武汉理工大学自动控制原理课件.ppt

1自动控制理论陈启宏 教授 E-mail: chenqh@武汉理工大学自动化学院武汉理工大学自动化学院2教材与参考书l教材胡寿松，自动控制原理 ，北京：科学出版社，2001l参考书p夏德钤，自动控制原理 ，北京：机械工业出版社p John J.D'azzo, Linear Control System Analysis and Design. 北京：清华大学出版社影印版 3考核方式n考试成绩：70%n平时成绩：30％n考勤：10％n作业：10％n实验：10％4第一章 自动控制的一般概念一. 自动控制的概念及应用n1.控制：是使某些物理量按指定的规律变化（包括保持恒 定），以保证生产的安全性，经济性及产品质量等要求 的技术手段n2.自动控制：就是应用自动化仪表或控制装置代替人，自 动地对机器设备或生产过程进行控制，使之达到预期的 状态或性能要求1-1 引言5n3. 自动控制的应用●锅炉设备的压力和温度自动保持恒定●数控机床按照预定的程序自动地切削工件●导弹发射与制导系统，自动地使导弹攻击敌方目标●无人驾驶飞机按照预定航迹自动升降和飞行●人造卫星准确地进入预定轨道运行并回收自动控制技术的应用范围已扩展到生物、医学、环 境、经济管理和其它许多社会生活领域中，自动控制已 成为现代社会活动中不可缺少的重要组成部分。

二.自动控制理论的发展1.经典控制理论640~50年代形成 适用于SISO（单输入－单输出）系统 基于：二战军工技术目标：反馈控制系统的稳定 基本方法：传递函数，频率法，PID调节器 (频域)2.现代控制理论60~70年代形成 适用于MIMO （多输入－多输出）系统 基于： 冷战时期空间技术，计算机技术目标：最优控制基本方法：状态空间表达式71-2 自动控制系统的基本概念一.自动控制系统自动控制系统是指由控制装置与被控对象结合起 来的，能够对被控对象的一些物理量进行自动控 制的一个有机整体n1.被控对象：要求实现自动控制的机器设备或生 产过程n2.被控制量：指被控制系统所要控制的物理量， 一般指系统的输出量8n3.给定值：根据系统要求，被控制量需要达 到的数值n4.扰动：破坏控制量与被控制量之间正常函 数关系的因素，称为系统的扰动给定值和扰动通称为输入量n5.控制装置：能够对被控对象起控制作用的 设备总称9二、自动控制理论研究自动控制共同规律的技术科学三、反馈控制原理控制装置对被控对象施加的控制作用 ，是取自被控量的反馈信息，用来不断 修正被控量与输入量之间的偏差，从而 实现对被控对象进行控制的任务。

10反馈控制系统组成n给定元件：给出与系统输出量希望值相对应的系统输 入量n测量元件：测量系统输出量的实际值，并把输出量的 量纲转化成与输入量相同n比较元件：比较系统的输入量和主反馈信号，并给出 两者之间的偏差n放大元件：对微弱的偏差信号进行放大和变换，使之 具有足够的幅值和功率，以适应执行元件动作的要求 n执行元件：根据放大后的偏差信号产生控制、动作， 操作系统的输出量，使之按照输入量的变化规律而变 化 11四、自动控制系统基本控制方式1、开环控制方式指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过程特点：系统的输出量不会对系统的控制 作用发生影响12例1.下面是一个具体的开环控制系统的例子， 直流电机转速控制系统电位器（产生给定电 压ur）如果0~10V转速0~1000转方框图为 ： 电位器电压 放大器可控硅 功放直流 电动机Purukn扰动ua132、闭环控制方式输出量与输入量之间有反向联系，靠输入量 与主反馈信号之间的偏差对输出量进行控制反馈：是把系统输出量全部或一部分回送到 输入端，以增强或减弱输入信号的效应14例2 引入闭环控制后的直流电机转速控制系统15引入测速发电机，这时电压放大器的输入 ，如果外来 的电网电压波动使电机的转速n ，则由测速发电机确定的 则 则uk ，ua 则n ，消除了偏差，控制转速稳定。

——负反馈方框图同开环系统相比，该系统由于干扰引起的转速误差要小得多如果极性接错，这时电压放大器的输入 ，如果外来的电 网电压波动使电机的转速n ，则由测速发电机确定的 则 则uk ，ua 则n ，则转速越来越大，电动机损坏 ，失去控制——正反馈电位器电压 放大器可控硅 放大器直流 电动机测速机Purubuk-n扰动 ua16正反馈不能用于控制系统，用途——振荡器（正弦信号发生器）• 起增强输入信号作用——正反馈 • 起减弱输入信号作用——负反馈 • 正反馈不能进行控制，会使系统的偏差越来越大 • 只有负反馈控制系统才能完成自动控制的任务 • 负反馈控制系统最大的特点：检测偏差，纠正偏差——按偏差控制例3.我们在日常生活中经常遇到的抽水马桶，也是一 个典型的闭环控制系统17水箱原来处于一个平衡状态，q1(t)=q2(t)=0如果打开阀门，冲 水，冲好后关上阀门，h(t)发生变化，水位下降， △h变大，通 过浮子反馈到执行机构机械杠杆带动活塞打开， q1(t)变大， 使△h 变小，浮子上浮，活塞也上升，直至达到新的平衡。

18原理方框图： 这就是负反馈控制系统，检测偏差，然后进行调 节，使偏差减小，最后直至消除偏差 ——按偏 差控制 19n开环控制系统：1. 结构简单经济2.调试方便3.抗干扰能力差，控制精度不高n闭环控制系统：1.系统具有纠正偏差的能力2.抗扰性好，控制精度高3.包含元件多，结构复杂，价格高 4.参数应选择适当n开环＋闭环＝复合控制系统（兼有两者的优点， 精度很高） 五.开环与闭环系统的比较201-3 自动控制系统的分类 一.分类n1. 按给定值的形式划分a.定值控制系统l输入量是恒定的常值l任务：在各种扰动作用下都能使输出量保持在恒定希望值附近l例：恒温、水位、恒压控制系统b.随动系统（也叫伺服系统，跟踪系统）l特点：系统的输入量是事先未知的任意时间函数l任务：使输出量迅速、准确地跟随输入量的变化l例：飞机和舰船的操舵系统，雷达自动跟踪系统c.程序控制系统l特点：输入量按照给定的程序变化l任务：使输出量按预先给定的程序指令而动作l例：数控车床和机器人控制系统定值控制系统实例：炉温自动控制系统21方框图电位器电压及 功率放大器直流执行 电动机减速器调压器电炉热电偶Truruεuanθn(t)Tcubu由于元件存在不灵敏区，只有偏差电压大到一定数值 后电机才转动，进行控制，所以，控制精度只能保持 在设定值 ±50 C22n3.按系统的特性分类a.线性系统(具有叠加性和齐次性，可以用线性微分方程 来描述)b.非线性系统（不适用叠加原理，用非线性方程来描述 ）n4.按信号的形式分类a.连续控制系统b.离散控制系统231-4 对控制系统的基本要求尽管每个控制系统可能都有不同的特殊要求，但对每一 类系统被控量变化全过程提出的共同要求都是一样的，而且 可以归结为稳定性、快速性、准确性，即稳、准、快三个要 求。

一、基本要求24理想的调节过程是：出现偏差后，执行机构突然动作， 使输出量立即达到新的平衡状态，调节过程瞬时完成，实际 上这是不可能的，因为什么呢？惯性！t01输入r(t)t01输入c(t)12理想的 调节过程实际当一个控制系统的输入信号突然发生跳变时，这时输出 量还处在原有的平衡状态，这样就出现了偏差，这个偏差 控制输出量达到新的平衡，这就是一个调节过程25整个调节过程分为两个阶段:na.过渡过程 反映系统的动态特性输出量处于激烈变 化之中）nb.稳态过程 反映系统的稳态特性输出量稳定在新的 平衡状态，并保持不变 阴影部分表示的是实际调节过程与理想调节过程的差异， 差异越小，系统的调节质量越高26n稳定性（基本要求 ）：就是指系统重新恢复 平稳状态的能力，即过渡过程的收敛情况n快速性：指过渡过程进行的时间长短n准确性：指过渡过程结束后稳态误差越小越好 稳态误差：指过渡过程结束后，也就是进入 稳态过程后，希望的输出量与实际输出量之间 的误差，是衡量系统稳态精度的重要指标27n1.选取原则（1）在现场及实验中容易产生 （2）系统在工程中经常遇到，并且是最不利的外作用 （3）数学表达式简单，便于理论分析。

n2.阶跃函数（1）数学表达式二.典型外作用：为了能对不同的控制系统的性能用统一的标准来恒量， 通常需要选择几种典型的外作用28（2）图形：3.斜坡函数 （也叫速度函数） 29（1）数学表达式 （2）图形：如R=1,叫单位速度函数，表示从t=0时刻，以恒速R变化30n4.加速度函数（1）数学表达式(2)图形R=1叫单位加速度函数表示从t=0时刻开始，以恒加速 度R变化31n5.脉冲函数（1）矩形脉冲函数数学表达式(2)图形： 32(3)数学表达式为但脉冲函数在现实中是不存在的，只是数学上的定义， 在现实系统中常把作用时间很短，幅值很大而强度有限 的一些外作用近似看作脉冲函数当A=1时，称为单位脉 冲函数，记作δ(t),强度为A的脉冲函数r(t)表示成 r(t)=Aδ(t)n6.正弦函数（1）数学表达式33A为振幅，w=2πf 为正弦函数的角频率，这里，初始相 角φ=0，如果初始相角φ不等于0，那么正弦函数r(t)的 表达式为：r(t)=Asin(wt-φ)(2).图形34作业P16 1-1, 1-2。