自动控制原理全套课件.pptx

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自动控制原理AutomaticControlTheory,第1章自动控制系统的一般概念,第1章自动控制系统的一般概念,引言自动控制系统自动控制系统的基本结构控制系统的基本要求自动控制系统的分类自动控制理论发展史,1.1引言,现如今，自动控制在工业及农业生产、交通运输、航天航空、国防科技等诸多领域发挥着极为重要的作用。

学习自动控制对于工科院校的学生而言，能够增强技术基础，培养辩证思维能力和联系实际能力，提高综合分析问题的能力。

本章主要介绍了自动控制和自动控制系统的基本概念，使读者对自动控制系统的组成结构、基本原理、主要性能指标、类别以及控制理论的发展有个初步了解，为以后章节的学习打下基础。

1.2自动控制系统,“控制”是一个较为常见的词汇，可以将其理解为，一个对象为了某个特定的目的，在另一个对象上施加的作用，这些特定目的可能是将电压、电流、水位、温度、位移、转速等物理量尽可能维持在某一范围，进而使得生产过程、生产设备或是生产工具能够以正常的工作条件运行，而这些生产过程、生产设备便是施加作用的对象，这些作用可以是属于物理、化学、生物学等方面的作用。

1.2.1人工控制与自动控制,首先要理解什么是控制，什么是系统，以及控制的相关概念，进而才能正确理解自动控制。

在自动控制理论中，控制的定义是：

为了某个特定目的，在被控对象上施加作用，使得被控量按照预期的目的变化。

被控对象：

直需要对其特定量进行控制的设备或过程。

被控量：

该设备或过程的输出。

在整个控制过程中，对某一对象进行单独分析时，一般将外部对该对象的作用称为输入，该对象产生的量称为输出。

当多个对象按照某一方式连接成一个有机整体的时候，这个整体叫作系统。

1.2.1人工控制与自动控制,图1-1人工控制的电热水壶,图1-2自动控制的电热水壶,在控制被控对象抵消外界干扰的过程中，若控制本身与人工操作有关，便称为人工控制，而若是没有人类的直接操作，即纯粹依靠自动装置来完成控制过程中的调节，则称该控制为自动控制。

1.2.2自动控制系统的表示方法,为了能够清晰地看出实际系统中内部信息的相互作用及信息流向，控制系统可以用框图来表示。

图中的方框表示系统中具有相应职能的元部件，进入方框的信号为输入，离开方框的为输出。

各信号的箭头方向表示信号的流向，圆圈里带交叉线的符号表示比较点。

箭头指向比较点的那几个信号进行相加或者相减运算，箭头离开比较点的信号就是运算的结果。

用交叉线表示引出点，引出点表示信号的引出。

图1-3框图的基本组成单元,1.2.2自动控制系统的表示方法,框图不同于抽象的数学表达式,其优点是可以清晰地看出各元部件之间信号的传递关系，表示了系统各变量之间的因果关系以及对各变量进行的运算,便于定性和定量分析控制系统，但是不包含系统物理结构的任何信息，因此是控制理论中描述复杂系统的一种简便方法。

1.3自动控制系统的基本结构,把从被控对象输出端获得信息，通过中间环节再送回控制器的输入端的过程称为反馈，所述的中间环节称为反馈环节，对被控量的检测值称为反馈信号，给定输入与反馈信号的差值称为偏差。

若反馈信号的符号为“”，则为正反馈，反之若为“”则为负反馈。

按照有无反馈分为两大类：

开环控制系统和闭环控制系统。

1.3.1开环控制系统,图1-4直流电机开环转速控制系统及其方框图,1.3.1开环控制系统,开环控制系统指的是控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制系统，其特点是系统的输出量不会对系统的控制作用产生影响，即系统不含有反馈控制环节。

开环控制系统的精度取决于物理部件的精度和校准的精度。

开环系统没有抑制外部干扰及内部干扰的能力，所有控制精度较低。

但是，由于系统的结构简单，造价便宜，所以在系统结构参数稳定、没有干扰作用或者干扰较小的场合下，依然会大量使用。

1.3.2闭环控制系统,图1-5直流电机闭环转速控制系统,1.3闭环控制系统,图1-6直流电机闭环转速控制系统方框图,1.3闭环控制系统,控制器与被控对象之间不仅存在正向控制作用，而且还存在被控对象到控制器的反向联系。

把这种控制过程称为闭环控制按闭环控制方式组成的系统称为闭环控制系统。

由于闭环控制系统是根据偏差进行控制的，只要被控量偏离给定值，系统就会自动纠偏，所以说闭环控制系统具有很强的纠偏功能，对于干扰具有良好的适应性。

1.3.3自动控制系统的基本组成,图1-7典型的自动控制系统的基本组成,1.4控制系统的基本要求,控制系统能够正常工作的最基本条件便是稳定。

稳定性通常指系统在受到干扰后能够恢复到平衡状态的能力。

如果系统能够恢复到平衡状态，则称该系统是稳定的，否则称该系统不稳定。

系统从受到干扰到恢复稳定状态，其被控量呈衰减震荡或非周期过程。

图1-8控制系统的扰动,1.4控制系统的基本要求,稳定系统受到干扰作用或给定输入发生变化时，被控量都要发生变化而偏离期望值。

由于控制系统中一般都存在储能元件或惯性元件，被控量不能马上跟随输入信号的变化并达到期望值，控制系统总要经历一个反复调整的过程，才能到达一个新的平衡状态，使被控量跟随给定输入的变化并达到期望值。

这个调整过程称为动态过程（过渡过程），而把被控量达到的新的平衡状态称为稳态。

图1-9典型系统的阶跃响应曲线,1.4控制系统的基本要求,当一个稳定系统结束其动态过程并进入到稳态时，在理想状态下，一般都想让稳态值达到预期值。

但实际过程中，被控量的稳态值和预期值总是存在一定的误差，这是由于其中存在输入信号形式、系统结构以及间隙、摩擦等诸多非线性因素，因此在这些因素的影响下，该误差是难以消除的，在控制设计中应使得该误差尽可能小，使得系,统能够有更高的控制精度。

故对于控制,系统而言，该误差也是一个重要的基本要求，一般称该误差为稳定误差。

图1-10I型系统的斜坡响应曲线,1.5控制系统的分类,按信号传递形式可以将控制系统分为连续控制系统和离散控制系统。

连续控制系统：

控制系统中，各元件的输入输出信号都是时间的连续函数时，则称此类系统为连续控制系统，简称连续系统。

连续系统的运动状态或特性用微分方程来描述。

一般应用线性模拟调节器或校正装置的控制系统都是连续系统。

离散控制系统：

系统某处或多处的信号是以脉冲序列、或数码的形式传递时，则称此类系统为离散控制系统，简称离散系统。

离散系统的运动状态或特性一般用差分方程来描述。

1.5控制系统的分类,按是否满足叠加原理可以将控制系统分为线性控制系统和非线性控制系统。

线性控制系统：

若组成系统的所有元件都是线性的，则称此类系统为线性控制系统。

线性系统的运动方程可用线性微分方程或线性差分方程来描述。

如果线性微分方程或线性差分方程中的各项系数不随时间变化，则称这类系统为线性定常系统反之，则称为线性时变系统。

非线性控制系统：

系统包含一个或一个以上具有非线性特性的元件或环节时，则称此类系统为非线控制系统。

非线性系统不具备齐次性，也不满足叠加原理，其运动方程要用非线性微分方程来描述。

1.5控制系统的分类,按给定值形式可以将控制系统分为定值控制系统、程序控制系统和随动控制系统。

定值控制系统：

值控制系统又称为恒值控制系统、自动调节系统。

该系统的给定值是一个恒定的数值，并且要求系统在各种扰动下，其输出都要保持在恒定的、希望的数值上。

程序控制系统：

程序控制系统的给定值是根据预先给定的时间函数进行变化的，并且要求被控量按相应的规律随控制信号进行变化。

随动控制系统：

与程序控制系统不同，随动控制系统的给定值是未知的且随时间任意变化的函数。

这类系统的特点是给定值的变化完全取决于事先不能确定的时间函数，并且要求被控量以一定的精度和速度跟踪输入量。

1.6自动控制理论发展简史,第二阶段：

经典控制理论从1788年到1868年的几十年中，人们对自动控制装置的设计还处于“经验主义”阶段，没有强大的理论基础作为支撑，所以在这一时期设计的自动控制系统经常出现振荡、性能指标不达标等现象，而又没有相应的理论知识来分析解决这些问题。

直到19世纪后半叶，科学家们开始了对控制系统理论的探索。

1868年：

麦克斯韦对瓦特的调速器建立了线性微分方程；1877年：

劳斯提出了劳斯判据；1895年：

霍尔维茨提出霍尔维茨判据；1932年：

奈奎斯特提出了频域稳定性判据；1954年：

我国著名科学家钱学森结合控制理论在工程中的实践，出版了工程控制论。

1.6自动控制理论发展简史,第三阶段：

现代控制理论现代控制理论是一种以状态空间为基础的控制方法，本质上是一种时域分析法。

它克服了经典控制理论的局限性，将研究对象扩展到非线性控制系统、多输入多输出系统，是人类在自动控制理论上的又一次飞跃。

这一时期的主要代表人物有贝尔曼、卡尔曼、庞特里亚金、罗森布洛克等。

1956年，美国数学家贝尔曼提出了最优控制的动态规划法；3年后，美国数学家卡尔曼又提出了著名的卡尔曼滤波器，以及系统的能控性和能观性；1956年，前苏联科学家庞特里亚金提出了极大值原理。

1960年初，以最优控制和卡尔曼滤波为核心的现代控制理论应运而生。

1.6自动控制理论发展简史,第四阶段：

大系统理论与智能控制阶段伴随着社会需求的改变、各种科学技术的进步，生产系统的规模越来越庞大，结构越来越复杂，经典控制理论和现代控制理论已经难以满足时代的需求。

在这样的背景下，控制理论的发展进入了第四阶段：

大系统理论与智能控制阶段。

其中，“大系统理论”是控制理论在广度上的开拓，是用控制和信息的观点，研究规模庞大、结构复杂、目标多样、功能综合的工程和非工程大系统的自动化和有效控制的理论。

而智能控制是控制理论在深度上的延伸，依托于计算机科学、人工智能、运筹学等学科，主要用来解决传统方法难以解决的复杂系统的控制问题，是控制理论发展的高级阶段。

第2章控制系统的数学模型,自动控制原理AutomaticControlTheory,第2章控制系统的数学模型,引言系统微分方程的建立线性系统的传递函数控制系统的动态结构图与信号流图闭环控制系统的传递函数MATLAB中数学模型的表示,2.1引言,建立控制系统的数学模型是分析和设计控制系统的首要工作。

静态数学模型：

在静态条件下，描述变量之间关系的数学表达式称为静态数学模型，例如代数方程、静态关系表等。

动态数学模型：

描述各变量动态关系的数学表达式称为动态数学模型，例如微分方程、差分方程、传递函数、频率特性、状态方程、动态结构图等。

建立控制系统数学模型的方法有机理分析建模法和实验建模法两种。

建立合理的数学模型对系统的分析研究至关重要，实际的控制系统，都具有不同程度的非线性、时变特性。

一.线性系统的微分方程二.非线性微分方程的线性化,2.2系统微分方程的建立,一.线性系统的微分方程,应用机理分析建模法建立控制系统的微分方程模型的一般步骤如下:

分析系统的工作原理，将系统划分成若干个环节，确定系统和各环节输入、输出变量。

从系统的输入端入手，按照信号传递顺序，根据各环节输入、输出变量间所遵循的物理定律，在不影响系统分析准确性的条件下适当简化，依次列写各环节的动态方程，一般是微分方程（组）。

从以上各环节方程的联立方程组中，消去中间变量。

将输出量及其各阶导数写在等式左端，输入量及其各阶导数写在等式右端，按降阶排列，并将各项系数化为具有一定物理意义的形式，成为标准化的系统微分方程。

29,一.线性系统的微分方程,【例2-1】RC无源网络如图2-1所示，其中R为电阻，C为电容，试建立以为输入，为输出的RC网络微分方程。

解设中间变量为回路电流，根据基尔霍夫定律可得如下方程组,消去中间变量i（t）有：

如果令RCT，则上式）又可表示为,30,一.线性系统的微分方程,【例2-2】弹簧-质量-阻尼系统如图2-2所示，其中F（t）为外作用力，m为物体M的质量，k为弹簧的弹性系数，f是阻尼器的阻尼系数，y（t）为物体的位移，试建立以外作用力F（t）为输入，物体M的位移y（t）为输出的微分方程关系式。

解由系统结构及牛顿第二定律有,消去中间变量有,31,如果令,则可将微分方程式标