西安科技大學(xué)自動(dòng)控制原理教學(xué)同步教程第一章

1、自動(dòng)控制原理西安科技大學(xué)1.1 自動(dòng)控制的一般概念 1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)舉例 1.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類 1.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求及其分析 法 主要內(nèi)容1. 自動(dòng)控制的基本原理2. 自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成和分類3. 自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究內(nèi)容和對(duì)系統(tǒng)的基 本要求 重重 點(diǎn)點(diǎn) 與與 難難 點(diǎn)點(diǎn)重重 點(diǎn)點(diǎn)1.自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成2.開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)3.對(duì)控制系統(tǒng)的性能要求 難難 點(diǎn)點(diǎn)反饋控制的原理 1.1 自動(dòng)控制的一般概念1.1.1自動(dòng)控制自動(dòng)控制的基本概念的基本概念自動(dòng)控制（automatic control）是指在沒有人經(jīng)常的直接參與情況下，利用設(shè)備或裝置使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程的某

2、個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)，自動(dòng)按照預(yù)定規(guī)律運(yùn)行的過程。 導(dǎo)彈的準(zhǔn)確擊中目標(biāo)和導(dǎo)彈的準(zhǔn)確擊中目標(biāo)和雷達(dá)系統(tǒng)的準(zhǔn)確跟蹤目標(biāo)雷達(dá)系統(tǒng)的準(zhǔn)確跟蹤目標(biāo) 工業(yè)機(jī)器人1.1.2 自動(dòng)控制的歷史回顧自動(dòng)控制的歷史回顧 自動(dòng)控制成為一門科學(xué)是從1945發(fā)展起來的。 開始多用于工業(yè)：壓力、溫度、流量、位移、濕度、粘度自動(dòng)控制 后來進(jìn)入軍事領(lǐng)域：飛機(jī)自動(dòng)駕駛、火炮自動(dòng)跟蹤、導(dǎo)彈、衛(wèi)星、宇宙飛船自動(dòng)控制 目前滲透到更多領(lǐng)域：大系統(tǒng)、交通管理、圖書管理等 生物學(xué)系統(tǒng)：生物控制論、波斯頓假肢、人造器官 經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)：模擬經(jīng)濟(jì)管理過程、經(jīng)濟(jì)控制論四個(gè)階段 1. 胚胎萌芽期（1945年以前） 十八世紀(jì)以后，蒸汽機(jī)的使用提出了調(diào)速穩(wěn)定等問

3、題 1784年英國人瓦特發(fā)明了調(diào)速器，蒸汽機(jī)離心式調(diào)速器 1877年產(chǎn)生了勞斯穩(wěn)定判據(jù) 十九世紀(jì)前半葉，動(dòng)力使用了發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī) 促進(jìn)了水利、水電站的遙控和程控的發(fā)展以及電壓、電流的自動(dòng)調(diào)節(jié)技術(shù)的發(fā)展 十九世紀(jì)末，二十世紀(jì)初，使用內(nèi)燃機(jī) 促進(jìn)了飛機(jī)、汽車、船舶、機(jī)器制造業(yè)和石油工業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)生了伺服控制和過程控制 二十世紀(jì)初第二次世界大戰(zhàn)，軍事工業(yè)發(fā)展很快 飛機(jī)、雷達(dá)、火炮上的伺服機(jī)構(gòu)，總結(jié)了自動(dòng)調(diào)節(jié)技術(shù)及反饋放大器技術(shù)，搭起了經(jīng)典控制理論的架子，但還沒有形成學(xué)科。 2.經(jīng)典控制理論時(shí)期（1940-1960） 1945年美國人Bode “網(wǎng)絡(luò)分析與放大器的設(shè)計(jì)”，奠定了控制理論的基礎(chǔ)，50年代

4、趨于成熟。 主要內(nèi)容 對(duì)單輸入單輸出系統(tǒng)進(jìn)行分析，采用頻率法、根軌跡法、相平面法、描述函數(shù)法；討論系統(tǒng)穩(wěn)定性的代數(shù)和幾何判據(jù)以及校正網(wǎng)絡(luò)等 3.現(xiàn)代控制理論時(shí)期（50年代末-60年代初） 空間技術(shù)的發(fā)展提出了許多復(fù)雜控制問題，用于導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星和宇宙飛船上天 Kalman “控制系統(tǒng)的一般理論”奠定了現(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ) 解決多輸入、多輸出、時(shí)變參數(shù)、高精度復(fù)雜系統(tǒng)的控制問題4.大系統(tǒng)和智能控制時(shí)期 （70年代） 各學(xué)科相互滲透，要分析的系統(tǒng)越來越大，越來越復(fù)雜。例如人工智能、模擬人的人腦功能、機(jī)器人等。1.1.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本控制方式 （1）按信號(hào)傳送的特點(diǎn)或系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分為：開環(huán)和閉

5、環(huán)控制系統(tǒng)。 開環(huán)控制系統(tǒng)：輸出量對(duì)系統(tǒng)的控制作用無任何影響。擾動(dòng)控制系統(tǒng)是開環(huán)控制系統(tǒng)。 閉環(huán)控制系統(tǒng)：負(fù)反饋偏差控制系統(tǒng)。偏差控制系統(tǒng)是閉環(huán)控制系統(tǒng)。（2）按控制作用產(chǎn)生的原因分為：擾動(dòng)控制系統(tǒng)和復(fù)合控制系統(tǒng)。 擾動(dòng)控制系統(tǒng)：控制作用由擾動(dòng)產(chǎn)生，不構(gòu)成閉環(huán)。 復(fù)合控制系統(tǒng)：同時(shí)具有開環(huán)結(jié)構(gòu)和閉環(huán)結(jié)構(gòu)或同時(shí)具有偏差和擾動(dòng)產(chǎn)生作用的控制系統(tǒng)。原理圖方塊圖guM功放au+-+-n1. “轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)”之“開環(huán)控制系統(tǒng)”功放 電動(dòng)機(jī)n擾動(dòng)負(fù)載guau工作原理 將電壓ug經(jīng)功率放大后獲得ua，由ua驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。 ua和n具有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，如當(dāng)ug=ug1，n=n1。但是，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載改變時(shí)，

6、ug = ug1時(shí)，可能n=n1+ n，也就是說，ug和n的關(guān)系是不準(zhǔn)確的。開環(huán)系統(tǒng)的輸出易受到擾動(dòng)的影響而無能為力。圖1-12. “轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)”之“閉環(huán)控制系統(tǒng)”guMau+n-測(cè)速裝置功放 電動(dòng)機(jī)n測(cè)速裝置比較點(diǎn)功放-eu負(fù)載擾動(dòng)fugueuau工作原理 當(dāng)負(fù)載擾動(dòng)變化時(shí)（如變大），則n , , ,n 。可見，該系統(tǒng)可以自動(dòng)地進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，以減小或消除偏差 。fufgeuuueu圖1-2guMau+n-比較器功放i負(fù)載干擾n-功放電動(dòng)機(jī)guaububu補(bǔ)償裝置3.“轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)”之“擾動(dòng)控制系統(tǒng)” 若轉(zhuǎn)速的變化主要由負(fù)載干擾引起的，并且負(fù)載干擾可測(cè)，則可以形成如下圖所示的擾動(dòng)控制系統(tǒng)。注

7、意 一個(gè)補(bǔ)償裝置只能補(bǔ)償一個(gè)與之相應(yīng)的擾動(dòng)，對(duì)于其他的擾動(dòng)則不起作用。本圖可以補(bǔ)償由負(fù)載擾動(dòng)引起的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n的變化。擾動(dòng)控制屬開環(huán)控制。圖1-3 右上圖中，1是放大器，2是功放，3是電動(dòng)機(jī)，4是測(cè)速裝置，5，6是擾動(dòng)通道傳遞函數(shù)。4. “轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)”之“復(fù)合控制系統(tǒng)” 該圖由擾動(dòng)控制（開環(huán)控制）和偏差控制（閉環(huán)控制）組成。擾動(dòng)控制補(bǔ)償負(fù)載干擾的影響，偏差控制補(bǔ)償其他因素產(chǎn)生的偏差。guM+n-功放i測(cè)速裝置-放大器放大器321564n-負(fù)載干擾fueubuaugueubufuau圖1-41.1.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成 自動(dòng)控制的任務(wù)自動(dòng)控制的任務(wù)利用控制器操縱受控

8、對(duì)象，使其被控利用控制器操縱受控對(duì)象，使其被控量按技術(shù)要求變化。若量按技術(shù)要求變化。若r(t)給定量，給定量，c(t)被控量，被控量，則自控的任務(wù)之?dāng)?shù)學(xué)表達(dá)式為：使被控量滿足則自控的任務(wù)之?dāng)?shù)學(xué)表達(dá)式為：使被控量滿足c(t) r(t)。自控系統(tǒng)的組成如。自控系統(tǒng)的組成如1-5圖所示。圖所示。串 聯(lián) 校 正放 大執(zhí) 行受 控 對(duì) 象反 饋 校 正測(cè) 量輸入量輸入量輸出量輸出量圖圖15 自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成1.給定元件（給定裝置） 能夠給出與期望被控量對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)輸入量（參考量、輸入信號(hào)、給定值）的元件。2.比較元件 常用“”符號(hào)表示。能夠完成各輸入量的代數(shù)和運(yùn)算，一般將給定值與反饋值

9、進(jìn)行比較，輸出為兩者只差，相當(dāng)于加法器。3.控制元件 能夠?qū)斎胄盘?hào)進(jìn)行放大、轉(zhuǎn)換和運(yùn)算，產(chǎn)生系統(tǒng)所需要控制信號(hào)的裝置。4.執(zhí)行元件 能夠按照控制信號(hào)執(zhí)行控制作用，驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象，使被控量按照預(yù)定規(guī)律運(yùn)行的裝置或設(shè)備。5.反饋元件 能夠?qū)⒈豢亓窟M(jìn)行測(cè)量并轉(zhuǎn)換成與輸入信號(hào)相同量綱的裝置或元件。6.被控對(duì)象 被系統(tǒng)控制的，能夠完成預(yù)定動(dòng)作和任務(wù)的機(jī)械、設(shè)備或過程。1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)舉例 1.2.1 恒值控制系統(tǒng)恒值控制系統(tǒng) 給定值不變。由于擾動(dòng)的存在，將使被控量偏離定值?？刂葡到y(tǒng)能自動(dòng)地根據(jù)偏差產(chǎn)生控制作用，使被控量恢復(fù)到給定值。如電爐溫度控制系統(tǒng) 。圖1-6 1.2.2 程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)

10、 程序控制系統(tǒng)要求被控量按照預(yù)期設(shè)定的程序或某種規(guī)律變化，系統(tǒng)輸入信號(hào)是預(yù)先設(shè)定好的預(yù)期運(yùn)行規(guī)律。例如礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)、電梯控制系統(tǒng)、自動(dòng)化流水線控制系統(tǒng)、過山車控制系統(tǒng)等等。圖1-7 礦井直流提升機(jī)控制系統(tǒng)方框圖 1.2.3 隨動(dòng)控制系統(tǒng)隨動(dòng)控制系統(tǒng) 給定值是預(yù)先未知的隨時(shí)間任意變化的函數(shù)。控制系統(tǒng)能夠使被控量以盡可能小的誤差跟隨給定值。隨動(dòng)系統(tǒng)也能克服各種擾動(dòng)的影響，但一般來說，擾動(dòng)的影響是次要的 。圖1-8 搖臂自動(dòng)調(diào)高控制系統(tǒng)方框圖 1.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類1.3.1 按數(shù)學(xué)模型分：線性和非線性控制系統(tǒng)。1.3.2 按控制作用和控制時(shí)間分：連續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng)1.3.3 按照

11、系統(tǒng)輸入信號(hào)變化規(guī)律的不同分：隨動(dòng)控制系統(tǒng)和恒值控制系統(tǒng) 1.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求及其分 析法1.4.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求 可以歸結(jié)為系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性，即穩(wěn)、準(zhǔn)、快的要求。 穩(wěn)：要求系統(tǒng)是穩(wěn)定的，不穩(wěn)定的系統(tǒng)不能正常使用； 準(zhǔn)：穩(wěn)態(tài)誤差要??； 快：瞬態(tài)響應(yīng)快，超調(diào)量小，調(diào)節(jié)時(shí)間短。1.4.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析方法自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析方法 系統(tǒng)的分析 所謂系統(tǒng)的分析，是在已知系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)情況下，確定系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能以及分析系統(tǒng)的抗干擾能力。系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 所謂系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，是按照給定的控制任務(wù)，設(shè)計(jì)一個(gè)滿足穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能要求以及抗干擾性能要求的控制系統(tǒng)，并確定其結(jié)構(gòu)和參數(shù)。本章小結(jié)本章小結(jié) 自動(dòng)控制和自動(dòng)控制系