自动控制原理简介.ppt

自动控制理论Automatic Control Theory胡寿松胡寿松 著著 课程简介 n目的与任务目的与任务§ 使学生对于线性控制理论的原理和方法有坚实的基础； § 对于自动化和自动控制中的物理问题有一般性了解；§ 掌握线性系统的分析与设计的思想与主要常用方法n在学科中的地位在学科中的地位§ 控制工程学科的理论基础课§本课程的基础课程:高等数学、工程数学、理论力学、电子技术、电路、电机学§其后续课程是电力拖动自动控制系统、计算机控制技术、过程控制等专业性和工程性更强的课程n课程的性质课程的性质§ 工程分析与设计的基础；§ 工程分析与设计的一部分；§ 一种具有交叉性质的课程 课程计划（100h)本学期本学期(72h)第一章一般概念(4h)第二章数学模型(8h)第三章时域分析(10h)第四章根轨迹(8h)第五章频域分析(12h)第六章系统校正(10h)第九章状态空间法(12h)实验(8h)下学期下学期(28h)第七章离散系统第八章非线性系统一周课程设计参考书参考书n自动控制原理　　　胡寿松　科学出版社自动控制原理　　　胡寿松　科学出版社n自动控制理论基础自动控制理论基础 戴忠达戴忠达 清华大学出版社清华大学出版社n自动控制系统分析与设计　张子旭自动控制系统分析与设计　张子旭n自动控制原理自动控制原理 李友善李友善 国防工业出版社国防工业出版社 n现代控制工程现代控制工程 绪方胜彦绪方胜彦 科学出版社科学出版社n自动控制理论自动控制理论 夏德钦夏德钦 机械工业出版社机械工业出版社n自控理论基础　自控理论基础　 李瑞棠　西安电子科大李瑞棠　西安电子科大n自动化学报　　　　　　　　期刊自动化学报　　　　　　　　期刊 n Matlab软件及有关的工具书软件及有关的工具书n自动控制原理学习与习题解答自动控制原理学习与习题解答/程鹏程鹏 [编著编著]  高等教育出版社高等教育出版社, 2004, TP13/110fn自动控制原理自动控制原理/李友善编著李友善编著3版版 国防工业出版社国防工业出版社, 2005,TP13/111-3n自动控制原理学习指导自动控制原理学习指导/姚佩阳主编姚佩阳主编清华大学出版社清华大学出版社, 2005, TP13-43/7f n自动控制原理自动控制原理(第四版第四版)导教导教·导学导学·导考导考/刘慧英主编刘慧英主编西北工业大学出版社西北工业大学出版社, 2004, TP13/106n自动控制原理自动控制原理/卢京潮主编卢京潮主编; 西北工业大学出版社西北工业大学出版社, 2004, TP13/117n自动控制原理试题精选题解自动控制原理试题精选题解/王敏主编王敏主编华中科技大学出版社华中科技大学出版社, 2002, TP13/92 n自动控制原理习题集自动控制原理习题集/胡寿松主编胡寿松主编科学出版社科学出版社, 2003, TP13/37-2:3 nhttp://neu-外文教参nAutomatic Control Systems(Eighth Edition),Benjamin C. Kuo, 高等教育出版社，2003年12月。

nModern Control Systems (Ninth Edition)，Richard C. Dorf, Robert H. Bishop,科学出版社，2002nLinear Control Systems Engineering,Morris Driels, 清华大学出版社McGraw-Hill,2000年12月nIntroduction to Control Systems(3rd Edition),D.K. Anand, R.B.Zmood, 世界图书出版社，2000年6月 nLinear Control System Analysis and Design,John J.D'Azzo, Constantine H.Houpis,清华大学出版社，2000年12月nDigital Control Systems，B.C.Kuo， New York，Holt，Rinehart and Winston，Inc.1980学习方法学习方法n上课记笔记，下课及时复习，作业独立完成上课记笔记，下课及时复习，作业独立完成n应用数学工具分析解决工程问题应用数学工具分析解决工程问题n思维方法思维方法 ：： 抽象抽象 综合综合 其他注意事项其他注意事项n实验：实验： 模拟实验（控制理论实验室模拟实验（控制理论实验室1#205））n实验后一周内交报告实验后一周内交报告（（没有预习报告不能进入实验室没有预习报告不能进入实验室））nMatlab（（自己上机做）自己上机做）n作业：作业： 每章交一次每章交一次n答疑：每周一次答疑：每周一次n考试：笔试考试：笔试70%，平时，平时20%，实验，实验10%1自动控制的一般概念Basic concept of the automatic control•自动控制的基本问题自动控制的基本问题•自动控制系统的分类自动控制系统的分类•自动控制系统的组成和常用术语自动控制系统的组成和常用术语•典型自动控制系统典型自动控制系统1.1 自动控制的基本问题Basic problem of the automatic controln自动控制系统的定义和研究内容自动控制系统的定义和研究内容n自动控制理论的发展历史自动控制理论的发展历史n自动控制的主要任务自动控制的主要任务n自动控制研究的基本方法自动控制研究的基本方法 一、 自动控制系统的定义和研究内容自动控制系统的定义和研究内容n系统系统：：主要指工程领域中由机电光磁等信号控制的主要指工程领域中由机电光磁等信号控制的 物理装置。

物理装置n自动控制自动控制：：在没有人直接参与的情况下，利用外加在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），机器、的设备或装置（称控制装置或控制器），机器、 设设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行数（即被控量）自动地按照预定的规律运行n自动控制系统自动控制系统：：具有自动控制的设备或装置具有自动控制的设备或装置n自动控制理论自动控制理论：：研究自动控制共同规律的技术科学研究自动控制共同规律的技术科学n自自动动控控制制研研究究的的核核心心内内容容：：就就是是系系统统的的性性能能控控制系统的性能主要是指它的稳定性、快速性与准确性制系统的性能主要是指它的稳定性、快速性与准确性二二、自动控制理论的发展历史、自动控制理论的发展历史n自自动动控控制制系系统统的的早早期期应应用用可可追追溯溯到到两两千千多多年年前前古古埃埃及及的的水水钟钟和和中国汉代的指南针控制中国汉代的指南针控制n远在远在1788年，瓦特最早使用旋转球盖控制汽轮机速度的阀门年，瓦特最早使用旋转球盖控制汽轮机速度的阀门。

n二二次次世世界界大大战战，，自自动动控控制制在在军军事事上上得得到到充充分分的的利利用用和和发发展展，，如如飞飞机机和和船船舶舶的的自自动动驾驾驶驶仪仪、、火火炮炮自自动动定定位位系系统统，，雷雷达达跟跟踪踪等等基基于反馈原理的军事装备于反馈原理的军事装备n1））四四十十年年代代，，以以传传递递函函数数为为基基础础的的经经典典控控制制理理论论，，主主要要研研究究单输入单输入—单输出（单输出（SISO））线性定常系统的分析与设计问题；线性定常系统的分析与设计问题；n2））六六十十年年代代，，以以状状态态方方程程为为基基础础的的现现代代控控制制理理论论，，主主要要研研究究多输入多输入—多输出（多输出（MIMO））多变量系统的分析与设计问题；多变量系统的分析与设计问题；n3））近近几几十十年年来来，，以以跨跨越越学学科科界界线线，，以以控控制制论论、、信信息息论论、、仿仿生生学学为为基基础础的的智智能能控控制制理理论论的的深深入入，，出出现现许许多多理理论论及及工工程程应应用用研研究的热门话题如大系统、究的热门话题如大系统、H∞控制理论等控制理论等哈勃太空望远镜指向控制系统火星探测器转向控制系统化工流程控制三三、、自动控制的主要任务自动控制的主要任务n主要任务是自动控制系统的分析与设计主要任务是自动控制系统的分析与设计。

n分析分析--------对物理上或者方案上已经存在的控制对物理上或者方案上已经存在的控制系统的性能进行研究系统的性能进行研究n设计设计--------运用自动控制理论以及有关学科的工运用自动控制理论以及有关学科的工程知识，构成满足一定性能要求的控制系统或程知识，构成满足一定性能要求的控制系统或者是原有控制装置运行状况需要改善，而设计者是原有控制装置运行状况需要改善，而设计一种校正装置一种校正装置 n分析分析、、设计与建立数学模型设计与建立数学模型称为自动控制称为自动控制三个基本问题三个基本问题四、自动控制研究的基本方法n理论性研究理论性研究n实验性研究实验性研究n多采用理论性方法多采用理论性方法 理论性方法是指对系统的数学模型进行分析与计算的方法，这种“模型化方法”是控制论主要方法之一 两者并不相互独立而是相互补充1.2 自动控制系统的分类 Types of the automatic control systemn开环控制系统与闭环控制系统n定值调节系统与随动系统n连续系统与离散系统nSISO与MIMO系统n线性系统与非线性系统n确定性系统与不确定性系统System ModelsnLinear vs. non-linear (differential eq.)neg, nPrinciple of superpositionnDeterministic vs. StochasticnTime-invariant vs. Time-varyingnAre coefficients functions of time?nContinuous-time vs. Discrete-time开环与闭环控制开环与闭环控制系统系统 n开环控制系统开环控制系统(open loop control system)(open loop control system)：： 对被控物理量不具备感知能力，也就是不能按预期运动规律控制被控对象，对被控物理量不具备感知能力，也就是不能按预期运动规律控制被控对象，这也是其主要缺点。

这也是其主要缺点n在控制器与被控对象之间在控制器与被控对象之间只有正向控制作用而没有反馈控制作用只有正向控制作用而没有反馈控制作用，，即系统即系统的输出量对输入量没有影响输入量直接送入控制器，产生控制量作用于的输出量对输入量没有影响输入量直接送入控制器，产生控制量作用于被控对象，从而改变被控制量被控对象，从而改变被控制量n特点：特点：系统简单，成本低，一般用于要求不高场合系统简单，成本低，一般用于要求不高场合n闭环控制系统闭环控制系统(closed loop system,(closed loop system,又称反馈控制系统又称反馈控制系统,feedback control system),feedback control system) 对被控物理量的实际运动有感知能力，并把感知能力的实际运动信息（称对被控物理量的实际运动有感知能力，并把感知能力的实际运动信息（称信号）馈送去与预定运动规律相比较，用比较后的信号（差值）去控制被信号）馈送去与预定运动规律相比较，用比较后的信号（差值）去控制被控对象 优点优点：能够具有快的动态相应和较好的稳态精度，抗干扰能力强等能够具有快的动态相应和较好的稳态精度，抗干扰能力强等。

缺点缺点：是可能给系统惯性不匹配产生振荡甚至不稳定是可能给系统惯性不匹配产生振荡甚至不稳定1.3 自动控制系统的组成和常用术语Construction of the automatic control systemPlantControllerSDisturbanceTransducer+–Reference ValueActuatorOutput Value1.4自动控制系统的衡量标准Standard judging of the automatic control system稳稳Stability————基本要求；基本要求；准准Accuracy————稳态要求：稳态误差要小；稳态要求：稳态误差要小；快快Rapidity————动态要求：超调量要小，调节动态要求：超调量要小，调节 时间要短时间要短典型作用信号Typical test signals n阶跃信号n脉冲信号n斜坡信号n加速度信号n正弦信号系统瞬态响应系统瞬态响应the transient response tdtrtptsMp=maximum overshoot1.5 典型自动控制系统1 1露滴式计时器露滴式计时器露滴式计时器方框图给定信号给定信号执行器执行器控制器控制器被控量被控量被控对象被控对象1.5 典型自动控制系统2 2锅炉液位控制系统锅炉液位控制系统P91.5 典型自动控制系统3位置控制系统位置控制系统1.5 1.5 典型自动控制系统典型自动控制系统4 4电阻炉温度微机控制系统电阻炉温度微机控制系统P9P95龙门刨床速度控制系统龙门刨床速度控制系统P31自动控制的一般概念总结n1．自动控制:在没有人直接参与的情况下，利用控制装置，使被控对象的被控量自动按预定规律运行。

n2．控制系统的组成:被控对象、控制器 、检测装置、执行器 n3．负反馈控制原理:将系统输出信号引回输入端，与输入信号相比较，利用所得的偏差信号进行控制，使偏差减小或消除，从而使被控变量趋于设定量n4．控制系统分类： ① 按控制方式分：开环控制、闭环控制、复合控制 ② 按输入信号：恒值控制系统、随动系统、程序控制系统 ③ 按系统输入输出多少：SISO、MIMO ④ 按系统的性能分类：线性系统与非线性系统、连续系统和离散系统、确定性系统和非确定性系统.n5．对控制系统的基本要求 稳——基本要求； 准——稳态要求：稳态误差要小； 快——动态要求：超调量要小，调节时间要短n6.实际控制系统抽象框图被控变量、调节量、被控对象、可能的干扰、系统框图。