《自動(dòng)控制課件原理》

自動(dòng)控制原理課程基本情況課時(shí)：理論課（54學(xué)時(shí)）實(shí)驗(yàn)課（18學(xué)時(shí)）介紹第一章至第五章：第一章基本概念；第二章為基礎(chǔ)；第三至第五章分別為不同方法分析自動(dòng)控制系統(tǒng)（連續(xù)）。第九章看情況挑選個(gè)別題講解。

實(shí)驗(yàn)是在MATLAB平臺上仿真。課程前續(xù)課程：復(fù)變函數(shù)與積分變換、電路分析基礎(chǔ)、信號與系統(tǒng)、模擬電路、MATLAB等課程后續(xù)課程：現(xiàn)代控制理論、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等課程性質(zhì)：考試課

1.《自動(dòng)控制原理（宋麗蓉）》機(jī)械工業(yè)出版社20042.《自動(dòng)控制原理（胡壽松）》國防工業(yè)出版社2006

3.《自動(dòng)控制原理（顧樹生）》冶金工業(yè)出版社2004參考文獻(xiàn)評價(jià)控制系統(tǒng)性能建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型給定輸入信號分析方法學(xué)習(xí)目的學(xué)習(xí)本門課程的主線所需已知條件1-1第1章自動(dòng)控制的一般概念1.1自動(dòng)控制的基本概念與方式1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類1.3對控制系統(tǒng)性能的基本要求及評價(jià)1.1自動(dòng)控制的基本概念與方式1.1.1自動(dòng)控制的基本概念自動(dòng)控制：在沒有人直接參與的情況下，通過控制器，使被控對象或過程自動(dòng)地按預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。應(yīng)用：工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、國防、宇航、社會(huì)。自動(dòng)控制已成為現(xiàn)代社會(huì)活動(dòng)中不可缺少的重要組成部分。自動(dòng)控制的優(yōu)點(diǎn)：①節(jié)省人力；②提高系統(tǒng)的精度；③可以完成人工控制系統(tǒng)無法完成的工作。比如：人造地球衛(wèi)星的發(fā)射成功與安全返回導(dǎo)彈的準(zhǔn)確擊中目標(biāo)，雷達(dá)系統(tǒng)的準(zhǔn)確跟蹤目標(biāo)；交通系統(tǒng)：安全、快捷、舒適、準(zhǔn)點(diǎn)鋼鐵生產(chǎn)家用電器：電扇：控制轉(zhuǎn)速電冰箱、空調(diào)、電飯煲：控制溫度洗衣機(jī)：控制水位、強(qiáng)弱、時(shí)間等智能建筑：通信電梯供水通風(fēng)空調(diào)安防抄表…工業(yè)機(jī)器人：拉提琴靈巧手排爆步行吹笛足球比賽其他機(jī)器人：自動(dòng)控制的應(yīng)用領(lǐng)域軍事工業(yè)航空航天制造業(yè)機(jī)器人流程工業(yè)

電子工業(yè)家用電器交通系統(tǒng)，樓宇系統(tǒng)，經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)，社會(huì)系統(tǒng)…鋼鐵、石化、造紙、制藥等控制無處不在！1.1.2自動(dòng)控制理論自控理論：①是自動(dòng)控制技術(shù)的基礎(chǔ)理論；

以拉氏變換和傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，在復(fù)頻域內(nèi)研究單輸入-單輸出(SISO)線性定常系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)方法。發(fā)展:①經(jīng)典控制理論（二十世紀(jì)四十年代開始）②現(xiàn)代控制理論（二十世紀(jì)六十年代開始）

以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，在時(shí)域內(nèi)研究多輸入-多輸出（MIMO）系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)方法。③智能控制理論（二十世紀(jì)七十年代開始）

以模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，研究多變量復(fù)雜大系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)方法。②分析或設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的主要方法和依據(jù)。例1-1

恒壓人工控制系統(tǒng)如圖1-1所示。圖1-1恒壓人工控制裝置已知：在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速n不變。系統(tǒng)要求：保持發(fā)電機(jī)輸出電壓U不變。

分析：當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，U變化。若采用人工控制：調(diào)節(jié)R,使if變化,保持U恒定。自動(dòng)控制：圖中虛線框內(nèi)所示。SD——執(zhí)行電機(jī)例1-2恒壓自動(dòng)控制系統(tǒng)如圖1-2所示。圖1-2恒壓自動(dòng)控制系統(tǒng)采用自動(dòng)控制方式能使系統(tǒng)具有較高精度和達(dá)到實(shí)時(shí)性等要求。由上例可知，一個(gè)控制系統(tǒng)包括以下幾個(gè)部分：

①被控對象；②被控量；③控制器；④執(zhí)行機(jī)構(gòu)；⑤給定量；⑥檢測裝置。圖1-3恒壓自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖為方便分析恒壓系統(tǒng)，用結(jié)構(gòu)框圖表示各部件之間的關(guān)系如下：1.1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本控制方式⑴開環(huán)控制方式控制裝置與受控對象之間只有順向作用而無反向聯(lián)系時(shí)，稱為開環(huán)控制。圖1-4直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng)圖1-5直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖③結(jié)構(gòu)比較簡單；②誤差不能靠系統(tǒng)本身來克服；開環(huán)系統(tǒng)的特點(diǎn)：④不存在穩(wěn)定性問題。⑵閉環(huán)控制方式①系統(tǒng)的控制精度取決于各元件的精度及參數(shù)的穩(wěn)定性；控制裝置與受控對象之間，不但有順向作用，還有反向聯(lián)系，即有被控量對控制過程的影響，這種控制稱為閉環(huán)控制，相應(yīng)的控制系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制又常稱為反饋控制。例1-4圖1-6是直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)

圖1-8直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)

圖1-9直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖③系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，增加調(diào)試難度：穩(wěn)定性是個(gè)重要問題。②抑制擾動(dòng)能力強(qiáng)：能抑制內(nèi)部或外部擾動(dòng)對系統(tǒng)的影響，可用低成本元件構(gòu)成高精度系統(tǒng)；閉環(huán)系統(tǒng)的特點(diǎn)：①利用偏差消除偏差；閉環(huán)控制系統(tǒng)的反饋原理就是將系統(tǒng)的被控量以負(fù)反饋的形式與給定量進(jìn)行比較,并利用偏差來不斷消除偏差的控制過程。負(fù)反饋：反饋的信號與輸入信號信號相減，使產(chǎn)生的偏差越來越小。正反饋：反饋的信號與輸入信號信號相加，使產(chǎn)生的偏差越來越大。⑶復(fù)合控制方式把按偏差控制和按擾動(dòng)控制結(jié)合起來,是一種比較合理的控制方式.這種按偏差控制和按擾動(dòng)控制相結(jié)合的控制方式稱為復(fù)合控制方式.

下圖表示的是電動(dòng)機(jī)速度的復(fù)合控制系統(tǒng)的方塊圖.電壓放大器電阻R功率放大器測速發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)電壓放大器-u0utueMcn圖1-10電動(dòng)機(jī)速度復(fù)合控制系統(tǒng)1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類自動(dòng)控制系統(tǒng)有多種分類方法：1.按照描述系統(tǒng)性能的動(dòng)態(tài)方程來分，可分為線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)。2.按照系統(tǒng)中信號在傳遞過程中的特點(diǎn)分，可分為連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)。3.按照系統(tǒng)輸入信號的變化規(guī)律分，可分為恒值系統(tǒng)、隨動(dòng)系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。1-2一、線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)1)線性系統(tǒng)可用線性微分方程（或差分方程）來描述，即其各項(xiàng)系數(shù)均與變量無關(guān).(1)線性定常連續(xù)系統(tǒng)微分方程式的一般形式為：

(1-1)①系數(shù)a0,a1,…,an,b0,b1,…,bm是常數(shù)時(shí),稱為線性定常系統(tǒng)；②系數(shù)a0,a1,…,an,b0,b1,…,bm隨時(shí)間變化時(shí),稱為線性時(shí)變系統(tǒng)。2)非線性系統(tǒng)可用非線性微分方程（或差分方程）描述非線性方程的特點(diǎn)是系數(shù)與變量有關(guān),或者方程中含有變量及其導(dǎo)數(shù)的高次冪或乘積項(xiàng)。例如：

(1-3)(2)線性定常離散系統(tǒng)差分方程式的一般形式為：

(1-2)二、連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)從系統(tǒng)中的信號來看，若系統(tǒng)各部分的信號都是時(shí)間ｔ的連續(xù)函數(shù)即模擬量，則稱此系統(tǒng)為連續(xù)系統(tǒng)。若系統(tǒng)中有一處或多處信號為時(shí)間ｔ的離散函數(shù)，如脈沖或數(shù)碼信號，則稱之為離散系統(tǒng)。若離散系統(tǒng)中既有離散信號又有模擬量，亦稱之為采樣系統(tǒng)。圖1-11計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)三、恒值系統(tǒng)、隨動(dòng)系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)

1、若系統(tǒng)的給定值為一定值，而控制任務(wù)就是克服擾動(dòng)，使被控量保持恒值，此類系統(tǒng)稱為恒值系統(tǒng)。

例如：電動(dòng)機(jī)速度控制、恒溫、恒壓、水位控制等。

2、若系統(tǒng)給定值按照事先不知道的時(shí)間函數(shù)變化，并要求被控量跟隨給定值變化，則此類系統(tǒng)稱為隨動(dòng)系統(tǒng)。

例如：火炮自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)、輪舵位置控制系統(tǒng)等。

3、若系統(tǒng)的給定值按照一定的時(shí)間函數(shù)變化，并要求被控量隨之變化，則此類系統(tǒng)稱為程序控制系統(tǒng)。

例如：數(shù)控伺服系統(tǒng)以及一些自動(dòng)化生產(chǎn)線等。

四、其他類型系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)元件的類型，還可分為：機(jī)電控制系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)以及生物系統(tǒng)等；

根據(jù)系統(tǒng)的功能作用，可分為溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、位置控制系統(tǒng)等。1.3對自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求在已知系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)時(shí),在某種典型輸入信號下,其被控量變化的全過程,且對全過程提出的共同基本要求都是一樣的.1.3.1控制系統(tǒng)基本要求的提法1、穩(wěn)定性2、快速性3、準(zhǔn)確性⑴穩(wěn)定性穩(wěn)定性是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件.線性自動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性是由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)所決定,與外界因素和初始條件無關(guān).不穩(wěn)定系統(tǒng)是無法正常工作的。圖1-11穩(wěn)定系統(tǒng)圖1-12不穩(wěn)定系統(tǒng)

穩(wěn)定性是這樣來表述的：系統(tǒng)受到外作用后，其動(dòng)態(tài)過程的振蕩傾向和系統(tǒng)恢復(fù)平衡的能力。⑵快速性控制系統(tǒng)不僅要穩(wěn)定,還必須對其過渡過程的形式和快慢提出要求,一般稱為動(dòng)態(tài)性能,其中包括過渡過程時(shí)間(即快速性)和最大振蕩幅度(即超調(diào)量).圖1-13控制系統(tǒng)的快速性及穩(wěn)態(tài)精度示意圖⑶準(zhǔn)確性理想情況下,當(dāng)過渡過程結(jié)束后,被控量達(dá)到的穩(wěn)態(tài)值(即平衡狀態(tài))應(yīng)與期望值一致.但實(shí)際上,由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、外作用形式以及摩擦、間隙等非線性因素的影響,被控量的穩(wěn)態(tài)值與期望值之間會(huì)有誤差存在,稱為穩(wěn)態(tài)誤差.圖1-14無差系統(tǒng)圖1-15有差系統(tǒng)衡量控制系統(tǒng)的穩(wěn)、快、準(zhǔn)等性能指標(biāo)有一定的參考標(biāo)準(zhǔn)，即控制系統(tǒng)性能的評價(jià)指標(biāo)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求?？刂葡到y(tǒng)性能的評價(jià)指標(biāo)分為動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)和穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)，它們是用來衡量控制系統(tǒng)輸出量隨著時(shí)間變化的基本標(biāo)準(zhǔn)。1.3.2對控制系統(tǒng)性能的評價(jià)表1-1典型輸入信號1.典型外作用在控制工程設(shè)計(jì)中常用的典型輸入信號有：階躍函數(shù)、斜坡函數(shù)(又稱速度函數(shù))、加速度函數(shù)（又稱拋物線函數(shù)）、單位脈沖函數(shù)和正弦函數(shù)。⑴階躍函數(shù)

(1-4)⑵斜坡函數(shù)

(1-5)⑶正弦函數(shù)

(1-6)

圖1-16典型外作用(a)階躍函數(shù)；(b)斜坡函數(shù)；(c)正弦函數(shù)(4)

等加速度信號(拋物線函數(shù))其數(shù)學(xué)表達(dá)式和圖形為:上式中R為常數(shù),當(dāng)R=1時(shí),稱為單位等加速度信號.動(dòng)態(tài)過程與穩(wěn)態(tài)過程在典型輸入信號作用下,任何一個(gè)控制系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)都由動(dòng)態(tài)過程和穩(wěn)態(tài)過程兩部分組成.

動(dòng)態(tài)過程又稱過渡過程或瞬態(tài)過程,是指在典型輸入信號作用下,系統(tǒng)輸出量從初始狀態(tài)到最終狀態(tài)的響應(yīng)過程.由于實(shí)際控制系統(tǒng)具有慣性、摩擦以及其它一些原因,動(dòng)態(tài)過程表現(xiàn)為衰減、發(fā)散或等幅振蕩的形式.一個(gè)可以實(shí)際運(yùn)行的控制系統(tǒng),其動(dòng)態(tài)過程必須是衰減的,即系統(tǒng)必須是穩(wěn)定的.3.1.3動(dòng)態(tài)性能與穩(wěn)態(tài)性能

穩(wěn)態(tài)過程系統(tǒng)在典型輸入信號作用下,當(dāng)時(shí)間t趨于無窮時(shí),系統(tǒng)輸出量的表現(xiàn)方式.它提供系統(tǒng)有關(guān)穩(wěn)態(tài)誤差的信息,用穩(wěn)態(tài)性能描述.對于圖3-1a)所示的單位階躍響應(yīng)h(t),其動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)通常為:⑴延遲時(shí)間td:指響應(yīng)曲線第一次達(dá)到其終值一半所需的時(shí)間.⑵上升時(shí)間tr:指響應(yīng)從終值10%上升到終值90%所需的時(shí)間；對于有振蕩的系統(tǒng)，亦可定義為響應(yīng)從零第一次上升到終值所需的時(shí)間.圖3-1單位階躍響應(yīng)穩(wěn)定系統(tǒng)的階躍響應(yīng)有衰減振蕩和單調(diào)變化兩種類型。⑶峰值時(shí)間

tp:指響應(yīng)超過其終值到達(dá)第一個(gè)峰值所需的時(shí)間.⑸超調(diào)量:又稱最大超調(diào)量(或百分比超調(diào)量),它是指響應(yīng)的最大偏離值與終值之差的百分比,即⑷調(diào)節(jié)時(shí)間ts

:指響應(yīng)到達(dá)并保持在終值(或)內(nèi)所需的最短時(shí)間.若,則響應(yīng)無超調(diào).(3–1)

(6)振蕩次數(shù)N:調(diào)節(jié)時(shí)間ts內(nèi)，響應(yīng)曲線偏離穩(wěn)態(tài)值h(∞)的振蕩次數(shù)。

穩(wěn)態(tài)性能穩(wěn)態(tài)誤差是描述系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的一種性能指標(biāo),通常在階躍函數(shù)、斜坡函數(shù)或加速度函數(shù)作用下進(jìn)行測定或計(jì)算.若時(shí)間t趨于無窮時(shí),系統(tǒng)的輸出量不等于輸入量或輸入量的確定函數(shù),則系統(tǒng)存在穩(wěn)態(tài)誤差.穩(wěn)態(tài)誤差是系統(tǒng)控制精度或抗擾動(dòng)能力的一種度量.

（7）穩(wěn)態(tài)誤差：ess=lim[h(t)-h(∞)]t→∞2.線性控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)的性能指標(biāo)圖1-1