西工大、西交大自动控制原理 第一章 自动控制的一般概念_1_2

1、自动控制理论自动控制理论 复习复习自动控制的定义：自动控制的定义： 自动控制就是在没有人直接参与的情况下，通过控自动控制就是在没有人直接参与的情况下，通过控制装置（控制器）使被控对象（或过程）自动的按预定制装置（控制器）使被控对象（或过程）自动的按预定的规律运行。的规律运行。典型控制系统的组成方块图典型控制系统的组成方块图串联串联校正装置校正装置放大元件放大元件执行元件执行元件被控被控对象对象反馈反馈校正装置校正装置测量元件测量元件输入量输入量控制量控制量偏差量偏差量反馈量反馈量干干扰扰量量输出量输出量被控量被控量主反馈主反馈局部反馈局部反馈目的：目的：为了清楚的表示控制系统组成部分之间的相互

2、作用关系，为了清楚的表示控制系统组成部分之间的相互作用关系，常常用方块图表示。常常用方块图表示。标识：标识：将将装置（或元件）装置（或元件）画成画成方块方块，将，将信号信号画成画成有向线段有向线段。复习复习复习复习 自动控制系统的基本控制方式自动控制系统的基本控制方式一、开环控制一、开环控制 1、开环控制指控制装置（控制器）与被控对象之、开环控制指控制装置（控制器）与被控对象之间间只有顺向作用只有顺向作用而而无反向联系无反向联系的控制过程。的控制过程。 开环控制的开环控制的方块图方块图为：为：显然开环控制系统的显然开环控制系统的输出量（被控量）输出量（被控量）对系统对系统的的输入量（控制量）输

3、入量（控制量）是没有影响的。是没有影响的。控制器控制器控制对象控制对象控制量控制量（输入）（输入）控制作用控制作用干干扰扰被控量被控量（输出）（输出）闭环控制是指控制装置（控制器）与被控对象闭环控制是指控制装置（控制器）与被控对象之间既有之间既有顺向作用顺向作用，又有，又有反向联系反向联系的控制过程。的控制过程。 其方块图为：其方块图为：控制器控制器对象对象测量元件测量元件干扰干扰控制量控制量（输入）（输入）控制作用控制作用被控量被控量（输出）（输出） 显然，闭环控制系统的输出量（被控量）对显然，闭环控制系统的输出量（被控量）对系统的输入量（控制量）是有系统的输入量（控制量）是有直接影响直接影

4、响的。的。复习复习二、闭环控制二、闭环控制复习复习四、复合控制四、复合控制 复合控制，就是复合控制，就是开环控制开环控制和和闭环控制闭环控制相结相结合的一种控制方式。实质是在闭环控制回路的合的一种控制方式。实质是在闭环控制回路的基础上，附加一个输入信号或干扰作用的顺馈基础上，附加一个输入信号或干扰作用的顺馈通路，来通路，来提高系统的控制精度提高系统的控制精度。 顺馈通路通常是由对输入信号的补偿装置顺馈通路通常是由对输入信号的补偿装置或干扰作用的补偿装置组成，分别称为按输入或干扰作用的补偿装置组成，分别称为按输入信号补偿和按干扰补偿的复合控制。信号补偿和按干扰补偿的复合控制。1 1自动控制系统的

5、分类自动控制系统的分类 （1）按系统的）按系统的数学模型数学模型不同分类不同分类 线性系统线性系统与与非线性系统非线性系统；定常定常（时不变）系统与（时不变）系统与时变时变系统。系统。1-3节节 自动控制系统分类及对其的要求自动控制系统分类及对其的要求)()()()()()()()(1111011110trbtrdtdbtrdtdbtrdtdbtcatcdtdatcdtdatcdtdammmmmmnnnnnn 例例:v被控对象都具有一个共同点，那就是被控对象都具有一个共同点，那就是动动；在数学；在数学上，怎么来描述上，怎么来描述“动动”呢？显然，用输入与输出呢？显然，用输入与输出之间的之间的微

6、分方程微分方程可以描述可以描述“运动运动”。因此，求解。因此，求解微分方程，是整个控制理论的数学基础。微分方程，是整个控制理论的数学基础。v变化的被控对象多种多样，这导致了控制理论应变化的被控对象多种多样，这导致了控制理论应用的广泛性，甚至出现了具有哲学意义的控制论。用的广泛性，甚至出现了具有哲学意义的控制论。 例如：管理中体现的控制论原理等。例如：管理中体现的控制论原理等。v结论：学习本课程益处多多结论：学习本课程益处多多! !只有恰当地实施了控制，才能得到预期的响应。只有恰当地实施了控制，才能得到预期的响应。这是控制系统的核心和难点，也是本课程的主要内容。这是控制系统的核心和难点，也是本课

7、程的主要内容。v可加性和齐次性合称叠加原理可加性和齐次性合称叠加原理 uHuHuHuHuuH )()()()(2121)()()(22112211uHuHuuH 线性系统如线性系统如)()()(trtcdttdc )()(2trtc 非线性系统如非线性系统如)(1tr)(1tc)(2tr)(2tc)()()(21trtrtr)()()(21tctctc)(tr)(tc)(tKr)(tKc 线性系统具有如下两个重要特性：线性系统具有如下两个重要特性： 可加性可加性 ： 齐次性齐次性 ：注意：系统的线性概念和系统的输入、输出代数注意：系统的线性概念和系统的输入、输出代数式是线性关系不是一个概念，如

8、式是线性关系不是一个概念，如btartc )()(非线性系统非线性系统输入输出输入输出线性关系线性关系)()()()()()(*sin2233trdttdrttcdttdcdttcddttcdt ？非线性方程的特点：非线性方程的特点：系数与变量系数与变量有关，或者方程有关，或者方程中含有中含有变量及其导数变量及其导数的的高次幂高次幂或或乘积项乘积项。线性定常系统和线性时变系统线性定常系统和线性时变系统c(t)为被控量，为被控量，r(t)为系统输入量为系统输入量,系数为系数为常数常数时称为时称为定常系统，系数定常系统，系数随时间变化随时间变化时称为时变系统时称为时变系统。)()()()()()(

9、)()(1111011110trbtrdtdbtrdtdbtrdtdbtcatcdtdatcdtdatcdtdammmmmmnnnnnn )()()()()()(2233trdttdrtcdttdcdttcddttcd )()()()()()(*sin2233trdttdrttcdttdcdttcddttcdt 定常定常时变时变（2）按）按输入信号的变化规律输入信号的变化规律不同分类不同分类 恒值控制恒值控制系统（又称系统（又称调节调节系统，系统，自动镇定自动镇定系统）：系统）：输入信号为不随时间变化的常值输入信号为不随时间变化的常值。 如：恒温、恒压系统如：恒温、恒压系统 随动系统随动系统（

10、或称（或称自动跟踪自动跟踪系统）：系统）： 输入信号为事先输入信号为事先不知变化规律的随时间变化的不知变化规律的随时间变化的随机函数随机函数。如：雷达跟踪如：雷达跟踪 程序控制程序控制系统：输入信号为事先知道变化规律的随系统：输入信号为事先知道变化规律的随时间变化的函数时间变化的函数。 如：数字程序控制机床如：数字程序控制机床（3）按输出的精度分类：）按输出的精度分类：有差有差和和无差系统无差系统按系统在给定输入量或扰动输入量的作用下是否存按系统在给定输入量或扰动输入量的作用下是否存在在稳态误差稳态误差而分为而分为有差系统有差系统和和无差系统无差系统。有差系统有差系统 放大器放大器实际水位实际

11、水位浮子浮子连杆连杆阀门阀门电位器电位器电动机电动机减速减速器器进水进水出水出水无差系统无差系统 （4）按系统的）按系统的信号性质信号性质不同分类不同分类 连续连续系统与系统与离散离散系统系统连续时间控制系统连续时间控制系统系统中的变量可随时变化，系统中的变量可随时变化，连续不间断连续不间断如：转速控制系统如：转速控制系统离散时间控制系统离散时间控制系统系统中存在离散变量，它们系统中存在离散变量，它们只在固定时刻存在和变化只在固定时刻存在和变化如：计算机控制系统如：计算机控制系统（5）按系统的）按系统的元件类型元件类型不同分类不同分类 机电机电系统；系统；液压液压系统；系统；气动气动系统；系统

12、；生物生物系统系统（6）按系统的）按系统的功用功用不同分类不同分类 温度控制温度控制系统；系统；位置控制位置控制系统系统2 2对自动控制系统的基本要求对自动控制系统的基本要求 （1）过渡过程和稳态过程）过渡过程和稳态过程处于稳态的控制系统，在受到外作用时，系统处于稳态的控制系统，在受到外作用时，系统输出存在过渡过程。输出存在过渡过程。在不同的外作用下，控制系统的输出会有不同在不同的外作用下，控制系统的输出会有不同的响应过程。的响应过程。 对于稳定的控制系统，过渡过程结束之后，系对于稳定的控制系统，过渡过程结束之后，系统就进入了另一个稳态。统就进入了另一个稳态。 线性控制系统线性控制系统输入信号

13、输入信号时间响应时间响应01234567800.511.5th(t)h()ts（2 2）对控制系统提出的基本要求）对控制系统提出的基本要求稳定性稳定性的要求：系统进行工作最基本、最首要的要求：系统进行工作最基本、最首要的条件就是一定要稳定的条件就是一定要稳定“稳稳”；动态性能动态性能的要求：系统的动态性能表现在快速的要求：系统的动态性能表现在快速性和阻尼性上性和阻尼性上“快快”；稳态性能稳态性能要求：稳态时系统输出要尽可能的复要求：稳态时系统输出要尽可能的复现输入，表现在稳态误差要小现输入，表现在稳态误差要小“准准”。 3 3自动控制系统的研究内容和研究方法自动控制系统的研究内容和研究方法研究

14、内容研究内容（1 1）对系统进行分析）对系统进行分析 已知系统的结构和参数，确定系统的性能已知系统的结构和参数，确定系统的性能指标，并讨论系统的性能指标与系统结构、参指标，并讨论系统的性能指标与系统结构、参数之间的关系。数之间的关系。（2 2）对系统进行设计）对系统进行设计 已知系统要完成的控制任务及应达到的性已知系统要完成的控制任务及应达到的性能指标，确定系统的结构和参数。能指标，确定系统的结构和参数。 系统分析系统分析系统设计（频域）系统设计（频域）线性系统线性系统非线性系统非线性系统时域分析法时域分析法频域分析法频域分析法根轨迹法根轨迹法相平面法相平面法描述函数法描述函数法经经典典理理论

15、论课程总体框架课程总体框架串联校正串联校正反馈校正反馈校正复合校正复合校正学习方法学习方法课前预习；锻炼自学能力课前预习；锻炼自学能力课后复习；锻炼总结与提炼能力课后复习；锻炼总结与提炼能力与其它课程相验证；锻炼综合应用所学知识的能力与其它课程相验证；锻炼综合应用所学知识的能力从数学的角度去理解，掌握；锻炼数学思维从数学的角度去理解，掌握；锻炼数学思维从工程的角度去理解、掌握；锻炼工程思维从工程的角度去理解、掌握；锻炼工程思维从一般的角度去理解；锻炼哲学思维从一般的角度去理解；锻炼哲学思维学习建议：学习建议：v完成大量练习，积极讨论问题；完成大量练习，积极讨论问题；v注重体会本课程的方法论；注

16、重体会本课程的方法论；v学完每章要善于总结知识点，演绎与归纳并重；学完每章要善于总结知识点，演绎与归纳并重；v重视实验体验。重视实验体验。 课程目标：课程目标：以以线性定常系统线性定常系统为对象，学习控制系统的为对象，学习控制系统的分析、分析、设计与实现设计与实现，切身体会实施控制的全过程，牢固，切身体会实施控制的全过程，牢固建立建立反馈控制反馈控制的理念，培养实施控制的能力。的理念，培养实施控制的能力。参考书目：参考书目：v自动控制原理自动控制原理 胡寿松vModern Control Systems by R.C.Drof &H.Bishopv反馈控制系统设计与分析反馈控制系统设计与分析-matlab语言应用语言应用 薛定宇 v自动控制原理习题解析自动控制原理习题解析 胡寿松其他参考书目：其他参考书目：v(1)、吴麒主编 “自动控制原理”，清华大学出版社。v(2)、Richard C. Dorf，Robert H. Bishop Modern Control Syste