自控原理課件第章

自動控制原理信息控制類專業(yè)最重要的專業(yè)基礎(chǔ)課之一信息與控制工程學(xué)院自動化系1自動控制理論： （1）經(jīng)典控制理論

20世紀(jì)40-50年代；單入單出（SISO）系統(tǒng)；反饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性 （2）現(xiàn)代控制理論

20世紀(jì)60年代；多入多出（MIMO）系統(tǒng)；以“最優(yōu)”為特征 （3）智能控制理論

20世紀(jì)80年代2主要內(nèi)容1.自動控制的一般概念2.控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型3.線性系統(tǒng)的時(shí)域分析法4.線性系統(tǒng)的根軌跡法5.線性系統(tǒng)的頻域分析法6.線性系統(tǒng)的校正方法7.線性離散系統(tǒng)的分析8.非線性控制系統(tǒng)的分析3第一章自動控制的一般概念1-1自動控制的基本原理1-2自動控制系統(tǒng)的基本控制方式1-3自動控制系統(tǒng)的分類1-4對自動控制系統(tǒng)性能的基本要求41.自動控制的基本概念空調(diào)冰箱電熱水器§1-1自動控制的基本原理5大型化工企業(yè)自動控制裝置6機(jī)器人

航天飛機(jī)7自動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，使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)自動地按照預(yù)定規(guī)律運(yùn)行。自動控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)某一控制目標(biāo)的所有物理部件的有機(jī)組合體。被控對象控制裝置被控變量8【例】

水箱系統(tǒng)入口流量Qi取決于閥門開度u，出口流量與液位H和出口閥門有關(guān)問題：如何使得實(shí)際液位H控制在期望液位不變期望液位：Hs2.自動控制的基本原理9（1）人工控制

眼：測量實(shí)際液位H——檢測過程。

腦：將實(shí)際液位H和期望液位Hs比較，根據(jù)兩者偏差正負(fù)及大小作出決策?！容^、分析、決策過程。

手：執(zhí)行大腦命令，調(diào)節(jié)閥門開度?！獔?zhí)行過程。

10人工控制原理方塊圖實(shí)際液位水槽擾動實(shí)際液位腦眼給定值手水槽擾動測量值測量值眼腦給定值手11人工控制原理方塊圖實(shí)際液位腦眼給定值手水槽擾動測量值12（2）

自動控制13變送器(眼）：測量實(shí)際液位H并進(jìn)行物理轉(zhuǎn)換?？刂破鳎ù竽X）：也叫調(diào)節(jié)器，將測量值mv和給定值sv相比較，根據(jù)兩者的偏差進(jìn)行運(yùn)算，輸出控制信號u。執(zhí)行器（手）：也叫調(diào)節(jié)閥，改變閥門開度。14自動控制原理方塊圖：實(shí)際液位控制器變送器給定值執(zhí)行器水槽擾動測量值實(shí)際液位腦眼給定值手水槽擾動測量值人工控制原理方塊圖：15（3）反饋控制原理反饋通過測量變換裝置將系統(tǒng)或元件的輸出量反送到輸入端，與輸入信號相比較。反送到輸入端的信號稱為反饋信號。負(fù)反饋

反饋信號與輸人信號相減，其差為偏差信號負(fù)反饋控制原理將系統(tǒng)的輸出信號引回輸入端，與輸入信號相減，形成偏差信號。然后根據(jù)偏差信號產(chǎn)生相應(yīng)的控制作用，力圖消除或減少偏差的過程。16（4）自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)反饋，反饋通道，前向通道，閉環(huán)輸入變量：擾動輸入d，給定輸入r（參考輸入）輸出變量c，廣義被控對象+控制器自動控制系統(tǒng)的構(gòu)成：控制器測量變送器給定輸入執(zhí)行器被控對象擾動輸入輸出測量值自動控制裝置+被控對象幾個(gè)概念17被控制量c：

在控制系統(tǒng)中．按規(guī)定的任務(wù)需要加以控制的物理量?？刂屏縰：

作為被控制量的控制指令而加給系統(tǒng)的輸入量．也稱控制輸入。擾動量d：

干擾或破壞系統(tǒng)按預(yù)定規(guī)律運(yùn)行的輸入量，也稱擾動輸入。自動控制系統(tǒng)的特點(diǎn)存在反饋，輸出量參與控制；基于偏差進(jìn)行控制反饋（偏差、閉環(huán)）控制系統(tǒng)18（1）開環(huán)控制：不存在輸出到輸入的反饋，輸出量不參與控制

按干擾進(jìn)行控制（即前饋控制，對干擾進(jìn)行補(bǔ)償）擾動必須可測！

按給定值進(jìn)行控制§1-2自動控制系統(tǒng)的基本控制方式19例M負(fù)載++++功放功放電機(jī)負(fù)載M——電動機(jī)20例+M負(fù)載+++壓放功放+功放電機(jī)負(fù)載壓放21例2：電機(jī)系統(tǒng)M負(fù)載++++TG壓放功放測速發(fā)電機(jī)壓放功放電機(jī)負(fù)載2）閉環(huán)控制系統(tǒng)期望轉(zhuǎn)速：存在輸出到輸入的反饋，輸出量參與控制TG——測速發(fā)電機(jī)22例3）復(fù)合控制系統(tǒng)+壓放+M負(fù)載+++TG壓放功放++23功放電機(jī)負(fù)載壓放測速發(fā)電機(jī)壓放方塊圖：24§1-3自動控制系統(tǒng)分類1.按輸入信號特征分類1）恒值控制系統(tǒng)給定輸入為常數(shù)，系統(tǒng)克服擾動影響例：液位控制系統(tǒng)，溫度控制系統(tǒng)等工業(yè)系統(tǒng)2）隨動控制系統(tǒng)給定輸入是隨機(jī)時(shí)間變化的函數(shù)（未知）例：函數(shù)記錄儀、火炮自動跟蹤系統(tǒng)3）程序控制系統(tǒng)給定輸入是預(yù)知的時(shí)間函數(shù)例：機(jī)床加工系統(tǒng)252.按描述元件特性分類1）線性系統(tǒng)組成系統(tǒng)的元件都是線性元件，輸入輸出的靜態(tài)特性為線性關(guān)系用線性微分方程描述2）非線性系統(tǒng)只要系統(tǒng)中有一個(gè)元部件是非線性的用非線性微分方程描述263.按照傳遞信號類型分類連續(xù)系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)間的信號均為時(shí)間t的連續(xù)函數(shù)，可用微分方程描述例：水箱系統(tǒng)離散系統(tǒng)只要有一處信號是脈沖信號或者數(shù)字信號，定義在離散時(shí)刻上，用差分方程描述例：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)274.按照參數(shù)是否隨時(shí)間變化分類定常系統(tǒng)時(shí)變系統(tǒng)5.其他分類單輸入輸出系統(tǒng)與多輸入輸出系統(tǒng)確定性系統(tǒng)與不確定性系統(tǒng)集中參數(shù)系統(tǒng)與分布參數(shù)系統(tǒng)28§1-4對控制系統(tǒng)性能的基本要求時(shí)間tr上升峰值時(shí)間tpAB超調(diào)量σ%=AB100%調(diào)節(jié)時(shí)間ts“穩(wěn)，快，準(zhǔn)”291.穩(wěn)定性（最基本要求）系統(tǒng)在擾動消失后，由初始偏差狀態(tài)恢復(fù)到平衡狀態(tài)的能力。１、穩(wěn)定２、不穩(wěn)定30穩(wěn)定性：

(1)對恒值系統(tǒng)，要求當(dāng)系統(tǒng)受到擾動后，經(jīng)過一定時(shí)間的調(diào)整能夠回到原來的期望值。

(2)對隨動系統(tǒng)，被控制量始終跟蹤參據(jù)量的變化。穩(wěn)定性是對系統(tǒng)的基本要求，不穩(wěn)定的系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)預(yù)定任務(wù)。線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性，通常由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)決定，與外界因素?zé)o關(guān)。312.快速性動態(tài)性能:調(diào)節(jié)時(shí)間、上升時(shí)間對過渡過程的形式和快慢提出要求，一般稱為動態(tài)性能。穩(wěn)定高射炮射角隨動系統(tǒng)，雖然炮身最終能跟蹤目標(biāo)，但如果目標(biāo)變動迅速，而炮身行動遲緩，仍然抓不住目標(biāo)。3.準(zhǔn)確性穩(wěn)態(tài)性能：穩(wěn)態(tài)誤差在參考輸入信號作用下，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，其穩(wěn)態(tài)輸出與參考輸入所要求的期望輸出之差叫做給定穩(wěn)態(tài)誤差。顯然，這種誤差越小，表示系統(tǒng)的輸出跟隨參考輸入的精度越高。32小結(jié)控制系統(tǒng)的基本原理：反饋控制