第一章自動(dòng)控制的一般概念

自動(dòng)控制原理彭生祥西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院教材及參考書教材《自動(dòng)控制原理》（第六版）科學(xué)出版社，胡壽松教參《自動(dòng)控制原理》（上、下）清華大學(xué)出版社，吳麟

《自動(dòng)控制原理習(xí)題集》科學(xué)出版社，胡壽松教學(xué)總學(xué)時(shí)數(shù)：72講課45實(shí)驗(yàn)27學(xué)習(xí)教材前八章，后二章屬于現(xiàn)代控制理論考核方式：考勤、作業(yè)、實(shí)驗(yàn)、考試成績(jī)=實(shí)驗(yàn)*20%+平時(shí)成績(jī)*20%+期末考試*60%學(xué)習(xí)方法：聽課、作業(yè)、實(shí)驗(yàn)、實(shí)例分析、matlab仿真第一章自動(dòng)控制的一般概念本章重點(diǎn)自動(dòng)控制的含義自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成與基本原理自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析方法自動(dòng)控制理論的發(fā)展1.1自動(dòng)控制系統(tǒng)的一般概念所謂自動(dòng)控制，就是指在沒有人直接參與的情況下，力圖使受控對(duì)象按照預(yù)定規(guī)律運(yùn)行的過(guò)程。完成這一過(guò)程的所有元件與裝置組成的整體就稱為自動(dòng)控制系統(tǒng)。例：直流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)預(yù)期規(guī)律：電機(jī)轉(zhuǎn)速n保持恒定電位器RP1被控對(duì)象：電機(jī)M

被控量：（輸出量）電機(jī)轉(zhuǎn)速n執(zhí)行元件：

GT、V給定元件：給出與期望值相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)輸入量擾動(dòng)：妨礙控制過(guò)程的各種內(nèi)外因素系統(tǒng)方塊圖輸出量與輸入量之間沒有直接的聯(lián)系。因而，對(duì)擾動(dòng)所引起的輸出的變化，系統(tǒng)沒有調(diào)節(jié)或控制作用——開環(huán)系統(tǒng)人參與調(diào)節(jié)時(shí)的工作原理人參與：n↑RP↓n↓RP↑人參與的調(diào)節(jié)過(guò)程：觀察，測(cè)量；高低：與預(yù)期值比較；若存在偏差：反方向調(diào)節(jié)；人參與調(diào)節(jié)時(shí)的方塊圖特點(diǎn)：存在比較環(huán)節(jié)；輸出發(fā)生變化，會(huì)反過(guò)來(lái)影響輸入端，從而產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用機(jī)器代替人，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制測(cè)量：測(cè)速發(fā)電機(jī)比較：集成運(yùn)算放大器調(diào)節(jié)：電機(jī)及減速機(jī)構(gòu)閉環(huán)控制的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)閉環(huán)控制的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)方塊圖反饋反饋及反饋控制系統(tǒng)反饋的含義將輸出回送到輸入端并與輸入進(jìn)行比較的過(guò)程反饋的實(shí)質(zhì)

利用偏差去控制偏差，使系統(tǒng)朝著減少偏差的方向運(yùn)動(dòng)閉環(huán)控制從信號(hào)的流向來(lái)看，系統(tǒng)形成了一個(gè)閉環(huán)是自動(dòng)控制控制系統(tǒng)最基本和應(yīng)用最廣泛的控制方式1.2自動(dòng)控制的基本方式自動(dòng)控制的基本方式：

開環(huán)控制閉環(huán)控制復(fù)合控制一、開環(huán)控制特點(diǎn)：?jiǎn)蜗騻鬟f，輸出不會(huì)對(duì)輸入反施任何影響按給定值控制按擾動(dòng)控制順饋控制二、閉環(huán)控制特點(diǎn)：１對(duì)反饋環(huán)內(nèi)前向通道上的擾動(dòng)有調(diào)節(jié)作用２系統(tǒng)精度取決于給定精度與反饋檢測(cè)精度３精度高，系統(tǒng)復(fù)雜三、閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成給定、比較、放大、執(zhí)行、測(cè)量、校正元件討論系統(tǒng)的簡(jiǎn)化積分控制規(guī)律對(duì)控制系統(tǒng)的理解物理規(guī)律數(shù)學(xué)本質(zhì)進(jìn)一步思考：積分器有什么特點(diǎn)？應(yīng)注意什么？方框圖結(jié)構(gòu)圖特點(diǎn)：１對(duì)反饋環(huán)內(nèi)前向通道上的擾動(dòng)有調(diào)節(jié)作用２系統(tǒng)精度取決于給定精度與反饋檢測(cè)精度

給定值的整定：

1預(yù)期值與反饋系數(shù)確定（與開環(huán)比較）

2受后面環(huán)節(jié)的約束限幅的影響：1保護(hù)

2非線性

3？1.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的類型按信號(hào)的流向分

開環(huán)系統(tǒng)與閉環(huán)系統(tǒng)按系統(tǒng)輸入信號(hào)分

恒值給定系統(tǒng)：輸入信號(hào)為一個(gè)常值，要求輸出也為一個(gè)常值，又稱為調(diào)節(jié)器系統(tǒng)。在工業(yè)控制中，如果被控量是溫度、流量、壓力、液位等生產(chǎn)過(guò)程參量時(shí)，這種控制系統(tǒng)則稱為過(guò)程控制系統(tǒng)，它們大多數(shù)都屬于恒值給定系統(tǒng)。

隨動(dòng)系統(tǒng)：輸入信號(hào)是預(yù)先未知的隨時(shí)間任意變化的函數(shù)，要求輸出量以一定的精度和速度跟隨輸入量的變化。側(cè)重快速性與準(zhǔn)確性。如果被控量是位移及其導(dǎo)數(shù)，則稱為伺服系統(tǒng)。

線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)

同時(shí)滿足疊加性與均勻性（又稱為齊次性）的系統(tǒng)稱為線性系統(tǒng)

若以符號(hào)T[·]來(lái)表示系統(tǒng)輸入與輸出之間的關(guān)系疊加性可表示為均勻性可表示為上述兩點(diǎn)統(tǒng)一表示為

定常系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng)如果系統(tǒng)的參數(shù)不隨時(shí)間而變化，則稱此類系統(tǒng)為定常系統(tǒng)（或時(shí)不變系統(tǒng)）系統(tǒng)的輸出（響應(yīng)）與輸入信號(hào)作用于系統(tǒng)的時(shí)刻無(wú)關(guān)

連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)：用微分方程描述離散系統(tǒng)：用差分方程描述線性常系數(shù)微分方程所描述的系統(tǒng)是否線性時(shí)不變的系統(tǒng)？響應(yīng)分解：零輸入線性與零狀態(tài)線性通?？紤]零狀態(tài)響應(yīng)，即總是假定系統(tǒng)為零初始條件。1.4控制系統(tǒng)性能的基本要求和本課程的主要任務(wù)1.4.1控制系統(tǒng)性能的基本要求穩(wěn)快準(zhǔn)一、穩(wěn)穩(wěn)即指穩(wěn)定性，是自動(dòng)控制系統(tǒng)首要考慮的問(wèn)題穩(wěn)定的充要條件是“有界的輸入產(chǎn)生有界的輸出”同樣穩(wěn)定的系統(tǒng)，穩(wěn)定的程度也可能是不一樣的二、快快即指過(guò)渡過(guò)程的快速性穩(wěn)與快反映了系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程中的性能，屬于動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)三、準(zhǔn)準(zhǔn)即指準(zhǔn)確性，反映系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能過(guò)渡過(guò)程結(jié)束后，系統(tǒng)的輸出與期望值的差值，稱為穩(wěn)態(tài)誤差恒值給定系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)與準(zhǔn)的要求嚴(yán)格，隨動(dòng)系統(tǒng)則對(duì)快速性要求較高1.4.2性能指標(biāo)的量化一、典型輸入信號(hào)

1.能反映絕大多數(shù)實(shí)際工作情況

2.產(chǎn)生方便，利于實(shí)驗(yàn)

3.便于數(shù)學(xué)運(yùn)算與推理典型輸入信號(hào)

階躍函數(shù)斜坡函數(shù)拋物線函數(shù)脈沖函數(shù)正弦函數(shù)二、時(shí)域性能指標(biāo)的定義階躍信號(hào)對(duì)絕大多數(shù)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)都是比較嚴(yán)格的工作條件，故性能指標(biāo)往往以階躍響應(yīng)為標(biāo)準(zhǔn)。上升時(shí)間tr

從原始狀態(tài)開始，第一次達(dá)到單位階躍響應(yīng)的時(shí)間過(guò)渡過(guò)程時(shí)間ts系統(tǒng)達(dá)到給定△區(qū)所需的時(shí)間超調(diào)量

1+△1-△

ts

tp

tr

對(duì)于同一系統(tǒng)，穩(wěn)、快、準(zhǔn)是相互制約的

設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)就是要綜合考慮相互間的矛盾，使各方面的性能指標(biāo)都能滿足生產(chǎn)工藝的要求問(wèn)題：?jiǎn)雾?xiàng)性能指標(biāo)的缺點(diǎn)？只能反映動(dòng)態(tài)或穩(wěn)態(tài)某一方面的控制質(zhì)量，統(tǒng)籌考慮比較困難不適合最優(yōu)控制（現(xiàn)代控制理論）解決方式：誤差積分準(zhǔn)則從偏差的幅度和偏差存在的時(shí)間綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能。采用不同的誤差積分指標(biāo)，意味著評(píng)價(jià)過(guò)渡過(guò)程的側(cè)重點(diǎn)不同，也導(dǎo)致調(diào)節(jié)器參數(shù)的設(shè)置不同1.偏差積分指標(biāo)IE2.平方誤差積分指標(biāo)ISE3.誤差絕對(duì)值積分指標(biāo)IAE4.時(shí)間乘誤差平方積分指標(biāo)ITSE5.時(shí)間乘誤差絕對(duì)值積分指標(biāo)ITAE大偏差小偏差本課程的主要任務(wù)

數(shù)學(xué)模型討論線性定常系統(tǒng)在時(shí)域、復(fù)頻域、頻域、Z域的數(shù)學(xué)模型

系統(tǒng)分析

穩(wěn)定性分析、動(dòng)態(tài)分析與穩(wěn)態(tài)性能分析系統(tǒng)綜合控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正

輔助設(shè)計(jì)工具M(jìn)atlab作業(yè)：1-11-31-7補(bǔ)充作業(yè)：試尋找一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)