自动控制基础模板课件.pptx

1、 xxx大学自动化学院大学自动化学院课程的性质和特点课程的性质和特点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。析与设计。自动控制理论自动控制理论电机与拖动模拟电子技术线性代数微积分（含微分方程）复变函数、拉普拉斯变换电路理论大学物理（力学、热力学）信号与系统2感谢你的观看2019年6月6课程基本情况课程基本情况学学 时：时： 4848学时（学时（3 3学分）学分）教教 材：材： 自动控制原理基础教程自动控制原理基础教程第三版第三版 胡寿松主编胡寿松主编参考书参考书: : 自动控制原理自动控制原理 吴吴 麒麒 自

2、动控制理论基础自动控制理论基础 戴忠达戴忠达 自动控制原理自动控制原理 李友善李友善 MatlabMatlab及有关该软件的工具书及有关该软件的工具书实实 验：验： 硬件实验和仿真实验硬件实验和仿真实验 实验报告按时交实验报告按时交作作 业：业： 每章交一次每章交一次 答疑时间：答疑时间： 周周二二第第1,21,2，3,43,4节节，周四第，周四第6,7,86,7,8节节 地地 址：仙林校区教址：仙林校区教5-207(2)5-207(2)3感谢你的观看2019年6月6 本课程学习方法本课程学习方法1、打好基础、打好基础高等数学（微积分）、信号与系统高等数学（微积分）、信号与系统2、做好预习、做

3、好预习讲课的速度较快、了解课程内容讲课的速度较快、了解课程内容3、听好课、听好课掌握基本理论和基本方法掌握基本理论和基本方法4、做好习题、做好习题应用学到的基本理论和基本方法解决实际问题应用学到的基本理论和基本方法解决实际问题4感谢你的观看2019年6月6考核方法考核方法 点名，占总分的10% 每章作业，4个实验报告，占总分的20% 考试，占总分的70%5感谢你的观看2019年6月6班级学生情况班级学生情况通达学院通达学院11级信息工程级信息工程:6感谢你的观看2019年6月6第一章第一章 控制系统导论控制系统导论7感谢你的观看2019年6月61.1 1.1 自动控制系统的基本概念自动控制系统

4、的基本概念 自动控制是在自动控制是在没有人参与没有人参与的情的情况下，系统的控制器自动地况下，系统的控制器自动地按照人按照人预定的要求预定的要求控制控制设备或过程设备或过程，使之，使之具有具有希望的状态和性能希望的状态和性能。具有自动。具有自动控制功能的控制功能的系统系统称为自动控制系统。称为自动控制系统。8感谢你的观看2019年6月6自动控制器通过比较实际液位与希望液位，并通自动控制器通过比较实际液位与希望液位，并通过调整气动阀门的开度，对误差进行修正，从而过调整气动阀门的开度，对误差进行修正，从而保持液位不变。保持液位不变。H H注注入入控控制制器器（比比较较、放放大大）Q Q1 1浮浮子

5、子流流出出Q Q2 2（I I） 原原理理图图气气动动阀阀门门液位控制系统原理图液位控制系统原理图9感谢你的观看2019年6月6 希望液位实实际际液液位位放放大大元元件件气气动动阀阀门门水水 箱箱浮浮 子子控制器 注入（II） 控制系统方块图比较、放大器比较、放大器：控控 制制 器器浮浮 子：测量元件子：测量元件气气 动动 阀阀 门：执行机构门：执行机构水水 箱箱：被控对象被控对象10感谢你的观看2019年6月6 自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。自动控自动控制理论的发展可分为四个主要阶段：制理论的发展可分为四个主要阶段：第一阶段：第一

6、阶段：经典控制理论经典控制理论的产生、发展和成熟；的产生、发展和成熟；第二阶段：第二阶段：现代控制理论现代控制理论的兴起和发展；的兴起和发展；第三阶段：第三阶段：大系统控制大系统控制兴起和发展阶段；兴起和发展阶段；第四阶段：第四阶段：智能控制智能控制发展阶段。发展阶段。1.2 1.2 自动控制的发展简史自动控制的发展简史11感谢你的观看2019年6月6经典控制理论经典控制理论 控制理论的发展初期，是以控制理论的发展初期，是以反馈理论反馈理论为基础的自动调节原理，为基础的自动调节原理，主要用于工业控制。第二次世界大战期间，为了设计和制造飞主要用于工业控制。第二次世界大战期间，为了设计和制造飞机及

7、船用自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达跟踪系统等基于反机及船用自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达跟踪系统等基于反馈原理的军用装备，馈原理的军用装备，形成了以形成了以频率法频率法和和根轨迹法根轨迹法为主要方法的为主要方法的经典控制理论经典控制理论。18681868年，马克斯威尔年，马克斯威尔（J.C.Maxwell）提出了低阶系统的稳定提出了低阶系统的稳定性代数判据。性代数判据。18951895年，劳斯年，劳斯（Routh）和赫尔威茨和赫尔威茨（Hurwitz）分别独立地分别独立地提出高阶系统的稳定性判据。提出高阶系统的稳定性判据。二战期间（二战期间（1938-19451938-1945年）奈奎斯特（年

8、）奈奎斯特（H.NyquistH.Nyquist）提出了频）提出了频率响应理论。率响应理论。19481948年，伊万斯（年，伊万斯（W.R.EvansW.R.Evans）提出了根轨迹）提出了根轨迹法。法。12感谢你的观看2019年6月6经典控制理论的基本特征经典控制理论的基本特征（1 1）用于）用于常系数线性微分方程常系数线性微分方程描述的系统的分析与综合；描述的系统的分析与综合；（2 2）只用于）只用于单输入，单输出（单输入，单输出（SISOSISO）的反馈控制系统；的反馈控制系统；（3 3）只讨论系统输入与输出之间的关系，而忽视系统的内）只讨论系统输入与输出之间的关系，而忽视系统的内 部状

9、态，是一种对系统的外部描述方法。部状态，是一种对系统的外部描述方法。研究对象：单输入单输出线性系统研究对象：单输入单输出线性系统数学基础：微积分、积分变换数学基础：微积分、积分变换系统描述方法：传递函数系统描述方法：传递函数研究方法：时域法、频率特性法、根轨迹法研究方法：时域法、频率特性法、根轨迹法核心概念：输出反馈核心概念：输出反馈适用系统：线性系统适用系统：线性系统经典控制理论经典控制理论13感谢你的观看2019年6月6现代控制理论现代控制理论 随着航天事业和计算机的发展，随着航天事业和计算机的发展，2020世纪世纪6060年代初，在经年代初，在经典控制理论的基础上，以典控制理论的基础上，

10、以线性代数理论线性代数理论和和状态空间分析法状态空间分析法为基为基础的现代控制理论迅速发展起来。础的现代控制理论迅速发展起来。 19541954年贝尔曼（年贝尔曼（R.BelmanR.Belman) )提出动态规划理论提出动态规划理论19561956年庞特里雅金（年庞特里雅金（L.S.PontryaginL.S.Pontryagin）提出极大值原理）提出极大值原理19601960年卡尔曼年卡尔曼( (R.K.KalmanR.K.Kalman) )提出多变量最优控制和最优滤波理提出多变量最优控制和最优滤波理论论 在数学工具、理论基础和研究方法上，不仅能提供系统的在数学工具、理论基础和研究方法上，

11、不仅能提供系统的外部信息（输出量和输入量），而且还能提供外部信息（输出量和输入量），而且还能提供系统内部状态变系统内部状态变量量的信息。它无论对线性系统或非线性系统，定常系统或时变的信息。它无论对线性系统或非线性系统，定常系统或时变系统，单变量系统或多变量系统，都是一种有效的分析方法系统，单变量系统或多变量系统，都是一种有效的分析方法。14感谢你的观看2019年6月6 现代控制理论以现代控制理论以状态空间法状态空间法为基础，研究多输入为基础，研究多输入- -多输多输出、时变、非线性一类控制系统的分析与设计问题。系统出、时变、非线性一类控制系统的分析与设计问题。系统具有高精度和高效能的特点。具有

12、高精度和高效能的特点。研究对象：多输入多输出线性系统研究对象：多输入多输出线性系统数学基础：线性代数、矩阵理论数学基础：线性代数、矩阵理论系统描述方法：状态空间表达式系统描述方法：状态空间表达式研究方法：时域法研究方法：时域法核心概念：状态反馈核心概念：状态反馈适用系统：线性、非线性适用系统：线性、非线性现代控制理论现代控制理论15感谢你的观看2019年6月6一、开环控制一、开环控制 特点：系统的输出量不会对系统的控制作用发生影响。特点：系统的输出量不会对系统的控制作用发生影响。定义：控制装置与被控对象之间只有定义：控制装置与被控对象之间只有顺向作用顺向作用而没有反向联而没有反向联系的控制。系

13、的控制。如：自动售货机如：自动售货机 自动洗衣机自动洗衣机 产品生产线产品生产线 红绿灯红绿灯 1.3 开环控制与反馈控制开环控制与反馈控制16感谢你的观看2019年6月6开环炉温控制系统开环炉温控制系统被控对象：炉子被控对象：炉子被控量（输出量）：炉温被控量（输出量）：炉温控制装置：开关控制装置：开关K K和电热丝对和电热丝对被控制量起控制作用。被控制量起控制作用。输出量(炉温) 控制装置被控对象输入信号(炉子)(开关)17感谢你的观看2019年6月6开环控制的缺点开环控制的缺点 由于开环控制的特点是控制装置只按照给定的输由于开环控制的特点是控制装置只按照给定的输入信号对被控制量进行入信号对

14、被控制量进行单向控制单向控制，而不对控制量进行，而不对控制量进行测量并反向影响控制作用。这样，当炉温偏离希望值测量并反向影响控制作用。这样，当炉温偏离希望值时，开关时，开关K K的接通或断开时间不会相应改变。的接通或断开时间不会相应改变。 因此，开环控制不具有修正由于扰动（使被控制因此，开环控制不具有修正由于扰动（使被控制量偏离希望值的因素）而出现的被控制量与希望值之量偏离希望值的因素）而出现的被控制量与希望值之间偏差的能力，即间偏差的能力，即抗干扰能力差抗干扰能力差。18感谢你的观看2019年6月6定义：反馈控制是这样一种控制过程，它能够在存在扰动的定义：反馈控制是这样一种控制过程，它能够在

15、存在扰动的情况下，力图情况下，力图减小减小系统的输出量与参考输入量（也称参据量）系统的输出量与参考输入量（也称参据量）（或者任意变化的希望的状态）之间的（或者任意变化的希望的状态）之间的偏差偏差。二、反馈控制二、反馈控制19感谢你的观看2019年6月6温度自动控制温度自动控制系统原理图系统原理图 温度自动控温度自动控制系统方制系统方框图框图20感谢你的观看2019年6月6反馈控制系统的基本组成反馈控制系统的基本组成 被控对象被控对象 控制装置控制装置(由具有一定职能的各种基本元件组成 ) 测量元件：测量元件：其职能是测量被控制的物理量; 给定元件：给定元件：其职能是给出与期望的被控量相对应的系

16、统输入量（即参据量）。 比较元件：比较元件：把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的参据量进行比较，求出它们之间的偏差。 放大元件：放大元件：将比较元件给出的偏差进行放大，用来推动执行元件去控制被控对象。 执行元件：执行元件：直接推动被控对象，使其被控量发生变化。 校正元件：校正元件：亦称补偿元件，它是结构或参数便于调整的元件，用串联或反馈的方式连接在系统中，以改善系统性能。21感谢你的观看2019年6月6 输入量输出量串串联联补补偿偿元元件件放放大大元元件件执执行行元元件件被被控控对对象象反反馈馈补补偿偿元元件件图图1 14 4反反馈馈控控制制系系统统基基本本组组成成测测量量元元件件局部

17、反馈主反馈为改善系统性能 用用“”号代表比较元件，号代表比较元件，“”号代表两者符号相反，号代表两者符号相反，“+”+”号代表两者符号相同。信号沿箭头方向从输入端到号代表两者符号相同。信号沿箭头方向从输入端到达输出端的传输通路称前向通路；系统输出量经测量元件达输出端的传输通路称前向通路；系统输出量经测量元件反馈到输入端的传输通路称主反馈通路。前向通路与主反反馈到输入端的传输通路称主反馈通路。前向通路与主反馈通路共同构成主回路。此外，还有局部反馈通路以及由馈通路共同构成主回路。此外，还有局部反馈通路以及由它构成的内回路。它构成的内回路。 22感谢你的观看2019年6月61.4 1.4 自动控制系

18、统的分类自动控制系统的分类l按控制方式分按控制方式分l按元件类型分按元件类型分l 按系统功用分按系统功用分l 按系统性能分按系统性能分l 按参据量变化规律分按参据量变化规律分23感谢你的观看2019年6月6开环控制开环控制反馈控制反馈控制复合控制复合控制 按控制方式分按控制方式分24感谢你的观看2019年6月6机械系统机械系统恒张力系统恒张力系统电气系统电气系统机电系统机电系统全自动照相机，光机电结合全自动照相机，光机电结合液压系统液压系统伺服液压缸，汽车发动机，大型伺服液压缸，汽车发动机，大型 的仿真模拟台的仿真模拟台气动系统气动系统 生物系统生物系统按按元元件件类类型型分分25感谢你的观看

19、2019年6月6按系统功用分按系统功用分温度控制系统温度控制系统压力控制系统压力控制系统位置控制系统位置控制系统 26感谢你的观看2019年6月6线性系统线性系统非线性系统非线性系统连续系统连续系统定常系统定常系统时变系统时变系统确定性系统确定性系统不确定性系统不确定性系统按系统性能分按系统性能分离散系统离散系统27感谢你的观看2019年6月6一、线性连续控制系统一、线性连续控制系统 式中：c(t)被控量；r(t)系统输入量。系数a0，a1，an，b0，b1，bm若是常数，称为定常系统定常系统；若随时间变化，称为时变系统时变系统。 )()()()()()()()(1111011110trbtr

20、dtdbtrdtdbtrdtdbtcatcdtdatcdtdatcdtdammmmmmnnnnnn这类系统可以用线性微分方程式描述：这类系统可以用线性微分方程式描述：28感谢你的观看2019年6月6二、线性定常离散控制系统二、线性定常离散控制系统 式中：式中：mnmn，n n为差分方程的次数；系数为差分方程的次数；系数a a0 0，a a1 1，a an n，b b0 0，b b1 1，b bm m为常系数；为常系数；r(kr(k) )，c(kc(k) )分别为输入分别为输入和输出采样序列。和输出采样序列。)() 1() 1()()() 1() 1()(110110krbkrbmkrbmkrb

21、kcakcankcankcammnn29感谢你的观看2019年6月6三、非线性控制系统三、非线性控制系统非线性方程的特点：非线性方程的特点：方程中含有变量及其导数的高次幂或乘积项。方程中含有变量及其导数的高次幂或乘积项。 2( )( ) ( )( )( )y ty t y ty tr t30感谢你的观看2019年6月6恒值控制系统恒值控制系统随动系统随动系统程序控制系统程序控制系统按参据量变化规律分按参据量变化规律分31感谢你的观看2019年6月6 1 1、恒值控制系统（调节器）：参据量是一个常值、恒值控制系统（调节器）：参据量是一个常值, ,要求被要求被控量也等于一个常值。这类系统分析、设计

22、的重点是研究控量也等于一个常值。这类系统分析、设计的重点是研究各种扰动对被控对象的影响以及抗扰动的措施。各种扰动对被控对象的影响以及抗扰动的措施。 过程控制系统：被控量是温度、流量、压力、液位等过程控制系统：被控量是温度、流量、压力、液位等生产过程参量。生产过程参量。 2 2、随动系统（跟踪系统）：参据量是预先未知的随时间、随动系统（跟踪系统）：参据量是预先未知的随时间任意变化的函数，要求被控量以尽可能小的误差跟随参据任意变化的函数，要求被控量以尽可能小的误差跟随参据量的变化。这类系统分析、设计的重点是研究被控量跟随量的变化。这类系统分析、设计的重点是研究被控量跟随的快速性和准确性。的快速性和

23、准确性。 伺服系统：被控量是机械位置及其导数。伺服系统：被控量是机械位置及其导数。 3 3、程序控制系统：参据量是按预定规律随时间变化的函数，、程序控制系统：参据量是按预定规律随时间变化的函数，要求被控量迅速、准确地加以复现。要求被控量迅速、准确地加以复现。32感谢你的观看2019年6月6稳定性：稳定性： 1） 对恒值系统，要求当系统受到扰动后，经过一定时间对恒值系统，要求当系统受到扰动后，经过一定时间的调整能够回到原来的期望值。的调整能够回到原来的期望值。 2） 对随动系统，被控制量始终跟踪参据量的变化。对随动系统，被控制量始终跟踪参据量的变化。 稳定性是对系统的基本要求，不稳定的系统不能实

24、现预定稳定性是对系统的基本要求，不稳定的系统不能实现预定任务。任务。 稳定性通常由系统的结构决定，与外界因素无关。稳定性通常由系统的结构决定，与外界因素无关。一、自动控制系统性能的基本要求一、自动控制系统性能的基本要求稳稳定性定性（长期稳定性）、（长期稳定性）、准准确性确性（精度）和（精度）和快快速性速性（相对稳（相对稳定性）。定性）。1.5 1.5 对自动控制系统的基本要求对自动控制系统的基本要求33感谢你的观看2019年6月6准确性：准确性：用稳态误差来表示。用稳态误差来表示。在参考输入信号作用下，当系统达到稳态后，其稳态输出在参考输入信号作用下，当系统达到稳态后，其稳态输出与参考输入所要

25、求的期望输出之差叫做给定稳态误差。显与参考输入所要求的期望输出之差叫做给定稳态误差。显然，这种误差越小，表示系统的输出跟随参考输入的精度然，这种误差越小，表示系统的输出跟随参考输入的精度越高。越高。快速性：快速性：对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称为动态性能。稳定高射炮射角随动系统，称为动态性能。稳定高射炮射角随动系统，虽然炮身最终能跟踪目标，但如果目标变虽然炮身最终能跟踪目标，但如果目标变动迅速，而炮身行动迟缓，仍然抓不住目动迅速，而炮身行动迟缓，仍然抓不住目标。标。34感谢你的观看2019年6月6阶跃函数阶跃函数斜坡函数斜坡函数脉冲函数脉冲函数稳态正

26、弦稳态正弦35感谢你的观看2019年6月61 1、阶跃函数：、阶跃函数：阶跃函数阶跃函数（2）时域表达式：)( 1 .)(000)(tRtfttRtf或（1） 图形36感谢你的观看2019年6月62 2、斜坡函数：、斜坡函数：斜坡函数斜坡函数（1） 图形（2） 时域表达式000)(tttRtf37感谢你的观看2019年6月63 3、脉冲函数：、脉冲函数：脉冲函数脉冲函数（1）图形（2）时域表达式（3）物理上不能实现，只在数学上的定义)()(tAtr 1d)(0 0 0)(tttttA为脉冲函数的阶跃值 010, 0)(时，时与tttt11d)(tt( )-t单位脉冲函数38感谢你的观看2019

27、年6月64 4、稳态正弦函数：、稳态正弦函数：稳态正弦稳态正弦（1）图形（2）时域表达式)( 1).sin()(000)sin()(ttRtftttRtf或39感谢你的观看2019年6月61.6 自动控制系统的分析与设计工具 Matlab-Control system toolbox-常用命令helpd2c,c2dfor end,if else if endplot40感谢你的观看2019年6月61.6 自动控制系统的分析与设计工具 Matlab Codesn=1:100;f=50;y=sin(2*pi*f*n);plot(n,y,r)41感谢你的观看2019年6月642感谢你的观看2019年6月6小结 掌握自动控制系统开环、闭环、正反馈、掌握自动控制系统开环、闭环、正反馈、负反馈等基本概念负反馈等基本概念 掌握控制系统的基本组成，基本性能掌握控制系统的基本组成，基本性能 了解控制系统的基本分类方法，了解典型了解控制系统的基本分类方法，了解典型外作用外作用43感谢你的观看2019年6月644感谢你的观看2019年6月6