第一章自動控制的一般概念

1、自動控制原理自動控制原理彭生祥彭生祥西南大學工程技術學院西南大學工程技術學院教材及參考書教材及參考書教材教材自動控制原理自動控制原理（第六版）（第六版）科學出版社，胡壽松科學出版社，胡壽松教參教參自動控制原理自動控制原理（上、下）（上、下）清華大學出版社，吳麟清華大學出版社，吳麟自動控制原理習題集自動控制原理習題集科學出版社，胡壽松科學出版社，胡壽松教學總學時數(shù)：教學總學時數(shù)：72 講課講課45實驗實驗27 學習教材前八章，后二章屬于現(xiàn)代控制理論學習教材前八章，后二章屬于現(xiàn)代控制理論考核方式：考核方式：考勤、作業(yè)、實驗、考試考勤、作業(yè)、實驗、考試成績成績=實驗實驗*20%+平時成績平時成績*2

2、0%+期末考試期末考試*60%學習方法：學習方法： 聽課、作業(yè)、實驗、實例分析、聽課、作業(yè)、實驗、實例分析、matlab仿真仿真第一章第一章 自動控制的一般概念自動控制的一般概念本章重點本章重點 自動控制的含義自動控制的含義 自動控制系統(tǒng)的組成與基本原理自動控制系統(tǒng)的組成與基本原理 自動控制系統(tǒng)的分析方法自動控制系統(tǒng)的分析方法 自動控制理論的發(fā)展自動控制理論的發(fā)展1.1 自動控制系統(tǒng)的一般概念自動控制系統(tǒng)的一般概念所謂自動控制，就是指在所謂自動控制，就是指在沒有人直接參與沒有人直接參與的情況下，力圖使受控對象按照的情況下，力圖使受控對象按照預定規(guī)律預定規(guī)律運行的過程。完成這一過程的所有元件與運

3、行的過程。完成這一過程的所有元件與裝置組成的整體就稱為自動控制系統(tǒng)。裝置組成的整體就稱為自動控制系統(tǒng)。 例：直流電機的調速系統(tǒng)例：直流電機的調速系統(tǒng)預期規(guī)律：電機轉速預期規(guī)律：電機轉速n保持恒定保持恒定電位器電位器RP1被控對象：被控對象：電機電機M 被控量：被控量：（輸出量）（輸出量）電機轉速電機轉速n執(zhí)行元件：執(zhí)行元件：GT、V給定元件：給出與期望值給定元件：給出與期望值相對應的系統(tǒng)輸入量相對應的系統(tǒng)輸入量擾動：妨礙控制過程的各擾動：妨礙控制過程的各種內外因素種內外因素系統(tǒng)方塊圖系統(tǒng)方塊圖 輸出量與輸入量之間沒有直接的聯(lián)系。因而，對擾動所引起的輸出量與輸入量之間沒有直接的聯(lián)系。因而，對擾動

4、所引起的輸出的變化，系統(tǒng)沒有調節(jié)或控制作用輸出的變化，系統(tǒng)沒有調節(jié)或控制作用 開環(huán)系統(tǒng)開環(huán)系統(tǒng)人參與調節(jié)時的工作原理人參與調節(jié)時的工作原理人參與：人參與：nRPnRP人參與的調節(jié)過程：人參與的調節(jié)過程： 觀察，測量；觀察，測量； 高低：與預期值比較；高低：與預期值比較； 若存在偏差：反方向調節(jié)；若存在偏差：反方向調節(jié)；人參與調節(jié)時的方塊圖人參與調節(jié)時的方塊圖特點：特點：存在比較環(huán)節(jié)；存在比較環(huán)節(jié)；輸出發(fā)生變化，會反過來影響輸入端，從而產生調節(jié)作用輸出發(fā)生變化，會反過來影響輸入端，從而產生調節(jié)作用機器代替人，實現(xiàn)自動控制機器代替人，實現(xiàn)自動控制 測量：測速發(fā)電機測量：測速發(fā)電機 比較：集成運算放

5、大器比較：集成運算放大器 調節(jié)：電機及減速機構調節(jié)：電機及減速機構閉環(huán)控制的電機調速系統(tǒng)閉環(huán)控制的電機調速系統(tǒng) 閉環(huán)控制的電機調速系統(tǒng)方塊圖閉環(huán)控制的電機調速系統(tǒng)方塊圖 nUUUUUndRPpn02nUUUUUndRPpn02nUUU0反饋反饋反饋及反饋控制系統(tǒng)反饋及反饋控制系統(tǒng) 反饋的含義反饋的含義將輸出回送到輸入端并與輸入進行比較的過程將輸出回送到輸入端并與輸入進行比較的過程 反饋的實質反饋的實質利用偏差去控制偏差利用偏差去控制偏差，使系統(tǒng)朝著減少偏差的方向運動，使系統(tǒng)朝著減少偏差的方向運動 閉環(huán)控制閉環(huán)控制從信號的流向來看，系統(tǒng)形成了一個閉環(huán)從信號的流向來看，系統(tǒng)形成了一個閉環(huán) 是自動控

6、制控制系統(tǒng)最基本和應用最廣泛的控制方式是自動控制控制系統(tǒng)最基本和應用最廣泛的控制方式1.2 自動控制的基本方式自動控制的基本方式自動控制的基本方式：自動控制的基本方式： 開環(huán)控制開環(huán)控制 閉環(huán)控制閉環(huán)控制 復合控制復合控制一、開環(huán)控制一、開環(huán)控制特點：單向傳遞，輸出不會對輸入反施任何影響特點：單向傳遞，輸出不會對輸入反施任何影響按給定按給定值控制值控制 按擾動控制按擾動控制 順饋控制順饋控制 二、閉環(huán)控制二、閉環(huán)控制特點：對反饋環(huán)內前向通道上的擾動有調節(jié)作用特點：對反饋環(huán)內前向通道上的擾動有調節(jié)作用系統(tǒng)精度取決于給定精度與反饋檢測精度系統(tǒng)精度取決于給定精度與反饋檢測精度精度高，系統(tǒng)復雜精度高，

7、系統(tǒng)復雜三、閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成三、閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成 給定、比較、放大、執(zhí)行、測量、校正元件給定、比較、放大、執(zhí)行、測量、校正元件討論討論系統(tǒng)的簡化系統(tǒng)的簡化)(2UfURPUdtURP2積分控制規(guī)律積分控制規(guī)律對控制系對控制系統(tǒng)的理解統(tǒng)的理解物理規(guī)律物理規(guī)律數(shù)學本質數(shù)學本質進一步思考：進一步思考：積分器有什么積分器有什么特點？特點？應注意什么？應注意什么？方框圖方框圖結構圖結構圖特點：對反饋環(huán)內前向通道上的擾動有調節(jié)作用特點：對反饋環(huán)內前向通道上的擾動有調節(jié)作用系統(tǒng)精度取決于給定精度與反饋檢測精度系統(tǒng)精度取決于給定精度與反饋檢測精度給定值的整定：給定值的整定：1預期值與反饋系數(shù)確定（

8、與開環(huán)比較）預期值與反饋系數(shù)確定（與開環(huán)比較）2受后面環(huán)節(jié)的約束受后面環(huán)節(jié)的約束限幅的影響：限幅的影響：1保護保護2非線性非線性3？1.3 自動控制系統(tǒng)的類型自動控制系統(tǒng)的類型 按信號的流向分按信號的流向分開環(huán)系統(tǒng)與閉環(huán)系統(tǒng)開環(huán)系統(tǒng)與閉環(huán)系統(tǒng) 按系統(tǒng)輸入信號分按系統(tǒng)輸入信號分恒值給定系統(tǒng)：輸入信號為一個常值，要求輸出也為一個恒值給定系統(tǒng)：輸入信號為一個常值，要求輸出也為一個常值，又稱為調節(jié)器系統(tǒng)常值，又稱為調節(jié)器系統(tǒng) 。在工業(yè)控制中，如果被控量是溫。在工業(yè)控制中，如果被控量是溫度、流量、壓力、液位等生產過程參量時，這種控制系統(tǒng)則度、流量、壓力、液位等生產過程參量時，這種控制系統(tǒng)則稱為稱為過程控

9、制過程控制系統(tǒng)，它們大多數(shù)都屬于恒值給定系統(tǒng)。系統(tǒng)，它們大多數(shù)都屬于恒值給定系統(tǒng)。 隨動系統(tǒng)：輸入信號是預先未知的隨時間任意變化的函數(shù)，隨動系統(tǒng)：輸入信號是預先未知的隨時間任意變化的函數(shù)，要求輸出量以一定的精度和速度跟隨輸入量的變化。要求輸出量以一定的精度和速度跟隨輸入量的變化。 側重快側重快速性與準確性。如果被控量是位移及其導數(shù)，則稱為速性與準確性。如果被控量是位移及其導數(shù)，則稱為伺服系伺服系統(tǒng)。統(tǒng)。 線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng) 同時滿足疊加性與均勻性（又稱為齊次性）的系統(tǒng)稱為同時滿足疊加性與均勻性（又稱為齊次性）的系統(tǒng)稱為線性系統(tǒng)線性系統(tǒng) 若以符號若以符號T來表示系統(tǒng)輸入與輸

10、出之間的關系來表示系統(tǒng)輸入與輸出之間的關系 )()(trTtc疊加性可表示為疊加性可表示為均勻性可表示為均勻性可表示為)()()()(2211trTtctrTtc)()()()()()(212121tctctrTtrTtrtrT)()()()()()(222222111111tcatrTatraTtcatrTatraT)()()()()()(221122112211tcatcatrTatrTatratraT上述兩點統(tǒng)一表示為上述兩點統(tǒng)一表示為 定常系統(tǒng)和時變系統(tǒng)定常系統(tǒng)和時變系統(tǒng) 如果系統(tǒng)的參數(shù)不隨時間而變化，則稱此類系統(tǒng)為定常系統(tǒng)如果系統(tǒng)的參數(shù)不隨時間而變化，則稱此類系統(tǒng)為定常系統(tǒng)（或時不變

11、系統(tǒng)）（或時不變系統(tǒng)）系統(tǒng)的輸出（響應）與輸入信號作用于系統(tǒng)的時刻無關系統(tǒng)的輸出（響應）與輸入信號作用于系統(tǒng)的時刻無關 )()(00ttcttrT 連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng) 連續(xù)系統(tǒng)：用微分方程描述連續(xù)系統(tǒng)：用微分方程描述離散系統(tǒng)：用差分方程描述離散系統(tǒng)：用差分方程描述線性常系數(shù)微分方程所描述的系統(tǒng)是否線線性常系數(shù)微分方程所描述的系統(tǒng)是否線性時不變的系統(tǒng)？性時不變的系統(tǒng)？響應分解：零輸入線性與零狀態(tài)線性響應分解：零輸入線性與零狀態(tài)線性通常考慮零狀態(tài)響應，即總是假定系統(tǒng)為通?？紤]零狀態(tài)響應，即總是假定系統(tǒng)為零初始條件。零初始條件。1.4 控制系統(tǒng)性能的基本要求和控制系統(tǒng)性能的基本要求

12、和本課程的主要任務本課程的主要任務1.4.1 控制系統(tǒng)性能的基本要求控制系統(tǒng)性能的基本要求 穩(wěn)穩(wěn) 快快 準準一、穩(wěn)一、穩(wěn) 穩(wěn)即指穩(wěn)定性，是自動控制系統(tǒng)首要考慮的問題穩(wěn)即指穩(wěn)定性，是自動控制系統(tǒng)首要考慮的問題 穩(wěn)定的充要條件是穩(wěn)定的充要條件是“有界的輸入產生有界的輸出有界的輸入產生有界的輸出” 同樣穩(wěn)定的系統(tǒng)，穩(wěn)定的程度也可能是不一樣的同樣穩(wěn)定的系統(tǒng)，穩(wěn)定的程度也可能是不一樣的 二、快二、快 快即指過渡過程的快速性快即指過渡過程的快速性 穩(wěn)與快反映了系統(tǒng)過渡過程中的性能，屬于動態(tài)穩(wěn)與快反映了系統(tǒng)過渡過程中的性能，屬于動態(tài)性能指標性能指標 三、準三、準 準即指準確性，反映系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能準即指準確性

13、，反映系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能 過渡過程結束后，系統(tǒng)的輸出與期望值的過渡過程結束后，系統(tǒng)的輸出與期望值的差值差值 ，稱為穩(wěn)態(tài)誤差，稱為穩(wěn)態(tài)誤差 恒值給定系統(tǒng)對穩(wěn)與準的要求嚴格，隨動恒值給定系統(tǒng)對穩(wěn)與準的要求嚴格，隨動系統(tǒng)則對快速性要求較高系統(tǒng)則對快速性要求較高1.4.2 性能指標的量化性能指標的量化一、典型輸入信號一、典型輸入信號1.能反映絕大多數(shù)實際工作情況能反映絕大多數(shù)實際工作情況2.產生方便，利于實驗產生方便，利于實驗3.便于數(shù)學運算與推理便于數(shù)學運算與推理典型輸入信號典型輸入信號 階躍函數(shù)階躍函數(shù) 00,0( ),0tr tRt1( )L r ts斜坡函數(shù)斜坡函數(shù) 00( )0tr tRtt21

14、( )L r ts拋物線函數(shù)拋物線函數(shù) 200( )102tr tRtt31( )Lr ts脈沖函數(shù)脈沖函數(shù) 00( )( )1( )10ttt dtLtt正弦函數(shù)正弦函數(shù) ( )sinr tAt22 ( )AL r ts二、時域性能指標的定義二、時域性能指標的定義階躍信號對絕大多數(shù)系統(tǒng)來說都是比較階躍信號對絕大多數(shù)系統(tǒng)來說都是比較嚴格的工作條件，故性能指標往往以階躍嚴格的工作條件，故性能指標往往以階躍響應為標準。響應為標準。上升時間上升時間 tr 從原始狀態(tài)開始，第從原始狀態(tài)開始，第一次達到單位階躍響應一次達到單位階躍響應的時間的時間過渡過程時間過渡過程時間ts系統(tǒng)達到給定區(qū)所需系統(tǒng)達到給定

15、區(qū)所需的時間的時間超調量超調量 ( )( )( ),sh thhtt %100)()()(%hhthp0 1234500.20.40.60.811.21.41 +1 - t ts s t tp p t tr r 對于同一系統(tǒng)，穩(wěn)、快、準是相互制約的對于同一系統(tǒng)，穩(wěn)、快、準是相互制約的 設計控制系統(tǒng)就是要綜合考慮相互間的矛盾，使各設計控制系統(tǒng)就是要綜合考慮相互間的矛盾，使各方面的性能指標都能滿足生產工藝的要求方面的性能指標都能滿足生產工藝的要求問題：單項性能指標的缺點？問題：單項性能指標的缺點？只能反映動態(tài)或穩(wěn)態(tài)某一方面的控制質量，統(tǒng)籌考慮比較困難不適合最優(yōu)控制（現(xiàn)代控制理論）解決方式：誤差積分

16、準則解決方式：誤差積分準則從偏差的幅度和偏差存在的時間綜合評價系統(tǒng)性能。采用不同的誤差積分指標，意味著評價過渡過程的側重點不同，也導致調節(jié)器參數(shù)的設置不同20( )Jet dt0( )Je t dt20( )Jtet dt0( )Je td t0( )Jt e tdt1.偏差積分指標偏差積分指標IE2.平方誤差積分指標平方誤差積分指標ISE3. 誤差絕對值積分指標誤差絕對值積分指標IAE4.時間乘誤差平方積分指標時間乘誤差平方積分指標ITSE5. 時間乘誤差絕對值積時間乘誤差絕對值積分指標分指標ITAE大偏差大偏差小偏差小偏差本課程的主要任務本課程的主要任務 數(shù)學模型數(shù)學模型討論線性定常系統(tǒng)在時域、復頻域、頻域、討論線性定常系統(tǒng)在時域、復頻域、頻域、Z域的域的數(shù)學模型數(shù)學模型 系統(tǒng)分析系統(tǒng)分析 穩(wěn)定性分析、動態(tài)分析與穩(wěn)態(tài)性能分析穩(wěn)定性分析、動態(tài)分析與穩(wěn)態(tài)性能分析 系統(tǒng)綜合系統(tǒng)綜合控制系統(tǒng)的設計與校正控制系統(tǒng)的設計與校正 輔助設計工具輔助設計工具Matlab作業(yè)：作業(yè)：1-1 1-3 1-7補充作業(yè)：補充作業(yè)： 試尋找一個自動控制系統(tǒng)的實例，畫出其方框圖，說試尋找一個自動控制系統(tǒng)的實例，畫出其方框圖，說明其工