XX自动控制原理课件-全

自动控制课件自动控制原理XXXX精细化工有限公司基本内容第一章控制系统导论第二章控制系统的数学模型第三章线性系统的时域分析法第四章线性系统的根轨迹法第五章线性系统的频域分析法第六章线性系统的校正方法第七章非线性系统分析第八章采样控制系统第一章控制系统导论第一节自动控制的基本原理1自动控制技术及应用•什么是自动控制？是指在没有人直接参与的情况下利用外加的设备或装置使机器设备或生产过程的某个工作状态或参数自动的按照预定的规律运行。•什么是自动控制技术？在现实生活中的各个领域应用自动控制这种方法进行工业生产或其它用途，使之成为一种技术。•应用：从工业生产到经济、生物、医学、到航空、导弹、机器人、核动力等高科技领域。水位自动控制系统工作原理目的:水位不变扰动:出水变化、进水压力变化等人工调节过程:检测水位与希望高度比较确定阀门开度与方向执行执行:控制阀门(调节进水量)自动控制:2自动控制理论•什么是自动控制理论？研究自动控制共同规律的技术科学。发展初期以反馈理论为基础，主要应用于工业控制。自动控制理论根据研究对象分为：经典控制理论40-50年代形成，适用于SISO（单输入－单输出）系统目标：反馈控制系统的稳定基本方法：传递函数，频率法，PID调节器现代控制理论：60-70年代形成，适用于MIMO（多输入－多输出）系统目标：最优控制基本方法：状态空间表达式自动控制理论的内容自动控制理论经典控制理论(19世纪中叶--20世纪50年代)线性非线性根轨迹法频域法时域法波波夫法李雅普诺夫法描述函数法相平面法采样控制Z变换法现代控制理论(60年代以来)状态反馈控制最优控制智能控制预测控制自适应控制模糊控制大系统多层分散控制•什么是反馈？把输出量送回到输入端，并与输入信号相比较产生偏差信号的过程。•人取书的反馈控制系统负反馈：反馈信号与输入信号相减，使偏差越来越小。正反馈：反馈信号与输入信号相加。我们通常所说的反馈控制采用负反馈。3反馈控制原理眼睛大脑手臂、手眼睛输入信号书位置输出量手位置注意闭环控制4反馈控制系统的基本组成一个完整的控制系统包括被控对象和控制装置两大部分，控制装置由具有一定职能的各种基本元件组成。•测量元件：检测被控制的物理量•给定元件：给出与期望的被控量相对应的系统输入量•比较元件：把被控量的实际值与参据量相比较，得到偏差信号•放大元件：将偏差信号进行放大，用以推动执行元件。•执行元件：直接推动被控对象，改变其输出量•校正元件：为改善系统性能增加的补偿元件5自动控制系统的基本控制方式•反馈控制方式：按偏差进行控制，减小或消除偏差抑制任何内外扰动对被控量的影响控制精度高，元件多、结构复杂等5自动控制系统的基本控制方式开环控制方式：控制装置与被控对象只有顺序作用没有反向联系，输出量对控制作用不产生影响。可以按给定量控制也可以按扰动量控制。典型例子：前馈控制系统5自动控制系统的基本控制方式复合控制方式：按偏差控制与按扰动控制结合起来，构成前馈-反馈控制系统。实例原理：只要浮子不在给定位置上,电机就要工作,也就是说,系统最终不会存在误差。前述水位自动控制系统中,如果用水量增加(减少),则浮子一定要偏离给定位置,必须开大(关小)阀门。第二节自动控制系统示例系统功能框图描述控制过程：假设Hc↓→浮子↓（测量出Hc，和给定的位置Hg作比较）→阀门↑→Q1↑→Hc↑第三节自动控制系统的分类•按控制方式分：反馈控制、开环控制、复合控制•按系统功能分：温度控制、压力控制、位置控制、液位控制等，即被控量类型•按元件类型分：机械、电动、气动、液压、生物等•按系统性能分：线性与非线性、连续与离散、定常与时变确定与不确定等。•按参据量变化规律分：恒值、随动、程序1线性连续控制系统控制作用的信号是连续的，控制器通常为模拟电子器件线性微分方程：)()()()()()((t)dtda(t)dtda1111011n1n1nn0trbtrdtdbtrdtdbtrdtdbtcatcdtdaccmmmmmmnnC(t):被控量；r(t)：系统输入量；a0-an,b0-bn是系数。线性定常连续控制系统按输入量的变化规律不同分：•恒值控制系统：输入量是一个常值要求被控量等于常值主要研究扰动对被控对象的影响。如温度控制等•随动控制系统：输入量的大小不可预知（可能有规律或无规律）要求被控量随之变化。又称跟踪系统。如函数记录仪、电子配钥匙•程序控制系统：输入量按预定规律随时间变化g=f(t)要求被控量迅速准确的复现。如数控机床，部分供水系统2线性定常离散控制系统控制作用的信号是断续的或数字量（即在时间上是离散的），采用计算机构成的系统通常都是离散控制系统。差分方程：)()1()1()()()1()1(a)(a110110krbkrdtdbmkrbmkrbkcakcankcnkcmmnn离散信号连续信号采样3非线性控制系统只要有一个元件的输入输出特性是非线性的。第四节自动控制系统的基本要求1基本要求的提法稳、快、准稳定性：保证系统正常工作的先决条件。•什么是稳定的控制系统？被控量偏离期望值的初始偏差随时间的增长逐渐减小并趋于零。线性系统的稳定性由系统结构所决定。•过渡过程系统收到扰动或有输入量时，控制过程不会立即完成，而是有一定的延缓，使被控量恢复期望值或跟踪参据量有一个时间过程。快速性：要求过渡过程的形式和快慢，即动态性能。过渡过程的时间（调节时间）最大振荡幅度（超调量）准确性：过渡过程结束后，被控量达到的稳态值应与期望值一致。稳态误差（衡量控制精度的重要标志）2典型外作用（1）阶跃函数模拟设定值的突然变化，如电源电压突然跳动等。表示t=0时，出现幅值为R的阶跃变化并一直保持下去。R=1时，为单位阶跃函数1(t),即f(t)=R·1(t)一般将阶跃函数作用下系统的响应特性作为评价系统动态性能指标的重要依据。0,0,0tRt)(tfR(2)斜坡函数：速度函数模拟设定值的连续变化。表示在t=0时刻开始，以恒定的速度R随时间变化。R=1时，为单位斜坡函数t，即f(t)=R·t。)(tf0,0,0tRtt)(tf0,0,0221tRtt(3)加速度函数：抛物线函数R=1时，为单位加速度函数t2/2。（4）脉冲函数模拟外界的干扰信号，用于分析系统偏离稳态又恢复到稳态的运动过程。两个阶跃函数合成的脉动函数，t0越小矩形的宽度越小高度越大；t0趋于零时，即脉动函数的极限为脉冲函数，宽度为0，高度无穷大。)](1)(1[lim0000ttttAt)(tfδ(t)A/t0A/t0A/t0t0t0单位脉冲函数：是一个持续时间无限短、脉冲幅度无限大、信号对时间的积分为1的矩形脉冲。01dt)t(0)t(t,0t,0t0,1lim0（5）正弦函数随动控制系统。)sin(tA)(tf正弦函数作用下的频率响应是研究性能的重要依据。第二章控制系统的数学模型1什么是数学模型？描述系统内部物理量之间关系的数学表达式。2数学模型有多种形式：•时域数学模型：微分方程（连续系统）差分方程（离散系统）状态方程•复域数学模型：传递函数、结构图•频域数学模型：频率特性建立控制系统的数学模型是分析和设计控制系统的首要工作。1.拉氏变换的定义：例：f(t)=1(t))]([)(1sFLtfs110s1es1dtssedte)t(10st00stst（1）t0时，f(t)=0（2）t≥0时，f(t)分段连续)]t(f[L)s(F记为：0stdte)t(f)s(F则：0stdte)t(f（3）第一节拉普拉斯变换s110s1es1dtssedte)t(10st00ststs110s1es1dtssedte)t(10st00stst（1）线性定理：（齐次性，叠加性）)s(aF)]t(af[L)s(F)s(F)]t(f)t(f[L2121)0(f)s(sFdt)t(dfL)s(Fs)]t(f[Lnn（2）微分定理：当初始值为0时，＝sF(s)对原函数进行一次微分相当于象函数用s乘一次。2.常用拉氏变换定理当初始值为0时，ssFsdttfdttfLt)()(])([0s)s(Fnns)s(F])dt)(t(f[L（3）积分定理：对原函数进行一次积分相当于象函数用s除一次。)(lim)(lim0ssFtfst)(lim)(lim0ssFtfst（4）初值定理：（5）终值定理：)()]([asFtfeLat（6）位移定理：初值定理与终值定理举例：例：ate)t(fas1)s(F1ass)s(sFlims1elimat0t0elimatt0ass)s(sFlim0s)s(sFlim)t(flims0t)s(sFlim)t(flim0st结论：根据初值定理和终值定理可直接根据S域的特性分析系统在时域中输入作用瞬时的特性以及稳态情况。终值定理：则：初值定理：3拉普拉斯反变换(由象函数F(s)求原函数f(t))部分分式展开法)()()()(1111110nmasasasbsbsbsbsAsBsFnnnnmmmm分母因式分解，得：)())(()()()(211110nmmmmssssssbsbsbsbsAsBsFs1,s2,…sn是A(s)=0的根，称为F(s)的极点。)())(()()()(211110nmmmmssssssbsbsbsbsAsBsF情况一：F(s)有不同极点,这时,F(s)总能展开成如下简单的部分分式之和。)()(limF(s),,0)(),,2,1(sFsscscsAnisissiiiii处的留数。在极点称为是常数的根是式中nnsscsscsscsF2211)(()()tsntstsnecececsFLtf21211)]([)(()例题1：求的原函数f(t)。342)(2ssssF解：将分母因式分解并按部分分式展开：31)3)(1(2)(21scscssssF2132lim)()1(lim111sssFscss2112lim)()3(lim332sssFscss因此，原函数tteetf32121)(tttssseeetfsssscsssscssssc3233221110115161)(101])3)(2)(1(1)3[(lim151])3)(2)(1(1)2[(lim61])3)(2)(1(1)1[(lim321)3)(2)(1(1)(:321scscscssssF练习321)3)(2)(1(1)(:321scscscssssF练习jscjscjsjsssF11)1)(1(3)(21解：分别按照表2-3的17项和15项得：tjtjececf)1(2)1(1例题2：求的原函数f(t)。223)(2ssssF1)1(41)1(11)1(3)(222ssssssF1)1(141)1(11)1(3)(222ssssssF)sin4(costteftnnrrrrrrnrrsscsscsscsscsscsssssssBsAsBsF1111111111)()()()()()()()()(仍按以前的方法计算系数,,,1nrcc假若F(s)有r重极点,而其余极