自动控制原理课件

所在院系：机电工程学院电子系授课教师：曾玮办公地点：福煤楼C栋306手机：[phone]电子邮箱：[e-mail]自动控制原理(AutomaticControlTheory)学时/学分：54+8/3+0.5课程性质：考试课/专业必修课教学内容：理论课+实验课（3~4个Matlab仿真实验，地点在福煤楼C405/407）考核形式：平时成绩（30%）+期末考试（70%）平时成绩：实验、考勤、作业、课堂提问等。三次考勤未到，取消平时成绩！考试形式：闭卷笔试参考书目：1.王敏，秦肖臻编。自动控制原理。北京：化学工业出版社，20032.孙德宝主编。自动控制原理。北京：化学工业出版社，20023.胡寿松主编。自动控制原理。第三版。北京：国防工业出版社，19944.王划一主编。自动控制原理。北京：国防工业出版社，2001先修课程：高数、模电、数电、信号与系统、Matlab等后续对接课程：PLC原理及应用、毕业设计等常用数学工具：微分方程求解、Laplace变换及其反变换、线性代数等课程目的、特色及其应用：帮助大家建立起研发过程中如何分析系统、设计系统及调试系统的思维提供给大家的是一种理念，一种分析问题、解决问题的思路通常具备建立数学模型并进行求解的必要流程，对数学有一定的要求是一门综合性的课程，存在多种知识的交叉和应用，与其他多门课程的关联度较大4主要内容概述自动控制系统的数学模型线性系统的时域分析法根轨迹分析法频率特性法控制系统的校正与设计采样控制系统（线性离散系统）分析5第一章概述1.1自动控制的基本概念：明确什么叫自动控制，正确理解被控对象、控制装置和自控系统等概念。1.2控制系统的分类：明确系统常用的分类方式，掌握各类别的含义和信息特征。1.3自动控制理论的发展：了解自动控制理论发展的四个主要阶段。1.4对控制系统的基本要求：明确对自控系统的基本要求，正确理解三大性能指标的含义。6手动控制人在控制过程中起三个作用：（1）观测：用眼睛去观测温度计和阀门开度的指示值；（2）比较与决策：人脑把观测得到的数据与要求的数据相比较，并进行判断，根据给定的控制规律给出控制量；（3）执行：根据控制量用手具体调节，如调节阀门开度。控制：操纵、节制，使不超出范围或随意活动。水温手动控制系统水温自动控制系统系统中增加了：控制器电机加入给定信号工作原理：检测实际温度产生控制信号通过电机调节阀门的开度从而调节蒸汽流入，控制水的温度.实现没有人直接参入的自动水温控制.81.1自动控制的基本概念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，特别在化学工业中的应用有传热设备控制，反应器控制，流体输送设备控制，精馏塔控制等。自动控制已成为现代社会生活中不可缺少的一部分。9自动控制：就是在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（控制装置），使机器、设备或生产过程（被控对象）的某个工作状态或参数（被控量）自动地按照预定的规律运行。自动控制系统：是指能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统。它是控制对象以及参与实现其被控制量自动控制的装置或元部件的组合，一般由控制装置和被控对象组成。一般包括三种机构：测量机构、比较机构、执行机构。自动控制系统的功能和组成是多种多样的，其结构有简单也有复杂。它可以只控制一个物理量，也可以控制多个物理量甚至一个企业机构的全部生产和管理过程；它可以是一个具体的工程系统，也可以是比较抽象的社会系统、生态系统或经济系统。10控制系统分析：已知系统的结构参数，分析系统的稳定性，求取系统的动态、静态性能指标，并据此评价系统的过程称为控制系统分析。控制系统设计（或综合）：根据被控对象和给定系统的性能指标，合理地确定控制装置的结构参数，称为控制系统设计。被控量：指被控对象中要求保持给定值、按给定规律变化的物理量。被控量又称输出量、输出信号。给定值：系统输出量应达到的数值（例如与要求的炉温对应的电压）。扰动：是一种对自动控制系统输出量起反作用的信号，如电源电压的波动、环境温度的变化、噪声等。11方框图的概念：为了方便分析系统性能，用方框图表示系统结构•方框控制装置和被控对象分别用方框表示•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•输入信号进入方框的信号•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12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。优点：结构简单，成本低廉，易于实现缺点：对扰动没有抑制能力，控制精度低控制方式•开环控制13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）：炉温控制装置：开关K和电热丝，对被控制量起控制作用。14•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。闭环控制是一切生物控制自身运动的基本规律。人本身就是一个具有高度复杂控制能力的闭环系统。优点：具有自动补偿由于系统内部和外部干扰所引起的系统误差（偏差）的能力，因而有效地提高了系统的精度。缺点：系统参数应适当选择，否则可能不能正常工作。15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）扰动闭环控制的电加热炉方框图16人取书的控制过程眼睛脑手输入量（书的位置）输出量（手的位置）17闭环控制系统方框图18反馈的概念反馈：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。19反馈控制系统方框图反馈控制系统的组成、名词术语和定义20比较以上两种控制方式由于开环控制的特点是控制装置只按照给定的输入信号对被控制量进行单向控制，而不对控制量进行测量并反向影响控制作用。这样，当炉温偏离希望值时，开关K的接通或断开时间不会相应改变。因此，开环控制不具有修正由于扰动（使被控制量偏离希望值的因素）而出现的被控制量与希望值之间偏差的能力，即抗干扰能力差。在闭环控制中，被控量一般是由测量装置检测并反馈到输入端，然后由比较装置将它与输入信号综合得到偏差（误差），有时，测量与综合作用是由一个装置完成的，如水银温度计。由于采用了接触式水银温度计，可以不断对炉温进行测量和比较，根据炉温的实际偏差进行控制，提高了控制精度和抗干扰能力。21是开环和闭环控制相结合的一种控制方式。它是在闭环控制回路的基础上，附加一个输入信号或扰动信号的顺馈通路，用来提高系统的控制精度。顺馈通路通常由对输入信号的补偿器或对扰动信号的补偿器组成。优点：具有很高的控制精度，可以抑制几乎所有的可量测扰动缺点:补偿器的参数要有较高的稳定性•复合控制(a)按输入前馈补偿的复合控制给定值被控制量_受控对象检测元件控制器前馈控制(b)按扰动前馈补偿的复合控制检测元件_前馈控制扰动被控制量给定值受控对象控制器_241.2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）恒值系统是指参考输入量保持常值的系统。其任务是消除或减少扰动信号对系统输出的影响，使被控制量（即系统的输出量）保持在给定或希望的数值上。随动系统是指参考输入量随时间任意变化的系统。其任务是要求输出量以一定的精度和速度跟踪参考输入量，跟踪的速度和精度是随动系统的两项主要性能指标。集中参数系统变量仅仅是时间的函数。这类系统建立的动态数学模型通常是微分方程。分布参数系统变量不仅是时间函数，而且还是空间的函数。这类系统建立的动态数学模型通常是偏微分方程。如很大的蒸馏罐，温度随空间位置不同是有梯度变化的。在实际系统中，大多数系统都是分布式参数系统，但由于偏微分方程求解比较困难，因此在一定误差允许范围内，对系统作一个近似，近似为集中参数系统，这样就可以用微分方程进行分析。26线性系统和非线性系统（按照组成系统的元件特性分类）线性系统是指构成系统的所有元件都是线性元件的系统。其动态性能可用线性微分方程描述，系统满足叠加原理。非线性系统是指构成系统的元件中含有非线性元件的系统。其只能用非线性微分方程描述，不满足叠加原理。同时把可以进行线性化处理的系统或元件特性称为非本质非线性特性。反之，称之为本质非线性，它只能用非线性理论分析研究。27（1）线性定常系统（本课程的研究重点）–如果描述一个线性系统的微分方程的系数为常数，那么称系统为线性定常系统。–如（2）线性时变系统–如果描述一个线性系统的微分方程的系数为时间的函数，那么称系统为线性时变系统。–如)(22233tudtdydtyddtyd)(22233tudtdydtydtdtyd28连续系统和离散系统（按照系统内信号的传递形式分类）连续系统是指系统内各处的信号都是以连续的模拟量传递的系统。如果系统内某处或数处信号是以脉冲序列或数码形式传递的系统则称为离散系统。其脉冲序列可由脉冲信号发生器或振荡器产生，也可用采样开关将连续信号变成脉冲序列，这类控制系统又称为采样控制系统或脉冲控制系统。而用数字计算机或数字控制器控制的系统又称为数字控制系统或计算机控制系统。291.3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。30经典控制理论控制理论的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理，主要用于工业控制。第二次世界大战期间，为了设计和制造飞机及船用自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达跟踪系统等基于反馈原理的军用装备，进一步促进和完善了自动控制理论的发展。1868年，马克斯威尔（J.C.Maxwell）提出了低阶系统的稳定性代数判据。1875年和1896年，数学家劳斯（Routh）和赫尔威茨（Hurwitz）分别独立地提出了高阶系统的稳定性判据，即Routh和Hurwitz判据。二战期间（1938-1945年）奈奎斯特（H.Nyquist）提出了频率响应理论1948年，伊万斯（W.R.Evans）提出了根轨迹法。至此，控制理论发展的第一阶段基本完成，形成了以频率法和根轨迹法为主要方法的经典控制理论。31经典控制理论的基本特征（1）主要用于线性定常系统的研究，即用于常系数线性微分方程描述的系统的分析与综合；（2）只用于单输入，单输出的反馈控制系统；（3）只讨论系统输入与输出之间的关系，而忽视系统的内部状态，是一种对系统的外部描述方法。基本方法：根轨迹法，频率法，PID调节器（频域）反馈控制是一种最基本最重要的控制方式，引入反馈信号后，系统对来自内部和外部干扰的响应变得十分迟钝，从而提高了系统的抗干扰能力和控制精度。与此同时，反馈作用又带来了系统稳定性问题，正是这个曾一度困扰人们的系统稳定性问题激发了人们对反馈控制系统进行深入研究的热情，推动了自动控制理论的发展与完善。因此从某种意义上讲，古典控制理论是伴随着反馈控制技术的产生和发展而逐渐完善和成熟起来的。32现代控制理论经典控制理论只适用于单输入、单输出的线性定常系统，只注重系统的外部描述而忽视系统的内