第一章自控概念教学课件

自动控制是一门技术学科，从方法论的角度来研究系统的自动控制是一门技术学科，从方法论的角度来研究系统的建立、分析与设计。建立、分析与设计。自动控制理论的基础课程自动控制理论的基础课程 ，该课程与其它课程的关系。，该课程与其它课程的关系。微积分（含微分方程微积分（含微分方程）电机与拖动电机与拖动模拟电子技术模拟电子技术线性代数线性代数电路理论电路理论信号与系统信号与系统自自动控制理控制理论复变函数、积分变换复变函数、积分变换大学物理（力学、热力学）大学物理（力学、热力学）讨论的对象：因果系统讨论的对象：因果系统 、工程系统、工程系统系统的广义性：经济、社会、工程、生物、环系统的广义性：经济、社会、工程、生物、环境、医学境、医学 课程特点：研究系统的共性问题课程特点：研究系统的共性问题 实际实际系统系统物理物理模型模型数学数学模型模型方法（系统组成方法（系统组成分析、设计分析、设计经典控制理论经典控制理论(古典控制理论古典控制理论)以以传递函数传递函数为基础，研究为基础，研究单输入单输入-单输出单输出定常控制系统的分析与设计问题：定常控制系统的分析与设计问题：线性控制系统分析：时域分析、稳定性与稳线性控制系统分析：时域分析、稳定性与稳态误差分析、根轨迹分析、频域分析。态误差分析、根轨迹分析、频域分析。非线性控制系统分析：相平面分析、描述函非线性控制系统分析：相平面分析、描述函数分析。数分析。（连续控制系统、离散控制系统）（连续控制系统、离散控制系统）通常，在自动控制技术中，把工作的机器设通常，在自动控制技术中，把工作的机器设备称为被控对象，把表征这些机器设备工作备称为被控对象，把表征这些机器设备工作状态的物理参量称为被控量，而对这些物理状态的物理参量称为被控量，而对这些物理参量的要求值称为给定值或希望值（或参考参量的要求值称为给定值或希望值（或参考输入）。则控制的任务可概括为：使被控对输入）。则控制的任务可概括为：使被控对象的被控量等于给定值。象的被控量等于给定值。1.11.1自动控制的任务自动控制的任务下面通过具体例子来说明自动控制和自动控制系统的概念控制器气动阀门流入Q1浮子水箱流出 Q2H水位自动控制系统水位自动控制系统眼手脑水位人工控制系统水位人工控制系统控制任务：维持水箱内水位恒定；维持水箱内水位恒定；控制装置：手，脑气动阀门、控制器；气动阀门、控制器；受控对象：水箱、供水系统；水箱、供水系统；被控量：水箱内水位的高度；水箱内水位的高度；眼手脑水位人工控制系统水位人工控制系统给定值：控制器刻度盘指针标定控制器刻度盘指针标定的预定水位高度；的预定水位高度；测量装置：眼浮子；浮子；比较装置：控制器刻度盘；控制器刻度盘；干扰：水的流出量和流入量的水的流出量和流入量的变化都将破坏水位保持变化都将破坏水位保持恒定；恒定；眼手脑水位人工控制系统水位人工控制系统人工控制：眼、脑、手、水箱+阀门水位控制工作原理水位控制工作原理自动控制：传感器、控制器、执行器、水箱+阀门人脑手水箱系统眼h控制器执行器水箱系统传感器h自动控制即没有人直接参与的控制，其基本任务是：自动控制即没有人直接参与的控制，其基本任务是：在无人直接参与的情况下，只利用控制装置操纵被控在无人直接参与的情况下，只利用控制装置操纵被控对象，使被控制量等于给定值。对象，使被控制量等于给定值。自动控制系统：指能够完成自动控制任务的设备，一般由控制装置和被控对象组成。由此可见：一、反馈控制一、反馈控制反反馈馈：将将输输出出量量通通过过一一定定的的方方式式送送回回到到输输入入端端，并与输入信号比较产生偏差信号过程称为反馈并与输入信号比较产生偏差信号过程称为反馈负反馈负反馈：输入信号：输入信号反馈信号（输出信号）反馈信号（输出信号）输出偏差减小输出偏差减小正反馈：输入信号正反馈：输入信号+反馈信号反馈信号反馈控制、闭环控制反馈控制、闭环控制按偏差进行控制按偏差进行控制前向通路：从输入端沿箭头方向到输出端的传输通路主反馈通路：输出经过测量元件到达输入端的通路主回路：前向通路+主反馈通路内回路：局部前向通路+局部反馈通路单回路系统、多回路系统反馈控制系统受到的外部作用：1.参考（有用）输入：决定系统被控量的变化规律2.扰动：系统外部扰动、系统内部扰动测量元件串联校正反馈校正执行元件放大元件被控对象局部反馈主反馈输入量输出量飞机自动驾驶系统原理图控制任务：系统在任何扰动作用下，保持飞机俯仰角不变。被控对象：飞机。被控量：飞机的俯仰角 。俯仰角控制系统原理方框图反馈控制方式反馈控制方式 ：按偏差进行控制，较高的动静态控制性能；：按偏差进行控制，较高的动静态控制性能；结构、线路复杂，系统分析与设计较复杂。结构、线路复杂，系统分析与设计较复杂。开环控制（顺序控制）：系统输出量对系统的输入量不产生开环控制（顺序控制）：系统输出量对系统的输入量不产生影响，结构简单、调整方便、成本低。影响，结构简单、调整方便、成本低。包括：包括：1.1.按给定量控制的开环控制系统按给定量控制的开环控制系统 2.2.按扰动控制的开环控制系统按扰动控制的开环控制系统复合控制方式：开环控制和闭环控制相结合的一种控制。复合控制方式：开环控制和闭环控制相结合的一种控制。计算执行受控对象给定值干扰被控量按给定值操纵的开环控制系统原理方框图开环控制系统的输出端与输入端之间不存在反馈回路，输出量对系统的控制作用没有影响。炉温控制系统炉温控制系统原理方框图定时开关炉子电阻丝按给定值操纵的开环控制特点：特点：控制装置只按给定值来控制受控对象控制装置只按给定值来控制受控对象优点：控制系统结构简单，相对来说成本低。优点：控制系统结构简单，相对来说成本低。缺点：缺点：对可能出现的被控量偏离给定值的偏差没有对可能出现的被控量偏离给定值的偏差没有任何修正能力，抗干扰能力差，控制精度不高。任何修正能力，抗干扰能力差，控制精度不高。q定义：利用干扰信号产生控制作用，以及时定义：利用干扰信号产生控制作用，以及时补偿干扰对被控量的直接影响。补偿干扰对被控量的直接影响。计算测量受控对象执行干扰被控量特点：只能对可测干扰进行补偿，对不可测干扰以及受控对象、各功能部件内部参数变化对被控量的影响，系统自身无法控制。适用于：存在强干扰且变化比较剧烈的场合。控制器气动阀门流入Q1浮子水箱流出 Q2H控制器执行器水箱系统传感器h扰动（Q1，Q2)三、复合控制复合控制就是开环控制和闭环控制相结合的一种控制。实质上，它是在闭环控制回路的基础上，附加了一个输入信号或扰动作用的顺馈通路，来提高系统的控制精度。控制装置被控对象 CR补偿装置a.按输入作用补偿b.按扰动作用补偿n控制装置被控对象 CR补偿装置这类系统可以用线形微分方程式描述，其一般形式为：系数系数a0，an，b0,bn是常数是常数时，称，称为定常系定常系统；系数；系数a0，an，b0,bn随随时间变化化时，称，称为时变系系统。线性定性定常常连续系系统按其按其输入量的入量的变化化规律又可分律又可分为恒恒值控制系控制系统、随、随动系系统和程序控制系和程序控制系统。1.2 自动控制系统的分类自动控制系统的分类222、线性定常离散控制系性定常离散控制系统 离散系离散系统是指系是指系统的某的某处或多或多处的信号的信号为脉冲序列或数脉冲序列或数码形式，因而信号在形式，因而信号在时间上是离上是离散的。离散系散的。离散系统一般用差分方程描述，其一般一般用差分方程描述，其一般形式可用下式表示：形式可用下式表示：23 系统中只要有一个元部件的输入输出特性是非线系统中只要有一个元部件的输入输出特性是非线性的，这类系统就称为非线性控制系统，性的，这类系统就称为非线性控制系统，非线性方程的非线性方程的特点是系数与变量有关，或者方程中含有变量及其导数特点是系数与变量有关，或者方程中含有变量及其导数的高次幂或乘积项的高次幂或乘积项：实际物理系统中都含有不同程度的非线性元部件，实际物理系统中都含有不同程度的非线性元部件，如放大器和电磁元件的饱和特性，运动部件的死区、间如放大器和电磁元件的饱和特性，运动部件的死区、间隙和摩擦特性等。隙和摩擦特性等。对于非线性程度不大的情况，可在一对于非线性程度不大的情况，可在一定范围内进行线性化。定范围内进行线性化。24定义：通常将系统受到给定值或干扰信号作用后，定义：通常将系统受到给定值或干扰信号作用后，控制被控量变化的全过程称为系统的动态过程。控制被控量变化的全过程称为系统的动态过程。工程上常从稳、快、准三个方面来评价控制系统。工程上常从稳、快、准三个方面来评价控制系统。稳：稳：指动态过程的平稳性。指动态过程的平稳性。快：快：指动态过程的快速性。指动态过程的快速性。准：准：指动态过程的最终精度。指动态过程的最终精度。返回子目录稳：指动态过程的平稳性控制系统动态过程曲线如上图所示，系统在外力作用下，输出逐渐与期望值一致，则系统是稳定的，如曲线所示；反之，输出如曲线所示，则系统是不稳定的。快：指动态过程的快速性快速性即动态过程进行的时间的长短。过程时间越短，说明系统快速性越好，反之说明系统响应迟钝，如曲线所示。稳和快反映了系统动态过程性能的好坏。既快又稳，表明系统的动态精度高。准：指系统在动态过程结束后，其被控量（或反馈量）指系统在动态过程结束后，其被控量（或反馈量）与给定值的偏差，这一偏差称为稳态误差，是衡量稳态与给定值的偏差，这一偏差称为稳态误差，是衡量稳态精度的指标，反映了系统后期稳态的性能。精度的指标，反映了系统后期稳态的性能。以上分析的稳、快、准三方面的性能指标往往由于以上分析的稳、快、准三方面的性能指标往往由于被控对象的具体情况不同，各系统要求也有所侧重，被控对象的具体情况不同，各系统要求也有所侧重，而且同一个系统的稳、快、准的要求是相互制约的而且同一个系统的稳、快、准的要求是相互制约的。为了便于用统一的方法研究和比较控制系统的性能，通常选用几种确定性函数作为典型外作用。可选作典型外作用的函数应具备以下条件：1)这种函数在现场或实验室中容易得到；2)控制系统在这种函数作用下的性能应代表在实际工作条件下的性能。3)这种函数的数学表达式简单，便于理论计算。(1)、阶跃函数函数常见外作用：电源电压跳常见外作用：电源电压跳变，负载增减等。变，负载增减等。29如雷达高射炮防空系统，当雷达跟踪的目标以恒定速率飞行时，可视为该系统工作于斜坡函数作用之下。(3)、脉冲函数、脉冲函数注意：脉冲函数注意：脉冲函数仅用于分析用于分析研究，研究，现实中并不存在。中并不存在。(4)、正弦函数、正弦函数更更为重要的是系重要的是系统在正弦函数作用下在正弦函数作用下的响的响应，即，即频率响率响应是自是自动控制理控制理论中研究系中研究系统性能的重要依据。性能的重要依据。30