东北大学自动控制原理第一章120917

自动控制原理东北大学王建辉顾树生主编杨自厚主审清华大学出版社全国高等学校自动化专业系列教材普通高等教育“十一五”国家级规划教材国家精品课程教材自动控制原理PrincipleofAutomaticControl东北大学《自动控制原理》课程组负责人顾树生王建辉东北大学《自动控制原理》课程组3自动控制原理教材及参考书教材：王建辉，顾树生.自动控制原理.北京:清华大学出版社.2007.4参考书：吴麒主编.《自动控制原理》.北京：清华大学出版社.李友善主编.《自动控制原理》.北京：机械工业出版社.东北大学《自动控制原理》课程组4自动控制原理课程基本信息课程编号：130100020适用专业：自动化、测控技术及仪器/电子信息工程、通信工程课程性质：技术基础课课程类型：必修课学时：讲课学时（68/42）实验学时（12/6）东北大学《自动控制原理》课程组5自动控制原理课程的主要内容（讲课/实验）第1章自动控制系统的基本概念(4/0)第2章自动控制系统的数学模型(10/0)第3章自动控制系统的时域分析(12/4)第4章根轨迹法(8/0)第5章频率法(12/4)第6章控制系统的校正及综合(8/0)第7章非线性系统分析(6/2)第8章线性离散系统的理论基础(8/2)东北大学《自动控制原理》课程组6自动控制原理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建立、分析与设计《自动控制原理》是本学科的技术基础课。东北大学《自动控制原理》课程组7自动控制原理自动控制原理电路理论电机与拖动大学物理信号与系统复变函数拉氏变换模拟电子技术线性代数微积分各类专业课线性系统现代控制理论本课程与其它课程的关系东北大学《自动控制原理》课程组8自动控制原理自动控制理论的发展历程第一阶段：古典控制理论（20世纪40～60年代）SISO、线性定常、频域法第二阶段：现代控制理论（20世纪60～70年代）MIMO、非线性、时变、状态空间法第三阶段：智能控制理论（20世纪70年代～今）非模型东北大学《自动控制原理》课程组9自动控制原理【课件（2）】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。东北大学《自动控制原理》课程组10自动控制原理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部状态。在实际应用中有很大局限性。随着航天事业和计算机的发展，20世纪60年代初，在经典控制理论的基础上，以线性代数理论和状态空间分析法为基础的现代控制理论迅速发展起来。1954年贝尔曼（R.Belman)提出动态规划理论1956年庞特里雅金（L.S.Pontryagin）提出极大值原理1960年卡尔曼（R.K.Kalman)提出多变量最优控制和最优滤波理论在数学工具、理论基础和研究方法上不仅能提供系统的外部信息（输出量和输入量），而且还能提供系统内部状态变量的信息。它无论对线性系统或非线性系统，定常系统或时变系统，单变量系统或多变量系统，都是一种有效的分析方法。基本方法：状态方程（时域）[华中课件]闭环的自动控制装置的应用，可以追溯到1788年瓦特（J.Watt）发明的飞锤调速器的研究。然而最终形成完整的自动控制理论体系，是在20世纪40年代末。最先使用反馈控制装置的是希腊人在公元前300年到1年中使用的浮子调节器。凯特斯比斯（Kitesibbios）在油灯中使用了浮子调节器以保持油面高度稳定。19世纪60年代期间是控制系统高速发展的时期，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）,1895年霍尔维茨（A.Hurwitz）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。在同一时期，维什哥热斯基（I.A.Vyshnegreskii）也用一种正规的数学理论描述了这种理论。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。1942年，齐格勒（J.G.Zigler）和尼科尔斯(N.B.Nichols)又给出了PID控制器的最优参数整定法。上述方法基本上是时域方法。1932年柰奎斯特(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。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。1943年，霍尔(A.C.Hall)利用传递函（复数域模型）和方框图，把通信工程的频域响应方法和机械工程的时域方法统一起来，人们称此方法为复域方法。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。第二次世界大战结束时，经典控制技术和理论基本建立。1948年伊文斯（W.Evans）又进一步提出了属于经典方法的根轨迹设计法，它给出了系统参数变换与时域性能变化之间的关系。至此,复数域与频率域的方法进一步完善。第1章自动控制系统的基本概念自动控制原理东北大学《自动控制原理》课程组东北大学《自动控制原理》课程组12第1章自动控制系统的基本概念主要内容开环控制系统与闭环控制系统闭环控制系统的组成和基本环节自动控制系统的类型自动控制系统的性能指标小结东北大学《自动控制原理》课程组13第1章自动控制系统的基本概念学习重点了解自动控制系统的基本结构和特点及其工作原理；了解闭环控制系统的组成和基本环节；掌握反馈控制系统的基本要求及反馈控制系统的作用；学会分析自动控制系统的类型及本质特征。东北大学《自动控制原理》课程组141.1开环控制系统和闭环控制系统自动控制自动控制是在没有人的直接干预下，利用物理装置对生产设备和工艺过程进行合理的控制，使被控制的物理量保持恒定，或者按照一定的规律变化，例如矿井提升机的速度控制、轧钢厂加热炉温度的控制等等。自动控制系统自动控制系统是为实现某一控制目标所需要的所有物理部件的有机组合体。东北大学《自动控制原理》课程组151.1开环控制系统和闭环控制系统1.开环控制系统例1-1温度控制系统性能指标工作过程～220Vuc21东北大学《自动控制原理》课程组161.1开环控制系统和闭环控制系统12扰动量给定量输出量1-执行器(自耦变压器)2-被控对象(电阻炉)图中：东北大学《自动控制原理》课程组171.1开环控制系统和闭环控制系统（1）开环控制只有输入量对输出量产生控制作用，输出量不参与对系统的控制。（2）开环控制特点输入控制输出——输入和输出一一对应；输出不参与控制——信号单方向传递；不能检测与纠正偏差——系统没有抗干扰能力。东北大学《自动控制原理》课程组181.1开环控制系统和闭环控制系统2.闭环控制系统例1-2温度闭环控制系统（1）人工闭环控制~220V12uc东北大学《自动控制原理》课程组191.1开环控制系统和闭环控制系统（2）自动闭环控制温度闭环控制系统图1-热电偶2-加热器东北大学《自动控制原理》课程组201.1开环控制系统和闭环控制系统给定量闭环控制结构图1-控制器2-控制对象3-检测装置东北大学《自动控制原理》课程组211.1开环控制系统和闭环控制系统①闭环控制把输出量的一部分检测出来,反馈到输入端,与给定信号进行比较，产生偏差,此偏差经过控制器产生控制作用,使输出量按照要求的规律变化。反馈信号与给定信号极性相反为负反馈,反之为正反馈。②闭环控制特点输入控制输出——输入和输出一一对应；输出参与控制——信号双方向传递；检测与纠正偏差——具有抗干扰能力。东北大学《自动控制原理》课程组221.1开环控制系统和闭环控制系统(1)被控对象(2)被控量或输出量(3)控制量(4)设定量或输入量(5)扰动量(6)反馈量(7)偏差量3.自动控制系统中的基本术语(8)前向通道或正向通道(9)反馈通道或反向通道(10)理想输出(11)实际输出(12)开环(13)闭环东北大学《自动控制原理》课程组231.2闭环控制系统的组成和基本环节1.闭环控制系统的结构图1-给定环节；2-比较环节；3-校正环节；4-放大环节；5-执行机构；6-被控对象；7-检测装置东北大学《自动控制原理》课程组241.2闭环控制系统的组成和基本环节2.闭环控制系统的基本环节（1）控制对象或调节对象要进行控制的设备或过程。（2）执行机构一般由传动装置和调节机构组成。执行机构直接作用于控制对象，使被控制量达到所要求的数值。（3）检测装置或传感器该装置用来检测被控制量，并将其转换为与给定量相同的物理量。东北大学《自动控制原理》课程组251.2闭环控制系统的组成和基本环节（4）给定环节设定被控制量的给定值的装置。（5）比较环节将所检测的被控制量与给定量进行比较，确定两者之间的偏差量。（6）中间环节一般包括比较环节和校正环节。东北大学《自动控制原理》课程组261.3自动控制系统类型1.按照主要元件的输入输出特性划分1）线性系统由线性元件组成的系统，其微分方程中输出量及其各阶导数都是一次的，并且各系数与输入量（自变量）无关。2）非线性系统存在非线性元件的系统，其微分方程式的系数与自变量有关。东北大学《自动控制原理》课程组271.3自动控制系统类型2.按照信号传递方式划分1）连续数据系统系统各部分的信号都是连续的模拟量。2）离散数据系统系统的一处或几处，信号是以脉冲序列或数码的形式传递。东北大学《自动控制原理》课程组281.3自动控制系统类型3.按照输入量的变化规律划分1）恒值系统给定量是恒定不变的。2）程序控制系统给定量是按照一定的时间函数变化的。3）随动系统给定量按照事先未知的时间函数变化。东北大学《自动控制原理》课程组291.4自动控制系统的性能指标稳（稳定性）、快（快速性）、准（准确性）“稳”与“快”描述系统的动态（过渡过程）品质。系统的过渡过程产生的原因：系统中储能元件的能量不可能突变。“准”描述系统的稳态（静态）品质。对自动控制系统的基本要求东北大学《自动控制原理》课程组301.4自动控制系统的性能指标当扰动作用（或给定值发生变化）时，输出量将偏离原来的稳态值，这时由于反馈的作用，通过系统内部的自动调节，系统可能回到或接近原来的稳态值（或跟随给定值）稳定下来（如图a），称这样的系统为稳定系统，反之，不稳定系统的输出如图b。稳定性是保证控制系统正常工作的必备条件。1.稳定性东北大学《自动控制原理》课程组311.4自动控制系统的性能指标2.稳态性能指标稳态误差当系统从一个稳态过渡到新的稳态，或系统受扰动作用又重新平衡后，系统可能会出现偏差，这种偏差称为稳态误差。系统稳态误差的大小反映了系统的控制精度，它表明了系统控制的准确程度。稳态误差越小，则系统的控制精度越高。东北大学《自动控制原理》课程组321.4自动控制系统的性能指标有差系统（图a）若稳态误差不为零，则系统称为有差系统。无差系统（图b）若稳态误差为零，则系统称为无差系统。(a)(b)东北大学《自动控制原理》课程组331.4自动控制系统的性能指标3.暂态性能指标东北大学《自动控制原理》课程组34（1）最大超调量输出最大值与输出稳态值的相对误差。反映系统的平稳性。最大超调量越小，则说明系统过渡过程越平稳。（2）上升时间指系统的输出量第一次到达输出稳态值所对应的时刻。1.4自动控制系统的性能指标max()%100%()ccxxxrt东北大学《自动控制原理》课程组35（3）过渡过程时间（调节时间）系统的输出量进入并一直保持在稳态输出值附近的允许误差带内所需的时间。允许误差带宽度一般取稳态输出值