自控-第一章課件

自動控制原理曹萃文副教授

Tel:64252576(O)Email:caocuiwen@辦公地點:實驗15樓212課程介紹主要參考書:《自動控制理論》（第3版）“十一五”國家規(guī)劃教材夏德鈐,翁貽方機械工業(yè)出版社，2007年6月出版其它參考書:1、《自動控制原理簡明教程》，胡壽松主編，科學(xué)出版社，2003；

2、《自動控制原理》田玉平主編，科學(xué)出版社，2006；

3、《自動控制原理知識要點與習(xí)題解析》，王曉陵主編，哈爾濱工程大學(xué)出版社，2006；

4、《自動控制原理學(xué)習(xí)輔導(dǎo)》，姚佩陽主編，清華大學(xué)出版社、北京交通大學(xué)出版社，2005；

5、《MATLAB基礎(chǔ)與應(yīng)用簡明教程》，張平等，北京航空航天大學(xué)出版社，2001。課程介紹前續(xù)課程：

微積分(含微分方程)、復(fù)變函數(shù)(含拉普拉斯變換)、線性代數(shù)、矩陣論等；

理論力學(xué)、材料力學(xué)、電工電子、電機學(xué)等。周數(shù)：1~18學(xué)時：64

學(xué)分：4答疑：每周最后一次課后作業(yè)：每周一課后交(準(zhǔn)備兩個作業(yè)本)考核：平時出勤、作業(yè)(實驗)、期中閉卷、期末閉卷課程的性質(zhì)和特點《自動控制原理》課程，從方法論的角度來研究工程技術(shù)領(lǐng)域的各種系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立、系統(tǒng)的分析與設(shè)計。實際系統(tǒng)物理模型數(shù)學(xué)模型方法(系統(tǒng)組成、分析、設(shè)計)自動控制理論已經(jīng)發(fā)展為理論嚴密、系統(tǒng)完整、邏輯性很強的一門學(xué)科——控制論。控制論包括：工程控制論、生物控制論和經(jīng)濟控制論等。課程的主要內(nèi)容和特點主要內(nèi)容：

自動控制的一般概念、物理系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、控制系統(tǒng)的一般分析方法、系統(tǒng)的設(shè)計或校正以及線性離散系統(tǒng)的初步知識。

主要的學(xué)習(xí)目的和任務(wù)：掌握關(guān)于自動控制系統(tǒng)的基本概念、基本理論和基本方法；掌握各類控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型建立、系統(tǒng)分析和綜合方法以及線性離散系統(tǒng)的分析和研究方法。第一章緒論2自動控制的應(yīng)用及發(fā)展31自動控制系統(tǒng)的構(gòu)成2自動控制的基本原理33自動控制系統(tǒng)的分類4控制系統(tǒng)的性能和典型測試信號35本章小結(jié)61.1

應(yīng)用波音787、2007年7月8日在美國西雅圖首次亮相飛機自動駕駛儀1.1

應(yīng)用奮進號航天飛機2007年8月9日升空1.1

應(yīng)用1.1

應(yīng)用1.1

應(yīng)用1.2

起源及發(fā)展起源：工業(yè)革命的到來，為自動化的發(fā)展帶來了巨大的動力。1788年，為了解決工業(yè)生產(chǎn)中蒸汽機的速度控制問題，瓦特在1769年發(fā)明的蒸汽機上安裝了一個飛球調(diào)節(jié)器左圖為18世紀末英國的一個采煤場的場景瓦特的飛球調(diào)節(jié)器當(dāng)蒸汽機的負載減輕、蒸汽溫度升高等原因?qū)е抡羝麢C轉(zhuǎn)速升高，汽閥關(guān)；反之，汽閥開。蒸汽機速度可以穩(wěn)定在設(shè)定值上但是，有時為了提高調(diào)速精度，蒸汽機速度反而出現(xiàn)大幅度振蕩，其后相繼出現(xiàn)的其它自動控制系統(tǒng)也有類似現(xiàn)象。不能從理論上解釋。1.2

起源及發(fā)展上世紀五六十年代1868現(xiàn)代1788瓦特的飛球調(diào)節(jié)器誕生英國的麥克斯韋爾(J.C.Maxwell)發(fā)表“論調(diào)速器”論文，第一次指出不應(yīng)該單獨討論一個離心錘，必須從整個控制系統(tǒng)出發(fā)推導(dǎo)出微分方程，然后討論微分方程解的穩(wěn)定性，從而分析實際控制系統(tǒng)是否會出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象1、經(jīng)典控制理論形成：以傳遞函數(shù)為理論基礎(chǔ)，主要研究SISO線性時不變系統(tǒng)的分析與設(shè)計；2、現(xiàn)代控制理論產(chǎn)生：采用狀態(tài)空間描述系統(tǒng)，主要研究MIMO及變參數(shù)系統(tǒng)的分析與設(shè)計自適應(yīng)控制、優(yōu)化控制、不確定系統(tǒng)的魯棒控制、大系統(tǒng)控制、非線性控制、智能控制等第一章緒論2自動控制的應(yīng)用及發(fā)展31自動控制系統(tǒng)的構(gòu)成2自動控制的基本原理33自動控制系統(tǒng)的分類4控制系統(tǒng)的性能和典型測試信號35本章小結(jié)62.1

水箱水位控制

例1

人工控制與自動控制：水箱水位控制問題控制對象：水箱系統(tǒng)被控量：水箱水位控制要求：實際水位=希望值人工控制系統(tǒng)人的作用：測量、比較和決策、執(zhí)行閉環(huán)控制（反饋控制）眼手腦2.1

水箱水位控制

自動控制給定控制器水位測量與變送執(zhí)行器自動控制系統(tǒng)代替人完成前面的功能:測量、比較、放大、執(zhí)行機構(gòu)和被控對象閉環(huán)負反饋2.2

電加熱爐溫度控制

例2

人工控制與自動控制：電加熱爐溫控制問題控制對象：電加熱爐被控量：爐溫控制要求：實際爐溫=希望值人的作用：測量、比較和決策、執(zhí)行2.2

電加熱爐溫度控制

自動控制系統(tǒng)組成:給定元件、測量元件、比較元件、放大元件、執(zhí)行元件、校正元件、能源元件和被控對象2.3

控制系統(tǒng)方框圖方框圖可以清晰、簡潔地表示一個控制系統(tǒng)中信號的流向，還可以表示出系統(tǒng)中各部分的連接關(guān)系。一般有四個基本單元組成：（1）信號線，以箭頭表明信號傳遞方向；（2）引出點（或測量點）；（3）比較點（或信號綜合點）表示對信號進行疊加；（4）方框（或環(huán)節(jié)）表示對信號進行變換，方框中寫入元部件或系統(tǒng)的名稱（或傳遞函數(shù)→結(jié)構(gòu)圖）輸入量輸出量干擾控制裝置被控對象水箱水位控制系統(tǒng)方框圖

水箱水位自動控制給定控制器水位測量變送執(zhí)行器輸出控制器執(zhí)行器水箱系統(tǒng)傳感器(測量、變送)給定擾動電加熱爐控制系統(tǒng)方框圖調(diào)壓器放大器執(zhí)行電機減速器給定元件電爐測量元件（熱電偶）給定T0U1U2U實際爐溫T第一章緒論2自動控制的應(yīng)用及發(fā)展31自動控制系統(tǒng)的構(gòu)成2自動控制的基本原理33自動控制系統(tǒng)的分類4控制系統(tǒng)的性能和典型測試信號35本章小結(jié)63

自動控制的基本原理

自動控制：在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備(裝置)，使機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程的某個工作狀態(tài)(參數(shù))自動按預(yù)定的規(guī)律運行。具有自動控制功能的系統(tǒng)稱之為自動控制系統(tǒng)。一、開環(huán)控制

特點：控制裝置與被控對象之間只有順序作用，無反向聯(lián)系輸入量干擾控制裝置被控對象輸出量3

自動控制的基本原理

二、閉環(huán)控制（反饋控制）反饋：將輸出量通過一定的方式送回到輸入端，并與輸入信號比較產(chǎn)生偏差信號的過程稱為反饋負反饋：輸入信號反饋信號（偏差控制），目的：偏差減?。ㄕ答仯狠斎胄盘?反饋信號）

輸入量輸出量干擾控制裝置被控對象3

自動控制的基本原理

三、復(fù)合控制：開環(huán)控制+閉環(huán)控制輸入量輸出量干擾控制裝置被控對象前饋補償輸入量輸出量控制裝置被控對象前饋補償3

自動控制的基本原理

四、其它控制過程控制、預(yù)測控制、自適應(yīng)控制、分布參數(shù)控制、最優(yōu)控制、智能控制等第一章緒論2自動控制的應(yīng)用及發(fā)展31自動控制系統(tǒng)的構(gòu)成2自動控制的基本原理33自動控制系統(tǒng)的分類4控制系統(tǒng)的性能和典型測試信號35本章小結(jié)64

自動控制系統(tǒng)的分類

分類方法按控制方式：開環(huán)控制、閉環(huán)控制、復(fù)合控制等按元件類型：機械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、機電系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、生物系統(tǒng)等按系統(tǒng)功能：溫度、壓力、位置、流量等按輸入信號變化規(guī)律：恒值、隨動、程序控制按系統(tǒng)性能：線性與非線性、連續(xù)與離散、定常與時變按輸入信號變化規(guī)律的分類

按輸入信號變化規(guī)律：恒值、隨動、程序控制（1）恒值控制系統(tǒng)：輸入信號是常量，要求被控量在存在擾動的情況下，使被控量保持在一個給定的期望值上。（2）隨動系統(tǒng)：輸入信號是預(yù)先未知的隨時間任意變化的函數(shù)，要求被控量以盡可能小的誤差跟隨參考輸入量變化。主要矛盾為克服系統(tǒng)的慣性、抗干擾。（3）程序控制系統(tǒng)：參考輸入是按預(yù)定規(guī)律隨時間變化的函數(shù)，要求被控量迅速、準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)。按系統(tǒng)性能分類（1）

如果一個系統(tǒng)具有下列性質(zhì)：（1）輸入u1(t)產(chǎn)生輸出y1(t)；（2）輸入u2(t)產(chǎn)生輸出y2(t)；（3）輸入c1u1(t)+c2u2(t)產(chǎn)生輸出c1y1(t)+c2y2(t)；

其中，u1(t)

、u2(t)是任意的輸入信號，c1、c2是任意的常數(shù)，則該系統(tǒng)是線性系統(tǒng)，否則是非線性系統(tǒng)。從上面的敘述可以看出，“線性”性和“疊加原理”是等價的。

按系統(tǒng)輸出對輸入的響應(yīng)特性：線性、非線性疊加原理：在線性系統(tǒng)中，由n個輸入ui(t)(i=1,2,…,n）共同產(chǎn)生的輸出y(t)，等于各個輸入ui(t)單獨產(chǎn)生的輸出之yi(t)和，即：

線性系統(tǒng)滿足疊加原理。反之，滿足疊加原理的系統(tǒng)是線性系統(tǒng)。

從數(shù)學(xué)模型看：可用線性方程（線性微分、線性差分或線性代數(shù)方程）描述的系統(tǒng)為線性系統(tǒng)；而用非線性方程描述的系統(tǒng)為非線性系統(tǒng)。按系統(tǒng)性能分類（2）按系統(tǒng)參數(shù)是否隨時間變化：定常、時變?nèi)绻刂葡到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)、參數(shù)在系統(tǒng)運行過程中不隨時間變化，則稱為定常系統(tǒng)或者時不變系統(tǒng)；否則，稱為時變系統(tǒng)。若系統(tǒng)由微分方程表示，則可由微分方程系數(shù)判定按系統(tǒng)性能分類（3）

按系統(tǒng)參數(shù)信號的形式分類：連續(xù)、離散

按照系統(tǒng)中的參數(shù)信號隨時間變量取值的連續(xù)性與離散性，可將信號分為連續(xù)時間信號與離散時間信號，簡稱為連續(xù)信號與離散信號。

離散時間信號的幅值可以是連續(xù)的，也可以是離散的。若離散信號的幅值是連續(xù)的，則又可稱為采樣信號。如果離散信號的幅值也被限定為某些離散值，即信號取值時間和幅值都是離散的，則又稱為數(shù)字信號。

若系統(tǒng)中所有信號都是連續(xù)信號，則稱為連續(xù)時間系統(tǒng)，簡稱為連續(xù)系統(tǒng)。如果系統(tǒng)中有一處或幾處的信號是離散信號，則稱為離散時間系統(tǒng)，簡稱為離散系統(tǒng)。

第一章緒論2自動控制的應(yīng)用及發(fā)展31自動控制系統(tǒng)的構(gòu)成2自動控制的基本原理33自動控制系統(tǒng)的分類4控制系統(tǒng)的性能和典型測試信號35本章小結(jié)65.1

控制系統(tǒng)的性能要求穩(wěn)定性

穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)最基本的性質(zhì)。所謂穩(wěn)定性是指控制系統(tǒng)偏離平衡狀態(tài)后，自動恢復(fù)到平衡狀態(tài)的能力。當(dāng)系統(tǒng)受到擾動后，其狀態(tài)偏離了平衡狀態(tài)，在隨后所有時間內(nèi)，如果系統(tǒng)的輸出響應(yīng)能夠最終回到原先的平衡狀態(tài)，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的；反之，如果系統(tǒng)的輸出響應(yīng)逐漸增加趨于無窮，或者進入振蕩狀態(tài)，則系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。線性控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性由系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)與參數(shù)所決定的，與外部條件無關(guān)。判別系統(tǒng)是否穩(wěn)定的問題，稱為絕對穩(wěn)定性分析。事實上，對于穩(wěn)定或者不穩(wěn)定的系統(tǒng)，還需要進一步分析系統(tǒng)穩(wěn)定或者不穩(wěn)定的程度，稱為相對穩(wěn)定性分析。

5.1

控制系統(tǒng)的性能要求暫態(tài)性能

對于穩(wěn)定的系統(tǒng)，雖然理論上能夠到達平衡狀態(tài)，但還要求能夠快速到達，而且，在調(diào)節(jié)過程中，要求系統(tǒng)輸出超過給定的穩(wěn)態(tài)值的最大偏差，即所謂的超調(diào)量不要太大，要求調(diào)節(jié)的時間比較短。這些性能稱為暫態(tài)性能。穩(wěn)態(tài)性能

系統(tǒng)給定值與系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)輸出的誤差稱為穩(wěn)態(tài)誤差。系統(tǒng)的暫態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能常常是矛盾的。由于控制統(tǒng)的功能要求不同，所