自動(dòng)控制原理 課件 01 概論

自動(dòng)控制原理AutomaticControlTheory1.使用教材及參考文獻(xiàn)使用教材：江南大學(xué)陶洪峰、謝林柏主編《自動(dòng)控制原理》(第3版)，機(jī)械工業(yè)出版社2023

本教材獲獎(jiǎng)情況：1)江蘇省精品教材（2011年）2)中國(guó)輕工業(yè)優(yōu)秀教材二等獎(jiǎng)（2014年）3)江蘇省“十二五”規(guī)劃教材（2015年）參考文獻(xiàn)：（1）胡壽松《自動(dòng)控制原理》（第5版）科學(xué)版（2）胡壽松《自動(dòng)控制原理習(xí)題解答》科學(xué)版（3）鄒伯敏《自動(dòng)控制理論》（第3版）機(jī)工版（4）徐穎秦《自動(dòng)控制原理學(xué)習(xí)輔導(dǎo)與習(xí)題解答》（第2版）

機(jī)械工業(yè)出版社2.教學(xué)方法及學(xué)時(shí)安排教學(xué)方法：課堂講授+課堂討論+課外輔導(dǎo)學(xué)習(xí)方法：聽(tīng)課+自學(xué)+參與討論+課外訓(xùn)練（仿真）總學(xué)時(shí)：共72學(xué)時(shí)，每周4學(xué)時(shí)（1-16周）。其中：實(shí)驗(yàn)8學(xué)時(shí)理論64學(xué)時(shí)（講授42學(xué)時(shí)+討論22學(xué)時(shí)）答疑：每周三晚上，物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院輔導(dǎo)：周一晚上6:00-9:00，D325助教：研究生考試：第17周《自動(dòng)控制原理》課程為專(zhuān)業(yè)核心課、本科學(xué)位課和考研專(zhuān)業(yè)課?？荚嚪绞绞情]卷，課程考核內(nèi)容及成績(jī)?cè)u(píng)分辦法如下：（1）上課聽(tīng)講、主動(dòng)發(fā)言、參與探討和課堂作業(yè)(10%)：出勤、聽(tīng)講、隨堂測(cè)試、主動(dòng)發(fā)言和參與討論的次數(shù)等。（2）實(shí)驗(yàn)與操作（10%）：實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及實(shí)驗(yàn)過(guò)程的創(chuàng)新性和動(dòng)手能力、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等。（3）課外輔導(dǎo)答疑和仿真實(shí)訓(xùn)(10%)：參加輔導(dǎo)和答疑的次數(shù)、仿真過(guò)程的積極主動(dòng)性，對(duì)仿真軟件使用的熟練程度、系統(tǒng)設(shè)計(jì)情況、系統(tǒng)仿真結(jié)果、仿真分析能力等。（4）課后作業(yè)(10%)：能否按時(shí)交作業(yè)，交作業(yè)的次數(shù)、作業(yè)質(zhì)量等。（5）網(wǎng)絡(luò)在線(xiàn)學(xué)習(xí)(10%)：能否按時(shí)完成中國(guó)大學(xué)MOOC平臺(tái)的在線(xiàn)測(cè)驗(yàn)、作業(yè)等。（6）期末考試(50%)：閉卷考試，考核對(duì)本課程理論基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)和掌握情況。

3．成績(jī)?cè)u(píng)定

4．自動(dòng)控制原理課程性質(zhì)與地位

自動(dòng)控制原理（自動(dòng)控制理論自動(dòng)調(diào)節(jié)原理反饋控制理論，簡(jiǎn)稱(chēng)自控）是研究自動(dòng)控制系統(tǒng)的共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)。它是一門(mén)技術(shù)基礎(chǔ)理論課，主要研究自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成、分析和設(shè)計(jì)的理論。大一公共基礎(chǔ)課：高等數(shù)學(xué)工程數(shù)學(xué)物理英語(yǔ)大二技術(shù)基礎(chǔ)課：電路電子計(jì)算機(jī)等

大三專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課：自控電機(jī)微機(jī)電力電子技術(shù)大四專(zhuān)業(yè)課、設(shè)計(jì)：檢測(cè)、供電運(yùn)控

計(jì)控畢設(shè)等自動(dòng)控制原理是機(jī)電信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)主干課程，也是物聯(lián)網(wǎng)學(xué)院的平臺(tái)課程，同時(shí)也是控制類(lèi)碩士點(diǎn)考研必考課。6.本課程內(nèi)容及其關(guān)系

（設(shè)計(jì)+校正）課程研究的兩大范疇：系統(tǒng)分析系統(tǒng)綜合性能指標(biāo)控制系統(tǒng)（結(jié)構(gòu)和參數(shù)）7.各章節(jié)之間的關(guān)系引論（1）數(shù)學(xué)模型（2）分析工具分析方法時(shí)域法（3）根軌跡法（4）頻域法（5）綜合系統(tǒng)校正與設(shè)計(jì)（6）應(yīng)用非線(xiàn)性和離散控制系統(tǒng)（7、8）486+6+10128+10理論64學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)8學(xué)時(shí)，共72學(xué)時(shí)。第1章

引論重點(diǎn)內(nèi)容

自動(dòng)控制的基本概念和原理自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成和分類(lèi)對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求§1.1自動(dòng)控制系統(tǒng)的一般概念一、自動(dòng)控制的基本概念

所謂自動(dòng)控制，是指在無(wú)人直接參與的情況下，利用控制裝置操縱受控對(duì)象，使被控量等于給定值或按輸入量的變化規(guī)律去變化的過(guò)程。用來(lái)操縱受控對(duì)象的設(shè)備（校正器+放大器+執(zhí)行器）一般為各種傳感器

無(wú)人直接參與：指人在遠(yuǎn)方進(jìn)行遠(yuǎn)程操作（遙操作），而不是在對(duì)象跟前就地操作?？刂蒲b置：是控制器和檢測(cè)裝置的總稱(chēng)?？刂茖?duì)象：控制系統(tǒng)要進(jìn)行控制的受控客體。如冰箱、空調(diào)、洗衣機(jī)、電梯、飛機(jī)、汽車(chē)、潛艇、電廠(chǎng)鍋爐、釀酒過(guò)程等各種設(shè)備、機(jī)器或生產(chǎn)過(guò)程。

被控量：控制對(duì)象要實(shí)現(xiàn)的量，是表征對(duì)象特征的關(guān)鍵參數(shù)。

如冰箱溫度、電機(jī)的轉(zhuǎn)速、飛機(jī)姿態(tài)角、船的航行軌跡、電網(wǎng)的電壓、生產(chǎn)過(guò)程中的壓力、流量、溫度、濕度等。

自動(dòng)控制系統(tǒng)如圖1-1，幾個(gè)重要的信號(hào)量如下：二、5個(gè)重要的信號(hào)量

控制器受控對(duì)象檢測(cè)元件e(t)r(t)c(t)b(t)d(t)圖1-1

自動(dòng)控制示意圖目前，控制信號(hào)常用的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)

主要有兩種：1~5V電壓信號(hào)或4~20mA電流信號(hào)。自動(dòng)控制系統(tǒng)

定義：由控制裝置+受控對(duì)象構(gòu)成的能完成自動(dòng)控制任務(wù)的整體。

自動(dòng)控制理論：分析與綜合控制系統(tǒng)的理論。

自動(dòng)控制系統(tǒng)工作原理說(shuō)明圖1.1直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)（人工控制）

負(fù)載n觸發(fā)器整流器人的作用觀(guān)察轉(zhuǎn)速n（通過(guò)轉(zhuǎn)速表）——檢測(cè)大腦反映——比較，將n與期望的n0比較手動(dòng)調(diào)節(jié)——執(zhí)行，減小或消除偏差控制任務(wù)：無(wú)論負(fù)載或電網(wǎng)電壓如何變化，通過(guò)手動(dòng)電壓U0，都可以保證電機(jī)轉(zhuǎn)速不變。受控對(duì)象——電機(jī)；被控量——電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速用方框圖表示如下：UdRP1—給定電位器RP2—反饋調(diào)節(jié)電位器TG—測(cè)速發(fā)電機(jī)檢測(cè)——測(cè)速機(jī)TG比較——差運(yùn)放大器A執(zhí)行——伺服電機(jī)+調(diào)速器圖1.4電機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制系統(tǒng)。用設(shè)備代替了人A調(diào)速器伺服電動(dòng)機(jī)Udα原理框圖如下：ΔU=U0-Un執(zhí)行環(huán)節(jié)比較環(huán)節(jié)放大器觸發(fā)整流裝置TG+RP2ΔU給定電壓U0實(shí)際轉(zhuǎn)速nUn負(fù)載擾動(dòng)d(t)圖1.5轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制原理框圖電動(dòng)機(jī)裝置電動(dòng)機(jī)RP1檢測(cè)環(huán)節(jié)對(duì)象§1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制方式及基本組成控制方式開(kāi)環(huán)控制閉環(huán)控制復(fù)合控制兩種基本控制方式開(kāi)環(huán)控制（Open-loopControl）

（1）定義：控制裝置（控制器+執(zhí)行器）與受控對(duì)象之間只有順向作用而無(wú)反向聯(lián)系時(shí)的控制方式，稱(chēng)為開(kāi)環(huán)控制。（2）結(jié)構(gòu)：控制器受控對(duì)象r(t)c(t)d(t)圖1.6開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)圖執(zhí)行機(jī)構(gòu)（3）特點(diǎn)：系統(tǒng)的輸出量對(duì)輸入量沒(méi)有任何影響；對(duì)干擾和參數(shù)變化沒(méi)有補(bǔ)償作用，控制精度完全取決于元件精度。沒(méi)有穩(wěn)定性的問(wèn)題，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)整方便。對(duì)控制精度要求不高或干擾較小的場(chǎng)合還有一定的應(yīng)用價(jià)值。如：打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、簡(jiǎn)單生產(chǎn)線(xiàn)、自動(dòng)洗衣機(jī)、自動(dòng)售貨機(jī)、自動(dòng)打包機(jī)、步進(jìn)電機(jī)，水泵，風(fēng)扇等的控制。2.閉環(huán)控制（Closed-loopControl）

（1）定義：控制裝置與受控對(duì)象之間，不但有順向作用，而且還有反向聯(lián)系，即被控量對(duì)控制過(guò)程有影響時(shí)的控制方式稱(chēng)為閉環(huán)控制。（2）組成：三大部分，七個(gè)環(huán)節(jié)。如下圖1.7。圖1.7閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)組成框圖校正器執(zhí)行機(jī)構(gòu)檢測(cè)環(huán)節(jié)e(t)給定環(huán)節(jié)c(t)b(t)d(t)放大器受控對(duì)象r(t)控制器給定電源部分控制裝置部分受控對(duì)象部分r(t)→c(t)稱(chēng)為前向通道；c(t)→b(t)稱(chēng)為反饋通道e(t)→c(t)→b(t)稱(chēng)主回路。1234567比較環(huán)節(jié)§1.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的類(lèi)型

常用的有5種分類(lèi)方法：按照控制方式（信號(hào)流向）分類(lèi)：不同的控制方式，系統(tǒng)中信號(hào)流向也不同，據(jù)此可將系統(tǒng)分為：開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)和復(fù)合控制系統(tǒng)三種。

兩點(diǎn)說(shuō)明：從控制作用的產(chǎn)生原理看，閉環(huán)控制也叫偏差控制；從系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)來(lái)看，閉環(huán)控制也叫反饋控制。由于引入了被控量的反饋信息，整個(gè)控制過(guò)程形成閉合回路，因此反饋控制也稱(chēng)為閉環(huán)控制。2.按照數(shù)學(xué)模型分為類(lèi)：（1）線(xiàn)性系統(tǒng)與非線(xiàn)性系統(tǒng)線(xiàn)性系統(tǒng)：由線(xiàn)性元件組成，滿(mǎn)足齊次性和疊加性，其數(shù)學(xué)模型為線(xiàn)性常系數(shù)微分方程。而非線(xiàn)性系統(tǒng)不滿(mǎn)足這兩個(gè)特性，其數(shù)學(xué)模型為非線(xiàn)性微分方程。

齊次性(均勻性)和疊加性：如圖，設(shè)f(t)為一線(xiàn)性系統(tǒng)，則有：若：r1(t)→c1(t)，r2(t)→c2(t)

則：r1(t)+r2(t)→c1(t)+c2(t)

——疊加性

ar1(t)→ac1(t)——齊次性f(t)r(t)c(t)

區(qū)分標(biāo)志：線(xiàn)性元件：（1）靜態(tài)特性為一過(guò)原點(diǎn)的直線(xiàn)（2）滿(mǎn)足疊加性和齊次性（3）數(shù)學(xué)模型為標(biāo)準(zhǔn)的微分方程（公式2-8）（4）分析方法：時(shí)域法、根軌跡法、頻域法非線(xiàn)性元件（1）靜態(tài)特性為不連續(xù)過(guò)程（繼電特性、死區(qū)特性、飽和特性、回環(huán)特性等）（2）不滿(mǎn)足疊加性和齊次性（3）數(shù)學(xué)模型為非線(xiàn)性的微分方程（系數(shù)與自變量有關(guān)，或方程中同時(shí)含有常數(shù)、自變量及其導(dǎo)數(shù)的高次冪或自變量的乘積項(xiàng)）（4）分析方法：描述函數(shù)法、相平面法（2）定常系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的系數(shù)是常數(shù)數(shù)學(xué)模型的系數(shù)至少有一處是時(shí)間的函數(shù)3.按系統(tǒng)內(nèi)部的信號(hào)特征分為：連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)系統(tǒng)中的所有信號(hào)在時(shí)間上是連續(xù)的系統(tǒng)中至少有一處的信號(hào)在時(shí)間上是不連續(xù)的4.

按系統(tǒng)輸入、輸出信號(hào)的數(shù)量分為：?jiǎn)稳雴纬觯⊿I/SO）系統(tǒng)和多入多出（MI/MO）系統(tǒng)系統(tǒng)的輸入、輸出量各為多個(gè)。系統(tǒng)的輸入、輸出量均為1個(gè)。5.

按系統(tǒng)輸入信號(hào)特征分為：

恒值系統(tǒng)、隨動(dòng)系統(tǒng)和程控系統(tǒng)r(t)為常數(shù)，要求c(t)也為常數(shù)。r(t)為隨機(jī)函數(shù)（未知），要求c(t)也隨之變化。r(t)為時(shí)間的已知函數(shù)，要求c(t)也隨之變化。§1.4基本要求和本課程的主要任務(wù)自動(dòng)控制系統(tǒng)三大性能對(duì)應(yīng)三個(gè)基本要求:

穩(wěn)定性——穩(wěn)，系統(tǒng)最終要能夠穩(wěn)定運(yùn)行，是系統(tǒng)正常工作的前提和基礎(chǔ)?？焖傩浴?，要求系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)渡過(guò)程時(shí)間盡可能短。

準(zhǔn)確性——準(zhǔn)，要求系統(tǒng)控制精度高、誤差小。課程基本任務(wù)自動(dòng)控制系統(tǒng)基本知識(shí)：原理、組成、要求等數(shù)學(xué)模型：時(shí)域、復(fù)域、頻域、z域系統(tǒng)分析：穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)性能系統(tǒng)綜合：系統(tǒng)校正及校正裝置的設(shè)計(jì)穩(wěn)定性：

穩(wěn)定性判據(jù)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)對(duì)穩(wěn)定性的影響。動(dòng)態(tài)（暫態(tài)）性能：

動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)及計(jì)算、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與參數(shù)對(duì)動(dòng)態(tài)性能的影響、改善動(dòng)態(tài)性能的措施穩(wěn)態(tài)性能：

穩(wěn)態(tài)誤差及計(jì)算、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與參數(shù)對(duì)穩(wěn)態(tài)誤差的影響、提高穩(wěn)態(tài)精度的措施。三大基本性能及分析內(nèi)容

對(duì)于一般的控制系統(tǒng)，在某個(gè)輸入信號(hào)的作用下，其輸出響應(yīng)由兩部分組成，可表示為：c(t)=cs(t)+ct(t)穩(wěn)態(tài)分量：由系統(tǒng)初始條件和輸入信號(hào)決定。暫態(tài)分量：由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)決定。對(duì)于穩(wěn)定的系統(tǒng)，應(yīng)有：對(duì)于不穩(wěn)定的系統(tǒng)，應(yīng)有：

(發(fā)散)；或常數(shù)（等幅振蕩）穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)性能：描述系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程表現(xiàn)出來(lái)的性能。

用平穩(wěn)性（相對(duì)穩(wěn)定性）和快速性衡量。如：上升時(shí)間、峰值時(shí)間、調(diào)整時(shí)間、超調(diào)量。穩(wěn)態(tài)性能：系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程結(jié)束進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后表現(xiàn)出來(lái)的性能，用穩(wěn)態(tài)誤差（靜差）ess來(lái)衡量。過(guò)度過(guò)程的振蕩的程度過(guò)渡過(guò)程的快慢輸出的實(shí)際值偏離期望值的偏差。反映系統(tǒng)的控制精度。若ess=0→無(wú)差系統(tǒng)若ess≠0→有差系統(tǒng)§1.6自動(dòng)控制理論的發(fā)展簡(jiǎn)述第一代：古典（經(jīng)典）控制理論、自動(dòng)控制原理（理論）

（1787—1960）

特點(diǎn)：以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)研究單輸入－單輸出定?？刂葡到y(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問(wèn)題。這些理論由于其發(fā)展較早，現(xiàn)已臻成熟。

第二代：現(xiàn)代（近代）控制理論（1960—1980）

特點(diǎn)：以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究多輸入－多輸出控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問(wèn)題。包括以最小二乘法為基礎(chǔ)的系統(tǒng)辨識(shí)、以極大值原理和動(dòng)態(tài)規(guī)劃為基礎(chǔ)的最優(yōu)控制、以卡爾曼濾波為核心的最優(yōu)估計(jì)三個(gè)部分。使系統(tǒng)分析從外部現(xiàn)象深入到內(nèi)部規(guī)律，從局部控制發(fā)展到全局的最優(yōu)控制。第三代：大系統(tǒng)理論和智能控制理論（1970—1980）

特點(diǎn)