第一章 自动控制原理 绪论.ppt

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1、自动控制原理B信息工程学院自动化系1课程基本情况课程基本情况学时学时:60学时学时 讲课讲课52学时学时 实验实验8学时学时 教材：教材：自动控制原理自动控制原理 薛安克主编薛安克主编 西安电子科技大学出西安电子科技大学出 版社版社 实验：模拟实验（自动化实验室）实验：模拟实验（自动化实验室）作业：作业：每周交一次每周交一次 教师：刘志鸿教师：刘志鸿 期末考试（笔试）期末考试（笔试）参考书目：自动控制原理（第四版）参考书目：自动控制原理（第四版）胡寿松主编胡寿松主编 科学出版社科学出版社2第一章第一章 绪论绪论 第二章第二章 线性系统的数学描述线性系统的数学描述 第三章第三章 线性系统的时域分

2、析法线性系统的时域分析法 第四章第四章 根轨迹法根轨迹法 第五章第五章 频率响应法频率响应法 第六章第六章 线性系统的校正方法线性系统的校正方法 第七章第七章 数字控制系统分析基础数字控制系统分析基础 第八章第八章 非线性控制系统分析非线性控制系统分析 第九章第九章 状态空间系统响应、状态空间系统响应、可控性与可观性可控性与可观性 第十章第十章 线性反馈系统的时间域综合线性反馈系统的时间域综合 第十一章第十一章 李亚普诺夫稳定性分析李亚普诺夫稳定性分析 目目 录录 3第一章 绪论 1.1 自动控制系统简介 自动控制自动控制是指在没有人直接参与的情况下是指在没有人直接参与的情况下,利用外加的利用

3、外加的设备或装置设备或装置(称控制装置或控制器称控制装置或控制器),),使机器、使机器、设备或生产设备或生产过程过程(统称被控对象统称被控对象)的某个工作状态或参数的某个工作状态或参数(即被控量即被控量)自自动地按照预定的规律运行动地按照预定的规律运行。系统系统是指按照某些规律结合在一起的物体是指按照某些规律结合在一起的物体(元部件元部件)的组合的组合,它们相互作用、相互依存它们相互作用、相互依存,并能完成一定的任务。能够实现并能完成一定的任务。能够实现自动控制的系统就可称为自动控制的系统就可称为自动控制系统自动控制系统。4 眼 手 脑 传感器 执行器 控制器 给定 人脑手水箱系统眼h 控制器

4、 执行器 水箱系统 传感器 h 5几个基本概念：几个基本概念：被控制的装置、物理系统或过程称为被控制的装置、物理系统或过程称为被控对象被控对象。对控制对象产生控制作用的装置称为对控制对象产生控制作用的装置称为控制器控制器,有时也称为有时也称为 控制元件控制元件、调节器调节器等。等。在控制系统中被控制的物理量是在控制系统中被控制的物理量是被控变量。被控变量。直接改变被控变量的元件称为直接改变被控变量的元件称为执行元件。执行元件。能够将一种物理量检测出来并转化成另一种容易处理能够将一种物理量检测出来并转化成另一种容易处理和使用的物理量的装置称为和使用的物理量的装置称为传感器或测量元件传感器或测量元

5、件。6 一个典型的反馈控制系统基本组成可用如下方块图表示：一个典型的反馈控制系统基本组成可用如下方块图表示：测量元件 串联校正 反馈校正执行元件 放大元件 被控对象 局部反馈 主反馈 7 控制器的输出信号称为控制器的输出信号称为控制变量控制变量,它作用在控制对象它作用在控制对象(执行执行 元件、功率放大器元件、功率放大器)上上,影响和改变被控变量。影响和改变被控变量。反馈信号反馈信号是被控变量经传感器等元件变换并返回到输入端是被控变量经传感器等元件变换并返回到输入端 的信号的信号,一般与被控变量成正比。一般与被控变量成正比。给定值给定值又称为指令输入信号又称为指令输入信号,它与被控变量是同一物

6、理它与被控变量是同一物理 单位单位,用来表示被控变量的设定值。用来表示被控变量的设定值。参考输入信号与反馈信号之差称为参考输入信号与反馈信号之差称为偏差信号。偏差信号。扰动信号扰动信号是加于系统上的不希望的外来信号是加于系统上的不希望的外来信号,它对被控变它对被控变 量产生不利的影响。量产生不利的影响。81.2 1.2 自动控制系统分类自动控制系统分类 1.2.1 开环控制和闭环控制开环控制和闭环控制 开环控制系统是一种最简单的控制系统开环控制系统是一种最简单的控制系统,在控制器和在控制器和控制对象间只有控制对象间只有正向控制作用正向控制作用,系统的输出量不会对控系统的输出量不会对控制器产生任

7、何影响。制器产生任何影响。开环控制系统一般适合于干开环控制系统一般适合于干扰不强或可预测的、扰不强或可预测的、控制控制精度要求不高的场合。精度要求不高的场合。9 在闭环控制系统中在闭环控制系统中,需要对系统输出不断地进行测量、变需要对系统输出不断地进行测量、变换并反馈到系统的控制端与参考输入信号进行比较换并反馈到系统的控制端与参考输入信号进行比较,产生偏差产生偏差信号信号,实现实现按偏差控制按偏差控制，因此闭环控制又称为反馈控制。因此闭环控制又称为反馈控制。如果将反馈环节取得的实际输出信号加以处理如果将反馈环节取得的实际输出信号加以处理,并在输并在输入信号中减去这个反馈量入信号中减去这个反馈量

8、,再将结果输入到控制器中去控再将结果输入到控制器中去控制被控对象制被控对象,这样的反馈称为这样的反馈称为负反馈负反馈。控制器反馈装置偏差量控制量控制对象输出量输入量101.2.2 1.2.2 线性控制系统和非线性控制系统线性控制系统和非线性控制系统 在在线性控制系统线性控制系统中中,组成控制系统的元件都具有线组成控制系统的元件都具有线性特性。性特性。这种系统的输入这种系统的输入/输出关系一般可以用微分方输出关系一般可以用微分方程、差分方程或传递函数等来描述程、差分方程或传递函数等来描述,也可以用状态空间也可以用状态空间表达式来表示。线性系统的主要特点是具有齐次性和适表达式来表示。线性系统的主要

9、特点是具有齐次性和适用叠加原理。用叠加原理。在控制系统中在控制系统中,若至少有一个元件具有非线性特性若至少有一个元件具有非线性特性,则称该系统为则称该系统为非线性控制系统非线性控制系统。非线性系统一般不具有。非线性系统一般不具有齐次性齐次性,也不适用叠加原理也不适用叠加原理,而且它的输出响应和稳定性而且它的输出响应和稳定性与输入信号和初始状态有很大关系。与输入信号和初始状态有很大关系。111.2.3 1.2.3 定值控制系统、定值控制系统、伺服系统和程序控制系统伺服系统和程序控制系统 定值控制系统定值控制系统的输入信号是恒值的输入信号是恒值,要求被控变量保持相要求被控变量保持相对应的数值不变。

10、对应的数值不变。伺服系统伺服系统的输入信号是变化规律未知的任意时间函数的输入信号是变化规律未知的任意时间函数,系统的任务是使被控变量按照同样规律变化并与输入信系统的任务是使被控变量按照同样规律变化并与输入信号的误差保持在规定的范围内号的误差保持在规定的范围内 程序控制系统程序控制系统中的输入信号是按已知的规律中的输入信号是按已知的规律(事先规事先规定的程序定的程序)变化的变化的,要求被控变量也按相应的规律随输入要求被控变量也按相应的规律随输入信号变化信号变化,误差不超过规定值。误差不超过规定值。121.2.4 1.2.4 连续控制系统和离散控制系统连续控制系统和离散控制系统 控制系统中各部分的

11、信号若都是时间控制系统中各部分的信号若都是时间t的连续函数的连续函数,则则称这类系统为称这类系统为连续控制系统连续控制系统。在控制系统各部分的信号中只要有一个是时间在控制系统各部分的信号中只要有一个是时间t的离散的离散信号信号,则称这类系统为则称这类系统为离散控制系统离散控制系统。131.3 1.3 自动控制理论的发展历史自动控制理论的发展历史发展初期以反馈理论为基础的自动调节原理，主要用于工业控制。发展中期（二战前后）形成以传递函数为基础的经典控制理论，主要研究单输入单输出，线性定常系统的分析与控制。20世纪60年代形成以状态空间法为基础的现代控制理论，主要研究多变量、时变系统的分析与控制。

12、20世纪80年代以后研究最优控制、智能控制、大系统控制、非线性系统等141.4 1.4 工程控制问题的基本要求工程控制问题的基本要求1.稳定性稳定性 稳定性是保证控制系统正常工作的稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件先决条件,是控制系是控制系统的重要特性。统的重要特性。所谓稳定性是指控制系统偏离平衡状态后所谓稳定性是指控制系统偏离平衡状态后,自动恢复到平衡状态的能力。自动恢复到平衡状态的能力。2.准确性准确性 准确性就是要求被控量和设定值之间的误差达到所要准确性就是要求被控量和设定值之间的误差达到所要求的精度范围。准确性反映了系统的求的精度范围。准确性反映了系统的稳态精度稳态精度,通常控通常控制系统的稳态精度可以用稳态误差来表示。制系统的稳态精度可以用稳态误差来表示。3.快速和平稳性快速和平稳性15小小 结结 本章主要讨论了四个方面的内容本章主要讨论了四个方面的内容:1自动控制系统的有关基本概念自动控制系统的有关基本概念 2自动控制系统的不同分类方法自动控制系统的不同分类方法 3自动控制理论的发展历史自动控制理论的发展历史 4工程控制问题的基本要求工程控制问题的基本要求16