第一章 控制系统导论

1、自动控制原理自动控制原理教师教师：胡芬巧胡芬巧办公室：办公室：A3-403手机：手机航金城学院南航金城学院考核方式（考核方式（56学时学时,3.5学分）学分）平时平时成绩成绩考试考试成绩成绩考勤考勤课堂课堂表现表现作业作业总成绩总成绩 作业作业课堂课堂表现表现考勤考勤 现代控制理论现代控制理论 主要研究对象：多输入、多输出、时变主要研究对象：多输入、多输出、时变参数、高精度复杂系统的分析和设计问题参数、高精度复杂系统的分析和设计问题自动控制的发展：自动控制的发展： 经典控制理论经典控制理论 主要研究对象：单输入单输出线性定主要研究对象：单输入单输出线性定常系统的分析和

2、设计常系统的分析和设计 鲁棒控制理论鲁棒控制理论一、自动控制与自动控制系统一、自动控制与自动控制系统二、自动控制系统的分类二、自动控制系统的分类三、对控制系统的性能要求三、对控制系统的性能要求第一章第一章 概概 述述第一节自动控制与自动控制系统第一节自动控制与自动控制系统一、一、 自动控制的基本概念自动控制的基本概念（a）人工控制的水位系统）人工控制的水位系统（b）简单的水位自动控制系统）简单的水位自动控制系统 自动控制自动控制，就是在，就是在无人直接参与无人直接参与的情况下，利用的情况下，利用控制装置控制装置使使受控对象受控对象的的被控量被控量按照按照预定的规律预定的规律变化。变化。日常生活

3、中常见的日常生活中常见的家庭：全自动洗衣机、电饭煲家庭：全自动洗衣机、电饭煲银行：自动取款机银行：自动取款机ATMATM交通：红绿灯控制、火车上的开水机交通：红绿灯控制、火车上的开水机楼宇：自动门、电梯等楼宇：自动门、电梯等 为了实现上述控制任务，将为了实现上述控制任务，将控制装置控制装置和和受受控对象控对象按照一定的方式连接起来，组成一个按照一定的方式连接起来，组成一个有有机总体机总体，这就是，这就是自动控制系统自动控制系统。 控制任务控制任务维持水箱内水位恒定维持水箱内水位恒定 控制装置控制装置阀门、连杆和浮子阀门、连杆和浮子 受控对象受控对象水箱水箱 被控量被控量水箱内水位的高度水箱内水

4、位的高度水位自动控制系统水位自动控制系统 自动控制系统示意图自动控制系统示意图分析自动控制系统的性能，分析自动控制系统的性能，或根据性能要求去设计自动控制系统。或根据性能要求去设计自动控制系统。自动控制原理的主要任务：自动控制原理的主要任务：检测元件检测元件_被控量被控量给定值给定值受控对象受控对象控制器控制器二、自动控制系统的基本构成及二、自动控制系统的基本构成及控制方式控制方式1开环控制开环控制自动控制系统一般有两种基本控制自动控制系统一般有两种基本控制方式：方式：控制装置与受控对象之间只有控制装置与受控对象之间只有顺向顺向作用而无反向联系。作用而无反向联系。转台转台预期速度预期速度实际转

5、速实际转速直流电动机直流电动机转台转台放大器放大器转台速度开环控制系统方块图转台速度开环控制系统方块图: :开环控制开环控制的特点：的特点： 系统结构和控制过程均很简系统结构和控制过程均很简单，但单，但抗扰能力差抗扰能力差，控制精度不高控制精度不高，一般只能用一般只能用于对控制性能要求较低的场合。于对控制性能要求较低的场合。 2闭环控制闭环控制（反馈控制、按偏差控制反馈控制、按偏差控制） 有有顺向顺向作用，而且还有作用，而且还有反向反向联系。联系。 闭环控制又称为闭环控制又称为反馈控制反馈控制或或按偏差控制按偏差控制。 控制装置与受控对象之间，不但控制装置与受控对象之间，不但 自动控制原理中所

6、讨论的系统主要是自动控制原理中所讨论的系统主要是 闭环控制系统。闭环控制系统。转台转台转台速度闭环控制系统方块图：转台速度闭环控制系统方块图： 测速机测速机偏差偏差反馈量反馈量预期速度预期速度实际转速实际转速直流电动机直流电动机转台转台放大器放大器_闭环控制闭环控制的特点：的特点：减小或消除由于扰动所形成的偏减小或消除由于扰动所形成的偏差值，具有差值，具有较高的控制精度较高的控制精度和和较强的抗扰能力较强的抗扰能力。3复合控制复合控制前馈补偿控制前馈补偿控制复合控制具有两种基本形式：复合控制具有两种基本形式：复合控制：复合控制：反馈控制反馈控制+(a) 按输入前馈补偿的复合控制按输入前馈补偿的

7、复合控制(b) 按扰动前馈补偿的复合控制按扰动前馈补偿的复合控制功率功率放大放大SM负载负载+电动机电动机速度控制系统速度控制系统电动机电动机速度速度开环开环控制系统控制系统nauou电动机速度控制系统电动机速度控制系统n+电压电压放大放大功率功率放大放大负载负载SMTG电动机速度电动机速度闭环闭环控制系统控制系统tuoueuau系统方块图的画法系统方块图的画法:确定输入量和输出量确定输入量和输出量 输入量：作用于系统的输入端输入量：作用于系统的输入端 输出量：表现于被控对象的输出端输出量：表现于被控对象的输出端箭头线：箭头线：表示信号流向表示信号流向比较环节：比较环节：将给定值和检测值进行比

8、较将给定值和检测值进行比较引出点：引出点：将一个信号分路引出将一个信号分路引出方框：方框：元部件方框元部件方框扰动：扰动：破坏输入量和输出量之间预定规律的信号破坏输入量和输出量之间预定规律的信号习题习题1-5 液位控制系统液位控制系统进水阀门进水阀门减速器减速器电动机电动机电位器电位器浮子浮子出水出水Q2Q1HSM放大器放大器Q1+fugu进水进水习题习题1-4 炉温控制系统炉温控制系统第二节自动控制系统的分类第二节自动控制系统的分类一、线性系统和非线性系统一、线性系统和非线性系统 自动控制系统的分类方法较多，常自动控制系统的分类方法较多，常见的有以下几种见的有以下几种 ： 由线性微分方程或线

9、性差分方程所由线性微分方程或线性差分方程所描述的系统称为线性系统；由非线性方描述的系统称为线性系统；由非线性方程所描述的系统称为非线性系统。程所描述的系统称为非线性系统。二、定常系统和时变系统二、定常系统和时变系统定常系统定常系统: 若线性系统微分方程的系数为常数，若线性系统微分方程的系数为常数，则称之为线性定常系统。则称之为线性定常系统。 系统数学模型微分方程的系数不是系统数学模型微分方程的系数不是时间变量的函数。时间变量的函数。否则称为否则称为时变系统时变系统。三、连续系统和离散系统三、连续系统和离散系统连续系统：连续系统： 系统中各部分的信号都是时间的连续系统中各部分的信号都是时间的连续

10、函数即模拟量。函数即模拟量。离散系统：离散系统： 系统中有一处或多处信号为时间的系统中有一处或多处信号为时间的离散函数，如脉冲或数码信号。离散函数，如脉冲或数码信号。 若系统中既有模拟量也有离散信号，若系统中既有模拟量也有离散信号，则又可称之为采样系统。则又可称之为采样系统。恒值系统恒值系统给定量是一个常值，要求被控量也等于常给定量是一个常值，要求被控量也等于常值。如水位控制系统、炉温控制系统等。值。如水位控制系统、炉温控制系统等。四、恒值系统、随动系统和程序控制系统四、恒值系统、随动系统和程序控制系统随动系统随动系统给定量是预先未知的随时间变化的函数，给定量是预先未知的随时间变化的函数，被控

11、量以尽量小的误差跟随给定量变化，被控量以尽量小的误差跟随给定量变化，如函数记录仪。如函数记录仪。程序控制系统程序控制系统参数量按预定规律随时间变化，如数控机床。参数量按预定规律随时间变化，如数控机床。 线性系统和非线性系统线性系统和非线性系统 定常系统和时变系统定常系统和时变系统 连续系统和离散系统连续系统和离散系统 恒值系统、随动系统和程序控制系统恒值系统、随动系统和程序控制系统线性定常连续系统线性定常连续系统为本书主要讨论对象。为本书主要讨论对象。第三节第三节 对控制系统的要求对控制系统的要求 常见的评价系统优劣的性能指标是从常见的评价系统优劣的性能指标是从动态动态过程过程中定义出来的。所

12、谓动态过程就是指系统中定义出来的。所谓动态过程就是指系统受到外加信号（给定值或扰动）作用后，被控受到外加信号（给定值或扰动）作用后，被控量随时间变化的全过程。量随时间变化的全过程。 对系统性能的基本要求有三个方面：对系统性能的基本要求有三个方面： 二、快速性二、快速性一、稳定性一、稳定性三、准确性三、准确性 系统受外作用力后系统受外作用力后,其动态过程的振其动态过程的振荡倾向和系统恢复平衡的能力。荡倾向和系统恢复平衡的能力。1、稳定性、稳定性稳定性：稳定性： 如果系统受外作用力经过一段时间如果系统受外作用力经过一段时间，其被控量达到某一稳定状态，则系统，其被控量达到某一稳定状态，则系统是稳定的

13、。是稳定的。否则为不稳定的。否则为不稳定的。稳定系统的动态过程稳定系统的动态过程r(t)t0c(t)1r(t)c(t)不稳定系统的动态过程不稳定系统的动态过程(a) 给定信号作用给定信号作用c(t)(b) 扰动信号作用扰动信号作用d(t)t0c(t)r(t)t0c(t)r(t)c(t)d(t) 不稳定的系统是无法正常工作的。不稳定的系统是无法正常工作的。 通过动态过程时间长短表征。时间通过动态过程时间长短表征。时间越短，表明快速性越好，反之亦然。越短，表明快速性越好，反之亦然。2、快速性、快速性r(t)t0c(t)r(t)c1(t)c2(t) 快速性和平稳性构成了系统的动态快速性和平稳性构成了

14、系统的动态性能。性能。3、准确性、准确性r(t)t0c(t)r(t)c(t)ess 由输入给定值与输出响应的终值由输入给定值与输出响应的终值之间的差值之间的差值 大小表征。大小表征。sse自动控制系统的基本要求自动控制系统的基本要求 稳定性、快速性和准确性往往是互稳定性、快速性和准确性往往是互相制约的。相制约的。 怎样根据工作任务的不同怎样根据工作任务的不同,分析和设分析和设计自动控制系统，使其对三方面的性能有计自动控制系统，使其对三方面的性能有所侧重所侧重 ，并兼顾其它正是自控原理课程，并兼顾其它正是自控原理课程要解决的问题。要解决的问题。 当控制系统的当控制系统的输入发生变化输入发生变化时，其时，其输出输出往往往往要经历一个要经历一个动态过程动态过程才能跟上输入的变化。才能跟上输入的变化。 系统的内在性能可以通过其动态过程表现出系统的内在性能可以通过其动态过程表现出