自动控制原理简明教程幻灯片.ppt

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1、自动控制原理简明教程课件自动控制原理简明教程课件第1页，共82页，编辑于2022年，星期二本门课程的性质本门课程的性质:1.重重要要的的专专业业基基础础课课，阐阐述述有有关关自自动动控控制制技技术术的的基基础础理理论论经典控制论，研究经典控制论，研究“控制论控制论”在工程中的应用。在工程中的应用。基基本本内内容容控控制制论论的的基基本本理理论论、方方法法、特特点点、综综合合设设计计方方法。法。研研究究对对象象自自动动控控制制系系统统，揭揭示示自自动动控控制制系系统统中中存存在在的信息转换、传递和的信息转换、传递和反馈反馈。2.学习目的：学习目的：自动化发展的需要自动化发展的需要 与信息科学、系

2、统科学关系紧密与信息科学、系统科学关系紧密 掌握控制系统分析与设计的基本方法掌握控制系统分析与设计的基本方法第2页，共82页，编辑于2022年，星期二成绩组成：成绩组成：期末考试占期末考试占 70%，平时成绩占，平时成绩占 30%先修基础：先修基础：拉普拉斯变换、拉普拉斯变换、高等数学、大学物理、积分变高等数学、大学物理、积分变换、电路、数字电子技术、模拟电子技术换、电路、数字电子技术、模拟电子技术 请按时到课！请按时到课！Tel：18259287297 Email：第3页，共82页，编辑于2022年，星期二第第第第1 1章章章章 控制系统导论控制系统导论控制系统导论控制系统导论 第4页，共8

3、2页，编辑于2022年，星期二1.1 1.1 引言引言1.21.2 自动控制系统的组成自动控制系统的组成1.3 1.3 开环控制系统和闭环控制系统开环控制系统和闭环控制系统1.4 1.4 自动控制系统的应用实例自动控制系统的应用实例1.5 1.5 自动控制系统的分类自动控制系统的分类1.6 1.6 对自动控制系统的基本要求对自动控制系统的基本要求1.7 1.7 自动控制理论发展简史自动控制理论发展简史 第5页，共82页，编辑于2022年，星期二1.1 1.1 1.1 1.1 引言引言引言引言第6页，共82页，编辑于2022年，星期二一、控制系统基本概念一、控制系统基本概念1.控控制制（Cont

4、rol）：根根据据某某种种原原理理或或方方法法，使使特特定定对对象象（被被控对象控对象）的某些物理量（）的某些物理量（被控量被控量）按照预期规律变化的操纵过程。）按照预期规律变化的操纵过程。2.人人工工控控制制（Manual Control）：由由人人直直接接或或间间接接操操作作执执行行装装置置的控制方式。的控制方式。第7页，共82页，编辑于2022年，星期二人工控制的例子人工控制的例子 示例示例水池水位控制水池水位控制 人工控制人工控制被控对象：水池被控对象：水池被控量：水池的水位被控量：水池的水位 观观测测实实际际水水位位，将将期期望望的的水水位位值值与与实实际际水水位位相相比比较较，两两

5、者者之之差差为为误误差差。根根据据误误差差的的大大小小和和方方向向调调节节进进水水阀阀门门的的开开度度，即即当当实实际际水水位位高高于于要要求求值值时时，关关小小进进水水阀阀门门开开度度，否否则则加加大大阀阀门门开开度度以以改改变变进进水水量量，从从而而改变水池水位，使之与要求值保持一致。改变水池水位，使之与要求值保持一致。第8页，共82页，编辑于2022年，星期二人眼人眼：观察水池的实际水位；：观察水池的实际水位；测量（测量反馈机构）测量（测量反馈机构）人脑人脑：记住水位的期望值；：记住水位的期望值；比较比较水池的期望值水池的期望值-实际值；实际值；（比较机构）、控制（比较机构）、控制人手人

6、手：调节进水阀门的开度，执行控制作用。：调节进水阀门的开度，执行控制作用。执行（执行机构）执行（执行机构）是一个反复观察测量、比较、调整执行的过程，力图将水池是一个反复观察测量、比较、调整执行的过程，力图将水池水位的期望值与实际值之间的差值减为水位的期望值与实际值之间的差值减为0。人人工工控控制制精精度度不不高高，人人的的反反应应不不够够快快，不不少少恶恶劣劣的的场场合合人人无无法法参参与与直接控制。自动控制系统可以解决以上问题。直接控制。自动控制系统可以解决以上问题。第9页，共82页，编辑于2022年，星期二3.自自动动控控制制（Automatic Control）：是是指指在在没没有有人人

7、直直接接参参与与的的情情况况下下，利利用用自自动动控控制制装装置置（或或称称为为控控制制装装置置或或控控制制器器），使使机机器器、设设备备或或生生产产过过程程（统统称称为为被被控控对对象象）的的某某个个工工作作状状态态或或参参数数（称为（称为被控量被控量）自动地按照预定的规律运行。）自动地按照预定的规律运行。第10页，共82页，编辑于2022年，星期二自动控制的例子自动控制的例子 当当实实际际水水位位低低于于要要求求水水位位时时，电电位位器器输输出出电电压压值值为为正正，且且其其大大小小反反映映了了实实际际水水位位与与水水位位要要求求值值的的差差值值，放放大大器器输输出出信信号号将将有有正正的

8、的变变化化，电电动动机机带带动动减减速速器器使使进进水水阀阀门门开开度度增增加加，直直到到实实际际水水位重新与水位要求值相等时为止。位重新与水位要求值相等时为止。期望水位期望水位ShowShow 第11页，共82页，编辑于2022年，星期二电位计电位计+连杆连杆人脑人脑：记住水位的期望值；：记住水位的期望值；浮子浮子人眼人眼：观察水池的实际水位；：观察水池的实际水位；电位计电位计+连杆连杆人脑人脑：反映反映误差误差（=水位的期望值水位的期望值-实际值）；实际值）；电动机电动机人手人手：调节进水阀门开度，执行控制作用。：调节进水阀门开度，执行控制作用。是是一一个个反反复复观观察察测测量量、比比较

9、较、调调整整执执行行的的过过程程，力力图图将将水水池水位的池水位的期望值与实际值间期望值与实际值间的差值减为的差值减为0，即误差为，即误差为0。控制过程：测量（测量反馈机构）控制过程：测量（测量反馈机构）浮子浮子 比较（比较机构）比较（比较机构）电位计电位计+连杆连杆 执行（执行机构）执行（执行机构）电动机电动机第12页，共82页，编辑于2022年，星期二4.自自动动控控制制理理论论：是是研研究究有有关关自自动动控控制制共共同同规规律律的的一一门门技技术术科科学学，是是自自动动控控制制技技术术的的基基础础理理论论，根根据据发发展展的的不不同同阶阶段段，其其内容可分为内容可分为经典控制理论经典控

10、制理论、现代控制理论现代控制理论和和智能控制理论智能控制理论。第13页，共82页，编辑于2022年，星期二1.2 1.2 1.2 1.2 自动控制系统的组成自动控制系统的组成自动控制系统的组成自动控制系统的组成 第14页，共82页，编辑于2022年，星期二1.2.1 一个典型的反馈控制系统的基本组成部分一个典型的反馈控制系统的基本组成部分 输入量输入量串联串联校正元件校正元件放大放大元件元件执行执行元件元件被控被控对象对象扰动扰动并联并联校正元件校正元件反馈元件反馈元件输出量输出量比较比较元件元件e(t)偏差偏差信号信号主反馈信号主反馈信号b(t)测量反馈元件测量反馈元件主反馈主反馈局部反馈局

11、部反馈给定给定元件元件信信号号从从输输入入端端沿沿箭箭头头方方向向到到达达输输出出端端的的传传输输通通道道称称前前向向通通路路，系系统统输输出出量量经经测测量量元元件件反反馈馈到到输输入入端端的的传传输输通通道道称称主主反反馈馈通通路路。前向通路与主反馈通路共同组成前向通路与主反馈通路共同组成主回路主回路。ShowShow 第15页，共82页，编辑于2022年，星期二被被控控对对象象（被被控控过过程程）又又称称控控制制对对象象或或受受控控对对象象，指指需需要要对对它它的的某某个个特特定定的的量量进进行行控控制制的的设设备备或或过过程程。被被控控对对象象的的输输出出变变量量是是被被控控变变量量，

12、常常常常记记作作输输出出信信号号或或输输出出量量。被被控控对对象象除除了了受受到控制作用外，还受到外部扰动作用。到控制作用外，还受到外部扰动作用。给给定定元元件件其其作作用用是是给给出出与与期期望望的的输输出出相相对对应应的的系系统统输输入入量，是一类产生系统控制指令的装置。量，是一类产生系统控制指令的装置。测测量量反反馈馈元元件件如如传传感感器器和和测测量量仪仪表表，感感受受或或测测量量被被控控变变量量的的值值并并把把它它变变换换为为与与输输入入量量同同一一物物理理量量后后，再再反反馈馈到到输输入入端端以作比较。以作比较。第16页，共82页，编辑于2022年，星期二比比较较元元件件比比较较输

13、输入入信信号号与与反反馈馈信信号号，以以产产生生反反映映两两者者差差值值的偏差信号。的偏差信号。放大元件放大元件将微弱的信号作线性放大。将微弱的信号作线性放大。校校正正元元件件也也叫叫补补偿偿元元件件，它它是是按按某某种种函函数数规规律律变变换换控控制信号，以利于改善系统的动态品质或静态性能。制信号，以利于改善系统的动态品质或静态性能。执执行行元元件件根根据据偏偏差差信信号号的的性性质质执执行行相相应应的的控控制制作作用用，以以便使被控制量按期望值变化。如电动机、气动控制阀等。便使被控制量按期望值变化。如电动机、气动控制阀等。第17页，共82页，编辑于2022年，星期二自自动动控控制制系系统统

14、：是是由由被被控控对对象象和和自自动动控控制制装装置置按按一一定定方方式式联联结结起起来的，以完成某种自动控制任务的有机整体。来的，以完成某种自动控制任务的有机整体。输输入入信信号号r(t)：系系统统的的输输入入信信号号是是指指参参考考输输入入，又又称称给给定定量量或或给给定值定值，它是控制着输出量变化规律的指令信号。，它是控制着输出量变化规律的指令信号。输输出出信信号号c(t)：系系统统的的输输出出信信号号是是指指被被控控对对象象中中要要求求按按一一定定规规律律变变化化的的物物理理量量，又又称称被被控控量量，它它与与输输入入量量之之间间保保持持一一定定的的函函数数关系。关系。1.2.2 自动

15、控制系统中常用的名词术语自动控制系统中常用的名词术语补充补充 第18页，共82页，编辑于2022年，星期二反反馈馈信信号号：由由系系统统（或或元元件件）输输出出端端取取出出并并反反向向送送回回系系统统（或或元元件件）输输入入端端的的信信号号称称为为反反馈馈信信号号。反反馈馈分分为为主主反反馈馈b(t)和和局局部反馈。部反馈。偏偏差差信信号号e(t)：它它是是指指参参考考输输入入与与主主反反馈馈信信号号之之差差。偏偏差差信信号号简简称偏差。称偏差。e(t)=r(t)-b(t)误误差差信信号号：它它是是指指系系统统输输出出量量的的期期望望值值与与实实际际值值之之差差，简简称称误误差差。在单位反馈情

16、况下，误差值也就是偏差值，二者是相等的。在单位反馈情况下，误差值也就是偏差值，二者是相等的。扰扰动动信信号号f(t)：简简称称扰扰动动或或干干扰扰，是是除除控控制制信信号号以以外外,对对系系统统的的输输出有影响的信号。扰动是不出有影响的信号。扰动是不希望的输入信号。希望的输入信号。P5 P5 第19页，共82页，编辑于2022年，星期二1.3 1.3 1.3 1.3 开环控制系统和闭环控制系统开环控制系统和闭环控制系统开环控制系统和闭环控制系统开环控制系统和闭环控制系统第20页，共82页，编辑于2022年，星期二 控控制制系系统统的的类类型型很很多多，它它们们的的结结构构类类型型和和所所完完成

17、成的的任任务务也也各各不不相相同同。控控制制系系统统中中最最常常见见的的两两种种控控制制方方式式是是开开环环控控制制和和闭闭环环控控制制，这这两两种种控控制制的的组组合合即即为为复复合合控控制制，相相对对应应的的控控制制系系统统称称为为开开环环控控制制系系统统、闭闭环环控控制制系系统统和和复复合合控制系统控制系统。第21页，共82页，编辑于2022年，星期二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第22页，共82页，编辑于2022年，星期二示例示例直流电动机转速开环控制系统直流电动机转速开环控制系统 给给定定电电压压ug经经放放大大后后得得到到电电枢枢电电压压ua，改改变变ug可可

18、得得不不同同的的转转速速n，该该系系统统只只有有输输入入量量ug对对输输出出量量n的的单单向向控控制制作作用用。输输出出端端和和输输入入端之间不存在端之间不存在反馈回路反馈回路。+_电电 压压放大器放大器功功 率率放大器放大器Mc负载负载n电动机电动机+_+_+电位器电位器1.3.1 开环控制系统开环控制系统第23页，共82页，编辑于2022年，星期二 只只有有输输入入量量的的前前向向控控制制作作用用，输输出出量量并并不不反反馈馈回回来来影影响响输输入入量量的的控控制制作作用用，因因而而，将将它它称称为为开开环环控控制制系系统统（Open-Loop Control System）。）。扰动扰动

19、控制控制 信号信号 被控被控 制量制量 给定电压给定电压ug g转速转速n被控对象被控对象控制装置控制装置Mc电压电压放大器放大器功率功率放大器放大器直流直流电动机电动机第24页，共82页，编辑于2022年，星期二 开开环环系系统统的的优优点点结结构构简简单单，系系统统稳稳定定性性好好，调调试试方方便便，成成本本低低。因因此此，在在输输入入量量和和输输出出量量之之间间的的关关系系固固定定，且且内内部部参参数数或或外外部部负负载载等等扰扰动动因因素素不不大大，或或这这些些扰扰动动因因素素可可以以预预测测并并进进行行补补偿偿的前提下，应尽量采用开环控制系统。的前提下，应尽量采用开环控制系统。开开环

20、环控控制制的的缺缺点点当当控控制制过过程程中中受受到到来来自自系系统统外外部部的的各各种种扰扰动动因因素素，如如负负载载变变化化、电电源源电电压压波波动动等等，以以及及来来自自系系统统内内部部的的扰扰动动因因素素，如如元元件件参参数数变变化化等等，都都将将会会直直接接影影响响到到输输出出量量，而而控控制制系系统统不不能能自自动动进进行行补补偿偿，抗抗干干扰扰性性能能差差。因因此此，开开环环系系统统对对元元器件的精度要求较高。器件的精度要求较高。第25页，共82页，编辑于2022年，星期二1.3.2 闭环控制系统闭环控制系统电电 压压放大器放大器功功 率率放大器放大器Mc负载负载n电动机电动机+

21、_+_+_uf电位器电位器测速发电机测速发电机+_ue=ug-uf偏差偏差第26页，共82页，编辑于2022年，星期二 直流电动机转速闭环控制系统方块图直流电动机转速闭环控制系统方块图 设设上上述述系系统统原原已已在在某某个个给给定定电电压压ug相相对对于于的的转转速速n状状态态下下运运行行，若若一一旦旦受受到到某某些些干干扰扰（如如负负载载转转矩矩突突然然增增大大）而而引引起起转转速速下下降降时，系统就会自动地产生相应的调整过程。时，系统就会自动地产生相应的调整过程。偏差始终存在偏差始终存在 Mcnufue（ue=ug-uf ）uan n电电 压压放大器放大器ue输输入入量量Mc扰动扰动输输

22、出出量量功功 率率放大器放大器直直 流流电动机电动机ugua测测 速速发电机发电机uf第27页，共82页，编辑于2022年，星期二总结一下：总结一下：闭环闭环控制系统的工作原理：控制系统的工作原理：检测输出量（被控制量）的实际值；检测输出量（被控制量）的实际值；将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比较，将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比较，得出偏差；得出偏差；用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得输用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得输出量维持期望的输出。出量维持期望的输出。第28页，共82页，编辑于2022年，星期二 由于存在输出量反馈，上述系统能在存在无法预计扰动的情况下，由

23、于存在输出量反馈，上述系统能在存在无法预计扰动的情况下，自动减少系统的输出量与参考输入量（或者任意变化的希望的状态）自动减少系统的输出量与参考输入量（或者任意变化的希望的状态）之间的偏差，故称之为之间的偏差，故称之为反馈控制反馈控制。显然：显然：反馈控制反馈控制建立在建立在偏差偏差基础上，其控制方式是基础上，其控制方式是“检测偏差检测偏差再纠正偏差再纠正偏差”。ShowShow 第29页，共82页，编辑于2022年，星期二 闭闭环环控控制制系系统统（Close-Loop Control System）又又称称反反馈馈控控制制系系统统（Feedback Control System），是是在在闭

24、闭环环控控制制系系统统中中，把把输输出出量量检检测测出出来来，经经过过物物理理量量的的转转换换，再再反反馈馈到到输输入入端端去去与与给给定定值值（参参考考输输入入）进进行行比比较较（相相减减），并并利利用用比比较较后后的的偏偏差差信信号号，以以一一定定的的控控制制规规律律产产生生控控制制作作用用，抑抑制制内内部部或或外外部部扰扰动动对对输输出出量量的的影影响响，逐逐步步减减小小以至消除以至消除这这一偏差一偏差，从而，从而实现实现要求的控制性能。要求的控制性能。第30页，共82页，编辑于2022年，星期二 闭闭环环控控制制的的优优点点抑抑制制扰扰动动能能力力强强，与与开开环环控控制制相相比比，对

25、参数变化不敏感，并能获得满意的对参数变化不敏感，并能获得满意的动态特性动态特性和和控制精度控制精度。闭闭环环控控制制的的缺缺点点引引入入反反馈馈增增加加了了系系统统的的复复杂杂性性，如如果果闭闭环环系系统统参参数数的的选选取取不不适适当当，系系统统可可能能会会产产生生振振荡荡，甚甚至至系系统统失失稳稳而而无无法法正正常常工工作作，这这是是自自动动控控制制理理论论和和系系统统设设计计必必须须解决的重要问题。解决的重要问题。自动控制理论主要研究自动控制理论主要研究闭环闭环控制系统控制系统 1.3.3 复合控制系统复合控制系统注意！注意！正反馈正反馈不能进行控制，会使系统的偏差越来越大。不能进行控制

26、，会使系统的偏差越来越大。第31页，共82页，编辑于2022年，星期二1.4 1.4 1.4 1.4 自动控制系统的应用实例自动控制系统的应用实例自动控制系统的应用实例自动控制系统的应用实例第32页，共82页，编辑于2022年，星期二 炉炉温温控控制制系系统统的的理理想想温温度度由由电电压压ur给给出出，热热电电偶偶检检测测箱箱温温输输出出电电压压uf，偏偏差差电电压压ue=ur-uf，经经电电压压和和功功率率放放大大后后控控制制电电机机的的速速度度和和转转向向，从从而而改改变变调调压压器器滑滑动动触触头头的的位位置置，改改变变炉炉温温控控制制系系统统的的外外施施电电压压达达到到恒恒定定炉炉温

27、温的的目目的。的。1.4.1 炉温控制系统炉温控制系统第33页，共82页，编辑于2022年，星期二 温温度度Tc下下降降，Tc uf ue=ur-uf ua 电电机机向向增增大大调调压器输出电压的方向加速旋转压器输出电压的方向加速旋转Tcuf，直到直到Tc=Tr，ue=0。原原理理：即即当当恒恒温温箱箱内内温温度度偏偏高高时时，使使调调压压器器降降压压，反反之之升升压压，直直到到温温度达到给定值为止。此时偏差电压度达到给定值为止。此时偏差电压ue=0=0，电机停转。，电机停转。炉温自动控制系统方框图炉温自动控制系统方框图放大器放大器电机减速器电机减速器调压器调压器电炉电炉热电偶热电偶+-ufu

28、eurTcua给定装置给定装置Tr扰动扰动第34页，共82页，编辑于2022年，星期二1.4.2 导弹发射架方位控制系统导弹发射架方位控制系统 放大器放大器+_+_+_输入轴输入轴给定装置给定装置反馈装置反馈装置手轮手轮发射架发射架输出轴输出轴导弹发射架方位控制系统原理图导弹发射架方位控制系统原理图随随动动系系统统导弹发射架方位控制系统方块图导弹发射架方位控制系统方块图放大器放大器减速器减速器导导 弹弹发射架发射架ua直直 流流电动机电动机电位器电位器、第35页，共82页，编辑于2022年，星期二钢铁轧制：轧出厚度一致的高精度铁板（厚轧出厚度一致的高精度铁板（厚度控制，张力控制）度控制，张力控

29、制）1.4.3 钢铁轧制控制系统示例钢铁轧制控制系统示例 第36页，共82页，编辑于2022年，星期二1.4.3 钢铁轧制计算机控制系统钢铁轧制计算机控制系统 轧钢机计算机控制系统方块图轧钢机计算机控制系统方块图轧钢机计算机控制系统示意图轧钢机计算机控制系统示意图 第37页，共82页，编辑于2022年，星期二1.4.4 函数记录仪函数记录仪 P8ABCD第38页，共82页，编辑于2022年，星期二写成方块图形式：写成方块图形式：1.4.5 锅炉液位控制系统锅炉液位控制系统 P9第39页，共82页，编辑于2022年，星期二 n锅炉设备的压力和温度自动保持恒定锅炉设备的压力和温度自动保持恒定n数控

30、机床按照预定的程序自动地切削工件数控机床按照预定的程序自动地切削工件n导弹发射与制导系统，自动地使导弹攻击敌方目标导弹发射与制导系统，自动地使导弹攻击敌方目标n无人驾驶飞机按照预定航迹自动升降和飞行无人驾驶飞机按照预定航迹自动升降和飞行n人造卫星准确地进入预定轨道运行并回收人造卫星准确地进入预定轨道运行并回收 自自动动控控制制技技术术的的应应用用范范围围已已扩扩展展到到生生物物、医医学学、环环境境、经经济济管管理理和和其其它它许许多多社社会会生生活活领领域域中中，自自动动控控制制已已成成为为现现代社会活动中不可缺少的重要组成部分。代社会活动中不可缺少的重要组成部分。第40页，共82页，编辑于2

31、022年，星期二1.5 1.5 1.5 1.5 自动控制系统的分类自动控制系统的分类自动控制系统的分类自动控制系统的分类第41页，共82页，编辑于2022年，星期二自动控制系统的分类自动控制系统的分类下面介绍几种常用的自动控制系统分类方法。下面介绍几种常用的自动控制系统分类方法。1.5.1 按控制方式来分按控制方式来分1.5.2 按描述系统的动态方程分按描述系统的动态方程分1.5.3 按系统参数是否随时间变化而分按系统参数是否随时间变化而分1.5.4 按系统输入信号的变化规律不同来分按系统输入信号的变化规律不同来分1.5.5 按信号的传递是否连续分按信号的传递是否连续分重要重要 第42页，共8

32、2页，编辑于2022年，星期二1.5.1 按控制方式来分按控制方式来分1.开环控制系统开环控制系统2.反馈控制系统反馈控制系统3.复合控制系统复合控制系统第43页，共82页，编辑于2022年，星期二1）线线性性系系统统：该该类类系系统统的的特特点点在在于于组组成成系系统统的的各各环环节节的的输输入入输输出出特特性性都都是是线线性性的的，系系统统的的性性能能可可用用线线性性微微分分方方程程（或或差差分分方方程程）来描述。来描述。（满足齐次性与叠加性）（满足齐次性与叠加性）假假设设元元件件输输入入为为r(t)、r1(t)、r2(t)，对对应应的的输输出出为为c(t)、c1(t)、c2(t)：如果如

33、果r(t)=r1(t)+r2(t)时，时，c(t)=c1(t)+c2(t)满足迭加性满足迭加性 如果如果r(t)=ar1(t)时，时，c(t)=ac1(t)满足齐次性满足齐次性w 满足迭加性和齐次性的元件才是线性元件。满足迭加性和齐次性的元件才是线性元件。1.5.2 1.5.2 按描述系统的动态方程分按描述系统的动态方程分按描述系统的动态方程分按描述系统的动态方程分第44页，共82页，编辑于2022年，星期二2）非非线线性性系系统统：该该类类系系统统的的特特点点在在于于系系统统中中含含有有一一个个或或多多个个非非线线性性元元件件。系系统统的的性性能能需需用用非非线线性性微微分分方方程程（或或差

34、差分分方方程程）来描述。来描述。非线性微分方程：非线性微分方程：系数与变量有关，或者方程中含有变量及其导数的高次幂或乘积项。系数与变量有关，或者方程中含有变量及其导数的高次幂或乘积项。重要重要 第45页，共82页，编辑于2022年，星期二常见非线性情况常见非线性情况饱和非线性死区非线性间隙非线性继电器非线性第46页，共82页，编辑于2022年，星期二注意：注意：在在实实际际中中，绝绝大大多多数数对对象象都都具具有有非非线线性性特特性性，而而大大多多数数仪仪器器仪仪表表也也是是非非线线性性的的，所所以以很很少少有有真真正正意意义义上上线线性性系系统统，一一般般是是采采用用线线性性化化措措施施将将

35、非非线线性性系系统统处处理理成成线线性性系系统统，这这样样就就可可简简化化分析和运算。分析和运算。第47页，共82页，编辑于2022年，星期二1.定定常常系系统统：特特性性不不随随时时间间变变化化的的系系统统称称定定常常系系统统，又又称称时时不不变变系系统统。描描述述定定常常系系统统特特性性的的微微分分方方程程或或差差分分方方程程的的系系数数不不随随时间变化。定常系统分为时间变化。定常系统分为定常线性系统定常线性系统和和定常非线性系统定常非线性系统。2.时时变变系系统统：特特性性随随时时间间变变化化的的系系统统称称时时变变系系统统。对对于于时时变变系系统统，其其输输出出响响应应的的波波形形不不

36、仅仅与与输输入入信信号号波波形形有有关关，而而且且还还与与参参考考输输入入加加入入的的时时刻刻有有关关，这这一一特特点点，增增加加了了对对时时变变系系统统分分析和研究的复杂性。析和研究的复杂性。1.5.3 1.5.3 按按按按系统参数是否随时间变化而分系统参数是否随时间变化而分系统参数是否随时间变化而分系统参数是否随时间变化而分第48页，共82页，编辑于2022年，星期二定常：定常：输入一定，输出不变。输入一定，输出不变。（方程系数为常数）（方程系数为常数）时变（不定常）：时变（不定常）：输入一定，输出随时间发生变化。输入一定，输出随时间发生变化。也就是说：也就是说：也就是说：也就是说：重要重

37、要 第49页，共82页，编辑于2022年，星期二1.恒值调节系统：恒值调节系统：该类系统的输入信号为一常数，扰动使被控量该类系统的输入信号为一常数，扰动使被控量偏离理想值而出现偏差，利用偏差该系统可使被控量回复到理想偏离理想值而出现偏差，利用偏差该系统可使被控量回复到理想值或接近理想值。上述的炉温闭环控制系统、锅炉水位控制系统值或接近理想值。上述的炉温闭环控制系统、锅炉水位控制系统均属于此类系统。均属于此类系统。2.随随动动系系统统：这这类类系系统统的的给给定定量量是是时时间间的的未未知知函函数数，系系统统能能使使被被控控量量准准确确、快快速速地地跟跟随随给给定定量量变变化化。随随动动系系统统

38、又又称称伺伺服服系系统统。如上述函数记录仪、导弹发射架方位控制系统如上述函数记录仪、导弹发射架方位控制系统。3.程程序序控控制制系系统统：输输入入信信号号为为已已知知的的时时间间函函数数，如如机机械械加加工工中中的的数数控机床工作台移动系统。控机床工作台移动系统。1.5.4 1.5.4 按输入信号的变化规律不同按输入信号的变化规律不同按输入信号的变化规律不同按输入信号的变化规律不同（针对线性定常连续系统）（针对线性定常连续系统）（针对线性定常连续系统）（针对线性定常连续系统）区别？区别？第50页，共82页，编辑于2022年，星期二1.5.5 1.5.5 按信号的传递是否连续分按信号的传递是否连

39、续分按信号的传递是否连续分按信号的传递是否连续分1.连续系统：连续系统：该类系统各环节间的信号均为时间该类系统各环节间的信号均为时间t的连续函数。的连续函数。2.离离散散系系统统：该该类类系系统统在在信信号号传传递递过过程程中中有有一一处处或或多多处处的的信信号号是是脉脉冲序列或数字编码。数字控制系统、采样系统为离散系统。冲序列或数字编码。数字控制系统、采样系统为离散系统。离散信离散信号号离散离散信号信号计算机计算机被控被控对象对象扰动扰动反馈元件反馈元件e(t)A/DD/A放大放大元件元件执行执行元件元件采样数字控制系统结构图采样数字控制系统结构图第51页，共82页，编辑于2022年，星期二

40、1.6 1.6 1.6 1.6 对自动控制系统的基本要求对自动控制系统的基本要求对自动控制系统的基本要求对自动控制系统的基本要求第52页，共82页，编辑于2022年，星期二 要要自自动动控控制制系系统统是是否否能能很很好好地地工工作作,是是否否能能精精确确地地保保持持被被控控量量按按照照预预定定的的要要求求规规律律变变化化这这取取决决于于被被控控对对象象和和控控制制器器及及各各功功能能元元器器件的特性参数件的特性参数是否设计得当。是否设计得当。在在理理想想情情况况下下,控控制制系系统统的的输输出出量量和和输输入入量量,在在任任何何时时候候均均相相等等,系系统统完完全全无无误误差差,且且不不受受

41、干干扰扰的的影影响响。实实际际系系统统中中,由由于于各各种种各各样样原原因因,系系统统在在受受到到输输入入信信号号(也也包包括括扰扰动动信信号号)的的激激励励时时,被被控控量量将将偏偏离离输输入入信信号号作作用用前前的的初初始始值值,经经历历一一段段动动态态过过程程(过过渡渡过过程程),则则系系统统控控制制性性能能的的优劣优劣,可以从可以从动态过程动态过程中较充分地表现出来。中较充分地表现出来。1.6.1 1.6.1 自动控制系统性能的自动控制系统性能的基本要求基本要求基本要求基本要求 第53页，共82页，编辑于2022年，星期二图图1 1 自动控制系统被控量变化的自动控制系统被控量变化的动态

42、特性动态特性自动控制系统被控量变化的自动控制系统被控量变化的动态特性动态特性有以下几种有以下几种 单调过程单调过程衰减振荡衰减振荡 等幅振荡等幅振荡 渐扩振荡渐扩振荡 不稳定不稳定稳定稳定稳定稳定不稳定不稳定第54页，共82页，编辑于2022年，星期二自自动动控控制制系系统统其其动动态态过过程程多多属属于于图图1（b）的的衰衰减减振振荡荡情情况况。控控制制系系统统的的动动态态过过程程不不仅仅要要是是稳稳定定的的，并并且且希希望望过过渡渡过过程程时时间间（又又称称调调整整时时间间）越越短短越越好好，最最大大振振荡荡幅幅度度（用用超超调调量量衡衡量量）越越小小越越好好，衰衰减减得得越越快快越越好好

43、（用用衰衰减减比比衡衡量量）。工工程程上上常常常常从从稳稳、快快、准准三三个个方方面面来来评评价价自自动动控控制制系系统统的的总总体精度。体精度。第55页，共82页，编辑于2022年，星期二给定值阶跃变化时给定值阶跃变化时的衰减振荡过渡过程典型曲线的衰减振荡过渡过程典型曲线 第56页，共82页，编辑于2022年，星期二稳态性能指标稳态性能指标稳态误差稳态误差是描述系统稳态性能的是描述系统稳态性能的唯一指标唯一指标。指系统过渡过程终了时指系统过渡过程终了时被控参数稳态值被控参数稳态值与与给定值给定值之差：之差：一般要求稳态误差一般要求稳态误差越小越好或为零越小越好或为零。注意注意注意注意 第57

44、页，共82页，编辑于2022年，星期二动态性能指标动态性能指标生产过程中干扰无时不在，控制系统时时刻刻都处在一种生产过程中干扰无时不在，控制系统时时刻刻都处在一种频繁的、不间断的动态调节过程中。所以，在过程控制中，频繁的、不间断的动态调节过程中。所以，在过程控制中，了解或研究控制系统的了解或研究控制系统的动态特性动态特性比其比其静态特性静态特性更为重要、更为重要、更有意义。更有意义。描述系统描述系统动态指标动态指标主要包括：主要包括：1.衰减比衰减比 n2.超调量超调量3.过渡过程时间过渡过程时间 ts第58页，共82页，编辑于2022年，星期二衰减比衰减比 衡量系统过渡过程衡量系统过渡过程稳

45、定性稳定性的一个动态指标：的一个动态指标：为保持足够的稳定裕度，一般取衰减比为为保持足够的稳定裕度，一般取衰减比为4:110:1。其中其中4:1衰减比常作为评价过渡过程动态性能的一个衰减比常作为评价过渡过程动态性能的一个理想指标。理想指标。超调量超调量用来反映系统受扰动后的超调情况和衡量系用来反映系统受扰动后的超调情况和衡量系统的统的稳定性稳定性。第59页，共82页，编辑于2022年，星期二超调量与过渡过程时间超调量与过渡过程时间超调量：超调量：过渡过程时间过渡过程时间ts指系统从受扰指系统从受扰动作用时起，直到被控参数进动作用时起，直到被控参数进入新的稳态值入新的稳态值5%（或（或2%）的范

46、围内所经历的的范围内所经历的最短最短时间。时间。要求要求、ts 应越小越好应越小越好。第60页，共82页，编辑于2022年，星期二1.1.稳定性稳定性(稳稳)考虑动态过程在不同阶段中的特点考虑动态过程在不同阶段中的特点,工程上通常从工程上通常从稳、快、稳、快、准准三个方面来衡量自动控制系统：三个方面来衡量自动控制系统：稳定工作是所有自动控制系统的稳定工作是所有自动控制系统的最基本要求最基本要求,是系统能否工作是系统能否工作的前题。不稳定的系统根本无法完成控制任务。考虑到实际系统工的前题。不稳定的系统根本无法完成控制任务。考虑到实际系统工作环境或参数的变动作环境或参数的变动,可能导致系统不稳定可

47、能导致系统不稳定,因此因此,我们除要求系我们除要求系统稳定外统稳定外,还要求其具有一定的还要求其具有一定的稳定裕量稳定裕量。第61页，共82页，编辑于2022年，星期二2.2.快快速速性性(快)即即过过渡渡过过程程继继续续的的时时间间长长短短。过过渡渡过过程程越越短短，说说明明系系统统快快速速性性越越好好，过过渡渡过过程程持持续续时时间间越越长长，说说明明系统响应迟钝，难以实现快速变化的指令信号。系统响应迟钝，难以实现快速变化的指令信号。3.准确性(准准)是是指指系系统统在在过过渡渡过过程程结结束束后后，偏偏差差的的最最终终值值的的大大小小，称称为为稳稳态态误误差差，它它是是衡衡量量系系统统稳

48、稳态态精精度度的的重重要要指指标标。稳稳态态误误差差越越小小，表表示示系系统统的的准准确确性性越越好好，被被控控量量（输输出出量）的期望值与实际值之间的差值就越小。量）的期望值与实际值之间的差值就越小。第62页，共82页，编辑于2022年，星期二 由由于于被被控控对对象象的的具具体体情情况况不不同同，各各系系统统对对稳稳、快快、准准的的要要求求各各有有侧侧重重。而而且且对对同同一一系系统统，稳稳、快快、准准的的要要求求常常常常是是相相互互制制约约的的。过过分分提提高高过过程程的的快快速速性性，可可能能会会引引起起系系统统强强烈烈的的振振荡荡，而而过过分分追追求求稳稳定定性性，又又可可能能使使系

49、系统统反反应应迟迟缓缓，最最终终导导致致准准确确性性变变坏坏。如如何何分分析析和和解解决决这这些些矛矛盾盾，将将是是本本学学科科研究的主要内容。研究的主要内容。对于偏差始终存在的系统对于偏差始终存在的系统准确性：希望放大环节的放大系数大准确性：希望放大环节的放大系数大平稳性：希望放大环节的放大系数小平稳性：希望放大环节的放大系数小需要注意的是：需要注意的是：第63页，共82页，编辑于2022年，星期二1.选取原则选取原则（1）在现场及实验中容易产生）在现场及实验中容易产生（2）系统在工程中经常遇到，并且是最不利的外作用。）系统在工程中经常遇到，并且是最不利的外作用。（3）数学表达式简单，便于理

50、论分析。）数学表达式简单，便于理论分析。为为了了能能对对不不同同的的控控制制系系统统的的性性能能用用统统一一的的标标准准来来恒恒量量，通常需要选择几种典型的外作用。通常需要选择几种典型的外作用。1.6.2 典型外作用典型外作用 阶跃函数阶跃函数 斜坡函数斜坡函数 脉冲函数脉冲函数 正弦函数正弦函数第64页，共82页，编辑于2022年，星期二（2）图形：）图形：表示在表示在t=0时刻出现了幅值为时刻出现了幅值为R的跳变，是最不利的外作用。的跳变，是最不利的外作用。R=1时的阶跃函数叫时的阶跃函数叫单位阶跃函数单位阶跃函数，常用，常用1(t)表示。表示。常用阶跃函数常用阶跃函数作为评价系统动态性能