自動(dòng)控制原理簡(jiǎn)明教程1.ppt

1、自動(dòng)控制理論，教師：曹鳳蓮2012年2月：電子郵件，自動(dòng)控制原理學(xué)習(xí)要求，2012年2月，課程性質(zhì)：考試課程特點(diǎn)：理論與實(shí)踐相結(jié)合的學(xué)習(xí)方法：掌握基本原理，實(shí)踐，自動(dòng)控制原理學(xué)習(xí)要求，學(xué)習(xí)注意事項(xiàng)：做好一定的筆記；作業(yè)應(yīng)該按時(shí)交上來(lái)；評(píng)分方法：60%(出勤、作業(yè)等。)在正常情況下被評(píng)估為40%。自動(dòng)控制課程的性質(zhì)和特點(diǎn)是一門基本的技術(shù)學(xué)科。從方法論的角度研究了系統(tǒng)的建立、分析和設(shè)計(jì)。經(jīng)典(古典)，現(xiàn)代。(1)本課程與其他課程的關(guān)系。(2)自動(dòng)控制理論已經(jīng)發(fā)展成為一門理論嚴(yán)密、體系完整、邏輯性強(qiáng)的學(xué)科。它從基本的反饋控制原理發(fā)展到：自適應(yīng)控制、最優(yōu)控制、魯棒控制、大系統(tǒng)控制、智能控制。研究對(duì)象：

2、因果系統(tǒng)、工程系統(tǒng)。經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、工程、生物、環(huán)境、醫(yī)學(xué)特征。系統(tǒng)共性問(wèn)題研究，頻域方法，主要內(nèi)容：自動(dòng)控制的一般概念，物理系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，控制系統(tǒng)的一般分析方法，系統(tǒng)設(shè)計(jì)或校正，線性離散系統(tǒng)的初步知識(shí)，時(shí)域分析方法，根軌跡法和頻域分析方法，主要學(xué)習(xí)目標(biāo)和任務(wù)：掌握自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念、基本理論和基本方法；掌握控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型建立、系統(tǒng)分析和綜合方法。教材：自動(dòng)控制原理簡(jiǎn)明教材，胡守松主編，科學(xué)出版社目錄學(xué)：自動(dòng)控制原理(第四版)，周學(xué)勤、張紅才主編，西北工業(yè)大學(xué)出版社、黃嘉穎主編，鄒伯民主編，東南大學(xué)出版社編輯，徐芳生言、陸伯英翻譯。科學(xué)出版社，第1章，自動(dòng)控制的一般概念，1.1自動(dòng)控制的

3、基本原理和方法，1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的例子，1.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類，1.4自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求，1.5自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)工具，自動(dòng)控制，以及使用附加設(shè)備或裝置(稱為控制裝置或控制器)使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程(統(tǒng)稱為受控對(duì)象)在沒(méi)有直接參與的情況下工作。1.1自動(dòng)控制的基本原理和模式，如數(shù)控加工中心、焊接機(jī)器人、溫度控制系統(tǒng)等。自動(dòng)控制系統(tǒng)，為達(dá)到上述自動(dòng)控制的目的，由相互關(guān)聯(lián)和受限制的部分組成，具有特定的整體功能。1.1.1自動(dòng)控制技術(shù)及其應(yīng)用，企業(yè)社會(huì)責(zé)任的恢復(fù)模型，歷史回顧，1.1.2自動(dòng)控制理論發(fā)展概述，企業(yè)社會(huì)責(zé)任原理，企業(yè)社會(huì)責(zé)任是中國(guó)古代一種帶有自動(dòng)離合裝置的車輛，用于指示方

4、向。它的結(jié)構(gòu)是一輛馬拉的兩輪單軸汽車。一個(gè)伸出手臂的木頭人站在行李箱上，一個(gè)能夠自動(dòng)接合和分離的齒輪系安裝在行李箱中。當(dāng)汽車轉(zhuǎn)向偏離正南方向時(shí)，軸的前端朝這個(gè)方向移動(dòng)，而后端朝相反的方向移動(dòng)，傳動(dòng)齒輪下降，這樣輪子的傳動(dòng)帶動(dòng)木人下面的大齒輪朝相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，正好抵消了汽車轉(zhuǎn)向的影響。18世紀(jì)，詹姆斯瓦特設(shè)計(jì)的控制蒸汽機(jī)速度的離心調(diào)節(jié)器是自動(dòng)控制領(lǐng)域的第一個(gè)重大成就。1932年，奈奎斯特提出了一種根據(jù)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)頻率響應(yīng)(對(duì)于穩(wěn)態(tài)正弦輸入)來(lái)確定閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法。1934年，赫哲族提出了位置控制系統(tǒng)伺服機(jī)構(gòu)的概念，并討論了能精確跟蹤輸入信號(hào)變化的機(jī)電伺服機(jī)構(gòu)。19世紀(jì)40年代，頻率響應(yīng)法為閉環(huán)

5、控制系統(tǒng)提供了一種可行的方法，埃文斯提出并改進(jìn)了根軌跡法。20世紀(jì)50年代后期，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)從設(shè)計(jì)眾多可行系統(tǒng)中的一個(gè)轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)某種意義上的最佳系統(tǒng)。20世紀(jì)60年代，數(shù)字計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)使基于時(shí)域分析的復(fù)雜系統(tǒng)現(xiàn)代控制理論成為可能。從1960年到1980年，確定性系統(tǒng)、隨機(jī)系統(tǒng)的最優(yōu)控制以及復(fù)雜系統(tǒng)的自適應(yīng)和學(xué)習(xí)控制得到了充分的研究。從1980年至今，現(xiàn)代控制理論的發(fā)展主要集中在魯棒控制、H控制及相關(guān)課題上。胚胎萌發(fā)期(1945年以前)2。經(jīng)典控制理論時(shí)期(1940-1960)1945年，美國(guó)博德的“網(wǎng)絡(luò)分析與放大器設(shè)計(jì)”奠定了控制理論的基礎(chǔ)，并在20世紀(jì)50年代走向成熟。主要內(nèi)容：用頻率法

6、、根軌跡法、相平面法和描述函數(shù)法分析單輸入單輸出系統(tǒng)；討論了系統(tǒng)穩(wěn)定性的代數(shù)和幾何判據(jù)以及校正網(wǎng)絡(luò)。3.在現(xiàn)代控制理論時(shí)期(20世紀(jì)50年代末至60年代初)，空間技術(shù)的發(fā)展提出了許多復(fù)雜的控制問(wèn)題，這些問(wèn)題被用于導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星和宇宙飛船?？柭摹翱刂葡到y(tǒng)的一般理論”奠定了現(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)。解決具有多輸入、多輸出、時(shí)變參數(shù)和高精度的復(fù)雜系統(tǒng)的控制問(wèn)題。4.在大系統(tǒng)和智能控制時(shí)期(20世紀(jì)70年代)，各種學(xué)科相互滲透，被分析的系統(tǒng)變得越來(lái)越大和復(fù)雜。例子包括人工智能、模擬人腦功能、機(jī)器人等。四個(gè)階段，發(fā)展方向：智能控制技術(shù)，自1945年以來(lái)自動(dòng)控制已成為一門科學(xué)。起初，它主要用于工業(yè)：壓力、溫

7、度、流量、位移、濕度和粘度的自動(dòng)控制，后來(lái)進(jìn)入軍事領(lǐng)域：飛機(jī)自動(dòng)駕駛、火炮自動(dòng)跟蹤、導(dǎo)彈、衛(wèi)星和航天器自動(dòng)控制，現(xiàn)在滲透到更多的領(lǐng)域：大型系統(tǒng)、交通管理、圖書館管理和其他生物系統(tǒng)：生物控制論、波士頓假肢、人工器官經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)：模擬經(jīng)濟(jì)管理過(guò)程、經(jīng)濟(jì)控制論、專家系統(tǒng)、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、預(yù)測(cè)控制、伺服機(jī)構(gòu)麻省理工學(xué)院實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床(1952)。喬治德沃爾開(kāi)發(fā)了第一個(gè)工業(yè)機(jī)器人原型(1954年)。中國(guó)批準(zhǔn)了863高科技計(jì)劃，包括兩個(gè)主題：計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)和自動(dòng)化領(lǐng)域的智能機(jī)器人(1986)。世界上第一顆人造地球衛(wèi)星(Sputnik)由前蘇聯(lián)的索尼公司(SONY)成功發(fā)射(1957)。蘇聯(lián)

8、東方號(hào)宇宙飛船將加加林送入人造地球衛(wèi)星的軌道，人類太空飛行的時(shí)代開(kāi)始了(1961)。前蘇聯(lián)發(fā)射了月球9號(hào)探測(cè)器，首次在月球表面軟著陸(1966年)。三年后(1969年)，美國(guó)阿波羅11號(hào)將宇航員阿姆斯特朗送上月球。第一個(gè)火星探測(cè)器索杰納在火星表面軟著陸(1996)。旅行者1號(hào)和旅行者2號(hào)開(kāi)始走出太陽(yáng)系，探索廣闊的太空?，F(xiàn)代化工廠，1.1.3反饋控制原理，人帶書反饋控制系統(tǒng)，刨床速度控制系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)過(guò)程觀察，將培養(yǎng)箱中的溫度(控制量)與所需溫度(給定值)進(jìn)行比較，得出溫度偏差的大小和方向，根據(jù)偏差的大小和方向調(diào)整調(diào)壓器，并控制加熱電阻絲的電流，將溫度調(diào)整回所需值。實(shí)質(zhì)上檢測(cè)偏差，然后糾正偏差。恒溫

9、器是手動(dòng)控制的。溫度偏差信號(hào)經(jīng)電壓和功率放大后，用于驅(qū)動(dòng)執(zhí)行電機(jī)，并通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)拖動(dòng)調(diào)壓器的動(dòng)觸頭。當(dāng)溫度偏高時(shí)，移動(dòng)觸點(diǎn)向減小電流的方向移動(dòng)，反之則增大電流，直到溫度達(dá)到給定值。此時(shí)，偏差u=0，電機(jī)停止旋轉(zhuǎn)。充分檢測(cè)偏差并糾正偏差。恒溫器自動(dòng)控制系統(tǒng)，檢測(cè)輸出的實(shí)際值(受控量)；將輸出的實(shí)際值與給定值(輸入量)進(jìn)行比較，得出偏差；偏差值用于產(chǎn)生控制和調(diào)整，以消除偏差，從而使輸出量能夠保持所需的輸出?？梢钥闯?，控制系統(tǒng)的工作原理，為了顯示自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成和信號(hào)的傳輸，系統(tǒng)的每個(gè)環(huán)節(jié)通常用框圖表示，而每個(gè)動(dòng)作量的傳輸用箭頭表示。下圖是恒溫系統(tǒng)的框圖給定量(參考輸入):人工給出的外部命令信號(hào)，

10、要求系統(tǒng)輸出隨參考值變化，位于系統(tǒng)的輸入端。給定量和預(yù)期產(chǎn)量之間存在物理量綱轉(zhuǎn)換關(guān)系。給定的量可以是常數(shù)值，也可以是隨時(shí)間變化的已知函數(shù)或未知函數(shù)。受控量(輸出量):位于系統(tǒng)的輸出端，受控對(duì)象中的一個(gè)物理量需要被控制，它與給定的量有一定的函數(shù)關(guān)系。干擾(干擾信號(hào)):由某些因素(外部和內(nèi)部)引起的信號(hào)，對(duì)系統(tǒng)的受控量有不利影響。反饋：將輸出發(fā)送回輸入端，并將其與輸入信號(hào)進(jìn)行比較以產(chǎn)生偏差信號(hào)的過(guò)程。如果是從系統(tǒng)輸出端到系統(tǒng)輸入端，這種反饋稱為主反饋；而其他反饋稱為本地反饋。如果從輸入信號(hào)中減去反饋信號(hào)，使偏差越來(lái)越小，這稱為負(fù)反饋；否則，它被稱為正反饋。前向通道：系統(tǒng)從給定數(shù)量端(輸入)到受控?cái)?shù)

11、量端(輸出)的路徑。偏差：給定量和反饋量之間的差異。錯(cuò)誤：系統(tǒng)輸出的實(shí)際值和預(yù)期值之間的差異。系統(tǒng)的期望值是理想化系統(tǒng)的輸出，這在實(shí)踐中很難實(shí)現(xiàn)。在單位反饋的情況下，期望值是系統(tǒng)的給定量，誤差等于偏差。系統(tǒng)：某些組件的組合可以完成某些任務(wù)。系統(tǒng)的概念可以應(yīng)用于抽象的動(dòng)態(tài)現(xiàn)象。系統(tǒng)的輸出信號(hào)被引回到輸入端，并與輸入信號(hào)進(jìn)行比較，利用偏差信號(hào)進(jìn)行控制，從而減少偏差并消除偏差。構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)核心的閉環(huán)(反饋)控制系統(tǒng)的特征(1)系統(tǒng)內(nèi)部有反饋，信號(hào)流形成閉環(huán)；(2)偏差起調(diào)節(jié)作用。負(fù)反饋的原理，由于輸出反饋，系統(tǒng)可以在不可預(yù)測(cè)的擾動(dòng)條件下自動(dòng)減小系統(tǒng)輸出與參考輸入之間的偏差(或任何變化的期望狀態(tài))

12、,所以它被稱為反饋控制。反饋必要的測(cè)量偏差，并利用偏差來(lái)減少(甚至消除)偏差。(1)給定部件：給出與預(yù)期控制量(如電位計(jì))相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)輸入量(即參考量)。(2)測(cè)量元件：由傳感器和反饋網(wǎng)絡(luò)組成，測(cè)量被控物理量(如速度)，并將其轉(zhuǎn)化為與給定定量尺寸相同的物理量(如測(cè)速發(fā)電機(jī))。(3)比較元件：將檢測(cè)到的控制量的實(shí)際值與給定元件給出的參考量進(jìn)行比較，并確定它們之間的偏差。(4)放大器：放大微弱的偏差信號(hào)以驅(qū)動(dòng)致動(dòng)器。(5)執(zhí)行機(jī)構(gòu)：直接驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象改變被控量(如閥門、電機(jī)、電機(jī))。(6)校正元素(補(bǔ)償元素):用于提高控制系統(tǒng)的性能和質(zhì)量。受控對(duì)象：指系統(tǒng)中受控的設(shè)備或過(guò)程(如電機(jī)、電爐)。1.1.

13、4反饋控制系統(tǒng)的基本組成，一個(gè)系統(tǒng)必須包含被控對(duì)象和控制裝置，其中控制裝置由具有一定功能的各種基本元件組成：工作原理：根據(jù)被控量的反饋信息，即實(shí)際輸出，修正控制裝置對(duì)被控對(duì)象的控制功能，實(shí)現(xiàn)控制任務(wù)。反饋控制系統(tǒng)原理框圖，1.1.5自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本控制模式，1。反饋控制方式，反饋控制系統(tǒng)示例，閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)，閉環(huán)速度控制系統(tǒng)，工作原理：控制器和被控對(duì)象之間只有正向控制，沒(méi)有反饋控制，即系統(tǒng)的輸出對(duì)被控量沒(méi)有影響。開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)原理框圖，2。開(kāi)環(huán)控制模式、開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)示例、開(kāi)環(huán)溫度控制系統(tǒng)、開(kāi)環(huán)速度控制系統(tǒng)和反饋控制系統(tǒng)具有：偏差控制功能，可抑制內(nèi)外擾動(dòng)對(duì)受控質(zhì)量的影響在閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上，增加

14、前饋通道對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，達(dá)到精確的控制效果。3、復(fù)合控制系統(tǒng)原理框圖。復(fù)合控制模式，1-2自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)例，功能記錄器原理圖，功能記錄器框圖，鍋爐液位控制系統(tǒng)原理圖，1.3自動(dòng)控制系統(tǒng)分類，線性時(shí)不變連續(xù)系統(tǒng)包括：定值控制系統(tǒng)伺服系統(tǒng)，包括伺服系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)，1線性時(shí)不變控制系統(tǒng)，特征：各變量及其導(dǎo)數(shù)以一次冪的形式出現(xiàn)。線性系數(shù)是常數(shù)，常數(shù)系統(tǒng)中的信號(hào)隨時(shí)間連續(xù)變化。(1)定值控制系統(tǒng)的輸入信號(hào)是一個(gè)定值，這就要求系統(tǒng)克服干擾的影響，使輸出在這個(gè)定值附近稍有變化。例如：連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中的恒溫、恒壓、恒速自動(dòng)控制系統(tǒng)。(2)程序控制系統(tǒng)的輸入信號(hào)是一個(gè)已知的時(shí)間函數(shù)(不是常數(shù))，它要求系統(tǒng)根

15、據(jù)時(shí)間函數(shù)按順序運(yùn)行。例如：數(shù)控機(jī)床加工工件，家用洗衣機(jī)等。根據(jù)給定的程序。(3)伺服控制系統(tǒng)的輸入信號(hào)是一個(gè)隨時(shí)間任意變化的未知函數(shù)，這就要求輸出能夠準(zhǔn)確地跟隨輸入信號(hào)的變化，這就是所謂的伺服控制系統(tǒng)。當(dāng)伺服控制系統(tǒng)中的受控變量是機(jī)械位置或其導(dǎo)數(shù)時(shí)，稱為伺服控制系統(tǒng)。例如：導(dǎo)彈自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)等。2線性時(shí)不變離散控制系統(tǒng)(mn) r:輸入采樣序列。輸出采樣序列概述：(1)、(2)線性系統(tǒng)具有同質(zhì)性和疊加性。3非線性控制系統(tǒng)(系數(shù)與變量有關(guān))。對(duì)于線性時(shí)不變系統(tǒng)，性能指標(biāo)主要包括三個(gè)方面：穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性。1.4自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求，1.4.1基本要求的制定，即：穩(wěn)定性(基本要求)、準(zhǔn)(穩(wěn)

16、態(tài)要求)、快速(動(dòng)態(tài)要求)、1。穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)正常運(yùn)行的首要條件，不穩(wěn)定的系統(tǒng)不能完成預(yù)定的任務(wù)。穩(wěn)定系統(tǒng)：當(dāng)系統(tǒng)受到外界干擾時(shí)，輸出會(huì)偏離正常工作狀態(tài)，但當(dāng)干擾消失時(shí)，系統(tǒng)會(huì)回到原來(lái)的工作狀態(tài)，系統(tǒng)的輸出不會(huì)產(chǎn)生上述的恒幅振蕩、發(fā)散振蕩或單調(diào)增長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)。對(duì)于定值系統(tǒng)，要求系統(tǒng)在受到干擾后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的調(diào)整后，能夠恢復(fù)到原來(lái)的期望值。對(duì)于伺服系統(tǒng)，受控量總是跟蹤參考量的變化。線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)決定，與外界因素?zé)o關(guān)。用穩(wěn)態(tài)誤差表示，并記錄為。在參考輸入信號(hào)的作用下，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，其穩(wěn)態(tài)輸出與參考輸入所需的期望輸出之差稱為給定穩(wěn)態(tài)誤差。顯然，該誤差越小，系統(tǒng)輸出跟隨參考輸入的精度越高。通常，穩(wěn)態(tài)誤差要求在給定量的25%以內(nèi)。準(zhǔn)確性要求轉(zhuǎn)換過(guò)程的形式和速度，這通常被稱為動(dòng)態(tài)性能。反映控制系統(tǒng)輸出信號(hào)跟隨輸入信號(hào)的變化。當(dāng)系統(tǒng)輸入信號(hào)是階躍函數(shù)時(shí)，其輸出信號(hào)稱為階躍響應(yīng)。例如，雖然槍體最終可以跟蹤目標(biāo)，但如果目標(biāo)變化很快，而槍體移動(dòng)很慢，它還是抓不到目標(biāo)。3?？焖?、階躍信號(hào)、斜坡信號(hào)、脈沖信號(hào)、正弦信號(hào)，1.4.2典型外部動(dòng)作，1。階躍函數(shù)，包含寬帶諧波成分，易于產(chǎn)生。在實(shí)踐中，電源的突然接通和負(fù)載的突然變化可