自動(dòng)控制第一章緒論課件

高等數(shù)學(xué)積分變換自動(dòng)控制理論現(xiàn)代控制理論其它專業(yè)課程

1、專業(yè)基礎(chǔ)課，自動(dòng)化專業(yè)承上啟下的課程

2、理論實(shí)踐相結(jié)合理論性非常強(qiáng)，概念多，內(nèi)容多，抽象；實(shí)際應(yīng)用緊密結(jié)合。能為解決實(shí)際控制問(wèn)題提供理論和方法自動(dòng)控制原理的課程特點(diǎn)3、自動(dòng)控制技術(shù)是應(yīng)用非常廣泛的技術(shù)

電機(jī)控制、自動(dòng)化生產(chǎn)線、火炮雷達(dá)控制、家用電器、機(jī)械、冶金、石油、化工、電力電子、航空、航海、航天、核反應(yīng)堆等。1、打好基礎(chǔ)高等數(shù)學(xué)（微積分）、積分變換（拉氏變換）2、做好預(yù)習(xí)3、聽(tīng)好課講課的速度較快、了解課程內(nèi)容掌握基本理論和基本方法4、做好習(xí)題應(yīng)用學(xué)到的基本理論和基本方法解決實(shí)際問(wèn)題本課程學(xué)習(xí)方法第一章緒論1.1引言1.2自動(dòng)控制的基本原理1.3反饋控制系統(tǒng)的組成1.4控制系統(tǒng)的分類1.5控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例三則1.6控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)概述1.7本書(shū)內(nèi)容安排1.8小結(jié)1.1引言刻漏：最初兩個(gè)壺,由上壺滴水到下面的受水壺,液面使浮箭升起以示刻度（即時(shí)間）(圖之右)。這里浮箭可看作是檢測(cè)元件。保持上壺的水位恒定，則是自動(dòng)調(diào)節(jié)的問(wèn)題。用互相銜接的多級(jí)（3～5級(jí)）水壺解決的。蓮華漏(圖之左)由4個(gè)壺組成。平水壺向平水小壺供水，平水小壺上有溢水口，可使多余水泄入減水桶以保持水面恒定。在蓮華漏中還采用一個(gè)浮子式閥門作為自動(dòng)切斷閥。當(dāng)受水壺的水位升至滿刻度時(shí)，浮子式閥門就會(huì)自動(dòng)阻塞上級(jí)平水小壺的出水小孔，切斷水滴。1.1.1自動(dòng)控制理論發(fā)展簡(jiǎn)史遠(yuǎn)古時(shí)期的自動(dòng)裝置(來(lái)自互聯(lián)網(wǎng))1.1引言指南車采用差動(dòng)齒輪的機(jī)械原理：車?yán)锩嫜b有多個(gè)大小不同的齒輪，直行，小輪懸空；轉(zhuǎn)彎上，一邊的小輪在轅、繩、滑輪的作用下降，與車輪和大輪發(fā)生齒和傳動(dòng)。若車子向左轉(zhuǎn)90度，左輪不動(dòng)，右輪要轉(zhuǎn)半周。與右輪相連的小齒輪也就轉(zhuǎn)半周（即轉(zhuǎn)過(guò)12個(gè)齒），經(jīng)過(guò)小平輪傳動(dòng)到大平輪，則大平輪將以相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)12個(gè)齒，即1/4周（90度），仙人在和車一起左轉(zhuǎn)90度時(shí)，又由于齒輪的嚙合傳動(dòng)右轉(zhuǎn)了90度。其他運(yùn)動(dòng)情況的結(jié)果可以類推。仙人指向不變。(來(lái)自互聯(lián)網(wǎng))1.1引言1、用于工業(yè)過(guò)程的自動(dòng)反饋控制器-飛球調(diào)速器1769瓦特發(fā)明了飛球調(diào)速器，用來(lái)與蒸汽機(jī)的進(jìn)氣閥連接構(gòu)成蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)。2、動(dòng)態(tài)特性研究的開(kāi)始：英國(guó)劍橋大學(xué)的數(shù)學(xué)和天文學(xué)家艾里在1829-1835系統(tǒng)研究了天文望遠(yuǎn)鏡的速度控制，根據(jù)倒立擺離心力的原理首次發(fā)現(xiàn)了反饋系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，并利用微分方程分析了這種系統(tǒng)。近代控制理論的逐步形成和發(fā)展瓦特改良的蒸汽機(jī)艾里瓦特1.1引言3、反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題的研究：1868英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋發(fā)表了“論調(diào)速器”的論文，首次論述該問(wèn)題。二三階系統(tǒng)的穩(wěn)定判據(jù)。1895英國(guó)勞斯判據(jù)和德國(guó)數(shù)學(xué)家赫爾維茨的代數(shù)穩(wěn)定條件；1893李雅普諾夫基于非線性運(yùn)動(dòng)的一般運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定問(wèn)題。4、反饋控制系統(tǒng)的頻率特性研究：20世紀(jì)20年代，電子管放大器的出現(xiàn)，研究如何減少放大倍數(shù)增大而導(dǎo)致信號(hào)失真的問(wèn)題。美國(guó)貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家本逐步建立了反饋控制系統(tǒng)的頻率特性分析方法。李雅普諾夫1.1引言5、積分和微分控制的思想：1922年俄裔美國(guó)工程師米諾斯基分析了船舶駕駛控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。6、1934年美國(guó)麻省理工的赫曾教創(chuàng)立了伺服控制理論，首次提出軌跡跟蹤在反饋控制中的重要性；7、1936年英國(guó)工程師考倫德：溫度控制系統(tǒng)的PID控制器；8、1942年美國(guó)工程師：PID參數(shù)整定準(zhǔn)則，至今仍適用；9、二戰(zhàn)期間及戰(zhàn)后10年：控制系統(tǒng)的圖解分析法和根軌跡綜合法，創(chuàng)立根軌跡法的完整理論?，F(xiàn)代PID控制器1.1引言1.1.2控制工程實(shí)踐自動(dòng)化的核心是控制與系統(tǒng)，控制工程實(shí)踐是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的手段。自動(dòng)化最早出現(xiàn)在汽車工業(yè)，其初始概念是指在工業(yè)生產(chǎn)（加工、制造等）過(guò)程中采用自動(dòng)控制代替人工控制。1947年美國(guó)福特公司正式使用自動(dòng)化一詞，其含義是指加工采用連續(xù)方式，生產(chǎn)過(guò)程流水式的自動(dòng)進(jìn)行。從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，我國(guó)通過(guò)陸續(xù)引進(jìn)國(guó)外成套自動(dòng)化生產(chǎn)線，我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)逐步從局部自動(dòng)化，發(fā)展成今天的全方位、全流程的綜合自動(dòng)化。我國(guó)的自動(dòng)化學(xué)術(shù)組織：中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)，1961年成立，第一屆理事長(zhǎng)錢學(xué)森院士。1.2.1人工控制與自動(dòng)控制人工控制：人工控制是人工操作實(shí)現(xiàn)：測(cè)量、求誤差、控制、再測(cè)量、再求誤差、再控制的循環(huán)過(guò)程。1.2自動(dòng)控制的基本原理1)操作員將期望的液位值(即水位高度)記在大腦中；2)操作員用眼讀取實(shí)際液位值；3)操作員將液位期望值與實(shí)際值比較得出偏差值；4)操作員根據(jù)偏差的大小和性質(zhì)（正負(fù)性），決定如何通過(guò)用手打開(kāi)或關(guān)閉閥門的方式來(lái)調(diào)節(jié)經(jīng)過(guò)閥門的水量大小，達(dá)到維持液位恒定的控制目標(biāo)。自動(dòng)控制：沒(méi)有人直接參與，利用自動(dòng)控制裝置，使工作機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)地按照預(yù)定規(guī)律運(yùn)行或使某些物理量按預(yù)定要求變化。1.2自動(dòng)控制的基本原理連桿的長(zhǎng)度人的大腦記下期望液位浮子人的眼睛實(shí)際液位浮子和連桿人的大腦計(jì)算偏差杠桿機(jī)構(gòu)的另一端人的大腦和手判斷偏差大小和性質(zhì)，帶動(dòng)水閥動(dòng)作，調(diào)節(jié)水量大小自動(dòng)控制人工控制1.2自動(dòng)控制的基本原理1.2.2開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)：系統(tǒng)的輸入與輸出之間只有前向的信號(hào)傳遞，而沒(méi)有反向的信號(hào)回傳。缺點(diǎn)：開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的控制精度和抑制干擾能力較差。Mc恒定：ur,ua,nur,ua,nur恒定：Mc,nMc,n1.2自動(dòng)控制的基本原理反饋：系統(tǒng)從輸出到輸入的反向信息傳遞，這種反向信息傳遞稱為反饋。閉環(huán)控制系統(tǒng)：具有反饋的系統(tǒng)因信息在系統(tǒng)內(nèi)的傳遞形成了閉合環(huán)路。稱為閉環(huán)系統(tǒng)。Mc恒定：ur,ueu1ua,n,

uf,ue,u1ua,nur恒定：Mc,nuf,ue,u1ua,n開(kāi)環(huán)：?jiǎn)蜗蚩刂?，輸入和輸出間沒(méi)有聯(lián)系，系統(tǒng)輸入與輸出間沒(méi)有反饋回路。但受外界干擾小時(shí)，仍被大量使用。閉環(huán)：將輸出量返回到輸入端，形成偏差，基于偏差產(chǎn)生控制以減少或消除偏差。相對(duì)來(lái)看，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本增加、存在穩(wěn)定性問(wèn)題，但具有開(kāi)環(huán)控制無(wú)法替代的自動(dòng)糾偏功能和較高控制精度。1.2自動(dòng)控制的基本原理1.2自動(dòng)控制的基本原理2．快速性快速性主要是用時(shí)間衡量一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)對(duì)平衡狀態(tài)的恢復(fù)或跟隨的速度。影響系統(tǒng)平衡狀態(tài)的因素：擾動(dòng)使系統(tǒng)偏離平衡，因控制任務(wù)的需要而改變系統(tǒng)的平衡狀態(tài)。過(guò)渡過(guò)程越短，說(shuō)明系統(tǒng)恢復(fù)平衡或跟隨新的平衡狀態(tài)的能力越強(qiáng)，快速性就越好。3．準(zhǔn)確性過(guò)渡過(guò)程結(jié)束后系統(tǒng)就進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，此時(shí)系統(tǒng)輸出量的期望值與實(shí)際值之差稱為穩(wěn)態(tài)誤差。穩(wěn)態(tài)誤差越小，控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度越高。無(wú)差系統(tǒng)、有差系統(tǒng)。1.2自動(dòng)控制的基本原理

上述穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性三個(gè)方面往往是相互制約的。穩(wěn)定裕度過(guò)大可能引起系統(tǒng)的快速性變差、過(guò)渡過(guò)程變長(zhǎng)；而單純追求快速性，則可能加劇振蕩，甚至引起不穩(wěn)定。1.3反饋控制系統(tǒng)的組成1.3.1按構(gòu)成系統(tǒng)的基本元件劃分測(cè)量元件：測(cè)量系統(tǒng)的輸出量，量綱轉(zhuǎn)換。如：熱電偶、各種傳感器，對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。比較元件：形成參考輸入信號(hào)與測(cè)量反饋信號(hào)的偏差。如：反向放大器、中位器連接電路等。放大元件：對(duì)信號(hào)進(jìn)行線性放大或提供功率放大。多級(jí)放大。如：電壓放大器等。1.3反饋控制系統(tǒng)的組成1.3.2按系統(tǒng)內(nèi)部基本功能環(huán)節(jié)劃分

傳感器：功能是感受被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用的信號(hào)。當(dāng)傳感器的輸出信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)時(shí)，則稱其為變送器?？刂破鳎寒a(chǎn)生供執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行的控制信號(hào)；執(zhí)行機(jī)構(gòu)：根據(jù)控制器發(fā)出的命令去控制或調(diào)節(jié)被控過(guò)程；被控對(duì)象：描述系統(tǒng)從控制變量到被控變量之間的被控過(guò)程。廣義被控對(duì)象：執(zhí)行機(jī)構(gòu)+被控對(duì)象控制變量：可以是任何描述被控過(guò)程控制輸入的物理量廣義被控對(duì)象的控制變量：控制信號(hào)常是電信號(hào)，電壓或電流1.3反饋控制系統(tǒng)的組成1.3.3若干常用術(shù)語(yǔ)控制系統(tǒng)由被控對(duì)象和控制器等內(nèi)部基本功能環(huán)節(jié)按一定的結(jié)構(gòu)方式聯(lián)接，為完成某種控制任務(wù)而組成的一個(gè)有機(jī)整體輸入信號(hào)：系統(tǒng)外部輸入的信號(hào)，也稱輸入量，如參考輸入，外部干擾輸入，其中參考輸入也稱為給定量（值），它是控制系統(tǒng)被控變量的反饋信號(hào)需保持或跟隨的指令輸入。輸出信號(hào)：系統(tǒng)向外部輸出的信號(hào)，也稱輸出量，在單輸出系統(tǒng)中，系統(tǒng)的輸出信號(hào)就是被控對(duì)象的被控變量。1.3反饋控制系統(tǒng)的組成擾動(dòng)信號(hào)：擾動(dòng)可以是小的波動(dòng)，也可以是大的波動(dòng)，擾動(dòng)信號(hào)也稱為干擾信號(hào)。擾動(dòng)在系統(tǒng)的方塊圖中屬于外部輸入。反饋信號(hào)：指對(duì)被控變量測(cè)量取出的、經(jīng)過(guò)必要的量綱轉(zhuǎn)換后反向回送到輸入端的信號(hào)。偏差信號(hào)：指參考輸入信號(hào)與反饋信號(hào)之差。誤差信號(hào)：指系統(tǒng)輸出量的期望值與實(shí)際值之差。由于偏差信號(hào)與誤差信號(hào)之間存在確定對(duì)應(yīng)關(guān)系，故兩者經(jīng)過(guò)量綱換算是等價(jià)的。本書(shū)中誤差信號(hào)采用在輸入端的定義，因此，若不加說(shuō)明誤差信號(hào)即指偏差信號(hào)。1.3反饋控制系統(tǒng)的組成分析：把研究對(duì)象分成較簡(jiǎn)單的組成部分，找出這些部分的本質(zhì)屬性和彼此之間的關(guān)系?？刂葡到y(tǒng)的分析是一種動(dòng)態(tài)分析，即視研究對(duì)象為演化的系統(tǒng)。一般是先建立描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型，這樣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)已確定，而結(jié)構(gòu)參數(shù)或參數(shù)范圍已確定，然后采用數(shù)學(xué)工具作為主要手段對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行分析。

綜合：綜合是分析的反義詞。一般地說(shuō)，綜合就是將已有的關(guān)于研究對(duì)象各個(gè)部分的認(rèn)識(shí)聯(lián)結(jié)起來(lái)，形成對(duì)研究對(duì)象的統(tǒng)一整體認(rèn)識(shí)?？刂葡到y(tǒng)的綜合是指根據(jù)一定任務(wù)，利用系統(tǒng)分析的真知灼見(jiàn)，找出能夠滿足性能指標(biāo)的控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)和參數(shù)配置。反饋控制系統(tǒng)中，當(dāng)被控對(duì)象，執(zhí)行機(jī)構(gòu)和傳感器確定后，控制系統(tǒng)的綜合主要是建立控制器數(shù)學(xué)模型，解決控制器參數(shù)配置或者參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題，以滿足整個(gè)控制系統(tǒng)的定量性能指標(biāo)。1.3反饋控制系統(tǒng)的組成校正：在形成基本的控制系統(tǒng)或者確定了廣義控制對(duì)象和相應(yīng)的傳感器數(shù)學(xué)模型之后，基于經(jīng)典控制理論所進(jìn)行的校正裝置設(shè)計(jì)工作。設(shè)計(jì)：指控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)而非工程設(shè)計(jì)。控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就是針對(duì)一個(gè)給定的控制任務(wù)，利用控制系統(tǒng)的分析與綜合方法，通過(guò)一系列反復(fù)的選擇、評(píng)判和優(yōu)化，完成構(gòu)造一個(gè)控制系統(tǒng)的逐步試探過(guò)程。1.4自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類1.4.1按參考輸入信號(hào)特征分類

1．恒值控制系統(tǒng)

參考輸入信號(hào)為恒定值，控制系統(tǒng)的任務(wù)就是保持某個(gè)被控量為一個(gè)給定的期望恒值上。如：溫度、水位控制等。2．隨動(dòng)控制系統(tǒng)

隨動(dòng)控制系統(tǒng)一般習(xí)慣稱為隨動(dòng)系統(tǒng)或伺服系統(tǒng)。此類系統(tǒng)的參考輸入信號(hào)是預(yù)先未知的隨時(shí)間變化的任意函數(shù)。隨動(dòng)系統(tǒng)的任務(wù)就是使系統(tǒng)的被控量以一定精度跟隨參考輸入信號(hào)的變化。如：高射炮隨動(dòng)系統(tǒng)。1.4自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類3．程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)的參考輸入信號(hào)是預(yù)先設(shè)定的函數(shù)曲線。如：熱處理爐溫度的升溫、保溫和降溫過(guò)程的控制，生產(chǎn)過(guò)程中的化學(xué)反應(yīng)器開(kāi)停車過(guò)程中的升溫、保溫和降溫曲線控制。溫度上升預(yù)定曲線1.4自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類1.4.2按系統(tǒng)環(huán)節(jié)間信號(hào)傳遞形式分類1．連續(xù)系統(tǒng)：信號(hào)傳遞均為時(shí)間的連續(xù)函數(shù)2．離散系統(tǒng)：至少一個(gè)信號(hào)傳遞為脈沖序列或數(shù)字編碼形式

3．網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)：典型的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)是指控制器到執(zhí)行器以及傳感器到控制器之間的信號(hào)傳遞是通過(guò)數(shù)據(jù)包計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)。采樣過(guò)程1.4自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類1.4.3按描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)方程分類1．線性系統(tǒng)：可以采用線性微分方程來(lái)描述的系統(tǒng)2．非線性系統(tǒng)：非線性系統(tǒng)中一般均包含非線性元件3．定常系統(tǒng)：系統(tǒng)中不含參數(shù)隨時(shí)間變化的元件4．時(shí)變系統(tǒng)：系統(tǒng)中含參數(shù)隨時(shí)間變化的元件1.5控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例三則工作原理：蒸汽機(jī)帶動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)圓錐齒輪減速帶動(dòng)一對(duì)飛錘作水平旋轉(zhuǎn)飛錘通過(guò)鉸鏈帶動(dòng)套筒上、下滑動(dòng)撥動(dòng)杠桿的一端杠桿另一端通過(guò)連桿調(diào)節(jié)供汽閥門的開(kāi)度

蒸汽機(jī)：蒸汽機(jī)的轉(zhuǎn)速保持在期望值附近

平衡：飛錘旋轉(zhuǎn)，套筒保持某高度，閥門處于一個(gè)平衡位置當(dāng)出現(xiàn)不平衡時(shí)：負(fù)載,轉(zhuǎn)速，圓錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng),飛錘速度,套筒位置,杠桿右端,蒸汽閥門，轉(zhuǎn)速。負(fù)載,轉(zhuǎn)速，圓錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng),飛錘速度,套筒位置,杠桿右端,蒸汽閥門，轉(zhuǎn)速。1.5控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例三則加熱爐溫度控制系統(tǒng)保持爐溫T恒定：由于擾動(dòng)，當(dāng)爐溫T，uf

,ue,u1,ua,加熱電阻絲電壓

,T.1.5控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例三則角位置隨動(dòng)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)負(fù)載的角位置o快速跟隨期望角位置i:i，ur,

ur

-uf=ue,u1,ua,o.1.6控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述1.7本書(shū)內(nèi)容安排第一部分：反饋控制系統(tǒng)的建模、穩(wěn)定性與特性1全書(shū)緒論：控制理論發(fā)展簡(jiǎn)史、自控系統(tǒng)基本原理、類別、對(duì)控制系統(tǒng)的要求(穩(wěn)快準(zhǔn))、設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的基本步驟；2建立控制系統(tǒng)的微分方程模型、傳遞函數(shù)、結(jié)構(gòu)圖、信號(hào)流圖、幾種模型