苗宇 自控原理第一章.

1、第一章 自動控制的一般概念v概述概述v第第1 1節(jié)節(jié) 開環(huán)開環(huán)控制控制與閉環(huán)控制與閉環(huán)控制v第第2 2節(jié)節(jié) 控制系統(tǒng)舉例控制系統(tǒng)舉例v第第3 3節(jié)節(jié) 控制系統(tǒng)的組成與對控制系統(tǒng)的基本要求控制系統(tǒng)的組成與對控制系統(tǒng)的基本要求v第第4 4節(jié)節(jié) 控制系統(tǒng)設(shè)計概述控制系統(tǒng)設(shè)計概述2 課程的性質(zhì)和特點n自動控制原理自動控制原理作為一門本學科的專業(yè)課，作為一門本學科的專業(yè)課，與其它課程關(guān)系如下與其它課程關(guān)系如下微積分（含微分方程）微積分（含微分方程）線性代數(shù)線性代數(shù)電路理論電路理論信號與系統(tǒng)信號與系統(tǒng)自動控制理論自動控制理論復(fù)變函數(shù)、拉普拉斯變換復(fù)變函數(shù)、拉普拉斯變換1-1 自動控制的任務(wù)n通常，在自動控

2、制技術(shù)中，把工作的機器設(shè)備稱為被控對象，把表征這些機器設(shè)備工作狀態(tài)的物理參量稱為被控量，而對這些物理參量的要求值稱為給定值或希望值（或參考輸入）。則控制的任務(wù)可概括為：使被控對象的被控量等于給定值。返回子目錄返回子目錄自動控制即沒有人直接參與的控制，其基本任務(wù)是：自動控制即沒有人直接參與的控制，其基本任務(wù)是：在無人直接參與的情況下，只利用控制裝置操縱被控在無人直接參與的情況下，只利用控制裝置操縱被控對象，使被控制量自動地按照預(yù)定的規(guī)律運行。對象，使被控制量自動地按照預(yù)定的規(guī)律運行。自動控制系統(tǒng)：指能夠完成自動控制任務(wù)的設(shè)備，一般由控制裝置控制裝置和被控對象被控對象組成。數(shù)控車床按規(guī)定程序數(shù)控車

3、床按規(guī)定程序自動地切削自動地切削工件；工件；化學反應(yīng)爐自動化學反應(yīng)爐自動維持溫度或壓力的恒定維持溫度或壓力的恒定； 現(xiàn)代的高新技術(shù)讓現(xiàn)代的高新技術(shù)讓導(dǎo)彈長上了導(dǎo)彈長上了“眼睛眼睛”和和“大腦大腦”，利用負反饋，利用負反饋控制原理去緊緊盯住目控制原理去緊緊盯住目標標導(dǎo)彈發(fā)射和制導(dǎo)系統(tǒng)自動地把導(dǎo)彈引導(dǎo)彈發(fā)射和制導(dǎo)系統(tǒng)自動地把導(dǎo)彈引向敵方目標；向敵方目標；哈勃望遠鏡特殊地衛(wèi)星哈勃望遠鏡特殊地衛(wèi)星中巴資源衛(wèi)中巴資源衛(wèi)星星控制其準確地進入預(yù)定軌道運行并回收控制其準確地進入預(yù)定軌道運行并回收 二十世紀三項科學革命：控制論、量子論、相對論 控制論： 經(jīng)典控制理論 現(xiàn)代控制理論（智能控制理論）1-1 開環(huán)控制

4、與閉環(huán)控制被控量被控量比較比較執(zhí)行執(zhí)行測量測量被控對象被控對象實測值實測值干擾干擾測量測量給定值給定值H自動控制方框圖H1.1.11.1.1自動控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)在上圖中，除被控對象外的其余部分統(tǒng)稱為控制裝置，它必須具備以下三種職能部件。u測量元件：用以測量被控量或干擾量。u比較元件：將被控量與給定值進行比較。u執(zhí)行元件：根據(jù)比較后的偏差，產(chǎn)生執(zhí)行作用，去操縱被控對象參與控制的信號來自三條通道，即給定值、干擾量、被控量。 開環(huán)控制開環(huán)控制按給定值操縱的開環(huán)控制按給定值操縱的開環(huán)控制按干擾補償?shù)拈_環(huán)控制按干擾補償?shù)拈_環(huán)控制 按偏差調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制按偏差調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制 復(fù)合控制復(fù)合控制下面根據(jù)不同

5、的信號源來分析自動控制的幾種基本控制方式下面根據(jù)不同的信號源來分析自動控制的幾種基本控制方式按給定值操縱的開環(huán)控制按給定值操縱的開環(huán)控制計算計算執(zhí)行執(zhí)行受控對象受控對象給定值給定值干擾干擾被控量被控量按給定值操縱的開環(huán)控制系統(tǒng)原理方框圖按給定值操縱的開環(huán)控制系統(tǒng)原理方框圖開開環(huán)控制系統(tǒng)的輸出端與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。1.1.2 1.1.2 開環(huán)控制開環(huán)控制爐溫控制系統(tǒng)爐溫控制系統(tǒng)原理方框圖定時開關(guān)爐子電阻絲0T給定爐溫T實際爐溫按給定值操縱的開環(huán)控制按給定值操縱的開環(huán)控制特點：特點：控制裝置只按給定值來控制受控對象控制裝置只按給定值來控制受控對象優(yōu)點：控制系

6、統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，相對來說成本低。優(yōu)點：控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，相對來說成本低。缺點：缺點：對可能出現(xiàn)的被控量偏離給定值的偏差沒有任何修正能力，抗干擾能力差，控制精度不高。按干擾補償?shù)拈_環(huán)控制q定義：利用干擾信號產(chǎn)生控制作用，以及時定義：利用干擾信號產(chǎn)生控制作用，以及時補償干擾對被控量的直接影響。補償干擾對被控量的直接影響。計算計算測量測量受控對象受控對象執(zhí)行執(zhí)行干擾干擾被控量被控量特點特點：只能對可測干擾進行補償，對不可測干擾以及受控對：只能對可測干擾進行補償，對不可測干擾以及受控對象、各功能部件內(nèi)部參數(shù)變化對被控量的影響，系統(tǒng)自身無象、各功能部件內(nèi)部參數(shù)變化對被控量的影響，系統(tǒng)自身無法控制。法控制。適

7、用于：存在強干擾且變化比較劇烈的場合。適用于：存在強干擾且變化比較劇烈的場合。水位高度控制系統(tǒng)原理圖水位高度控制系統(tǒng)原理方框圖按偏差調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制q 特點：通過計算被控量和給定值的差值來控制被控對象。特點：通過計算被控量和給定值的差值來控制被控對象。q優(yōu)點：可以自動調(diào)節(jié)由于干擾和內(nèi)部參數(shù)的變化優(yōu)點：可以自動調(diào)節(jié)由于干擾和內(nèi)部參數(shù)的變化 而引起的變動。而引起的變動。計算比較計算比較給定值給定值E執(zhí)行執(zhí)行被控對象被控對象干擾干擾被控量被控量測量測量按偏差調(diào)節(jié)的系統(tǒng)原理方框圖按偏差調(diào)節(jié)的系統(tǒng)原理方框圖1.1.3 1.1.3 閉環(huán)控制閉環(huán)控制如上圖所示，反饋回來的信號與給定值如上圖所示，反饋回來的信號

8、與給定值相減，即根據(jù)偏差進行控制，稱為負反相減，即根據(jù)偏差進行控制，稱為負反饋，反之稱為正反饋。饋，反之稱為正反饋。這種控制方式控制精度較高，因為無論是干擾的作用，這種控制方式控制精度較高，因為無論是干擾的作用，還是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化，只要被控量偏離給定值，還是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化，只要被控量偏離給定值，系統(tǒng)就會自行糾偏。但是閉環(huán)控制系統(tǒng)的參數(shù)如果匹系統(tǒng)就會自行糾偏。但是閉環(huán)控制系統(tǒng)的參數(shù)如果匹配得不好，會造成被控量的較大擺動，甚至系統(tǒng)無法配得不好，會造成被控量的較大擺動，甚至系統(tǒng)無法正常工作。正常工作。一般，一個閉環(huán)控制系統(tǒng)由以下基本元件組成：一般，一個閉環(huán)控制系統(tǒng)由以下基本元件組成：測量元件

9、測量元件放大元件放大元件被控對象被控對象校正裝置校正裝置執(zhí)行元件執(zhí)行元件比較元件比較元件復(fù)合控制 復(fù)合控制就是開環(huán)控制和閉環(huán)控制相結(jié)合的一種控復(fù)合控制就是開環(huán)控制和閉環(huán)控制相結(jié)合的一種控制。實質(zhì)上，它是在閉環(huán)控制回路的基礎(chǔ)上，附加了一制。實質(zhì)上，它是在閉環(huán)控制回路的基礎(chǔ)上，附加了一個輸入信號或擾動作用的順饋通路，來提高系統(tǒng)的控制個輸入信號或擾動作用的順饋通路，來提高系統(tǒng)的控制精度。精度。1-2 控制系統(tǒng)舉例n1.2.1 隨動系統(tǒng)n1.2.2 恒值控制系統(tǒng)n1.2.3 數(shù)字控制系統(tǒng)n1.2.4 計算機控制系統(tǒng)1.2.1 隨動系統(tǒng)隨動系統(tǒng)隨動系統(tǒng)隨動系統(tǒng)( (跟蹤系統(tǒng)跟蹤系統(tǒng)) ) 該系統(tǒng)的控制輸

10、入量是一個事先無法確定的任該系統(tǒng)的控制輸入量是一個事先無法確定的任意變化的量意變化的量, ,要求系統(tǒng)的要求系統(tǒng)的輸出量能迅速平穩(wěn)地復(fù)現(xiàn)或輸出量能迅速平穩(wěn)地復(fù)現(xiàn)或跟蹤輸入信號的變化跟蹤輸入信號的變化。如函數(shù)記錄儀、雷達天線的。如函數(shù)記錄儀、雷達天線的自動跟蹤系統(tǒng)和高炮自動描準系統(tǒng)就是典型的隨動自動跟蹤系統(tǒng)和高炮自動描準系統(tǒng)就是典型的隨動系統(tǒng)。系統(tǒng)。 函數(shù)記錄儀方框圖函數(shù)記錄儀方框圖1.2.2. 恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)(自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)) 恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)( (自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)) ) 這種系統(tǒng)的特征是這種系統(tǒng)的特征是輸入量為一恒值輸入量為一恒值, ,通常通常稱為系統(tǒng)的稱為

11、系統(tǒng)的給定值給定值。控。控制系統(tǒng)的任務(wù)是盡量排制系統(tǒng)的任務(wù)是盡量排除各種干擾因素的影響除各種干擾因素的影響, ,使輸出量維持在給定值使輸出量維持在給定值( (期望值期望值) )。如工業(yè)過程。如工業(yè)過程中恒溫、恒壓、恒速等中恒溫、恒壓、恒速等控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)。 1.2.3. 數(shù)字控制系統(tǒng)數(shù)字控制系統(tǒng) 數(shù)字系統(tǒng)中，對象的控制是通過數(shù)字系統(tǒng)中，對象的控制是通過二進制信息二進制信息實現(xiàn)的。實現(xiàn)的。比如控制系統(tǒng)中利用電信號的，就可將數(shù)字符號轉(zhuǎn)化為比如控制系統(tǒng)中利用電信號的，就可將數(shù)字符號轉(zhuǎn)化為物理量，物理量，把電碼譯成直線或圓周運動把電碼譯成直線或圓周運動。因此整個系統(tǒng)中。因此整個系統(tǒng)中采用數(shù)字控制信

12、號或者模擬控制信號。采用數(shù)字控制信號或者模擬控制信號。1.2.4. 計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng) 事先事先確定系統(tǒng)的運動規(guī)律確定系統(tǒng)的運動規(guī)律, ,編成程序，計算編成程序，計算機直接通過輸入測量儀表和輸出執(zhí)行元件與外機直接通過輸入測量儀表和輸出執(zhí)行元件與外界聯(lián)系，不需要人員的參與，計算機控制系統(tǒng)界聯(lián)系，不需要人員的參與，計算機控制系統(tǒng)就是：被控對象就是：被控對象+ +控制計算機?？刂朴嬎銠C。1-對控制系統(tǒng)的性能要求n定義：通常將系統(tǒng)受到給定值或干擾信號作用后，定義：通常將系統(tǒng)受到給定值或干擾信號作用后，控制被控量變化的全過程稱為系統(tǒng)的動態(tài)過程。控制被控量變化的全過程稱為系統(tǒng)的動態(tài)過程。工程上常

13、從穩(wěn)、快、準三個方面來評價控制系統(tǒng)。工程上常從穩(wěn)、快、準三個方面來評價控制系統(tǒng)。 穩(wěn)：穩(wěn)： 指動態(tài)過程的平穩(wěn)性。指動態(tài)過程的平穩(wěn)性。 快：快： 指動態(tài)過程的快速性。指動態(tài)過程的快速性。 準：準： 指動態(tài)過程的最終精度。指動態(tài)過程的最終精度。返回子目錄返回子目錄穩(wěn)：穩(wěn)： 指動態(tài)過程的平穩(wěn)性指動態(tài)過程的平穩(wěn)性控制系統(tǒng)動態(tài)過程曲線如上圖所示，系統(tǒng)在外力作用下，輸出逐漸與期望值一致，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的，如曲線所示；反之，輸出如曲線所示，則系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。快：快： 指動態(tài)過程的快速性指動態(tài)過程的快速性快速性即動態(tài)過程進行的時間的長短。過程時間越短，說明系統(tǒng)快速性越好，反之說明系統(tǒng)響應(yīng)遲鈍，如曲線所示。穩(wěn)和快反映了系統(tǒng)動態(tài)過程性能的好壞。既快又穩(wěn)，表明系統(tǒng)穩(wěn)和快反映了系統(tǒng)動態(tài)過程性能的好壞。既快又穩(wěn)，表明系統(tǒng)的動態(tài)精度高。的動態(tài)精度高。準：準： 指系統(tǒng)在動態(tài)過程結(jié)束后，其被控量（或反饋量）指系統(tǒng)在動態(tài)過程結(jié)束后，其被控量（或反饋量）與給定值的偏差，這一偏差稱為穩(wěn)態(tài)誤差，是衡量