自动控制理论全套课件(王孝武 方敏)

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1、自动控制理论,教材：自动控制理论王孝武，方敏，葛锁良编. 机械工业出版社 2010.6,参考书： 自动控制理论（第五版），胡寿松主编.科学出版社 现代控制工程 绪方胜彦著,科学出版社 自动控制原理 孙虎章主编，中央广播电视大学 参考葛锁良老师课件,主讲教师: 平兆武,合肥工业大学电气与自动化工程学院自动化系,第一章 绪 论,1.1 自动控制与自动控制系统,一：自动控制,所谓自动控制，是指在没有人直接参与的情况下，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（统称控制对象）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。,思考：实际中的自动控制？,蒸汽机速度控制,

2、英国JWatt发明的离心式调速器控制蒸汽机速度，被普遍认为是最早应用于工业过程的自动控制系统。 （年）,二：自动控制系统,由控制器（控制装置）和被控对象组成，具有自动控制功能的系统，称为自动控制系统。,被控制的机器设备或生产过程称作被控对象，将表征其工况的关键参数称作被控量（输出量），而将对这些工况参数所要求达到的值称作给定值（或希望值、输入量）。 自动控制的任务可抽象为：使被控对象的被控量按给定值变化。,对被控对象实施控制的装置称为控制器。其基本功能有:测量、决策和执行,1.2 自动控制系统的组成,自动控制系统是由各种结构不同的元部件组成的。将组成系统的元部件按职能分类主要由以下几种。,1：

3、测量元件 其职能是对物理量进行检测(被控量、内部变量、干扰信号),2：给定元件 其职能是给出与期望的被控量相对应的系统输入量,3：比较元件 其职能是对两个物理量进行比较、加减运算，以形成偏差信号,4：放大元件 其职能是将比较元件给出的偏差信号进行放大，用来推动执行元件去控制被控对象。,5：执行元件 其职能是直接推动被控对象，使被控量发生变化,6:校正元件 也叫补偿元件，它是结构或参数便于调整的元件，用串联或反馈方式连接在系统中，以改善系统的性能。,自动控制系统原理框图,术语：,前向通道（从输入端到输出端）、反馈通道（从输出端到比较元件）,输入信号、输出信号、扰动信号,扰动,负反馈、正反馈,反馈

4、信号、误差信号、控制信号,控制装置,1.3 自动控制方式,根据控制信号的来源不同，可以分为以下三种控制结构：,输出,按给定值控制：,按干扰补偿：,输入,自动控制方式：,1.开环控制方式：按给定值控制、按干扰补偿,2.闭环控制方式（反馈控制）：按偏差调节,基本控制方式,3.复合控制方式：在闭环控制基础上附加输入补偿或干扰补偿,按偏差调节：,干扰,按输入补偿的复合控制,按干扰补偿的复合控制,明确控制系统的任务； 明确系统工作原理； 被控对象是什么？被控量（系统输出量）？有哪些干扰？ 参考输入？有谁提供？ 画出控制系统的原理方框图，分析系统采用何种控制方式。,分析实际控制系统的步骤：,分析举例,炉温

5、控制系统,控制任务： 保持炉温T为T0不变,被控对象：炉子 被控量：炉温T,控制方式：按给定值控制,定时开关,电阻丝,炉子,给定炉温,实际炉温,工作原理：,水位自动控制系统,控制任务： 保持水位为不变,被控对象：水箱 被控量：水位,工作原理：,水门,杠杆,水箱,水门,用水量,控制方式：按干扰补偿,热处理炉温度控制系统,控制任务： 保持炉温T为T0不变,被控对象：烘炉 被控量：炉温T,工作原理：,控制方式：按偏差调节,无静差系统,位置随动控制系统,桥式电位计,放大器,电动机,减速器,工作机械,手柄,控制任务：要求工作机械的角位置c跟随给定角位置r,被控对象：工作机械 被控量：角位置,工作原理：,

6、控制方式：按偏差调节,减速器,桥 式电位器,电动机,-,放大器,工作机械,无静差系统,谷物湿度控制系统,控制任务： 保持输出谷物湿度为给定值,被控对象：谷物 被控量：谷物湿度,工作原理：,控制方式：复合控制,湿度测量,调节器,谷物,-,阀门,给定湿度,谷物湿度,湿度测量,输入谷物湿度,1. 自动控制系统的分类,另外： 按控制方式可分为开环控制、闭环控制、复合控制等； 按元件类型可分为机械系统、电气系统、液压系统、气动系统等； 按系统功用可分为温度控制系统、压力控制系统、位置控制系统等； 按系统性能可分为集总参数系统和分布参数系统、确定系统和不确定系统等；,按照描述系统的数学模型： 线性系统 ：

7、 时变系统、定常系统 非线性系统 按照系统传递的信号的性质： 连续控制系统（用微分方程描述） 离散控制系统（用差分方程描述） 按照系统输入信号的变化规律： 随动控制系统（伺服系统） 恒值控制系统（镇定系统、调节系统） 程序控制系统,线性连续系统,这类系统可用线性微分方程描述，其一般形式为：,系数a0、a1、，b0、b1、为常数时，系统称为线性定常系统，系数a0、a1、，b0、b1、随时间而变时，系统称为线性时变系统。,线性离散系统,离散系统是指系统的某处或多处的信号为脉冲序列或数码形式，因而信号在时间上是离散的。这类系统可用差分方程描述，其一般形式为：,非线性系统,系统中只要有一个元部件的输入

8、-输出特性是非线性的，这类系统就称为非线性系统，这时要用非线性微分（或差分）方程来描述其特性。 例如：,1.5 对控制系统的性能要求,控制系统的时间响应过程,系统受到外部作用（给定值或干扰）后，被控量（输出）随时间变化的全过程称为系统的时间响应过程c(t) 。,动态过程（瞬态过程） 稳态过程,考虑 时：,不同控制系统的时间响应过程比较,稳定性 稳定性是保证系统正常工作的先决条件。一个稳定的控制系统，其被控量偏离期望值的初始偏差应随时间的增长逐渐减小或趋于零。也就是说，控制器的控制作用应使误差逐渐减小。若控制不当，使误差逐渐变大，就形成了不稳定的控制系统，不稳定的控制系统是不能正常工作的。,快速

9、性 为了很好完成控制任务，控制系统仅仅满足稳定性要求是不够的，还必须对其过渡过程的形式和快慢提出要求。,准确性 当过渡过程结束后，被控量达到的稳态值（即平衡状态）应与期望值一致。被控量的稳态值与期望值之间的误差称为稳态误差。稳态误差是衡量控制系统控制精度的重要标志。,对控制系统要求：稳、快、准,1.6 自动控制理论发展概况,自动控制理论 自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。它的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理，并主要用于工业控制。第二次世界大战期间，为了设计和制造飞机及船用自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达跟踪系统以及其他基于反馈原理的军用装备，进一步促进并完善了自动控制理论的

10、发展。到战后，已形成完整的自动控制理论体系，这就是以传递函数为基础的经典控制理论，它主要研究单输入-单输出、线性定常系统的分析和设计。,60年代初期，随着现代应用数学新成果的推出和电子计算机技术的应用，为适应宇航技术的发展，自动控制理论跨入了一个新阶段现代控制理论。它主要研究具有高性能、高精度的多变量变参数系统的最优控制问题，采用的方法是以状态为基础的时域法。目前，自动控制理论还在继续发展，并且已跨越学科界限，正向以控制论、信息论、仿生学为基础的智能控制理论发展。,经典控制理论 核心是反馈控制的思想 20世纪40 - 50年代发展形成 1945年美国人Bode “网络分析与放大器的设计”（专著

11、），奠定了控制理论的基础。 50年代趋于成熟 对单输入单输出系统进行分析，采用频率法、根轨迹法、相平面法、描述函数法；讨论系统稳定性的代数和几何判据以及校正网络等 现代控制理论 20世纪60年代以后 空间技术的发展提出了许多复杂控制问题，用于导弹、人造卫星和宇宙飞船 Kalman “控制系统的一般理论”（论文）奠定了现代控制理论的基础 解决多输入、多输出、时变参数、高精度复杂系统的控制问题 大系统、复杂系统、智能控制系统 20世纪80年代以后 各学科相互渗透，要分析的系统越来越大，越来越复杂。例人工智能、模拟人的人脑功能、机器人等。,自动控制的应用领域,交通工程 机器人 建筑与楼宇自动化 办公

12、自动化 家庭自动化 商业自动化 管理自动化 社会与经济系统控制,军事与国防 航空航天 工业生产过程 （石油、化工、冶金、热动 .） 电力系统自动化 先进制造技术 车辆工程,1.7 本课程的内容,线性定常连续系统,系统的数学模型 系统的分析方法： 系统的校正方法,（第2章） （第3章） （第4章） （第5章） （第6章）,时域法 根轨迹法 频域法,复习:拉普拉斯变换及线性微分方程的求解,1 拉氏变换的定义,存在 ，则称其为 的拉普拉斯变换，记为,设函数 当 时有定义，且积分,2 几种典型函数的拉氏变换,1）单位阶跃函数 1(t),2）单位斜坡函数,3）单位加速度函数,1(t)可用于表示信号作用的

13、时间域,4）单位脉冲函数,且,1,f(t),t,f(t),t,0,0,规定积分下限取0-,3 拉氏变换的几个基本法则,1).线性性质,2).微分性质,若,则,3).积分性质,4).终值定理,设 ，且 在 平面的右半平面及除原点外的虚轴上解析，即 极点均位于 平面的左半平面（包括坐标原点）,设 ，则有,5).位移定理,按定义求拉氏反变换很困难，一般常用部分分式法计算：,4 拉氏反变换,例,例,s域的代数方程,系统的微分方程,系统输出的象函数,微分方程的解,例,5、用拉氏变换法求解微分方程,应用拉氏变换的求解微分方程的优点： （1）将微积分运算转换为代数运算 （2）运算过程中，初始条件直接代入，不

14、象直接解微分方程：先解 出通解，然后再由初始条件来确定待定系数。,第2章 控制系统的数学模型,2.1 引言,建立控制系统的数学模型是对系统进行分析和设计的基础。,系统的数学模型：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。,静态数学模型：,动态数学模型：,静态条件下（变量的各阶导数为0） ,代数方程,动态条件下,动态数学模型有多种形式 ：,微分方程、差分方程、状态方程,传递函数、动态结构图、信号流图,时域：,复域：,频域：,频率特性,建立控制系统数学模型的方法:,对模型的要求：,尽可能符合实际物理系统的特性，并且准确可靠； 在满足精度要求的情况下，建立的数学模型应尽可能简单。,2

15、.2 控制系统的微分方程,一、 系统微分方程的建立,确定系统或元件的输入量和输出量 。 依据各个变量之间遵循的物理或化学定律，列出一组微分方程。 消去中间变量，得到系统输入变量和输出变量之间的微分方程。 对微分方程进行整理，写成标准形式。即将输出量及其各阶导数项放在等号左边，输入量及其各阶导数项放在等号右边，并按降幂排列。,分析法建立动态系统的输入输出微分方程的步骤：,例2-1,列写图示电路的输入输出微分方程,负载效应,对于两级RC网络,若要消除负载效应，可在两个RC电路之间设置隔离放大器,根据基尔霍夫定律，可写出下列方程组,若两个RC电路之间没有隔离放大器,力-电学相似系统,例2-2,有源网络如图所示。列写输出与输入之间的微分方程,解：由运算放大器的基本特性和基尔霍夫定律，列写出下列方程,消去中间变量,整理后得,例2-3,思考：理想运算放大器的特性？,例2-4,电枢电压控制的他励直流电动机,电磁转矩方程,电枢反电势,电枢回路电压平衡方程,电动机轴上转矩平衡方程,- 三阶微分方程,电磁转矩方程,电枢反电势,电枢回路电压平衡方程,电动机轴上转矩平衡方程,一般情况电枢电感 很小，可令,。有,- 二阶微分方程,若以 为输出，则微分方程变为,两边除以,，令,例2-5,直流调速控制系统,（空载）,例2-6,位置随动系统,桥式电位计,放大器,电动