L1自动控制原理
L1自动控制原理
18
自控－绪论@刘静
控制系统性能的基本要求
稳定性（稳）
能工作（即达到稳态），并在有一定的环境和参数 变化时，还能有稳定“裕量”
稳态精度（准）
系统进入稳态时，稳态值与预期的差别越小越好
动态过程（好/快）
在输入信号到到达稳态的变化全过程，包括离预期 值的振荡和过渡时间。反例：高射炮射角随动系统， 虽然炮身最终能跟踪目标，但如果目标变动迅速， 而炮身行动迟缓，仍然抓不住目标
《自动控制理论》，夏德矜编， 机械工业出版社
精选课件
2
自控－绪论@刘静
概述
自动化（Automation 或 Automatization ） 自动控制
在脱离人的直接干预，利用控制装置（简称控制器） 使被控对象（或生产过程等）的某一物理量（如温 度、压力、PH值等）准确地按照预期的规律运行。
经典控制理论
研究的主要对象是单输入、单输出——单变量系统。 如：调节电压改变电机的速度；调整方向盘改变汽 车的运动轨迹等。
现代控制理论
研究的主要对象是多输入、多输出——多变量系统。 如，汽车看成是一个具有两个输入（驾驶盘和加速 踏板）和两个输出（方向和速度）的控制系统。计 算机科学地发展，极大地促进了控制科学地发展。
and d ncnt( a tn -1 )d d n -1 c n -1 t( t )a1d dct a (0 ct)(t) b m d d m rm t( tb m ) -1d d m -1 m r-1 t( t) b 1d dr tb (0 rt()t)
式中：r(t)——系统输入量； c(t)——系统输出量 主要特点是具有叠加性和齐次性。
精选课件
11
自控－绪论@刘静
自动控制系统的分类
自动控制原理(Ⅰ型二阶系统的典型分析与综合设计)课程设计
指导教师评定成绩：审定成绩：重庆邮电大学移通学院自动化系课程设计报告设计题目：Ⅰ型二阶系统的典型分析与综合设计学生姓名：专业：班级：学号：指导教师：设计时间：2010 年 12 月重庆邮电大学移通自动化系制重庆邮电大学移通学院《自动控制原理》课程设计（简明）任务书-供08级自动化专业、电气工程与自动化专业本科生用引言：《自动控制原理》课程设计是该课程的一个重要教学环节，它有别于毕业设计，更不同于课堂教学。
它主要是培养学生统筹运用自动控制原理课程中所学的理论知识，掌握反馈控制系统的基本理论和基本方法，对工程实际系统进行完整的全面的分析和综合。
一、设计题目：Ⅰ型二阶系统的典型分析与综合设计二、系统说明：该Ⅰ型系统物理模拟结构如下图：其中R0=100KΩ; C1=C2=10-5F；R2=1/2 R0R f为线性滑动电位器，可调范围为：10-1R0~ 104R0 ，设计过程中可忽略各种干扰，比如：运算放大器的零点漂移，环节间的负载效应，外界强力电力设备产生的电磁干扰等，均可忽略。
三、系统参量：系统输入信号：r（t）；系统输出信号：y（t）；四、设计指标：设定：输入为r（t）=a+bt（其中：a=5rad/secb=4rad/sec）在保证静态指标K v=5（e ss≤0.8）的前提下，要求动态期望指标：σp% ≤8.5% ；t s≤2sec五、基本要求：1. 建立系统数学模型——传递函数；2. 利用频率特性法分析和综合系统（学号为单号同学做）；3. 利用根轨迹法分析和综合系统（学号位双号同学做）;4. 完成系统综合前后的有源物理模拟（验证）实验；5. 完成系统综合前后的计算机仿真（验证）实验;六、设计缴验：1. 课程设计计算说明书一份；2. 原系统组成结构原理图一张（自绘）；3. 系统分析，综合用BODE图（或根轨迹图）各一张；4. 系统综合前后的模拟图各一张（附实验结果图）各一张；5. 计算机仿真程序框图一张；6. 计算机仿真程序清单一份（附仿真实验结果图）；7. 封面装帧成册；移通学院自动化系指导教师：汪纪峰2010-12-15目录引言 (2)一、系统概述 (7)1.1 设计目的 (7)1.2 系统的工作原理 (7)1.3 系统设计基本要求 (8)二、系统建模 (9)2.1 各环节建模 (9)2.1.1 比较器 (9)2.1.2 比例环节 (9)2.1.3 积分环节 (10)2.1.4 惯性环节 (11)2.1.5 反馈环节 (12)2.2 系统模型 (12)2.2.1 系统框图模型 (12)2.2.2 系统等价框图 (12)2.2.3 系统频域模型 (13)2.2.4 小结 (13)三、系统分析 (14)3.1 稳定性分析 (14)3.1.1 时域分析 (14)3.1.2 根轨迹映证 (14)3.1.2.1 绘制根轨迹 (15)3.2静态精度分析 (16)3.2.1Ⅰ型系统的典型分析 (16)3.2.1.1 跟踪能力 (16)3.2.1.2 ess计算 (16)3.2.2 根轨迹映证 (16)3.3 动态分析K 1 (17)3.3.1 作根轨迹 (18)3.3.2 指标分析 (19)四、系统综合 (20)4.1 校正方案的设计 (20)4.2 ts问题 (20)4.3τ的确定 (21)4.3.1 绘制校正后系统—τ参数根轨迹 (21)4.3.2 绘制τ参数根轨迹 (22)4.3.3 确定满足的σp%的ξ (24)4.3.4 做等ξ线 (24)4.4 确定τA (24)五、系统模拟 (25)5.1 原系统的物理模拟 (25)5.2校正后系统的物理模拟 (26)六、设计小结 (27)6.1心得体会 (27)6.2致谢 (28)七、参考文献 (29)《自动控制原理》课程设计第一章系统概述1.1设计目的主要是培养学生的统筹运用自动控制原理课程中所学的理论知识，掌握反馈控制系统的基本理论和方法，对工程实际系统进行完整全面分析和综合。
自动控制原理24 24页PPT文档
-
1
1 uo(s)
R 2 I2(s) C 2 s
为了求出总的传递函数，需要进行适当的等效变换。一个
可能的变换过程如下：
C2s
ui (s) -
1 I1(s) - 1 u (s)
R1
I(s) C1s
1 R2C2s 1
uo(s) ①
ui (s) -
9/8/2019
-1
R1
R1C2s
1
u(s)
C1s
1 R2C2s 1
9/8/2019
20Leabharlann 动输入作用下的闭环系统的传递函数（二）扰动作用下的闭环系统：
此时R(s)=0,结构图如下：
N (s)
E(s)
+
G1(s)
G2 (s)
-
B(s) H (s)
输出对扰动的传递函数为：
C(s)
N(s)C N((ss))1G G 21(G s)2H
输出为：C(s) G2 N(s) 1G1G2H
u f (s)
Kf
- (s)
在结构图中，不仅能反映系统的组成和信号流向，还能表 示信号传递过程中的数学关系。系统结构图也是系统的数学模 型，是复域的数学模型。
9/8/2019
5
结构图的等效变换
二、结构图的等效变换： [定义]：在结构图上进行数学方程的运算。 [类型]：①环节的合并；
--串联 --并联 --反馈连接 ②信号分支点或相加点的移动。 [原则]：变换前后环节的数学关系保持不变。
①信号相加点的移动：
把相加点从环节的输入端移到输出端
X1(s)
G(s) Y (s)
X2(s)
X1(s) G(s) X2(s) N (s)
自动控制原理：第1章 自动控制的基本概念 (2)
m
Md ML
J s2 Bs
c
1
i
m
将每个子方程的结构图按照相互关系，正确地连接起来， 得到下图
自动控制原理
27
2.4.3 结构图的等效变换
(1)结构图的基本组成形式 1）串联连接
C(s) G2 (s)U (s) G2 (s)G1(s)R(s)
C(s) R(s)
G1(s)G2 (s)
2）并联连接
在控制系统稳定的前提下，总是希望响应越快越好，而 且超调量越小越好。
自动控制原理
4
1.4 对控制系统的性能要求
1.4.3 稳态误差
控制系统在稳定的情况下，希望的输出与实际的输出之 差称为误差，误差的稳态分量称为稳态误差（或称为静态误 差），一般用ess表示。
自动控制系统的性能指标分别描述了系统在稳定性、动态 性能、稳态性能三个方面的要求，根据这些性能指标，就可以 判别系统性能的优劣。
i
(2-6)
式（2-5）或（2-6）就是描述简单水槽对象特性的数 学模型。它是一个一阶常系数微分方程式。
T为时间常数。 K 为放大系数。
自动控制原理
16
2.3 传递函数
2.3.1 传递函数的概念
RC电路如下：根据克希霍夫定律， 可列写微分方程
Ri(t) uc (t) ur (t)
uc
(t)
1 C
1
uc (t) C idt
（2）消去中间变量i后，得输入输出微分方程式
LC
d
2uc (t) dt 2
RC
duc (t) dt
uc
(t)
ur
(t)
或
T1T2
d
2uc (t) dt 2
自动控制原理my1-1绪论
03 自动控制系统的分类
开环控制系统与闭环控制系统
开环控制系统
指系统输出端与输入端之间不存在反馈回路，即输出量不对输入量产生影响的 控制系统。这种系统的结构和控制原理相对简单，但控制精度和稳定性较低。
闭环控制系统
又称反馈控制系统，指系统输出端与输入端之间存在反馈回路，即输出量通过 检测装置反馈到输入端并与输入量进行比较，从而产生偏差信号进行控制的系 统。这种系统具有较高的控制精度和稳定性。
快速性
系统快速性定义
指系统对输入信号或扰动的响应 速度。
快速性指标
通常用上升时间、调节时间等参 数来描述系统的快速性。
快速性对系统的影响
快速性好的系统能够迅速响应输 入信号，提高生产效率；而快速 性差的系统则可能导致响应滞后、 控制精度降低等问题。
准确性
系统准确性定义
指系统输出与输入之间的偏差程度。
应用于飞机、卫星、导弹等航空航天 器的控制系统，以及雷达、火炮等武 器装备的精确制导系统。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
04 自动控制系统的性能指标
稳定性
01
系统稳定性定义
指系统在受到外部扰动后，能够 自动恢复到原有平衡状态的能力。
02
稳定性判据
通过数学分析，可以得出系统稳 定的条件，如劳斯判据、奈奎斯 特判据等。
03
稳定性对系统的影 响
系统稳定性是系统正常工作的前 提，不稳定的系统可能导致控制 失效、设备损坏等严重后果。
现代控制理论
智能控制理论
近年来，随着人工智能、机器学习等 技术的兴起，控制理论开始向智能化 方向发展，形成了智能控制理论。
20世纪60年代后，随着计算机技术的发展， 控制理论开始向多输入多输出、非线性、时 变系统等领域扩展，形成了现代控制理论。
自动控制原理课件ppt
控制系统的性能分析
1. 稳态误差分析：分析系统在稳态下的误差以及如 何进行补偿。 2. 响应速度分析：分析系统的响应速度，并且可以 通过合适的控制参数来提高响应速度。 3. 稳定性分析：分析系统的稳定性及如何通过控制 来保证系统的稳定性。
3
反馈控制系统设计
Design of feedback control system
传感器与执行器
它可以感知环境变化并反馈给控制器；执行器则负责将控制器输出的电信号转化为机械运动，控制被控制对象 实现预定动作。这两者在自动控制系统中起到了至关重要的作用，是系统稳定性和机能性的关键依托。除了常 见的传感器和执行器外，还有许多其他类型的传感器和执行器，如力传感器、温度传感器、阀门等。在实际应 用中，要根据具体情况选择合适的传感器和执行器，从而实现自动化、智能化控制。
控制系统基础
第一部分主要介绍控制系统的定义、分类以及控 制系统中常见的各种变量； 第二部分介绍了控制系统的主要组成部分，包括 传感器、执行器、控制器等； 第三部分则着重探讨了控制系统的性能要求，如 稳定性、灵敏度、鲁棒性等方面。通过深入了解 控制系统的基础知识，可以更好地理解和应用自 动控制原理。
自动控制原理
Principles of Automatic Control
Form：XXX
202X-XX-XX
1. 概述自动控制原理 2. 控制系统数学模型 3. 反馈控制系统设计 4. 梯形图及控制程序设计 5. 控制系统稳定性分析 6. 现代控制理论应用
目录
1
概述自动控制原理
Overview of automatic control principles
4
梯形图及控制程序设计
Ladder diagram and control program design
自动控制原理基础知识点总结
自动控制原理基础知识点总结自动控制原理是研究自动控制系统的基本原理和方法的一门学科，其核心思想是通过输入-输出关系来实现对系统的控制和调节。
以下是自动控制原理的一些基础知识点总结：1. 控制系统的组成：自动控制系统主要由输入信号、控制器、执行器和被控对象组成。
其中输入信号是控制系统的指令，控制器是根据输入信号和输出信号之间的差异来生成控制信号，执行器将控制信号转换为作用于被控对象的物理量。
2. 反馈控制和前馈控制：反馈控制是指将系统输出信号通过传感器反馈到控制器中，并与输入信号进行比较来生成控制信号；前馈控制是指将输入信号直接作用于控制器，不考虑系统输出信号的影响。
反馈控制可以有效地补偿系统的不确定性和扰动，提高系统的稳定性和鲁棒性。
3. 系统的数学模型：自动控制系统的设计和分析通常需要建立系统的数学模型，常见的数学模型包括差分方程、微分方程和状态空间方程。
通过对系统的数学模型进行分析，可以获得系统的稳定性、响应速度、稳态误差等性能指标，并用于控制器的设计和参数调节。
4. 控制器的类型：常见的控制器类型包括比例控制器、积分控制器和微分控制器，它们分别根据输出信号与误差信号的线性关系、积分关系和导数关系对系统进行控制。
此外，还可以通过组合和级联这些控制器来设计更复杂的控制系统。
5. 根轨迹和频率响应：根轨迹图可以用来分析系统的稳定性和动态特性，通过观察根轨迹的形状和分布可以确定系统的稳定性和阻尼特性。
频率响应则是通过输入信号在不同频率下的响应来分析系统的频域特性和频率补偿。
6. 系统的稳定性：系统的稳定性是指在某种条件下，系统输出能够在有界的范围内保持稳定。
常见的稳定性分析方法包括稳定性判据、稳定裕度和相角裕度分析。
7. 系统的性能指标：常见的性能指标包括系统的超调量、调整时间、静态误差和稳态误差，这些指标用于评估系统的控制性能和稳定性。
8. 控制系统的校正和调节：通过对系统控制器参数的调整和优化，可以改善系统的控制性能和稳定性。
《自动控制原理》第一章-自动控制原理精选全文完整版
● 执行环节： 其作用是产生控制量，直接推动被控对象的 控制量发生变化。如电动机、调节阀门等就是执行元件。
常用的名词术语
1.稳定性
一个控制系统能正常工作的首要条件。 稳定系统：当系统受到外部干扰后，输出会偏离正 常工作状态，但是当干扰消失后，系统能够回复到 原来的工作状态，系统的输出不产生上述等幅振荡、 发散振荡或单调增长运动。
2.动态性能指标
反映控制系统输出信号跟随输入信号的变化情况。 当系统输入信号为阶跃函数时，其输出信号称为 阶跃响应。
时，线性系统的输出量也增大或缩小相同倍数。
即若系统的输入为 r(t) 时，对应的输出为 y(t)，则
当输入量为 Kr(t)时，输出量为 Ky(t) 。
（2）非线性系统
● 特点：系统某一环节具有非线性特性，不满足叠加原理。 ● 典型的非线性特性：继电器特性、死区特性、饱和特性、
间隙特性等。
图1-5 典型的非线性特性
对被控对象的控制作用，实现控制任务。
图1-3 闭环控制系统原理框图
Hale Waihona Puke (3)复合控制系统 工作原理：闭环控制与开环控制相结合的一种自动控制系 统。在闭环控制的基础上，附加一个正馈通道，对干扰信 号进行补偿，以达到精确的控制效果。
图1-4 复合控制系统原理框图
2.按系统输入信号分类
（1）恒值控制系统 系统的输入信号是某一恒定的常值，要求系统能够克服 干扰的影响，使输出量在这一常值附近微小变化。
举例：连续生产过程中的恒温、恒压、恒速等自动控制 系统。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
.
16
自控－绪论@刘静
反馈控制系统的基本组成
一般的形式
输入信号 比较
输出信号
放大
执行
被控对象
测量
输入信号——系统控制目标的反映，是人的意志的具体体现 控制系统——主要完成对有关信号的变换、处理，发出控制
量，驱动执行机构完成控制功能 输出信号——系统的控制结果，反映了被控对象的运行状态
.
17
自控－绪论@刘静
开环控制系统 特点：系统的输出端与输入端不存在反馈回路，
输出量对系统的控制作用不发生影响的系统。
图纸
程序 指令
微型计算机
放大器
执行机构 （步进电机）
工作机床
切削刀具
.
8
自控－绪论@刘静
自动控制系统的分类
闭环控制系统（反馈控制系统）
特点：系统输出信号与测量元件之间存在反馈回路。 “闭环”这个术语的含义，就是将输出信号通过测 量元件反馈到系统的输入端，通过比较、控制来减 小系统误差。
非线性的理论研究远不如线性系统那么完整，目前 尚无通用的方法可以解决各类非线性系统。
近似处理。
.
15
自控－绪论@刘静
自动控制系统的分类
其他分类方式
按系统数学模型参数特性分：定常系统和时变系统 按功能分：温度控制系统、速度控制系统、位置控制
系统等。 按元件组成分：机电系统、液压系统、生物系统等。
.
5
自控－绪论@刘静
研究对象 描述方法 研究方法 研究目标
经典控制理论
现代控制理论
线性定常系统 （单输入、单输出）
传递函数 （输入、输出描述）
根轨迹法和频率法
线性、非线性、定常、 时变系统
（多输入、多输出） 向量空间
（状态空间描述）
状态空间法
系统分析及给定输入、 揭示系统的内在规律，实
输出情况下的系统综 现在一定意义下的最优控
18
自控－绪论@刘静
控制系统性能的基本要求
稳定性（稳）
能工作（即达到稳态），并在有一定的环境和参数 变化时，还能有稳定“裕量”
图纸
微型计算机
放大器
执行机构
工作机床
切削刀具
位移
反馈测量元件
.
9
自控－绪论@刘静
自动控制系统的分类
按输入信号分类
恒值控制系统（或称自动调节系统）
特点：输入信号是一个恒定的数值。工业生产中的恒温、 恒压等自动控制系统都属于这一类型。
恒值控制系统可看成输入等于常值的过程控制系统。
过程控制系统（或称程序控制系统）
b m d d m rm t( tb m )-1d d m -1 m r-t1( t )b 1d drt (b 0 tr)(t)
式中：r(t)——系统输入量； c(t)——系统输出量 主要特点是具有叠加性和齐次性。
.
14
自控－绪论@刘静
非线性系统
特点：在构成系统的环节中有一个或一个以上的非 线性环节。
合
制与设计
.
6
自控－绪论@刘静
控制系统的基本组成
控制系统的组成：输入部分、控制系统部分和输出部 分。
输入
输出
控制系统
从物理角度上看，自动控制研究的是特定激励作用下 的系统响应变化情况；
从数学角度上看，研究的是输入与输出之间的映射关 系。
.
7
自控－绪论@刘静
自动控制系统的分类
按信号流向分类
自动控制原理
Automatic Control
绪论
.
1
教材及参考书
教材
《自动控制原理》(第3版)，刘文定、谢克明编， 电子工业出版社
参考书
《Automatic Control Systems》 Benjamin C.Kuo， 高等教育出版社
《自动控制原理》，李素玲编，西安电子科技大学 出版社
反馈控制系统的基本组成
一般组成：
被控对象—系统所控制和操纵的对象，输出被控量
控制器—接收变换和放大后的偏差信号，转化为被控制对象操作信号
放大变换环节—将偏差信号变换为适合控制器执行的信号
校正装置—为改善系统动态和静态特性而附加的装置
反馈环节—测量变送环节
给定环节—产生输入控制信号的装. 置
.
11
自控－绪论@刘静
自动控制系统的分类
按输入信号数字特征来分类
连续系统
特点：系统各部分信号都是模拟的连续函数。目前 工业中普遍采用的常规仪表PID调节器控制的系统。
离散系统
特点：系统的某一处或几处信号以脉冲序列或数码 形式传递的控制系统。系统中用脉冲开关或采样开 关，将连续信号转变为离散信号。其中离散信号以 脉冲形式传递的系统又叫脉冲控制系统，离散信号 以数码形式传递的系统又叫数字控制系统。
实现上述控制目的，由相互制约的各部分按一定规 律组成的具有特定功能的整体。
.
3
自控－绪论@刘静
控制理论的发展
原始控制设备
没有理论指导
经典控制理论
单输入(SI)
现代控制理论
多输入输出（MIMO）
大系统理论/复杂系统理论 智能控制理论
.
4
自控－绪论@刘静
控制理论的发展
经典控制理论
.
12
自控－绪论@刘静
输入 +
e(t)
e(t)
_ 采样开关
保持器
输出 被控过程
输入 +
输出
AD
计算机
DA
放大器 执行器 被控对象
_
反馈装置
.
13
自控－绪论@刘静
自动控制系统的分类
按数学模型分类 线性系统
特点：系统由线性元件构成，描述运动规律的数学 模型为线性微分方程。运动方程一般形式：
andd ncnt( tan )-1dd n-1c n-1 t( t )a1ddct(a0tc)(t)
研究的主要对象是单输入、单输出——单变量系统。 如：调节电压改变电机பைடு நூலகம்速度；调整方向盘改变汽 车的运动轨迹等。
现代控制理论
研究的主要对象是多输入、多输出——多变量系统。 如，汽车看成是一个具有两个输入（驾驶盘和加速 踏板）和两个输出（方向和速度）的控制系统。计 算机科学地发展，极大地促进了控制科学地发展。
特点：输入信号是一个已知的函数。系统的控制过程按预 定的程序进行，要求被控量能迅速准确地复现输入，如化 工中的压力、温度、流量控制、数控机床等。
.
10
自控－绪论@刘静
随动系统（或称跟踪系统）
特点：输入信号是一个未知变量。要求控制系统的输出 量能平稳地跟踪和复现输入信号变化。
如：火炮自动跟踪系统。 该系统要求有较好的跟踪能力。
《自动控制理论》，夏德矜编， 机械工业出版社
.
2
自控－绪论@刘静
概述
自动化（Automation 或 Automatization ） 自动控制
在脱离人的直接干预，利用控制装置（简称控制器） 使被控对象（或生产过程等）的某一物理量（如温 度、压力、PH值等）准确地按照预期的规律运行。
自动控制系统