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1、自动控制原理自动控制原理Automatic Control Systems课程的主要内容课程的主要内容目的：目的： 研究研究自动控制自动控制的共同规律的共同规律自动控制：自动控制：定义：在无人直接参与的情况下，定义：在无人直接参与的情况下，利用控利用控制装置制装置，自动地操纵机器或生产过程，使，自动地操纵机器或生产过程，使其具有希望的状态或功能。其具有希望的状态或功能。自动控制这一概念本身就反映了人们征服自自动控制这一概念本身就反映了人们征服自然的渴望，控制理论与技术也正是在人们认然的渴望，控制理论与技术也正是在人们认识自然与改造自然的过程中发展起来的。识自然与改造自然的过程中发展起来的。课程
2、的主要目标课程的主要目标自动控制系统自动控制系统(装置装置)的分析与设计的分析与设计:根据设定的目标实现装置根据设定的目标实现装置(1) 提高生产率提高生产率;(2) 改善装置或系统的性能改善装置或系统的性能我们的任务我们的任务对线性定常控制系统进行时频域分析，在对线性定常控制系统进行时频域分析，在充分掌握控制系统性能的基础上，针对一充分掌握控制系统性能的基础上，针对一个具体的被控对象，设计一个合适的自动个具体的被控对象，设计一个合适的自动控制装置，使得整个控制系统的性能符合控制装置，使得整个控制系统的性能符合我们提出的要求我们提出的要求授课的章节授课的章节第一章第一章 自动控制概论自动控制概
3、论第二章第二章 控制系统的数学模型控制系统的数学模型第三章第三章 线性系统的时域分析法线性系统的时域分析法第四章第四章 线性系统的频域响应分析法线性系统的频域响应分析法第五章第五章 线性系统的校正方法线性系统的校正方法第六章第六章 线性离散系统线性离散系统第七章第七章 线性定常系统的状态空间分析与综合线性定常系统的状态空间分析与综合从简单的了解开始从简单的了解开始第一章第一章 自动控制概论自动控制概论1.1 概况（是概况（是什么，怎么发展而来什么，怎么发展而来）1.2 自动控制系统的分类自动控制系统的分类1.3 对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求1.1 概况概况1.1.1 自动控制理论及
4、应用自动控制理论及应用1.1.2 自动控制理论的发展自动控制理论的发展1.1.1 自动控制理论及应用自动控制理论及应用自动控制自动控制: 在无人直接参与的情况下，利用在无人直接参与的情况下，利用控制装置，自动地操纵机器或生产过程，使其控制装置，自动地操纵机器或生产过程，使其具有希望的状态或功能。具有希望的状态或功能。自动控制理论自动控制理论: 研究自动控制的共同规律研究自动控制的共同规律自动控制技术的应用自动控制技术的应用工农业、航空航天、军事、民用工农业、航空航天、军事、民用1.1.1 自动控制理论及应用自动控制理论及应用理论是实现应用的手段：理论是实现应用的手段：构建自动控制系统构建自动控
5、制系统系统：系统： 由相互关联和作用的若干组成部分按一定由相互关联和作用的若干组成部分按一定结构组成的结构组成的具有特定功能的整体具有特定功能的整体自动控制系统：自动控制系统：具有自动控制功能的系统具有自动控制功能的系统应用问题：应用问题：如何构建自动控制系统？如何构建自动控制系统？如何构建自动控制系统？如何构建自动控制系统？汽车的方向控制：预期行驶方向实际行驶方向构建自动控制系统构建自动控制系统汽车的方向控制：一般的自动控制系统原理一般的自动控制系统原理被控制量偏差给定值PID被控对象U原原 理：理：利用负反馈，消除误差利用负反馈，消除误差。具体实现：具体实现：对被控对象建模，整定对被控对象
6、建模，整定PID控制控制参数，得到控制作用参数，得到控制作用U，使得被控对象的输，使得被控对象的输出符合要求。出符合要求。基本概念之后的感性认识基本概念之后的感性认识火力发电厂综合控制系统火力发电厂综合控制系统1.1.2 自动控制理论的发展自动控制理论的发展（1）工业化促使自动控制装置产生）工业化促使自动控制装置产生最早工业应用的自动装置：最早工业应用的自动装置： 1788年年Watt发明的飞球式蒸汽机调速器。发明的飞球式蒸汽机调速器。（凭借直觉的实证性发明）（凭借直觉的实证性发明）Watt带飞球调节器的蒸汽机Watt的飞球调节器1.1.2 自动控制理论的发展自动控制理论的发展（1）工业化促使
7、自动控制装置产生）工业化促使自动控制装置产生最早工业应用的自动装置：最早工业应用的自动装置： 1788年年Watt发明的飞球式蒸汽机调速器。发明的飞球式蒸汽机调速器。（凭借直觉的实证性发明）（凭借直觉的实证性发明）J.C. Maxwell. On Governors. Proc. of the Royal Society of London. 16, 1868. 用微分方程建立了一类调节器的数学模型，用微分方程建立了一类调节器的数学模型，发展了与控制理论相关的数学理论。发展了与控制理论相关的数学理论。1.1.2 自动控制理论的发展自动控制理论的发展（2）经典控制理论的形成）经典控制理论的形成:
8、 4050年代形成年代形成SISO系系统统:飞机自动驾驶仪、雷达跟踪系统、火炮定位系统飞机自动驾驶仪、雷达跟踪系统、火炮定位系统 代数稳定判据（代数稳定判据（Routh 1884; Hurwitz 1895) 李亚甫诺夫的稳定性理论李亚甫诺夫的稳定性理论 稳定裕度和奈式判据（稳定裕度和奈式判据（Nyquist 1932) 波特图（波特图（Bode 1940) 传递函数传递函数 （Harris1942） 根轨迹法根轨迹法 （Evans 1948) 1948年年 Wiener发表著名的发表著名的控制论控制论（3）现代控制理论）现代控制理论空间技术竞赛催生了现代控制理论空间技术竞赛催生了现代控制理论
9、软着陆软着陆 极大值原理极大值原理（1956）最小燃料控制最小燃料控制 动态规划动态规划 （1957）姿态控制姿态控制 状态空间理论状态空间理论(1960）1.1.2 自动控制理论的发展自动控制理论的发展1.1.2 自动控制理论的发展自动控制理论的发展（总结）（总结）公元前300年，古希腊人运用反馈控制原理设计浮子调节器1088年，我国北宋时代的苏颂和韩公廉利用天衡装置制造了水运仪象台1572年荷兰机械学家发明的温度控制装置1788年Watt发明了最早的反馈控制装置1868年Maxwell用微分方程建立了数学模型二战前Bode、Nyquest和Wiener等发展了理论50年代根轨迹法占主导地位
10、80年代数字计算机作为控制器部件90年代初至今现代控制理论方兴未艾回顾：回顾： 1.1 概述概述1.1.1 自动控制理论及应用自动控制理论及应用1.1.2 自动控制理论的发展自动控制理论的发展相信：控制理论及其应用前景无限！相信：控制理论及其应用前景无限！1.2 自动控制系统的分类自动控制系统的分类1.2.1 按自动控制的方式分类按自动控制的方式分类1.2.2 按输入信号特征分类按输入信号特征分类1.2.3 按所使用的数学方法分类按所使用的数学方法分类1.2.1 按自动控制的方式分类按自动控制的方式分类1) 开环控制系统开环控制系统2) 闭环控制系统闭环控制系统3) 复合控制系统复合控制系统定
11、义：定义：控制装置与被控对象之间只有顺向控制作用，控制装置与被控对象之间只有顺向控制作用，没有反向联系的控制过程没有反向联系的控制过程控制器控制器被控对象被控对象控制量输出量给定值r(t)u(t)y(t)1) 开环控制系统开环控制系统例：直流电动机调速系统（机械力矩例：直流电动机调速系统（机械力矩 ML 恒定恒定 )kudnug1) 开环控制系统开环控制系统ugudi Me n 1) 开环控制系统开环控制系统优点：简单优点：简单 ，快速，快速 缺点：对扰动没有抑制能力缺点：对扰动没有抑制能力（如外扰引起转（如外扰引起转速速n变化）变化）定义：定义：引入测量元件构成闭环，通过负反馈构成引入测量元
12、件构成闭环，通过负反馈构成按偏差调节的闭环系统。通过信息双向流动反映按偏差调节的闭环系统。通过信息双向流动反映了控制量与被控制量（输出量）相互间的矛盾了控制量与被控制量（输出量）相互间的矛盾,使使动静性能得到提高。动静性能得到提高。控制器控制器被控对象被控对象控制量输出量给定值r(t)u(t)y(t)测量元件测量元件偏差e(t)2) 闭环控制系统闭环控制系统ug kudnub按偏差调节：按偏差调节：nub( ug-ub)ud n ug不变不变 时时可维持转速恒定而抵御扰动可维持转速恒定而抵御扰动例：闭环直流电动机调速系统例：闭环直流电动机调速系统控制量：控制量：ud = K (ug-ub)，
13、偏差信号：偏差信号：ug-ub2) 闭环控制系统闭环控制系统优点：对扰动有抑制能力优点：对扰动有抑制能力缺点：反馈回路需要比开环更长的缺点：反馈回路需要比开环更长的 响应时间响应时间3) 复合控制系统复合控制系统定义：在对自动控制装置提出很高的要定义：在对自动控制装置提出很高的要求时，可设计一种开环控制和闭环控制求时，可设计一种开环控制和闭环控制相结合的复合控制系统，如直流输电系相结合的复合控制系统，如直流输电系统逆变侧的定熄弧角控制。统逆变侧的定熄弧角控制。优点：开环部分速度快优点：开环部分速度快, 闭环部分精度高闭环部分精度高缺点：系统相对比较复杂缺点：系统相对比较复杂回顾：回顾：1.2.
14、1 按自动控制的方式分类按自动控制的方式分类1) 开环控制系统开环控制系统2) 闭环控制系统闭环控制系统3) 复合控制系统复合控制系统按实际控制的环境及其性能要求选择按实际控制的环境及其性能要求选择1) 恒值控制系统恒值控制系统2) 随动控制系统随动控制系统3) 程序控制系统程序控制系统1.2.2 按输入信号特征分类按输入信号特征分类输入量为给定值输入量为给定值输出量的任务是克服扰动，得到对输出量的任务是克服扰动，得到对应于输入量的恒定值应于输入量的恒定值例如：电动机的转速控制系统例如：电动机的转速控制系统1) 恒值控制系统恒值控制系统2) 随动控制系统随动控制系统输入信号是未知的时变函数输入
15、信号是未知的时变函数输出量的任务是精确地、快速地输出量的任务是精确地、快速地跟踪输入信号跟踪输入信号例如：雷达跟踪系统例如：雷达跟踪系统3) 程序控制系统程序控制系统输入量按照既定的规律变化输入量按照既定的规律变化系统的过程按照预定的程序进行系统的过程按照预定的程序进行例如：数控机床控制系统例如：数控机床控制系统1) 恒值控制系统恒值控制系统2) 随动控制系统随动控制系统3) 程序控制系统程序控制系统根据不同的信号形式选择根据不同的信号形式选择回顾：回顾：1.2.2 按输入信号特征分类按输入信号特征分类1) 连续系统和离散系统连续系统和离散系统2) 线性系统和非线性系统线性系统和非线性系统3)
16、 定常系统和时变系统定常系统和时变系统 1.2.3 按所使用的数学方法分类按所使用的数学方法分类1) 连续系统和离散系统连续系统和离散系统若系统中的信号全部为时间的连续函数，若系统中的信号全部为时间的连续函数，称为连续系统。连续系统采用微分方程称为连续系统。连续系统采用微分方程来描述来描述系统中只要有一处信号为脉冲序列或数系统中只要有一处信号为脉冲序列或数字编码信号，则称为离散系统，如采样字编码信号，则称为离散系统，如采样离散控制系统。离散系统常用差分方程离散控制系统。离散系统常用差分方程表示。表示。 线性系统：线性系统：如果动态系统的各环节输入输如果动态系统的各环节输入输出关系都是线性的，系
17、统性能可用线性微分方出关系都是线性的，系统性能可用线性微分方程或线性差分方程描述，则该系统称为线性系程或线性差分方程描述，则该系统称为线性系统。统。 例如，系统例如，系统2) 线性系统和非线性系统线性系统和非线性系统2) 线性系统和非线性系统线性系统和非线性系统线性系统的特点：线性系统的特点：可应用迭加原理处理输入和输出间关系。可应用迭加原理处理输入和输出间关系。如线性电路的全响应等于零输入响应和零如线性电路的全响应等于零输入响应和零状态响应之和。状态响应之和。 非线性系统：非线性系统：系统中只要有一个元部件系统中只要有一个元部件的输入输出特性必须用非线性方程描述，就的输入输出特性必须用非线性
18、方程描述，就成为必须用非线性动态方程描述的非线性系成为必须用非线性动态方程描述的非线性系统。统。 非线性方程的特点是系数与变量有关，例非线性方程的特点是系数与变量有关，例2) 线性系统和非线性系统线性系统和非线性系统2、线性系统和非线性系统、线性系统和非线性系统非线性系统的特点：非线性系统的特点：不适用迭加原理。不适用迭加原理。但对于非线性不很严重的环节，通常可在但对于非线性不很严重的环节，通常可在一定范围内将非线性特性线性化，将其近一定范围内将非线性特性线性化，将其近似为线性环节来处理，这样，非线性系统似为线性环节来处理，这样，非线性系统就线性化为线性系统。例如，铁磁材料的就线性化为线性系统
19、。例如，铁磁材料的非线性饱和特性的线性化处理。非线性饱和特性的线性化处理。 在下面的微分方程中，若在下面的微分方程中，若a(t)、b(t)、c(t)在系统的动态过程中保持不变（如在系统的动态过程中保持不变（如a(t)=a等）等），则系统称为线性定常系统，则系统称为线性定常系统3) 定常系统和时变系统定常系统和时变系统3) 定常系统和时变系统定常系统和时变系统若若a(t)、b(t)、c(t) 中的任一个随着时间而中的任一个随着时间而变化，则称为线性时变系统，变化，则称为线性时变系统，例如巡航导弹的质量为时变参数，该系例如巡航导弹的质量为时变参数，该系统为时变系统。统为时变系统。线性时变系统仍为线
20、性系统，但其分析线性时变系统仍为线性系统，但其分析与综合都极为复杂。与综合都极为复杂。 1) 连续系统和离散系统连续系统和离散系统 2) 线性系统和非线性系统线性系统和非线性系统 3) 定常系统和时变系统定常系统和时变系统系统类型和信号确定分析和设计的数学手段系统类型和信号确定分析和设计的数学手段回顾：回顾： 1.2.3 按所使用的数学方法分类按所使用的数学方法分类回顾：回顾：1.2 自动控制系统的分类自动控制系统的分类1.2.1 按自动控制的方式分类（结构）按自动控制的方式分类（结构）1.2.2 按输入信号特征分类（信号形式）按输入信号特征分类（信号形式）1.2.3 按所使用的数学方法分类（
21、数学工具）按所使用的数学方法分类（数学工具）根据输入信号的形式以及性能指标要求，确定根据输入信号的形式以及性能指标要求，确定一种结构，采用一种工具设计一种结构，采用一种工具设计问题：设计的依据？问题：设计的依据？或者：设计的系统如何判断其好坏？或者：设计的系统如何判断其好坏？1.3 对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求1.2.1 稳定性稳定性1.2.2 动态性能动态性能1.2.3 稳态性能稳态性能1.2.1 稳定性稳定性稳定：系统受扰偏离原工作状态，扰稳定：系统受扰偏离原工作状态，扰动消失后，能回到原工作状态，则系动消失后，能回到原工作状态，则系统稳定统稳定稳定性是系统正常工作的前提稳定性
22、是系统正常工作的前提1.2.2 动态性能动态性能动态性能：表征动态性能：表征系统过渡过程的快系统过渡过程的快 速性和振荡性，包括：速性和振荡性，包括：上升时间上升时间调整时间调整时间超调量超调量1.2.3 稳态性能稳态性能稳态性能：系统的控制精度稳态性能：系统的控制精度采用系统达到稳态时的稳态误差表示采用系统达到稳态时的稳态误差表示回顾：回顾：1.3 对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求1.2.1 稳定性（前提）稳定性（前提）1.2.2 动态性能（指标）动态性能（指标）1.2.3 稳态性能（指标）稳态性能（指标）总结：总结：第一章第一章 自动控制概论自动控制概论1.1 引言（概况）引言（概
23、况）1.2 自动控制系统的分类自动控制系统的分类1.3 对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求总结：设计控制系统的整体思路总结：设计控制系统的整体思路根据需要，确定系统的信号特征，选择一根据需要，确定系统的信号特征，选择一种实现系统的结构，采用一种数学工具进种实现系统的结构，采用一种数学工具进行系统的设计。行系统的设计。具体进行详细设计时，首先根据系统的暂具体进行详细设计时，首先根据系统的暂态和稳态性能指标，确定系统的参数，然态和稳态性能指标，确定系统的参数，然后分析系统的稳定性。稳定则完成设计。后分析系统的稳定性。稳定则完成设计。具体进行详细设计具体进行详细设计2：采用稳定性理论进：采用稳
24、定性理论进行设计行设计总结：怎样才能设计控制系统总结：怎样才能设计控制系统首先建立系统的数学模型首先建立系统的数学模型了解系统的稳定性与系统参数之间了解系统的稳定性与系统参数之间的关系的关系了解系统的暂态和稳态性能指标与了解系统的暂态和稳态性能指标与系统参数之间的关系系统参数之间的关系最终归结为：稳定判断的方法？暂最终归结为：稳定判断的方法？暂态和稳态性能指标的计算？态和稳态性能指标的计算？授课的章节授课的章节第一章第一章 自动控制概论自动控制概论第二章第二章 控制系统的数学模型控制系统的数学模型（结构参数（结构参数IO方程方程）第三章第三章 线性系统的时域分析法线性系统的时域分析法（稳定、动
25、、暂）（稳定、动、暂）第四章第四章 线性系统的频域响应分析法线性系统的频域响应分析法（稳定、动、暂）（稳定、动、暂）第五章第五章 线性系统的校正方法线性系统的校正方法（设计）（设计）第六章第六章 线性离散系统线性离散系统（与数字控制芯片的结合）（与数字控制芯片的结合）第七章第七章 线性定常系统的状态空间分析与综合线性定常系统的状态空间分析与综合结构参数状态方程之下的稳动暂分析，在此基础上的设计结构参数状态方程之下的稳动暂分析，在此基础上的设计通识教育专业方向电路基础分析电子测量 现代电路分析 高数、工程数学：复变函数、线性代数、概率论等系统系列电子技术系列数学基础系列电路理论系列电磁场系列专业
26、课程微机原理与接口技术单片机原理模拟电子技术数字电子技术电力电子技术自动控制原理电力系统分析信号与系统电力系统过压保护电机学 电气传动控制电力系统继电保护高电压绝缘 高电压技术 电器学 微机控制技术电磁场与电磁波电磁场与电磁兼容工程电磁场学科基础电气工程类专业技术基础课程体系电力系统分析下一次课程下一次课程第二章第二章 控制系统的数学模型控制系统的数学模型（结构参数（结构参数IO方程方程）第二章第二章 控制系统的数学模型控制系统的数学模型2.1 引言（傅里叶与拉氏变换自习）引言（傅里叶与拉氏变换自习）2.2 线性系统的微分方程线性系统的微分方程2.3 线性系统的传递函数线性系统的传递函数2.4 控制系统的结构图控制系统的结构图2.5 信号流图与梅森公式信号流图与梅森公式分两次讲授，请预习分两次讲授，请预习
