自動(dòng)控制基礎(chǔ)模板課件

自動(dòng)控制基礎(chǔ)

xxx大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)控制基礎(chǔ)

xxx大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程的性質(zhì)和特點(diǎn)自動(dòng)控制是一門技術(shù)學(xué)科，從方法論的角度來研究系統(tǒng)的建立、分析與設(shè)計(jì)。自動(dòng)控制理論電機(jī)與拖動(dòng)模擬電子技術(shù)線性代數(shù)微積分（含微分方程）復(fù)變函數(shù)、拉普拉斯變換電路理論大學(xué)物理（力學(xué)、熱力學(xué)）信號與系統(tǒng)2感謝你的觀看2019年6月6課程的性質(zhì)和特點(diǎn)自動(dòng)控制是一門技術(shù)學(xué)科，從方法論的角度來研究課程基本情況

學(xué)時(shí)：48學(xué)時(shí)（3學(xué)分） 教材：《自動(dòng)控制原理基礎(chǔ)教程》第三版胡壽松主編 參考書:《自動(dòng)控制原理》吳麒

《自動(dòng)控制理論基礎(chǔ)》戴忠達(dá)

《自動(dòng)控制原理》李友善

Matlab及有關(guān)該軟件的工具書 實(shí)驗(yàn)：硬件實(shí)驗(yàn)和仿真實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)報(bào)告按時(shí)交 作業(yè)：每章交一次

答疑時(shí)間：周二第1,2，3,4節(jié)，周四第6,7,8節(jié)地址：仙林校區(qū)教5-207(2)3感謝你的觀看2019年6月6課程基本情況 學(xué)時(shí)：48學(xué)時(shí)（3學(xué)分）3感謝你的觀看本課程學(xué)習(xí)方法1、打好基礎(chǔ)

高等數(shù)學(xué)（微積分）、信號與系統(tǒng)2、做好預(yù)習(xí)講課的速度較快、了解課程內(nèi)容3、聽好課掌握基本理論和基本方法4、做好習(xí)題

應(yīng)用學(xué)到的基本理論和基本方法解決實(shí)際問題4感謝你的觀看2019年6月6本課程學(xué)習(xí)方法1、打好基礎(chǔ)高等數(shù)學(xué)（微積考核方法

考勤

點(diǎn)名，占總分的10%

課后作業(yè)，實(shí)驗(yàn)報(bào)告

每章作業(yè)，4個(gè)實(shí)驗(yàn)報(bào)告，占總分的20%

期末考試

考試，占總分的70%5感謝你的觀看2019年6月6考核方法考勤5感謝你的觀看2019年6月6班級學(xué)生情況通達(dá)學(xué)院11級信息工程:6感謝你的觀看2019年6月6班級學(xué)生情況通達(dá)學(xué)院11級信息工程:6感謝你的觀看2019年第一章控制系統(tǒng)導(dǎo)論7感謝你的觀看2019年6月6第一章控制系統(tǒng)導(dǎo)論7感謝你的觀看2019年6月61.1自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念

自動(dòng)控制是在沒有人參與的情況下，系統(tǒng)的控制器自動(dòng)地按照人預(yù)定的要求控制設(shè)備或過程，使之具有希望的狀態(tài)和性能。具有自動(dòng)控制功能的系統(tǒng)稱為自動(dòng)控制系統(tǒng)。8感謝你的觀看2019年6月61.1自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念自動(dòng)控制是在沒有人參與自動(dòng)控制器通過比較實(shí)際液位與希望液位，并通過調(diào)整氣動(dòng)閥門的開度，對誤差進(jìn)行修正，從而保持液位不變。液位控制系統(tǒng)原理圖9感謝你的觀看2019年6月6自動(dòng)控制器通過比較實(shí)際液位與希望液位，并通過調(diào)整氣動(dòng)閥門的開比較、放大器：控制器浮子：測量元件氣動(dòng)閥門：執(zhí)行機(jī)構(gòu)水箱：被控對象10感謝你的觀看2019年6月6比較、放大器：控制器10感謝你的觀看2019年6月6

自動(dòng)控制理論是研究自動(dòng)控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)。自動(dòng)控制理論的發(fā)展可分為四個(gè)主要階段：第一階段：經(jīng)典控制理論的產(chǎn)生、發(fā)展和成熟；第二階段：現(xiàn)代控制理論的興起和發(fā)展；第三階段：大系統(tǒng)控制興起和發(fā)展階段；第四階段：智能控制發(fā)展階段。1.2自動(dòng)控制的發(fā)展簡史11感謝你的觀看2019年6月6自動(dòng)控制理論是研究自動(dòng)控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)。自動(dòng)控制理論經(jīng)典控制理論

控制理論的發(fā)展初期，是以反饋理論為基礎(chǔ)的自動(dòng)調(diào)節(jié)原理，主要用于工業(yè)控制。第二次世界大戰(zhàn)期間，為了設(shè)計(jì)和制造飛機(jī)及船用自動(dòng)駕駛儀、火炮定位系統(tǒng)、雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)等基于反饋原理的軍用裝備，形成了以頻率法和根軌跡法為主要方法的經(jīng)典控制理論。1868年，馬克斯威爾（J.C.Maxwell）提出了低階系統(tǒng)的穩(wěn)定性代數(shù)判據(jù)。1895年，勞斯（Routh）和赫爾威茨（Hurwitz）分別獨(dú)立地提出高階系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)。二戰(zhàn)期間（1938-1945年）奈奎斯特（H.Nyquist）提出了頻率響應(yīng)理論。1948年，伊萬斯（W.R.Evans）提出了根軌跡法。12感謝你的觀看2019年6月6經(jīng)典控制理論控制理論的發(fā)展初期，是以反饋理論為基礎(chǔ)的自動(dòng)調(diào)經(jīng)典控制理論的基本特征（1）用于常系數(shù)線性微分方程描述的系統(tǒng)的分析與綜合；（2）只用于單輸入，單輸出（SISO）的反饋控制系統(tǒng)；（3）只討論系統(tǒng)輸入與輸出之間的關(guān)系，而忽視系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)，是一種對系統(tǒng)的外部描述方法。研究對象：單輸入單輸出線性系統(tǒng)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)：微積分、積分變換系統(tǒng)描述方法：傳遞函數(shù)研究方法：時(shí)域法、頻率特性法、根軌跡法核心概念：輸出反饋適用系統(tǒng)：線性系統(tǒng)經(jīng)典控制理論13感謝你的觀看2019年6月6經(jīng)典控制理論的基本特征（1）用于常系數(shù)線性微分方程描述的系統(tǒng)現(xiàn)代控制理論

隨著航天事業(yè)和計(jì)算機(jī)的發(fā)展，20世紀(jì)60年代初，在經(jīng)典控制理論的基礎(chǔ)上，以線性代數(shù)理論和狀態(tài)空間分析法為基礎(chǔ)的現(xiàn)代控制理論迅速發(fā)展起來。1954年貝爾曼（R.Belman)提出動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論1956年龐特里雅金（L.S.Pontryagin）提出極大值原理1960年卡爾曼(R.K.Kalman)提出多變量最優(yōu)控制和最優(yōu)濾波理論

在數(shù)學(xué)工具、理論基礎(chǔ)和研究方法上，不僅能提供系統(tǒng)的外部信息（輸出量和輸入量），而且還能提供系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)變量的信息。它無論對線性系統(tǒng)或非線性系統(tǒng)，定常系統(tǒng)或時(shí)變系統(tǒng)，單變量系統(tǒng)或多變量系統(tǒng)，都是一種有效的分析方法。14感謝你的觀看2019年6月6現(xiàn)代控制理論隨著航天事業(yè)和計(jì)算機(jī)的發(fā)展，20世紀(jì)

現(xiàn)代控制理論以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究多輸入-多輸出、時(shí)變、非線性一類控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問題。系統(tǒng)具有高精度和高效能的特點(diǎn)。研究對象：多輸入多輸出線性系統(tǒng)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)：線性代數(shù)、矩陣?yán)碚撓到y(tǒng)描述方法：狀態(tài)空間表達(dá)式研究方法：時(shí)域法核心概念：狀態(tài)反饋適用系統(tǒng)：線性、非線性現(xiàn)代控制理論15感謝你的觀看2019年6月6現(xiàn)代控制理論以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究多輸入-多輸出、一、開環(huán)控制特點(diǎn)：系統(tǒng)的輸出量不會(huì)對系統(tǒng)的控制作用發(fā)生影響。定義：控制裝置與被控對象之間只有順向作用而沒有反向聯(lián)系的控制。如：自動(dòng)售貨機(jī)自動(dòng)洗衣機(jī)產(chǎn)品生產(chǎn)線紅綠燈

…1.3開環(huán)控制與反饋控制16感謝你的觀看2019年6月6一、開環(huán)控制特點(diǎn)：系統(tǒng)的輸出量不會(huì)對系統(tǒng)的控制作用例開環(huán)爐溫控制系統(tǒng)被控對象：爐子被控量（輸出量）：爐溫控制裝置：開關(guān)K和電熱絲對被控制量起控制作用。輸出量(爐溫)

控制裝置被控對象輸入信號(爐子)(開關(guān))17感謝你的觀看2019年6月6例開環(huán)爐溫控制系統(tǒng)被控對象：爐子輸出量(爐溫)控制裝開環(huán)控制的缺點(diǎn)

由于開環(huán)控制的特點(diǎn)是控制裝置只按照給定的輸入信號對被控制量進(jìn)行單向控制，而不對控制量進(jìn)行測量并反向影響控制作用。這樣，當(dāng)爐溫偏離希望值時(shí)，開關(guān)K的接通或斷開時(shí)間不會(huì)相應(yīng)改變。因此，開環(huán)控制不具有修正由于擾動(dòng)（使被控制量偏離希望值的因素）而出現(xiàn)的被控制量與希望值之間偏差的能力，即抗干擾能力差。18感謝你的觀看2019年6月6開環(huán)控制的缺點(diǎn)由于開環(huán)控制的特點(diǎn)是控制裝置只按照定義：反饋控制是這樣一種控制過程，它能夠在存在擾動(dòng)的情況下，力圖減小系統(tǒng)的輸出量與參考輸入量（也稱參據(jù)量）（或者任意變化的希望的狀態(tài)）之間的偏差。二、反饋控制19感謝你的觀看2019年6月6定義：反饋控制是這樣一種控制過程，它能夠在存在擾動(dòng)的二、反饋溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖

溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖20感謝你的觀看2019年6月6溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖20感謝你的觀反饋控制系統(tǒng)的基本組成

被控對象控制裝置(由具有一定職能的各種基本元件組成)

測量元件：其職能是測量被控制的物理量;

給定元件：其職能是給出與期望的被控量相對應(yīng)的系統(tǒng)輸入量（即參據(jù)量）。

比較元件：把測量元件檢測的被控量實(shí)際值與給定元件給出的參據(jù)量進(jìn)行比較，求出它們之間的偏差。

放大元件：將比較元件給出的偏差進(jìn)行放大，用來推動(dòng)執(zhí)行元件去控制被控對象。

執(zhí)行元件：直接推動(dòng)被控對象，使其被控量發(fā)生變化。

校正元件：亦稱補(bǔ)償元件，它是結(jié)構(gòu)或參數(shù)便于調(diào)整的元件，用串聯(lián)或反饋的方式連接在系統(tǒng)中，以改善系統(tǒng)性能。21感謝你的觀看2019年6月6反饋控制系統(tǒng)的基本組成被控對象21感謝你的觀看2019年6用“○”號代表比較元件，“—”號代表兩者符號相反，“+”號代表兩者符號相同。信號沿箭頭方向從輸入端到達(dá)輸出端的傳輸通路稱前向通路；系統(tǒng)輸出量經(jīng)測量元件反饋到輸入端的傳輸通路稱主反饋通路。前向通路與主反饋通路共同構(gòu)成主回路。此外，還有局部反饋通路以及由它構(gòu)成的內(nèi)回路。—22感謝你的觀看2019年6月6用“○”號代表比較元件，“—”號代表兩者符號相反，“+”號代1.4自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類按控制方式分按元件類型分

按系統(tǒng)功用分

按系統(tǒng)性能分

按參據(jù)量變化規(guī)律分23感謝你的觀看2019年6月61.4自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類按控制方式分按元件類型分按系統(tǒng)功開環(huán)控制反饋控制復(fù)合控制按控制方式分24感謝你的觀看2019年6月6開環(huán)控制按控制方式分24感謝你的觀看2019年6月6機(jī)械系統(tǒng)——恒張力系統(tǒng)電氣系統(tǒng)機(jī)電系統(tǒng)——全自動(dòng)照相機(jī)，光機(jī)電結(jié)合液壓系統(tǒng)——伺服液壓缸，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)，大型的仿真模擬臺(tái)氣動(dòng)系統(tǒng)生物系統(tǒng)按元件類型分25感謝你的觀看2019年6月6機(jī)械系統(tǒng)——恒張力系統(tǒng)按25感謝你的觀看2019年6月6按系統(tǒng)功用分溫度控制系統(tǒng)壓力控制系統(tǒng)位置控制系統(tǒng)26感謝你的觀看2019年6月6按系統(tǒng)功用分溫度控制系統(tǒng)壓力控制系統(tǒng)位置控制系統(tǒng)2線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)定常系統(tǒng)時(shí)變系統(tǒng)確定性系統(tǒng)不確定性系統(tǒng)按系統(tǒng)性能分離散系統(tǒng)27感謝你的觀看2019年6月6線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)定常系統(tǒng)時(shí)變系統(tǒng)確定性系統(tǒng)不確定性一、線性連續(xù)控制系統(tǒng)

式中：c(t)—被控量；r(t)—系統(tǒng)輸入量。系數(shù)a0，a1，…，an，b0，b1，…，bm若是常數(shù)，稱為定常系統(tǒng)；若隨時(shí)間變化，稱為時(shí)變系統(tǒng)。這類系統(tǒng)可以用線性微分方程式描述：28感謝你的觀看2019年6月6一、線性連續(xù)控制系統(tǒng)式中：c(t)—被控量；r(t)—二、線性定常離散控制系統(tǒng)

式中：m≦n，n為差分方程的次數(shù)；系數(shù)a0，a1，…，an，b0，b1，…，bm為常系數(shù)；r(k)，c(k)分別為輸入和輸出采樣序列。29感謝你的觀看2019年6月6二、線性定常離散控制系統(tǒng)式中：m≦n，n為差分方程的次數(shù)三、非線性控制系統(tǒng)非線性方程的特點(diǎn)：方程中含有變量及其導(dǎo)數(shù)的高次冪或乘積項(xiàng)。30感謝你的觀看2019年6月6三、非線性控制系統(tǒng)非線性方程的特點(diǎn)：30感謝你的觀看2019恒值控制系統(tǒng)隨動(dòng)系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)按參據(jù)量變化規(guī)律分31感謝你的觀看2019年6月6恒值控制系統(tǒng)隨動(dòng)系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)按參據(jù)量變化規(guī)律分31感謝你

1、恒值控制系統(tǒng)（調(diào)節(jié)器）：參據(jù)量是一個(gè)常值,要求被控量也等于一個(gè)常值。這類系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是研究各種擾動(dòng)對被控對象的影響以及抗擾動(dòng)的措施。 過程控制系統(tǒng)：被控量是溫度、流量、壓力、液位等生產(chǎn)過程參量。2、隨動(dòng)系統(tǒng)（跟蹤系統(tǒng)）：參據(jù)量是預(yù)先未知的隨時(shí)間任意變化的函數(shù)，要求被控量以盡可能小的誤差跟隨參據(jù)量的變化。這類系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是研究被控量跟隨的快速性和準(zhǔn)確性。伺服系統(tǒng)：被控量是機(jī)械位置及其導(dǎo)數(shù)。3、程序控制系統(tǒng)：參據(jù)量是按預(yù)定規(guī)律隨時(shí)間變化的函數(shù)，要求被控量迅速、準(zhǔn)確地加以復(fù)現(xiàn)。32感謝你的觀看2019年6月61、恒值控制系統(tǒng)（調(diào)節(jié)器）：參據(jù)量是一個(gè)常值,要求被控量也穩(wěn)定性：

1）對恒值系統(tǒng)，要求當(dāng)系統(tǒng)受到擾動(dòng)后，經(jīng)過一定時(shí)間的調(diào)整能夠回到原來的期望值。

2）對隨動(dòng)系統(tǒng)，被控制量始終跟蹤參據(jù)量的變化。穩(wěn)定性是對系統(tǒng)的基本要求，不穩(wěn)定的系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)預(yù)定任務(wù)。穩(wěn)定性通常由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)決定，與外界因素?zé)o關(guān)。一、自動(dòng)控制系統(tǒng)性能的基本要求穩(wěn)定性（長期穩(wěn)定性）、準(zhǔn)確性（精度）和快速性（相對穩(wěn)定性）。1.5對自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求33感謝你的觀看2019年6月6穩(wěn)定性：一、自動(dòng)控制系統(tǒng)性能的基本要求穩(wěn)定性（長期穩(wěn)定性）、準(zhǔn)確性：用穩(wěn)態(tài)誤差來表示。在參考輸入信號作用下，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，其穩(wěn)態(tài)輸出與參考輸入所要求的期望輸出之差叫做給定穩(wěn)態(tài)誤差。顯然，這種誤差越小，表示系統(tǒng)的輸出跟隨參考輸入的精度越高?？焖傩裕簩^渡過程的形式和快慢提出要求，一般稱為動(dòng)態(tài)性能。穩(wěn)定高射炮射角隨動(dòng)系統(tǒng)，雖然炮身最終能跟蹤目標(biāo)，但如果目標(biāo)變動(dòng)迅速，而炮身行動(dòng)遲緩，仍然抓不住目標(biāo)。34感謝你的觀看2019年6月6準(zhǔn)確性：快速性：34感謝你的觀看2019年6月6階躍函數(shù)斜坡函數(shù)脈沖函數(shù)穩(wěn)態(tài)正弦二、典型外作用35感謝你的觀看2019年6月6階躍函數(shù)斜坡函數(shù)脈沖函數(shù)穩(wěn)態(tài)正弦二、典型外作用35感謝你的觀1、階躍函數(shù)：階躍函數(shù)（2）時(shí)域表達(dá)式：（1）圖形36感謝你的觀看2019年6月61、階躍函數(shù)：階躍函數(shù)（2）時(shí)域表達(dá)式：（1）圖形36感謝2、斜坡函數(shù)：斜坡函數(shù)（1）圖形（2）時(shí)域表達(dá)式37感謝你的觀看2019年6月62、斜坡函數(shù)：斜坡函數(shù)（1）圖形（2）時(shí)域表達(dá)