-西北工业大学—自动控制原理1-8

自动控制原理西北工业大学自动化学院自动控制原理教学组自动控制原理（第1讲）第一章自动控制的一般概念§1.1引言§1.2自动控制理论发展概述§1.3自动控制和自动控制系统的基本概念§1.4自动控制系统的基本组成§1.5控制系统示例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调速器工作原理图自动控制原理自动控制理论是研究自动控制系统组成，进行系统分析设计的一般性理论是研究自动控制过程共同规律的技术学科自动控制在无人直接参与的情况下，利用控制装置，使工作机械、或生产过程（被控对象）的某一个物理量（被控量）按预定的规律（给定量）运行。基本控制方式1.开环控制2.闭环控制3.复合控制例1炉温控制系统炉温控制系统方框图炉温控制系统方框图方框图中各符号的意义元部件方框（块）图信号（物理量）及传递方向中的符号比较点引出点表示负反馈例2函数记录仪函数记录仪方框图负反馈原理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)偏差起调节作用控制系统的组成(1)被控对象控制系统测量元件比较元件控制装置放大元件执行机构校正装置给定元件控制系统的组成(2)课程小结1.自动控制的一般概念基本控制方式控制系统的基本组成控制系统的分类对控制系统的要求课程研究的内容2.要求掌握的知识点负反馈控制系统的特点及原理由系统工作原理图绘制方框图自动控制原理（第2讲）第一章自动控制的一般概念§1.5控制系统示例§1.6自动控制系统的分类§1.7对控制系统性能的基本要求§1.8本课程的研究内容自动控制在无人直接参与的情况下，利用控制装置，使工作机械、或生产过程（被控对象）的某一个物理量（被控量）按预定的规律（给定量）运行。基本控制方式1.开环控制2.闭环控制3.复合控制例2函数记录仪函数记录仪方框图负反馈原理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)偏差起调节作用控制系统的组成(1)被控对象控制系统测量元件比较元件控制装置放大元件执行机构校正装置给定元件控制系统的组成(2)水温调节系统水温调节系统工作原理图水温调节系统水温调节系统方框图控制系统的分类1.按给定信号的形式恒值系统/随动系统2.按系统是否满足叠加原理线性系统/非线性系统3.按系统参数是否随时间变化定常系统/时变系统4.按信号传递的形式连续系统/离散系统5.按输入输出变量的多少单变量系统/多变量系统对控制系统的基本要求1.稳：（基本要求）要求系统要稳定2.准：（稳态要求）系统响应达到稳态时，输出跟踪精度要高3.快：（动态要求）系统阶跃响应的过渡过程要平稳，快速演示自动控制原理课程的任务与体系结构自动控制原理教学过程方框图课程小结1.自动控制的一般概念基本控制方式控制系统的基本组成控制系统的分类对控制系统的要求课程研究的内容2.要求掌握的知识点负反馈控制系统的特点及原理由系统工作原理图绘制方框图自动控制原理（第3讲）第二章控制系统的数学模型§2.1引言§2.2控制系统的时域数学模型复习：拉普拉斯变换有关知识自动控制原理课程的任务与体系结构自动控制原理§2控制系统的数学模型时域模型—微分方程复域模型—传递函数§2控制系统的数学模型2.1引言数学模型:描述系统输入、输出变量以及内部各变量之间关系的数学表达式建模方法：解析法，实验法2.2时域数学模型——微分方程线性元部件、线性系统微分方程的建立非线性系统微分方程的线性化§2.1引言•数学模型描述系统输入、输出变量以及内部各变量之间关系的数学表达式•建模方法解析法（机理分析法）根据系统工作所依据的物理定律列写运动方程实验法（系统辨识法）给系统施加某种测试信号，记录输出响应，并用适当的数学模型去逼近系统的输入输出特性§2.2控制系统的数学模型—微分方程)()(...)()()()(...)()(0111101111trbdttdrbdttrdbdttrdbtcadttdcadttcdadttcdammmmmmnnnnnn线性定常系统微分方程的一般形式§2.2控制系统的数学模型—微分方程)(1)(1)()(22tuLCtuLCdttduLRdttudrcccdttduCtic)()()()()()(tutRidttdiLtucr)()()(22tudttduRCdttudLCccc§2.2.1线性元部件及系统的微分方程例1R-L-C串连电路§2.2.1线性元部件及系统的微分方程（1）)()(1ommmiixxfFxxKF02xKFooommixKxxfxxK21)()(::BAioooooimoimxxfKxKKKxxfKxKKxxxKxKxK2121212211iooxKKKxKKfKKx2112121)(例2弹簧—阻尼器系统§2.2.1线性元部件及系统的微分方程电磁力矩：—安培定律电枢反电势：—楞次定律电枢回路：—克希霍夫力矩平衡：—牛顿定律brERiumebcEicMmmmmmmmmmMfJ电机时间常数电机传递系数)/()/(memmmmemmmccfRcKccfRRJTrmmmmrmmmmuKTuKT消去中间变量i,Mm,Eb可得：例3电枢控制式直流电动机§2.2.1线性元部件及系统的微分方程（3）反馈口：放大器：电动机：减速器：绳轮：电桥：rmmmmmuTKKKKKLTKKKKKLTL432143211消去中间变量可得：LKuKLKuKTuKuuuupmmmmmpr423321例4X-Y记录仪§2.2.2非线性系统微分方程的线性化（举例1）)](cos[)(0txExy)()()(0xyxyxyxxEy00sin取一次近似，且令既有例5已知某装置的输入输出特性如下，求小扰动线性化方程。200000))((!21))(()()(xxxyxxxyxyxy解.在工作点(x0,y0)处展开泰勒级数)(sin000xxxE§2.2.2非线性系统微分方程的线性化（举例2）rQShSdtdh1hhhhdthdhhh00021|0)(1)21()(0000rrQQShhhSdthhdSQhSdtdhr000rQShhSdthd120解.在处泰勒展开，取一次近似0h代入原方程可得在平衡点处系统满足上两式相减可得线性化方程例6某容器的液位高度h与液体流入量Q满足方程式中S为液位容器的横截面积。若h与Q在其工作点附近做微量变化，试导出h关于Q的线性化方程。线性定常微分方程求解微分方程求解方法复习拉普拉斯变换有关内容（1）1复数有关概念（1）复数、复函数复数复函数js)()()(sFsFsFyx例1jssF22)(（2）模、相角22yxFFsFxyFFsFarctan（3）复数的共轭yxjFFsF)(（4）解析若F(s)在s点的各阶导数都存在，则F(s)在s点解析。模相角复习拉普拉斯变换有关内容（2）2拉氏变换的定义0)()()]([dtetfsFtfLts（1）阶跃函数)()(tfsF像原像3常见函数的拉氏变换0001)(tttfssesdtetLstst110111100（2）指数函数atetf)(dtedteetfLtasstat00)]([as)(aseasa)t(s110110复习拉普拉斯变换有关内容（3）（3）正弦函数0sin00ωtttf(t)dteeejdtetf(t)Lsttjtjst0021sindteej)tj(s)t-(s-j021001121)tj(s)tj(sejsejsj22222211121ssjjjsjsj复习拉普拉斯变换有关内容（4）（1）线性性质4拉氏变换的几个重要定理（2）微分定理(s)Fb(s)Fa(t)fb(t)faL21210fsFstfL00左tdfedtetfstst00001221nn-n-n-nnfsffsfssFstfdtetfs-fst000右0fssFst-stdetftfe00证明：0初条件下有：sFstfLnn复习拉普拉斯变换有关内容（5）例2求?)(tL解.t1ttLtδL1例3求?)cos(tL解.ttnsi1costLtLnsi1cos01δss101221ss22ss复习拉普拉斯变换有关内容（6）（3）积分定理0111-fssFsdttfL零初始条件下有：sFsdttfL1进一步有：0101011211nnnnnnfsfsfssFsdttfL个例4求L[t]=?解.dttt1dttLtL1例5求解.dttt220222111ttsss?22tL0111ttsss21sdttLtL2231s复习拉普拉斯变换有关内容（7）（4）实位移定理证明：例6解.)(1)(1)(atttf)(1)(1)(attLtfL)()(00sFetfLsτF(s),at0at010t0tf求sesas11seas1dtetfst00)(左令0tdefs00)()(defess00)(右复习拉普拉斯变换有关内容（8）（5）复位移定理证明：)()(AsFtfeLtAdtetfestAt0)(左令sAsdtetfts0)()(sF右dtetftAs0)()()(AsFateLteLt-5cos3)πt(eLt35cos2222155sssπ-sse例7例8例922533ss3225ssssatetL1asss1)π(teLt155cos222215522ssesπas1复习拉普拉斯变换有关内容（9）（6）初值定理证明：由微分定理)(lim)(lim0sFstfst)0()()(0fsFsdtedttdfts21)(ssF例10)0()(lim)(lim0fsFsdtedttdfstss0lim)(0