1自動(dòng)控制的一般概念

專業(yè)基礎(chǔ)課程：

自動(dòng)控制原理主講：黃輝先Linkage：email:huanghx06@163.commobilessistantlecturer:email:plbvip@163.commobile:131873268672024/5/191自動(dòng)控制原理參考書(shū)1、高國(guó)燊主編，自動(dòng)控制原理，廣州：華南理工大學(xué)出版社，20032、胡壽松主編，自動(dòng)控制原理，北京：國(guó)防工業(yè)出版社,20013、李有善主編，自動(dòng)控制原理，北京：國(guó)防工業(yè)出版社,20054、盧伯英主編，現(xiàn)代控制工程，北京：科學(xué)出版社，19965、陳來(lái)好、彭康擁，自動(dòng)控制原理學(xué)習(xí)指導(dǎo)與精選題型詳解，華南理工大學(xué)出版社注：雙周星期五交作業(yè)本2024/5/192自動(dòng)控制原理本課程與其它課程的關(guān)系自動(dòng)控制原理大學(xué)物理（力學(xué)、熱力學(xué)）微積分(含微分方程)線性代數(shù)復(fù)變函數(shù)、積分變換電路理論電力電子技術(shù)模擬電子技術(shù)運(yùn)動(dòng)控制基礎(chǔ)各類控制系統(tǒng)課程2024/5/193自動(dòng)控制原理第一章自動(dòng)控制概論1.1引言1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類1.3對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求1.4本課程的學(xué)習(xí)要求2024/5/194自動(dòng)控制原理1.1引言什么是自動(dòng)控制理論自動(dòng)控制理論是研究自動(dòng)控制共同規(guī)律的一門(mén)科學(xué)，它包括工程控制論、生物控制論、經(jīng)濟(jì)控制論和社會(huì)控制論。什么是自動(dòng)控制自動(dòng)控制就是在沒(méi)有人的直接參與的情況下，利用控制裝置自動(dòng)地操縱機(jī)器設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程，使其具有希望的狀態(tài)或功能。自動(dòng)控制的應(yīng)用領(lǐng)域自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、軍事領(lǐng)域、航空航天、科學(xué)研究等。自動(dòng)控制的作用改善勞動(dòng)條件、保證安全生產(chǎn)、提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、節(jié)約能源、增強(qiáng)國(guó)家防御能力等?？刂普撌恰瓣P(guān)于在動(dòng)物和機(jī)器中控制和通訊的科學(xué)”。

2024/5/195自動(dòng)控制原理控制理論的發(fā)展18世紀(jì)，JamesWatt

為控制蒸汽機(jī)速度設(shè)計(jì)的離心調(diào)節(jié)器，是自動(dòng)控制領(lǐng)域的第一項(xiàng)重大成果。1922年，Minorsky研制出船舶操縱自動(dòng)控制器，并證明了從系統(tǒng)的微分方程確定系統(tǒng)的穩(wěn)定性的方法。1932年，Nyquist提出了一種根據(jù)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)頻率響應(yīng)(對(duì)穩(wěn)態(tài)正弦輸入)，確定閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法。1934年，Hezen提出了用于位置控制系統(tǒng)的伺服機(jī)構(gòu)的概念，討論了可以精確跟蹤變化的輸入信號(hào)的機(jī)電伺服機(jī)構(gòu)。2024/5/196自動(dòng)控制原理19世紀(jì)40年代，頻率響應(yīng)法為閉環(huán)控制系統(tǒng)提供了一種可行方法，Evans提出并完善了根軌跡法。19世紀(jì)50年代末，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題重點(diǎn)從設(shè)計(jì)許多可行系統(tǒng)中的一種系統(tǒng)，轉(zhuǎn)到設(shè)計(jì)在某種意義上最佳系統(tǒng)（龐德里亞金極大值原理、Bellman動(dòng)態(tài)規(guī)劃）。19世紀(jì)60年代，數(shù)字計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)為復(fù)雜系統(tǒng)的基于時(shí)域分析的現(xiàn)代控制理論提供了可能（Kalman狀態(tài)空間分析法）。從1960年到1980，確定性系統(tǒng)、隨機(jī)系統(tǒng)的最佳控制及復(fù)雜系統(tǒng)的自適應(yīng)和學(xué)習(xí)控制，都得到充分研究。從1980年到現(xiàn)在，現(xiàn)代控制理論進(jìn)展集中于魯棒控制、H∞控制及其相關(guān)課題。2024/5/197自動(dòng)控制原理古典控制理論以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，研究單輸入---單輸出一類線性定常控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問(wèn)題。這些理論由于其發(fā)展較早，現(xiàn)已臻成熟?，F(xiàn)代控制理論以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究多輸入---多輸出、時(shí)變、非線性一類控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)問(wèn)題。系統(tǒng)具有高精度和高效能的特點(diǎn)?？刂评碚摰膬蓚€(gè)重要組成部分2024/5/198自動(dòng)控制原理1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類一、基本術(shù)語(yǔ)二、控制系統(tǒng)的分類2024/5/199自動(dòng)控制原理一、基本術(shù)語(yǔ)控制對(duì)象過(guò)程系統(tǒng)擾動(dòng)反饋控制反饋控制系統(tǒng)隨動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng)2024/5/1910自動(dòng)控制原理1控制的本意為了達(dá)到某種目的對(duì)事務(wù)進(jìn)行支配、管束、管制、管理、監(jiān)督、鎮(zhèn)壓。2對(duì)象是一個(gè)設(shè)備，它是由一些機(jī)器零件有機(jī)地組合在一起的，其作用是完成一個(gè)特定動(dòng)作。在下面的討論中，稱任何被控物體（如加熱爐、化學(xué)反應(yīng)器或宇宙飛船）為對(duì)象。3過(guò)程稱任何被控制的運(yùn)行狀態(tài)為過(guò)程，具體例子如化學(xué)過(guò)程、經(jīng)濟(jì)學(xué)過(guò)程、生物學(xué)過(guò)程。4系統(tǒng)完成一定任務(wù)的一些元、部件的組合。2024/5/1911自動(dòng)控制原理5

擾動(dòng)6

反饋控制

擾動(dòng)是一種對(duì)系統(tǒng)的輸出產(chǎn)生不利影響的信號(hào)。如果擾動(dòng)產(chǎn)生在系統(tǒng)內(nèi)部稱為內(nèi)擾；擾動(dòng)產(chǎn)生在系統(tǒng)外部，則稱為外擾。外擾是系統(tǒng)的輸入量。

反饋控制是這樣一種控制過(guò)程，它能夠在存在擾動(dòng)的情況下，力圖減小系統(tǒng)的輸出量與參考輸入量（也稱參據(jù)量）（或者任意變化的希望狀態(tài)）之間的偏差，而且其工作正是基于這一偏差基礎(chǔ)之上的。2024/5/1912自動(dòng)控制原理

反饋控制系統(tǒng)是一種能對(duì)輸出量與參考輸入量進(jìn)行比較，并力圖保持兩者之間的既定關(guān)系的系統(tǒng)，它利用輸出量與輸入量的偏差來(lái)進(jìn)行控制。應(yīng)當(dāng)指出，反饋控制系統(tǒng)不限于工程范疇，在各種非工程范疇內(nèi)，諸如經(jīng)濟(jì)學(xué)和生物學(xué)中，也存在著反饋控制系統(tǒng)。7反饋控制系統(tǒng)2024/5/1913自動(dòng)控制原理隨動(dòng)控制系統(tǒng)是一種反饋控制系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)中，輸出量是機(jī)械位移、速度或者加速度。因此，隨動(dòng)系統(tǒng)這個(gè)術(shù)語(yǔ)，與位置（或速度或加速度）控制系統(tǒng)是同義語(yǔ)。在現(xiàn)代工業(yè)中，廣泛采用著隨動(dòng)系統(tǒng)。8隨動(dòng)控制系統(tǒng)9過(guò)程控制在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，諸如對(duì)壓力、溫度、濕度、流量、頻率以及原料、燃料成分比例等方面的控制，稱為過(guò)程控制。2024/5/1914自動(dòng)控制原理控制系統(tǒng)的組成：輸入部分、控制系統(tǒng)部分和輸出部分。從物理角度上看，自動(dòng)控制研究的是特定激勵(lì)作用下的系統(tǒng)響應(yīng)變化情況；從數(shù)學(xué)角度上看，研究的是輸入與輸出之間的映射關(guān)系。2024/5/1915自動(dòng)控制原理熱力系統(tǒng)的例子

熱力系統(tǒng)人工反饋控制2024/5/1916自動(dòng)控制原理熱力系統(tǒng)自動(dòng)反饋控制

2024/5/1917自動(dòng)控制原理按控制方式分類按元件類型分類按系統(tǒng)功用分類按系統(tǒng)性能分類按參量變化規(guī)律分類二、控制系統(tǒng)的分類2024/5/1918自動(dòng)控制原理開(kāi)環(huán)控制閉環(huán)控制(反饋控制)復(fù)合控制

按控制方式分類2024/5/1919自動(dòng)控制原理

1、

開(kāi)環(huán)控制如果控制系統(tǒng)的輸出量與輸入量間不存在反饋的通道，這種控制方式稱為開(kāi)環(huán)控制。圖1－3開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)控制量2024/5/1920自動(dòng)控制原理2、閉環(huán)控制

圖1-4閉環(huán)控制系統(tǒng)

能對(duì)輸入量與輸出量進(jìn)行比較，并且將它們的偏差作為控制手段，以保持兩者之間預(yù)定關(guān)系的系統(tǒng)，稱為反饋控制系統(tǒng)。由于引入了被反饋量的反饋信息，整個(gè)控制過(guò)程成為閉合的，因此反饋控制也稱為閉環(huán)控制?？刂屏糠答伭?024/5/1921自動(dòng)控制原理1）正負(fù)反饋把取出的輸出量送回輸入端，并與輸入信號(hào)相比較產(chǎn)生偏差信號(hào)的過(guò)程，稱為反饋。若反饋的信號(hào)與輸入信號(hào)相減，使產(chǎn)生的偏差越來(lái)越小，則稱為負(fù)反饋；反之，則稱為正反饋。2）閉環(huán)控制系統(tǒng)

凡是系統(tǒng)輸出信號(hào)對(duì)控制作用有直接影響的系統(tǒng)，都稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。輸入信號(hào)和反饋信號(hào)（反饋信號(hào)可以是輸出信號(hào)本身，也可以是輸出信號(hào)的函數(shù)或?qū)?shù)）之差，稱為誤差信號(hào)，誤差信號(hào)加到控制器上，以減小系統(tǒng)的誤差，并使系統(tǒng)的輸出量趨于所希望的值。2024/5/1922自動(dòng)控制原理用“○”號(hào)代表比較元件；“—”號(hào)代表兩者符號(hào)相反，“+”號(hào)代表兩者符號(hào)相同。信號(hào)沿箭頭方向從輸入端到達(dá)輸出端的傳輸通路稱前向通路；系統(tǒng)輸出量經(jīng)測(cè)量元件反饋到輸入端的傳輸通路稱主反饋通路。前向通路與主反饋通路共同構(gòu)成主回路。此外，還有局部反饋通路以及由它構(gòu)成的內(nèi)回路。圖1－5控制系統(tǒng)的基本組成3）反饋控制系統(tǒng)的基本組成

2024/5/1923自動(dòng)控制原理3）反饋控制系統(tǒng)的基本組成

被控對(duì)象：工作機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程?？刂蒲b置：由具有一定職能的各種基本元件組成。測(cè)量元件：其職能是測(cè)量被控制的物理量。給定元件：其職能是給出與期望的被控量相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)輸入量（即參考量）。比較元件：把測(cè)量元件檢測(cè)的被控量實(shí)際值與給定元件給出的參考量進(jìn)行比較，求出它們之間的偏差。放大元件：將比較元件給出的偏差進(jìn)行放大，用來(lái)推動(dòng)執(zhí)行元件去控制被控對(duì)象。執(zhí)行元件：直接推動(dòng)被控對(duì)象，使其被控量發(fā)生變化。校正元件：亦稱補(bǔ)償元件，它是結(jié)構(gòu)或參數(shù)便于調(diào)整的元件，用串聯(lián)或反饋的方式連接在系統(tǒng)中，以改善系統(tǒng)性能。2024/5/1924自動(dòng)控制原理3、

閉環(huán)與開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的比較閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)偏差控制，可以抑制內(nèi)、外擾動(dòng)對(duì)被控制量產(chǎn)生的影響。精度高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)、分析麻煩。開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)順向作用，沒(méi)有反向的聯(lián)系，沒(méi)有修正偏差能力，抗擾動(dòng)性較差。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)整方便、成本低。2024/5/1925自動(dòng)控制原理機(jī)械系統(tǒng)——恒張力系統(tǒng)電氣系統(tǒng)機(jī)電系統(tǒng)——全自動(dòng)照相機(jī)，光機(jī)電結(jié)合液壓系統(tǒng)——伺服液壓缸，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)，大型的仿真模擬臺(tái)氣動(dòng)系統(tǒng)生物系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)社會(huì)系統(tǒng)按元件類型分類

2024/5/1926自動(dòng)控制原理按系統(tǒng)功用分類溫度控制系統(tǒng)壓力控制系統(tǒng)位置控制系統(tǒng)

2024/5/1927自動(dòng)控制原理線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)定常系統(tǒng)時(shí)變系統(tǒng)確定性系統(tǒng)不確定性系統(tǒng)按系統(tǒng)性能分類離散系統(tǒng)2024/5/1928自動(dòng)控制原理恒值控制系統(tǒng)隨動(dòng)控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)按參量變化規(guī)律分類2024/5/1929自動(dòng)控制原理穩(wěn)定性：

1對(duì)恒值系統(tǒng)，要求當(dāng)系統(tǒng)受到擾動(dòng)后，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的調(diào)整能夠回到原來(lái)的期望值。

2對(duì)隨動(dòng)系統(tǒng)，被控制量始終跟蹤參考量的變化。穩(wěn)定性是對(duì)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)。穩(wěn)定性通常由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)決定，與外界因素?zé)o關(guān)。1.3對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求可以歸結(jié)為穩(wěn)定性（長(zhǎng)期穩(wěn)定性）、準(zhǔn)確性（精度）和快速性（相對(duì)穩(wěn)定性）。穩(wěn)準(zhǔn)快2024/5/1930自動(dòng)控制原理準(zhǔn)確性：用穩(wěn)態(tài)誤差來(lái)表示。在參考輸入信號(hào)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?？焖傩裕簩?duì)過(guò)渡過(guò)程的形式和快慢提出要求，一般稱為動(dòng)態(tài)性能。穩(wěn)定高射炮射角隨動(dòng)系統(tǒng)，雖然炮身最終能跟蹤目標(biāo)，但如果目標(biāo)變動(dòng)迅速，而炮身行動(dòng)遲緩，仍然無(wú)法跟蹤目標(biāo)。2024/5/1931自動(dòng)控制原理根據(jù)對(duì)系統(tǒng)性能的要求，如何合理地設(shè)計(jì)校正裝置，使系統(tǒng)的性能能全面地滿足技術(shù)上的要求。

1.4本課程的學(xué)習(xí)要求1、本課程所要研究的兩大課題：系統(tǒng)分析、系統(tǒng)綜合對(duì)于一個(gè)具體的控制系統(tǒng)，如何從理論上對(duì)它的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度進(jìn)行定性的分析和定量的計(jì)算。2、本課程的學(xué)習(xí)要求鞏固前期所學(xué)知識(shí)：高等數(shù)學(xué)、工程數(shù)學(xué)、電路等課前預(yù)習(xí)、課后復(fù)習(xí)、及時(shí)獨(dú)立完成作業(yè)2024/5/1932自動(dòng)控制原理作業(yè)

1－1、1－2、1－42024/5/1933自動(dòng)控制原理

圖1-6（Ⅰ）是一個(gè)液位控制系統(tǒng)原理圖。在這里，自動(dòng)控制器通過(guò)比較實(shí)際液位與希望液位，并通過(guò)調(diào)整氣動(dòng)閥門(mén)的開(kāi)度，對(duì)誤差進(jìn)行修正，從而保持液位不變。圖1-6（Ⅱ）是該控制系統(tǒng)的方框圖。試畫(huà)出相應(yīng)的人工操縱液位控制系統(tǒng)方塊圖。例題1-1舉例分析2024/5/1934自動(dòng)控制原理2024/5/1935自動(dòng)控制原理控制器：比較、放大的作用氣動(dòng)閥門(mén)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)浮子：液面高度的測(cè)量反饋元件Q2為系統(tǒng)的干擾量水箱：被控對(duì)象給定量：被控量：干擾量：2024/5/1936自動(dòng)控制原理2024/5/1937自動(dòng)控制原理

有一發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)如圖1-7所示。其工作原理是操縱者轉(zhuǎn)動(dòng)操縱電位計(jì)的手柄，可使電位計(jì)的輸出電壓Ur改變大小和方向。經(jīng)前置放大器和直流發(fā)電機(jī)兩極放大，使加在伺服電機(jī)上的端電壓也隨之改