自動(dòng)控制原理第01講

1、控制工程基礎(chǔ)Email:第一講第一章 控制系統(tǒng)的基本概念一、控制系統(tǒng)的工作原理及其組成二、控制系統(tǒng)的基本類型三、對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求四、控制工程發(fā)展概況五、本課程的任務(wù)及主要內(nèi)容六、小結(jié)第一章 控制系統(tǒng)的基本概念一、控制系統(tǒng)的工作原理及其組成 自動(dòng)控制在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱為控制裝置或控制器），使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（通稱被控對(duì)象）的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量）自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。如：數(shù)控機(jī)床、室內(nèi)溫度控制、機(jī)車、船舶 及飛機(jī)自動(dòng)駕駛、導(dǎo)彈制導(dǎo)等。第一章 控制系統(tǒng)的基本概念 工作原理加熱電阻絲220V調(diào)壓器人工控制的恒溫箱 溫度計(jì)第一章 控制系統(tǒng)的基本概念人

2、工控制恒溫箱調(diào)節(jié)過程： 觀測(cè)恒溫箱內(nèi)的溫度（被控制量） 與要求的溫度（給定值）進(jìn)行比較，得到溫度 偏差的大小和方向 根據(jù)偏差大小和方向調(diào)節(jié)調(diào)壓器，控制加熱電 阻絲的電流以調(diào)節(jié)溫度回復(fù)到要求值。人工控制過程的實(shí)質(zhì)：檢測(cè)偏差再糾正偏差。第一章 控制系統(tǒng)的基本概念大腦手調(diào)壓器恒溫箱眼睛實(shí)際溫度期望溫度人工控制恒溫箱系統(tǒng)功能框圖溫度計(jì)第一章 控制系統(tǒng)的基本概念加熱電阻絲220V調(diào)壓器熱電偶給定信號(hào)比較電壓放大器功率放大器執(zhí)行電動(dòng)機(jī)減速器u2u1+u恒溫箱自動(dòng)控制系統(tǒng)第一章 控制系統(tǒng)的基本概念恒溫箱自動(dòng)控制系統(tǒng)工作原理：恒溫箱實(shí)際溫度由熱電偶轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電壓u2 恒溫箱期望溫度由電壓u1給定，并與實(shí)際溫

3、度 u2比較得到溫度偏差信號(hào)uu1 u2溫度偏差信號(hào)經(jīng)電壓、功率放大后，用以驅(qū)動(dòng) 執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，并通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)拖動(dòng)調(diào)壓器動(dòng)觸 頭。當(dāng)溫度偏高時(shí)，動(dòng)觸頭向減小電流的方向 運(yùn)動(dòng)，反之加大電流，直到溫度達(dá)到給定值為 止，此時(shí)，偏差u0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。第一章 控制系統(tǒng)的基本概念給定信號(hào)電壓功率放大器控制電機(jī)減速器調(diào)壓器恒溫箱(控制對(duì)象)熱電偶u1u2uuanvu溫度t(被控量)擾動(dòng)恒溫箱自動(dòng)控制系統(tǒng)功能框圖第一章 控制系統(tǒng)的基本概念從恒溫箱控制系統(tǒng)功能框圖可見： 給定量位于系統(tǒng)的輸入端，稱為系統(tǒng)輸入量。 也稱為參考輸入量（信號(hào)）。 被控制量位于系統(tǒng)的輸出端，稱為系統(tǒng)輸出量。 輸出量（全部或一部分）通過測(cè)

4、量裝置返回系 統(tǒng)的輸入端，使之與輸入量進(jìn)行比較，產(chǎn)生偏 差（給定信號(hào)與返回的輸出信號(hào)之差）信號(hào)。 輸出量的返回過程稱為反饋。返回的全部或部 分輸出信號(hào)稱為反饋信號(hào)。第一章 控制系統(tǒng)的基本概念綜上所述，控制系統(tǒng)的工作原理：檢測(cè)輸出量（被控制量）的實(shí)際值將輸出量的實(shí)際值與給定值（輸入量）進(jìn)行比 較得出偏差； 用偏差值產(chǎn)生控制調(diào)節(jié)作用去消除偏差，使得 輸出量維持期望的輸出。第一章 控制系統(tǒng)的基本概念由于存在輸出量反饋，上述系統(tǒng)能在存在無法預(yù)計(jì)擾動(dòng)的情況下，自動(dòng)減少系統(tǒng)的輸出量與參考輸入量（或者任意變化的希望的狀態(tài)）之間的偏差，故稱之為反饋控制。顯然：反饋控制建立在偏差基礎(chǔ)上，其控制方式是“檢測(cè)偏差再

5、糾正偏差”。第一章 控制系統(tǒng)的基本概念這種基于反饋原理，能對(duì)輸出量與參考輸入量進(jìn)行比較，并力圖保持兩者之間既定關(guān)系的系統(tǒng)。稱為反饋控制系統(tǒng)。反饋控制系統(tǒng)具備測(cè)量、比較和執(zhí)行三個(gè)基本功能。 注意：反饋控制系統(tǒng)中，反饋信號(hào)是與給定信號(hào)相減，使偏差越來越小，稱為負(fù)反饋。負(fù)反饋控制是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制最基本的方法。第一章 控制系統(tǒng)的基本概念 開環(huán)控制與閉環(huán)控制實(shí)際的控制系統(tǒng)根據(jù)有無反饋?zhàn)饔每煞譃槿悾?開環(huán)控制系統(tǒng) 閉環(huán)控制系統(tǒng) 半閉環(huán)控制系統(tǒng)第一章 控制系統(tǒng)的基本概念 開環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn)：系統(tǒng)僅受輸入量和擾動(dòng)量控制；輸出端 和輸入端之間不存在反饋回路；輸出量 在整個(gè)控制過程中對(duì)系統(tǒng)的控制不產(chǎn)生 任何影響。

6、輸入裝置指令系統(tǒng)輸入控制裝置伺服驅(qū)動(dòng)裝置工作臺(tái)工作臺(tái) 位置系統(tǒng)輸出數(shù)控機(jī)床的開環(huán)控制系統(tǒng)框圖第一章 控制系統(tǒng)的基本概念優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、穩(wěn)定、可靠。若組成系統(tǒng)的元件 特性和參數(shù)值比較穩(wěn)定，且外界干擾較 小，開環(huán)控制能夠保持一定的精度。缺點(diǎn)：精度通常較低、無自動(dòng)糾偏能力控制器對(duì)象或過程輸入量輸出量開環(huán)控制系統(tǒng)框圖第一章 控制系統(tǒng)的基本概念 閉環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn)：輸出端和輸入端之間存在反饋回路，輸 出量對(duì)控制過程有直接影響。 閉環(huán)的作用：應(yīng)用反饋，減少偏差。 優(yōu)點(diǎn)：精度高，對(duì)外部擾動(dòng)和系統(tǒng)參數(shù)變化不 敏感 缺點(diǎn)：存在穩(wěn)定、振蕩、超調(diào)等問題，系統(tǒng)性 能分析和設(shè)計(jì)麻煩。 第一章 控制系統(tǒng)的基本概念控制器對(duì)象或過

7、程輸入量輸出量測(cè)量元件半閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖反饋量 半閉環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn)：反饋信號(hào)通過系統(tǒng)內(nèi)部的中間信號(hào)獲得。第一章 控制系統(tǒng)的基本概念 閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成給定元件+串聯(lián)校正元件放大變換元件執(zhí)行元件控制對(duì)象_+_并聯(lián)校正元件局部反饋反饋元件主反饋控制部分比較元件比較元件輸入信號(hào) xi偏差信號(hào) e主反饋信號(hào) xb擾動(dòng)信號(hào)輸出 xo閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成第一章 控制系統(tǒng)的基本概念 給定元件 產(chǎn)生給定信號(hào)或輸入信號(hào)。 反饋元件 測(cè)量被控制量（輸出量），產(chǎn)生反饋信號(hào)。 為便于傳輸，反饋信號(hào)通常為電信號(hào)。 注意：在機(jī)械、液壓、氣動(dòng)、機(jī)電等系統(tǒng)中 存在著內(nèi)在反饋，這種反饋無須專門 的反饋元件，是系統(tǒng)內(nèi)部各參數(shù)相互

8、作用產(chǎn)生的，如作用力與反作用力之 間形成的直接反饋。第一章 控制系統(tǒng)的基本概念 比較元件 對(duì)給定信號(hào)和反饋信號(hào)進(jìn)行比較，產(chǎn)生偏差 信號(hào)； 放大元件 對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行放大，使之有足夠的能量驅(qū) 動(dòng)執(zhí)行元件實(shí)現(xiàn)控制功能。 執(zhí)行元件 直接對(duì)受控對(duì)象進(jìn)行操縱的元件；如電動(dòng)機(jī)、 液壓馬達(dá)等； 第一章 控制系統(tǒng)的基本概念 校正元件 用以改善系統(tǒng)控制質(zhì)量的裝置?？刂葡到y(tǒng)中比較元件、放大元件、執(zhí)行元件和反饋元件等共同起控制作用，統(tǒng)稱為控制器。實(shí)際的控制系統(tǒng)中，擾動(dòng)總是不可避免的，擾動(dòng)分為內(nèi)部擾動(dòng)和外部擾動(dòng)，但在控制系統(tǒng)中，擾動(dòng)集中表現(xiàn)在控制量與被控量的偏差上，因此，可以將控制系統(tǒng)的擾動(dòng)等效為對(duì)控制對(duì)象的干擾。校正

9、元件分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種。第一章 控制系統(tǒng)的基本概念例題節(jié)流閥節(jié)流閥H(t)放大器+E+E.電動(dòng)機(jī)減速器例1.1 分析圖示液位自動(dòng)控制系統(tǒng)工作原理并繪 制系統(tǒng)功能框圖解： 1、電位器滑動(dòng)觸點(diǎn)位于中間位置，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，閥門保持原有開度，水箱中流入水量與流出水量相等，液面保持在希望的高度。 2、若系統(tǒng)受到擾動(dòng)使液面升高，則浮子相應(yīng)升高，通過杠桿作用使電位器滑動(dòng)觸點(diǎn)下移，給電動(dòng)機(jī)提供一定的控制電壓，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)通過減速器減小閥門開度，使輸入流量減小，液位下降，直到電位器滑動(dòng)觸點(diǎn)回到中間位置，液面恢復(fù)給定高度； 3、若系統(tǒng)受到擾動(dòng)使液面下降，則系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)加大閥門開度，使輸入流量增加，液面恢復(fù)到給定高度。給

10、定液位杠桿電位器放大器電動(dòng)機(jī)減速器閥門水箱實(shí)際液位浮子例1.2 分析圖示鋼板厚度控制系統(tǒng)工作原理并繪 制系統(tǒng)功能框圖放大器1放大器2厚度檢測(cè)器減速器直線執(zhí)行器uauu1u3u2vbda鋼板解： 1、穩(wěn)態(tài)給定電壓u1比例于被軋鋼板要求的厚度；厚度檢測(cè)器輸出u2比例于軋制后鋼板的厚度，u2放大后得到u3并與u1比較得到偏差信號(hào)； 2、若系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)后由于擾動(dòng)致厚度加大，則偏差小于零，偏差放大后控制電機(jī)通過減速器直線執(zhí)行器減小軋棍間距離；反之，加大軋棍間距離，實(shí)現(xiàn)厚度的閉環(huán)調(diào)節(jié)。由于系統(tǒng)不是直接測(cè)量軋輥處厚度，而是相距 d 處的厚度，因此系統(tǒng)存在測(cè)量延遲，延遲時(shí)間=d/v。給定厚度厚度檢測(cè)器放大器1

11、電動(dòng)機(jī)減速器直線執(zhí)行器軋輥鋼板實(shí)際厚度延時(shí)器放大器2補(bǔ)充習(xí)題1控制系統(tǒng)原理方塊圖補(bǔ)充習(xí)題2二、控制系統(tǒng)的基本類型 按輸入量的特征分類 恒值控制系統(tǒng)系統(tǒng)輸入量為恒定值?？刂迫蝿?wù)是保證在任何擾動(dòng)作用下系統(tǒng)的輸出量為恒值。 如：恒溫箱控制、電網(wǎng)電壓、頻率控制等。 程序控制系統(tǒng)輸入量的變化規(guī)律預(yù)先確知，輸入裝置根據(jù)輸入的變化規(guī)律，發(fā)出控制指令，使被控對(duì)象按照指令程序的要求而運(yùn)動(dòng)。如數(shù)控加工系統(tǒng)。第一章 控制系統(tǒng)的基本概念 隨動(dòng)系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）輸入量的變化規(guī)律不能預(yù)先確知，其控制要求是輸出量迅速、平穩(wěn)地跟隨輸入量的變化，并能排除各種干擾因素的影響，準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)的變化規(guī)律。 如：仿形加工系統(tǒng)、火炮自

12、動(dòng)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)等。第一章 控制系統(tǒng)的基本概念 按系統(tǒng)中傳遞信號(hào)的性質(zhì)分類 連續(xù)控制系統(tǒng)系統(tǒng)中各部分傳遞的信號(hào)為隨時(shí)間連續(xù)變化的信號(hào)。連續(xù)控制系統(tǒng)通常采用微分方程描述。 離散（數(shù)字）控制系統(tǒng)系統(tǒng)中某一處或多處的信號(hào)為脈沖序列或數(shù)字量傳遞的系統(tǒng)。離散控制系統(tǒng)通常采用差分方程描述。 第一章 控制系統(tǒng)的基本概念 其它分類方法 線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng) 定常系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng) 機(jī)械、電氣、機(jī)電、液壓、氣動(dòng)、熱力等控 制系統(tǒng) 溫度、壓力、位置等控制系統(tǒng)第一章 控制系統(tǒng)的基本概念三、對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求 穩(wěn)定性 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的振蕩傾向及其恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力。穩(wěn)定的系統(tǒng)當(dāng)輸出量偏離平衡狀態(tài)時(shí)，其輸出能隨時(shí)間的增長(zhǎng)收斂并回

13、到初始平衡狀態(tài)。穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。 控制系統(tǒng)穩(wěn)定性由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所決定，與外界因素?zé)o關(guān)。穩(wěn)定性由控制系統(tǒng)內(nèi)部?jī)?chǔ)能元件的能量不可能突變所產(chǎn)生的慣性滯后作用所導(dǎo)致。第一章 控制系統(tǒng)的基本概念 精確性 控制精度，以穩(wěn)態(tài)誤差來衡量。穩(wěn)態(tài)誤差：系統(tǒng)的調(diào)整（過渡）過程結(jié)束而趨于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)輸出量的實(shí)際值與給定量之間的差值。 第一章 控制系統(tǒng)的基本概念 快速性 輸出量和輸入量產(chǎn)生偏差時(shí)，系統(tǒng)消除這種偏差的快慢程度。快速性表征系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。注意： 不同性質(zhì)的控制系統(tǒng)，對(duì)穩(wěn)定性、精確性和快 速性要求各有側(cè)重。 系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精確性、快速性相互制約，應(yīng) 根據(jù)實(shí)際需求合理選擇。第一章 控制系統(tǒng)的

14、基本概念四、控制工程發(fā)展概況 1788年：J. Watt 發(fā)明蒸汽機(jī) 調(diào)速器 一千多年前：銅壺滴漏計(jì)時(shí) 器、指南針、各種天文儀器 時(shí)間刻度浮子銅壺滴漏 1868年：J. C. Maxwell發(fā)表 調(diào)速器，提出反饋控制 的概念及穩(wěn)定性條件。第一章 控制系統(tǒng)的基本概念 1884年：E. J. Routh提出勞斯穩(wěn)定性判據(jù)。 1895年：A. Hurwifz提出赫爾維茨穩(wěn)定性判據(jù)。 1932年：H. Nyquist提出奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)。 1892年：A. M. Lyapunov提出李雅普諾夫穩(wěn)定 性理論。 1945年：H. W. Bode提出反饋放大器的一般設(shè) 計(jì)方法第一章 控制系統(tǒng)的基本概念 1

15、948年：N. Wiener發(fā)表控制論，標(biāo)志經(jīng)典 控制理論基本形成；經(jīng)典控制理論以傳遞函數(shù) 為基礎(chǔ)，主要研究單輸入單輸出（SISO）系 統(tǒng)的分析和控制問題； 1950年：W. R. Evans提出根軌跡法，進(jìn)一步充 實(shí)了經(jīng)典控制論； 1954年：錢學(xué)森發(fā)表工程控制論； 第一章 控制系統(tǒng)的基本概念 50年代末60年代初：現(xiàn)代控制理論形成；現(xiàn)代 控制理論以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，主要分析和研 究多輸入-多輸出( MIMO )、時(shí)變、非線性等 系統(tǒng)的最優(yōu)控制、最優(yōu)濾波、系統(tǒng)辨識(shí)、自適 應(yīng)控制、智能控制等問題；控制理論研究的重 點(diǎn)開始由頻域移到從本質(zhì)上說是時(shí)域的狀態(tài)空 間方法。 第一章 控制系統(tǒng)的基本概念 1956年：蓬特里亞金（Pontryagin）提出極大 值原理 1957年：R. I. Bellman提出動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論 1960年：R. E. Kalman提出卡爾曼濾波理論 19601980年：確定性系統(tǒng)的最優(yōu)控制、隨機(jī) 系統(tǒng)的最優(yōu)控制、復(fù)雜系統(tǒng)的自適應(yīng)和自學(xué)習(xí) 控制 1980迄今：魯棒控制、H控制、非線性控制、 智能控制等第一章 控制系統(tǒng)的基本概念五、本課程的任務(wù)及主要內(nèi)容 本課程的任務(wù) 控制系統(tǒng)性能分析動(dòng)態(tài)性能：過