自動(dòng)控制原理 第3版 PPT課件 第1章

自動(dòng)控制原理（第3版）孟華主編機(jī)械工業(yè)出版社普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材

遼寧省“十二五”普通高等教育本科省級(jí)規(guī)劃教材第1章自動(dòng)控制的基本概念自動(dòng)控制原理2第1章自動(dòng)控制的基本概念

本章介紹自動(dòng)控制的基本概念、自動(dòng)控制系統(tǒng)的構(gòu)成和特點(diǎn)、自動(dòng)控制系統(tǒng)的幾種類型等。

1.1概述1.2自動(dòng)控制的基本原理1.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本控制方式1.4控制系統(tǒng)的分類1.5對(duì)控制系統(tǒng)性能基本要求習(xí)題自動(dòng)控制原理320世紀(jì)40年代“經(jīng)典控制理論”正式誕生，代表作是維納（Wiener）1948年發(fā)表的《控制論》（CyberneticsorControlandCommunicationintheAnimalandMachine）。

“經(jīng)典控制理論”以傳遞函數(shù)為數(shù)學(xué)工具，研究對(duì)象主要是單輸入單輸出線性的一類自動(dòng)控制系統(tǒng)。60年代初，第一顆人造衛(wèi)星上天，太空飛船成功登月，催生了“現(xiàn)代控制理論”。

“現(xiàn)代控制理論”以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，主要研究多輸入多輸出、時(shí)變、非線性控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問題。1.1概述自動(dòng)控制原理41.2自動(dòng)控制的基本原理1.2.1自動(dòng)控制系統(tǒng)舉例(1)溫度控制系統(tǒng)

自動(dòng)控制原理5

(2)位置隨動(dòng)系統(tǒng)1.2自動(dòng)控制的基本原理自動(dòng)控制原理61.2自動(dòng)控制的基本原理

被控對(duì)象：它接受控制量并輸出被控量測(cè)量裝置：它把被控對(duì)象的被控量檢測(cè)出來比較裝置：它把測(cè)量信號(hào)與給定信號(hào)比較，得到偏差計(jì)算裝置：可以進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)算，決定系統(tǒng)性能的好壞放大裝置：經(jīng)過計(jì)算處理的信號(hào)通常是弱信號(hào)，不能驅(qū)動(dòng)被控制對(duì)象，由它進(jìn)行放大執(zhí)行裝置：它推動(dòng)被控對(duì)象的被控量發(fā)生變化自動(dòng)控制原理71.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本控制方式

1.3.1開環(huán)控制開環(huán)控制方式是指控制裝置與被控對(duì)象之間只有順向作用而沒有反向聯(lián)系的控制過程。(1)按給定值操作的開環(huán)控制系統(tǒng)(2)按干擾補(bǔ)償?shù)拈_環(huán)控制系統(tǒng)這種控制系統(tǒng)只能對(duì)可測(cè)干擾進(jìn)行補(bǔ)償。自動(dòng)控制原理81.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本控制方式（續(xù)）

1.3.2閉環(huán)控制信號(hào)沿著測(cè)量、控制（比較計(jì)算、放大）、執(zhí)行控制、被控對(duì)象、再到測(cè)量、再到比較控制、…，形成一個(gè)閉合回路，由于對(duì)被控量進(jìn)行測(cè)量，系統(tǒng)存在偏差信號(hào)和閉合回路，所以稱為按偏差調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制，或稱為反饋控制。1.3.3復(fù)合控制復(fù)合控制系統(tǒng)是閉環(huán)控制系統(tǒng)與按擾動(dòng)補(bǔ)償?shù)拈_環(huán)系統(tǒng)相結(jié)合的一種自動(dòng)控制系統(tǒng)。自動(dòng)控制原理91.4自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類

1.4.1按輸入信號(hào)特征分類

(1)恒值控制系統(tǒng)

(2)程序控制系統(tǒng)

(3)隨動(dòng)控制系統(tǒng)（又稱伺服系統(tǒng)）1.4.2按系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型分類線性系統(tǒng)中各元件的靜特性為直線。

線性系統(tǒng)有兩個(gè)重要特性——疊加性和齊次性

1)疊加性：如果用c1(t)表示由r1(t)產(chǎn)生的輸出，用c2(t)表示由r2(t)產(chǎn)生的輸出，則當(dāng)r1(t)和r2(t)同時(shí)作用時(shí)，輸出量為c1(t)+c2(t)

。

2)齊次性：如果用c(t)表示由r(t)產(chǎn)生的輸出量，則在Kr(t)作用下的輸出量為Kc(t)。(1)線性系統(tǒng)自動(dòng)控制原理101.4控制系統(tǒng)的分類（續(xù)）(2)非線性系統(tǒng)

系統(tǒng)中只要某一部件具有非線性特性就是非線性系統(tǒng)。非線性系統(tǒng)的特點(diǎn)是不滿足疊加原理。圖中分別為繼電器、死區(qū)、飽和、間隙特性，還有大量的其它非線性特性。

(a)(b)(c)(d)自動(dòng)控制原理111.4控制系統(tǒng)的分類（續(xù)）1.4.4按系統(tǒng)參數(shù)特性分類(1)定常系統(tǒng)系統(tǒng)參數(shù)在系統(tǒng)運(yùn)行過程中相對(duì)于時(shí)間是不變的。(2)時(shí)變系統(tǒng)系統(tǒng)參數(shù)是時(shí)間t的函數(shù)。1.4.3按時(shí)間變量特性分類

(1)連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)：控制系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的輸入量和輸出量均為時(shí)間t的連續(xù)函數(shù)。(2)離散時(shí)間系統(tǒng)：系統(tǒng)中只要一處信號(hào)是脈沖序列或數(shù)字編碼。自動(dòng)控制原理121.5對(duì)控制系統(tǒng)性能的基本要求1.5.1穩(wěn)定性當(dāng)系統(tǒng)受到干擾后，系統(tǒng)的輸出c(t)可能出現(xiàn)增幅振蕩或單調(diào)增長(zhǎng)現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為不穩(wěn)定現(xiàn)象，這樣的系統(tǒng)稱為不穩(wěn)定系統(tǒng)。

(a)(b)在分析和設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，需要有一個(gè)評(píng)價(jià)控制系統(tǒng)性能優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)，通常用性能指標(biāo)來表示。對(duì)于線性定常系統(tǒng)，經(jīng)典控制理論所使用的性能指標(biāo)主要包括三方面內(nèi)容：穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性。自動(dòng)控制原理131.5對(duì)控制系統(tǒng)的性能要求（續(xù)）1.5.2快速性

當(dāng)系統(tǒng)輸入信號(hào)r(t)為階躍函數(shù)時(shí)，其輸出信號(hào)c(t)稱為階躍響應(yīng)。圖為某自動(dòng)控制系統(tǒng)在階躍輸入r(t)作用下的輸出響應(yīng)曲線c(t)。在控制系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，總是希望響應(yīng)越快越好，而且超調(diào)量越小越好。自動(dòng)控制原理141.5對(duì)控制系統(tǒng)的性能要求（續(xù)）1.5.3準(zhǔn)確性

控制系統(tǒng)在穩(wěn)定的情況下，希望的輸出與實(shí)際的輸出之差稱為誤差，誤差的穩(wěn)態(tài)分量稱為穩(wěn)態(tài)誤差（或稱為靜態(tài)誤差），一般用ess表示。

自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)分別描述了系統(tǒng)在穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)性能三個(gè)方面的要求，根據(jù)這些性能指標(biāo)，就可以判別系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。自動(dòng)控制原理151.6MATLAB在控制系統(tǒng)研究中的應(yīng)用MATLAB是目前較為廣泛使用的科學(xué)計(jì)算與仿真軟件，可以方便地完成控制系統(tǒng)建模、分析和設(shè)計(jì)中各種復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的仿真運(yùn)行。本書在各章的最后一節(jié)，將使用MATLAB的基本程序和控制系統(tǒng)工具箱，通過調(diào)用函數(shù)和命令，給出控制系統(tǒng)分析與研究應(yīng)用實(shí)例。1.MATLAB的特點(diǎn)與典型應(yīng)用MATLAB的特點(diǎn)是語言簡(jiǎn)潔緊湊，方便靈活，程序書寫形式自由，語法規(guī)則簡(jiǎn)單。MATLAB另一特點(diǎn)是庫(kù)函數(shù)極其豐富，且源文件對(duì)用戶開放。很多專家用它編寫了許多專門的MATLAB工具箱，工具箱中集成了用于擴(kuò)展基本程序功能的M文件，在控制理論領(lǐng)域里，有控制系統(tǒng)工具箱、系統(tǒng)辨識(shí)工具箱、信號(hào)處理工具箱、魯棒控制工具箱、最優(yōu)化工具箱等。自動(dòng)控制原理161.6MATLAB在控制系統(tǒng)研究中的應(yīng)用2.控制系統(tǒng)工具箱和Simulink軟件包控制系統(tǒng)工具箱是針對(duì)控制系統(tǒng)分析與工程設(shè)計(jì)函數(shù)和工具的集合，其函數(shù)主要采用M文件形式，為控制系統(tǒng)模型建立、分析、仿真提供了豐富的函數(shù)和簡(jiǎn)便的圖形用戶界面，基本涵蓋了經(jīng)典控制理論的全部?jī)?nèi)容和部分現(xiàn)代控制理論的內(nèi)容。Simulink是在MATLAB下面向框圖的仿真軟件，為用戶提供了一個(gè)對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的交互環(huán)境。自動(dòng)控制原理17本章小結(jié)

本章簡(jiǎn)要介紹了控制理論發(fā)展過程，從工程實(shí)例出發(fā)闡述了自動(dòng)控制的定義，自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成和常用術(shù)語，如被控對(duì)象、被控量（輸出量）、給定值（參考輸入）、干擾量、反饋通路和前向通路等。