西北工业大学—自动控制原理1-8.ppt

1、自动控制原理,讲授：卢京潮作者：周雪琴张洪才出版：西北工业大学出版社,自动控制原理,西北工业大学自动化学院自动控制原理教学组,自动控制原理,西北工业大学自动化学院自动控制原理教学组,自动控制原理,（第1讲）第一章自动控制的一般概念1.1引言1.2自动控制理论发展概述1.3自动控制和自动控制系统的基本概念1.4自动控制系统的基本组成1.5控制系统示例,自动控制原理,11，2，3，4,本次课程作业（1）,自动控制理论发展简史,经典控制理论(19世纪初)时域法复域法(根轨迹法)频域法现代控制理论(20世纪60年代)线性系统自适应控制最优控制鲁棒控制最佳估计容错控制系统辨识集散控制大系统复杂系统智能控

2、制理论(20世纪70年代)专家系统模糊控制神经网络遗传算法,调速器工作原理图,自动控制原理,自动控制理论是研究自动控制系统组成，进行系统分析设计的一般性理论是研究自动控制过程共同规律的技术学科,自动控制,在无人直接参与的情况下，利用控制装置，使工作机械、或生产过程（被控对象）的某一个物理量（被控量）按预定的规律（给定量）运行。,基本控制方式,1.开环控制2.闭环控制3.复合控制,例1炉温控制系统,炉温控制系统方框图,炉温控制系统方框图,方框图中各符号的意义,元部件方框（块）图信号（物理量）及传递方向中的符号比较点引出点表示负反馈,例2函数记录仪,函数记录仪方框图,负反馈原理,将系统的输出信号引

3、回输入端，与输入信号相比较，利用所得的偏差信号进行控制，达到减小偏差、消除偏差的目的。_构成闭环控制系统的核心闭环(反馈)控制系统的特点：(1)系统内部存在反馈，信号流动构成闭回路(2)偏差起调节作用,控制系统的组成(1),被控对象控制系统测量元件比较元件控制装置放大元件执行机构校正装置给定元件,控制系统的组成(2),课程小结,1.自动控制的一般概念基本控制方式控制系统的基本组成控制系统的分类对控制系统的要求课程研究的内容2.要求掌握的知识点负反馈控制系统的特点及原理由系统工作原理图绘制方框图,自动控制原理,11，2，3，4,本次课程作业（1）,自动控制原理,（第2讲）第一章自动控制的一般概念

4、1.5控制系统示例1.6自动控制系统的分类1.7对控制系统性能的基本要求1.8本课程的研究内容,自动控制原理,17，10，11,本次课程作业（2）,自动控制,在无人直接参与的情况下，利用控制装置，使工作机械、或生产过程（被控对象）的某一个物理量（被控量）按预定的规律（给定量）运行。,基本控制方式,1.开环控制2.闭环控制3.复合控制,例2函数记录仪,函数记录仪方框图,负反馈原理,将系统的输出信号引回输入端，与输入信号相比较，利用所得的偏差信号进行控制，达到减小偏差、消除偏差的目的。_构成闭环控制系统的核心闭环(反馈)控制系统的特点：(1)系统内部存在反馈，信号流动构成闭回路(2)偏差起调节作用

5、,控制系统的组成(1),被控对象控制系统测量元件比较元件控制装置放大元件执行机构校正装置给定元件,控制系统的组成(2),水温调节系统,水温调节系统工作原理图,水温调节系统,水温调节系统方框图,控制系统的分类,按给定信号的形式恒值系统/随动系统按系统是否满足叠加原理线性系统/非线性系统按系统参数是否随时间变化定常系统/时变系统按信号传递的形式连续系统/离散系统按输入输出变量的多少单变量系统/多变量系统,对控制系统的基本要求,1.稳：（基本要求）要求系统要稳定2.准：（稳态要求）系统响应达到稳态时，输出跟踪精度要高3.快：（动态要求）系统阶跃响应的过渡过程要平稳，快速,演示,自动控制原理课程的任务

6、与体系结构,自动控制原理,教学过程方框图,课程小结,1.自动控制的一般概念基本控制方式控制系统的基本组成控制系统的分类对控制系统的要求课程研究的内容2.要求掌握的知识点负反馈控制系统的特点及原理由系统工作原理图绘制方框图,自动控制原理,17，10，11,本次课程作业（2）,自动控制原理,本次课程作业（3）21,2,3,附加作业:1已知f(t)，求F(s),求f(0),f()。,自动控制原理,（第3讲）第二章控制系统的数学模型2.1引言2.2控制系统的时域数学模型复习：拉普拉斯变换有关知识,自动控制原理课程的任务与体系结构,自动控制原理,2控制系统的数学模型,时域模型微分方程复域模型传递函数,2

7、控制系统的数学模型,2.1引言数学模型:描述系统输入、输出变量以及内部各变量之间关系的数学表达式建模方法：解析法，实验法2.2时域数学模型微分方程线性元部件、线性系统微分方程的建立非线性系统微分方程的线性化,2.1引言,数学模型描述系统输入、输出变量以及内部各变量之间关系的数学表达式建模方法解析法（机理分析法）根据系统工作所依据的物理定律列写运动方程实验法（系统辨识法）给系统施加某种测试信号，记录输出响应，并用适当的数学模型去逼近系统的输入输出特性,2.2控制系统的数学模型微分方程,线性定常系统微分方程的一般形式,2.2控制系统的数学模型微分方程,2.2.1线性元部件及系统的微分方程,例1R-

8、L-C串连电路,2.2.1线性元部件及系统的微分方程（1）,例2弹簧阻尼器系统,2.2.1线性元部件及系统的微分方程,电磁力矩：安培定律,电枢反电势：楞次定律,电枢回路：克希霍夫,力矩平衡：牛顿定律,电机时间常数电机传递系数,消去中间变量i,Mm,Eb可得：,例3电枢控制式直流电动机,2.2.1线性元部件及系统的微分方程（3）,反馈口：放大器：电动机：减速器：绳轮：电桥：,消去中间变量可得：,例4X-Y记录仪,2.2.2非线性系统微分方程的线性化（举例1）,取一次近似，且令,既有,例5已知某装置的输入输出特性如下，求小扰动线性化方程。,解.在工作点(x0,y0)处展开泰勒级数,2.2.2非线性

9、系统微分方程的线性化（举例2）,解.在处泰勒展开，取一次近似,代入原方程可得,在平衡点处系统满足,上两式相减可得线性化方程,例6某容器的液位高度h与液体流入量Q满足方程式中S为液位容器的横截面积。若h与Q在其工作点附近做微量变化，试导出h关于Q的线性化方程。,线性定常微分方程求解,微分方程求解方法,复习拉普拉斯变换有关内容（1）,1复数有关概念,（1）复数、复函数,复数,复函数,例1,（2）模、相角,（3）复数的共轭,（4）解析,若F(s)在s点的各阶导数都存在，则F(s)在s点解析。,模,相角,复习拉普拉斯变换有关内容（2）,2拉氏变换的定义,（1）阶跃函数,3常见函数的拉氏变换,（2）指数

10、函数,复习拉普拉斯变换有关内容（3）,（3）正弦函数,复习拉普拉斯变换有关内容（4）,（1）线性性质,4拉氏变换的几个重要定理,（2）微分定理,证明：,0初条件下有：,复习拉普拉斯变换有关内容（5）,例2求,解.,例3求,解.,复习拉普拉斯变换有关内容（6）,（3）积分定理,零初始条件下有：,进一步有：,例4求Lt=?,解.,例5求,解.,复习拉普拉斯变换有关内容（7）,（4）实位移定理,证明：,例6,解.,令,复习拉普拉斯变换有关内容（8）,（5）复位移定理,证明：,令,例7,例8,例9,复习拉普拉斯变换有关内容（9）,（6）初值定理,证明：由微分定理,例10,复习拉普拉斯变换有关内容（10

11、）,（7）终值定理,证明：由微分定理,例11,（终值确实存在时）,例12,复习拉普拉斯变换有关内容（11）,用拉氏变换方法解微分方程,L变换,系统微分方程,L-1变换,课程小结(1),控制系统的数学模型,时域模型微分方程元部件及系统微分方程的建立线性定常系统微分方程的特点非线性方程的线性化微分方程求解,课程小结(2),1拉氏变换的定义,（2）单位阶跃,2常见函数L变换,（5）指数函数,（1）单位脉冲,（3）单位斜坡,（4）单位加速度,（6）正弦函数,（7）余弦函数,课程小结(3),（2）微分定理,3L变换重要定理,（5）复位移定理,（1）线性性质,（3）积分定理,（4）实位移定理,（6）初值定

12、理,（7）终值定理,自动控制原理,本次课程作业（3）21,2,3,附加作业:1已知f(t)，求F(s),求f(0),f()。,自动控制原理,本次课程作业（4）24,5,6,7,附加:已知F(s)，求f(t),自动控制原理,（第4讲）第二章控制系统的数学模型复习：拉普拉斯变换有关知识2.3控制系统的复域数学模型,自动控制原理课程的任务与体系结构,课程回顾(1),控制系统的数学模型,时域模型微分方程元部件及系统微分方程的建立线性定常系统微分方程的特点非线性方程的线性化微分方程求解,课程回顾(2),2拉氏变换的定义,（2）单位阶跃,3常见函数L变换,（5）指数函数,（1）单位脉冲,（3）单位斜坡,（

13、4）单位加速度,（6）正弦函数,（7）余弦函数,课程回顾(3),（2）微分定理,4L变换重要定理,（5）复位移定理,（1）线性性质,（3）积分定理,（4）实位移定理,（6）初值定理,（7）终值定理,复习拉普拉斯变换有关内容（12）,5拉氏反变换,（1）反演公式,（2）查表法（分解部分分式法）,解.,复习拉普拉斯变换有关内容（13）,用L变换方法解线性常微分方程,:特征根（极点）,:相对于的模态,复习拉普拉斯变换有关内容（14）,用留数法分解部分分式,一般有,其中：,设,I.当无重根时,复习拉普拉斯变换有关内容（15）,解.,解.,复习拉普拉斯变换有关内容（16）,解一.,解二：,复习拉普拉斯变

14、换有关内容（17）,II.当有重根时,(设为m重根，其余为单根),复习拉普拉斯变换有关内容（18）,复习拉普拉斯变换有关内容（19）,解.,线性定常微分方程求解,例6R-C电路计算,(1)输入ur(t),影响系统响应的因素,(2)初始条件,(3)系统的结构参数,规定r(t)=1(t),规定0初始条件,自身特性决定系统性能,影响系统响应的因素,2.3控制系统的复域模型传递函数,2.3.1传递函数的定义,在零初始条件下，线性定常系统输出量拉氏变换与输入量拉氏变换之比。,2.3.2传递函数的标准形式,微分方程一般形式：,拉氏变换：,传递函数：,首1标准型：,尾1标准型：,2.3控制系统的复域模型传递

15、函数,例7已知,将其化为首1、尾1标准型，并确定其增益。,解.,首1标准型,尾1标准型,增益,2.3控制系统的复域模型传递函数,2.3.3传递函数的性质(1)G(s)是复函数；(2)G(s)只与系统自身的结构参数有关；(3)G(s)与系统微分方程直接关联；(4)G(s)=Lk(t)；(5)G(s)与s平面上的零极点图相对应。,例8已知某系统在0初条件下的阶跃响应为：试求：（1）系统的传递函数；（2）系统的增益；（3）系统的特征根及相应的模态；（4）画出对应的零极点图；（5）求系统的单位脉冲响应；（6）求系统微分方程；（7）当c(0)=-1,c(0)=0;r(t)=1(t)时，求系统的响应。解.

16、（1）,2.3.3传递函数的性质(1),2.3.3传递函数的性质(2),(2),(4)如图所示,(3),(5),(6),2.3.3传递函数的性质(3),（7）,其中初条件引起的自由响应部分,（1）原则上不反映非零初始条件时系统响应的全部信息；（2）适合于描述单输入/单输出系统；（3）只能用于表示线性定常系统。,2.3.4传递函数的局限性,例8线性/非线性，定常/时变系统的辨析,2.3.4传递函数的局限性,课堂小结,2.3.3传递函数的性质,2.3.1传递函数的定义,2.3.2传递函数的标准形式,2.3.4传递函数的局限性,控制系统模型,微分方程（时域）,传递函数（复域）,(1)G(s)是复函数

17、；(2)G(s)只与系统自身的结构参数有关；(3)G(s)与系统微分方程直接关联；(4)G(s)=Lk(t)；(5)G(s)与s平面上的零极点图相对应。,自动控制原理,本次课程作业（4）24,5,6,7,附加:已知F(s)，求f(t),本次课程作业（5）28,9,自动控制原理,自动控制原理,（第5讲）第二章控制系统的数学模型1.1引言1.2控制系统的时域数学模型1.3控制系统的复域数学模型1.4控制系统的结构图及其等效变换2.5控制系统的信号流图2.6控制系统的传递函数,课堂回顾,2.3.3传递函数的性质,2.3.1传递函数的定义,2.3.2传递函数的标准形式,2.3.4传递函数的局限性,控制

18、系统模型,微分方程（时域）,传递函数（复域）,(1)G(s)是复函数；(2)G(s)只与系统自身的结构参数有关；(3)G(s)与系统微分方程直接关联；(4)G(s)=Lk(t)；(5)G(s)与s平面上的零极点图相对应。,传递函数（1）,例1系统如图，被控对象微分方程为,求系统传递函数F(s)。,解.,(1)求G0(s),(2)由运放,传递函数（2）,整理得,2.3.2常用控制元件的传递函数,.教学课件Newnewzkyl.exe控制系统元件.doc,2.3.3典型环节(1),环节：具有相同形式传递函数的元部件的分类。典型环节及其传递函数.doc不同的元部件可以有相同的传递函数；若输入输出变量

19、选择不同，同一部件可以有不同的传递函数；任一传递函数都可看作典型环节的组合。,2.3.3典型环节(2),传递函数都可看作典型环节的组合,负载效应问题,控制系统的数学模型,课堂小结（1）,2.3.2常用控制元件的传递函数（1）电位计（2）电桥式误差角检测器（3）自整角机（4）测速发电机（交流，直流）（5）电枢控制式直流电动机（6）两相异步电动机（7）齿轮系,课堂小结（2）,2.3.3典型环节（1）比例环节（2）微分环节（3）积分环节（4）惯性环节（5）振荡环节（6）一阶复合微分环节（7）二阶复合微分环节,本次课程作业（5）28,9,自动控制原理,2.4控制系统的结构图及其等效变换,2.4.1结构

20、图的组成及绘制.doc2.4.2结构图等效变换规则.doc,本次课程作业（6）211,12,13,自动控制原理,自动控制原理,（第6讲）第二章控制系统的数学模型1.1引言1.2控制系统的时域数学模型1.3控制系统的复域数学模型1.4控制系统的结构图及其等效变换2.5控制系统的信号流图2.6控制系统的传递函数,课程回顾（1）,2.3.2常用控制元件的传递函数（1）电位计（2）电桥式误差角检测器（3）自整角机（4）测速发电机（交流，直流）（5）电枢控制式直流电动机（6）两相异步电动机（7）齿轮系,课程回顾（2）,2.3.3典型环节（1）比例环节（2）微分环节（3）积分环节（4）惯性环节（5）振荡环

21、节（6）一阶复合微分环节（7）二阶复合微分环节,控制系统的数学模型,2.4控制系统的结构图及其等效变换(1),2.4.1结构图的组成及绘制,2.4控制系统的结构图及其等效变换(3),反馈口：,例1X-Y记录仪,放大器：,电动机：,减速器：,绳轮：,电桥：,测速机：,2.2.1线性元部件及系统的微分方程（2）,电磁力矩：,电枢反电势：,电枢回路：,力矩平衡：,例2电枢控制式直流电动机,直流电动机结构图,2.4控制系统的结构图及其等效变换(1),2.4.2结构图等效变换规则,结构图等效变换举例,本次课程作业（6）211,12,13,自动控制原理,本次课程作业（7）214,15,17,18,自动控制

22、原理,自动控制原理,（第7讲）第二章控制系统的数学模型2.1引言2.2控制系统的时域数学模型2.3控制系统的复域数学模型2.4控制系统的结构图及其等效变换2.5控制系统的信号流图2.6控制系统的传递函数,2.3复域数学模型传递函数（1）传递函数的定义、性质和适用范围（2）常用控制元件的传递函数（3）典型环节2.4控制系统的结构图及其等效变换（1）系统结构图的导出（2）结构图等效化简,课程回顾,控制系统的数学模型,2.5控制系统的信号流图,2.5.1信号流图与结构图的对应关系信号流图结构图源节点输入信号阱节点输出信号混合节点比较点，引出点支路环节支路增益环节传递函数前向通路回路互不接触回路,信号

23、流图与结构图的转换（1）,控制系统信号流图,（1）信号流图结构图,控制系统结构图,信号流图与结构图的转换（2）,控制系统结构图,（2）结构图信号流图,系统信号流图,2.5.2梅逊（Mason）增益公式,Mason公式:特征式前向通路的条数第k条前向通路的总增益所有不同回路的回路增益之和两两互不接触回路的回路增益乘积之和互不接触回路中，每次取其中三个的回路增益乘积之和第k条前向通路的余子式(把与第k条前向通路接触的回路去除，剩余回路构成的子特征式,Mason公式（1）,例1求传递函数C(s)/R(s),控制系统结构图,例1求C(s)/R(s),Mason公式（2）,例2求传递函数C(s)/R(s

24、),控制系统结构图,例2求C(s)/R(s),Mason公式（3）,例3求传递函数C(s)/R(s),控制系统结构图,例3求C(s)/R(s),Mason公式（4）,例4求传递函数C(s)/R(s),控制系统结构图,例4求C(s)/R(s),Mason公式（5）,例5求传递函数C(s)/R(s),控制系统结构图,例5求C(s)/R(s),Mason公式（6）,控制系统结构图,例6求传递函数C(s)/R(s),C(s)/N(s),例6求C(s)/R(s),C(s)/N(s),2.6控制系统的传递函数,开环传递函数输入r(t)作用下的闭环传递函数,控制系统的传递函数,3.干扰n(t)作用下的闭环传

25、递函数4.系统的总输出C(s)及总误差E(s),控制系统的传递函数(例),例7系统结构图如右图所示，求当输入r(t)=1(t)干扰n(t)=d(t)初条件c(0)=-1c(0)=0时系统的总输出c(t)和总误差e(t)。求解,第二章小结,本次课程作业(7)214,15,17,18,自动控制原理,自动控制原理,本次课程作业(8)31,2,3,4,6,自动控制原理,（第8讲）,3线性系统的时域分析与校正,3.1概述3.2一阶系统的时间响应及动态性能3.3二阶系统的时间响应及动态性能3.4高阶系统的阶跃响应及动态性能3.5线性系统的稳定性分析3.6线性系统的稳态误差3.7线性系统时域校正,自动控制原

26、理,（第8讲）,3线性系统的时域分析与校正,3.1概述,3.2一阶系统的时间响应及动态性能,3.3.3过阻尼二阶系统动态性能,3.2二阶系统的时间响应及动态性能,自动控制原理课程的任务与体系结构,3线性系统的时域分析与校正,3.1时域分析法概述3.1.1时域法的作用和特点时域法是最基本的分析方法,学习复域法、频域法的基础(1)直接在时间域中对系统进行分析校正，直观，准确；(2)可以提供系统时间响应的全部信息；(3)基于求解系统输出的解析解，比较烦琐。,3线性系统的时域分析与校正,3.1.2时域法常用的典型输入信号,稳：(基本要求)系统受脉冲扰动后能回到原来的平衡位置准:(稳态要求）稳态输出与理想输出间的误差(稳态误差)要小快:(动态要求)过渡过程要平稳，迅速延迟时间td阶跃响应第一次达