自動控制原理(馮巧玲)第一章

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

1、是一門專業(yè)基礎課

2、理論實踐相結(jié)合理論性非常強,但又和實際應用緊密結(jié)合

3、內(nèi)容廣泛自動控制理論課程特點現(xiàn)在是1頁\一共有54頁\編輯于星期三學習自動控制理論的重要性3、本課程能為解決實際控制問題提供理論和方法1、本課程是自動化專業(yè)承上啟下的課程2、自動控制技術是應用非常廣泛的技術

電機控制、自動化生產(chǎn)線、火炮雷達控制、家用電器、機械、冶金、石油、化工、電力電子、航空、航海、航天、核反應堆等。4、學分較多現(xiàn)在是2頁\一共有54頁\編輯于星期三本課程學習方法1、打好基礎高等數(shù)學（微積分）、積分變換（拉氏變換）2、做好預習3、聽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、做好習題應用學到的基本理論和基本方法解決實際問題現(xiàn)在是3頁\一共有54頁\編輯于星期三第一章自動控制概論1.1引言1.2自動控制系統(tǒng)組成和原理框圖1.3自動控制系統(tǒng)的分類1.4對控制系統(tǒng)的基本要求現(xiàn)在是4頁\一共有54頁\編輯于星期三§1.1引言現(xiàn)在是5頁\一共有54頁\編輯于星期三現(xiàn)在是6頁\一共有54頁\編輯于星期三現(xiàn)在是7頁\一共有54頁\編輯于星期三現(xiàn)在是8頁\一共有54頁\編輯于星期三現(xiàn)在是9頁\一共有54頁\編輯于星期三自動控制：1.1.1自動控制理論及應用在無人直接參與的情況下，利用控制裝置，使工作機械、或生產(chǎn)過程（被控對象）的某一個物理量（被控量）按預定的規(guī)律（給定量）運行。自動控制系統(tǒng)：

指能夠?qū)Ρ豢貙ο蟮墓ぷ鳡顟B(tài)自動控制的系統(tǒng),它

由被控對象和控制裝置組成1.1引言動畫1動畫2現(xiàn)在是10頁\一共有54頁\編輯于星期三房間交換設備壓縮機控制板傳感器控制對象執(zhí)行機構(gòu)測量元件控制單元一、舉例：家用空調(diào)控制器控制系統(tǒng)功能：房間溫度控制在人體比較舒適的范圍（對象、物理量、控制設備）系統(tǒng)組成：現(xiàn)在是11頁\一共有54頁\編輯于星期三溫度設定比較單元控制單元執(zhí)行機構(gòu)控制對象測量元件控制器控制對象反饋比較控制指令家用空調(diào)系統(tǒng)框圖的簡化現(xiàn)在是12頁\一共有54頁\編輯于星期三1.1.2自動控制理論發(fā)展簡史現(xiàn)在是13頁\一共有54頁\編輯于星期三1.1.2自動控制理論發(fā)展簡史現(xiàn)在是14頁\一共有54頁\編輯于星期三現(xiàn)在是15頁\一共有54頁\編輯于星期三1.1.2自動控制理論發(fā)展簡史經(jīng)典控制理論(19世紀初)時域法復域法(根軌跡法)

頻域法

現(xiàn)代控制理論(20世紀60年代)

線性系統(tǒng)自適應控制最優(yōu)控制魯棒控制最佳估計容錯控制系統(tǒng)辨識集散控制大系統(tǒng)復雜系統(tǒng)智能控制理論(20世紀70年代)專家系統(tǒng)模糊控制神經(jīng)網(wǎng)絡遺傳算法

現(xiàn)在是16頁\一共有54頁\編輯于星期三1.2.1控制系統(tǒng)的組成

被控對象控制系統(tǒng)測量元件比較元件

控制裝置

放大元件執(zhí)行機構(gòu)

校正裝置

給定元件現(xiàn)在是17頁\一共有54頁\編輯于星期三1.2.2控制系統(tǒng)的原理框圖現(xiàn)在是18頁\一共有54頁\編輯于星期三現(xiàn)在是19頁\一共有54頁\編輯于星期三方框圖中各符號的意義元部件方框（塊）圖信號（物理量）及傳遞方向中的符號比較點引出點表示負反饋現(xiàn)在是20頁\一共有54頁\編輯于星期三現(xiàn)在是21頁\一共有54頁\編輯于星期三現(xiàn)在是22頁\一共有54頁\編輯于星期三分類運動控制系統(tǒng)過程控制系統(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)單輸入單輸出/多輸入多輸出系統(tǒng)集中參數(shù)/分布參數(shù)系統(tǒng)按被控對象分按使用的數(shù)學方法分按輸入信號特征分按系統(tǒng)功用分恒值系統(tǒng)隨動系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)按控制方式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)控制復合控制：閉環(huán)反饋為主，開環(huán)補償為輔溫度控制系統(tǒng)壓力控制系統(tǒng)位置控制系統(tǒng)1.3自動控制系統(tǒng)的分類現(xiàn)在是23頁\一共有54頁\編輯于星期三控制裝置與受控對象之間只有正向作用，沒有反向聯(lián)系；控制精度取決于元器件的精度和系統(tǒng)調(diào)整精度；沒有抑制內(nèi)、外干擾的能力；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低。1.3自動控制系統(tǒng)的分類

1.3.1按自動控制方式分類1.開環(huán)控制系統(tǒng)現(xiàn)在是24頁\一共有54頁\編輯于星期三1.3自動控制系統(tǒng)的分類1.3.1按自動控制方式分類1.開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)是指控制裝置與被控對象之間只有順向作用，而沒有反向聯(lián)系的控制過程。

圖1-1是典型的開環(huán)數(shù)控機床系統(tǒng)。數(shù)控機床是一種利用數(shù)控技術，準確地按照事先安排的工藝流程，實現(xiàn)規(guī)定加工動作的金屬切削機床。系統(tǒng)由輸入量、控制裝置、執(zhí)行機構(gòu)、被控對象及輸出量組成。輸入量作用于系統(tǒng)的輸入端，它的作用是在數(shù)控機床加工工件時，把根據(jù)該工件的尺寸、形狀和技術條件編出的加工程序輸入計算機控制裝置。計算機控制裝置經(jīng)過運算、處理后，發(fā)出指令脈沖(又稱進給脈沖)，經(jīng)驅(qū)動電路放大后，驅(qū)動步進電機。步進電機為該系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)(又稱返回上頁下頁圖庫現(xiàn)在是25頁\一共有54頁\編輯于星期三

按自動控制方式分類伺服系統(tǒng)）。一個進給脈沖使步進電機轉(zhuǎn)動一個角度，通過齒輪絲杠傳動使工作臺移動一定距離。系統(tǒng)的被控對象是工作臺，被控量是工作臺位移。工作臺的位移量與步進電動機轉(zhuǎn)動角位移成正比，改變進給脈沖的數(shù)目和頻率，就可以控制工作臺的位移和速度。此系統(tǒng)中沒有檢測裝置，指令信號單方向傳遞，并且指令發(fā)出后，不再反饋回來。如果系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化，或受到擾動的影響，系統(tǒng)的輸出量(即被控量)就會出現(xiàn)誤差，而開環(huán)系統(tǒng)對這種誤差是無能為力的。所以，開環(huán)控制精度不是很高。但它結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便、容易維修、成本較低，而且不會出現(xiàn)不穩(wěn)定問題。目前國內(nèi)大力發(fā)展的經(jīng)濟型數(shù)控機床，普遍采用開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。2.

閉環(huán)控制系統(tǒng)

開環(huán)控制系統(tǒng)的控制精度不高，主要是沒有檢測工作臺移動的實際位置，也就沒有糾正實際偏差的能力。圖1-2是閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖，安裝在工作臺上的檢測元件將工作臺實際位移量反饋到計算機中與所要求返回上頁下頁圖庫現(xiàn)在是26頁\一共有54頁\編輯于星期三按自動控制方式分類的位置指令進行比較，用比較的差值送給控制電路進行控制直到差值消除為止。從而使加工精度大大提高。速度檢測元件的作用是將伺服電機的實際轉(zhuǎn)速變換成電信號送到速度控制電路中，進行反饋校正，以保證電機轉(zhuǎn)速保持恒定不變。常用速度檢測元件是與電機同軸的測速發(fā)電機。閉環(huán)控制的特點是加工精度高，移動速度快。這類數(shù)控機床采用直流伺服電機或交流伺服電機作為驅(qū)動元件，電機的控制電路比較復雜，檢測元件價格昂貴，因此調(diào)試和維修比較復雜。總之，閉環(huán)控制是在控制器與被控對象之間，不僅存在著正向作用，而且存在著反饋作用，即系統(tǒng)的輸出信號對控制量有直接的影響。將檢測出來的輸出信號送回系統(tǒng)的輸入端，并與輸入信號比較的過程稱為反饋。若反饋信號與輸入信號相減則稱為負反饋，若相加，則稱為正反饋。輸入信號與反饋信號之差，稱為偏差信號。偏差信號作用于控制器上，使系統(tǒng)的輸出信號趨向于希望的數(shù)值。閉環(huán)控制的實質(zhì)，就是利用負反饋的作用來減小系統(tǒng)誤差，因此閉環(huán)控制又稱為反饋控制。返回上頁下頁圖庫現(xiàn)在是27頁\一共有54頁\編輯于星期三閉環(huán)控制系統(tǒng)負反饋原理__將系統(tǒng)的輸出信號引回輸入端，與輸入信號比較，利用所得的偏差信號進行控制，達到減小偏差、消除偏差的目的。

____構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)的核心

閉環(huán)(反饋)控制系統(tǒng)的特點：

(1)系統(tǒng)內(nèi)部存在反饋，信號流動構(gòu)成閉回路(2)偏差起調(diào)節(jié)作用

現(xiàn)在是28頁\一共有54頁\編輯于星期三例1爐溫控制系統(tǒng)現(xiàn)在是29頁\一共有54頁\編輯于星期三爐溫控制系統(tǒng)方框圖爐溫控制系統(tǒng)方框圖現(xiàn)在是30頁\一共有54頁\編輯于星期三(-)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+電動機轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)現(xiàn)在是31頁\一共有54頁\編輯于星期三例函數(shù)記錄儀現(xiàn)在是32頁\一共有54頁\編輯于星期三函數(shù)記錄儀方框圖

動畫現(xiàn)在是33頁\一共有54頁\編輯于星期三閉控制系統(tǒng)的特點既有正向作用，又有反饋作用控制精度與元件精度、控制方法、調(diào)整精度有關，控制精度較高；有抑制干擾的能力；結(jié)構(gòu)復雜，成本相對較高?，F(xiàn)在是34頁\一共有54頁\編輯于星期三負反饋原理

將系統(tǒng)的輸出信號引回輸入端，與輸入信號相比較，利用所得的偏差信號進行控制，達到減小偏差、消除偏差的目的。____構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)的核心

閉環(huán)(反饋)控制系統(tǒng)的特點：(1)系統(tǒng)內(nèi)部存在反饋，信號流動構(gòu)成閉回路(2)偏差起調(diào)節(jié)作用現(xiàn)在是35頁\一共有54頁\編輯于星期三按自動控制方式分類3.

復合式控制系統(tǒng)

當生產(chǎn)機構(gòu)對自動控制系統(tǒng)提出很高的要求時，單獨采用開環(huán)控制或者閉環(huán)控制都是有困難的。這時，可以設計一種開環(huán)控制和閉環(huán)控制相結(jié)合的復合控制系統(tǒng)，如圖1-3所示。圖中圓圈代表比較器；負號代表負反饋。在這種系統(tǒng)中，帶有負反饋的閉環(huán)起主要調(diào)節(jié)作用。開環(huán)系統(tǒng)可以按輸入量進行控制或按擾動量進行控制（當擾動量可測量時）。圖1-3復合式控制典型方框圖開環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)返回上頁下頁圖庫爐溫開環(huán)控制現(xiàn)在是36頁\一共有54頁\編輯于星期三復合控制系統(tǒng)對系統(tǒng)提出較高要求時使用開環(huán)控制和閉環(huán)控制的組合有兩種形式(1)按輸入作用補償(2)按擾動作用補償

現(xiàn)在是37頁\一共有54頁\編輯于星期三udoMRiugutTG(a)原理圖

負載放大器

放大器+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)器電動機轉(zhuǎn)速復合控制系統(tǒng)按干擾作用補償現(xiàn)在是38頁\一共有54頁\編輯于星期三按偏差作用補償熱處理爐溫度控制系統(tǒng)ugTiΔu(-)ufQTo

給定裝置

放大器

電動機、傳動裝置和閥門

熱處理爐

放大器熱電偶(b)方框圖(a)原理圖MΔuufug

給定電位計+-

電動機煤氣空氣閥門熱處理爐工件熱電偶放大器混合器放大器uaQTo現(xiàn)在是39頁\一共有54頁\編輯于星期三復合控制系統(tǒng)典型方框圖控制裝置被控對象測量裝置補償裝置(-)輸入信號輸出信號擾動(b)按擾動作用補償被控量輸入信號(-)補償裝置控制裝置受控對象(a)按輸入作用補償現(xiàn)在是40頁\一共有54頁\編輯于星期三1.3.2按輸入信號特征分類1.恒值控制系統(tǒng)

當控制系統(tǒng)的任務是當輸入量為給定量時，能克服擾動量對系統(tǒng)的影響，使輸出量為對應于輸入量的恒定值，把這種控制系統(tǒng)稱為恒值控制系統(tǒng)。如圖1-4所示為電動機轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制系統(tǒng)，當給定電位器滑動端位置一定時，電動機和生產(chǎn)機構(gòu)就獲得了相應的轉(zhuǎn)速。這時，如果系統(tǒng)產(chǎn)生擾動，如負載增大，電動機轉(zhuǎn)速就會降低，與電動機同軸的測速發(fā)電機的輸出電壓跟著降低。由于放大器的輸入電壓等于給定電壓與發(fā)電機反饋電壓之差，所以放大器的輸入電壓和輸出電壓都會升高，使電動機轉(zhuǎn)速升高，回到希望值附近。反之，若負載變小，電動機轉(zhuǎn)速升高，測速發(fā)電機電壓變大，放大器輸入電壓變小，使電動機轉(zhuǎn)速降低。除了負載擾動外，從輸入到輸出的通道內(nèi)，不管是元件參數(shù)變化，還是電壓波動等任何原因引起的轉(zhuǎn)速偏離期望值，控制系統(tǒng)都能自動修正偏差。返回上頁下頁圖庫現(xiàn)在是41頁\一共有54頁\編輯于星期三

電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的方框圖，如圖1-5所示：

2.隨動系統(tǒng)

如果輸入信號為預先未知的隨時間任意變化的函數(shù)，要求輸出量精確地、快速地跟隨輸入信號，則這類系統(tǒng)稱為隨動系統(tǒng)。隨動系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)和國防建設中有著極為廣泛的應用，如火炮控制系統(tǒng)、雷達跟蹤系統(tǒng)、函數(shù)記錄儀、艦船操舵系統(tǒng)等都是典型的隨動系統(tǒng)。

圖1-6為火炮控制系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中，當輸入一個角度時，如果輸出角度與輸入角度不同，則同位儀檢測裝置輸出一個偏差信號到控制與放大器的輸入端，其輸出端輸出一個相應的電壓，致使直流電動機帶動炮架轉(zhuǎn)動。與此同時，又把炮架的位置反饋到同位儀檢測裝置，直至輸出角度與輸入角度相等，放大器的輸入、輸出為零，電動機停止旋轉(zhuǎn)，炮架也就被控制轉(zhuǎn)動到了給定的角度。火炮跟蹤系統(tǒng)框圖，如圖1-7所示。返回上頁下頁圖庫現(xiàn)在是42頁\一共有54頁\編輯于星期三

3.程序控制系統(tǒng)如果系統(tǒng)的輸入量按既定規(guī)律變化，系統(tǒng)的控制過程按預定的程序進行，則這類系統(tǒng)稱為程序控制系統(tǒng)。如前面講到的數(shù)控機床控制系統(tǒng)，輸入命令是根據(jù)加工工藝事先編制好的。

恒值控制系統(tǒng)隨動系統(tǒng)返回上頁下頁圖庫現(xiàn)在是43頁\一共有54頁\編輯于星期三1.3.3按使用的數(shù)學方法分類連續(xù)系統(tǒng)/離散系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)系統(tǒng)傳遞的信號為時間的連續(xù)函數(shù)，用微分方程描述。離散系統(tǒng)

信號傳遞中至少有一處信號是脈沖序列或數(shù)字編碼。用差分方程描述?，F(xiàn)在是44頁\一共有54頁\編輯于星期三線性系統(tǒng)/非線性系統(tǒng)

線性系統(tǒng)用線性微分方程或差分方程描述，滿足疊加原理。疊加原理包括疊加性和齊次性。非線性系統(tǒng)用非線性微分方程或差分方程描述。特點是，方程中含有變量及其導數(shù)的高次冪或乘積項，不滿足疊加原理。（第七章介紹）例如現(xiàn)在是45頁\一共有54頁\編輯于星期三定常系統(tǒng)/時變系統(tǒng)

定常系統(tǒng)：

描述系統(tǒng)的數(shù)學方程中的系數(shù)為常數(shù)；定常系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)不隨時間變化。

時變系統(tǒng):

描述系統(tǒng)的數(shù)學方程中的系數(shù)隨時間變化?，F(xiàn)在是46頁\一共有54頁\編輯于星期三單輸入單輸出系統(tǒng)

輸入輸出信號變量僅有一個。多輸入多輸出系統(tǒng)

輸入輸出信號變量多于一個。集中參數(shù)/和分布參數(shù)集中參數(shù)系統(tǒng)能用常微分方程描述的系統(tǒng)。分布參數(shù)系統(tǒng)至少有一個環(huán)節(jié)需要用偏微分方程描述的系統(tǒng)。單輸入單輸出/多輸入多輸出系統(tǒng)

現(xiàn)在是47頁\一共有54頁\編輯于星期三1.4對自動控制系統(tǒng)的基本要求1.穩(wěn)：（基本要求）

要求系統(tǒng)穩(wěn)定

2.準：（穩(wěn)態(tài)要求）

系統(tǒng)響應達到穩(wěn)態(tài)時，輸出跟蹤精度要高3.快：（動態(tài)要求）

系統(tǒng)階躍響應的過渡過程要平穩(wěn)，

快速現(xiàn)在是48頁\一共有54頁\