第一章 控制系統導論

自動控制原理

教師：胡芬巧

辦公室：A3-403

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現代控制理論主要研究對象：多輸入、多輸出、時變參數、高精度復雜系統的分析和設計問題自動控制的發展：

經典控制理論★★★主要研究對象：單輸入單輸出線性定常系統的分析和設計

魯棒控制理論一、自動控制與自動控制系統二、自動控制系統的分類三、對控制系統的性能要求第一章概述第一節自動控制與自動控制系統一、自動控制的基本概念（a）人工控制的水位系統（b）簡單的水位自動控制系統

自動控制，就是在無人直接參與的情況下，利用控制裝置使受控對象的被控量按照預定的規律變化。日常生活中常見的家庭：全自動洗衣機、電飯煲銀行：自動取款機ATM交通：紅綠燈控制、火車上的開水機樓宇：自動門、電梯等為了實現上述控制任務，將控制裝置和受控對象按照一定的方式連接起來，組成一個有機總體，這就是自動控制系統。

控制任務維持水箱內水位恒定

控制裝置閥門、連桿和浮子

受控對象水箱

被控量水箱內水位的高度水位自動控制系統自動控制系統示意圖分析自動控制系統的性能，或根據性能要求去設計自動控制系統。自動控制原理的主要任務：檢測元件_被控量給定值受控對象控制器二、自動控制系統的基本構成及控制方式1．開環控制自動控制系統一般有兩種基本控制方式：控制裝置與受控對象之間只有順向作用而無反向聯系。轉臺預期速度實際轉速直流電動機轉臺放大器轉臺速度開環控制系統方塊圖:開環控制的特點：系統結構和控制過程均很簡單，但抗擾能力差，控制精度不高，一般只能用于對控制性能要求較低的場合。

2．閉環控制（反饋控制、按偏差控制）

有順向作用，而且還有反向聯系。

閉環控制又稱為反饋控制或按偏差控制。

控制裝置與受控對象之間，不但自動控制原理中所討論的系統主要是閉環控制系統。轉臺轉臺速度閉環控制系統方塊圖：測速機偏差反饋量預期速度實際轉速直流電動機轉臺放大器_閉環控制的特點：減小或消除由于擾動所形成的偏差值，具有較高的控制精度和較強的抗擾能力。3．復合控制前饋補償控制復合控制具有兩種基本形式：復合控制：反饋控制+(a)按輸入前饋補償的復合控制(b)按擾動前饋補償的復合控制功率放大SM負載++++電動機速度控制系統電動機速度開環控制系統電動機速度控制系統+++++電壓放大功率放大負載SMTG電動機速度閉環控制系統系統方塊圖的畫法:確定輸入量和輸出量

輸入量：作用于系統的輸入端

輸出量：表現于被控對象的輸出端箭頭線：表示信號流向比較環節：將給定值和檢測值進行比較引出點：將一個信號分路引出方框：元部件方框擾動：破壞輸入量和輸出量之間預定規律的信號習題1-5液位控制系統進水閥門減速器電動機電位器浮子出水Q2Q1HSM放大器Q1+進水習題1-4爐溫控制系統第二節自動控制系統的分類一、線性系統和非線性系統

自動控制系統的分類方法較多，常見的有以下幾種：由線性微分方程或線性差分方程所描述的系統稱為線性系統；由非線性方程所描述的系統稱為非線性系統。二、定常系統和時變系統定常系統:若線性系統微分方程的系數為常數，則稱之為線性定常系統。

系統數學模型微分方程的系數不是時間變量的函數。否則稱為時變系統。三、連續系統和離散系統連續系統：

系統中各部分的信號都是時間的連續函數即模擬量。離散系統：

系統中有一處或多處信號為時間的離散函數，如脈沖或數碼信號。若系統中既有模擬量也有離散信號，則又可稱之為采樣系統。恒值系統給定量是一個常值，要求被控量也等于常值。如水位控制系統、爐溫控制系統等。四、恒值系統、隨動系統和程序控制系統隨動系統給定量是預先未知的隨時間變化的函數，被控量以盡量小的誤差跟隨給定量變化，如函數記錄儀。程序控制系統參數量按預定規律隨時間變化，如數控機床。線性系統和非線性系統定常系統和時變系統連續系統和離散系統恒值系統、隨動系統和程序控制系統線性定常連續系統為本書主要討論對象。第三節對控制系統的要求

常見的評價系統優劣的性能指標是從動態過程中定義出來的。所謂動態過程就是指系統受到外加信號（給定值或擾動）作用后，被控量隨時間變化的全過程。對系統性能的基本要求有三個方面：

二、快速性一、穩定性三、準確性

系統受外作用力后,其動態過程的振蕩傾向和系統恢復平衡的能力。1、穩定性穩定性：如果系統受外作用力經過一段時間，其被控量達到某一穩定狀態，則系統是穩定的。否則為不穩定的。穩定系統的動態過程r(t)t0c(t)1r(t)c(t)不穩定系統的動態過程(a)給定信號作用c(t)(b)擾動信號作用d(t)t0c(t)r(t)t0c(t)r(t)c(t)d(t)不穩定的系統是無法正常工作的。通過動態過程時間長短表征。時間越短，表明快速性越好，反之亦然。2、快速性r(t)t0c(t)r(t)c1(t)c2(t)快速性和平穩性構成了系統的動態性能。3、準確性r(t)t0c(t)r(t)c(t)ess由輸入給定值與輸出響應的終值之間的差值大小表征。自動控制系統的基本要求穩定性、快速性和準確性往往是互相制約的。怎樣根據工作任務的不同,分析和設計自動控制系統，使其對三方面的性能有所側重，并兼顧其它正是自控原理課程要解決的問題。當控制系統的輸入發生變化時，其輸出往往要經歷一個動態過程才能跟上輸入的變化。系統的內在性能可以通過其動