自动控制基础模板课件.pptx

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1、自动控制基础,xxx大学自动化学院,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、分析与设计。,2,感谢你的观看,2019年6月6,课程基本情况,学 时：48学时（3学分）教 材：自动控制原理基础教程第三版 胡寿松主编参考书:自动控制原理 吴 麒 自动控制理论基础 戴忠达 自动控制原理 李友善 Matlab及有关该软件的工具书实 验：硬件实验和仿真实验 实验报告按时交作 业：每章交一次 答疑时间：周二第1,2，3,4节，周四第6,7,8节 地 址：仙林校区教5-207(2),3,感谢你的观看,2019年6月6,本课程学习方法,1、打好基础,高等数学（微积分）、信号与

2、系统,2、做好预习,讲课的速度较快、了解课程内容,3、听好课,掌握基本理论和基本方法,4、做好习题,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,考勤 点名，占总分的10%课后作业，实验报告 每章作业，4个实验报告，占总分的20%期末考试 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,通达学院11级信息工程:,6,感谢你的观看,2019年6月6,第一章 控制系统导论,7,感谢你的观看,2019年6月6,1.1 自动控制系统的基本概念,自动控制是在没有人参与的情况下，系统的控制器自动地按照人预定的要求控制设备或过程，使之具有希望

3、的状态和性能。具有自动控制功能的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。,液位控制系统原理图,9,感谢你的观看,2019年6月6,比较、放大器：控 制 器浮 子：测量元件气 动 阀 门：执行机构水 箱：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。自动控制理论的发展可分为四个主要阶段：第一阶段：经典控制理论的产生、发展和成熟；第二阶段：现代控制理论的兴起和发展；第三阶段：大系统控制兴起和发展阶段；第四阶段：智能控制发展阶段。,1.

4、2 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,控制理论的发展初期，是以反馈理论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，形成了以频率法和根轨迹法为主要方法的经典控制理论。,1868年，马克斯威尔（J.C.Maxwell）提出了低阶系统的稳定性代数判据。,1895年，劳斯（Routh）和赫尔威茨（Hurwitz）分别独立地提出高阶系统的稳定性判据。,二战期间（1938-1945年）奈奎斯特（H.Nyquist）提出了频率响应理论。1948年，伊万斯（W.R.Ev

5、ans）提出了根轨迹法。,12,感谢你的观看,2019年6月6,经典控制理论的基本特征,（1）用于常系数线性微分方程描述的系统的分析与综合；（2）只用于单输入，单输出（SISO）的反馈控制系统；（3）只讨论系统输入与输出之间的关系，而忽视系统的内 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数学基础：微积分、积分变换系统描述方法：传递函数研究方法：时域法、频率特性法、根轨迹法核心概念：输出反馈适用系统：线性系统,经典控制理论,13,感谢你的观看,2019年6月6,现代控制理论,随着航天事业和计算机的发展，20世纪60年代初，在经典控制理论的基础上，以线性代数理论和状态空

6、间分析法为基础的现代控制理论迅速发展起来。,1954年贝尔曼（R.Belman)提出动态规划理论1956年庞特里雅金（L.S.Pontryagin）提出极大值原理1960年卡尔曼(R.K.Kalman)提出多变量最优控制和最优滤波理论,在数学工具、理论基础和研究方法上，不仅能提供系统的外部信息（输出量和输入量），而且还能提供系统内部状态变量的信息。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,现代控制理论以状态空间法为基础，研究多输入-多输出、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

7、效能的特点。研究对象：多输入多输出线性系统数学基础：线性代数、矩阵理论系统描述方法：状态空间表达式研究方法：时域法核心概念：状态反馈适用系统：线性、非线性,现代控制理论,15,感谢你的观看,2019年6月6,一、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。,定义：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。,如：自动售货机 自动洗衣机 产品生产线 红绿灯,1.3 开环控制与反馈控制,16,感谢你的观看,2019年6月6,例 开环炉温控制系统,被控对象：炉子被控量（输出量）：炉温控制装置：开关K和电热丝对被控制量起控制作用。,17,感谢你的观看,2019年6月6,开环控

8、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入信号对被控制量进行单向控制，而不对控制量进行测量并反向影响控制作用。这样，当炉温偏离希望值时，开关K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情况下，力图减小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）之间的偏差。,二、反馈控制,19,感谢你的观看,2019年6月6,温度自动控制系统原理图,温度自动控制系统方框图,20,感谢

9、你的观看,2019年6月6,反馈控制系统的基本组成,被控对象控制装置(由具有一定职能的各种基本元件组成)测量元件：其职能是测量被控制的物理量;给定元件：其职能是给出与期望的被控量相对应的系统输入量（即参据量）。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：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：直接推动被控对象，使其被控量发生变化。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,用“”号代表比较元件，“”号代表两者符

10、号相反，“+”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它构成的内回路。,22,感谢你的观看,2019年6月6,1.4 自动控制系统的分类,按控制方式分,按元件类型分,按系统功用分,按系统性能分,按参据量变化规律分,23,感谢你的观看,2019年6月6,开环控制反馈控制复合控制,按控制方式分,24,感谢你的观看,2019年6月6,机械系统恒张力系统电气系统机电系统全自动照相机，光机电结合液压系统伺服液压缸，汽车发动机，大型 的仿真模拟台气动系统

11、 生物系统,按元件类型分,25,感谢你的观看,2019年6月6,按系统功用分,温度控制系统,压力控制系统,位置控制系统,26,感谢你的观看,2019年6月6,线性系统,非线性系统,连续系统,定常系统,时变系统,确定性系统,不确定性系统,按系统性能分,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,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；若随时间变化，称为时变系统。,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,式中：mn，n为差分方程的次数；系数a0，a1

12、，an，b0，b1，bm为常系数；r(k)，c(k)分别为输入和输出采样序列。,29,感谢你的观看,2019年6月6,三、非线性控制系统,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。,30,感谢你的观看,2019年6月6,恒值控制系统,随动系统,程序控制系统,按参据量变化规律分,31,感谢你的观看,2019年6月6,1、恒值控制系统（调节器）：参据量是一个常值,要求被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。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。,2、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

13、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的快速性和准确性。伺服系统：被控量是机械位置及其导数。,3、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。,32,感谢你的观看,2019年6月6,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。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。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,稳定性（长期稳定性）、准确性（精度）和快速性（相对稳定性）。,1

14、.5 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：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越高。,快速性：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，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，仍然抓不住目标。,34,感谢你的观看,2019年6月6,阶跃函数,斜坡函数,脉冲函数,二、典型外作用,35,感谢你的观看,2019年6月6,1、阶跃函数：,阶跃函数,（2）时域表达式：,（1）图形,36,

15、感谢你的观看,2019年6月6,2、斜坡函数：,斜坡函数,（1）图形,（2）时域表达式,37,感谢你的观看,2019年6月6,3、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,A为脉冲函数的阶跃值,38,感谢你的观看,2019年6月6,4、稳态正弦函数：,（1）图形,（2）时域表达式,39,感谢你的观看,2019年6月6,1.6 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 endplot,40,感谢你的观看,2019年6月6,1.6 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6,42,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、负反馈等基本概念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，了解典型外作用,43,感谢你的观看,2019年6月6,44,感谢你的观看,2019年6月6,