自動(dòng)控制原理與應(yīng)用(第1章-緒論)

1、自動(dòng)控制原理與應(yīng)用主編:梁南丁自動(dòng)控制原理與應(yīng)用第1章 緒 論-梁南丁第1章 緒論1.1 自動(dòng)控制理論概述 1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念1.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(lèi)1.4 對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求1.5 自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)例分析1.6 小結(jié)1.1 自動(dòng)控制理論概述經(jīng)典控制理論 ( 19世紀(jì)初 ) 時(shí)域法 復(fù)域法 (根軌跡法) 頻域法 現(xiàn)代控制理論 ( 20世紀(jì)60年代 ) 線性系統(tǒng) 自適應(yīng)控制 最優(yōu)控制 魯棒控制 最佳估計(jì) 容錯(cuò)控制 系統(tǒng)辨識(shí) 集散控制 大系統(tǒng)復(fù)雜系統(tǒng)智能控制理論 ( 20世紀(jì)70年代 ) 專(zhuān)家系統(tǒng) 模糊控制 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 遺傳算法1.1 自動(dòng)控制理論概述自動(dòng)控制理論的發(fā)展過(guò)程1.2

2、自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念 1.2.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本原理自動(dòng)控制:在無(wú)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(guò)程（被控對(duì)象）的某一個(gè)物理量（被控量如:如溫度、壓力、流量、速度、pH值等）按預(yù)定的規(guī)律（給定量）運(yùn)行。自動(dòng)控制系統(tǒng): 實(shí)現(xiàn)上述控制目的，由相互制約的各部分按一定規(guī)律組成的具有特定功能的整體.1.2.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制方式 1. 開(kāi)環(huán)控制 2. 閉環(huán)控制 3. 復(fù)合控制 1.開(kāi)環(huán)控制 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)是指被控量對(duì)控制過(guò)程無(wú)影響的系統(tǒng)，控制信號(hào)的傳遞方向只有順向沒(méi)有反向。也就是說(shuō)，控制作用的傳遞路徑不是完全閉合的，故稱(chēng)為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。這種控制方式需要控制的是被控量，而系統(tǒng)

3、可以調(diào)節(jié)的只是給定值，系統(tǒng)的信號(hào)由給定值至被控量單向傳遞。 例1 轉(zhuǎn)臺(tái)速度開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)這種轉(zhuǎn)臺(tái)在C D 機(jī)、計(jì)算機(jī)磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器等許多現(xiàn)代裝置中廣泛應(yīng)用.給定速度實(shí)際轉(zhuǎn)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖:放大器直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)例2 水溫人工控制系統(tǒng)手動(dòng)調(diào)節(jié)閥門(mén)的開(kāi)度，從而調(diào)節(jié)蒸汽的流量,來(lái)控制水的溫度.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，容易設(shè)計(jì)和調(diào)整以及成本較低的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)那些負(fù)載恒定，擾動(dòng)小，控制精度要求不高的實(shí)際系統(tǒng)，是有效的控制方式。開(kāi)環(huán)控制的特點(diǎn)：2閉環(huán)控制當(dāng)速度受擾動(dòng)發(fā)生變化時(shí)，偏差電壓也隨之變化，通過(guò)閉環(huán)調(diào)節(jié)能消除干擾。 閉環(huán)控制又稱(chēng)為反饋控制或按偏差控制。 與給定信號(hào)比較產(chǎn)生偏差電壓，經(jīng)過(guò)功率放大后對(duì)電動(dòng)機(jī)的速度進(jìn)行閉環(huán)控

4、制.測(cè)速機(jī)偏差預(yù)期速度實(shí)際轉(zhuǎn)速放大器_直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖例3 水溫自動(dòng)控制系統(tǒng) 通過(guò)電機(jī)調(diào)節(jié)閥門(mén)的開(kāi)度從而調(diào)節(jié)蒸汽流入，控制水的溫度. 實(shí)現(xiàn)沒(méi)有人直接參入的自動(dòng)水溫控制.控制器溫度檢測(cè) 為了方便地分析系統(tǒng)性能，一般用框圖來(lái)表示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)可用框圖表示為： 要使自動(dòng)控制系統(tǒng)滿(mǎn)足工程實(shí)際的需要 , 必須研究自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)與系統(tǒng)性能之間的關(guān)系。特別是被控對(duì)象運(yùn)動(dòng)規(guī)律實(shí)際溫度偏差反饋量預(yù)期溫度_控制器執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥門(mén)水箱控制器水溫自動(dòng)控制控制系統(tǒng)方框圖.1.2.3 閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成 被控對(duì)象控制系統(tǒng) 測(cè)量元件 比較元件 控制裝置 放大元件 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 校正裝置 給定元件例 4

5、 爐溫控制系統(tǒng) 爐溫控制系統(tǒng)方框圖爐溫控制系統(tǒng)方框圖閉環(huán)控制的特點(diǎn):在這種（閉環(huán)）系統(tǒng)中，測(cè)量元件測(cè)的是被控量（轉(zhuǎn)速n），所以，無(wú)論任何因素，只要n變化，就可以自動(dòng)調(diào)節(jié)，消除或減小這種變化。（1）系統(tǒng)的控制信號(hào)是給定值與反饋量的差值，故稱(chēng)為按偏差控制或反饋控制。（2）閉環(huán)系統(tǒng)有兩種傳輸通道：前向通道和反饋通道。（3）能減小或消除由擾動(dòng)形成的偏差，具有較高的控制精度和較強(qiáng)的抗擾能力。自動(dòng)控制原理中主要討論閉環(huán)控制系統(tǒng)。反饋是控制的精髓方框圖中各符號(hào)的意義元部件 信號(hào)（物理量）及傳遞方向比較點(diǎn)引出點(diǎn)表示負(fù)反饋 方框圖中的符號(hào) 下圖（）是一個(gè)液位自動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖。在這里，自動(dòng)控制器通過(guò)比較實(shí)際液位

6、與希望液位，并通過(guò)調(diào)整氣動(dòng)閥門(mén)的開(kāi)度，對(duì)誤差進(jìn)行修正，從而保持液位不變。圖（）是該控制系統(tǒng)的方框圖。試畫(huà)出相應(yīng)的人工操縱液位控制系統(tǒng)方塊圖圖()。1.2.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)控制器：比較、放大的作用浮子：液面高度的反饋元件 Q2為系統(tǒng)的干擾量氣動(dòng)閥門(mén)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象：水箱開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng) 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn)：1. 信號(hào)從輸入到輸出無(wú)反饋,單向傳遞. 2. 控制精度不高,無(wú)法抑制擾動(dòng).閉環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn): 1. 有反饋回路; 2. 控制精度高,自動(dòng)糾偏1.3 控制系統(tǒng)的分類(lèi) 1.按輸入信號(hào)變化的規(guī)律 恒值系統(tǒng)/ 隨動(dòng)系統(tǒng)/程序控制系統(tǒng) 2.按信號(hào)傳遞的形式 連續(xù)系統(tǒng) /離散系統(tǒng)3.按系統(tǒng)是否

7、滿(mǎn)足疊加原理 線性系統(tǒng)/非線性系統(tǒng)4.按系統(tǒng)參數(shù)是否隨時(shí)間變化 定常系統(tǒng)/時(shí)變系統(tǒng)5.按輸入輸出變量的多少 單變量系統(tǒng)/多變量系統(tǒng)恒值控制系統(tǒng)（或稱(chēng)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)） 特點(diǎn)：輸入信號(hào)是一個(gè)恒定的數(shù)值。恒值控制系統(tǒng)主要研究各種干擾對(duì)系統(tǒng)輸出的影響以及如何克服這些干擾隨動(dòng)控制系統(tǒng)（或稱(chēng)伺服系統(tǒng)） 特點(diǎn)：輸入信號(hào)是一個(gè)未知函數(shù)，要求輸出量跟隨給定量變化。程序控制系統(tǒng) 特點(diǎn)：輸入信號(hào)是一個(gè)已知的時(shí)間函數(shù)，系統(tǒng)的控制過(guò)程按預(yù)定的程序進(jìn)行，要求被控量能迅速準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)。 1) 按輸入信號(hào)變化的規(guī)律分類(lèi)2) 按變量的時(shí)間特性分類(lèi) 連續(xù)時(shí)間控制系統(tǒng) 系統(tǒng)各部分的信號(hào)是模擬的連續(xù)函數(shù) 例：工業(yè)中普遍采用的常規(guī)控制儀表

8、PID調(diào)節(jié)器控制的系統(tǒng) 離散時(shí)間控制系統(tǒng) 系統(tǒng)的某一處或幾處，信號(hào)以脈沖序列或數(shù)碼的形式傳遞的控制系統(tǒng) 例 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 3) 按系統(tǒng)是否滿(mǎn)足疊加原理分類(lèi) 線性控制系統(tǒng) 輸入與輸出成正比，可用疊加原理 用線性數(shù)學(xué)模型描述 非線性控制系統(tǒng) 輸入與輸出不成正比，不可用疊加原理 用非線性數(shù)學(xué)模型描述 非線性系統(tǒng):在構(gòu)成系統(tǒng)的環(huán)節(jié)中有一個(gè)或一個(gè)以上的非線性環(huán)節(jié)典型非線性特性:飽和特性、死區(qū)性、間隙特性、繼電特性、磁滯特性等。1.4 對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求階躍信號(hào)是最常用的典型的系統(tǒng)性能測(cè)試信號(hào) tr(t) R-單位階躍 函 數(shù)階躍信號(hào)對(duì)系統(tǒng)性能的基本要求有三個(gè)方面即:穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、快速性一、穩(wěn)定

9、性擾動(dòng)信號(hào)作用下 的不穩(wěn)定系統(tǒng):不穩(wěn)定的系統(tǒng)是無(wú)法正常工作的。 系統(tǒng)受外作用力經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，其被控量達(dá)到某一穩(wěn)定狀態(tài)，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的。否則為不穩(wěn)定的。d(t)t0c(t)d(t) 一個(gè)能在生產(chǎn)實(shí)際中應(yīng)用的系統(tǒng),不僅應(yīng)具有穩(wěn)定性,而且在動(dòng)態(tài)過(guò)程中的震蕩也不能過(guò)于強(qiáng)烈.二、準(zhǔn)確性由輸入給定值與輸出響應(yīng)的終值之間的差值ess大小表征。 它反映了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。若系統(tǒng)最終的誤差為零，則稱(chēng)為無(wú)差系統(tǒng)，否則為有差系統(tǒng)。r(t)t0c(t)essc(t)r(t)三、快速性通過(guò)動(dòng)態(tài)過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)短表征快速性。過(guò)渡過(guò)程時(shí)間越短，表明快速性越好。反之亦然?？焖傩员砻髁讼到y(tǒng)輸出對(duì)輸入響應(yīng)的快慢程度r(t)t0c(t)r

10、(t)c1(t)c2(t)t1t2(1)穩(wěn)定性-自動(dòng)控制系統(tǒng)的最基本的要求(2)準(zhǔn)確性-即要求動(dòng)態(tài)誤差和穩(wěn)態(tài)誤差 都越小越好。(3)快速性-在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，希望控制過(guò)程（過(guò)渡過(guò)程）進(jìn)行得越快越好，但如果要求過(guò)渡過(guò)程時(shí)間很短，可能使動(dòng)態(tài)誤差（偏差）過(guò)大。合理的設(shè)計(jì)應(yīng)該兼顧這兩方面的要求。 對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)性能的要求自動(dòng)控制系統(tǒng)被控量變化的動(dòng)態(tài)特性(a)單調(diào)過(guò)程 (b)衰減振蕩過(guò)程(c)等幅振蕩過(guò)程 (d)漸擴(kuò)振蕩過(guò)程1.5自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)例分析實(shí)例1 有一發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)如圖所示。其工作原理是操縱者轉(zhuǎn)動(dòng)操縱電位計(jì)的手柄，可使電位計(jì)的輸出電壓Ur改變大小和方向。經(jīng)前置放大器和直流發(fā)電機(jī)兩極放

11、大，使加在伺服電機(jī)上的端電壓也隨之改變大小和方向。從而使負(fù)載具有所要求的轉(zhuǎn)速。試說(shuō)明該系統(tǒng)的給定值、被控量和干擾量，并畫(huà)出方塊圖。 實(shí)例2.家用電冰箱溫控系統(tǒng)控制器設(shè)定溫度與冰箱比較，產(chǎn)生偏差值，當(dāng)偏差電壓達(dá)到使繼電器接通時(shí)，壓縮機(jī)工作，將蒸發(fā)器中高溫低壓氣態(tài)制冷液送制冷卻器散熱，降溫后的低溫低壓制冷液壓縮成高壓液態(tài)進(jìn)入蒸發(fā)器，急速降壓擴(kuò)散成氣體，吸收箱體內(nèi)熱量，使冰箱溫度下降，如此循環(huán)操作，使箱體溫度達(dá)到希望溫度，此時(shí)繼電器斷開(kāi)，壓縮機(jī)停止工作。 家用冰箱恒溫系統(tǒng)的方框圖 實(shí)例3.鍋爐液位控制系統(tǒng) 當(dāng)蒸汽的耗汽量與鍋爐進(jìn)水量相等時(shí)，液位保持在正常標(biāo)準(zhǔn)值。當(dāng)過(guò)鍋爐給水量不變，而蒸汽負(fù)荷發(fā)生變化

12、時(shí)，液位也相應(yīng)發(fā)生變化；或者當(dāng)蒸汽負(fù)荷不變，而給水管道水壓發(fā)生變化時(shí)，引起鍋爐液位發(fā)生變化。但 只要實(shí)際液位高度與正常給定液位之間出現(xiàn)偏差時(shí)，調(diào)節(jié)器均應(yīng)立即進(jìn)行控制，去開(kāi)大或者關(guān)小給水閥門(mén)，使液位恢復(fù)到給定值。 鍋爐液位控制系統(tǒng)的方框圖 實(shí)例4.龍門(mén)刨床速度控制系統(tǒng) 圖示為龍門(mén)刨床速度控制系統(tǒng)。當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，如何控制速度。 例如:：龍門(mén)刨床速度控制系統(tǒng)的方框圖 自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用（一）自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用（二）自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用（三）本章小結(jié) 自動(dòng)控制理論分為經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成及其方框圖,自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(lèi)方法自動(dòng)控制理論中常用的術(shù)語(yǔ)：被控對(duì)象，參考輸入信號(hào)