合肥工业大学自动控制理论课件1-1

1、主讲教师：孔慧芳主讲教师：孔慧芳E-mail:教学教学参考书参考书参考书：参考书： 自动控制理论自动控制理论（第五版）（第五版），胡寿松主编胡寿松主编. .科学出版社科学出版社 现代控制系统现代控制系统（第八版），（第八版），Richard C.DorfRichard C.Dorf等著，等著， 谢红卫等译谢红卫等译. .高等教育出版社高等教育出版社 现代控制系统现代控制系统（第十一版），（第十一版），Richard C.DorfRichard C.Dorf等著等著. . 电子工业出版社电子工业出版社( (英文原版教材英文原版教材) ) 自动控制原理自动控制原理孙虎章主编，中央广播电视大学孙虎章

2、主编，中央广播电视大学 教材：教材：自动控制理论自动控制理论王孝武，方敏，葛锁良编王孝武，方敏，葛锁良编. . 机械工业出版社机械工业出版社 2009.102009.10自动化自动化（Automation)v自动化涉及的理论基础：控制论、信息论、系统论。控制论、信息论、系统论。 自动化的基础是信息，基础是信息，核心是控制核心是控制，立足在系统。，立足在系统。v 控制论：利用信息进行调节和控制的科学 工程控制论工程控制论 钱学森工程控制论1954年 生物控制论生物控制论 经济控制论经济控制论 .v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：自动控制理

3、论： 是工程控制论的一个分支。是研究控制系统的分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。析与设计的一般理论。u 经典控制理论经典控制理论 核心是核心是反馈反馈控制的思想控制的思想 20世纪40 - 50年代发展起来形成体系u 现代控制理论现代控制理论 20世纪60年代以后u 大系统、复杂系统、智能控制系统大系统、复杂系统、智能控制系统 20世纪80年代以后被普遍认被普遍认为是为是最早最早应用于工应用于工业过程业过程的的反馈控制反馈控制器。器。自动控制的应用领域自动控制的应用领域v军事与国防v航空航天v工业生产过程 （石油、化工、冶金、热动 .）v电力系统自动化v先进制造技

4、术v车辆工程v交通工程v机器人v建筑与楼宇自动化v办公自动化v家庭自动化v商业自动化v管理自动化v社会与经济系统控制第第1 1章章 绪论绪论 1.1 1.1 自动控制的任务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：几个名词：被控对象被控对象：需要进行控制的机器、设备或生产过程。被控量被控量（输出）：（输出）：需要控制的、表征被控对象工作状态的 物理量。给定值给定值（参考输入）：（参考输入）：生产过程中，对被控量的希望值。干扰干扰：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自动调节阀控制器控制

5、器浮子浮子控制任务：控制任务：让液位让液位H保持在保持在H0不变不变H0Q2阀门阀门水箱水箱Q1H液位控制系统的工作原理框图头脑头脑手和阀门手和阀门水箱水箱眼睛眼睛H0HQ2的变化Q1操作工控制器控制器气动阀门气动阀门水箱水箱浮子浮子H0HQ2的变化Q1控制装置1.2 1.2 自动控制系统的组成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。自动控制系统：被控对象和控制装置的总体。比较、计算比较、计算执行执行被控对象被控对象测量测量输出输出干扰干扰控制装置控制装置输入输入测量测量控制量控制量控制装置的三种基本功能：控制装置的三种基本功能：1. 1. 对被控量和干扰量进行测量；对被控量

6、和干扰量进行测量； 传感器、测量元件传感器、测量元件2. 2. 根据给定输入、被控量和干扰量进行进行比较计算，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；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、计算机等比较元件、放大元件、模拟或数字电路、计算机等3. 3. 执行控制策略。执行控制策略。 执行元件执行元件1.3 1.3 自动控制方式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：根据控制信号的来源不同，可以分为以下三种控制结构：输出输出计算计算执行执行被控对象被控对象干扰干扰控制装置控制装置输入输入控制量控制量按给定值控制：按给定值控制：

7、按干扰补偿：按干扰补偿：输出输出计算计算执行执行被控对象被控对象干扰干扰控制装置控制装置测量测量控制量控制量按偏差调节：按偏差调节：输出输出比较、计算比较、计算执行执行被控对象被控对象测量测量干扰干扰控制装置控制装置输入输入控制量控制量自动控制方式：自动控制方式：1.开环控制方式：开环控制方式：按给定值控制、按干扰补偿按给定值控制、按干扰补偿2.闭环控制方式（反馈控制）：闭环控制方式（反馈控制）：按偏差调节按偏差调节基本控制方式3.复合控制方式：复合控制方式：按输入补偿、按干扰补偿按输入补偿、按干扰补偿 复合控制方式复合控制方式干扰干扰控制装置控制装置补偿装置补偿装置被控对象被控对象输出输出干

8、扰干扰输入输入控制装置控制装置补偿装置补偿装置被控对象被控对象输出输出输入输入按输入补偿的复合控制按输入补偿的复合控制按干扰补偿的复合控制按干扰补偿的复合控制1.4 1.4 自动控制系统分析举例自动控制系统分析举例v明确控制系统的任务；明确控制系统的任务；v被控对象是什么？被控量（系统输出量）？有哪些干扰？被控对象是什么？被控量（系统输出量）？有哪些干扰？v参考输入？有谁提供？参考输入？有谁提供？v什么是测量元件？测量哪些物理量？什么是测量元件？测量哪些物理量？v信号的计较、计算、放大是如何实现的？信号的计较、计算、放大是如何实现的？v执行机构是什么？执行机构是什么？v画出控制系统的原理方框图

9、，分析系统采用何种控制方式。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：分析实际控制系统的步骤：炉温控制系统控制任务：保持炉温控制任务：保持炉温T为为T0不变不变水位自动控制系统控制任务控制任务：保持水位：保持水位H为为H0不变不变水门水门2 2杠杆杠杆水门水门1水箱水箱谷物湿度控制系统控制任务控制任务：保持输出谷物湿度为给定值保持输出谷物湿度为给定值位置随动控制系统位置随动控制系统桥式电位计桥式电位计放大器放大器电动机电动机减速器减速器工作机械工作机械手柄手柄控制任务控制任务：要求工作机械的角位置要求工作机械的角位置c c跟随给定角位置跟随给定角位置r r电动

10、机调速系统放大器控制任务控制任务：保持电动机恒速运行保持电动机恒速运行1.5 1.5 对控制系统的性能要求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的全过程称为系统的时间响应过程c(t) 。控制系统控制系统( )r t( )c t( )d t动态过程（瞬态过程）动态过程（瞬态过程）稳态过程稳态过程不同控制系统的时间响应过程比较t076) c( )c t1( )c t1t0123) at0) b45( )c t1( )1( )r tt考虑 时：对控

11、制系统要求：稳、快、准稳定性稳定性 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：按照描

12、述系统的数学模型： 线性系统 ： 时变系统、定常系统时变系统、定常系统 非线性系统按照系统传递的信号的性质：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：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：另外： 按控制方式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；1.6 1.

13、6 控制系统的分类控制系统的分类线性连续系统线性连续系统： 这类系统可用线性微分方程描述，其一般形式为： 1010( )( )( )( )( )( )nmnmnmddddac tac ta c tbr tbr tb r tdtdtdtdt式中，c(t)是被控量，r(t)是输入量。系数a0、a1、，b0、b1、为常数时，系统称为线性定常系统线性定常系统，系数a0、a1、，b0、b1、随时间而变时，系统称为线性时变系统线性时变系统。 线性离散系统线性离散系统： 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： 1010()(

14、1)( )()(1)( )nma c kna c ka c kb r kmbr kb r k非线性系统非线性系统 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：2( )( )( )( )( )ctc t c tctr t1.7 1.7 本课程的内容本课程的内容线性定常连续系统线性定常连续系统系统的数学模型系统的数学模型 系统的分析方法：系统的分析方法： 系统的校正方法系统的校正方法 线性定常离散系统线性定常离散系统 模型、分析、校正模型、分析、校正（第（第2章）章）（第（第3章）章）（第（第4章）章）（第（第5章）章）（第（第6章）章）（第（第7章）章）时域法时域法 根轨迹法根轨迹法 频域法频域法在在 的某一域内收敛，则称其为的某一域内收敛，则称其为 的拉普拉斯变换，记为的拉普拉斯变换，记为设函数设函数 当当 时有定义，且积分时有定义，且积分复习：拉普拉斯变换n 几种典型函数的拉氏变换：几种典型函数的拉氏变换： 脉冲函数、阶跃函数、斜坡函数、指数函数、正弦函数等脉冲函数、阶跃函数、斜坡函数、指数函数、正弦函数等n 拉氏变换的性