第一章 控制系统导论课件

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1、自动控制原理,主讲教师：吴冬春,学时/学分：72/4.5 课程类型：专业基础课 开课专业：电气类,课程简介,2、本课程的目的 通过本课程的学习，使学生掌握自动控制的基本理论和方法，具备对自动控制系统进行分析、计算、实验和校正的能力，为专业课的学习和参加控制工程实践提供必要的理论基础。,1、本课程的性质 本课程是为理工科电气工程类专业或自动控制专业开设的专业基础课之一。从课程内容看，侧重于方法论的研究。,课程简介,3、本课程的任务 本课程的主要任务是培养学生： （1）掌握自动控制的一般概念和自动控制的基本方式； （2）掌握控制系统的时域、复域数学模型的分析方法及它们之间的联系； （3）掌握一阶、

2、二阶系统的时域分析方法； （4）掌握线性系统的稳定性分析方法和稳态误差的计算； （5）掌握线性系统的频域分析方法； （6）掌握校正概念，熟悉常用校正装置及其特性，了解线性系统的校正方法。,课程简介,4、教材及参考书 （1）选用教材： 自动控制原理简明教程 胡寿松 主编 科学出版社，2008年第二版 （2）主要参考书： 自动控制原理胡寿松 主编，科学出版社，2002年第4版,第一章 控制系统导论,1.1 自动控制的基本原理 1.2 自动控制系统示例 1.3 自动控制系统的分类 1.4 自动控制系统的基本要求 1.5 自动控制系统的分析与设计工具,1-1自控系统的基本原理 重要性 1) 自动控制技

3、术水平的高低，标志着一个国家工业和科技先进与否。 2) 高水平的自动控制技术对一个国家的工业、国防和科学起着至关重要的作用。 3)自动控制原理的基本思想和基本方法可以用于各个领域 4) 每个大学生、工程技术人员和高级管理人员必须具备自动控制原理的知识。,第一章 控制系统导论,自动控制理论 古典控制理论（20世纪40年代） 现代控制理论（20世纪60年代） 智能控制理论（20世纪70年代）,经典控制理论时期（1940-1960） 1945年美国人Bode “网络分析与放大器的设计”，奠定了控制理论的基础。50年代趋于成熟. 主要内容: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

4、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 现代控制理论时期（50年代末-60年代初） 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上的Kalman “控制系统的一般理论”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,大系统和智能控制时期 （70年代） 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。,自动控制要解决的基本问题,自动控制是使一个或一些被控制的物理量按照另一个物理量即控制量的变化而变化或保持恒定，一般地说如何使控制量按照给定量的变化规律变化，就是一个控制系统要解决的基本问

5、题。,控制的定义： 给一个运动过程施加约束，使运动过程按指定的路径，向期望的方向发展。 运动过程的载体被控对象 表征运动过程的物理量被控制量或输出量 施加约束控制量,自动控制的定义： 是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置，使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行。,施加约束的设备或装置控制器,自动控制系统的定义：为自动达到某一目的，由相互制约的各个部分按一定规律组织成的、具有一定功能的整体。,自动控制系统的组成：控制器、被控对象、反馈环节、给定装置等。,自动控制系统基本控制方式：开环控制、反馈（闭环）控制和复合控制三种。,开环控制,优点 : 结构简单，成

6、本低廉，工作稳定，当输入信号和扰动能预先知道时，控制效果较好。 缺点：不能自动修正被控制量的偏离，系统的元件参数变化以及外来的未知扰动对控制精度影响较大。,反馈（闭环）控制,反馈（闭环）系统自动把输出量反送到输入端并与输入量进行比较，得到偏差信号，偏差越大，控制力度也越大。迫使输出量向输入量靠近。 故控制精度高。,反馈：将检测出来的输出量送回到系统的输入端，并与输入量进行比较的过程。 负反馈：偏差量输入量反馈量 负反馈的自动调节原理： 输出量反馈量偏差量控制量输出量 反之，也一样。总之，能自动减小偏差，恒定输出。,闭环控制的特点： 优点：具有自动修正被控制量出现偏离的能力，可以修正元件参数变化

7、以及外界扰动引起的误差，控制精度高。 缺点：被控量可能出现振荡，甚至发散。,复合控制,干扰补偿的开环控制和按偏差的闭环控制相结合,复合控制的效果也比单一的反馈控制或者单一的开环控制的效果都好。,自动控制系统的组成和术语,给定环节用于产生输入到控制系统的指令信号。指令信号通常称为输入量或给定量，常用 r 来表示。 比较环节用于将给定量与反馈量进行比较，比较环节的输出量等于两输入量的代数和。箭头上的符号表示输入在此相加或相减。给定量与反馈量的差值，称为偏差，常用 e 来表示。,控制器 接受偏差信号，通过转换与运算，产生控制量u，以改善系统的性能。控制量常用 u 来表示。 中间环节 它的作用是将控制

8、信号进行变换、功率放大等，以便对被控对象进行控制。达到纠正偏差的目的。 被控对象G它是要求实现自动控制的设备。它接受控制量并输出被控制量。系统输出量常用 c 来表示。不希望的、影响系统输出的信号，称为扰动，常用 n 来表示。 反馈环节将输出量转换为反馈信号的装置，反馈是与输出成正比或成某种函数关系，但量纲与参考输入相同的信号，用 b 来表示。,1.2 自动控制系统示例 ,1、 贮槽液面开环控制系统（开环控制）,根据要求的液面的高度 h 及V1 阀在单位时间内液体的流出量，整定好V2 阀的开启程度（给定量），以达到预定的目的。,V1 阀的输出流量和V2 阀的输入流量受到温度、液体浓度及其他各种因

9、素的影响（扰动）而发生了变化，液面将不能控制在原标定的 h 值,2、 贮槽液面闭环控制系统（反馈控制）,输入量电位器的接零位置 输出量贮槽液面液位 检测环节浮子、杠杆、电位器 反馈量电位器的滑动触点位置,偏差量电位器输出电压ue 控制器放大器 中间环节（功放、执行）电动机、阀门V2 干扰量阀门V1的开度变化 工作原理：,3、 电阻炉微型计算机温度控制系统 （复合控制）,1.3 自动控制系统的分类 1、 随动系统与恒值系统 随动系统又称伺服系统，其特点是输入量总在频繁地或缓慢地变化，要求系统的输出量能够以一定的准确度跟随输入量而变化。 恒值系统又称自动调整系统 （或调节器系统），其特点是输入保持

10、为常量，或整定后相对保持常量，而系统的任务是尽量排除扰动的影响，以一定准确度将输出量保持在希望的数值上。,2、 线性和非线性系统 组成系统的元器件的特性均为线性，能用线性常微分方程描述其输入与输出关系的称为线性系统。特点：具有齐次性和叠加性。线性常微分方程的各项系数都是与时间无关的常数，为线性定常系统，线性常微分方程的各项系数中有时间函数，系统就称为线性时变系统。 只要有一个元器件的特性不能用线性方程描述，即为非线性系统。非线性常微分方程中，输出量及其各阶导数不全都是一次的，或者输出量导数项的系数是输入量的函数。非线性不满足叠加原理。时间响应特性与初始状态有极大的关系。,3、 连续系统与离散系

11、统 连续系统各部分的输入和输出信号都是连续的模拟量。 离散系统是指某一处或数处的信号以脉冲列或数码的形式传递的系统。 描述连续控制系统用微分方程，而描述离散控制系统则用差分方程。 与连续系统类似，离散系统也有线性和非线性、定常与时变系统之分。,4、 单输入单输出系统与多输入多输出系统 单输入单输出系统亦称单变量系统，其输入量和输出量各为一个，需要时，将干扰信号作为第二个输入，分析时，用叠加原理，将系统看成两个单输入系统来处理。单输入单输出系统结构较为简单，分析、设计比较方便。 多输入多输出系统亦称多变量系统，其输入量和输出量多于一个，系统结构较为复杂，一个输入量对数个输出量都有控制作用，反之，

12、一个输出量往往受多个输入量控制，也就是说相互之间有耦合作用。显然，多变量系统的分析与设计，远较单变量系统复杂。,5、 确定系统与不确定系统 若系统的结构和参数是确定的、已知的，系统的输入信号也是确定的，可用解析式或图表确切表示，则这种系统称为确定系统。夹杂有不严重且其影响可忽略不计的噪声时，系统也可视为确定系统。 当系统本身或作用于该系统的输入信号不确定时称为不确定系统。例如系统的输入信号混杂有随机噪声，系统使用的元、器件的特性有随机干扰等就构成简单的不确定系统。若随机噪声等能用统计特性表示其特征时，可用概率论对不确定系统加以研究。,1.4 自动控制的基本要求 自动控制原理的内容是与自动控制系

13、统需要研究的问题密切相关的，是分析、设计自动控制系统的理论依据。 1、 基本要求的提法 自动控制系统能否正常工作，控制性能如何，这些都需要自动控制原理给出确切的答案，其中主要包括三大问题。 稳定性 、快速性、准确性。,（1）稳定性 稳定是任一自动控制系统能否实际应用的必要条件，自动控制原理至少应给出判断系统稳定性的方法，并应指出稳定性与系统的结构（或称控制规律）及参量间的关系。 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并趋向于零。 稳定的恒值控制系统：被控量因扰动而偏离期望值后，经过一个过渡过程时间，被控量应恢复到原来的期望值状态。 稳定的随动控制系统：被控量应能

14、始终跟踪输入量的变化。,（2）快速性 对于经常处于暂态过程，或对暂态响应有一定要求的自动控制系统，此问题较为重要。自动控制原理需要研究系统的控制规律及参量与暂态响应的关系，并且能提供简捷的计算暂态响应的方法。 （3）准确性 稳态情况下，控制的准确度往往是自动控制系统的一个重要性能指标。自动控制原理应给出计算系统稳态响应的方法，并且指出系统控制规律及参量与稳态响应间的关系。,2、典型外作用 （1） 阶跃函数 阶跃函数的时域表达式为,式中, R为常数, 当R1时, 称r(t)=1(t)为单位阶跃函数。,t,r (t),0,1,输入量r(t)=1(t)时，系统输出特性称为单位阶跃响应。用h(t)表示

15、,MATLAB指令：step(Gs),（2） 斜坡函数(速度函数) 斜坡函数, 也称速度函数(见图3-1(b)，其时域表达式为,式中, R为常数。当R1时, 称r(t)=t为单位斜坡函数。因为dr(t)/dt=R, 所以斜坡函数代表匀速变化的信号。,t,r (t),0,MATLAB没有专用的斜坡响应指令，用任意输入的响应指令： n=1;t=0:0.1:9;u=t.n; %n=0、1、2分别为阶跃、斜坡加速度函数 lsim(Gs,u,t),（3） 加速度函数 加速度函数(见图3-1(c)的时域表达式为,式中，R为常数。当R1时, 称r(t)=t2/2为单位加速度函数。因为d2r(t)/dt2=R

16、, 所以加速度函数代表匀加速变化的信号。,t,r (t),0,（4） 脉冲函数 脉冲函数的时域表达式为,式中,h称为脉冲宽度, 脉冲的面积为1。 若对脉冲的宽度取趋于零的极限, 则有,称此函数为理想脉冲函数, 又称函数。,t,r (t),0,h,1,h,(t),因函数的面积为1，即,（5） 正弦函数 正弦函数的时域表达式为,式中, A为振幅, 为角频率。,所以， 函数的拉氏变换为：L(t)=1,另外，,t,r (t),0,A,MATLAB的单位脉冲响应专用指令为：impulse(Gs),输入量r(t)= (t)时，系统输出函数称为单位脉冲响应。用g(t)表示,1.5 自动控制系统的分析与设计工具 1、解决问题的步骤 当给定一个被控对象，一组要求的性能指标时，希望有一种简捷的方法，去解决以下问题。 （1） 求出系统的数学模型 （2）能从系统的数学模型获得系统时域响应。 （3）找出一种合适的（也是一定条件下最优的）控制规律及相应