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自动控制理论(经典部分)
长安大学自动控制理论教学组
负 责 人:闫茂德
联系方式:029-82334364; 13609282710
电子邮件:E_mail: mdyan@chd.edu.cn
第一章 引论
主要内容
第一节 指定教材和参考书
第二节 自动控制理论课程概述
第三节 控制系统的基本概念
第四节 开环控制和闭环控制
第五节 自动控制系统的类型
第六节 自动控制理论概要
第七节 自动控制系统中的术语和定义
第一节 指定教材和参考书
《自动控制理论》课程包括经典控制理论和现代控制理论,选用教材为:
夏德钤, 翁贻方. 自动控制理论: 第3版. 北京:机械工业出版
社, 2007
刘豹, 唐万生. 现代控制理论: 第3版. 北京:机械工业出版社,
2006
在使用选用教材的同时,鼓励学生阅读相关的控制理论参考书籍,主要有:
戴先中, 赵光宙. 自动化学科概论. 北京:高等教育出版社,2006
胡寿松. 自动控制原理: 第5版. 北京:科学出版社,2007
胡寿松. 自动控制原理习题集: 第2版. 北京:科学出版社,2003
(美)R. C. Dorf, (美)R. H. Bishop. Modern Control Systems:
Tenth Edition. 英文影印版. 北京:科学出版社, 2005
第二节 自动控制理论课程概述
课程特点
高等数学 积分变换 自动控制理论
现代控制理论 其它专业课程
1、 它是一门专业基础课
2、理论实践相结合
理论性非常强但又和实际应用紧密结合。
3、内容广泛
涵盖数学、物理、机械、电子等学科的内容。
第二节 自动控制理论课程概述
学习自动控制理论的重要性
1、本课程是自动化专业承上启下的课程。
2、自动控制技术是应用非常广泛的技术,如电机控制、自动化生产线、火炮雷达控制、家用电器、机械、冶金、石油、化工、电力电子、航空、航海、航天、核反应堆等。
3、自动控制理论能为解决实际控制问题提供理论和方法。
4、是专业基础课程,学分较多。
第二节 自动控制理论课程概述
1、打好基础
高等数学(微积分)、积分变换(拉氏变换)
2、做好预习
3、听好课
讲课的速度较快、了解课程内容
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
本课程学习方法
第二节 自动控制理论课程概述
自动控制理论发展简史
经典控制理论(19世纪初)
时域法
• 复域法 (根轨迹法)
• 频域法
现代控制理论(20世纪60年代)
• 线性系统 自适应控制
• 最优控制 鲁棒控制
• 最佳估计 容错控制
• 系统辨识 集散控制
• 大系统复杂系统
智能控制理论(20世纪70年代)
• 专家系统
• 模糊控制
• 神经网络
• 遗传算法
第二节 自动控制理论课程概述
课程主要内容及按排
• 第一章 引论 2学时
• 知识准备(拉氏变换) 2学时
• 第三章 系统数学模型 10学时
• 第三章 时域分析 10学时
• 第四章 根轨迹法 8学时
• 第五章 频率特性分析 12学时
• 第六章 系统校正 10学时
• 第七章 非线性系统分析 8学时
• 第八章 采样控制系统 12学时
• 实验、上机 18学时
• 总学时数 92学时
第三节 控制系统的基本概念
自动控制:指在无人直接参与的情况下,利用外加的设
备或装置(称为自动控制装置或控制器),使生产过程(称
为被控对象)的某个工作状态或参数(称为被控制量)自动
地按照预定的规律(给定量)变化。
将自动控制技术应用于生产,可以提高生产率,改进产
品质量,降低生产成本,改善劳动条件和加强企业管理---节
能减排。将自动控制技术用于国防领域,可提高部队的战斗
力,促进国防现代化。
自动控制技术在探索新能源、发展空间技术、改善人们
生活以致处理经济、社会问题等方面都起着日益重要的作用。
第三节 控制系统的基本概念
一、控制系统举例
【例1-1】水箱水位控制系统
第三节 控制系统的基本概念
第三节 控制系统的基本概念
系统原理方块图
被控对象:水箱
被控量: 水箱水位
控制装置:杠杆
执行机构:阀门
检测元件:浮球
第三节 控制系统的基本概念
水箱液位控制系统
被控对象:水箱
被控量: 水箱水位
控制装置:比较器、放大器
执行机构:电磁阀
检测元件:液面传感器
第三节 控制系统的基本概念
【例1-2】家用空调控制器(制冷)
被控对象:房间
被控量: 房间温度
控制装置:控制板
执行机构:压缩机和冷凝器
检测元件:温度传感器
第三节 控制系统的基本概念
【例1-3】带钢轧辊转速控制系统
连轧机在轧钢过程中,通过各机架的带钢必须保持秒流量相等,否则
将出现拉钢或叠钢,影响产品质量或造成故障。这就要求各机架轧辊的转
速保持一定比例,而对某机架轧辊来说,即要求其转速恒定。
第三节 控制系统的基本概念
被控对象:轧辊
被控量:轧辊的速度
控制装置:比较、放大、整流等
执行机构:电动机
检测元件:转速反馈装置
工作原理:设负载扰动变化时(如变大),则
nuuuueun aefrf
第三节 控制系统的基本概念
二、控制系统的基本概念
【自动控制】
【自动控制理论】
研究自动控制共同规律的技术科学。
指在无人直接参与的情况下,利用外加的设备或装置(称为自动控制装置或控制器),使生产过程(称为被控对象)的某个工作状态或参数(称为被控制量)自动地按照预定的规律运行。
第三节 控制系统的基本概念
控制器 被控对象 输入量 输出量
比较
测量电路
【自动控制系统】
由被控对象和自动控制装置按照一定的方式连接起来,组成一个有机的整体,称为自动控制系统。
【控制系统方框图】
控制系统的基本控制形式:开环、闭环和复合
开环控制系统结构及其特点
定义:只有正向作用,没有反馈控制作用的控制系统。
电机调速控制系统
电位器 放大
电机
功率放大
负载
第四节 开环控制和闭环控制
控制器 被控对象 输入量 控制量 输出量
开环控制系统的特点:
(1)只有正向作用,没有反馈作用;
(2)控制精度取决于元器件的精度和系统调整精度;
(3)没有抑制内、外干扰的能力;
(4)系统结构简单、成本低。
第四节 开环控制和闭环控制
闭环(反馈)控制系统结构及其特点
定义:既有正向作用,又有反馈控制作用的控制系统。
控制器 被控对象 输入量 输出量
比较
测量电路
将系统的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,达到减小偏差、消除偏差的目的-----构成闭环控制系统的核心。
第四节 开环控制和闭环控制
闭环(反馈)控制系统的特点
(1)系统内部存在反馈,信号流动构成闭回路;
(2)既有正向作用,又有反馈控制;
(3)控制精度与元件精度、控制方法、调整精度有
关,控制精度较高;
(4)有抑制干扰的能力;
(5)结构复杂,成本相对较高;
(6)偏差起调节作用。
第四节 开环控制和闭环控制
• 若反馈信号与输入信号相减,则称为负反馈;反之称为正反馈。
• 闭环系统的实质就是利用负反馈的作用来减少系统的误差。
• 反馈控制是一种基本的控制规律,它具有自动修正被控量偏离给定值的作用,抑制内扰和外扰引起的误差,达到自动控制的目的。
第四节 开环控制和闭环控制
复合控制系统
第四节 开环控制和闭环控制
第五节 自动控制系统的类型
一、按输入信号的特征分类
1、恒值控制系统(自动调整系统)
特征:输入信号为常数
典型系统:液位、温度、压力、流量控制
2、程序控制系统
特征:输入信号为预知的随时间变化函数
典型系统:热处理炉控制系统、镜片固化炉温度控制、程序控制机床、灌装生产线、自动生产流水线。
3、随动系统(伺服控制系统)
特征:输入信号未知的随时间变化任意函数
典型系统:鱼雷飞行、炮瞄雷达、火炮自动瞄准、导弹制导。
二、按描述元件的动态方程分类
1、线性系统
特征:元件是线性的、系统运动方程可用线性微分方程或差分方程描述。
2、非线性系统
特征:系统中含有至少一个非线性元件、系统运动方程需用非线性方程或差分方程描述。
典型非线性:饱和、死区、继电器、传动间隙。
第五节 自动控制系统的类型
三、按系统传递的信号分类
1、连续系统
特征:系统各环节之间传递的信号均为时间的连续函数,一般用微分方程描述。
2、离散系统
特征:在信号传递过程中,至少有一处的信号是脉冲序列或数字编码。
第五节 自动控制系统的类型
四、按输入输出信号数量分类
1、单输入单输出系统(SISO系统)
特征:输入输出变量仅有一个。
2、多输入多输出系统(MIMO系统)
特征:输入输出变量多于一个。
五、按系统微分方程分类
1、集中参数系统
特征:能用常微分方程描述
2、分布参数系统
特征:至少有一个环节需要用偏微分方程描述。
第五节 自动控制系统的类型
六、按系统结构和参数的确定性分类
1、确定系统
特征:系统的结构和参数是确定的、已知的,系统的输入信号也是确定的,可以用解析式或图表确切表示。
2、不确定系统
特征:系统的结构和参数是不确定的或,系统的输入信号是不确定的。
第五节 自动控制系统的类型
第六节 自动控制理论概要
一、对自动控制系统的要求
1、稳定性要求
2、快速性要求
3、准确性要求
二、自动控制理论研究的问题
1、自动控制建模问题
2、控制系统分析
3、控制系统设计
三、控制系统建模问题
1、描述方法 传递函数
2、建立方法 理论推导、实验法
四、自动控制系统分析
1、分析基础 系统传递函数
2、分析内容 稳定性、稳态、暂态
3、分析工具 手工计算、计算机软件
第六节 自动控制理论概要
五、自动控制系统的设计
给定数学模型和技术指标情况下,希望有简洁的方法解决以下问题:
1、控制方案:决定一种合适的控制规律及相应参数
2、系统分析: 近似估计系统时域响应
3、改进建议: 当系统性能不满足要求时指明改善系统性能的途径。
4、设计手段: 控制系统的计算机辅助设计
第六节 自动控制理论概要
1、古典控制理论
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
六、古典控制理论与现代控制理论
第六节 自动控制理论概要
2、现代控制理论(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
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
第六节 自动控制理论概要
古典控制理论的局限性及问题
1、线性系统理论只能用于线性系统
2、在实际应用中不存在绝对的线性系统
3、建立精确系统模型困难性
4、高阶复杂系统模型对分析设计带来巨大困难
5、简化模型与实际问题的误差,会影响实际控制效果。
对策:作合理的假设、选择合适的模型、根据实际情况进行修正。
第六节 自动控制理论概要
一、反馈控制系统的基本组成
反馈控制系统结构框图
第七节 自动控制系统中的术语和定义
① 测量元件:测量被控量的实际值或对被控量进行物理转换。
② 比较元件:将测量值和给定值进行比较,得到偏差。
③ 控制元件: 根据偏差大小产生控制信号。通常包括
放大器和校正装置,控制信号和偏差信号具有一定关系(称为调节规律)。
④ 执行元件:由控制信号产生控制作用,从而使被控制量达到要求值。阀、电动机、液压马达等。
⑤ 被控对象:给出期望的被控量相对应的系统输入量。
第七节 自动控制系统中的术语和定义
控制量u
偏差信号e
反馈信号b
反馈环节
H
控制环节
GC
被控对象
GO
扰动
n
输出信号Y
参考输
入信号
r
比较
环节
第七节 自动控制系统中的术语和定义
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