自动控制原理课件(精)1.ppt

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1、自动控制原理Principle of Automatic Control主讲人:徐梅淮南联合大学机电系2007年4月第一章第一章 绪论绪论第二章第二章 控制系统的数学模型控制系统的数学模型第三章第三章 控制系统的时域分析控制系统的时域分析第四章第四章 根轨迹法根轨迹法第五章第五章 线性系统的频域分析线性系统的频域分析第六章第六章 线性系统的校正方法线性系统的校正方法第七章第七章 线性离散控制系统线性离散控制系统第八章第八章 非线性系统理论非线性系统理论自动控制原理自动控制原理课程的性质和特点课程的性质和特点自动控制是一门技术学科，从方法论的角度来研究系统的自动控制是一门技术学科，从方法论的角度

2、来研究系统的建立、分析与设计。建立、分析与设计。自动控制原理自动控制原理是本学科的技术基础课，是本学科的技术基础课，（1 1）自动控制理论的基础课程）自动控制理论的基础课程 ，该课程与其它课程的关系，该课程与其它课程的关系自动控制理论自动控制理论电机与拖动模拟电子技术线性代数微积分（含微分方程）复变函数、拉普拉斯变换电路理论大学物理（力学、热力学）信号与系统（2 2 2 2）自动控制理论已经发展为理论严密、系统完整、逻自动控制理论已经发展为理论严密、系统完整、逻自动控制理论已经发展为理论严密、系统完整、逻自动控制理论已经发展为理论严密、系统完整、逻辑辑辑辑 性很强的一门学科。从基本反馈控制原理

3、发展到：自适性很强的一门学科。从基本反馈控制原理发展到：自适性很强的一门学科。从基本反馈控制原理发展到：自适性很强的一门学科。从基本反馈控制原理发展到：自适应控制、优化控制、鲁棒控制、大系统控制、智能控制应控制、优化控制、鲁棒控制、大系统控制、智能控制应控制、优化控制、鲁棒控制、大系统控制、智能控制应控制、优化控制、鲁棒控制、大系统控制、智能控制讨论的对象：因果系统讨论的对象：因果系统 、工程系统、工程系统系统的广义性：经济、社会、工程、生物、环系统的广义性：经济、社会、工程、生物、环境、医学境、医学 课程特点：研究系统的共性问题课程特点：研究系统的共性问题实际实际系统系统物理物理模型模型数学

4、数学模型模型方法（系统组成方法（系统组成分析、设计分析、设计第一章第一章 绪论绪论1.1 引言1.2 控制系统的一般概念1.3 控制系统的性能指标5 51.1 引言引言1.1.1 自动控制技术及其应用自动控制技术及其应用在现代科学技术的众多领域中，自动控制技术起着越来越重要的作用。如数控车床按预定程序自动切削，人造卫星准确进入预定轨道并回收等。除了在工业上广泛应用外，近几十年来，随着计算机技术的发展和应用，在宇航、机器人控制、导弹制导及核动力等高新技术领域中，自动控制技术更具特别重要的作用。不仅如此，自动控制技术的应用范围现在已扩展到生物、医学、环境、经济管理和其它许多社会生活领域中，自动控制

5、已成为现代社会生活中不可缺少的一部分。v自自动动控控制制：在在没没有有人人直直接接参参与与的的情情况况下下，利利用用外外加加的的设设备备或或装装置置（控控制制装装置置），使使机机器器、设设备备或或生生产产过过程程（控控制制对对象象）的的某某个个工工作作状状态态或或参参数数（被控量）自动地按照预定的规律运行。（被控量）自动地按照预定的规律运行。v自自动动控控制制系系统统：是是指指能能够够对对被被控控对对象象的的工工作作状状态态进进行行自自动动控控制制的的系系统统。它它一一般般由由控控制制装装置置和和被被控控对对象象组组成成。被被控控制制对对象象是是指指那那些些要要求求实实现现自自动动控控制制的的

6、机机器器、设设备备或或生生产产过过程程。控控制制装装置置是是指指对对被被控控对对象象起起控制作用的设备总体控制作用的设备总体。1.1.2 1.1.2 1.1.2 1.1.2 自动控制理论的发展自动控制理论的发展自动控制理论的发展自动控制理论的发展自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。既是一门古老的、已臻成熟的学科，又是一门正在发展的、具有 强 大 生 命 力 的 新 兴 学 科。从 1868年 马 克 斯 威 尔（J.C.Maxwell）提出低阶系统稳定性判据至今一百多年里，自动控制理论的发展可分为四个主要阶段：第一阶段：经典控制理论（或古典控制理论）的产生、发展和成熟；第二阶段：现代

7、控制理论的兴起和发展；第三阶段：大系统控制兴起和发展阶段；第四阶段：智能控制发展阶段。自动控制的发展简史控制理论是关于控制系统建模、分析和综合的一般理论，也可看作是控制系统的应用数学分支。但它不同于数学，是一门技术科学。控制理论的发展是与控制技术的发展密切相关的。根据自动控制理论的发展历史，大致可分为以下四个阶段：(一)经典控制理论阶段形成完整的自动控制理论体系，是在20纪40年代末。现在该理论已经成熟，在工程实践中得到了广泛的应用。1868年麦克斯韦尔(J.C.Maxwell)基于微分方程描述从理论上给出了它的稳定性条件。1877年劳斯(E.J.Routh)以及1895年霍尔维茨(A.Hur

8、witz)分别独立给出了高阶线性系统的稳定性判据；另一方面，1892年，李雅普诺夫(A.M.Lyapunov)给出了非线性系统的稳定性判据。1922年米罗斯基(N.Minorsky)给出了位置控制系统的分析，并对PID三作用控制给出了控制规律公式。1932年奈奎斯特(Nyquist)提出了负反馈系统的频率域稳定性判据，这种方法只需利用频率响应的实验数据，不用导出和求解微分方程。1940年，波德(H.Bode)进一步研究通信系统频域方法，提出了频域响应的对数坐标图描述方法。频域分析法主要用于描述反馈放大器的带宽和其他频域指标。但它只适应单变量线性定常系统，又对系统内部状态缺少了解，且复数域方法研

9、究时域特性，得不到精确的结果，这是其缺点。(二)现代控制理论阶段由于航天事业和电子计算机的迅速发展，20世纪60年代初，在原有“经典控制理论”的基础上，又形成了所谓的“现代控制理论”，这是人类在自动控制技术认识上的一次飞跃。随着人造卫星的发展和太空时代的到来和其他一些因素，为导弹和太空卫星设计高精度复杂的控制系统变得必要起来。因而，重量小控制精度高的系统使最优控制变得重要起来。由于这些原因，时域手段也发展起来。状态空间方法属于时域方法，其核心是最优化技术。它以状态空间描述（实质上是一阶微分或差分方程组）作为数学模型，利用计算机作为系统建模分析、设计乃至控制的手段，适应于多变量、非线性、时变系统

10、。它不但在航空、航天、制导与军事武器控制中有成功的应用，在工业生产过程控制中也得到逐步应用。(三)大系统控制理论阶段20世纪70年代开始，一方面现代控制理论继续向深度和广度发展，出现了一些新的控制方法和理论。如（1）现代频域方法；（2）自适应控制理论和方法；（3）鲁棒控制方法；（4）预测控制方法。另一方面随着控制理论应用范围的扩大，从个别小系统的控制，发展到若干个相互关联的子系统组成的大系统进行整体控制，从传统的工程控制领域推广到包括经济管理、生物工程、能源、运输、环境等大型系统以及社会科学领域，人们开始了对大系统理论的研究。大系统理论是过程控制与信息处理相结合的综合自动化理论基础，是动态的系

11、统工程理论，具有规模庞大、结构复杂、功能综合、目标多样、因素众多等特点。它是一个多输入、多输出、多干扰、多变量的系统。大系统理论目前仍处于发展和开创性阶段。(四)智能控制阶段这是近年来新发展起来的一种控制技术，是人工智能在控制上的应用。智能控制的概念和原理主要是针对被控对象、环境、控制目标或任务的复杂性提出来的，它的指导思想是依据人的思维方式和处理问题的技巧，解决那些目前需要人的智能才能解决的复杂的控制问题。被控对象复杂性体现为：模型的不确定性，高度非线性，分布式的传感器和执行器，动态突变，多时间标度，复杂的信息模式，庞大的数据量，以及严格的特性指标等。而环境的复杂性则表现为变化的不确定性和难

12、以辨识。智能控制是从“仿人”的概念出发的。一般认为，其方法包括模糊控制，神经元网络控制，专家控制等方法。1.2控制系统的一般概念 开环控制是指系统的被控制量（输出量）只受控于控制作用，而对控制作用不能反施任何影响的控制方式。采用开环控制的系统称为开环控制系统。1.21.2.1 开环控制与闭环控制开环控制与闭环控制开环控制开环控制 闭环控制闭环控制 闭环控制是指系统的被控制量（输出量）与控制作用之间存在着负反馈的控制方式。采用闭环控制的系统称为闭环控制系统或反馈控制系统。反馈的概念反馈的概念反馈的概念反馈的概念v反反馈馈：把输出量送回到系统的输入端并与输入信号比较的过程。若反馈信号是与输入信号相

13、减而使偏差值越来越小，则称为负反馈；反之，则称为正反馈。显然，负反馈控制是一个利用偏差进行控制并最后消除偏差的过程，又称偏差控制。同时，由于有反馈的存在，整个控制过程是闭合的，故也称为闭环控制。方框图的概念方框图的概念方框图的概念方框图的概念 v方框方框 控制装置和被控对象分别用方框表示v信号线信号线 方框的输入和输出以及它们之间的联接用带箭头的信 号线表示v输入信号输入信号 进入方框的信号v输出信号输出信号 离开方框的信号信号线方框信号线输入信号输出信号开环控制系统方框图开环控制系统方框图控制装置被控对象输入量输出量（被控制量）输入量：加在电阻丝两端的电压被控制对象：炉子被控制量（输出量）：

14、炉温控制装置：开关K和电热丝，对被控制量起控制作用。温度计继电器电阻丝炉温 输入量（炉温希望值）输出量（炉温实际值）扰动闭环控制方框图闭环控制方框图开环和闭环控制系统的特点开环和闭环控制系统的特点v开开环环系系统统：结构简单，稳定性好，容易设计和调整以及成本较低的优点，但控制精度较低。对那些负载恒定，扰动小，控制精度要求不高的实际系统，是有效的控制方式。v闭闭环环系系统统：由于增加了检测装置和反馈环节，结构较复杂，成本有所增加；但它提高了系统的控制精度和抗干扰能力；同时负反馈对系统稳定性产生不利影响。反馈控制系统方框图1.2.2 1.2.2 1.2.2 1.2.2 反馈控制系统的组成、名词术语

15、和定义反馈控制系统的组成、名词术语和定义反馈控制系统的组成、名词术语和定义反馈控制系统的组成、名词术语和定义参考输入参考输入r r 输入到控制系统中的指令信号；主反馈主反馈b b 与输出成正比或某种函数关系且与参考输入量纲相同的 反馈信号；偏差偏差e e 参考输入与主反馈之差，即e=r-b;控制量控制量u u 从控制器输出并作用于被控制对象的信号；扰动扰动n n 来自系统内部或外部，对系统输出产生不利影响的信号；输出输出c c 反馈控制系统的被控制量，即被控制对象的输出量；比较环节比较环节 将参考输入与主反馈信号进行比较的环节，它的输出等 于参考输入与主反馈信号的差值，即偏差e,比较环节又 称

16、为偏差检测器；控制器控制器 用来对被控制对象施加控制作用的装置；控制对象控制对象 被控制的机器、设备、过程或系统；反馈环节反馈环节 将输出量转化为主反馈信号的装置，反馈环节中通常含 有信号检测装置。1.2.3 1.2.3 1.2.3 1.2.3 反馈控制系统的分类反馈控制系统的分类反馈控制系统的分类反馈控制系统的分类恒值系统和随动系统（按参考输入形式分类）恒值系统和随动系统（按参考输入形式分类）线性系统和非线性系统（按照组成系统的元件特性分类）连续系统和离散系统（按照系统内信号的传递形式分类）1.3 1.3 控制系统的性能指标控制系统的性能指标对控制系统性能的要求概括为三方面稳定性 控制系统运

17、行的必要条件，不稳定的系统是不能工作的稳态性能 过渡过程结束，到达稳态后系统的控制精度的度量瞬态性能 系统动态响应的快速性，系统的过渡过程越短越好 稳定性稳定性 系统在受到扰动作用后自动返回原来的平衡状态的能力。如果系统受到扰动作用（系统内或系统外）后，能自动返回到原来的平衡状态，则该系统是稳定的。稳定系统的数学特征是其输出量具有非发散性；反之，系统是不稳定系统。稳态误差稳态误差 指稳定系统在完成过渡过程后的稳态输出偏离希望值的程度。开环控制系统的稳态误差通常与系统的增益或放大倍数有关，而反馈控制系统（闭环系统）的控制精度主要取决于它的反馈深度。稳态误差越小，系统的精度越高，它由系统的稳态响应反映出来。瞬态响应指标瞬态响应指标 在时域中，常用单位阶跃信号作用下，系统输出的超调量p,上升时间Tr，峰值时间Tp,过渡过程时间（或调整时间）Ts和振荡次数N等特征量表示。单位阶跃信号作用下，稳定系统的典型输出响应曲线