自控-第一章課件

自動控制原理曹萃文副教授

Tel:64252576(O)Email:caocuiwen@辦公地點:實驗15樓212課程介紹主要參考書:《自動控制理論》（第3版）“十一五”國家規劃教材夏德鈐,翁貽方機械工業出版社，2007年6月出版其它參考書:1、《自動控制原理簡明教程》，胡壽松主編，科學出版社，2003；

2、《自動控制原理》田玉平主編，科學出版社，2006；

3、《自動控制原理知識要點與習題解析》，王曉陵主編，哈爾濱工程大學出版社，2006；

4、《自動控制原理學習輔導》，姚佩陽主編，清華大學出版社、北京交通大學出版社，2005；

5、《MATLAB基礎與應用簡明教程》，張平等，北京航空航天大學出版社，2001。課程介紹前續課程：

微積分(含微分方程)、復變函數(含拉普拉斯變換)、線性代數、矩陣論等；

理論力學、材料力學、電工電子、電機學等。周數：1~18學時：64

學分：4答疑：每周最后一次課后作業：每周一課后交(準備兩個作業本)考核：平時出勤、作業(實驗)、期中閉卷、期末閉卷課程的性質和特點《自動控制原理》課程，從方法論的角度來研究工程技術領域的各種系統數學模型的建立、系統的分析與設計。實際系統物理模型數學模型方法(系統組成、分析、設計)自動控制理論已經發展為理論嚴密、系統完整、邏輯性很強的一門學科——控制論。控制論包括：工程控制論、生物控制論和經濟控制論等。課程的主要內容和特點主要內容：

自動控制的一般概念、物理系統的數學模型、控制系統的一般分析方法、系統的設計或校正以及線性離散系統的初步知識。

主要的學習目的和任務：掌握關于自動控制系統的基本概念、基本理論和基本方法；掌握各類控制系統的數學模型建立、系統分析和綜合方法以及線性離散系統的分析和研究方法。第一章緒論2自動控制的應用及發展31自動控制系統的構成2自動控制的基本原理33自動控制系統的分類4控制系統的性能和典型測試信號35本章小結61.1

應用波音787、2007年7月8日在美國西雅圖首次亮相飛機自動駕駛儀1.1

應用奮進號航天飛機2007年8月9日升空1.1

應用1.1

應用1.1

應用1.2

起源及發展起源：工業革命的到來，為自動化的發展帶來了巨大的動力。1788年，為了解決工業生產中蒸汽機的速度控制問題，瓦特在1769年發明的蒸汽機上安裝了一個飛球調節器左圖為18世紀末英國的一個采煤場的場景瓦特的飛球調節器當蒸汽機的負載減輕、蒸汽溫度升高等原因導致蒸汽機轉速升高，汽閥關；反之，汽閥開。蒸汽機速度可以穩定在設定值上但是，有時為了提高調速精度，蒸汽機速度反而出現大幅度振蕩，其后相繼出現的其它自動控制系統也有類似現象。不能從理論上解釋。1.2

起源及發展上世紀五六十年代1868現代1788瓦特的飛球調節器誕生英國的麥克斯韋爾(J.C.Maxwell)發表“論調速器”論文，第一次指出不應該單獨討論一個離心錘，必須從整個控制系統出發推導出微分方程，然后討論微分方程解的穩定性，從而分析實際控制系統是否會出現不穩定現象1、經典控制理論形成：以傳遞函數為理論基礎，主要研究SISO線性時不變系統的分析與設計；2、現代控制理論產生：采用狀態空間描述系統，主要研究MIMO及變參數系統的分析與設計自適應控制、優化控制、不確定系統的魯棒控制、大系統控制、非線性控制、智能控制等第一章緒論2自動控制的應用及發展31自動控制系統的構成2自動控制的基本原理33自動控制系統的分類4控制系統的性能和典型測試信號35本章小結62.1

水箱水位控制

例1

人工控制與自動控制：水箱水位控制問題控制對象：水箱系統被控量：水箱水位控制要求：實際水位=希望值人工控制系統人的作用：測量、比較和決策、執行閉環控制（反饋控制）眼手腦2.1

水箱水位控制

自動控制給定控制器水位測量與變送執行器自動控制系統代替人完成前面的功能:測量、比較、放大、執行機構和被控對象閉環負反饋2.2

電加熱爐溫度控制

例2

人工控制與自動控制：電加熱爐溫控制問題控制對象：電加熱爐被控量：爐溫控制要求：實際爐溫=希望值人的作用：測量、比較和決策、執行2.2

電加熱爐溫度控制

自動控制系統組成:給定元件、測量元件、比較元件、放大元件、執行元件、校正元件、能源元件和被控對象2.3

控制系統方框圖方框圖可以清晰、簡潔地表示一個控制系統中信號的流向，還可以表示出系統中各部分的連接關系。一般有四個基本單元組成：（1）信號線，以箭頭表明信號傳遞方向；（2）引出點（或測量點）；（3）比較點（或信號綜合點）表示對信號進行疊加；（4）方框（或環節）表示對信號進行變換，方框中寫入元部件或系統的名稱（或傳遞函數→結構圖）輸入量輸出量干擾控制裝置被控對象水箱水位控制系統方框圖

水箱水位自動控制給定控制器水位測量變送執行器輸出控制器執行器水箱系統傳感器(測量、變送)給定擾動電加熱爐控制系統方框圖調壓器放大器執行電機減速器給定元件電爐測量元件（熱電偶）給定T0U1U2U實際爐溫T第一章緒論2自動控制的應用及發展31自動控制系統的構成2自動控制的基本原理33自動控制系統的分類4控制系統的性能和典型測試信號35本章小結63

自動控制的基本原理

自動控制：在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設備(裝置)，使機器、設備或生產過程的某個工作狀態(參數)自動按預定的規律運行。具有自動控制功能的系統稱之為自動控制系統。一、開環控制

特點：控制裝置與被控對象之間只有順序作用，無反向聯系輸入量干擾控制裝置被控對象輸出量3

自動控制的基本原理

二、閉環控制（反饋控制）反饋：將輸出量通過一定的方式送回到輸入端，并與輸入信號比較產生偏差信號的過程稱為反饋負反饋：輸入信號反饋信號（偏差控制），目的：偏差減小（正反饋：輸入信號+反饋信號）

輸入量輸出量干擾控制裝置被控對象3

自動控制的基本原理

三、復合控制：開環控制+閉環控制輸入量輸出量干擾控制裝置被控對象前饋補償輸入量輸出量控制裝置被控對象前饋補償3

自動控制的基本原理

四、其它控制過程控制、預測控制、自適應控制、分布參數控制、最優控制、智能控制等第一章緒論2自動控制的應用及發展31自動控制系統的構成2自動控制的基本原理33自動控制系統的分類4控制系統的性能和典型測試信號35本章小結64

自動控制系統的分類

分類方法按控制方式：開環控制、閉環控制、復合控制等按元件類型：機械系統、電氣系統、機電系統、液壓系統、氣動系統、生物系統等按系統功能：溫度、壓力、位置、流量等按輸入信號變化規律：恒值、隨動、程序控制按系統性能：線性與非線性、連續與離散、定常與時變按輸入信號變化規律的分類

按輸入信號變化規律：恒值、隨動、程序控制（1）恒值控制系統：輸入信號是常量，要求被控量在存在擾動的情況下，使被控量保持在一個給定的期望值上。（2）隨動系統：輸入信號是預先未知的隨時間任意變化的函數，要求被控量以盡可能小的誤差跟隨參考輸入量變化。主要矛盾為克服系統的慣性、抗干擾。（3）程序控制系統：參考輸入是按預定規律隨時間變化的函數，要求被控量迅速、準確地復現。按系統性能分類（1）

如果一個系統具有下列性質：（1）輸入u1(t)產生輸出y1(t)；（2）輸入u2(t)產生輸出y2(t)；（3）輸入c1u1(t)+c2u2(t)產生輸出c1y1(t)+c2y2(t)；

其中，u1(t)

、u2(t)是任意的輸入信號，c1、c2是任意的常數，則該系統是線性系統，否則是非線性系統。從上面的敘述可以看出，“線性”性和“疊加原理”是等價的。

按系統輸出對輸入的響應特性：線性、非線性疊加原理：在線性系統中，由n個輸入ui(t)(i=1,2,…,n）共同產生的輸出y(t)，等于各個輸入ui(t)單獨產生的輸出之yi(t)和，即：

線性系統滿足疊加原理。反之，滿足疊加原理的系統是線性系統。

從數學模型看：可用線性方程（線性微分、線性差分或線性代數方程）描述的系統為線性系統；而用非線性方程描述的系統為非線性系統。按系統性能分類（2）按系統參數是否隨時間變化：定常、時變如果控制系統的結構、參數在系統運行過程中不隨時間變化，則稱為定常系統或者時不變系統；否則，稱為時變系統。若系統由微分方程表示，則可由微分方程系數判定按系統性能分類（3）

按系統參數信號的形式分類：連續、離散

按照系統中的參數信號隨時間變量取值的連續性與離散性，可將信號分為連續時間信號與離散時間信號，簡稱為連續信號與離散信號。

離散時間信號的幅值可以是連續的，也可以是離散的。若離散信號的幅值是連續的，則又可稱為采樣信號。如果離散信號的幅值也被限定為某些離散值，即信號取值時間和幅值都是離散的，則又稱為數字信號。

若系統中所有信號都是連續信號，則稱為連續時間系統，簡稱為連續系統。如果系統中有一處或幾處的信號是離散信號，則稱為離散時間系統，簡稱為離散系統。

第一章緒論2自動控制的應用及發展31自動控制系統的構成2自動控制的基本原理33自動控制系統的分類4控制系統的性能和典型測試信號35本章小結65.1

控制系統的性能要求穩定性

穩定性是控制系統最基本的性質。所謂穩定性是指控制系統偏離平衡狀態后，自動恢復到平衡狀態的能力。當系統受到擾動后，其狀態偏離了平衡狀態，在隨后所有時間內，如果系統的輸出響應能夠最終回到原先的平衡狀態，則系統是穩定的；反之，如果系統的輸出響應逐漸增加趨于無窮，或者進入振蕩狀態，則系統是不穩定的。線性控制系統的穩定性由系統本身的結構與參數所決定的，與外部條件無關。判別系統是否穩定的問題，稱為絕對穩定性分析。事實上，對于穩定或者不穩定的系統，還需要進一步分析系統穩定或者不穩定的程度，稱為相對穩定性分析。

5.1

控制系統的性能要求暫態性能

對于穩定的系統，雖然理論上能夠到達平衡狀態，但還要求能夠快速到達，而且，在調節過程中，要求系統輸出超過給定的穩態值的最大偏差，即所謂的超調量不要太大，要求調節的時間比較短。這些性能稱為暫態性能。穩態性能

系統給定值與系統穩態輸出的誤差稱為穩態誤差。系統的暫態性能和穩態性能常常是矛盾的。由于控制統的功能要求不同，所