也叫

58、輸入節(jié)點(diǎn)。一般表示系統(tǒng)的輸入變量，故也叫輸入節(jié)點(diǎn)。阱節(jié)點(diǎn)阱節(jié)點(diǎn) (輸出節(jié)點(diǎn)輸出節(jié)點(diǎn) sink nodes)：只有輸入支路，沒有輸出支路的節(jié)點(diǎn)，：只有輸入支路，沒有輸出支路的節(jié)點(diǎn)， 一般表示系統(tǒng)的輸出變量，故也叫輸出節(jié)點(diǎn)。一般表示系統(tǒng)的輸出變量，故也叫輸出節(jié)點(diǎn)?；旌瞎?jié)點(diǎn)混合節(jié)點(diǎn) (mixed nodes)：既有輸入支路，又有輸出支路的節(jié)點(diǎn)。：既有輸入支路，又有輸出支路的節(jié)點(diǎn)。 混合節(jié)點(diǎn)上引出具有單位增益的支路，混合節(jié)點(diǎn)混合節(jié)點(diǎn)上引出具有單位增益的支路，混合節(jié)點(diǎn)輸出節(jié)點(diǎn)。輸出節(jié)點(diǎn)。前向通路前向通路 (forward paths)：輸入節(jié)點(diǎn)：輸入節(jié)點(diǎn)輸出節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只通過一輸出節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只通過

59、一 次的通路。次的通路。x2x1x3x4x51abcefdgx5總增益總增益：前向通路上各支路增益的乘積，一般用：前向通路上各支路增益的乘積，一般用pk表示。表示。回路回路（loop）：起點(diǎn)和終點(diǎn)在同一個(gè)節(jié)點(diǎn)，且信號(hào)通過每一）：起點(diǎn)和終點(diǎn)在同一個(gè)節(jié)點(diǎn)，且信號(hào)通過每一 節(jié)點(diǎn)不多于一次的閉合通路稱為單獨(dú)回路，簡(jiǎn)稱回路。節(jié)點(diǎn)不多于一次的閉合通路稱為單獨(dú)回路，簡(jiǎn)稱回路。回路增益回路增益：回路中所有支路增益的乘積，一般用：回路中所有支路增益的乘積，一般用La表示。表示。不接觸回路不接觸回路（nontouching loops）：回路之間沒有公共節(jié)點(diǎn)）：回路之間沒有公共節(jié)點(diǎn) 的回路。的回路。x2x1x3x

60、4x51abcefdgx5 1 1）節(jié)點(diǎn)表示變量，一般從左向右順序設(shè)置。）節(jié)點(diǎn)表示變量，一般從左向右順序設(shè)置。 變量等于所有流向該節(jié)點(diǎn)的信號(hào)的代數(shù)和，從節(jié)點(diǎn)流向各支路的信號(hào)變量等于所有流向該節(jié)點(diǎn)的信號(hào)的代數(shù)和，從節(jié)點(diǎn)流向各支路的信號(hào) 均用該節(jié)點(diǎn)的變量表示。均用該節(jié)點(diǎn)的變量表示。2 2）支路相當(dāng)于乘法器，信號(hào)流經(jīng)支路時(shí)，乘以支路增益得到另一信號(hào)。）支路相當(dāng)于乘法器，信號(hào)流經(jīng)支路時(shí)，乘以支路增益得到另一信號(hào)。3 3）信號(hào)在支路上按箭頭方向單向傳遞，即只有前因后果的因果關(guān)系。）信號(hào)在支路上按箭頭方向單向傳遞，即只有前因后果的因果關(guān)系。4 4）對(duì)給定系統(tǒng)，節(jié)點(diǎn)變量的設(shè)置是任意的，所以信號(hào)流圖不唯一。）