自控1_2講——使用版

1、 自動控制原理自動控制原理大連理工大學(xué)城市學(xué)院大連理工大學(xué)城市學(xué)院2012年年3月月自動控制原理自動控制原理參考教材參考教材1 自動控制原理自動控制原理 胡壽松胡壽松 顧樹生、王建輝顧樹生、王建輝 孟華孟華2 Modern Control Engineering課程考核課程考核n72學(xué)時(shí)（學(xué)時(shí)（ 64 +8），），4.5學(xué)分，必修課學(xué)分，必修課 實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)（10%） 小測驗(yàn)小測驗(yàn)（10%） 期中考試（期中考試（10%） 期末期末70%：閉卷考試：閉卷考試平時(shí)平時(shí)30 %：3交通工具自動控制到底有什么用？自動控制到底有什么用？ 4機(jī)電設(shè)備機(jī)電設(shè)備自動控制到底有什么用？ 5航天科技航天科技自動控制到

2、底有什么用？ 中巴資源衛(wèi)星 哈勃望遠(yuǎn)鏡特殊地衛(wèi)星 制導(dǎo)導(dǎo)彈6學(xué)完這門課程后，你可以獲得什么知識或者能力？n1. 1. 什么是自動控制？什么是自動控制？ 定義，基礎(chǔ)理論定義，基礎(chǔ)理論n2. 2. 自動控制具有什么好處和特點(diǎn)自動控制具有什么好處和特點(diǎn) 分析方法分析方法n3. 3. 如何實(shí)現(xiàn)自動控制？如何實(shí)現(xiàn)自動控制？ 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)7課程內(nèi)容課程內(nèi)容n第第1章章 引論引論n第第2章章 線性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型線性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型n第第3章章 控制系統(tǒng)的時(shí)域分析控制系統(tǒng)的時(shí)域分析n第第4章章 根軌跡法根軌跡法n第第5章章 控制系統(tǒng)的頻域分析控制系統(tǒng)的頻域分析n第第8章章 采樣控制系統(tǒng)采樣控制系統(tǒng)8 引

3、言：自動控制理論發(fā)展概述引言：自動控制理論發(fā)展概述 1.1 1.1 開環(huán)控制和閉環(huán)控制開環(huán)控制和閉環(huán)控制 1.2 1.2 自動控制的組成及術(shù)語自動控制的組成及術(shù)語 1.3 1.3 自動控制系統(tǒng)的類型自動控制系統(tǒng)的類型 1.4 1.4 自動控制系統(tǒng)性能的基本要求自動控制系統(tǒng)性能的基本要求 1.5 1.5 常用的典型的輸入信號常用的典型的輸入信號 1.6 1.6 控制系統(tǒng)實(shí)例控制系統(tǒng)實(shí)例 第一章第一章 引論引論 9引言：引言： 自動控制理論發(fā)展概述自動控制理論發(fā)展概述-發(fā)展簡史n經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論 ( 20世紀(jì)初世紀(jì)初 ) n 時(shí)域法時(shí)域法n 復(fù)域法復(fù)域法 (根軌跡法根軌跡法)n 頻域法頻域

4、法 n現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論 ( 20世紀(jì)世紀(jì)60-70年代年代 )n 線性系統(tǒng)線性系統(tǒng) 自適應(yīng)控制自適應(yīng)控制n 最優(yōu)控制最優(yōu)控制 魯棒控制魯棒控制n 最佳估計(jì)最佳估計(jì) 容錯控制容錯控制n 系統(tǒng)辨識系統(tǒng)辨識 集散控制集散控制 n n智能控制理論智能控制理論 ( 20世紀(jì)世紀(jì)80年代年代 )n 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 大系統(tǒng)復(fù)雜系統(tǒng)大系統(tǒng)復(fù)雜系統(tǒng)n 模糊控制模糊控制n 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)n 遺傳算法遺傳算法101. 1. 自動化的發(fā)展歷史自動化的發(fā)展歷史公元前我國的自動計(jì)時(shí)漏壺公元132年張衡研制的候風(fēng)地動儀11公元235年馬鈞研制出能自動指示方向的指南車 121788年英國Watt發(fā)明的控制蒸汽機(jī)速

5、度的離心式調(diào)速器 131954年第一臺工業(yè)機(jī)器人 1981年美國“哥倫比亞”號航天飛機(jī)首次發(fā)射成功14 例：儲水槽的液位人工控制例：儲水槽的液位人工控制控制任務(wù)：儲水槽液位穩(wěn)定不變控制任務(wù)：儲水槽液位穩(wěn)定不變一、引出問題：什么是自動控制一、引出問題：什么是自動控制人人工工直直接接參參與與15人工直接人工直接參與參與 和和 自動控制H H注注入入控控制制器器（比比較較、放放大大）Q Q1 1浮浮子子流流出出Q Q2 2（I I） 原原理理圖圖氣氣動動閥閥門門16 1. 1.控制過程控制過程自動控制過程方塊圖：自動控制過程方塊圖：17 2 2. .自動控制自動控制 Automation18 在無人

6、直接參與的情況下，利用控制裝在無人直接參與的情況下，利用控制裝置，使工作機(jī)械或生產(chǎn)過程置，使工作機(jī)械或生產(chǎn)過程（被控對象）（被控對象）的某一個(gè)或多個(gè)物理量的某一個(gè)或多個(gè)物理量（被控量）（被控量）準(zhǔn)確準(zhǔn)確地按照預(yù)定的要求規(guī)律變化。地按照預(yù)定的要求規(guī)律變化。 自動控制的目的自動控制的目的n提高勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量；提高勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量；n改善勞動條件，減輕勞動強(qiáng)度；改善勞動條件，減輕勞動強(qiáng)度；n提高生活質(zhì)量等。提高生活質(zhì)量等。 19國國 防防：人造衛(wèi)星：人造衛(wèi)星等等； 工工 業(yè)業(yè)：起重機(jī)，數(shù)控車床：起重機(jī)，數(shù)控車床等等；人體系統(tǒng)人體系統(tǒng)：體溫、心跳、眼球等體溫、心跳、眼球等；日常生活日常生活：

7、冰箱溫度、風(fēng)扇、電梯：冰箱溫度、風(fēng)扇、電梯等。等。 自動控制的應(yīng)用自動控制的應(yīng)用20 3 自動控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng) Automatic control system21n為了實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制任務(wù)，將被控對為了實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制任務(wù)，將被控對象和控制裝置按照一定的方式連接起來，象和控制裝置按照一定的方式連接起來，組成一個(gè)有機(jī)總體的系統(tǒng)。組成一個(gè)有機(jī)總體的系統(tǒng)。n通過控制器使被控對象按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)通過控制器使被控對象按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行的系統(tǒng)行的系統(tǒng)。n作用：是研究自動控制作用：是研究自動控制系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成，進(jìn)行系統(tǒng)，進(jìn)行系統(tǒng)分分 析設(shè)計(jì)析設(shè)計(jì)的一般性理論；的一般性理論；n 是研究自動控制過程

8、是研究自動控制過程共同規(guī)律共同規(guī)律的技術(shù)學(xué)科的技術(shù)學(xué)科n特點(diǎn)：理性，數(shù)學(xué)基礎(chǔ)特點(diǎn)：理性，數(shù)學(xué)基礎(chǔ)二、課程的作用及特點(diǎn)二、課程的作用及特點(diǎn)22電力電子技電力電子技術(shù)、模擬電路術(shù)、模擬電路數(shù)字電路數(shù)字電路單片機(jī)、計(jì)算單片機(jī)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、機(jī)控制技術(shù)、電路、電路、PLC電機(jī)與拖動、電機(jī)與拖動、電氣控制電氣控制普通物理、普通物理、高等數(shù)學(xué)高等數(shù)學(xué)檢測技術(shù)、檢測技術(shù)、信號處理信號處理整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正計(jì)與校正自動控制原理自動控制原理學(xué)習(xí)自動控制需了解哪些課程？學(xué)習(xí)自動控制需了解哪些課程？ 23n 1. 開環(huán)控制開環(huán)控制 n 2. 閉環(huán)控制閉環(huán)控制n 3. 復(fù)合控制復(fù)合控制 1.1 1.1

9、 系統(tǒng)的系統(tǒng)的控制控制方式方式自動控制系統(tǒng)基本控制方式自動控制系統(tǒng)基本控制方式241. 1. 開環(huán)控制（系統(tǒng)）開環(huán)控制（系統(tǒng)） 無被控量反饋的控制系統(tǒng)無被控量反饋的控制系統(tǒng) Open loop control 系統(tǒng)輸出端和輸入端之間不存在反饋回路，系統(tǒng)輸出端和輸入端之間不存在反饋回路， 輸出量對系統(tǒng)的控制作用沒有影響。輸出量對系統(tǒng)的控制作用沒有影響。被控對象被控對象25開環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn)開環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn)控制簡單，成本低；控制簡單，成本低；無法自動補(bǔ)償，抗干擾能力差；無法自動補(bǔ)償，抗干擾能力差；控制精度難以保證?？刂凭入y以保證。26用于自動化流水線控制，如包裝機(jī)等。用于自動化流水線控制，如包裝機(jī)

10、等。生活中的開環(huán)控制實(shí)例生活中的開環(huán)控制實(shí)例272. 閉環(huán)控制（反饋控制）（系統(tǒng)）閉環(huán)控制（反饋控制）（系統(tǒng)）系統(tǒng)的輸出信號沿反饋通道又回到系統(tǒng)的輸入端。系統(tǒng)的輸出信號沿反饋通道又回到系統(tǒng)的輸入端。-closed loop control (feedback control) 系統(tǒng)輸出端與輸入端存在反饋回路，即輸出量對系統(tǒng)輸出端與輸入端存在反饋回路，即輸出量對控制作用有直接影響的系統(tǒng)?？刂谱饔糜兄苯佑绊懙南到y(tǒng)。28閉環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn)閉環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn)輸出信號反饋到輸入端輸出信號反饋到輸入端閉合閉合結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本提高；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本提高；利用偏差實(shí)現(xiàn)動態(tài)調(diào)節(jié)；利用偏差實(shí)現(xiàn)動態(tài)調(diào)節(jié)；控制精度高。控制精

11、度高。由于反饋的存在，使系統(tǒng)可能出現(xiàn)由于反饋的存在，使系統(tǒng)可能出現(xiàn)“振蕩振蕩”；29 反饋控制原理反饋控制原理n在反饋控制系統(tǒng)中，控制器對被控對象施加在反饋控制系統(tǒng)中，控制器對被控對象施加的控制作用，是取自的控制作用，是取自被控量的反饋信息被控量的反饋信息；n而反饋信息則用來不斷的修正而反饋信息則用來不斷的修正被控量與輸入被控量與輸入量之間的偏差量之間的偏差，從而實(shí)現(xiàn)對被控對象進(jìn)行控，從而實(shí)現(xiàn)對被控對象進(jìn)行控制的目的制的目的。n 偏差控制偏差控制30生活中的生活中的開環(huán)和閉環(huán)控制開環(huán)和閉環(huán)控制實(shí)例對比實(shí)例對比31開環(huán)控制和閉環(huán)控制特點(diǎn)對比開環(huán)控制和閉環(huán)控制特點(diǎn)對比閉環(huán)控制 開環(huán)控制特點(diǎn)對比精度

12、要求有無反饋抗干擾能力 適用場合 有有無無高高低低差差強(qiáng)強(qiáng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)穩(wěn)定，擾動信穩(wěn)定，擾動信號較弱號較弱 沒有要求沒有要求32干擾補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制系統(tǒng)方框圖干擾補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制系統(tǒng)方框圖輸入量輸入量控制器控制器控制對象控制對象測量元件測量元件輸出量輸出量反饋回路反饋回路被控量被控量干擾量干擾量前饋補(bǔ)償前饋補(bǔ)償開環(huán)控制和閉環(huán)控制相結(jié)合的系統(tǒng)。開環(huán)控制和閉環(huán)控制相結(jié)合的系統(tǒng)。 33 3 3. .復(fù)合控制復(fù)合控制( (系統(tǒng)系統(tǒng)) ) 4. 4. 控制方式選擇控制方式選擇n預(yù)知輸入量的變化規(guī)律，預(yù)知輸入量的變化規(guī)律， 干擾參數(shù)變化少干擾參數(shù)變化少n高精度、有干擾高精度、有干擾n復(fù)合開環(huán)、閉環(huán)

13、控制復(fù)合開環(huán)、閉環(huán)控制開環(huán)開環(huán)閉環(huán)閉環(huán)復(fù)合復(fù)合34 例例:人取書的反饋控制過程方框圖人取書的反饋控制過程方框圖以此例思考系統(tǒng)的組成 351. 1. 控制任務(wù)：控制任務(wù)： 例例: :人取書的反饋控制過程的組成人取書的反饋控制過程的組成2. 2. 被控量：被控量：5. 5. 測量反饋測量反饋：3. 3. 被控對象：被控對象：人手的位置達(dá)到書的位置人手的位置達(dá)到書的位置人手的位置人手的位置人手或者手臂人手或者手臂人的大腦人的大腦 根據(jù)控制系統(tǒng)的原理，繪制方框圖。根據(jù)控制系統(tǒng)的原理，繪制方框圖。36 1.2 1.2 自控系統(tǒng)的組成及術(shù)語自控系統(tǒng)的組成及術(shù)語一、組成一、組成4. 4. 控制器：控制器：眼

14、睛眼睛人取書的反饋控制過程的方塊圖人取書的反饋控制過程的方塊圖被控對象被控對象 被控量被控量測量元件測量元件37給定量給定量控制器控制器 1.2 1.2 自控系統(tǒng)的組成及術(shù)語自控系統(tǒng)的組成及術(shù)語一、組成一、組成給定環(huán)節(jié)串聯(lián)校正放大，變換控制器被控對象并聯(lián)校正反饋環(huán)節(jié)參考輸入干擾輸出比較環(huán)節(jié)38組成要素組成要素1 1 被控對象被控對象：控制系統(tǒng)所控制和操縱的對象。：控制系統(tǒng)所控制和操縱的對象。2 2 控制器：控制器：偏差信號偏差信號 控制信號控制信號3 3 放大變換環(huán)節(jié)：偏差信號放大變換環(huán)節(jié)：偏差信號 控制器控制器4 4 校正裝置：為改善系統(tǒng)的特性而附加的裝置。校正裝置：為改善系統(tǒng)的特性而附加的

15、裝置。5 5 反饋環(huán)節(jié)反饋環(huán)節(jié)：測被控量：測被控量 處理處理 反饋信號反饋信號6 6 給定環(huán)節(jié)：給定環(huán)節(jié)：產(chǎn)生輸入控制信號。產(chǎn)生輸入控制信號。7 7 比較環(huán)節(jié)：比較環(huán)節(jié)：輸入給定與反饋信號比較。輸入給定與反饋信號比較。轉(zhuǎn)換、計(jì)算轉(zhuǎn)換、計(jì)算變換變換39二、術(shù)語二、術(shù)語1 輸入信號輸入信號：泛指對系統(tǒng)的輸出量有直接影響的：泛指對系統(tǒng)的輸出量有直接影響的 外界輸入信號。（包括給定和干擾）外界輸入信號。（包括給定和干擾）2 2 輸出信號輸出信號（輸出量）：被控的物理量。（輸出量）：被控的物理量。3 3 反饋信號反饋信號：輸出信號變換處理反饋到輸入端的：輸出信號變換處理反饋到輸入端的 信號。信號。4 4

16、 偏差信號偏差信號 =輸入信號輸入信號 - - 主反饋信號。主反饋信號。5 5 誤差信號誤差信號 =輸出實(shí)際值輸出實(shí)際值 - -期望值。期望值。6 6 擾動信號擾動信號：除控制信號外，對系統(tǒng)的輸出有影：除控制信號外，對系統(tǒng)的輸出有影 響的信號。響的信號。40開環(huán)控制開環(huán)控制反饋控制反饋控制( (閉環(huán)控制閉環(huán)控制) )復(fù)合控制復(fù)合控制按按信信號號流流向向 1-3 自動控制系統(tǒng)的分類自動控制系統(tǒng)的分類41自動控制系統(tǒng)的分類自動控制系統(tǒng)的分類1 按按自動控制系統(tǒng)的分類自動控制系統(tǒng)的分類2恒值控制系統(tǒng)（自動恒值控制系統(tǒng)（自動鎮(zhèn)定鎮(zhèn)定系統(tǒng)）系統(tǒng)） 隨動系統(tǒng)隨動系統(tǒng)（自動（自動跟蹤跟蹤系統(tǒng)）系統(tǒng)）程序控制

17、系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)42自動控制系統(tǒng)的分類自動控制系統(tǒng)的分類3按系統(tǒng)中是否含有非按系統(tǒng)中是否含有非線性元件線性元件線性系統(tǒng)線性系統(tǒng) 非線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)按系統(tǒng)參數(shù)是否按系統(tǒng)參數(shù)是否隨時(shí)間變化隨時(shí)間變化定常系統(tǒng)定常系統(tǒng) 時(shí)變系統(tǒng)時(shí)變系統(tǒng)按信號的按信號的連續(xù)性連續(xù)性連續(xù)系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng) 離散系統(tǒng)離散系統(tǒng)按輸入輸出按輸入輸出變量的多少變量的多少單變量系統(tǒng)單變量系統(tǒng) 多變量系統(tǒng)多變量系統(tǒng)431.4 自控系統(tǒng)性能的基本要求自控系統(tǒng)性能的基本要求一、引出問題一、引出問題：保溫箱、空調(diào)保溫箱、空調(diào)的溫度變化的溫度變化較好較好最好最好不好不好44（a）（b）（c）圖1-13通電后自動控制熱水器的水溫輸出信號變化曲線如

18、何評價(jià)系統(tǒng)如何評價(jià)系統(tǒng)的性能好壞？的性能好壞？1.4 1.4 自控系統(tǒng)性能的基本要求自控系統(tǒng)性能的基本要求穩(wěn)穩(wěn) 準(zhǔn)準(zhǔn) 快快 動態(tài)要求動態(tài)要求基本要求基本要求精度精度要求要求45二、性能的要求：二、性能的要求：1 1 穩(wěn)定性穩(wěn)定性（穩(wěn)）（穩(wěn)）-系統(tǒng)正常工作的系統(tǒng)正常工作的首要條件首要條件。 穩(wěn)定系統(tǒng)穩(wěn)定系統(tǒng)：輸出量的過渡過程衰減變化最終與期望：輸出量的過渡過程衰減變化最終與期望值一致（接近）。值一致（接近）。 不穩(wěn)定系統(tǒng)不穩(wěn)定系統(tǒng)：輸出量的過渡過程持續(xù)振蕩。：輸出量的過渡過程持續(xù)振蕩。462 2 穩(wěn)態(tài)精度穩(wěn)態(tài)精度（準(zhǔn)）（準(zhǔn)）：指系統(tǒng)過渡到新的平衡工作狀態(tài)：指系統(tǒng)過渡到新的平衡工作狀態(tài) 以后（干擾

19、恢復(fù)后）最終保持的精度。以后（干擾恢復(fù)后）最終保持的精度。3 3 動態(tài)過程動態(tài)過程（快、好）（快、好）：指系統(tǒng)的被控量在輸入信號作：指系統(tǒng)的被控量在輸入信號作 用下隨時(shí)間變化的全過程。用下隨時(shí)間變化的全過程。1.5 1.5 常用的典型輸入信號常用的典型輸入信號1 階躍函數(shù)階躍函數(shù)：r(t)tAr(t)=0, t0當(dāng)A=1時(shí)，稱為單位階躍函數(shù)，記為1(t)幅值為A時(shí)，也表示為A(t)或A(t-t0)當(dāng)t=t0時(shí)r(t-t0)=0, tt047t02 斜坡函數(shù)（等速度函數(shù)）斜坡函數(shù)（等速度函數(shù)）：r(t)tAr(t)=0, t0當(dāng)A=1時(shí)，稱為單位斜坡函數(shù)1.5 1.5 常用的典型輸入信號常用的典型輸入信號481.5 1.5 常用的典型輸入信號常用的典型輸入信號3 拋物線函數(shù)（等加速度函數(shù)）：拋物線函數(shù)（等加速度函數(shù)）：r(t)t當(dāng)A=1時(shí)，稱為單位拋物線函數(shù)21,02Att r(t)=0, 0t 491.5 1.5 常用的典型輸入信號常用的典型輸入信號4 脈沖函數(shù)脈沖函數(shù)：r(t)t,0At r(t)=0, 0t 0,t當(dāng)A=1時(shí)， 稱為單位脈沖函數(shù)記為00,0( ),0ttt50( )1t dt( )r t dtA1.5 1.5