自動控制原理

CHAPTER1

Introductiontofeedbackcontrol

CourseObjective/RequirementsObjective:

Introducethefundamentalprinciplesofcontroltheory.Developthebasicunderstandingofcontrolsystemstheory.Learnhowtoanalyzeandhowtodesignautomaticcontrolsystems.Requirements:

Homeworkassignments(latehomeworkwillnotbeaccepted)andafinalexamination.Gradingpolicy:

HomeworkandCalltheroll:20%ExperimentsResult:20%FinalExamination:60%Wheretofindme:

Office:Yangyi

BeiBuilding306E-mail:tanghong@Tel:86914565CourseObjective/RequirementsTextbooks&Refs:

English:

AutomaticControlSystemsBenjaminC.Kuo,Farid

Golnaraghi(EighthEdition)高等教育出版社

Chinese:

自動控制原理及其應(yīng)用

黃堅主編高等教育出版社

OutlineofthischapterIntroductionControlmethodsSpecificationofthecontrolsystemControlengineeringneedsknowledgeHomework………自動控制原理是一門技術(shù)科學(xué)研究的對象是自動控制系統(tǒng)研究的中心問題是控制過程的動態(tài)規(guī)律性主要內(nèi)容為數(shù)學(xué)模型、工程分析計算方法和系統(tǒng)一般規(guī)律自動控制自動控制自動:手動人工不憑借人為的力量或不用人力而用機械裝置直接操作的控制:掌握住不使任意活動或越出范圍;操縱自動控制:指在無人直接參與的情況下,利用控制裝置操縱受控對象,使受控對象的被控量等于給定值或按給定信號變化規(guī)律去變化.1.1IntroductionAutomation:Thecontrolofaprocess(manufacturing,

production,andsoon)byautomaticratherthanmanual.比如：人造地球衛(wèi)星的發(fā)射成功與安全返回。導(dǎo)彈的準確擊中目標，雷達系統(tǒng)的準確跟蹤目標；鋼鐵生產(chǎn)制造系統(tǒng)：數(shù)控機床加工生產(chǎn)線自動碼垛機器人自動包裝機器人家用電器：電扇：控制轉(zhuǎn)速電冰箱、空調(diào)、電飯煲：控制溫度洗衣機：控制水位、強弱、時間等智能建筑：通信電梯供水通風(fēng)空調(diào)安防抄表…工業(yè)機器人：拉提琴靈巧手排爆步行吹笛足球比賽其他機器人：自動控制的應(yīng)用領(lǐng)域軍事工業(yè)航空航天制造業(yè)機器人流程工業(yè)

電子工業(yè)家用電器交通系統(tǒng)，樓宇系統(tǒng)，經(jīng)濟系統(tǒng)，社會系統(tǒng)…鋼鐵、石化、造紙、制藥等控制無處不在！

隨著生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自動控制技術(shù)可以說已滲透到各種學(xué)科領(lǐng)域，成為促進當代生產(chǎn)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)進步的重要因素。

事實上，任何技術(shù)設(shè)備、工作機械或生產(chǎn)過程都必須按要求運行。例如：要使火炮能自動跟蹤并命中飛行目標，炮身就必須按照指揮儀的命令而作方位角和俯仰角的變動；要把數(shù)噸重人造衛(wèi)星送入數(shù)百公里高空的軌道，使其所攜帶的各種儀器能長期使用、準確地工作，就必須保持衛(wèi)星的正確姿態(tài)，使它的太陽能電池一直朝向太陽，無線電發(fā)射天線一直指向地球；

要使數(shù)控機床能加工出高精度的工件，就必須保證其工作臺或刀架的進給量準確地按照程序指令的設(shè)定值變化；要想使輪船安全順利的航行，就必須按照領(lǐng)航員的命令改變尾舵的方向；所有這一切都是以高水平的自動控制技術(shù)為前提的。要使煉鋼爐提供優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品，就必須嚴格控制爐溫……等等。例

水溫自動控制系統(tǒng)系統(tǒng)中增加了：控制器電機加入給定信號工作原理：檢測實際溫度產(chǎn)生控制信號通過電機調(diào)節(jié)閥門的開度從而調(diào)節(jié)蒸汽流入，控制水的溫度.實現(xiàn)沒有人直接參入的自動水溫控制.例

轉(zhuǎn)臺速度開環(huán)控制系統(tǒng)這種轉(zhuǎn)臺在CD機、計算機磁盤驅(qū)動器等現(xiàn)代裝置中廣泛應(yīng)用.轉(zhuǎn)臺電機電源和放大裝置速度設(shè)置系統(tǒng)組成：由圖可見：被控制量速度沒有反饋到輸入端與給定信號比較,為開環(huán)控制系統(tǒng)。

人工控制與自動控制煤氣灶上油煎雞蛋時的油溫控制自行車速度控制汽車駕駛收音機音量調(diào)節(jié)電飯煲空調(diào)抽水馬桶汽輪機轉(zhuǎn)速控制導(dǎo)彈飛行控制聲控光控路燈/zdkz/h1.asp/jwc/08jpkc/zk/wangluokecheng/dh11.html世界上公認的第一個自動控制系統(tǒng)1769年瓦特發(fā)明蒸汽機瓦特(1736-1819)自動控制的歷史牛頓(1642-1727)拉普拉斯(1749-1827)李亞普諾夫(1857-1918)1.1IntroductionControlsystem:Aninterconnectionofcomponentsformingasystemconfigurationthatwillprovideadesiredsystemresponse.Controlsystemsareusedtoachieve:(1)increasedproductivity.(2)improvedperformanceofadeviceorasystem.某個主體使某個客體按照一定的目的動作/zdkz/h1.asp/jwc/08jpkc/zk/wangluokecheng/dh11.html1.2Controlmethods:(1)Open-loopcontrolsystems;(2)Closed-loopcontrolsystems(Closed-loopfeedbackcontrolsystems).(3)CompoundcontrolsystemsFeedbacksignal

Ameasureoftheoutputofthesystemusedforfeedbackto

controlthesystem.Open-loopcontrolsystem

Anopencontrolsystemutilizesanactuatingdevicetocontroltheprocessdirectlywithoutusingfeedbacksignal.ReferenceinputComparison

Controller

PlantOutputMeasurementFeedbacksignal

ReferenceinputController

PlantOutputFigureOpen-loopcontrolsystemForwardpathFeedbackpathFigureGeneralizedfeedbackcontrolsystemControlofTrafficLightsDesiredoutputresponse(Commandinput)ActuatingdeviceProcessOutputControllerPlantPowerHeaterFurnaceSwitch被控對象FurnaceSwitch&HeaterCommandinputOutputControllerPlantFurnacetemperaturecontrolsystemTankValve1LeverDisturbance(valve2)Valve1Valve2TankOpen-loopControlSystemTheoutputoftheopen-loopsystemhasnoeffectupontheinputsignal.Thereistheneedtoknowanaccuratemodelofindividualcomponents.

C被控對象Controller

Plant

RUPlantControllerMeasurementnCU開環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點開環(huán)控制系統(tǒng)的應(yīng)用場合邏輯控制順序控制擾動少的場合優(yōu)點：簡單，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性缺點：控制精度易受擾動影響控制精度差（擾動存在時）Closedfeedbackcontrolsystem

Aclosed-loopcontrolsystemusesameasurementofoutputandfeedbackofthesignaltocompareitwiththedesiredoutput(referenceorcommand).ReferenceinputComparison

Controller

PlantOutputMeasurementFeedbacksignal

FigureClosed-loopfeedbackcontrolsystem(withfeedback)furnacethermometergas

mixervalveairDesiredtemperaturevalvemixerairfurnace

temperatureoutputplantoperator

Desiredtemperature

input

ValveMixerAir

Amplifier

FurnaceCAmplifierThermocoupleMotorUR

UT

GasMixerAirValveMotorAmplifierUT

PotentiometerUR

AmplifierFurnaceThermocoupleClosed-loopControlSystemComparisonbetweenthereferenceinputandthefeedbacksignalresultsinanactuatingsignalthatisthedifferencebetweenthesetwoquantities.Theactuatingsignalactstomaintaintheoutputatthedesiredvalue.Thissystemiscalledaclosed-loopcontrolsystem.

Controller

PlantCMeasurementR—

d(-)utug擾動給定裝置放大器電動機轉(zhuǎn)速反饋裝置觸發(fā)器晶闡管可控整流器控制裝置受控對象n(b)方框圖ueudoRP1ugR0R0R1-utRP2-+-++TGMudouc(a)原理圖+動畫：開閉環(huán)控制比較輸出量環(huán)節(jié)名稱(或特性)輸入量(a)

(-)e=r-br

(+)

(-)b(b)re=r-b

b或(c)c引出點cc閉環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖

方框圖中的幾種表示法：被控量偏差信號

(-)

參考輸入信號r(t)

調(diào)節(jié)器(或控制器)u(t)受控系統(tǒng)e(t)

c(t)反饋信號

控制量

擾動

給定裝置

校正裝置

放大

元件

執(zhí)行

機構(gòu)

受控

對象

反饋裝置

(測量元件)動畫：方框圖的概念CompoundControlCombinationofopen-loopandclosed-loopControllerPlant

C

FeedbackelementR

—

CompensatorControllerPlant

C

FeedbackelementR

—

Compensatorn復(fù)合控制n擾動(ML)uiugut(-)(b)方塊圖擾動檢測裝置晶闡管可控整流器轉(zhuǎn)速反饋裝置電動機放大器放大器觸發(fā)器被控量輸入信號

(-)補償裝置控制裝置受控對象udoMR

iugutTG(a)原理圖負載放大器

放大器+動畫：速度復(fù)合控制輸入量輸出量圖1－6自動控制系統(tǒng)的組成

自動控制的任務(wù)—利用控制器操縱受控對象，使其被控量按技術(shù)要求變化。若r(t)—給定量，c(t)—被控量，則自控的任務(wù)之數(shù)學(xué)表達式為：使被控量滿足c(t)≈r(t)。1.2.2自動控制系統(tǒng)的基本組成<1>給定元件：其職能是給出與期望的被控量相對應(yīng)的系統(tǒng)輸入量。一般為電位器。<2>比較元件：其職能是把測量到的被控量實際值與給定元件給出的輸入量進行比較，求出他們之間的偏差。常用的有差動放大器、機械差動裝置、電橋電路、計算機等?；窘M成（續(xù)）<3>測量元件：其職能是檢測被控制量的物理量。如測速機、熱電偶、自整角機、電位器、旋轉(zhuǎn)變壓器、浮子等?；窘M成（續(xù)）<4>放大元件：其職能是將比較元件給出的偏差信號進行放大，用來推動執(zhí)行元件去控制受控對象。如：晶體管、集成電路、晶閘管等組成的電壓、功率放大器。<5>執(zhí)行元件：其職能是直接推動受控對象，使其被控量發(fā)生變化。如：閥門、電機、液壓馬達等。基本組成（續(xù)）<6>校正元件：也叫補償元件，它是結(jié)構(gòu)或參數(shù)便于調(diào)整的元件。用串聯(lián)或并聯(lián)（反饋）的方式連接于系統(tǒng)中，以改善系統(tǒng)的性能。如：電阻、電容組成的無源或有源網(wǎng)絡(luò)，還有計算機。基本組成（續(xù)）自控系統(tǒng)的特點：<1>從信號傳送看：c(t)經(jīng)測量后回到輸入端，構(gòu)成閉環(huán)，具有反饋形式，且為負反饋。<2>從控制作用的產(chǎn)生看：由偏差產(chǎn)生的控制作用使系統(tǒng)沿減小或消除偏差的方向運動—偏差控制。基本組成（續(xù)）例如：直流電機開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)如圖所示。

給定電壓放大后得到電樞電壓ua，從而控制轉(zhuǎn)速n。改變ug→ua改變→n改變，ug與n一一對應(yīng)。但是，當負載變化時（干擾量），會使n改變，即使ug不變，n

也改變。∴ua（ug）與n的關(guān)系不精確，抗擾動能力差，系統(tǒng)控制精度難以保證，應(yīng)用少。

閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)線性/非線性系統(tǒng)連續(xù)/離散性系統(tǒng)定常/時變性系統(tǒng)確定/不確定系統(tǒng)按控制方式分按被控對象分按系統(tǒng)性能分分類按給定值變化規(guī)律分按系統(tǒng)功用分按給定值操縱的開環(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)控制復(fù)合控制：閉環(huán)反饋為主，開環(huán)補償為輔恒值系統(tǒng)隨動系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)運動控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)壓力控制系統(tǒng)位置控制系統(tǒng)動畫：液位恒值控制動畫：天線隨動控制動畫：數(shù)學(xué)描述分類1.3系統(tǒng)類型一、線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)的分類方法較多，常見的有以下幾種由線性微分方程或線性差分方程所描述的系統(tǒng)稱為線性系統(tǒng)；由非線性方程所描述的系統(tǒng)稱為非線性系統(tǒng)。二、定常系統(tǒng)和時變系統(tǒng)定常系統(tǒng):若系統(tǒng)微分方程的系數(shù)為常數(shù)，則稱之為線性定常系統(tǒng)。此類系統(tǒng)為本書主要討論對象。系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型微分方程的系數(shù)不是時間變量的函數(shù)。否則稱為時變系統(tǒng)。三、連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)：系統(tǒng)中各部分的信號都是時間的連續(xù)函數(shù)即模擬量。離散系統(tǒng)：系統(tǒng)中有一處或多處信號為時間的離散函數(shù)，如脈沖或數(shù)碼信號。若系統(tǒng)中既有模擬量也有離散信號，則又可稱之為采樣系統(tǒng)。系統(tǒng)中各部分的信號都是時間的連續(xù)函數(shù)即模擬量。系統(tǒng)中有一處或多處信號為時間的離散函數(shù)，如脈沖或數(shù)碼信號。四、恒值系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)系統(tǒng)的給定值為一定值，而控制任務(wù)就是克服擾動，使被控量保持恒值。例如：電機速度控制、恒溫、恒壓、水位控制系統(tǒng)等。恒值系統(tǒng)：隨動系統(tǒng)：系統(tǒng)給定值按照事先不知道的時間函數(shù)變化，并要求被控量跟隨給定值變化。程序控制系統(tǒng)：系統(tǒng)的給定值按照一定的時間函數(shù)變化，并要求被控量隨之變化。1.3Specificationsofthecontrolsystem:(1)Stability:stability,smoothandsteady

(2)Swiftness:peaktime,settlingtime(3)Accuracy:steady-sateerror1.3Specificationsofthecontrolsystem:(1)Stability:stability,smoothandsteady

Curve1:stableCurve2:unstableSpecificationsofthecontrolsystem:Curve1:oscillationamplitudedecreaseslowlyCurve2:smoothandsteady對控制系統(tǒng)的要求:1.穩(wěn)定性：是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。2.快速性：動態(tài)性能，有指標。3.準確性：穩(wěn)態(tài)（過度結(jié)束后的）值應(yīng)盡量與期望值一致。

暫態(tài)過程特點:下圖中,(a)、(b)非周期振蕩；(c)發(fā)散振蕩；(d)、(e)收斂振蕩；(f)等幅振蕩。tnn1(a)0(b)nt0n0n1t0n(c)n0t(e)n1n0t(d)n0n1n0t(f)動畫：系統(tǒng)響應(yīng)曲線動畫：速度過渡過程1.4對控制系統(tǒng)的要求Specificationsofthecontrolsystem:(2)Swi