自动控制原理第一章第四节自动控制系统的性能评价
自动控制原理(经典部分)课程教案
学习好资料欢迎下载山东科技大学《自动控制原理》（经典部分）课程教案授课时间：2007－2008学年第1学期适用专业、班级：自动化2005－1、2、3班**人：***编写时间：2007年7月)())()m n s z s p --221)(1)21)(1)i j s s T s T s ζττζ++++++ 极点形成系统的模态，授课学时：2学时章节名称第二章第三节控制系统的结构图与信号流图（1）备注教学目的和要求1、会绘制结构图。
2、会由结构图等效变换求传递函数。
重点难点重点：结构图的绘制；由结构图等效变换求传递函数。
难点：复杂结构图的等效变换。
教学方法教学手段1、教学方法：课堂讲授法为主；用精讲多练的方法突出重点，用分析举例的方法突破难点。
2、教学手段：以传统的口述、粉笔加黑板的手段为主。
教学进程设计（含教学内容、教学设计、时间分配等）一、引入（约3min）从“用数学图形描述系统的优点”引入新课。
二、教学进程设计（一）结构图的组成（约7min）1、信号线：表示信号的传递方向。
2、方框：表示输入和输出的运算关系，即C(S)=R(S)*G(S)。
3、比较点：表示两个以上信号进行代数运算。
4、引出点：一个信号引出两个或以上分支。
（二）结构图的绘制（约40min）绘制：列写微分方程组，并列写拉氏变换后的子方程；绘制各子方程的结构图，然后根据变量关系将各子结构图依次连接起来，得到系统的结构图。
例题讲解。
（二）结构图的简化（约46min）任何复杂的系统结构图，各方框之间的基本连接方式只有串联、并联和反馈连接三种。
方框结构图的简化是通过移动引出点、比较点、交换比较点，进行方框运算后，将串联、并联和反馈连接的方框合并，求出系统传递函数。
1、串联的简化：12()()()G s G s G s=2、并联的简化：12()()()G s G s G s=±3、反馈连接方框的简化：11()()1()()G ssG s H sΦ=4、比较点的移动：移动前后保持信号的等效性。
自动控制系统的性能评估与改进
自动控制系统的性能评估与改进自动控制系统在现代工业中起着重要的作用，它可以实现对机器和设备的自动化操作和监控。
然而，为了确保自动控制系统的正常运行，需要对其性能进行评估和改进。
本文将探讨自动控制系统的性能评估方法，并结合实例介绍如何改进系统性能。
一、性能评估方法1. 系统稳定性评估系统的稳定性是衡量其性能的重要指标之一。
常见的评估方法包括对系统的阶跃响应进行分析和测试。
阶跃响应是指系统在输入信号突然变化时的响应情况，通过分析阶跃响应曲线的形状、振幅和周期等特征，可以评估系统的稳定性。
2. 控制精度评估控制精度是衡量自动控制系统性能的另一个重要指标。
常用的评估方法包括对系统的静态误差、超调量和调整时间进行测量。
静态误差是指系统在稳定状态下输出与期望值之间的偏差，超调量是指系统在调整过程中超过期望值的程度，调整时间是指系统从初始状态到稳定状态所需的时间。
3. 鲁棒性评估鲁棒性是指系统在面对不确定性和干扰时的稳定性。
常见的评估方法包括对系统的鲁棒性边界进行分析和测试。
鲁棒性边界是指系统在各种参数变化和干扰下能够保持稳定的范围。
通过评估系统的鲁棒性边界，可以确定系统在实际工作环境中的可靠性。
二、性能改进方法1. 参数调优参数调优是改善自动控制系统性能的常用方法之一。
通过调整系统的参数，可以提高系统的稳定性和控制精度。
常见的参数调优方法包括基于试验的方法和基于数学模型的方法。
基于试验的方法是通过对系统进行实验观察和调整参数，找到满足性能要求的最佳参数组合。
基于数学模型的方法是通过建立系统的数学模型，并利用数学优化算法找到最优参数。
2. 控制策略优化控制策略优化是改进自动控制系统性能的另一种重要方法。
不同的控制策略适用于不同的系统和工况，通过选择合适的控制策略可以提高系统的响应速度和鲁棒性。
常见的控制策略包括比例-积分-微分（PID）控制、模糊控制和自适应控制等。
选择适合系统的控制策略需要考虑系统的特性和要求，并进行实验验证和调整。
孙炳达 自动控制原理第1章
注意： 反馈有正、负之分。反馈信号的极性与输入信号的极性相反，从而产生
一偏差信号的反馈方式，称负反馈；反馈信号的极性与输入信号的极性相同，称正 反馈，正反馈方式只可能在局部反馈中采用；所有闭环系统，都是负反馈控制系统。
2、水温的自动控制的示意图
采用自动控制时，上述功能都用相应的元件和仪表来代替。 例如，用温度测量元件、控制记录仪表和调节阀等。7
自动控制的基本方式
二、基本控制方式(3种)
1、开环控制方式 (1)定义： 控制系统的输出量对系统不产生作用的控制方式，称为开环控制方式。 具有这种控制方式的有机整体，称为开环控制系统。 如果从系统的结构角度看，开环控制方式也可表达为，没有系统输出量 反馈的控制方式。
系统中，Ug 是给定输入量；电动机的转速n是系统的输出量， 即被控量；电源电压波动、放大系数漂移、拖动负载的变化等， 是扰动输入量。
可见，系统的输出量，即电动机的转速并没有参予系统的控 制。
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自动控制的基本方式
(2) 职能方框图
任何开环控制系统，从组成系统元部件的职能角度看，均可用下面的方 框图表示。
2、闭环控制方式：
(1) 定义
系统输出量直接或间接地反馈到系统的输入端，参予了系统控制的方式，称 为闭环控制方式。
如果从系统的结构看，闭环控制方式也可表达为，有系统输出量反馈的
控制方式。
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自动控制的基本方式
举例：速度控制系统
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自动控制的基本方式
工作原理
开环调速结构基础上引入一台测速发电机，作为检测系统 输出量即电动机转速并转换为电压。
——齐次性
（2）非线性系统：用非线性微分方程或差分方程描述X的r1(t)系统。
自动控制原理概述
自自自动动动控控制制原给得理定特值得征主:要任务:
被控量
控制分通析过和对设各计类自机控动器制器控、制各系种受统物控对得理象性参能量。、工
自业动示生图控下意产制面过系通程统过等得一得基些控本实制概例直念来接检说造测明福元自于件 动社控会制。和
第一节 自动控制与自动控制系统
例 水温人工控制系统 系工统作得过构程成: : 受控手蒸对动汽象调通:水箱 节被过阀控热门制传得导量开器:水温 度件,把从热而阀量调门传节 蒸递热汽给传得水导流,水器量得件, 来温控度显制与示水蒸仪得汽表 温得蒸度流汽、量成排正水 比冷、水但人工热难水以实现稳定得高质量控制、
第二节 自动控制系统得分类
三、连续系统和离散系统
连续系统:
系统中各部分得信号都就是时间得连 续函数即模拟量。
离散系统: 系统中有一处或多处信号为时间得离 散函数,如脉冲或数码信号。 若系统中既有模拟量也有离散信号, 则又可称之为采样系统。
第二节 自动控制系统得分类
四、恒值系统、随动系统和 程序控制系统
前馈补偿控制
前馈通道
主通道
给定值 _ 控制器
被控 制量
受控对象
检测元件
反馈控制
第一节 自动控制与自动控制系统
(b) 按扰动前馈补偿得复合控制
前馈补偿控制
扰动
主通道
前馈通道
被控
制量
给定值 _ 控制器
受控对象
检测元件
反馈控制
第一章 概 述
第二节 自动控制系统得分类
自动控制系统得分类方法较多,常见 得有以下几种
自动控制原理概述
第一章 概述
第一节 自动控制与自动控制系统
一、自动控制得基本概念 二、控制系统得基本构成
《自动控制原理》教学大纲
自动控制原理》教学大纲一、课程的性质、地位与任务本课程是电力系统自动化技术专业的基础课程。
通过本课程的学习，使学生掌握自动控制的基础理论，并具有对简单连续系统进行定性分析、定量估算和初步设计的能力，学生将掌握自动控制系统分析与设计等方面的基本方法，如控制系统的时域分析法、根轨迹分析法、频域分析法、状态空间分析法、采样控制系统的分析等基本方本课程系统地阐述了自动控制科学和技术领域的基本概念和基本规律，介绍了自动控制技术从建模分析到应用设计的各种思想和方法，内容十分丰富。
通过自动控制理论的教学，应使学生全面系统地掌握自动控制技术领域的基本概念、基本规律和基本分析与设计方法，以便将来胜任实际工作，具有从事相关工程和技术工作的基本素质，同时具有一定的分析和解决有关自动控制实际问题的能力。
二、教学基本要求了解自动控制的概念、基本控制方式及特点、对控制系统性能的基本要求。
理解典型环节的传递函数、结构图化简或梅森公式以及控制系统传递函数的建立和表示方法，初步掌握小偏差线性化方法和通过机理分析建立数学模型的方法，以串联校正为主的根轨迹综合法，掌握常用校正装置及其作用。
熟悉暂态性能指标、劳思判据、稳态误差、终值定理和稳定性的概念以及利用这些概念对二阶系统性能的分析，初步了解高阶系统分析方法、主导极点的概念，能利用根轨迹对系统性能进行分析，熟悉偶极子的概念以及添加零极点对系统性能的影响。
频率特性的概念、开环系统频率特性Nyquist图和Bode图的画法和奈氏判据，了解绝对稳定系统、条件稳定系统、最小相位系统、非最小相位系统、稳定裕量、频指标的概念，以及频率特性与系统性能的关系。
基本校正方式和反馈校正的作用，掌握复合校正的概念和以串联校正为主的频率响应综合法。
三、教学学时分配表四、教学内容与学时安排第一章自动控制系统的基本知识……4学时本章教学目的和要求：掌握自动控制系统组成结构和基本要素，理解自动控制的基本控制方式和对系统的性能要求，了解一些实际自动控制系统的控制原理。
自动控制系统性能分析
01
02
03
7.1 自动控制系统的稳 b)稳定系统
造成自动控制系统不稳定的物理原因
自动控制系统的相对稳定性 相对稳定性好 b)相对稳定性差
系统稳定的充要条件
系统稳定区域 系统稳定区域
给定误差的传递函数 如图所示，当只考虑系统在给定的参考输入下的给定误差传递函数时，则其定义为偏差信号的拉氏变换和输入信号拉氏变换之比，即：
其中：又因为
所以代入给定误差传递函数表达式，并整理得：
由于由扰动输入 引起的系统输出本身就是误差，所以当只考虑系统在扰动信号作用下的误差（如图所示），有： 扰动误差的传递函数
对数频率稳定性判据
奈氏图上以原点为圆心的单位圆对应于伯德图上的0dB线。
奈氏图上的负实轴对应于伯德图上的-180度的相频 曲线。
频率稳定判据在极坐标图和对数坐标图上的对照 奈氏判据 b)对数频率判据 若系统开环是稳定的，则闭环系统稳定的充要条件是：当 线过0dB线时， 在 线上方( >0)。
从另方面来看，由于自动控制系统稳态误差是指在给稳定系统加入期望的参考输入后，经过足够长的过渡时间后（即其暂态响应已经衰减到微不足道时），系统稳态响应——即系统最终所反映出来的实际结果（实际值）与期望参考输入值之间的差值。所以稳态误差又是一个与系统的某些特定参考输入（期望值）相关的一个性能指标。
误差传递函数
延迟环节对系统稳定性的影响
延迟环节对系统稳定性的影响
延迟环节对系统稳定性的影响
延迟环节对系统稳定性的影响
延迟环节对系统稳定性的影响
延迟环节对系统稳定性的影响
延迟环节对系统稳定性的影响
延迟环节对系统稳定性的影响
7.2 自动控制系统的稳态性能分析
第一章 自动控制系统的基本概念(修改) (2)
上篇自动控制原理第一章自动控制系统概述本章要点本章简要介绍有关自动控制的基本概念、开环控制和闭环控制的特点、自动控制系统的基本组成和分类以及对自动控制系统的基本要求。
第一节自动控制的基本概念自动控制是指在没有人的直接干预下，利用物理装置对生产设备和工艺过程进行合理的控制，使被控制的物理量保持恒定，或者按照一定的规律变化。
自动控制系统则是为实现某一控制目标所需要的所有物理部件的有机组合体。
在自动控制系统中，被控制的设备或过程称为被控对象或对象；被控制的物理量称为被控量或输出量；决定被控量的物理量称为控制量或给定量；妨碍控制量对被控量进行正常控制的所有因素称为扰动量。
扰动量按其来源可分为内部扰动和外部扰动。
给定量和扰动量都是自动控制系统的输入量。
通常情况下，系统有两种外作用信号：一是有效输入信号（以下简称输入信号），二是有害干扰信号（以下简称干扰信号）。
输入信号决定系统被控量的变化规律或代表期望值，并作用于系统的输入端。
干扰信号是系统所不希望而又不可避免的外作用信号，它不但可以作用于系统的任何部位，而且可能不止一个。
由于它会影响输入信号对系统被控量的有效控制，严重时必须加以抑制或补偿。
第二节开环控制和闭环控制自动控制有两种基本的控制方式：开环控制和闭环控制。
与这两种控制方式对应的系统分别称之为开环控制系统和闭环控制系统。
一、开环控制系统开环控制系统是指系统的输出端和输入端不存在反馈关系，系统的输出量对控制作用不发生影响的系统。
这种系统既不需要对输出量进行测量，也不需要将输出量反馈到输入端与输入量进行比较，控制装置与被控对象之间只有顺向作用，没有反向联系。
电加热系统的控制目标是，通过改变自耦变压器滑动端的位置，来改变电阻炉的温度，并使其恒定不变。
因为被控制的设备是电阻炉，被控量是电阻炉的温度，所以该系统可称为温度控制系统，如图1-1所示。
开环控制系统的优点是系统结构和控制过程简单，稳定性好，调试方便，成本低。
自动控制原理
张 泉
第一章自动控制理论概论
第一节 第二节 第三节 自动控制理论的发展 自动控制与自动控制系统 自动控制系统应用示例
自动控制理论（Automatic Control Theory），是控制论的一个重要分支，包括 经典控制理论和现代控制理论两大部分，是 一门既与技术科学又与基础科学相关的学科， 同相对论和量子论一起被誉为20世纪上半叶 的三大伟绩。 本书主要介绍经典控制理论的基本内容。
4、 恒值系统、随动系统和程序控制系统
这是根据给定的参考输入信号的不同来分类的。 当系统的参考输入为一定值，而控制任务就是克服 扰动，使被控量保持恒值，此类系统称为恒值系统 (Uniform Control System)；若系统给定值按照事先不 知道的时间函数变化，并要求被控量跟随给定值变化， 则此类系统称为随动系统(Following Control System)； 若系统的给定值按照设定的时间函数变化，并要求被控 量随之变化，则此类系统称为程序控制系统 （Programed Control System）。如一些自动化生产线 等。 本书主要的研究对象是线性定常控制系统（Linear Time-Invariant Control System）。
三、机电控制系统
例1-3 造纸机分部传动 系统，如图1-10所示。 本例中，受控对象为电动机， 控制装置为电位器、放大器，测量 装 置为测速发电机，被控量为电 动机转速，给定值为适宜的转速值， 即 电压Ur。 工作中，压榨辊拖动电机 M的转 速由测速发电机TG检测出来，并转 换为速度反馈电压Uf。参考输入电 压Ur与反馈电压Uf都送到运算放大 器的输入端并相比较（相减），得 到偏差电压Ur-Uf，经过放大器放 大去控制拖动电机的转速。
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1.4.1 稳定性 稳定性就是指动态过程的振荡倾向和系统能够恢复平衡 状态的能力。是保证自动控制系统正常工作的首要条件。 1.4.2 准确性 控制系统的准确性是表征控制系统的控制精度的性能指 标，用稳态误差指标表示。 1.4.3 快速性 快速性是在系统稳定的前提下提出的，是指系统输出量与 给定的输入量之间产生偏差时，消除这种偏差的过渡过程 （系统由原始平衡状态到新平衡状态的过程）的快速程度。
1. 4 自动控制系统的性能评价
不同类型的控制系统对系统性能指标要求的侧重点也不同。 按照给定的控制任务要求的控制系统，是控制工程人员 必须解决的课题，也是自动控制原理这门学科的基本任务。