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1、自动控制理论基础知识第1页，本讲稿共68页 本章重点1.自动控制和自动控制系统的含义；2.反馈和反馈控制的概念、反馈控制的特点；3.控制系统的组成和分类和特点。本章难点1.深刻理解反馈的概念和思想；2.确定控制系统的被控对象、被控量、给定量等；绘制方块图，分析实际控制系统的基本原理。第2页，本讲稿共68页11控制系统的基本原理 自动控制技术在工农业生产、国防、航空航天等各 个领域中起着重要的作用！广泛应用于各种工程学科领域，并扩展到生物、医学、环境、经济管理和其它许多社会生活领域。独立的学科并与其它学科相互渗透、相互促进。自动控制原理是自动控制技术的基础理论，是一门理论性较强的工程科学。现代的
2、工程技术人员和科学工作者，必须具备一定的自动控制理论基础知识！第3页，本讲稿共68页自动控制：是指在没有人直接参与的条件下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。系统：由相互制约的各个部分按一定的规律组成的、为达到一定目的、具有一定功能的整体。一、自动控制系统的概念自动控制理论：是研究自动控制共同规律的科学。第4页，本讲稿共68页反馈：将检测出来的输出量送回到系统的输入端，并与输入信号比较的过程。反馈分为负反馈（反馈信号与输入信号相减）和正反馈（反馈信号与输入信号相加）。第5页，本讲稿共68页
3、例水温自动控制系统系统中增加了：控制器电机加入给定信号工作原理：检测实际温度产生控制信号通过电机调节阀门的开度从而调节蒸汽流入，控制水的温度.实现没有人直接参入的自动水温控制.第6页，本讲稿共68页为了方便地分析系统性能，一般用框图来表示系统的结构，如图所示:要使自动控制系统满足工程实际的需要,必须研究自动控制系统的结构参数与系统性能之间的关系。实际温度偏差反馈量预期温度_控制器 执行机构阀门水箱第7页，本讲稿共68页自动控制系统的特征：1.结构上必须有反馈装置并按负反馈的原则构成系统。2.由偏差产生控制作用。3.控制的目的是尽量的减小或消除偏差，使输出量接近于期望值。自动控制系统定义：是一个
4、带有反馈装置的动力学系统。系统能自动而连续地测量被控制量，并求出偏差，进而根据偏差的大小和正负极性进行控制，而控制的目的是力图减小或消除所存在的偏差。第8页，本讲稿共68页自动控制系统：为了实现各种复杂的控制任务，首先要将被控对象和控制装置按照一定的方式连接起来，组成一个有机整体，这就是自动控制系统。第9页，本讲稿共68页自动控制系统的基本控制方式1.1.开环控制开环控制2.2.闭环控制闭环控制3.3.复合控制复合控制第10页，本讲稿共68页温度计加热电阻丝调压器u(a)原理图220V输出量(手柄位置)输入量调压器加热电阻丝电炉恒温箱被控对象(温度)扰动量(b)方块图控制装置扰动输出量输入量控
5、制装置 被控对象开环控制系统的方框图开环控制第11页，本讲稿共68页MugudoVGT+-(a)原理图给定信号(电压)触发器电动机被控对象输出量(转速)扰动量(b)方块图控制装置晶闸管可控整流器控制装置与被控对象之间只有顺向作用而无反向联系。开环控制结论：开环控制优点结构简单，缺点无抗干扰能力第12页，本讲稿共68页按扰动控制的开环控制系统，是利用可测量的扰动量，产生一种补偿作用，以减小或抵消扰动对输出的影响，这种控制方式也称顺馈控制。按扰动控制的速度控制系统第13页，本讲稿共68页开环控制系统的特点：1.结构简单、造价低。2.系统的控制精度取决于给定信号的标定精度及控制器及被控对象参数的稳定
6、性。3.开环系统没有抗干扰的能力。因此精度较低。应用场合：1.控制量的变化规律可以预知。2.可能出现的干扰可以抑制。3.被控量很难测量。应用较为广泛，如家电、加热炉、车床等等。第14页，本讲稿共68页闭环控制控制装置与受控对象之间，不但有顺向作用，而且还有反向联系.闭环控制又称为反馈控制或按偏差控制。第15页，本讲稿共68页例转速负反馈直流电动机调速系统直流电机测速发电机电源和放大装置负载系统组成：UnUf给定电压反馈电压转速取决于给定电压与反馈电压的差值。第16页，本讲稿共68页调速系统结构图unufeud n_直流电动机放大器测速机由电网电压波动，负载变化以及其他部分的参数变化所引起的转速
7、变化，都可以通过系统的自动调整加以抑制。nUfeUdn减小或消除由于扰动所形成的偏差值，具有较高的控制精度和较强的抗扰能力。闭环控制系统具有的特点：第17页，本讲稿共68页第18页，本讲稿共68页前向通道：系统输入量到输出量之间的通道。反馈通道：从输出量到反馈信号之间的通道。比较环节：输出量为各输入量的代数和。输入量：输出量：n 反馈量：控制量：偏差量()给定量()反馈量()第19页，本讲稿共68页(-)utug扰动给定装置放大器 电动机转速反馈装置触发器晶阐管可控整流器控制装置受控对象n(b)方框图ueudoRP1ugR0R0R1-utRP2-+-+TGMudouc(a)原理图+第20页，本
8、讲稿共68页闭环控制系统：通过反馈回路使系统构成闭环并按偏差的性质产生控制作用，以求减小或消除偏差(从而减小或消除误差)的控制系统。第21页，本讲稿共68页闭环控制系统的特点：1.系统对外部或内部干扰(如内部件参数变动)的影响不甚敏感。2.出于采用反馈装置，导致设备增多，线路复杂。3.闭环系统存在稳定性问题。由于反馈通道的存在，对于那些惯性较大的系统，若参数配合不当，控制性能可能变得很差甚至出现发散或等幅振荡等不稳定的情况。注意：对于主反馈必须采用负反馈。若采用正反馈将使 偏差越来越大。第22页，本讲稿共68页3复合控制按偏差控制和按扰动控制相结合的控制方式称为复合控制。前馈补偿控制复合控制具
9、有两种基本形式.复合控制：反馈控制+第23页，本讲稿共68页(a)按输入前馈补偿的复合控制给定值被控制量_受控对象检测元件控制器前馈控制第24页，本讲稿共68页(b)按扰动前馈补偿的复合控制检测元件_前馈控制扰动被控制量给定值受控对象 控制器_第25页，本讲稿共68页复合控制udoMR iugutTG(a)原理图负载放大器放大器+第26页，本讲稿共68页被控量输入信号(-)补偿装置控制装置 受控对象n扰动(ML)uiugut(-)(b)方块图扰动检测装置晶阐管可控整流器转速反馈装置电动机放大器放大器触发器第27页，本讲稿共68页反馈控制系统的基本组成控制系统被控对象控制装置测量元件比较元件放大
10、元件执行机构校正装置给定元件第28页，本讲稿共68页控制系统的组成第29页，本讲稿共68页测量反馈元件用以测量被控量并将其转换成与输入量同一物理量后，再反馈到输入端以作比较。比较元件用来比较输人信号与反馈信号。放大元件将微弱的信号作线性放大。校正元件按某种函数规律变换控制信号，并产生反映两者差值的偏差信号。以利于改善系统的动态品质或静态性能。第30页，本讲稿共68页执行元件根据偏差信号的性质执行相应的控制作用，以便使被控量按期望值变化。控制对象又称被控对象或受控对象，通常是指生产过程中需要进行控制的工作机械或生产过程。出现于被控对象中需要控制的物理量称为被控量。第31页，本讲稿共68页常用的名
11、词术语输入信号：也叫参考输入，给定量或给定值，它是控制着输出量变化规律的指令信号。输出信号：是指被控对象中要求按一定规律变化的物理量，又称被控量，它与输入量之间保持一定的函数关系。反馈信号：由系统(或元件)输出端取出并反向送回系统(或元件)输入端的信号称为反馈信号。反馈有主反馈和局部反馈之分。偏差信号：它是指参考输入与主反馈信号之差。误差信号：指系统输出量的实际值与期望值之差，简称误差。扰动信号：简称扰动或干扰、它与控制作用相反，是一种不希望的、影响系统输出的不利因素。扰动信号既可来自系统内部，又可来自系统外部，前者称内部扰动，后者称外部扰动。第32页，本讲稿共68页11自动控制系统示例例 例
12、1 1炉温控制系统 炉温控制系统第33页，本讲稿共68页第34页，本讲稿共68页例例22函数记录仪方框图函数记录仪方框图第35页，本讲稿共68页第36页，本讲稿共68页第三节自动控制系统的分类1.按给定信号的形式 恒值系统/程序系统/随动系统 2.按系统是否满足叠加原理 线性系统/非线性系统3.按系统参数是否随时间变化 定常系统/时变系统4.按信号传递的形式 连续系统/离散系统5.按输入输出变量的多少 单变量系统/多变量系统第37页，本讲稿共68页一、按输入信号形式1、恒值控制系统（或称自动调节系统）这类系统的特点是输入信号是一个恒定的数值。恒值控制系统主要研究各种干扰对系统输出的影响以及如何
13、克服这些干扰，把输入、输出量尽量保持在希望数值上。第38页，本讲稿共68页一、按输入信号形式2、过程控制系统（或称程序控制系统）这类系统的特点是输入信号是一个已知的时间函数，系统的控制过程按预定的程序进行，要求被控量能迅速准确地复现。恒值控制系统也认为是过程控制系统的特例。第39页，本讲稿共68页3、随动控制系统（或称伺服系统）这类系统的特点是输入信号是一个未知函数，要求输出量跟随给定量变化。如雷达天线跟踪系统，当被跟踪目标位置未知时属于这类系统。随动系统是指参考输入量随时间任意变化的系统。其任务是要求输出量以一定的精度和速度跟踪参考输入量，跟踪的速度和精度是随动系统的两项主要性能指标。工业自
14、动化仪表中的显示记录仪，跟踪卫星的雷达天线控制系统(如图所示)等均属于随动控制系统。第40页，本讲稿共68页第41页，本讲稿共68页二、按系统是否满足叠加原理(1)线性系统当系统的运动规律用线性微分方程或者线性差分方程描述时，则这类系统称为线性系统。线性系统有两个重要特性：叠加性和齐次性。（a）叠加性当系统同时存在几个输入量时，其输出量等于各输入量单独作用时所引起的输出量的和。如果用箭头表示输入量x和输出量y的对应关系，上述性质可表示如下：第42页，本讲稿共68页例如：设有线性系统的微分方程式为:若时，方程式的解为；而时，方程式的解为：即有：第43页，本讲稿共68页则当时容易验证，原方程式的解
15、为，这就是叠加性。叠加性表明，两个不同的外作用同时作用于系统所产生的总响应，等于两个外作用单独作用时分别产生的响应之和。第44页，本讲稿共68页(b)齐次性当输入量增大或缩小k(k为实数)倍时，系统输出量也按同一倍数增大或缩小。即当时，式中a为常数，则方程式的解为，这就是齐次性。齐次性表明，当外作用的数值增大若干倍时，其响应也相应增大同样的倍数。第45页，本讲稿共68页(2)非线性系统在构成系统的环节中有一个或一个以上的非线性环节时，则称此系统为非线性系统。典型的非线性特性有饱和特性、死区特性、间隙特性、继电特性、磁滞特性等。如图:第46页，本讲稿共68页（1）定常系统如果系统中参数不随时间变
16、化，则这类系统称为定常系统。在实践中遇到的系统，大多数属于这一类。（2）时变系统如果系统中的参数是时间t的函数，则这类系统称为时变系统。三、按系统参数是否随时间变化第47页，本讲稿共68页如果一个线性系统微分方程的系数为常数，那么系统称为线性定常系统。例如：如果一个线性系统微分方程的系数为时间的函数，那么系统称为线性时变系统。例如:第48页，本讲稿共68页连续系统和离散系统连续系统是指系统内各处的信号都是以连续的模拟量传递的系统。即系统中各元件的输入量和输出量均为时间的连续函数。连续系统的运动规律可以用微分方程来描述。系统内某处或数处信号是以脉冲序列或数码形式传递的系统则称为离散系统，如下图所
17、示，其运动方程只能用差分方程描述。四、按信号传递的形式第49页，本讲稿共68页1-4 对控制系统性能的要求常见的评价系统优劣的性能指标是从动态过程中定义出来的。对系统性能的基本要求有三个方面。二、快速性一、稳定性三、准确性第50页，本讲稿共68页系统受外作用力后,其动态过程的振荡倾向和系统恢复平衡的能力。一、稳定性稳定性：如果系统受外作用力经过一段时间，其被控量达到某一稳定状态，则系统是稳定的。否则为不稳定的。稳定系统的动态过程r(t)t0c(t)1r(t)c(t)不稳定系统的动态过程(a)给定信号作用c(t)(b)扰动信号作用d(t)t0c(t)r(t)t0c(t)r(t)c(t)d(t)不
18、稳定的系统是无法正常工作的。第51页，本讲稿共68页通过动态过程时间长短表征。时间越短，表明快速性越好，反之亦然。二、快速性r(t)t0c(t)r(t)c1(t)c2(t)快速性表明了系统输出对输入响应的快慢程度第52页，本讲稿共68页由输入给定值与输出响应的终值之间的差值ess大小表征。三、准确性r(t)t0c(t)r(t)c(t)ess第53页，本讲稿共68页稳定性、快速性和准确性往往是互相制约的。在设计与调试的过程中,若过分强调某方面的性能,则可能会使其他方面的性能受到影响.怎样根据工作任务的不同,分析和设计自动控制系统，使其对三方面的性能有所侧重，并兼顾其它正是自控原理课程要解决的问题
19、。第54页，本讲稿共68页自动控制理论研究的是如何按受控对象和环境特征，通过能动地采集和运用信息，施加控制作用使系统在不确定的条件下正常运行并具有预定功能。它是研究自动控制共同规律的技术科学，其主要内容涉及受控对象、环境特征、控制目标和控制手段以及它们之间的相互作用。1-5 自动控制理论发展简述第55页，本讲稿共68页具有“自动”功能的装置自古有之，瓦特发明的蒸汽机上的离心调速器是比较自觉地运用反馈原理进行设计并取得成功的首例。麦克斯韦对它的稳定性进行分析，于1868年发表的论文当属最早的理论工作。从20世纪20年代到40年代形成了以时域法，频率法和根轨迹法为支柱的“古典”控制理论。第56页，
20、本讲稿共68页60年代以来，随着计算机技术的发展和航天等高科技的推动，又产生了基于状态空间模型的所谓“现代”控制理论。随着自动化技术的发展，人们力求使设计的控制系统达到最优的性能指标，为了使系统在一定的约束条件下，其某项性能指标达到最优而实行的控制称为最优控制。第57页，本讲稿共68页当对象或环境特性变化时，为了使系统能自行调节，以跟踪这种变化并保持良好的品质，又出现了自适应控制。各种理论中仍是古典频率法最为适用。真正优良的设计必须允许模型的结构和参数不精确并可能在一定范围内变化，即具有鲁棒性。这是当前的重要前沿课题之一。第58页，本讲稿共68页另外，使理论实用化的一个重要途径就是数学模拟（仿
21、真）和计算机辅助设计（CAD）。近年来，在非线性系统理论、离散事件系统、大系统和复杂系统理论等方面均有不同程度的发展。智能控制也得到了很快的发展，它主要包括专家系统、模糊控制和人工神经元网络等内容。第59页，本讲稿共68页总之，自动控制理论正随着技术和生产的发展而不断发展，而它反过来又成为高新技术发展的重要理论根据。本书所介绍的内容是该理论中最基本的也是最重要的内容，即古典控制理论部分。它在工程实践中用得最多，也是进一步学习自动控制理论的基础。第60页，本讲稿共68页课程要求深刻理解反馈控制的概念系统的建模和化简掌握时域和频域的分析设计方法应用MATLAB进行控制系统的辅助分析和设计第61页，
22、本讲稿共68页（1）阶跃信号 阶跃信号的表达式为：(1-1)当A=1时，则称为单位阶跃信号，常用1(t)表示，如图1-11所示。典型外界干扰作用第62页，本讲稿共68页（2）斜坡信号 斜坡信号在t=0时为零，并随时间线性增加，所以也叫等速度信号。它等于阶跃信号对时间的积分，而它对时间的导数就是阶跃信号。斜坡信号的表达式为：第63页，本讲稿共68页（2）斜坡信号 斜坡信号在t=0时为零，并随时间线性增加，所以也叫等速度信号。它等于阶跃信号对时间的积分，而它对时间的导数就是阶跃信号。斜坡信号的表达式为：第64页，本讲稿共68页（3）抛物线信号 抛物线信号也叫等加速度信号，它可以通过对斜坡信号的积分
23、而得。抛物线信号的表达式为：（3.3）当A=1时，则称为单位抛物线信号，如图3-3所示 第65页，本讲稿共68页（4）脉冲信号 单位脉冲信号的表达式为：(1-3)其图形如图1-13所示。是一宽度为e，高度为1e 的矩形脉冲，当e 趋于零时就得理想的单位脉冲信号(亦称d(t)函数)。(3.5)第66页，本讲稿共68页（5）正弦信号 正弦信号的表达式为:（1-4）其中A为幅值，w=2p/T为角频率。图1-14 正弦信号 第67页，本讲稿共68页 暂态过程特点:下图中,(a)、(b)非周期振荡；(c)发散振荡；(d)、(e)收敛振荡；(f)等幅振荡。tnn1(a)0(b)nt0n0n1t0n(c)n0t(e)n1n0t(d)n0n1n0t(f)第68页，本讲稿共68页