第一章自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念

第一章自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念第一頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期四內(nèi)容提要：自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念(2)線性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型(8)控制系統(tǒng)的時(shí)域分析法(8+2)控制系統(tǒng)的根軌跡分析法(8+2)控制系統(tǒng)的頻率特性分析法(8+2)線性離散控制系統(tǒng)的分析(6)第二頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期四

第一章自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念

概述自動(dòng)控制的基本方式閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類對控制系統(tǒng)的基本要求本章小結(jié)本章主要內(nèi)容：第三頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期四概述：自動(dòng)控制技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防和科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化中起著十分重要的作用，它反映了一個(gè)國家科學(xué)技術(shù)先進(jìn)與否的重要標(biāo)志之一。自動(dòng)控制原理是自動(dòng)控制技術(shù)的基礎(chǔ)理論，是研究自動(dòng)控制共同規(guī)律的理論性較強(qiáng)的一門技術(shù)科學(xué)。自動(dòng)控制裝置可追溯到公元三世紀(jì)，古希臘特西比奧斯（Ktesibios)發(fā)明的滴水時(shí)鐘。1770年瓦特（Watt)發(fā)明的蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)離心式調(diào)速機(jī)構(gòu)，也是一個(gè)反饋系統(tǒng)。但是控制理論的產(chǎn)生和發(fā)展還是在近代。1868年麥克斯韋威爾(Maxwell)才發(fā)表了“論調(diào)節(jié)器”一文，之后霍爾維茨、勞斯等提出了幾個(gè)重要的穩(wěn)定性判據(jù)第四頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期四1934年赫茨（Hazen)發(fā)表了具有歷史意義的著作《伺服機(jī)構(gòu)理論》，第一次提出了控制系統(tǒng)的精確理論。其后，Nyquist、Bode等也作出了重要貢獻(xiàn)，從而形成了經(jīng)典控制理論，即第一代控制理論。它主要以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，研究單輸入、單輸出線性定常系統(tǒng)的控制問題。為了突破經(jīng)典控制理論的局限性，從60年代開始，提出了現(xiàn)代控制理論。它以狀態(tài)方程為基礎(chǔ)，研究多輸入、多輸出、變參數(shù)系統(tǒng)的控制問題。本課程主要介紹經(jīng)典控制理論的基本概念、基本原理、基本方法等。第五頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期四第六頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期四第七頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期四1、控制系統(tǒng)的工作原理：自動(dòng)控制是相對于人工控制而言的。讓我們以人工控制系統(tǒng)為例，分析人工控制系統(tǒng)工作過程。人工控制無論是在速度還是在精度上都是有限的，為了提高精度，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，可以采用自動(dòng)控制系統(tǒng)。第一節(jié)自動(dòng)控制的基本方式第八頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期四（1）用眼觀察溫度計(jì)的指示值；人工控制過程：（2）將觀察值與要求值進(jìn)行比較，得出偏差的大小和方向，并傳遞給大腦；（3）大腦根據(jù)偏差的大小和方向，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)決定開關(guān)閥門開度的大小和方向，并指令手去執(zhí)行；（4）手根據(jù)大腦的指令去執(zhí)行控制閥門的動(dòng)作。第九頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期四自動(dòng)控制過程：（1）由測溫度元件熱電阻測的出口物料的溫度，并轉(zhuǎn)換成電信號，再由溫度變送器將電信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號；（2）將變送器得出的信號與要求值進(jìn)行比較，得出偏差的大小和方向；（3）根據(jù)偏差的大小和方向，按照一定的控制規(guī)律輸送出一個(gè)對應(yīng)的信號去控制閥的動(dòng)作；（4）控制閥接受信號，改變控制閥的開度大小，從而改變了進(jìn)入換熱器的蒸汽量，達(dá)到調(diào)整溫度的目的第十頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期四系統(tǒng)的輸入量——被控對象——

被控量（輸出量）——自動(dòng)控制系統(tǒng)——被控制的設(shè)備或工作機(jī)械被控制對象內(nèi)要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的物理量控制器與被控對象的總稱在控制系統(tǒng)中影響系統(tǒng)輸出量的外界輸入量給定輸入量擾動(dòng)輸入量2、控制系統(tǒng)的基本概念：在沒有人的直接參與下，利用控制裝置使設(shè)備、生產(chǎn)過程的某些物理量、工作狀態(tài)自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行、變化。自動(dòng)控制——第十一頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期四指出下列系統(tǒng)的被控量、輸入量QiQOH系統(tǒng)HHiQi3、基本方式：10開環(huán)、閉環(huán)、復(fù)雜系統(tǒng)第十二頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期四特點(diǎn)：輸入輸出之間無反饋回路；當(dāng)外部出現(xiàn)擾動(dòng)作用時(shí)，在沒有人干預(yù)下無法復(fù)位，即得不到希望的值。結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、調(diào)試容易、控制精度差、抗干擾能力不強(qiáng)，只適用于性能要求不高的控制系統(tǒng)?？刂破鞅豢貙ο髷_動(dòng)輸入量輸入量輸量開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖開環(huán)控制是指系統(tǒng)輸出端與輸入端之間不存在反饋回路，系統(tǒng)的輸出量不對系統(tǒng)的控制量產(chǎn)生任何作用的控制過程。開環(huán)控制：第十三頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期四閉環(huán)控制：閉環(huán)控制是指系統(tǒng)輸出端與輸入端之間存在反饋回路，系統(tǒng)的輸出量直接或間接參與了對系統(tǒng)的控制作用。

特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本相對較高，調(diào)試較困難，但具有自動(dòng)修正系統(tǒng)輸出量偏差的能力，克服系統(tǒng)內(nèi)部元件參數(shù)變化或外界擾動(dòng)所引起的誤差，控制精度較高，被廣泛應(yīng)用?？刂破鞅豢貙ο髷_動(dòng)輸入量輸入量輸量檢測裝置誤差-閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖第十四頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期四

復(fù)雜控制：復(fù)雜控制是開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)相結(jié)合的一種控制方式。控制器被控對象補(bǔ)償裝置輸入信號輸出信號擾動(dòng)輸入-復(fù)雜控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制精度高，用于要求更高的任務(wù)。第十五頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期四4、控制系統(tǒng)的方框圖表示法：控制原理圖（系統(tǒng)流程圖）——表示控制系統(tǒng)的工作原理圖系統(tǒng)方框圖——利用方框的形式定量地描述各信號之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。被控變量C（S）給定信號R（S）+控制器Gc（s）執(zhí)行器Gy（s）換熱器Gp（s）測量變送Gp（s）偏差E（S）-B（S）測量值擾動(dòng)量N（S）操縱變量系統(tǒng)方框圖第十六頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期四

第二節(jié)閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成控制系統(tǒng)一般由以下基本組成：（1）被控對象（2）測量裝置（3）給定環(huán)節(jié)（4）比較環(huán)節(jié)（5）放大環(huán)節(jié)（6）執(zhí)行機(jī)構(gòu)（7）校正裝置指要進(jìn)行控制的設(shè)備或?qū)ο髮ο到y(tǒng)輸出量進(jìn)行測量的裝置產(chǎn)生系統(tǒng)給定輸入信號（控制要求）對系統(tǒng)輸出量與輸入量進(jìn)行比較，產(chǎn)生偏差信號對偏差信號進(jìn)行放大，并進(jìn)行能量形式的轉(zhuǎn)換對被控對象進(jìn)行控制的裝置或元件用于改善系統(tǒng)的性能第十七頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期四第三節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類按數(shù)學(xué)模型分類按輸入信號特征分類線性與非線性連續(xù)與離散系統(tǒng)線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)（在一定條件下可以轉(zhuǎn)化為線性系統(tǒng)）定?！飼r(shí)變連續(xù)系統(tǒng)f（t）離散系統(tǒng)是脈沖信號恒值系統(tǒng)給定輸入為恒定值隨動(dòng)系統(tǒng)給定輸入是未知的時(shí)間函數(shù)程序控制系統(tǒng)給定輸入是按照已知的時(shí)間函數(shù)變化的系統(tǒng)第十八頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期四第四節(jié)控制系統(tǒng)的基本要求穩(wěn)、準(zhǔn)、快穩(wěn)——穩(wěn)定在預(yù)定的平衡位置準(zhǔn)——準(zhǔn)確誤差小快——?jiǎng)討B(tài)響應(yīng)要快本章作業(yè)：習(xí)題1-1、1-3、1-5另外補(bǔ)充習(xí)題如下第十九頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期四補(bǔ)1、試說明開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)系統(tǒng)各自的優(yōu)缺點(diǎn)？補(bǔ)2、試說明下列控制系統(tǒng)過程，畫出控制系統(tǒng)的方框圖，并指出被控變量、操縱變量、擾動(dòng)變量。LCLTL給定值物料B物料A出口混合槽液位控制系統(tǒng)TTTC冷卻水熱物料給定值出口冷卻器溫度控制系統(tǒng)第二十頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期四本章小結(jié)：了解開環(huán)、閉環(huán)、方框圖、被控變量、擾動(dòng)量等基本概念建立初步的自動(dòng)控制系統(tǒng)的概念習(xí)題解：習(xí)題1-1、qv2qv1水槽浮子-H1H2第二十一頁，共二十三頁，編輯于2023年，星