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1、歡迎任何形式的意見(jiàn)和建議!xhcheng cxh_863,2002-09-23,自動(dòng)控制原理,2,自動(dòng)控制原理 程向紅 蔡體菁,2002-09-23,自動(dòng)控制原理,3,第1講 程向紅,自動(dòng)控制的一般概念,2002-09-23,自動(dòng)控制原理,4,第一章 自動(dòng)控制的一般概念,1.1 引言 1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)示例 1.3閉環(huán)控制和開(kāi)環(huán)控制 1.4自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類 1.5對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求 1.6對(duì)本課程的基本要求,2002-09-23,自動(dòng)控制原理,5,歷史的回顧,18世紀(jì),James Watt 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。 1

2、922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)。,2002-09-23,自動(dòng)控制原理,6,19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)題的重點(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)在某種意義上的最佳系統(tǒng)。 19世紀(jì)60年代,數(shù)字計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)為

3、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。 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,都得到充分的研究。 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。,2002-09-23,自動(dòng)控制原理,7,古典控制理論 以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)研究單輸入-單輸出一類定??刂葡到y(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。,現(xiàn)代控制 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)的分析與設(shè)計(jì)問(wèn)題。系統(tǒng)具有高精度和高效能的特點(diǎn)。,2002-09-23,自動(dòng)控制原理,8,1.2 術(shù)語(yǔ),自動(dòng)控制 對(duì)象 過(guò)程 系統(tǒng) 擾動(dòng)

4、 反饋控制 反饋控制系統(tǒng) 隨動(dòng)系統(tǒng) 自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng) 過(guò)程控制系統(tǒng),2002-09-23,自動(dòng)控制原理,9,1 自動(dòng)控制 在無(wú)人直接參與的情況下,通過(guò)控制器使被控對(duì)象或過(guò)程自動(dòng)地按照預(yù)定要求進(jìn)行。,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)特定的動(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,其具體例子如化學(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。,2002-09-23,自動(dòng)控制原理,10,5 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

5、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的狀態(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。,2002-09-23,自動(dòng)控制原理,11,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),2002-09-23,自動(dòng)控制原理,12,隨動(dòng)

6、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)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。,2002-09-23,自動(dòng)控制原理,13,熱力系統(tǒng)的例子 熱力系統(tǒng)的人工反饋控制,2002-09-23,自動(dòng)控制原理,14,熱力系統(tǒng)的自動(dòng)反饋控制,2002-09-23,自動(dòng)控制原理,15,1.3 閉環(huán)控制與開(kāi)環(huán)控制,反饋控制系統(tǒng) 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng) 閉環(huán)與開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的比較,2002-09-23,

7、自動(dòng)控制原理,16,1.3.1 反饋控制系統(tǒng),1 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。,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。,2 反饋控制系統(tǒng),2002-09-23,自動(dòng)控制原理,17,3 閉環(huán)控制 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)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

8、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,換句話說(shuō),“閉環(huán)”這個(gè)術(shù)語(yǔ)的涵義,就是應(yīng)用反饋?zhàn)饔脕?lái)減小系統(tǒng)的誤差。,2002-09-23,自動(dòng)控制原理,18,圖1-3 閉環(huán)控制系統(tǒng),2002-09-23,自動(dòng)控制原理,19,1.3.2 反饋控制系統(tǒng)的基本組成,被控對(duì)象 控制裝置(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(即參據(jù)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據(jù)量進(jìn)行比較,求出它們之間的偏差。 放大元件:將比較

9、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。,2002-09-23,自動(dòng)控制原理,20,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。,2002-09-23,自動(dòng)控制原理,21,1.3.3 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng),定義,如果系統(tǒng)

10、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)控制系統(tǒng)。,2002-09-23,自動(dòng)控制原理,22,現(xiàn)代化的工廠,2002-09-23,自動(dòng)控制原理,23,1.3.4 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。,2002-09-23,自動(dòng)控制原理,24,棉紡廠,2002-09-23,自動(dòng)控制原理,25,1.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類,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,200

11、2-09-23,自動(dòng)控制原理,26,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),按 元 件 類 型 分,2002-09-23,自動(dòng)控制原理,27,按系統(tǒng)功用分,溫度控制系統(tǒng),壓力控制系統(tǒng),位置控制系統(tǒng), ,2002-09-23,自動(dòng)控制原理,28,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,離散系統(tǒng),2002-09-23,自動(dòng)控制原理,29,恒值控制系統(tǒng),隨動(dòng)系統(tǒng),程序控制系統(tǒng),按參據(jù)量變化規(guī)律分,2002-09-23,自動(dòng)控制原理,30,穩(wěn)定性: 1 對(duì)

12、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據(jù)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)決定與外界因素?zé)o關(guān)。,1.5 對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求,1.5.1對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)性能的基本要求,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,2002-09-23,自動(dòng)控制原理,31,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

13、精度越高。,快速性: 對(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,仍然抓不住目標(biāo)。,2002-09-23,自動(dòng)控制原理,32,2)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。,1.5.2本課程的任務(wù),本課程所要研究的兩大課題:,1)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。,2002-09-23,自動(dòng)控制原理,33,圖1-6(a)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)閥門的開(kāi)度,對(duì)誤差進(jìn)行修正,從而保持液位不變。圖1-6(b)是該控制系統(tǒng)的方框圖。試畫出相應(yīng)的人工操縱液位控制系統(tǒng)方塊圖。,例題1-1,2002-09-23,自動(dòng)控制原理,34,2002-09-23,自動(dòng)控制原理,35,控制器:比較、放大的作用 浮子:液面高度的反饋元件 Q2為系統(tǒng)的干擾量 氣動(dòng)閥門:執(zhí)行機(jī)構(gòu) 被控對(duì)象:水箱,2002-09-23,自動(dòng)控制原理,36,2002-09-23,自動(dòng)控制原理,37,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

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