自动控制系统教程1

1、【上一页】【返回】2022-5-12 【返回】【上一页】【返回】2022-5-130 0 自动控制原理综述自动控制原理综述 1、授课对象授课对象： 工业自动化专业、测控技术与仪器本科专业 2、本课程的性质和任务本课程的性质和任务： 自动控制原理是工业自动化专业和测控技术与仪器专业的一门重要的专业基础课。 通过本课程的教学（讲课、实验、答疑和习题课），使学生了解自动控制系统的组成、特点及专业术语，学习并掌握经典控制理论的基本分析方法和设计方法，掌握实验技能，为设计和调试工业自动控制系统打下理论基础。并为进一步的理论学习和研究打下坚实的基础。 【上一页】【返回】2022-5-143、本课程与相关课

2、程的关系本课程与相关课程的关系自动控制原理自动控制原理微微积积分分积积分分变变换换复复变变函函数数电电子子技技术术电电路路理理论论现代现代控制控制理论理论过 程过 程控 制控 制系统系统各类各类专业专业课程课程大大学学物物理理电电机机拖拖动动【上一页】【返回】2022-5-154 4、课程的理论体系、课程的理论体系 理论体系：系统描述、系统分析、系统综合理论体系：系统描述、系统分析、系统综合【上一页】【返回】2022-5-161 1）经典控制理论）经典控制理论 研究对象：线性定常单输入单输出系统 数学模型：微分方程，传递函数（第二章） 系统分析：时域分析、根轨迹分析、 频率特性分析 （第三、四

3、、五章） 系统综合：根轨迹法、 频率特性法（第六章）2 2）现代控制理论）现代控制理论 研究对象：多输入多输出系统 数学模型：状态空间表达式 系统分析：时域分析、能控能观性分析、稳定性分析 系统综合：状态反馈控制、输出反馈控制、解耦控制 和最优控制【上一页】【返回】2022-5-17 经典控制理论所采用的方法本质上是频域方法，建立在试探法的基础上，主要研究系统的外部特性输入输出关系，只适用于比较简单的线性定常SISO系统。 现代控制理论所采用的方法本质上是时域的方法，它不仅适用于线性定常的SISO系统，还适用于时变系统、非线性系统和MIMO系统；不仅可以研究系统的外部特性，还可以研究系统的内部

4、特性，并将其引入控制，而且可以依据一定的性能指标设计出最优控制系统。 【上一页】【返回】2022-5-18 5 5、控制理论学科的发展、控制理论学科的发展 控制理论的产生可追述到18世纪中叶英国的第一次工业革命。1765年，Jams Watt发明了蒸汽机，进而应用离心式飞锤调速原理控制蒸汽机，标志着人类以蒸汽为动力的机械化时代的开始，人们开始研究调速系统的稳定性问题。 1872年E.J.Routh,1890年Hurwitz先后找到了系统稳定性的代数判据 【上一页】【返回】2022-5-19 1892年A.M.Liapunov在其“论运动稳定性的一般问题”的博士论文中给出了基于广义能量函数的系统

5、稳定性的一般判据。 1932年H.Nyquist给出了基于频率特性的关于系统稳定性的Nyquist判据。 在二次世界大战期间，由于军事上的需要，雷达和火力控制系统有了较大的发展，N.Winner在总结前人成果的基础上发表了控制论一书，标志着控制理论学科的诞生。【上一页】【返回】2022-5-110控制理论发展经过了三个时期： 第一阶段：经典控制理论（上世纪40年代末到50年代）。研究对象；主要数学工具；主要研究方法；主要解决的问题。 第二阶段：现代控制理论（形成于上世纪60年代）。 研究对象；主要数学工具；主要方法；重点问题；核心控制装置。 第三阶段：大系统理论时期（形成于上世纪70年代）。

6、研究对象；研究方法；重点问题；核心装置。【上一页】【返回】2022-5-111 七十年代开始，人们不仅解决社会、经济、管理、生态环境等系统问题，而且为解决模拟人脑功能，形成了新的学科人工智能科学，这是控制论的发展前沿。 人们通过计算机的强大的信息处理能力来开发人工智能，并用它来模仿人脑。在没有人的干预下，人工智能系统能够进行自调节、自学习和自组织，以适应外界环境的变化，并作出相应的决策和控制。 【上一页】【返回】2022-5-112 本课程只介绍经典控制理论部分，现代控制理论和智能控制部分将在后续课程中介绍。 【上一页】【返回】2022-5-1136 6、选用教材：、选用教材： 自动控制原理，

7、顾树生、王建辉，冶金工业出版社。 主要参考书目：主要参考书目： 1杨自厚，自动控制原理，冶金工业出版社，2003.6。 2胡寿松，自动控制原理，国防工业出版社，2000年。 3绪方胜彦，卢伯英等译，现代控制工程，科学出版 社，1981年。 4李友善，自动控制原理，国防工业出版社 5孙虎章主编，自动控制原理，北京：中央广播电视大学出 版社，1984 6李光泉主编，自动控制原理，北京：机械工业出版社，1987 7 7、学时安排：、学时安排：9090学时学时【上一页】【返回】2022-5-114一、基本概念一、基本概念【上一页】【返回】2022-5-115阀水 池调节器【上一页】【返回】2022-5

8、-116供水阀水槽水漂检测实际液位排水干扰实际液位给定液位【上一页】【返回】2022-5-117【上一页】【返回】2022-5-118 测量信号测量信号 检测仪表的输出经变送器变换后的与被控信号实际值成比例的信号（测量水位）。6 6 偏差信号偏差信号 给定信号与测量信号的差值信号。7 7 控制信号控制信号 调节器（或控制器（内含算法，控制率）输出的信号。8 8 执行机构执行机构 执行器+调节阀。【上一页】【返回】2022-5-1191. 1. 概念概念: 【上一页】【返回】2022-5-120【上一页】【返回】2022-5-121 按给定补偿的前馈控制 按扰动补偿的前馈控制)(1sW)(2sW

9、)(sWc)(sH)(sXr)(sXc)(1sW)(2sW)(sWc)(sH)(sXr)(sXc)(sN【上一页】【返回】2022-5-122 测量信号给定信号被调参数调节器执行机构对象检测仪表【上一页】【返回】2022-5-123【上一页】【返回】2022-5-124220VUcufUgU12 1-热电偶; 2-加热器 【上一页】【返回】2022-5-125KnDnCF1UfUgU【上一页】【返回】2022-5-126给定量输出量控制器被控对象检测装置扰动信号闭环系统结构图可看出,输出量也参与了控制四、复合控制系统 把开环控制与闭环控制结合起来构成的系统为复合控制系统。【上一页】【返回】20

10、22-5-127(1) 结构图中信号的传递具有单项性。 (2) 作用线只表示信号的传递方向,不代表实际物流方向。 (3) 方块图可简可繁,以能清晰描述信号传递关系以及突出研究环节性能为原则。（4）从输入端到输出端的信号传递通道称为正向通道或前向通道，其传递函数为正向通道传递函数。（5）从输出端到输入端的信号传递通道称为反馈通道，其传递函数为反馈通道传递函数。【上一页】【返回】2022-5-128 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.控制对象 7.检测装置1275634输入输出该图经常作为描述分析系统的工具应重点掌握。【上一页】【返回】2022-5-129【

11、上一页】【返回】2022-5-130 将偏差信号转换成适合于执行器工作的信号(功放,SCR)。注意注意: 2、3、4合为一体控制器(装置)。 直接作用于控制对象（调节机构、传动装置、电机） 要控制的机器,设备,或生产过程(水槽控制量水位；炉体炉温；轧辊辊速压下量.)。 测量控制量并转换成与给定量同物理量信号，要求：精度高、反映灵敏、性能稳定的传感器(测速发电机、热电偶、自整角机)。【上一页】【返回】2022-5-131主反馈：输出量引回到输入端的反馈为主反馈。局部反馈：在正向通道里，后面环节的输出对前面环节的返回影响称为局部反馈。1275634输入输出8注意：注意：【上一页】【返回】2022-

12、5-132 【上一页】【返回】2022-5-133 T1T2O2O1给定f1f2【上一页】【返回】2022-5-134 控制器 Controler 对象 Object输出参考输入【上一页】【返回】2022-5-135 【上一页】【返回】2022-5-136对方程对方程 txbdttxdbdttxdbtyadttydadttydammmmmnnnnn.11101110【上一页】【返回】2022-5-137 典型非线性环节特性如下图典型非线性环节特性如下图XrXrXrXrXrXra.继电器 b.饱和 c.不灵敏区(死区)【上一页】【返回】2022-5-138【上一页】【返回】2022-5-139采

13、样开关数据保持器控制对象tXrtete*【上一页】【返回】2022-5-140:输入给定值为常值.如恒温、恒压、恒速系统.:给定值随时间任意变化,该系统使输出跟随输入的变化(以一定精度)如雷达、导弹瞄准及拦截位置(前例),过程控制的副回路.又如自动平衡电子电位差计.:给定量按照事先指定的时间函数变化,如程控机床.【上一页】【返回】2022-5-141 4.4. 自动控制系统的性能指标自动控制系统的性能指标【上一页】【返回】2022-5-142对于SISO系统可以用微分方程描述,而微分方程(线性)的稳态解(特解)正是描述了系统的稳态;而其暂态解（齐次通解 描述了系统稳态时的稳定程度,用稳态误差表示,它实指系统达到稳态时输出量的实际值与期望值(给定值)之间的误差。其值为零称为无差系统。它能够表示出系统稳态时的控制精度。【上一页】【返回】2022-5-143t)(tx)(txtt)(tx)(txt【上一页】【返回】2022-5-144t)(txt)(tx (a)(a)给定突增给定突增 (b)(b)扰动突变扰动突变t)(txt)(tx (a) (a)给定突增给定突增 (b)(b)扰动突变扰动突变【上一页】【返回】2022-5-145 【上一页】【返回】2022-5-146【上一页】【返回】2022-5-147三、暂态性能指标三、暂态性能指标t)(txtrxc()x