第1章自動控制原理概述第一頁，共31頁。自動控制理論地位和重要性所需基礎知識拉氏變換、微分方程、Z變換、求極限等。知識構架連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)。現(xiàn)實系統(tǒng)->數(shù)學模型->時域、根軌跡和頻域的分析->系統(tǒng)的校正。出勤和考試平時成績10%（作業(yè)、出勤和回答問題），實驗成績10%（操作和報告），期中考試10%，期末考試70%。第二頁，共31頁。自動控制理論

第一章自動控制系統(tǒng)概述宋瀟瀟西華大學電氣與電子信息學院第三頁，共31頁。目錄1.1開環(huán)控制與閉環(huán)控制1.2自動控制系統(tǒng)的分類1.3對自動控制系統(tǒng)的基本性能要求第四頁，共31頁。什么是自動控制？自動控制：沒有人直接參與的情況下，利用外加的設備或裝置，使機器、設備或生產過程的某個工作狀態(tài)或參數(shù)自動地按照預定的規(guī)律運行。第五頁，共31頁。1.1開環(huán)控制與閉環(huán)控制1.1.1開環(huán)控制系統(tǒng)控制器與被控對象之間只有正向控制作用而沒有反饋控制作用。第六頁，共31頁。1.1.2閉環(huán)控制系統(tǒng)在控制器與被控對象之間，不僅存在正向作用，而且存在反饋作用。第七頁，共31頁。開環(huán)控制與閉環(huán)控制的區(qū)別：1）從控制信號和流向上看；2）控制系統(tǒng)的組成上看；3）控制精度上看。第八頁，共31頁。問題&思考閉環(huán)控制中，我有什么細節(jié)沒有講到？閉環(huán)控制系統(tǒng)的缺點有哪些？除了開環(huán)和閉環(huán)兩種控制方式，你還能想到什么控制方式？第九頁，共31頁。1.1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)的結構和術語對于如圖所示的水箱水位控制系統(tǒng)。第十頁，共31頁。通過研究上述人工控制恒溫箱的水位過程，可以看到，所謂控制就是使某個對象中物理量按照一定的目標來動作。本例中，對象指箱體，其中的物理量指箱體水位，一定目標就是事先要求的高度期望值。第十一頁，共31頁。若水位控制要求精度高，那么由人來控制就很難滿足要求，這時就需要用控制裝置代替人，形成恒溫箱水位自動控制系統(tǒng)，如下圖所示。第十二頁，共31頁。(1)測量元件將水位位置的變化，轉換成儀表系統(tǒng)中的(電)信號。它的作用類似于人工控制中人的眼，將水位的變化輸送到大腦中。(2)比較元件將水位對應的(電)信號和理想值進行比較，并用儀表顯示給監(jiān)視人員，或者用記錄紙連續(xù)記錄下來。第十三頁，共31頁。(3)放大元件將比較元件的輸出信號轉換為控制信號，輸出足夠的功率以驅動電機控制閥門。(4)執(zhí)行器執(zhí)行器為一電動調節(jié)閥，它包括執(zhí)行電機和閥體兩部分，它根據(jù)控制器的命令，改變進水調節(jié)閥門的開度N1。調節(jié)閥的作用類似于人工控制中人的手，去執(zhí)行大腦的命令。第十四頁，共31頁。(5)被控對象此例中的被控對象是液位（被控量是液位高度，也叫輸出量）。(6)校正裝置對系統(tǒng)的參數(shù)或結構進行調整，用于改善系統(tǒng)框圖。第十五頁，共31頁。問題&思考如果將下圖對應到人工控制，各個原器件分別對應什么？第十六頁，共31頁。1.2自動控制系統(tǒng)的分類1.2.1線性和非線性控制系統(tǒng)(1)線性控制系統(tǒng)組成系統(tǒng)元器件的特性均為線性的，可用一個或一組線性微分方程來描述系統(tǒng)輸入和輸出之間的關系。線性系統(tǒng)的主要特征是具有齊次性(kx)和疊加性(x1+x2)。當線性微分方程的系數(shù)不隨時間變化時，為線性定常系統(tǒng)。本門課重點討論線性定常系統(tǒng)。第十七頁，共31頁。(2)非線性控制系統(tǒng)在系統(tǒng)中只要有一個元器件的特性不能用線性微分方程描述其輸入和輸出關系，則稱為非線性系統(tǒng)。非線性系統(tǒng)還沒有一種完整、成熟、統(tǒng)一的分析法。通常對于非線性程度不很嚴重，或做近似分析時，均可用線性系統(tǒng)理論和方法來處理。第十八頁，共31頁。1.2.2按給定信號的特點分類(1)恒值控制系統(tǒng)(自動調節(jié)系統(tǒng))這種系統(tǒng)的特征是輸出量為一恒值，通常稱為系統(tǒng)的給定值?？刂葡到y(tǒng)的任務是盡量排除各種干擾因素的影響，使輸出量維持在給定值(期望值)。如工業(yè)過程中恒溫、恒壓、恒速等控制系統(tǒng)。第十九頁，共31頁。(2)隨動控制系統(tǒng)(跟蹤系統(tǒng))該系統(tǒng)的控制輸入量是一個事先無法確定的任意變化的量，要求系統(tǒng)的輸出量能迅速平穩(wěn)地復現(xiàn)或跟蹤輸入信號的變化。如雷達天線的自動跟蹤系統(tǒng)和高炮自動描準系統(tǒng)就是典型的隨動系統(tǒng)。第二十頁，共31頁。(3)程序控制系統(tǒng)系統(tǒng)的控制輸入信號不是常值，而是事先確定的運動規(guī)律，編成程序裝在輸入裝置中，即控制輸入信號是事先確定的程序信號，控制的目的是使被控對象的被控量按照要求的程序動作。如數(shù)控車床就屬此類系統(tǒng)。第二十一頁，共31頁。1.2.3按控制信號的形式分類(1)連續(xù)控制系統(tǒng)系統(tǒng)中所有元件的信號都是隨時間連續(xù)變化的，信號的大小均是可任意取值的模擬量，稱為連續(xù)系統(tǒng)。本書主要研究連續(xù)控制系統(tǒng)。第二十二頁，共31頁。(2)離散控制系統(tǒng)離散系統(tǒng)是指系統(tǒng)中有一處或多處的信號是脈沖序列或數(shù)字形式。若系統(tǒng)中采用了采樣開關，將連續(xù)信號轉變?yōu)殡x散的脈沖形式的信號，此類系統(tǒng)稱為采樣控制系統(tǒng)或脈沖控制系統(tǒng)。若采用數(shù)字計算機或數(shù)字控制器，其離散信號是以數(shù)碼形式傳遞的，此類系統(tǒng)稱為數(shù)字控制系統(tǒng)。第二十三頁，共31頁。問題&思考除了上述的這些分類，自動控制系統(tǒng)還能如何分類？（講該問題的答案寫在第一次的作業(yè)上，查閱資料，自己理解都可以）第二十四頁，共31頁。1.3對自動控制系統(tǒng)的基本性能要求盡管自動控制系統(tǒng)有不同的類型，對每個系統(tǒng)也都有不同的特殊要求，但對于各類系統(tǒng)來說，在已知系統(tǒng)的結構和參數(shù)時，對該系統(tǒng)在某種典型輸入信號作用下，其被控變量變化全過程的基本要求都是一樣的，可以歸結為穩(wěn)定性、準確性和快速性，即穩(wěn)、準、快的要求。第二十五頁，共31頁。1．穩(wěn)定性對于一個自動控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的穩(wěn)定是最基本的要求。否則系統(tǒng)無法正常工作，也無法完成控制任務，甚至會毀壞設備，造成重大損失。考慮到實際系統(tǒng)工作環(huán)境或參數(shù)的變動，可能導致系統(tǒng)不穩(wěn)定，因此，我們除要求系統(tǒng)穩(wěn)定外，還要求其具有一定的穩(wěn)定裕量。第二十六頁，共31頁。2．準確性系統(tǒng)的準確性是用穩(wěn)態(tài)誤差來衡量的，穩(wěn)態(tài)誤差是指系統(tǒng)過渡到新的平衡工作狀態(tài)以后，或系統(tǒng)對抗干擾重新恢復平衡后最終保持的精度。穩(wěn)態(tài)誤差與控制系統(tǒng)的結構、參數(shù)以及輸入信號形式有關。第二十七頁，共31頁。3．快速性動態(tài)過程是指控制系統(tǒng)的被控量在輸入信號作用下隨時間變化的全過程，衡量系統(tǒng)快速性的品質好壞常采用單位階躍信號作用下動態(tài)過程中的上升時間、峰值時間、調節(jié)時間等性能指標。第二十八頁，共31頁。問題&思考(1)單調過程(2)衰減振蕩過程(3)等幅振蕩過程(4)發(fā)散振蕩過程第二十九頁，共31頁。對不同的被控對象，系統(tǒng)對穩(wěn)、準、快的要求有