自動控制原理簡明教程

自動控制原理簡明教程課件第1頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月本門課程的性質(zhì):1.重要的專業(yè)基礎課，闡述有關自動控制技術的基礎理論——經(jīng)典控制論，研究“控制論”在工程中的應用?；緝?nèi)容——控制論的基本理論、方法、特點、綜合設計方法。研究對象——自動控制系統(tǒng)，揭示自動控制系統(tǒng)中存在的信息轉(zhuǎn)換、傳遞和反饋。2.學習目的：①自動化發(fā)展的需要②與信息科學、系統(tǒng)科學關系緊密③掌握控制系統(tǒng)分析與設計的基本方法第2頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月成績組成：期末考試占70%，平時成績占30%先修基礎：拉普拉斯變換、高等數(shù)學、大學物理、積分變換、電路、數(shù)字電子技術、模擬電子技術

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Telmail：第3頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月第1章控制系統(tǒng)導論第4頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1引言1.2

自動控制系統(tǒng)的組成1.3開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)1.4自動控制系統(tǒng)的應用實例1.5自動控制系統(tǒng)的分類1.6對自動控制系統(tǒng)的基本要求1.7自動控制理論發(fā)展簡史第5頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1引言第6頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月一、控制系統(tǒng)基本概念1.控制（Control）：根據(jù)某種原理或方法，使特定對象（被控對象）的某些物理量（被控量）按照預期規(guī)律變化的操縱過程。2.人工控制（ManualControl）：由人直接或間接操作執(zhí)行裝置的控制方式。第7頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月人工控制的例子

示例——水池水位控制

人工控制被控對象：水池被控量：水池的水位觀測實際水位，將期望的水位值與實際水位相比較，兩者之差為誤差。根據(jù)誤差的大小和方向調(diào)節(jié)進水閥門的開度，即當實際水位高于要求值時，關小進水閥門開度，否則加大閥門開度以改變進水量，從而改變水池水位，使之與要求值保持一致。

第8頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月人眼：觀察水池的實際水位；測量（測量反饋機構）人腦：記住水位的期望值；比較水池的期望值-實際值；（比較機構）、控制人手：調(diào)節(jié)進水閥門的開度，執(zhí)行控制作用。執(zhí)行（執(zhí)行機構）是一個反復觀察測量、比較、調(diào)整執(zhí)行的過程，力圖將水池水位的期望值與實際值之間的差值減為0。人工控制精度不高，人的反應不夠快，不少惡劣的場合人無法參與直接控制。自動控制系統(tǒng)可以解決以上問題。第9頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月3.自動控制（AutomaticControl）：是指在沒有人直接參與的情況下，利用自動控制裝置（或稱為控制裝置或控制器），使機器、設備或生產(chǎn)過程（統(tǒng)稱為被控對象）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（稱為被控量）自動地按照預定的規(guī)律運行。第10頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月自動控制的例子當實際水位低于要求水位時，電位器輸出電壓值為正，且其大小反映了實際水位與水位要求值的差值，放大器輸出信號將有正的變化，電動機帶動減速器使進水閥門開度增加，直到實際水位重新與水位要求值相等時為止。期望水位Show

第11頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月電位計+連桿—人腦：記住水位的期望值；浮子—人眼：觀察水池的實際水位；電位計+連桿—人腦：反映誤差（=水位的期望值-實際值）；電動機—人手：調(diào)節(jié)進水閥門開度，執(zhí)行控制作用。是一個反復觀察測量、比較、調(diào)整執(zhí)行的過程，力圖將水池水位的期望值與實際值間的差值減為0，即誤差為0?？刂七^程：測量（測量反饋機構）—浮子比較（比較機構）—電位計+連桿執(zhí)行（執(zhí)行機構）—電動機第12頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月4.自動控制理論：是研究有關自動控制共同規(guī)律的一門技術科學，是自動控制技術的基礎理論，根據(jù)發(fā)展的不同階段，其內(nèi)容可分為經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論。

第13頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2自動控制系統(tǒng)的組成第14頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.1一個典型的反饋控制系統(tǒng)的基本組成部分輸入量串聯(lián)校正元件放大元件執(zhí)行元件被控對象擾動并聯(lián)校正元件反饋元件輸出量比較元件e(t)偏差信號主反饋信號b(t)測量反饋元件主反饋局部反饋＋＋－－給定元件信號從輸入端沿箭頭方向到達輸出端的傳輸通道稱前向通路，系統(tǒng)輸出量經(jīng)測量元件反饋到輸入端的傳輸通道稱主反饋通路。前向通路與主反饋通路共同組成主回路。

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第15頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月被控對象（被控過程）——又稱控制對象或受控對象，指需要對它的某個特定的量進行控制的設備或過程。被控對象的輸出變量是被控變量，常常記作輸出信號或輸出量。被控對象除了受到控制作用外，還受到外部擾動作用。給定元件——其作用是給出與期望的輸出相對應的系統(tǒng)輸入量，是一類產(chǎn)生系統(tǒng)控制指令的裝置。測量反饋元件——如傳感器和測量儀表，感受或測量被控變量的值并把它變換為與輸入量同一物理量后，再反饋到輸入端以作比較。第16頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月比較元件——比較輸入信號與反饋信號，以產(chǎn)生反映兩者差值的偏差信號。放大元件——將微弱的信號作線性放大。校正元件——也叫補償元件，它是按某種函數(shù)規(guī)律變換控制信號，以利于改善系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)或靜態(tài)性能。執(zhí)行元件——根據(jù)偏差信號的性質(zhì)執(zhí)行相應的控制作用，以便使被控制量按期望值變化。如電動機、氣動控制閥等。

第17頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月自動控制系統(tǒng)：是由被控對象和自動控制裝置按一定方式聯(lián)結起來的，以完成某種自動控制任務的有機整體。輸入信號r(t)：系統(tǒng)的輸入信號是指參考輸入，又稱給定量或給定值，它是控制著輸出量變化規(guī)律的指令信號。輸出信號c(t)：系統(tǒng)的輸出信號是指被控對象中要求按一定規(guī)律變化的物理量，又稱被控量，它與輸入量之間保持一定的函數(shù)關系。1.2.2自動控制系統(tǒng)中常用的名詞術語補充

第18頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月反饋信號：由系統(tǒng)（或元件）輸出端取出并反向送回系統(tǒng)（或元件）輸入端的信號稱為反饋信號。反饋分為主反饋b(t)和局部反饋。偏差信號e(t)：它是指參考輸入與主反饋信號之差。偏差信號簡稱偏差。e(t)=r(t)-b(t)誤差信號：它是指系統(tǒng)輸出量的期望值與實際值之差，簡稱誤差。在單位反饋情況下，誤差值也就是偏差值，二者是相等的。擾動信號f(t)：簡稱擾動或干擾，是除控制信號以外,對系統(tǒng)的輸出有影響的信號。擾動是不希望的輸入信號。P5

第19頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)第20頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月控制系統(tǒng)的類型很多，它們的結構類型和所完成的任務也各不相同?？刂葡到y(tǒng)中最常見的兩種控制方式是開環(huán)控制和閉環(huán)控制，這兩種控制的組合——即為復合控制，相對應的控制系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)和復合控制系統(tǒng)。

第21頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月自動控制系統(tǒng)的基本控制方式

第22頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月示例——直流電動機轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng)給定電壓ug經(jīng)放大后得到電樞電壓ua，改變ug可得不同的轉(zhuǎn)速n，該系統(tǒng)只有輸入量ug對輸出量n的單向控制作用。輸出端和輸入端之間不存在反饋回路。+_電壓放大器功率放大器Mc負載n電動機+_+_+電位器1.3.1開環(huán)控制系統(tǒng)第23頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月只有輸入量的前向控制作用，輸出量并不反饋回來影響輸入量的控制作用，因而，將它稱為開環(huán)控制系統(tǒng)（Open-LoopControlSystem）。擾動控制信號

被控制量

給定電壓ug轉(zhuǎn)速n被控對象控制裝置Mc電壓放大器功率放大器直流電動機第24頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月開環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)點——結構簡單，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，調(diào)試方便，成本低。因此，在輸入量和輸出量之間的關系固定，且內(nèi)部參數(shù)或外部負載等擾動因素不大，或這些擾動因素可以預測并進行補償?shù)那疤嵯?，應盡量采用開環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制的缺點——當控制過程中受到來自系統(tǒng)外部的各種擾動因素，如負載變化、電源電壓波動等，以及來自系統(tǒng)內(nèi)部的擾動因素，如元件參數(shù)變化等，都將會直接影響到輸出量，而控制系統(tǒng)不能自動進行補償，抗干擾性能差。因此，開環(huán)系統(tǒng)對元器件的精度要求較高。第25頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.2閉環(huán)控制系統(tǒng)電壓放大器功率放大器Mc負載n電動機+_+_+_uf電位器測速發(fā)電機+_ue=

ug-uf偏差第26頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月

直流電動機轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)方塊圖設上述系統(tǒng)原已在某個給定電壓ug相對于的轉(zhuǎn)速n狀態(tài)下運行，若一旦受到某些干擾（如負載轉(zhuǎn)矩突然增大）而引起轉(zhuǎn)速下降時，系統(tǒng)就會自動地產(chǎn)生相應的調(diào)整過程。偏差始終存在

Mc↑→n↓→uf↓→ue（ue=ug-uf）↑→ua↑→n↑n電

壓放大器ue輸入量Mc擾動輸出量功

率放大器直

流電動機＋ugua測

速發(fā)電機uf－第27頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月總結一下：

閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作原理：檢測輸出量（被控制量）的實際值；將輸出量的實際值與給定值（輸入量）進行比較，得出偏差；用偏差值產(chǎn)生控制調(diào)節(jié)作用去消除偏差，使得輸出量維持期望的輸出。第28頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月由于存在輸出量反饋，上述系統(tǒng)能在存在無法預計擾動的情況下，自動減少系統(tǒng)的輸出量與參考輸入量（或者任意變化的希望的狀態(tài)）之間的偏差，故稱之為反饋控制。顯然：反饋控制建立在偏差基礎上，其控制方式是“檢測偏差再糾正偏差”。Show

第29頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月

閉環(huán)控制系統(tǒng)（Close-LoopControlSystem）又稱反饋控制系統(tǒng)（FeedbackControlSystem），是在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，把輸出量檢測出來，經(jīng)過物理量的轉(zhuǎn)換，再反饋到輸入端去與給定值（參考輸入）進行比較（相減），并利用比較后的偏差信號，以一定的控制規(guī)律產(chǎn)生控制作用，抑制內(nèi)部或外部擾動對輸出量的影響，逐步減小以至消除這一偏差，從而實現(xiàn)要求的控制性能。

第30頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月閉環(huán)控制的優(yōu)點——抑制擾動能力強，與開環(huán)控制相比，對參數(shù)變化不敏感，并能獲得滿意的動態(tài)特性和控制精度。閉環(huán)控制的缺點——引入反饋增加了系統(tǒng)的復雜性，如果閉環(huán)系統(tǒng)參數(shù)的選取不適當，系統(tǒng)可能會產(chǎn)生振蕩，甚至系統(tǒng)失穩(wěn)而無法正常工作，這是自動控制理論和系統(tǒng)設計必須解決的重要問題。自動控制理論主要研究閉環(huán)控制系統(tǒng)

1.3.3復合控制系統(tǒng)注意！正反饋不能進行控制，會使系統(tǒng)的偏差越來越大。第31頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4自動控制系統(tǒng)的應用實例第32頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月

爐溫控制系統(tǒng)的理想溫度由電壓ur給出，熱電偶檢測箱溫輸出電壓uf，偏差電壓ue=ur-uf，經(jīng)電壓和功率放大后控制電機的速度和轉(zhuǎn)向，從而改變調(diào)壓器滑動觸頭的位置，改變爐溫控制系統(tǒng)的外施電壓達到恒定爐溫的目的。1.4.1爐溫控制系統(tǒng)第33頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月溫度Tc下降，Tc↓→uf↓→

ue=ur-

uf↑→ua↑→電機向增大調(diào)壓器輸出電壓的方向加速旋轉(zhuǎn)→Tc↑→uf↑，直到Tc

=Tr，ue=0。原理：即當恒溫箱內(nèi)溫度偏高時，使調(diào)壓器降壓，反之升壓，直到溫度達到給定值為止。此時偏差電壓ue=0，電機停轉(zhuǎn)。爐溫自動控制系統(tǒng)方框圖放大器電機減速器調(diào)壓器電爐熱電偶+-ufueurTcua給定裝置Tr擾動第34頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4.2導彈發(fā)射架方位控制系統(tǒng)

放大器+_+_+_輸入軸給定裝置反饋裝置手輪發(fā)射架輸出軸ⅠⅡ?qū)棸l(fā)射架方位控制系統(tǒng)原理圖隨動系統(tǒng)導彈發(fā)射架方位控制系統(tǒng)方塊圖放大器減速器導彈發(fā)射架－ua直流電動機電位器Ⅰ、Ⅱ第35頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月鋼鐵軋制：軋出厚度一致的高精度鐵板（厚度控制，張力控制）1.4.3鋼鐵軋制控制系統(tǒng)示例

第36頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4.3鋼鐵軋制計算機控制系統(tǒng)

軋鋼機計算機控制系統(tǒng)方塊圖軋鋼機計算機控制系統(tǒng)示意圖

第37頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4.4函數(shù)記錄儀P8ABCD第38頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月寫成方塊圖形式：1.4.5鍋爐液位控制系統(tǒng)P9第39頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月

鍋爐設備的壓力和溫度自動保持恒定數(shù)控機床按照預定的程序自動地切削工件導彈發(fā)射與制導系統(tǒng)，自動地使導彈攻擊敵方目標無人駕駛飛機按照預定航跡自動升降和飛行人造衛(wèi)星準確地進入預定軌道運行并回收自動控制技術的應用范圍已擴展到生物、醫(yī)學、環(huán)境、經(jīng)濟管理和其它許多社會生活領域中，自動控制已成為現(xiàn)代社會活動中不可缺少的重要組成部分。第40頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月1.5自動控制系統(tǒng)的分類第41頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月自動控制系統(tǒng)的分類

下面介紹幾種常用的自動控制系統(tǒng)分類方法。1.5.1按控制方式來分1.5.2按描述系統(tǒng)的動態(tài)方程分1.5.3按系統(tǒng)參數(shù)是否隨時間變化而分1.5.4按系統(tǒng)輸入信號的變化規(guī)律不同來分1.5.5按信號的傳遞是否連續(xù)分重要

第42頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月

1.5.1按控制方式來分開環(huán)控制系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng)復合控制系統(tǒng)第43頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月1）線性系統(tǒng)：該類系統(tǒng)的特點在于組成系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)的輸入輸出特性都是線性的，系統(tǒng)的性能可用線性微分方程（或差分方程）來描述。（滿足齊次性與疊加性）假設元件輸入為r(t)、r1(t)、r2(t)，對應的輸出為c(t)、c1(t)、c2(t)：如果r(t)=r1(t)+r2(t)時，c(t)=c1(t)+c2(t)滿足迭加性如果r(t)=a·r1(t)時，c(t)=ac1(t)滿足齊次性滿足迭加性和齊次性的元件才是線性元件。1.5.2按描述系統(tǒng)的動態(tài)方程分第44頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月2）非線性系統(tǒng)：該類系統(tǒng)的特點在于系統(tǒng)中含有一個或多個非線性元件。系統(tǒng)的性能需用非線性微分方程（或差分方程）來描述。非線性微分方程：系數(shù)與變量有關，或者方程中含有變量及其導數(shù)的高次冪或乘積項。重要

第45頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月常見非線性情況飽和非線性死區(qū)非線性間隙非線性繼電器非線性第46頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月注意：在實際中，絕大多數(shù)對象都具有非線性特性，而大多數(shù)儀器儀表也是非線性的，所以很少有真正意義上線性系統(tǒng)，一般是采用線性化措施將非線性系統(tǒng)處理成線性系統(tǒng)，這樣就可簡化分析和運算。第47頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月1.定常系統(tǒng)：特性不隨時間變化的系統(tǒng)稱定常系統(tǒng)，又稱時不變系統(tǒng)。描述定常系統(tǒng)特性的微分方程或差分方程的系數(shù)不隨時間變化。定常系統(tǒng)分為定常線性系統(tǒng)和定常非線性系統(tǒng)。2.時變系統(tǒng)：特性隨時間變化的系統(tǒng)稱時變系統(tǒng)。對于時變系統(tǒng)，其輸出響應的波形不僅與輸入信號波形有關，而且還與參考輸入加入的時刻有關，這一特點，增加了對時變系統(tǒng)分析和研究的復雜性。1.5.3按系統(tǒng)參數(shù)是否隨時間變化而分第48頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月定常：輸入一定，輸出不變。（方程系數(shù)為常數(shù)）時變（不定常）：輸入一定，輸出隨時間發(fā)生變化。

也就是說：重要

第49頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月1.恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)：該類系統(tǒng)的輸入信號為一常數(shù)，擾動使被控量偏離理想值而出現(xiàn)偏差，利用偏差該系統(tǒng)可使被控量回復到理想值或接近理想值。上述的爐溫閉環(huán)控制系統(tǒng)、鍋爐水位控制系統(tǒng)均屬于此類系統(tǒng)。2.隨動系統(tǒng)：這類系統(tǒng)的給定量是時間的未知函數(shù)，系統(tǒng)能使被控量準確、快速地跟隨給定量變化。隨動系統(tǒng)又稱伺服系統(tǒng)。如上述函數(shù)記錄儀、導彈發(fā)射架方位控制系統(tǒng)。3.程序控制系統(tǒng)：輸入信號為已知的時間函數(shù)，如機械加工中的數(shù)控機床工作臺移動系統(tǒng)。

1.5.4按輸入信號的變化規(guī)律不同（針對線性定常連續(xù)系統(tǒng)）

區(qū)別？

第50頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月1.5.5按信號的傳遞是否連續(xù)分1.連續(xù)系統(tǒng)：該類系統(tǒng)各環(huán)節(jié)間的信號均為時間t的連續(xù)函數(shù)。2.離散系統(tǒng)：該類系統(tǒng)在信號傳遞過程中有一處或多處的信號是脈沖序列或數(shù)字編碼。數(shù)字控制系統(tǒng)、采樣系統(tǒng)為離散系統(tǒng)。離散信號離散信號計算機被控對象擾動反饋元件e(t)＋－A/DD/A放大元件執(zhí)行元件采樣數(shù)字控制系統(tǒng)結構圖第51頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月1.6對自動控制系統(tǒng)的基本要求第52頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月要自動控制系統(tǒng)是否能很好地工作,是否能精確地保持被控量按照預定的要求規(guī)律變化這取決于被控對象和控制器及各功能元器件的特性參數(shù)是否設計得當。

在理想情況下,控制系統(tǒng)的輸出量和輸入量,在任何時候均相等,系統(tǒng)完全無誤差,且不受干擾的影響。實際系統(tǒng)中,由于各種各樣原因,系統(tǒng)在受到輸入信號(也包括擾動信號)的激勵時,被控量將偏離輸入信號作用前的初始值,經(jīng)歷一段動態(tài)過程(過渡過程),則系統(tǒng)控制性能的優(yōu)劣,可以從動態(tài)過程中較充分地表現(xiàn)出來。1.6.1自動控制系統(tǒng)性能的基本要求第53頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1自動控制系統(tǒng)被控量變化的動態(tài)特性自動控制系統(tǒng)被控量變化的動態(tài)特性有以下幾種單調(diào)過程衰減振蕩

等幅振蕩

漸擴振蕩

不穩(wěn)定穩(wěn)定穩(wěn)定不穩(wěn)定第54頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月自動控制系統(tǒng)其動態(tài)過程多屬于圖1（b）的衰減振蕩情況?？刂葡到y(tǒng)的動態(tài)過程不僅要是穩(wěn)定的，并且希望過渡過程時間（又稱調(diào)整時間）越短越好，最大振蕩幅度（用超調(diào)量衡量）越小越好，衰減得越快越好（用衰減比衡量）

。工程上常常從穩(wěn)、快、準三個方面來評價自動控制系統(tǒng)的總體精度。第55頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月給定值階躍變化時的衰減振蕩過渡過程典型曲線

第56頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月穩(wěn)態(tài)性能指標穩(wěn)態(tài)誤差是描述系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的唯一指標。指系統(tǒng)過渡過程終了時被控參數(shù)穩(wěn)態(tài)值與給定值之差：一般要求穩(wěn)態(tài)誤差越小越好或為零。注意第57頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月動態(tài)性能指標生產(chǎn)過程中干擾無時不在，控制系統(tǒng)時時刻刻都處在一種頻繁的、不間斷的動態(tài)調(diào)節(jié)過程中。所以，在過程控制中，了解或研究控制系統(tǒng)的動態(tài)特性比其靜態(tài)特性更為重要、更有意義。描述系統(tǒng)動態(tài)指標主要包括：1.衰減比n2.超調(diào)量σ3.過渡過程時間ts第58頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月衰減比

衡量系統(tǒng)過渡過程穩(wěn)定性的一個動態(tài)指標：為保持足夠的穩(wěn)定裕度，一般取衰減比為4:1～10:1。其中4:1衰減比常作為評價過渡過程動態(tài)性能的一個理想指標。

超調(diào)量用來反映系統(tǒng)受擾動后的超調(diào)情況和衡量系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

第59頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月超調(diào)量與過渡過程時間超調(diào)量：過渡過程時間ts指系統(tǒng)從受擾動作用時起，直到被控參數(shù)進入新的穩(wěn)態(tài)值±5%（或±2%）的范圍內(nèi)所經(jīng)歷的最短時間。要求σ、ts應越小越好。第60頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月1.穩(wěn)定性(穩(wěn))考慮動態(tài)過程在不同階段中的特點,工程上通常從穩(wěn)、快、準三個方面來衡量自動控制系統(tǒng)：穩(wěn)定工作是所有自動控制系統(tǒng)的最基本要求,是系統(tǒng)能否工作的前題。不穩(wěn)定的系統(tǒng)根本無法完成控制任務。考慮到實際系統(tǒng)工作環(huán)境或參數(shù)的變動,可能導致系統(tǒng)不穩(wěn)定,因此,我們除要求系統(tǒng)穩(wěn)定外,還要求其具有一定的穩(wěn)定裕量。

第61頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月2.快速性(快)——即過渡過程繼續(xù)的時間長短。過渡過程越短，說明系統(tǒng)快速性越好，過渡過程持續(xù)時間越長，說明系統(tǒng)響應遲鈍，難以實現(xiàn)快速變化的指令信號。3.準確性(準)——是指系統(tǒng)在過渡過程結束后，偏差的最終值的大小，稱為穩(wěn)態(tài)誤差，它是衡量系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度的重要指標。穩(wěn)態(tài)誤差越小，表示系統(tǒng)的準確性越好，被控量（輸出量）的期望值與實際值之間的差值就越小。

第62頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月由于被控對象的具體情況不同，各系統(tǒng)對穩(wěn)、快、準的要求各有側重。而且對同一系統(tǒng)，穩(wěn)、快、準的要求常常是相互制約的。過分提高過程的快速性，可能會引起系統(tǒng)強烈的振蕩，而過分追求穩(wěn)定性，又可能使系統(tǒng)反應遲緩，最終導致準確性變壞。如何分析和解決這些矛盾，將是本學科研究的主要內(nèi)容。

對于偏差始終存在的系統(tǒng)準確性：希望放大環(huán)節(jié)的放大系數(shù)大平穩(wěn)性：希望放大環(huán)節(jié)的放大系數(shù)小需要注意的是：第63頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月1.選取原則（1）在現(xiàn)場及實驗中容易產(chǎn)生（2）系統(tǒng)在工程中經(jīng)常遇到，并且是最不利的外作用。（3）數(shù)學表達式簡單，便于理論分析。

為了能對不同的控制系統(tǒng)的性能用統(tǒng)一的標準來恒量，通常需要選擇幾種典型的外作用。1.6.2典型外作用階躍函數(shù)斜坡函數(shù)脈沖函數(shù)正弦函數(shù)第64頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）圖形：

表示在t=0時刻出現(xiàn)了幅值為R的跳變，是最不利的外作用。R=1時的階躍函數(shù)叫單位階躍函數(shù)，常用1(t)表示。常用階躍函數(shù)作為評價系統(tǒng)動態(tài)性能的典型外作用。所以階躍函數(shù)在自動控制系統(tǒng)的分析中起著特別重要的作用。

2.階躍函數(shù)（1）數(shù)學表達式：第65頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）數(shù)學表達式：（2）圖形：

如R=1,叫單位斜坡函數(shù)，表示從t=0時刻，以恒速R變化。跟蹤通信衛(wèi)星的天線控制系統(tǒng)，數(shù)控機床加工斜面時的給進指令等，都可以采用斜坡信號作為典型輸入信號。3.斜坡函數(shù)R第66頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月4.脈沖函數(shù)（1）矩形脈沖函數(shù)數(shù)學表達式

(2)圖形：脈沖函數(shù)是對ε趨于0，求極限得到的。數(shù)學表達式為:第67頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月需要注意的是：脈沖函數(shù)在現(xiàn)實中是不存在的，只是數(shù)學上的定義。在現(xiàn)實系統(tǒng)中常把作用時間很短，幅值很大而強度有限的一些外作用近似看作脈沖函數(shù)。當A=1時，稱為單位脈沖函數(shù)，記作δ(t),強度為A的脈沖函數(shù)r(t)表示成r(t)=Aδ(t)第68頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月5.正弦函數(shù)（1）數(shù)學表達式：

A為振幅，w=2πf為正弦函數(shù)的角頻率。上式的初始相角φ=0，如果初始相角φ不等于0，那么正弦函數(shù)r(t)的表達式為：r(t)=Asin(wt-φ)

(2)圖形：第69頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月正弦函數(shù)也是控制系統(tǒng)常見的一種典型外作用，很多實際的隨動系統(tǒng)就是經(jīng)常在這種正弦函數(shù)作用下工作的。更為重要的是，系統(tǒng)在正弦函數(shù)作用下的響應，即頻率特性，是自動控制理論中研究系統(tǒng)性能的重要依據(jù).第70頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月1.7自動控制理論發(fā)展簡史補充第71頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月一、歷史1.萌芽：18世紀第一次技術革命（機械化）時域分析①俄國人波爾佐諾夫發(fā)明鍋爐水位調(diào)節(jié)器②英國人瓦特發(fā)明蒸汽機離心飛錘式調(diào)速器，萌生了自動控制的基本原理③1877年，勞斯，1895年，赫爾維茨分別提出了系統(tǒng)穩(wěn)定的代數(shù)判據(jù)（19世紀末）第72頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月2.奠定基礎（20世紀）——經(jīng)典控制論①30~40年代，奈奎斯特提出系統(tǒng)穩(wěn)定性的頻率判據(jù)奈氏圖、奈氏判據(jù)，從時域分析轉(zhuǎn)到頻域分析②1940年，伯德在頻率法中引入對數(shù)坐標系，伯德圖③1942年，哈里斯引入傳遞函數(shù)概念④1948年，伊萬恩提出根軌跡分析方法⑤1949年，英國人維納在火炮控制中發(fā)現(xiàn)了反饋的概念，出版了《控制——關于在動物和機器中控制和通訊的科學》，奠定了控制論的基礎50年代中期，添加了非線性系統(tǒng)理論和離散控制理論，形成了完整的理論體系。第73頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月3.發(fā)展迅速滲透到許多學科，應用于火炮、導彈控制系統(tǒng)，數(shù)控、電力、冶金，自動化技術錢學森，1954年首創(chuàng)“工程控制論”，推廣到其它領域：

生物控制論：生命系統(tǒng)

經(jīng)濟控制論：經(jīng)濟運行與發(fā)展問題社會控制論：社會管理與社會服務問題隨著計算機技術的發(fā)展，控制論無論在內(nèi)涵上，還是在深度上和廣度上都發(fā)展變化著，對促進生產(chǎn)的發(fā)展和社會進步產(chǎn)生深遠的影響。第74頁，