自動控制原理 簡明教程第一章wangqf課件

課程簡介課程意義：信息基礎(chǔ)的基礎(chǔ)之一課程特點：專業(yè)基礎(chǔ)課：控制領(lǐng)域的首門課程專業(yè)理論課：主要學(xué)習(xí)控制理論中的基本理論理論性強(qiáng)：高等數(shù)學(xué)和工程數(shù)學(xué)為工具內(nèi)容豐富，學(xué)時多，作業(yè)多，另有課程設(shè)計教材和主要參考書教材：自動控制原理簡明教程（第二版）(1-7章），胡壽松編，科學(xué)出版社參考書：自動控制原理（第四版），胡壽松編，科學(xué)出版社陶琳自動控制原理學(xué)習(xí)指導(dǎo)，中央廣播電視大學(xué)出版社胡壽松自動控制原理習(xí)題集，科學(xué)出版社第一章控制系統(tǒng)導(dǎo)論本章提綱1.1自動控制的基本原理與示例1.2自動控制系統(tǒng)的分類開環(huán)、閉環(huán)、組成1.3對控制系統(tǒng)的基本要求1.4自動控制的分析與設(shè)計工具本章小結(jié)

本章提要

本章提要：本章將討論自動控制的基本概念，自動控制系統(tǒng)的分類，對控制系統(tǒng)的基本要求，自動控制的歷史等問題。1.1自動控制的基本原理

1.自動控制技術(shù)及其應(yīng)用自動控制作為一種技術(shù)手段已廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防乃至日常生活和社會科學(xué)許多領(lǐng)域。自動控制就是指在脫離人的直接干預(yù)，利用控制裝置（簡稱控制器）使被控對象（如設(shè)備生產(chǎn)過程等）的工作狀態(tài)或簡稱被控量（如溫度、壓力、流量、速度、pH值等）按照預(yù)定的規(guī)律運行。實現(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稱為自動控制系統(tǒng)。

從物理角度上來看，自動控制理論研究的是特定激勵作用下的系統(tǒng)響應(yīng)變化情況；從數(shù)學(xué)角度上來看，研究的是輸入與輸出之間的映射關(guān)系；從信息處理的角度來看，研究的是信息的獲取、處理、變換、輸出等問題。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，自動控制的概念也在擴(kuò)大，政治、經(jīng)濟(jì)、社會等各個領(lǐng)域也越來越多地被認(rèn)為與自動控制有關(guān)?，F(xiàn)在已發(fā)展成為一門獨立的學(xué)科——控制論。其中包括：工程控制論、生物控制論和經(jīng)濟(jì)控制論。1.1．1一個實例

直流電動機(jī)速度自動控制的原理結(jié)構(gòu)圖如圖1-1所示。圖中，電位器電壓為輸入信號。測速發(fā)電機(jī)是電動機(jī)轉(zhuǎn)速的測量元件，又稱為變送元件（變送器）。代表電動機(jī)轉(zhuǎn)速變化的測速發(fā)電機(jī)電壓送到輸入端與電位器電壓進(jìn)行比較，兩者的差值（又稱偏差信號）控制功率放大器（控制器），控制器的輸出控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，這就形成了電動機(jī)轉(zhuǎn)速自動控制系統(tǒng)。圖1-1直流電動機(jī)速度自動控制的原理結(jié)構(gòu)圖

反饋控制原理當(dāng)電源變化、負(fù)載變化等引起轉(zhuǎn)速變化，稱為擾動。電動機(jī)被稱為被控對象，轉(zhuǎn)速稱為被控量，當(dāng)電動機(jī)受到擾動后，轉(zhuǎn)速（被控量）發(fā)生變化，經(jīng)測量元件（測速發(fā)電機(jī)）將轉(zhuǎn)速信號（又稱為反饋信號）反饋到控制器（功率放大器），使控制器的輸出（稱為控制量）發(fā)生相應(yīng)的變化，從而可以自動地保持轉(zhuǎn)速不變或使偏差保持在允許的范圍內(nèi)。1.1.2反饋控制系統(tǒng)的基本組成（方框圖）

自動控制系統(tǒng)至少包括測量元件、給定元件、比較元件、放大元件、執(zhí)行元件、校正元件、控制器等組成的自動控制裝置和被控對象，它的組成方框圖如圖1-2所示。圖1-2自動控制系統(tǒng)的組成框圖1.2自動控制系統(tǒng)的分類

下面介紹幾種常用的自動控制系統(tǒng)分類方法。

1．2．1按信號的傳遞路徑來分1．2．2按系統(tǒng)輸入信號的變化規(guī)律不同來分1．2．3按系統(tǒng)傳輸信號的性質(zhì)來分1．2．4按描述系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型不同來分1.2.5其它分類方法

自動控制系統(tǒng)基本控制方式

1．開環(huán)控制系統(tǒng)指系統(tǒng)的輸出端與輸入端不存在反饋回路，輸出量對系統(tǒng)的控制作用不發(fā)生影響的系統(tǒng)。如工業(yè)上使用的數(shù)字程序控制機(jī)床

圖紙位移程序指令放大器執(zhí)行機(jī)構(gòu)微型計算機(jī)切削刀具工作機(jī)床1．2．1按信號的傳遞路徑來分圖1-3微型計算機(jī)控制機(jī)床（開環(huán)系統(tǒng)）

系統(tǒng)每一個輸入信號，必有一個固定的工作狀態(tài)和一個系統(tǒng)的輸出量與之相對應(yīng)，但是不具有修正由于擾動而出現(xiàn)的被控制量希望值與實際值之間誤差的能力。例如，執(zhí)行機(jī)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)出現(xiàn)失步，機(jī)床某部分未能準(zhǔn)確地執(zhí)行程序指令的要求，切削刀具偏離了希望值，控制指令并不會相應(yīng)地改變。

開環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，工作穩(wěn)定。但開環(huán)控制不能自動修正被控制量的誤差、系統(tǒng)元件參數(shù)的變化以及外來未知干擾都會影響系統(tǒng)精度的。

2．閉環(huán)控制系統(tǒng)

系統(tǒng)輸出信號與輸入端之間存在反饋回路的系統(tǒng)，叫閉環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)也叫反饋控制系統(tǒng)?！伴]環(huán)”這個術(shù)語的含義，就是應(yīng)用反饋作用來減小系統(tǒng)誤差如圖1-4所示。反饋測量元件圖紙位移手放大器執(zhí)行機(jī)構(gòu)微型計算機(jī)切削刀具工作機(jī)床圖1-4微型計算機(jī)控制機(jī)床（閉環(huán)系統(tǒng)）在圖1-4中，引入了反饋測量元件，閉環(huán)控制系統(tǒng)由于有“反饋”作用的存在，具有自動修正被控制量出現(xiàn)偏差的能力，可以修正元件參數(shù)變化及外界擾動引起的誤差，所以其控制效果好，精度高。閉環(huán)控制系統(tǒng)不足之處，除了結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高外，一個主要的問題是由于反饋的存在，控制系統(tǒng)可能出現(xiàn)“振蕩”。

3．復(fù)合控制系統(tǒng)復(fù)合控制是閉環(huán)控制和開環(huán)控制相結(jié)合的一種方式。它是在閉環(huán)控制等基礎(chǔ)上增加一個干擾信號的補償控制，以提高控制系統(tǒng)的抗干擾能力。圖1-5復(fù)合控制系統(tǒng)框圖增加干擾信號的補償控制作用，可以在干擾對被控量產(chǎn)生不利影響所同時及時提供控制作用以抵消此不利影響。純閉環(huán)控制則要等待該不利影響反映到被控信號之后才引起控制作用，對干擾的反應(yīng)較慢。兩者的結(jié)合既能得到高精度控制，又能提高抗干擾能力。1．2．2按系統(tǒng)輸入信號的變化規(guī)律不同來分

1、恒值控制系統(tǒng)（或稱自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)）這類系統(tǒng)的特點是輸入信號是一個恒定的數(shù)值。恒值控制系統(tǒng)主要研究各種干擾對系統(tǒng)輸出的影響以及如何克服這些干擾，把輸入、輸出量盡量保持在希望數(shù)值上。

2、程序控制系統(tǒng)這類系統(tǒng)的特點是輸入信號是一個已知的時間函數(shù)，系統(tǒng)的控制過程按預(yù)定的程序進(jìn)行，要求被控量能迅速準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)。恒值控制系統(tǒng)也認(rèn)為是過程控制系統(tǒng)的特例。3、隨動控制系統(tǒng)（或稱伺服系統(tǒng)）這類系統(tǒng)的特點是輸入信號是一個未知函數(shù)，要求輸出量跟隨給定量變化。如火炮自動跟蹤系統(tǒng)。工業(yè)自動化儀表中的顯示記錄儀，跟蹤衛(wèi)星的雷達(dá)天線控制系統(tǒng)等均屬于隨動控制系統(tǒng)。1．2．3按系統(tǒng)傳輸信號的性質(zhì)來分

1、連續(xù)系統(tǒng)系統(tǒng)各部分的信號都是模擬的連續(xù)函數(shù)。目前工業(yè)中普遍采用的常規(guī)控制儀表PID調(diào)節(jié)器控制的系統(tǒng)及圖1-1所示的電動機(jī)速度自動控制系統(tǒng)就屬于這一類型。2、離散系統(tǒng)系統(tǒng)的某一處或幾處，信號以脈沖序列或數(shù)碼的形式傳遞的控制系統(tǒng)。其主要特點是：系統(tǒng)中用脈沖開關(guān)或采樣開關(guān)，將連續(xù)信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散信號?？煞譃槊}沖控制系統(tǒng)和數(shù)字控制系統(tǒng)。圖1-6和圖1-7分別給出了脈沖控制系統(tǒng)和數(shù)字控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。輸出輸入

+e(t)e*(t)采樣開關(guān)-保持器被控對象圖1-6脈沖控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖輸出輸入

+

-－A/D計算機(jī)D/A放大器執(zhí)行器被控對象反饋裝置圖1-7采樣數(shù)字控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1．2．4按描述系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型不同來分

1、線性連續(xù)系統(tǒng)由線性元件構(gòu)成的系統(tǒng)叫線性系統(tǒng)。其運動方程為線性微分方程。若各項系數(shù)為常數(shù)，則稱為線性定常系統(tǒng)。其運動方程一般形式為:

式中：u(t)—系統(tǒng)的輸入量；y(t)—系統(tǒng)的輸出量。線性系統(tǒng)的主要特點是具有疊加性和齊次性，即當(dāng)系統(tǒng)的輸入分別為r1(t)和r2(t)時，對應(yīng)的輸出分別為c1(t)和c2(t)，則當(dāng)輸入為r(t)=a1r1(t)+a2r2(t)時，輸出量為c(t)=a1c1(t)+a2c2(t),其中為a1、a2為常系數(shù)。2、線性離散系統(tǒng)3、非線性系統(tǒng)

非線性元件靜特性舉例飽和特性、死區(qū)特性、間隙特性、繼電特性、磁滯特性

在構(gòu)成系統(tǒng)的環(huán)節(jié)中有一個或一個以上的非線性環(huán)節(jié)時，則稱此系統(tǒng)為非線性系統(tǒng)。典型的非線性特性有飽和特性、死區(qū)特性、間隙特性、繼電特性、磁滯特性等。如圖1-8所示。

非線性的理論研究遠(yuǎn)不如線性系統(tǒng)那么完整，一般只能近似的定性描述和數(shù)值計算。嚴(yán)格來說，任何物理系統(tǒng)的特性都是非線性的。但為了研究問題的方便，許多系統(tǒng)在一定的條件下，一定的范圍內(nèi)，可以近似地看成為線性系統(tǒng)來加以分析研究，其誤差往往在工業(yè)生產(chǎn)允許的范圍之內(nèi)。1.2.5其它分類方法

自動控制系統(tǒng)還有其他的分類方法:(1)按系統(tǒng)的輸入/輸出信號的數(shù)量來分:有單輸入/單輸出系統(tǒng)和多輸入/多輸出系統(tǒng)。(2)按控制系統(tǒng)的功能來分：有溫度控制系統(tǒng)、速度控制系統(tǒng)、位置控制系統(tǒng)等。(3)按系統(tǒng)元件組成來分：有機(jī)電系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、生物系統(tǒng)。(4)按不同的控制理論分支設(shè)計的新型控制系統(tǒng)來分，有最優(yōu)控制系統(tǒng)，自適應(yīng)控制系統(tǒng)，預(yù)測控制系統(tǒng)，模糊控制系統(tǒng)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)等等。一個系統(tǒng)性能將用特定的品質(zhì)指標(biāo)來衡量其優(yōu)劣,如系統(tǒng)的穩(wěn)定特性、動態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)特性。1.3對控制系統(tǒng)的基本要求

當(dāng)自動控制系統(tǒng)受到干擾或者人為要求給定值改變，被控量就會發(fā)生變化，偏離給定值。通過系統(tǒng)的自動控制作用，經(jīng)過一定的過渡過程，被控量又恢復(fù)到原來的穩(wěn)定值或者穩(wěn)定到一個新的給定值。被控量在變化過程中的過渡過程稱為動態(tài)過程（即隨時間而變的過程），被控量處于平衡狀態(tài)稱為靜態(tài)或穩(wěn)態(tài)。

自動控制系統(tǒng)最基本的要求是被控量的穩(wěn)態(tài)誤差（偏差）為零或在允許的范圍內(nèi)。對于一個好的自動控制系統(tǒng)來說，一般要求穩(wěn)態(tài)誤差在被控量額定值的2％～5％之內(nèi)。

圖1-9自動控制系統(tǒng)被控量變化的動態(tài)特性

自動控制系統(tǒng)還應(yīng)滿足動態(tài)過程的性能要求，自動控制系統(tǒng)被控量變化的動態(tài)特性有以下幾種。

(a)單調(diào)過程被控量y(t)單調(diào)變化（即沒有“正，”，“負(fù)”的變化），緩慢地到達(dá)新的平衡狀態(tài)（新的穩(wěn)態(tài)值）。如圖1-9(a)所示，一般這種動態(tài)過程具有較長的動態(tài)過程時間（即到達(dá)新的平衡狀態(tài)所需的時間）。(b)衰減振蕩過程:被控量y(t)的動態(tài)過程是一個振蕩過程，振蕩的幅度不斷地衰減，到過渡過程結(jié)束時，被控量會達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值。這種過程的最大幅度稱為超調(diào)量，如圖1-9（b）所示。

(c)等幅振蕩過程:被控量y(t)的動態(tài)過程是一個持續(xù)等幅振蕩過程，始終不能到達(dá)新的穩(wěn)態(tài)值，如圖1-9（c）所示。這種過程如果振蕩的幅度較大，生產(chǎn)過程不允許，則認(rèn)為是一種不穩(wěn)定的系統(tǒng)，如果振蕩的幅度較小，生產(chǎn)過程可以允許，則認(rèn)為是一種穩(wěn)定的系統(tǒng)。(d)漸擴(kuò)振蕩過程:被控量y(t)的動態(tài)過程不但是一個振蕩過程，而且振蕩的幅值越來越大，以致會大大超過被控量允許的誤差范圍，如圖1-9（d）所示，這是一種典型的不穩(wěn)定過程，設(shè)計自動控制系統(tǒng)要絕對避免產(chǎn)生這種情況。

自動控制系統(tǒng)其動態(tài)過程多屬于圖1-9（b）的情況?？刂葡到y(tǒng)的動態(tài)過程不僅要是穩(wěn)定的，并且希望過渡過程時間（又稱調(diào)整時間）越短越好，振蕩幅度越小越好，衰減得越快越好。綜上所述，對于一個自動控制的性能要求可以概括為三方面：穩(wěn)定性，快速性和準(zhǔn)確性。

(1)穩(wěn)定性。自動控制系統(tǒng)的最基本的要求是系統(tǒng)必須是穩(wěn)定的，不穩(wěn)定的控制系統(tǒng)是不能工作的。

(2)快速性。在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，希望控制過程（過渡過程）進(jìn)行得越快越好，但如果要求過渡過程時間很短，可能使動態(tài)誤差（偏差）過大。合理的設(shè)計應(yīng)該兼顧這兩方面的要求。

(3)準(zhǔn)確性。即要求動態(tài)誤差和穩(wěn)態(tài)誤差都越小越好。當(dāng)與快速性有矛盾時，應(yīng)兼顧這兩方面的要求。2、典型外作用（第三章中介紹