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1、自动控制理论,长安大学电子与控制工程学院自动化系 李 登 峰 手机：13359229231 Email：,2,3,一、课程特点,1、 它是一门专业基础课,第一节 自动控制理论课程概述,4,2、理论实践紧密结合 理论性非常强 与工程实践紧密结合,3、内容广泛 高等数学、物理、化学 电路 电机 机械 经济 航空、航天等等,5,二、学习自动控制理论的重要性,1、本课程是自动化专业承上启下的课程 2、自动控制技术是应用非常广泛的技术 电机控制、自动化生产线、火炮雷达控制、家用电器、机械、冶金、石油、化工、电力电子、航空、航海、航天、核反应堆等。 3、自动控制理论能为解决实际控制问题提供理论和方法 4、
2、学分较多,6,三、本课程学习方法,1、打好基础 高等数学（微积分）、积分变换（拉氏变换） 2、做好预习 讲课的速度较快、了解课程内容 3、听好课 理解基本理论和基本方法 4、做好习题 灵活应用基本理论和基本方法解决实际问题,7,四、课程主要内容及课程按排,第一章 引论 2学时 知识准备 拉氏变换及拉氏变换定理 2学时 第二章 线性系统的数学模型 8学时 补充知识 复阻抗法求传递函数 2学时 第三章 线性系统的时域分析 10学时 第四章 线性系统的根轨迹分析 8学时 第五章 线性系统的频域分析 10学时 第六章 线性系统的校正 8学时 第七章 非线性系统的分析 8学时 第八章 采样控制系统 8学
3、时 习题课 各阶段习题讲解及课程总结（3次） 6学时 实 验 共7个实验 18学时 总学时数 90学时,8,五、教材和主要参考资料,1、教材 自动控制理论 夏德钤 机械工业出版社 第3版 2、主要参考书 自动控制理论 邹伯敏 机械工业出版社 自动控制原理 胡寿松编 科学出版社 自动控制原理 李友善 国防工业出版社 现代控制工程 绪方胜彦 科学出版社 第3版 自动控制原理 王建辉 清华大学出版社 Modern Control Engineering Katsuhiko Ogata 电子工业出版社 自动控制原理全程导学及习题全解 王莹莹 中国时代经济出版社 自动控制理论例题习题集 王诗宓等编著 ,
4、 清华大学出版社 2002,9,一、控制系统方框图,常用方框图来表示一个控制系统的结构及信号在系统中的传递路径。 方框：控制装置和被控对象分别用方框表示; 信号线：方框的输入和输出以及它们之间的连接用带箭头的信号线表示; 输入信号：进入方框的信号; 输出信号：离开方框的信号; 比较环节：表示两个或两个以上的信号的叠加。,第二节 控制系统的基本概念,10,【例1-1】水箱水位控制系统,二、控制系统举例,简单的水箱水位控制系统,11,12,较完善的水箱水位控制系统,【例1-2】家用空调控制器(制冷),控制对象,测量元件,控制单元,14,被控对象：房间 被控量： 房间温度 控制装置：控制板 执行机构
5、：压缩机和冷凝器 检测元件：温度传感器,15,17,三、控制系统的基本概念,【自动控制】,【自动控制理论】,研究自动控制共同规律的技术科学。,指在无人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称为自动控制装置或控制器），使生产过程（称为被控对象）的某个工作状态或参数（称为被控制量）自动地按照预定的规律运行。,18,【自动控制系统】 由被控对象和自动控制装置等按照一定的方式连接起来，组成一个有一定控制功能的有机整体，称为自动控制系统。,【控制系统方框图】,19,四、控制系统的两种基本形式及特点,1、两种基本形式 开环 闭环 2、开环控制定义 只有正向作用，没有反向控制作用的控制系统。,电机调速控制
6、系统,20,21,5、闭环系统的特点 （1）既有正向作用，又有反向作用； （2）控制精度与元件精度、控制方法、调整精度有关，控制精度较高； （3）有抑制干扰的能力； （4）结构复杂，成本相对较高。,4、闭环控制定义 既有正向作用，又有反向控制作用的控制系统。,22,E,E,A,B,炉温开环控制系统,炉温闭环控制系统,S,S,6、开环控制与闭环控制的实例,23,电阻丝,希望温度,实际炉温,扰动量,炉子,继电器,温度计,电阻丝,实际炉温,扰动量,炉子,开关,希望温度,炉温开环控制系统,炉温闭环控制系统,24,第三节 自动控制系统的分类,一、按输入信号的特征分类 1、恒值控制系统（自动调整系统） 特
7、征：输入信号为常数 典型系统：液位、温度、压力、流量控制 2、程序控制系统 特征：输入信号为预知的随时间变化函数 典型系统：热处理炉控制系统、镜片固化炉温度控制、程序控制机床、灌装生产线、自动生产流水线。 3、随动系统（伺服控制系统） 特征：输入信号为随时间任意变化的函数 典型系统：鱼雷飞行、炮瞄雷达、火炮自动瞄准、导弹制导。,25,29,第四节 自动控制理论概要,一、闭环控制系统的组成和基本环节, 测量元件：测量被控量的实际值或对被控量进行物理转换。 比较元件：将测量值和给定值进行比较，得到偏差。 控制元件： 根据偏差大小产生控制信号。通常包括放大器和校正装置，控制信号和偏差信号具有一定关系
8、(称为调节规律)。 执行元件：由控制信号产生控制作用，从而使被控制量达到要求值。阀、电动机、液压马达等。 被控对象：被控制的机器、设备或过程等。,30,二、控制系统的基本原理,反馈的本质：利用偏差进行控制。 反馈的两大作用：形成闭环控制，可使系统从不稳定到稳定，提高稳定性；抑制扰动，精度高。 绝大多数控制系统都是反馈系统。,31,控制量 u,偏差信号e,反馈信号 b,扰动 n,输出信号 C,参考输 入信号 r,比较 环节,三、自动控制系统中的术语和定义,32,四、自动控制系统的基本要求,稳定性、快速性、准确性，即稳、快、准。,稳定性稳定性是指系统重新恢复平衡状态的能力，任何一个正常工作的系统首
9、先必须是稳定的。 快速性 在控制作用下，系统必然由原先的平衡状态经过一段时间才过渡到另一个新的平衡状态，这个过程称为过渡过程。过渡过程越短，表明系统的快速性越好。快速性是衡量系统质量高低的重要指标之一。 准确性 对一个稳定的系统而言，当过渡过程结束后，系统输出量的实际值与期望值之差称为稳态误差，它是衡量系统稳态精度的重要指标。稳态误差越小，表示系统的准确性越好。,33,五、自动控制理论研究的问题 1、自动控制建模问题 建立控制系统各个方框的数学模型是控制系统分析和设计的基础。 2、控制系统分析 在已知系统的结构参数的条件下，研究系统在某种典型输入信号下输出信号变化的全过程，并从这个变化过程中得
10、到评价系统性能的指标；以及讨论系统的性能和系统结构、参数的关系。 3、控制系统设计 在给定被控对象及所要求的性能指标的情况下，设计一个即能完成控制任务又可以满足所提出的性能指标的控制系统。要改变系统的某些参数或者是加入校正装置，使其满足预定的性能指标要求。,六、自动控制理论的主要内容,1、古典控制理论 研究对象：单输入单输出线性系统 数学基础：微积分、积分变换 系统描述方法：传递函数 研究方法：时域法、频率特性法、根轨迹法 核心概念：输出反馈 适用系统：线性系统,2、现代控制理论 研究对象：多输入多输出线性系统 数学基础：线性代数、矩阵理论 系统描述方法：状态空间表达式 研究方法：时域法 核心
11、概念：状态反馈 适用系统：线性、非线性,36,七、自动控制理论的发展,1 经典控制理论 4050年代形成 SISO系统 基于：二战军工技术 目标：反馈控制系统的镇定 基本方法：传递函数，频率法，PID调节器 2 现代控制理论 6070年代形成 MIMO系统 基于： 冷战时期空间技术，计算机技术 目标：最优控制 基本方法：状态方程（时域）,37,智能控制技术 90年代开始发展 专家系统 模糊控制 神经网络 预测控制 4 正在发展的各个领域 自适应控制 大系统理论 鲁棒控制 多率周期控制 非线性控制（微分几何，混沌，变结构）,38,八、自动控制技术的应用,1、消费娱乐,39,2、家用电器,40,3、工业控制,41,4、智能仪器仪表,数字式测角仪,交直流电压电流表,智能热量表,42,5、智能电网,43,5、汽车电子,44,6、新能源,45,7、航空、航天、航海,46,8、军事,
