自动控制理论课件：1第一章 引论

1、自动控制理论配套教辅教材：自动控制理论例题习题集考研试题解析，翁贻方，机械工业出版社，2006。 教材自动控制理论(第三版),夏德钤，翁贻方编著,机械工业出版社参考书：1自动控制原理及其应用，黄坚，高等教育出版社，2009年2自动控制原理及简明教程，胡寿松，科学出版社2007年，第5版3. 现代控制工程(第4版)(英文版) Katsuhiko Ogata，电子工业出版社教学安排 一、授课50学时，13周，详细讲解课本前六章第一章 引 论（2学时）第二章 线性系统的数学模型（8学时）第三章 线性系统的时域分析（10学时）第四章 线性系统的根轨迹分析（7学时）第五章 线性系统的频域分析（11学时）

2、第六章 线性系统的校正（8学时）简述七、八章非线性和离散系统部分（2学时）复习总结（2学时）二、实验安排，共有3次实验，时间另行安排学生纪律要求（平时成绩，占总成绩30）课堂纪律，必须遵守 认真听课；不迟到、不早退、不说话、不用手机、不睡觉提倡记笔记，便于掌握和复习 课本上没有的；老师总结的基本算法步骤；补充内容按时完成作业，课代表负责辅导答疑自主安排，可预约，非诚勿扰考试（ 闭卷，占总成绩70） 满分白卷仅一步之遥！ 关键在于平时积累！ 严师出高徒！本课程在人才培养中的重要地位 自动化、电子信息类的重要专业基础课 知识结构中起到承上启下作用 构建和设计自动控制系统的理论与方法 已学专业基础课

3、程的知识提升和系统化 后续课程计算机控制系统、运动控制系统、过程控制系统等本课程所需基础知识 高等数学中的微分方程 拉普拉斯变换 电路理论中相关知识 模拟电子技术中的运算放大器 物理学相关知识本课程的任务 掌握闭环控制系统的结构、原理 掌握自动控制系统的传递函数数学模型 掌握自动控制系统的分析方法 掌握自动控制系统的校正方法主要学习自动控制理论的基础知识和基本方法，培养系统的分析问题和解决问题能力，今后学习和工作的理论基础第一章 引论本章知识点 自动控制的基本概念 开环控制与闭环控制 自动控制系统需要分析的方面 自动控制系统的类型 自动控制系统中的术语和定义 自动控制的概念及应用1.控制：使某

4、些物理量按指定的规律变化（包括保持恒定），以保证生产的安全性，经济性及产品质量等要求的技术手段。2.自动控制：应用自动化仪表或控制装置代替人，自动地对机器设备或生产过程进行控制，使之达到预期的状态或性能要求。（没有人参与实现的控制）3.自动控制理论：采用数学方法实现第一章 引 论什么是自动控制自动控制是在人不直接参与的情况下，利用自动控制装置使机器、设备、生产过程等自动地按照预定的规律运行，使机器的动作、设备的运转、生产过程的状态能够自动地在一定的精度范围内，按照给定的规律变化。手动控制与自动控制的比较手动控制靠人的观测与操作自动控制系统自动检测水位与控制阀门自动控制系统无处不在军事、航天领域

5、 火炮跟踪系统、雷达跟踪系统； 人造卫星的姿态控制等；宇宙飞船的各种自动控制。 工业领域 产品加工和物流调配的自动控制；石油化工生产过程、造纸、工业窑炉、轧钢过程的自动控制等。 农业生产领域 自动灌溉系统；植物温室温度和湿度自动控制系统等。自动控制系统无处不在商业领域 商业设备、仓储自动化设备与系统、物流监控管理日常生活 空调器、电冰箱等。生产过程自动控制系统控制柜工艺流程画面第一节 开环控制与闭环控制系统 为完成特定的任务，由相互制约的各个部分按一定规律组成的、具有一定功能的整体。 特点： 目的性、相关性、规律性、功能性自动控制系统 由控制装置和被控制对象组成，能够对被控制对象的工作状态进行

6、自动控制的系统。即采用自动控制技术实现控制的系统。开环控制在控制器与被控对象之间只有正向控制作用而没有反馈控制作用，即系统的输出量对输入量没有影响。输入量直接送入控制器，产生控制量作用于被控对象，从而改变被控制量。 控制器 被控对象控制量给定值r(t)u(t)c(t)第一节 开环控制与闭环控制特点：系统简单，成本低，精度不够，一般用于要求不高场合。闭环控制（反馈控制）引入测量元件，将检测到的输出量送回到输入端，并与输入信号比较构成负反馈，控制器根据偏差按照某种规律产生控制量，实现对被控对象的控制。 控制器被控对象控制量输出量 给定值r(t)u(t)c(t)测量元件偏差e(t) 第一节 开环控制

7、与闭环控制从控制器与被控对象之间既有信号的正向作用，又有信号的反馈作用。闭环控制系统定义：输出量与输入量之间有反向联系，靠输入量与主反馈信号之间的偏差对输出量进行控制的系统叫闭环控制系统。（信号有反馈形成闭环）反馈：将检测出来的输出量送回到系统的输入控制器上，并与输入信号比较的过程特点：把系统输出量全部或一部分回送到输入端，以增强或减弱输入信号的效应。闭环控制的优点 抗干扰能力强，稳态精度高、动态性能好等。 设计不合理时，将出现不稳定。在开环控制系统中不存在同样的问题。由此带来的问题第一节 开环控制与闭环控制例1 恒温箱开环控制系统第一节 开环控制与闭环控制例1 恒温箱闭环控制系统第一节 开环

8、控制与闭环控制工作原理目的:水位不变扰动:出水变化、进水压力变化等人工调节过程:检测水位与希望高度比较确定阀门开度与方向执行执行:控制阀门(调节进水量) 自动控制第一节 开环控制与闭环控制例2 水位自动控制系统本系统中, 只要浮子不在给定位置上,电机就要工作,就是说,系统最终不会存在误差 前面介绍的自动控制系统中,如果用水量增加(减少),必须开大(关小)阀门, 则浮子一定要偏离给定位置,就是说,系统存在有误差;能不能做到使系统稳定后不存在误差？原理第一节 开环控制与闭环控制系统功能框图描述控制过程：假设Hc 浮子（测量出Hc，和整定的位置Hg作比较）阀门Q1Hc第一节 开环控制与闭环控制开环控

9、制系统 1. 结构简单经济 2.调试方便 3.抗干扰能力差，控制精度不高。闭环控制系统 1.系统具有纠正偏差的能力。 2.抗扰性好，控制精度高。 3.包含元件多，结构复杂，价格高。 4.参数应选择适当。开环闭环复合控制系统（兼有两者的优点，精度很高） 开环与闭环系统的比较按输入输出变量的特征分类按系统中传递信号的性质分类线性系统和非线性系统1-2 自动控制系统的类型第二节 自动控制系统的类型随动系统与自动调整系统 随动系统又称为伺服系统特点：给定值是预先未知的、随时间任意变化，要求系统被控量以尽可能小的误差跟随给定值变化。（比如高射炮跟踪敌机随动系统）自动调整系统又称为恒值控制系统特点：系统输

10、入量（即给定值）不变，但由于扰动使被控量偏离要求值，该系统能根据偏差产生控制作用，使被控量恢复到要求值，并以一定的准确度保持在要求值附近。（如恒温控制系统）线性系统和非线性系统 线性系统是指组成系统的元器件的静态特性为直线，能用线性常微分方程描述其输出与输入关系的系统。线性系统的主要特点是具有叠加性和齐次性。（本课程研究重点） 非线性系统是指组成系统的元器件中有一个以上不能用线性方程描述。非线性系统还可分为非线性时变系统与非线性定常系统。严格地说，实际上不存在理想的线性系统第二节 自动控制系统的类型线性系统和非线性系统比较线性控制系统：由线性元件组成，输入输出问具有叠加性和均匀性性质。以线性微

11、分方程来表述。非线性控制系统：系统中有非线性元件，输入输出间不具有叠加性和均匀性性质。用非线性微分方程来表述。连续系统与离散系统 连续系统：各部分的输入和输出信号都是连续变化的模拟量，可用微分方程来描述各部分输入-输出关系的系统 离散系统：某一处或多处的信号以脉冲序列或数码形式传递的系统。 离散系统也有线性离散系统和非线性离散系统、定常离散系统和时变离散系统之分。第二节 自动控制系统的类型单输入-单输出系统与多输入-多输出系统 单输入单输出系统（SISO, Single Input Single Output) 只有一个输入量和一个输出量的控制系统，也称为单变量系统。如直流电机调速系统多输入多

12、输出系统（MIMO, Multiple Inputs Multiple Outputs) 有多个输入量和多个输出量的控制系统，也称为多变量系统第二节 自动控制系统的类型确定系统与不确定系统 确定系统 若系统的结构和参数是确定的、预先可知的，系统的输入信号（包括给定输入和扰动）也是确定的，则可用解析式或图表确切地表示，这种系统称为确定系统。 不确定系统 系统本身的结构和参数不确定或作用于系统的输入信号不确定时，则称这种系统为不确定系统。第二节 自动控制系统的类型集中参数系统和分布参数系统 集中参数系统 能用常微分方程描述的系统 分布参数系统 不能用常微分方程而必须用偏微分方程描述的系统 第二节

13、自动控制系统的类型本课程中涉及的内容主要是单变量、集中参数、线性、定常、连续系统，简称线性定常系统。同时对非线性系统及线性离散系统也作必要的阐述（第七章、第八章）。第二节 自动控制系统的类型自动控制系统需分析的问题1闭环系统的稳定性 稳定是任何一个自动控制系统能否实际应用的必要条件。 给出判断系统稳定性的基本方法，并阐述系统的稳定性与系统结构（或称控制规律）及系统参数间的关系。第三节 自动控制理论概要2. 稳态特性分析 系统稳态特性表征了系统实际稳态值与希望稳态值之间的差值，即稳态误差，表征了控制系统的控制精度。给出计算系统稳态误差的方法，指出系统结构和参数对稳态特性的影响。自动控制系统需分析

14、的问题第三节 自动控制理论概要3暂态特性分析 系统的输入一定时，一般将由初始稳态向终止稳态过渡。初始稳态与终止稳态之间的过渡过程称为系统的暂态过程。分析系统结构、参数与动态特性的关系，并给出计算系统动态性能指标的方法和讨论改善系统动态性能的途径。自动控制系统需分析的问题第三节 自动控制理论概要第三节 自动控制理论概要自动控制系统是指由控制装置与被控对象组成 1.被控对象：（要求实现自动控制的机器设备或生产过程）2.被控制量：（指被控制系统所要控制的物理量，一般指系统的输出量）3.给定值：（根据生产要求，被控制量需要达到的数值）4.扰动：（破坏控制量与被控制量之间正常函数关系的因素，称为系统的扰

15、动。如扰动来自外部，叫做外扰，如果扰动来自内部，如系统中各元件参数的变化，称为内扰） 给定值和扰动通称为输入量。5.控制装置：（能够对被控对象起控制作用的设备总称）自动控制系统的构成自动控制系统的设计与综合 设计一个系统比分析一个系统复杂，需要控制理论知识，熟悉控制元件、控制规律，还要将理论与实际问题结合起来。 为满足暂态性能和稳态性能指标的要求，需要改变系统的某些参数或附加某种装置，称为控制系统的校正。 应用自动控制理论对自动控制系统进行设计与综合的过程如下：第三节 自动控制理论概要设计控制器确定出一种合适的控制规律及相应的参数；根据设计结果，对系统性能进行分析；若结果不能令人满意，应能指明

16、改善系统性能的途径，并调整设计方案或参数。自动控制系统的设计与综合第三节 自动控制理论概要第三节 自动控制理论概要 自动控制理论的内容与自动控制系统需要研究的问题密切相关。 本课程 以闭环控制系统为研究对象 用传递函数数学模型描述自动控制系统的输入输出关系 用经典控制理论的方法分析和设计系统 主要研究线性定常系统 1.经典控制理论4050年代形成 适用于SISO（单输入单输出）系统 目标：输入输出变量之间的关系，反馈控制系统的稳定 基本方法：传递函数，频率法，PID调节器 (频域)代表人物；维纳（1948），钱学森（1954）2.现代控制理论6070年代形成 适用于MIMO （多输入多输出）系

17、统 目标：系统内部结构的分析与最优控制基本方法：状态空间表达式，微分方程组自动控制理论的发展3.智能控制理论80年代后形成 适用于SISO 和MIMO系统 目标：系统变量的智能控制基本方法：人工智能技术自动控制理论的发展历程经典控制理论现代控制理论智能控制理论 经典的控制理论在浅层意义上模拟人们反馈自动调节的行动过程. 现代控制理论是相对于经典控制理论而发展起来的.计算机技术的发展与应用促进了现代控制理论的研究、应用与发展.第三节 自动控制理论概要自动控制理论的发展历程 智能控制方法在较深层次上模拟人类大脑的思维判断过程，通过模拟人类思维判断的各种算法实现控制。主要有模糊控制、人工神经网络控制

18、、专家控制等。第三节 自动控制理论概要经典控制理论的特点主要研究对象：单输入、单输出系统线性系统 定常(时不变)系统主要分析方法:频域分析,在复平面对系统动态性能、稳态性能进行分析。自动控制理论的发展历程第三节 自动控制理论概要现代控制理论的特点主要研究对象：多输入、多输出系统 非线性系统时变系统分析方法主要特点:时域分析,在状态空间对系统暂态性能、稳态性能进行分析自动控制理论的发展历程第三节 自动控制理论概要经典控制理论的体系数学模型：以线性常微分方程为基础的、用传递函数表示系统的输入输出关系；用框图表示系统的数学模型，化简的方法；用信号流程图表示系统各部分之间的信号关系，并化简。第四节 自动控制系统中的术语和定义时域分析方法：根据系统的传递函数判定系统的稳定性；根据系统的传递函数分析和计算系统的稳态误差；根据系统的传递函数分析和计算系统的暂态性能；用系统的根轨迹分析稳定性、稳态误差和暂态性能经典控制理论的体系第四节 自动控制系统中的术语和定义频域分析方法根据系统的传递函数得到系统频率特性表达式；根据系统的开环频率特性定性和定量地分析闭环系统的稳定性；根据系统的开环频率特性分析系统稳态和暂态性