第2章 自动控制理论基础.ppt.Convertor.ppt.convertor

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1、第2章传统控制方法简介§2.1自动控制理论概要自动控制：采用控制装置使被控对象（如机械设备的运行或生产过程的进行）自动按照给定的规律运行，使被控对象的一个或几个物理量（如电压、电流、速度、位置、温度、流量、浓度、化学成分等）能够在一定的精度范围内按照给定的规律变化。一自动控制系统的两种基本形式开环控制：是一种最简单的控制方式，其控制系统示意图如图2.1-1中图（a）所示。特点：在控制器与被控对象之间只有正向控制作用而无反馈控制作用，即系统的输出量对控制量没有影响；系统的精度取决于元、器件的精度和特性调整的精度；当系统的内扰和外扰不大，并且控

2、制精度要求不高时可采用开环控制。闭环控制：是一种反馈控制，在控制过程中对被控制量（输出量）不断检测，并将其反馈到输入端与给定值（参考输入）进行比较，利用放大后的偏差信号产生控制作用特点：控制系统的控制精度在很大程度上由形成反馈的测量元、器件的精度决定。二古典控制理论与现代控制理论古典控制理论：以积分变换为主要数学工具，用频域方法（包括频率特性法和根轨迹法）以描述输入与输出外部关系的传递函数为基础，研究控制系统的动态特性的理论。适合于单变量集中参数线性定常确定系统。现代控制理论：是以微分方程、线性代数及数值计算为主要数学工具，用时域分析方法（

3、状态空间方法）以描述系统内部状态变量关系的状态方程为基础，研究系统状态运动的理论。在解决多变量系统、时变系统及最优控制等问题方面，现代控制理论比较有效。但在处理单变量线性定常系统问题上，现代控制理论尚不及古典控制理论及方法简便实用。发展：从上世纪70年代开始发展起来的最优控制、模糊控制及神经网络控制等称为高等过程控制，模糊控制及神经网络控制等特别适合于非线性系统的控制。自动控制系统需要分析的问题（1）稳定性稳定是指系统受干扰，当干扰消除以后系统能回到原来的状态或达到一个新的稳定状态，就称系统是稳定的。稳定是任意一个自动控制系统能否实际应用的

4、必要条件，自动控制理论可以判断系统的稳定性。 （2）稳态响应用以反映系统稳态响应的参数是稳态误差。在稳态的情况下，系统的实际输出与希望值之间的差异称为稳态误差。自动控制理论能够给出计算控制系统稳态误差的方法。（3）暂态响应系统的暂态响应由系统的暂态性能参数来反应，包括过调量（MP）、调整时间（tS）、上升时间(tr)等。（4）对参数变化的不敏感性：当系统中结构参数变化时，系统对这种变化的反应应具有足够的不敏感性。（5）抗噪声的能力：系统的有效输入不被噪声所污染。§2.2控制系统数学模型定义：凡揭示控制系统各变量内在联系及关系的解析式或图形表

5、示。分类：静态模型：在静态条件下描述各变量间关系的数学方程。动态模型：用微分（或差分）方程描述的各变量动态过程中的关系。表示形式：图形表示：信号流图、方块图及频率特性图。数学表示：微分（差分）方程、传递函数或频率特性、状态空间。数字计算机上的程序综合。建模方法：分析方法：从物理化学规律出发，通过分析和推导，建立数学模型。实验法：经典控制理论中常用数学模型：传递函数传递函数定义：在线性定常系统中，初始条件全为零时，系统或部件输出的拉氏变换与输入的拉氏变换之比。传递函数的求取方法：1由微分方程经拉氏变换求取。线性定常系统可由微分方程描述：当初始

6、条件全为零时，两边进行拉氏变换，可得传递函数为：由方框图、信号流图求取（参阅有关自动控制书籍）。下面以方框图求取传递函数为例加以讲解。1）方框图的建立（1）列写描述实际控制系统中每个物理部件动态特性的方程式，并且表示成线性方程的形式。注意：所得系统方程个数应与这些方程中所含未知变量（输出变量及中间变量，不含输入变量）的个数相等。（2）在零状态下，对所得时域方程进行拉氏变换，并将结果整理成频域中线性代数方程组形式。（3）绘制每一代数方程的局部方框图，然后把它们互连起来，构成一个整体，即得全系统方框图。2）方框图的化简规则（1）相邻点的相加与合

7、并。（2）串联方框的合并（3）并联方框的合并（4）方框与相加点前后交换（5）方框与分支点前后交换（6）相加点与分支点前后交换（7）单环反馈的化简3）有关概念前馈通路：从系统输入端U(S)沿箭头到输出端Y(S)的通路。前馈传递函数：G(S)。反馈通路：输出Y(S)经中间环节反馈到输入端相加点为止的通路。反馈传递函数：H(S)。误差信号：输入信号U(S)与反馈信号B(S)之差。开环传递函数（G0(S)）：反馈信号B(S)与误差信号E(S)之比。闭环传递函数（GC(S)）：输出信号Y(S)与输入信号U(S)之比。§2.3控制系统时域分析系统性能与

8、系统微分方程之间的联系：任何一个物理系统其微分方程的解分为两个部分：动态解（特解）和稳态解（通解）。动态解（特解）反应了系统在响应的过渡期间输出量偏离输入量的程度、系统响应达到稳