自动控制原理 第3版 PPT课件 第1章

自动控制原理（第3版）孟华主编机械工业出版社普通高等教育“十一五”国家级规划教材

辽宁省“十二五”普通高等教育本科省级规划教材第1章自动控制的基本概念自动控制原理2第1章自动控制的基本概念

本章介绍自动控制的基本概念、自动控制系统的构成和特点、自动控制系统的几种类型等。

1.1概述1.2自动控制的基本原理1.3自动控制系统的基本控制方式1.4控制系统的分类1.5对控制系统性能基本要求习题自动控制原理320世纪40年代“经典控制理论”正式诞生，代表作是维纳（Wiener）1948年发表的《控制论》（CyberneticsorControlandCommunicationintheAnimalandMachine）。

“经典控制理论”以传递函数为数学工具，研究对象主要是单输入单输出线性的一类自动控制系统。60年代初，第一颗人造卫星上天，太空飞船成功登月，催生了“现代控制理论”。

“现代控制理论”以状态空间法为基础，主要研究多输入多输出、时变、非线性控制系统的分析和设计问题。1.1概述自动控制原理41.2自动控制的基本原理1.2.1自动控制系统举例(1)温度控制系统

自动控制原理5

(2)位置随动系统1.2自动控制的基本原理自动控制原理61.2自动控制的基本原理

被控对象：它接受控制量并输出被控量测量装置：它把被控对象的被控量检测出来比较装置：它把测量信号与给定信号比较，得到偏差计算装置：可以进行复杂运算，决定系统性能的好坏放大装置：经过计算处理的信号通常是弱信号，不能驱动被控制对象，由它进行放大执行装置：它推动被控对象的被控量发生变化自动控制原理71.3自动控制系统的基本控制方式

1.3.1开环控制开环控制方式是指控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制过程。(1)按给定值操作的开环控制系统(2)按干扰补偿的开环控制系统这种控制系统只能对可测干扰进行补偿。自动控制原理81.3自动控制系统的基本控制方式（续）

1.3.2闭环控制信号沿着测量、控制（比较计算、放大）、执行控制、被控对象、再到测量、再到比较控制、…，形成一个闭合回路，由于对被控量进行测量，系统存在偏差信号和闭合回路，所以称为按偏差调节的闭环控制，或称为反馈控制。1.3.3复合控制复合控制系统是闭环控制系统与按扰动补偿的开环系统相结合的一种自动控制系统。自动控制原理91.4自动控制系统的分类

1.4.1按输入信号特征分类

(1)恒值控制系统

(2)程序控制系统

(3)随动控制系统（又称伺服系统）1.4.2按系统数学模型分类线性系统中各元件的静特性为直线。

线性系统有两个重要特性——叠加性和齐次性

1)叠加性：如果用c1(t)表示由r1(t)产生的输出，用c2(t)表示由r2(t)产生的输出，则当r1(t)和r2(t)同时作用时，输出量为c1(t)+c2(t)

。

2)齐次性：如果用c(t)表示由r(t)产生的输出量，则在Kr(t)作用下的输出量为Kc(t)。(1)线性系统自动控制原理101.4控制系统的分类（续）(2)非线性系统

系统中只要某一部件具有非线性特性就是非线性系统。非线性系统的特点是不满足叠加原理。图中分别为继电器、死区、饱和、间隙特性，还有大量的其它非线性特性。

(a)(b)(c)(d)自动控制原理111.4控制系统的分类（续）1.4.4按系统参数特性分类(1)定常系统系统参数在系统运行过程中相对于时间是不变的。(2)时变系统系统参数是时间t的函数。1.4.3按时间变量特性分类

(1)连续时间系统：控制系统中各环节的输入量和输出量均为时间t的连续函数。(2)离散时间系统：系统中只要一处信号是脉冲序列或数字编码。自动控制原理121.5对控制系统性能的基本要求1.5.1稳定性当系统受到干扰后，系统的输出c(t)可能出现增幅振荡或单调增长现象，这种现象称为不稳定现象，这样的系统称为不稳定系统。

(a)(b)在分析和设计自动控制系统时，需要有一个评价控制系统性能优劣的标准，通常用性能指标来表示。对于线性定常系统，经典控制理论所使用的性能指标主要包括三方面内容：稳定性、快速性和准确性。自动控制原理131.5对控制系统的性能要求（续）1.5.2快速性

当系统输入信号r(t)为阶跃函数时，其输出信号c(t)称为阶跃响应。图为某自动控制系统在阶跃输入r(t)作用下的输出响应曲线c(t)。在控制系统稳定的前提下，总是希望响应越快越好，而且超调量越小越好。自动控制原理141.5对控制系统的性能要求（续）1.5.3准确性

控制系统在稳定的情况下，希望的输出与实际的输出之差称为误差，误差的稳态分量称为稳态误差（或称为静态误差），一般用ess表示。

自动控制系统的性能指标分别描述了系统在稳定性、动态性能、稳态性能三个方面的要求，根据这些性能指标，就可以判别系统性能的优劣。自动控制原理151.6MATLAB在控制系统研究中的应用MATLAB是目前较为广泛使用的科学计算与仿真软件，可以方便地完成控制系统建模、分析和设计中各种复杂的数学计算，实现控制系统的仿真运行。本书在各章的最后一节，将使用MATLAB的基本程序和控制系统工具箱，通过调用函数和命令，给出控制系统分析与研究应用实例。1.MATLAB的特点与典型应用MATLAB的特点是语言简洁紧凑，方便灵活，程序书写形式自由，语法规则简单。MATLAB另一特点是库函数极其丰富，且源文件对用户开放。很多专家用它编写了许多专门的MATLAB工具箱，工具箱中集成了用于扩展基本程序功能的M文件，在控制理论领域里，有控制系统工具箱、系统辨识工具箱、信号处理工具箱、鲁棒控制工具箱、最优化工具箱等。自动控制原理161.6MATLAB在控制系统研究中的应用2.控制系统工具箱和Simulink软件包控制系统工具箱是针对控制系统分析与工程设计函数和工具的集合，其函数主要采用M文件形式，为控制系统模型建立、分析、仿真提供了丰富的函数和简便的图形用户界面，基本涵盖了经典控制理论的全部内容和部分现代控制理论的内容。Simulink是在MATLAB下面向框图的仿真软件，为用户提供了一个对动态系统进行建模、仿真和分析的交互环境。自动控制原理17本章小结

本章简要介绍了控制理论发展过程，从工程实例出发阐述了自动控制的定义，自动控制系统的组成和常用术语，如被控对象、被控量（输出量）、给定值（参考输入）、干扰量、反馈通路和前向通路等。