自动控制理论课件-自动控制理论 (i)ch1

自动控制理论自动控制理论I主讲教师郑涛ZHENGTAOUSTCEDUCN基本教学信息教材自动控制理论王孝武，方敏，葛锁良编机械工业出版社200910学时80（讲授72，实验8）地点西二305周学时6学时（14周，每周二、四、五）上午1、2节4学时（117周，每周二、四）上午1、2节其中11周停课，实验时间另行通知考试形式期末、闭卷三个核心问题什么是自动控制为什么要自动控制为什么学自动控制自动化（AUTOMATION）自动化涉及的理论基础控制论、信息论、系统论。自动化的基础是信息，核心是控制，立足在系统。控制论利用信息进行调节和控制的科学工程控制论钱学森工程控制论1954年生物控制论经济控制论自动化是利用机器、设备或装置代替人或帮助人自动地完成某个任务或实现某个过程。自动控制理论一般认为是工程控制论的一个分支。是研究控制系统的分析与设计的一般理论。但也有不少科学家认为，自动控制领域是一种类似“方法论”的根本性理论经典控制理论核心是反馈控制的思想20世纪4050年代发展起来形成体系现代控制理论20世纪60年代以后大系统、复杂系统、智能控制系统20世纪80年代以后被普遍认为是最早用于工业过程的反馈控制器。自动控制的应用领域军事与国防航空航天工业生产过程（石油、化工、冶金、热动）电力系统自动化先进制造技术车辆工程交通工程机器人建筑与楼宇自动化办公自动化家庭自动化商业自动化管理自动化社会与经济系统控制第1章绪论11自动控制的任务在没有人的直接参与下，利用自动控制装置对被控对象的某些物理量进行控制，使其达到希望的值或保持希望的运动规律。几个名词被控对象需要进行控制的机器、设备或生产过程。被控量（输出）需要控制的、表征被控对象工作状态的物理量。给定值（参考输入）生产过程中，对被控量的希望值。干扰使被控量偏离希望值的因素。外部作用液位控制系统自动调节阀控制器浮子控制任务让液位H保持在H0不变H0Q2阀门水箱Q1H液位控制系统的工作原理框图头脑手和阀门水箱眼睛H0HQ2的变化Q1操作工控制器气动阀门水箱浮子H0HQ2的变化Q1控制装置12自动控制系统的组成自动控制系统被控对象和控制装置的总体。比较、计算执行被控对象测量输出干扰控制装置输入测量控制量控制装置的三种基本功能1对被控量和干扰量进行测量；传感器、测量元件2根据给定输入、被控量和干扰量进行进行比较计算，给出控制量或控制策略；比较元件、放大元件、模拟或数字电路、计算机等3执行控制策略。执行元件13自动控制方式根据控制信号的来源不同，可以分为以下三种控制结构输出计算执行被控对象干扰控制装置输入控制量按给定值控制按干扰补偿输出计算执行被控对象干扰控制装置测量控制量按偏差调节输出比较、计算执行被控对象测量干扰控制装置输入控制量自动控制方式1开环控制方式按给定值控制、按干扰补偿2闭环控制方式（反馈控制）按偏差调节基本控制方式3复合控制方式按输入补偿、按干扰补偿复合控制方式干扰控制装置补偿装置被控对象输出干扰输入控制装置补偿装置被控对象输出输入按输入补偿的复合控制按干扰补偿的复合控制14自动控制系统分析举例明确控制系统的任务；被控对象是什么被控量（系统输出量）有哪些干扰参考输入有谁提供什么是测量元件测量哪些物理量信号的计较、计算、放大是如何实现的执行机构是什么画出控制系统的原理方框图，分析系统采用何种控制方式。分析实际控制系统的步骤炉温控制系统控制任务保持炉温T为T0不变水位自动控制系统控制任务保持水位H为H0不变水门2杠杆水门1水箱谷物湿度控制系统控制任务保持输出谷物湿度为给定值位置随动控制系统桥式电位计放大器电动机减速器工作机械手柄控制任务要求工作机械的角位置C跟随给定角位置R电动机调速系统RUEAKAUMTUFIMTG放大器控制任务保持电动机恒速运行15对控制系统的性能要求控制系统的时间响应过程系统受到外部作用（给定值或干扰）后，被控量（输出）随时间变化的全过程称为系统的时间响应过程CT。控制系统RCD动态过程（瞬态过程）稳态过程不同控制系统的时间响应过程比较T076CCT1CT1T0123AT0B45CT11RTT考虑时对控制系统要求稳、快、准稳定性稳定性是保证系统正常工作的先决条件。一个稳定的控制系统，其被控量偏离期望值的初始偏差应随时间的增长逐渐减小或趋于零。也就是说，控制器的控制作用应使误差逐渐减小。若控制不当，使误差逐渐变大，就形成了不稳定的控制系统，不稳定的控制系统是不能正常工作的。快速性为了很好完成控制任务，控制系统仅仅满足稳定性要求是不够的，还必须对其过渡过程的形式和快慢提出要求。准确性当过渡过程结束后，被控量达到的稳态值（即平衡状态）应与期望值一致。被控量的稳态值与期望值之间的误差称为稳态误差。稳态误差是衡量控制系统控制精度的重要标志。按照描述系统的数学模型线性系统时变系统、定常系统非线性系统按照系统传递的信号的性质连续控制系统离散控制系统按照系统输入信号的变化规律随动控制系统（伺服系统）恒值控制系统（镇定系统、调节系统）程序控制系统另外按控制方式可分为开环控制、闭环控制、复合控制等；按元件类型可分为机械系统、电气系统、液压系统、气动系统等；按系统功用可分为温度控制系统、压力控制系统、位置控制系统等；按系统性能可分为集总参数系统和分布参数系统、确定系统和不确定系统等；16控制系统的分类线性连续系统这类系统可用线性微分方程描述，其一般形式为1010NMDDDDACTACTACTBRTBRTBRTDTDTDTDTLL式中，CT是被控量，RT是输入量。系数A0、A1、，B0、B1、为常数时，系统称为线性定常系统，系数A0、A1、，B0、B1、随时间而变时，系统称为线性时变系统。线性离散系统离散系统是指系统的某处或多处的信号为脉冲序列或数码形式，因而信号在时间上是离散的。这类系统可用差分方程描述，其一般形式为101011NMACKNACKACKBRKMBRKBRKLL非线性系统系统中只要有一个元部件的输入输出特性是非线性的，这类系统就称为非线性系统，这时要用非线性微分（或差分）方程来描述其特性。非线性方程的特点是方程的系数与变量有关，或者方程中含有变量及其导数的高次幂或乘积项，例如2CTCTCTCTRT17本课程的内容线性定常连续系统系统的数学模型系统的分析方法系统的校正方法线性定常离散系统模型、分析、校正设计（第2章）（第3章）（第4章）（第5章）（第6章）（第7章）时域法根轨迹法频域法在的某一域内收敛，则称其为的拉普拉斯变换，记为设函数当时有定义，且积分几种典型函数的拉氏变换脉冲函数、阶跃函数、斜