自動控制原理課件1

自動控制原理電氣工程學院田晴自動控制原理自動控制系統(tǒng)概述12控制系統(tǒng)的數(shù)學模型控制系統(tǒng)的時域分析34根軌跡法控制系統(tǒng)的頻域分析56控制系統(tǒng)的綜合與校正離散系統(tǒng)的理論基礎78非線性系統(tǒng)的理論分析第一章自動控制系統(tǒng)概述控制系統(tǒng)的基本概念1-11-21-31-4控制理論的發(fā)展歷程控制系統(tǒng)分類控制系統(tǒng)的性能指標一、自動控制理論是研究“自動控制”共同規(guī)律的一門技術科學。數(shù)控機床按照預定程序自動的對工件進行切削加工；化學反應釜的溫度或流量及壓力自動的維持恒定；雷達和計算機組成的火炮或導彈的發(fā)射和制導系統(tǒng)，自動的將炮彈或導彈引導到敵方目標；§1-1控制理論的發(fā)展歷程軋鋼機按照預定的軋制速度和板材厚度自動的變化軋輥速度和壓下裝置的位移；人造衛(wèi)星準確的進入預先計算好的軌道和位置，自動的保持正確的姿態(tài)運行并準確回收。這些都是以高水平的自動控制技術為前提的。§1-1控制理論的發(fā)展歷程控制理論的發(fā)展歷程二、控制理論學科的發(fā)展古代具有自動功能的裝置自古有之，例如古埃及的“水鐘”，中國古漢代的“指南車”§1-1控制理論的發(fā)展歷程1765年，JamsWatt發(fā)明的蒸汽機上的離心式飛錘調速器應用了反饋原理進行設計的。之后，麥克斯韋爾對它的穩(wěn)定性進行分析，并于1868年發(fā)表論文，當屬最早的理論工作。18世紀中葉古代§1-1控制理論的發(fā)展歷程控制理論的發(fā)展歷程二、控制理論學科的發(fā)展18世紀中葉古代187218901872年E.J.Routh,1890年Hurwitz先后找到了系統(tǒng)穩(wěn)定性的代數(shù)判據§1-1控制理論的發(fā)展歷程控制理論的發(fā)展歷程二、控制理論學科的發(fā)展189218世紀中葉古代187218901892年A.M.Liapunov在其“論運動穩(wěn)定性的一般問題”的博士論文中給出了基于廣義能量函數(shù)的系統(tǒng)穩(wěn)定性的一般判據。§1-1控制理論的發(fā)展歷程控制理論的發(fā)展歷程二、控制理論學科的發(fā)展1932189218世紀中葉古代187218901932年H.Nyquist給出了基于頻率特性的關于系統(tǒng)穩(wěn)定性的Nyquist判據?！?-1控制理論的發(fā)展歷程控制理論的發(fā)展歷程二、控制理論學科的發(fā)展在二次世界大戰(zhàn)期間，由于軍事上的需要，雷達和火力控制系統(tǒng)有了較大的發(fā)展，N.Winner在總結前人成果的基礎上發(fā)表了《控制論》一書，標志著控制理論學科的誕生。§1-1控制理論的發(fā)展歷程二、控制理論學科的發(fā)展1932189218世紀中葉古代18721890控制理論的發(fā)展歷程二次世界大戰(zhàn)控制理論發(fā)展經過了三個時期：智能控制/大系統(tǒng)理論現(xiàn)代控制理論經典控制理論研究對象：機組自動化等的多輸入多輸出系統(tǒng)。主要數(shù)學工具：一階微分方程組、矩陣論、狀態(tài)空間法。主要方法：變分法、極大值原理等等重點問題：最優(yōu)控制、隨機控制和自適應控制。核心控制裝置：計算機20世紀70年代20世紀60年代20世紀40~50年代研究對象:線性定常單輸入單輸出系統(tǒng)主要數(shù)學工具:微分方程、傳遞函數(shù)、結構框圖、頻率特性等主要研究方法:時域法、頻域法、根軌跡法主要解決的問題:單機裝置的穩(wěn)定性、快速性、準確性。大系統(tǒng)理論是控制理論在廣度上的拓展，例如控制對象延伸到了社會、經濟、管理系統(tǒng)，以及生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)等復雜系統(tǒng)。智能控制理論是控制理論在深度上的挖掘，為解決模擬人腦功能，形成了新的學科——模擬人腦思維形成模糊控制、專家系統(tǒng)等模擬人腦結構或功能形成人工神經網絡§1-1控制理論的發(fā)展歷程智能控制/大系統(tǒng)理論現(xiàn)代控制理論經典控制理論20世紀70年代20世紀60年代20世紀40~50年代廣度上擴展的更為復雜的系統(tǒng)多輸入多輸出復雜系統(tǒng)單變量定?？刂葡到y(tǒng)控制理論發(fā)展經過了三個時期：§1-1控制理論的發(fā)展歷程三.自動控制技術的作用自動控制技術的應用不僅使生產過程實現(xiàn)了自動化，極大地提高了勞動生產率，而且減輕了人的勞動強度。2.自動控制使工作具有高度的準確性，大大地提高了武器的命中率和戰(zhàn)斗力，例如火炮自動跟蹤系統(tǒng)必須采用計算機控制才能打下高速高空飛行的飛機。3.某些人們不能直接參與工作的場合就更離不開自動控制技術了，例如原子能的生產、火炮或導彈的制導等等?！?-1控制理論的發(fā)展歷程

自動控制理論來源于生產實踐，正隨著技術和生產的發(fā)展而不斷發(fā)展，而它反過來又指導實踐，成為高新技術發(fā)展的重要理論依據。本課程的內容是該理論中最基本也最重要的內容，即經典控制理論部分。它在工程實踐中用的最多，也是進一步學習自動控制理論的基礎?！?-1控制理論的發(fā)展歷程1、授課對象：

工業(yè)自動化專業(yè)、測控技術與儀器本科專業(yè)

2、本課程的性質和任務：

《自動控制理論》是自動化專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎課。通過本課程的教學（講課、實驗、答疑和習題），使學生了解自動控制系統(tǒng)的組成、特點及專業(yè)術語，學習并掌握經典控制理論的基本分析方法和設計方法，掌握實驗技能，為設計和調試工業(yè)自動控制系統(tǒng)打下理論基礎。并為進一步的理論學習和研究打下堅實的基礎。四、課程介紹§1-1控制理論的發(fā)展歷程3、本課程與相關課程的關系§1-1控制理論的發(fā)展歷程自動控制原理大學物理微積分積分變換復變函數(shù)電子技術電路理論電機拖動制理論現(xiàn)代控先修課程制系統(tǒng)過程控業(yè)課程各類專其它后續(xù)課程4、課程的理論體系理論體系：系統(tǒng)描述、系統(tǒng)分析、系統(tǒng)綜合經典控制理論系統(tǒng)描述——建立系統(tǒng)的數(shù)學模型系統(tǒng)分析——系統(tǒng)的動態(tài)性能包括穩(wěn)定性、準確性和快速性分析系統(tǒng)綜合——就是運用控制理論提供的方法對實際系統(tǒng)進行改造，以便改善系統(tǒng)的性能§1-1控制理論的發(fā)展歷程5、選用教材：

《自動控制原理》，楊友良等，電子科學技術出版社。主要參考書目：[1]顧樹生、王建輝，

《自動控制原理》，冶金工業(yè)出版社。

[2]楊自厚，《自動控制原理》，冶金工業(yè)出版社，2003.6。

[3]胡壽松，《自動控制原理》，國防工業(yè)出版社，2000年。

[4]李友善，自動控制原理，國防工業(yè)出版社

[5]孫虎章主編，自動控制原理，北京：中央廣播電視大學出版社，19846、學時安排：88學時§1-1控制理論的發(fā)展歷程舉例:液位自動控制系統(tǒng)目標液位大腦手臂,手—放大器M+§1-2控制系統(tǒng)的基本概念一、基本術語自動控制：在沒有人的直接干預下，利用物理裝置對生產設備和工藝過程進行合理的控制，使被控制的物理量保持恒定或按一定的規(guī)律變化。如液位，爐溫，軋輥輥速，帶鋼張力等控制。自動控制系統(tǒng)：為實現(xiàn)某一控制目標，所需要的所有物理部件的有機組合稱為自動控制系統(tǒng)?！?-2控制系統(tǒng)的基本概念§1-2控制系統(tǒng)的基本概念控制對象：（被控對象、調節(jié)對象、對象）是指被控的設備或過程。被控制量：（被調參數(shù)、輸出量）是指被控制的物理量。常常是表征設備或過程的運行情況或狀態(tài)，且需要加以控制的參數(shù)給定信號：（參考輸入量）設定的與被控參數(shù)期望值成比例的信號，其作用是為了保證輸出量達到所要求的目標（上例中的水槽）（上例中的實際液位）。（上例中要求的液位）?！?-2控制系統(tǒng)的基本概念擾動信號：（擾動輸入量）是一種妨礙被控參數(shù)達到期望值的外部作用。對系統(tǒng)工作不利。（上例中的排水量）測量信號：檢測儀表的輸出經變送器變換后的與被控信號實際值成比例的信號。偏差信號：給定信號與測量信號的差值信號。執(zhí)行機構：傳動機構+調節(jié)機構控制對象被控制量目標液位給定信號擾動信號測量信號偏差信號執(zhí)行機構液位自動控制系統(tǒng)—放大器M+§1-2控制系統(tǒng)的基本概念§1-2控制系統(tǒng)的基本概念上例中，將系統(tǒng)按基本組成部分分解：水槽注水閥減速器電動機放大器電位器浮子輸入輸出給定信號被控量測量信號F被控對象擾動信號偏差信號執(zhí)行機構二、控制系統(tǒng)傳遞方框圖（二）傳遞方框圖：將構成系統(tǒng)的所有環(huán)節(jié)用有向線段連接起來所構成的系統(tǒng)結構圖。有向線段：表示信號傳遞，指向環(huán)節(jié)的作用線表示輸入；背向環(huán)節(jié)的作用線表示輸出。測量信號與給定信號通過相加點疊加，符號代表信號的極性。整個系統(tǒng)的輸出為被控參數(shù)；整個系統(tǒng)的輸入為給定信號或擾動信號。（一）環(huán)節(jié)：構成系統(tǒng)的基本組成部分。用一個方塊表示。§1-2控制系統(tǒng)的基本概念信號傳遞單向性；作用線只表示信號的傳遞方向，不表示物流方向；方框圖可簡可繁；盡管實際控制系統(tǒng)元器件各不相同，但概括起來，一般都應包括以下幾個基本環(huán)節(jié)：（三）關于傳遞方框圖的幾點說明給定環(huán)節(jié)§1-2控制系統(tǒng)的基本概念給定環(huán)節(jié)設定被控量的給定值,如電位器,自整角機等模擬信號,還有精度更高的數(shù)字給定裝置。（三）關于傳遞方框圖的幾點說明給定環(huán)節(jié)比較環(huán)節(jié)§1-2控制系統(tǒng)的基本概念比較環(huán)節(jié)將檢測到的被控量與給定量比較得到偏差信號,該信號功率較小或物理性質不同,不能直接作用執(zhí)行機構,需要性能比較增加中間環(huán)節(jié)3、4。（三）關于傳遞方框圖的幾點說明給定環(huán)節(jié)比較環(huán)節(jié)校正環(huán)節(jié)§1-2控制系統(tǒng)的基本概念校正環(huán)節(jié)

是為改善系統(tǒng)動態(tài)品質或穩(wěn)態(tài)性能而加入的裝置,他可以對偏差信號按照某種規(guī)律進行運算.比例、積分、微分等。（三）關于傳遞方框圖的幾點說明給定環(huán)節(jié)比較環(huán)節(jié)校正環(huán)節(jié)放大環(huán)節(jié)§1-2控制系統(tǒng)的基本概念放大環(huán)節(jié)

將偏差信號轉換成適合于執(zhí)行器工作的信號(功放,SCR)。注意:2、3、4合為一體→控制器。（三）關于傳遞方框圖的幾點說明給定環(huán)節(jié)比較環(huán)節(jié)校正環(huán)節(jié)放大環(huán)節(jié)執(zhí)行機構§1-2控制系統(tǒng)的基本概念（三）關于傳遞方框圖的幾點說明給定環(huán)節(jié)比較環(huán)節(jié)校正環(huán)節(jié)放大環(huán)節(jié)執(zhí)行機構被控對象執(zhí)行機構

直接作用于控制對象（調節(jié)機構、傳動裝置、電機）§1-2控制系統(tǒng)的基本概念控制對象

要控制的機器,設備,或生產過程(水槽→控制量水位；爐體→爐溫；軋輥→輥速壓下量......)。（三）關于傳遞方框圖的幾點說明給定環(huán)節(jié)比較環(huán)節(jié)校正環(huán)節(jié)放大環(huán)節(jié)執(zhí)行機構被控對象檢測裝置§1-2控制系統(tǒng)的基本概念檢測裝置

檢測被控制量并轉換成與給定量同物理量信號，要求：精度高、反映靈敏、性能穩(wěn)定的傳感器(光電碼盤、熱電偶等)。（三）關于傳遞方框圖的幾點說明給定環(huán)節(jié)比較環(huán)節(jié)校正環(huán)節(jié)放大環(huán)節(jié)執(zhí)行機構被控對象檢測裝置§1-2控制系統(tǒng)的基本概念主反饋：輸出量引回到輸入端的反饋為主反饋。局部反饋：在正向通道里，后面環(huán)節(jié)的輸出對前面環(huán)節(jié)的返回影響稱為局部反饋。1275634輸入輸出注意：主反饋一定是負反饋，局部反饋可正可負?！?-2控制系統(tǒng)的基本概念綜上所述，控制系統(tǒng)的工作原理可歸納如下：（1）通過測量元件檢測輸出量的實際值。（2）將輸出量的實際值與給定值進行比較，得到偏差信號。（3）用偏差產生控制調節(jié)作用去消除偏差。注意，研究控制系統(tǒng)應首先解決以下四個問題。（1）控制目的（2）受控對象（3）被控制量（4）輸出信號的檢測§1-2控制系統(tǒng)的基本概念三、控制系統(tǒng)舉例（1）人手拿書（2）汽車行駛的位置控制（3）溫度自動控制系統(tǒng)，例如空凋、冰箱。§1-2控制系統(tǒng)的基本概念直流電動機閉環(huán)調速系統(tǒng)KnDnCF§1-2控制系統(tǒng)的基本概念控制系統(tǒng)的種類很多，在實際工程中，可以從不同角度對控制系統(tǒng)進行分類。一、開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)和復合控制系統(tǒng)（一）開環(huán)控制系統(tǒng)概念:如果控制系統(tǒng)的輸出量對系統(tǒng)沒有控制作用,這種系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng).輸出輸入控制器被控對象例§1-3控制系統(tǒng)的分類舉例：爐溫控制系統(tǒng)特點：本系統(tǒng)的輸入量是自耦變壓器的輸出電壓uc，輸出量是電阻爐的輸出溫度T；u唯一對應T；電阻爐的輸出溫度T對自耦變壓器的輸出電壓uc沒有控制作用。一、開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)（二）閉環(huán)控制系統(tǒng)上例：爐溫控制系統(tǒng)

1-熱電偶;2-加熱器M~220V12當加熱物件增多時，系統(tǒng)溫度調節(jié)過程如下：經電壓放大電動機正轉電位器放大器電動機減速器變壓器電阻爐熱電偶一、開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)概念:

利用檢測儀表將系統(tǒng)輸出檢測出來,經物理量的轉換后,饋送到系統(tǒng)的輸入端與給定信號比較(相減)得到偏差信號,并利用偏差信號經控制器對控制對象進行控制,抑制擾動對輸出量的影響,減小輸出量的誤差。測量信號給定信號被控制量控制器執(zhí)行機構控制對象檢測儀表反饋控制系統(tǒng)偏差控制系統(tǒng)一、開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)的比較：（1）不論是開環(huán)控制系統(tǒng)還是閉環(huán)控制系統(tǒng)，輸入量和輸出量之間都存在一一對應關系。（2）對于開環(huán)控制系統(tǒng)，只有輸入量對輸出量產生控制作用；從結構上看，只有正向通道或前向通道；不具備抗干擾能力。

對于閉環(huán)控制系統(tǒng)，輸出量也參與了控制；從結構上看，除了正向通道外，還必須有反饋通道；具有抗干擾能力。一、開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)（4）開環(huán)控制系統(tǒng)的控制精度較低。

閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制精度較高。

（3）閉環(huán)控制系統(tǒng)必須有檢測環(huán)節(jié)和比較環(huán)節(jié)。

因為要實現(xiàn)閉環(huán)控制必須把輸出量檢測出來并轉換成與輸入量相同的物理量，再與輸入量比較得到偏差信號。開環(huán)控制系統(tǒng)不需要這些環(huán)節(jié)，所以，它結構簡單。開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)的比較：一、開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)是一種依偏差控制的系統(tǒng)，只要偏差存在，控制作用就存在，控制的目的是減小甚至消除偏差。1.前饋控制當系統(tǒng)受到的擾動信號可以測量時,可根據擾動信號的大小對控制作用作相應補償,以提高系統(tǒng)精度。這種按開環(huán)補償原則建立起來的系統(tǒng)成為開環(huán)補償系統(tǒng)或前饋控制。（三）復合控制系統(tǒng)一、開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)按給定補償?shù)那梆伩刂瓢磾_動補償?shù)那梆伩刂戚斎肓垦a償器控制器被控對象輸出量輸出量輸入量控制器被控對象F補償器++一、開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)仍然屬于開環(huán)控制，和反饋控制相結合構成復合控制系統(tǒng)。補償器控制器被控對象+檢測裝置控制器被控對象F補償器+檢測裝置一、開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)(一)線性控制系統(tǒng)若組成控制系統(tǒng)的各元器件的輸入/輸出特性均為線性的，即為線性控制系統(tǒng)。

二、線性與非線性控制系統(tǒng)按組成控制系統(tǒng)的各元器件的輸入輸入/輸出特性分類：線性元件可用線性微分方程或差分方程來描述。（a）結構圖（b）特性圖線性控制系統(tǒng)按微（差）分方程不同可分類：①線性定常(時不變)系統(tǒng)

描述系統(tǒng)運動規(guī)律的微(差)分方程的系數(shù)不隨時間變化。②線性時變系統(tǒng)

描述系統(tǒng)運動規(guī)律的微(差)分方程的系數(shù)隨時間變化。線性控制系統(tǒng)具有顯著特征，滿足

疊加原理；齊次定理二、線性與非線性控制系統(tǒng)上述微分方程，x(t)為輸入量，y(t)為輸出量；輸入、輸出量及其各階導數(shù)均為一次冪；各系數(shù)均與輸入量(自變量)x(t)無關；若各系數(shù)均為常數(shù)則為線性定常系統(tǒng)。二、線性與非線性控制系統(tǒng)線性定?？刂葡到y(tǒng)是我們研究控制理論的基礎與重點。(二)非線性控制系統(tǒng)定義：組成系統(tǒng)的元器件中至少有一個的輸入/輸出特性是非線性的。典型非線性環(huán)節(jié)特性如下圖a.繼電器b.飽和c.不靈敏區(qū)(死區(qū))０００二、線性與非線性控制系統(tǒng)若非線性輸入輸出特性上存在間斷點、折斷點、或非單值,稱為本質非線性；否則為非本質非線性。非本質非線性可在一定信號變化范圍(小信號)內線性化。本質非線性只能定性描述和數(shù)值計算。非線性理論還遠不成熟,客觀講,實際系統(tǒng)都是非線性的,只是在誤差允許范圍內可進行線性處理。特點：暫態(tài)過程與初始條件有關,直接影響其穩(wěn)定性。二、線性與非線性控制系統(tǒng)三、連續(xù)離散控制系統(tǒng)(一)連續(xù)系統(tǒng)

若系統(tǒng)各組成環(huán)節(jié)的輸入輸出信號都是時間的連續(xù)函數(shù),則為連續(xù)系統(tǒng),可用微分方程描述.(二)離散系統(tǒng)環(huán)節(jié)中有一個是以離散信號為輸入或輸出的即是.離散信號在離散瞬時有意義.離散信號可以通過采樣開關對連續(xù)信號采樣得到信號以脈沖序列或數(shù)碼形勢傳遞.離散(采樣)控制系統(tǒng)通常用差分方程描述.按控制系統(tǒng)中信號的不同形式分類：四、恒值、隨動及程序控制系統(tǒng)1.恒值控制系統(tǒng):輸入給定值為常值.要求輸出量盡可能保持在期望值上。如恒溫、恒壓、恒速系統(tǒng).2.隨動控制系統(tǒng):給定值隨時間任意變化,要求輸出量準確或以一定的精度跟隨輸入量的變化。如雷達、導彈瞄準、過程控制的副回路、跟蹤衛(wèi)星的雷達天線控制系統(tǒng)等。3.程序控制系統(tǒng):給定量按照預先設定的時間函數(shù)變化,要求輸出量準確或以一定的精度跟蹤變化。如程控機床.按控制系統(tǒng)中輸入信號的不同形式分類：例

船舶駕駛舵角位置跟蹤系統(tǒng)。試分析其工作原理，并畫出系統(tǒng)結構圖。電壓放大器功率放大器船舵電動機減速器反饋連接電位器組船舶舵角位置跟蹤系統(tǒng)操縱桿船舶舵角位置跟蹤系統(tǒng)的原理結構圖操縱桿電位器組電壓放大器功率放大器電動機減速器船舵§1-4自動控制系統(tǒng)的性能指標當擾動出現(xiàn)時（或給定量發(fā)生變化時），輸出量將偏離原來的穩(wěn)定值，由于反饋作用的存在，通過自動調節(jié)，系統(tǒng)又回到（或接近于）原來的穩(wěn)定值（或跟隨新的給定值）穩(wěn)定下來。如圖。一.穩(wěn)定性txc(t)0擾動這種系統(tǒng)是穩(wěn)定的。另外有的系統(tǒng)，輸出量不會回到原來的穩(wěn)定值上而且離原穩(wěn)定值越來越遠，如圖。顯然，要達到控制目標，系統(tǒng)必須是穩(wěn)定的?！?-4自動控制系統(tǒng)的性能指標txc(t)0擾動這種系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。二.系統(tǒng)的狀態(tài)行為

是指輸出量受輸入量的影響在時間方向上表現(xiàn)出來的不同狀態(tài)。

具體的講是指當擾動量或給定量的變化規(guī)律發(fā)生變化時,輸出量偏離輸入量,其產生的偏差經反饋作用,使系統(tǒng)經歷一個短暫的過渡過程,又將趨于原來給定量或按照新的給定值穩(wěn)定下來.即系統(tǒng)經歷了由原來平衡狀態(tài)過渡到新的平衡狀態(tài)的過程,這里,我們把控制量(輸出)處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)稱為靜態(tài)或穩(wěn)態(tài),而把控制量處于變化狀態(tài)的過程稱為動態(tài)或暫態(tài),瞬態(tài).§1-4自動控制系統(tǒng)的性能指標tx1x2y1y2穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)）暫態(tài)（動態(tài)）§1-4自動控制系統(tǒng)的性能指標三.穩(wěn)態(tài)性能

描述了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時的穩(wěn)定程度。用穩(wěn)態(tài)誤差表示,它是指系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)時輸出量的實際值與期望值(給