第1章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念.ppt

1、第一章自動(dòng)限制系統(tǒng)的基本概念、1.2自動(dòng)限制的基本方法、1.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的類(lèi)型、學(xué)習(xí)1.4自動(dòng)控制原理的工具軟件MATLAB、1.5本課程基本操作、特征和學(xué)習(xí)方法、1.1概述、摘要：牙齒章節(jié)通過(guò)開(kāi)環(huán)和閉環(huán)控制的特定實(shí)例對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念(例如控制)進(jìn)行了討論反饋控制工作控制系統(tǒng)配置和塊圖表繪制；控制系統(tǒng)的基本分類(lèi)；介紹了控制系統(tǒng)的基本要求和學(xué)習(xí)自動(dòng)化控制原理以及系統(tǒng)高級(jí)工具軟件MATLAB介面和基本使用，1.1概述了科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，自動(dòng)控制技術(shù)發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。自動(dòng)限制是指在沒(méi)有人直接參與的情況下，利用控制裝置，使控制對(duì)象(機(jī)械設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程)的參數(shù)(即控制量)按照預(yù)定的

2、規(guī)律自動(dòng)運(yùn)行。例如，CNC車(chē)床根據(jù)預(yù)定程序自動(dòng)切割工件，化學(xué)反應(yīng)火爐的溫度或壓力自動(dòng)恒定，人造衛(wèi)星準(zhǔn)確進(jìn)入預(yù)定軌道運(yùn)行和回收，宇宙飛船準(zhǔn)確地登陸月球并返回地面等應(yīng)用高水平自動(dòng)控制技術(shù)為前提。自動(dòng)控制理論是以控制工程的理論基礎(chǔ)研究自動(dòng)控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)。自動(dòng)控制理論根據(jù)其發(fā)展過(guò)程分為經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論兩個(gè)部分。經(jīng)典控制理論在20世紀(jì)50年代末形成了較為完整的體系，主要以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，研究單輸入、單輸出反饋控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問(wèn)題，其基本內(nèi)容有時(shí)包括歷法、頻域法、根軌跡法等?，F(xiàn)代控制理論在20世紀(jì)60年代古典控制理論的基礎(chǔ)上，根據(jù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工程實(shí)踐的需要迅速發(fā)展。以狀態(tài)空間法為

3、基礎(chǔ)，研究多變量、變化參數(shù)、非線(xiàn)性、高精度等各種復(fù)雜控制系統(tǒng)的分析和綜合問(wèn)題，其基本內(nèi)容為線(xiàn)性系統(tǒng)基本理論、系統(tǒng)識(shí)別、最優(yōu)控制等。近年來(lái)計(jì)算機(jī)和現(xiàn)代應(yīng)用數(shù)學(xué)研究的迅速發(fā)展，向控制理論繼續(xù)深度方向發(fā)展。目前，正在深入基于自動(dòng)控制理論控制論、信息論、仿生學(xué)的智能控制理論。1.2自動(dòng)控制的基本方法、1.2.1開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)、1.2.2閉環(huán)控制系統(tǒng)、1.2示例：保持輸出電壓不變，使發(fā)電機(jī)正常供電，輸出電壓為了使數(shù)控機(jī)床加工合格的部件，數(shù)控機(jī)床的工作臺(tái)或刀架的變位量牙齒，準(zhǔn)確地按照轉(zhuǎn)移指令轉(zhuǎn)移。為了保證爐子合格產(chǎn)品的生產(chǎn)，必須嚴(yán)格控制爐子溫度。其中，發(fā)電機(jī)、機(jī)床、爐子是操作的機(jī)械設(shè)備。電壓、刀架位移量、爐

4、溫是指示這些機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的物理參數(shù)。額定電壓、輸送指令、指定的爐溫是對(duì)運(yùn)行中工作狀態(tài)的物理參數(shù)的要求?？刂茖?duì)象或目標(biāo)：我們將需要這種控制的工作人員、設(shè)備稱(chēng)為控制對(duì)象或目標(biāo)。發(fā)電機(jī)、機(jī)床等。輸出量(控制量):指示這些機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)所需的物理參數(shù)稱(chēng)為控制量(輸出量)。上述電壓、刀架位移量、爐溫等。輸入量(控制量):必須保持這些機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)值?；蛘?，為了使目標(biāo)的動(dòng)作達(dá)到所需目標(biāo)而輸入的量稱(chēng)為輸入量(控制量)。上述額定電壓、輸送命令、指定的爐溫。擾動(dòng)量：產(chǎn)出量偏離所需目標(biāo)或阻礙目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的物理量稱(chēng)為擾動(dòng)量。上述負(fù)荷的變化和原始動(dòng)機(jī)速度的變化等?？刂频娜蝿?wù)實(shí)際上是形成控制作用的規(guī)律，無(wú)論是否

5、有擾動(dòng)，控制對(duì)象的輸出量都能滿(mǎn)足給定值的要求。即x(t)輸入量y(t)輸出量。1.2.1開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，1，以工作原理直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)為例，說(shuō)明開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的工作原理。使用直流電動(dòng)機(jī)D驅(qū)動(dòng)需要以恒定速度旋轉(zhuǎn)的載荷，如圖1-2-1所示。電機(jī)電樞兩端加電壓Ua，可控硅功率放大器整流輸出電壓Ua的大小由電位器R的指定電壓Ur調(diào)整。如果電位器提供特定電壓Ur牙齒，放大器、觸發(fā)器和硅功率放大器輸出電壓Ua將添加到電動(dòng)機(jī)D的兩端，電動(dòng)機(jī)以該速度驅(qū)動(dòng)載荷。如果負(fù)荷需要以固定速度旋轉(zhuǎn)，則只需指定相應(yīng)的固定電壓Ua。如果電位器滑動(dòng)端的位置發(fā)生變化，指定電壓Ur牙齒相應(yīng)地發(fā)生變化，硅整流器的輸出電壓Ua也相

6、應(yīng)地發(fā)生變化，電動(dòng)機(jī)D的旋轉(zhuǎn)速度也發(fā)生變化。因此，可以看到電動(dòng)機(jī)D在電位器滑動(dòng)端的一個(gè)位置以相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)速度N運(yùn)行。達(dá)到了控制電動(dòng)機(jī)d速度的目的。馬達(dá)負(fù)載變更時(shí)，馬達(dá)速度偏離指定的旋轉(zhuǎn)速度值。要保持指定的轉(zhuǎn)速，操作員必須檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，將其與指定值進(jìn)行比較以確定偏差值，操作員必須相應(yīng)地調(diào)整電位器滑動(dòng)端位置，將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速恢復(fù)為指定值。圖1-2-1直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，2，在牙齒轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)D是控制對(duì)象。速度n是控制量。電壓Ur是控制量。負(fù)荷波動(dòng)，晶閘管電源電壓變化等是擾動(dòng)量。在牙齒系統(tǒng)中，放大器、觸發(fā)器和硅整流器稱(chēng)為控制器。3、由上而下分析：Mfzn，需要人為調(diào)整：UrUan

7、。換句話(huà)說(shuō)，定量直接作用于通過(guò)控制器控制的對(duì)象?？刂屏縉不能對(duì)數(shù)量Ur產(chǎn)生反影響。因此，只能以控制量控制對(duì)輸出量(控制量)產(chǎn)生影響的控制量，控制量不能反向影響控制量的控制系統(tǒng)稱(chēng)為開(kāi)環(huán)控制。4，開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)可以用結(jié)構(gòu)圖表示，如圖1-2-2所示。貼圖可以表示牙齒系統(tǒng)的輸入量和輸出量之間的關(guān)系。如圖所示，輸入量直接作用于通過(guò)控制器控制的對(duì)象，因此只有輸入量會(huì)影響輸出量。有擾動(dòng)時(shí)，沒(méi)有人介入，產(chǎn)出量不能按照輸入量預(yù)期的狀態(tài)工作。1.2.2閉環(huán)控制系統(tǒng)，圖1-2-3所示的系統(tǒng)是閉環(huán)控制系統(tǒng)。在圖中，由于CF是測(cè)量直流電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)速度并將旋轉(zhuǎn)速度轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電壓Ucf的速度測(cè)量電動(dòng)機(jī)，因此速度測(cè)量電動(dòng)機(jī)輸出電

8、壓Ucf比率與電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)速度N成正比。Ucf反饋將輸入側(cè)與給定電壓Ur進(jìn)行比較，結(jié)果電壓差Ue=Ur-Ucf稱(chēng)為偏差。偏差電壓Ue通過(guò)控制器控制電動(dòng)機(jī)d的速度。電位器滑動(dòng)端位于特定位置時(shí)，電動(dòng)機(jī)將以指定的速度旋轉(zhuǎn)。由于外部或內(nèi)部干擾(例如負(fù)載突然增加、馬達(dá)速度降低、馬達(dá)速度變更等)，速度測(cè)量馬達(dá)偵測(cè)到。此時(shí)反饋電壓Ucf減少，偏差電壓Ue增加，整流電壓Ua提高，電機(jī)速度上升，減少或消除電機(jī)速度偏差。上述分析：MfznUcfUe=Ur-UcfUan，不要人為調(diào)整。也就是說(shuō)，閉環(huán)控制需要測(cè)量輸出量，在輸入端從輸入量中減去偏差，然后通過(guò)偏差直接控制消除偏差。因此，整個(gè)控制系統(tǒng)形成閉合回路。我們通過(guò)直

9、接或間接輸入輸出量反饋形成閉環(huán)，參與控制的系統(tǒng)稱(chēng)為閉環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)根據(jù)負(fù)反饋原理進(jìn)行偏差控制，因此也稱(chēng)為反饋控制系統(tǒng)或偏差控制系統(tǒng)。圖1-2-3直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)，原理圖中輸入-輸出端的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通道稱(chēng)為前通道。從輸出到輸入端，通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通道，輸出信號(hào)也可以參與控制。這稱(chēng)為反饋通道。將系統(tǒng)輸出的全部或部分作為輸入返回稱(chēng)為反饋。從系統(tǒng)的輸入側(cè)和輸入量中減去輸出量被稱(chēng)為負(fù)反饋，相反，是積極的反饋。最后總結(jié)了開(kāi)環(huán)和閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：(1)在開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)中，只有輸入量控制輸出量。從控制結(jié)構(gòu)上看，只有前通道，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。閉環(huán)控制系統(tǒng)除了前向通道外，還有反饋通道。閉環(huán)控制系統(tǒng)由

10、前通道和反饋通道組成，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。(2)閉環(huán)控制系統(tǒng)抑制內(nèi)外各種形式的干擾，對(duì)干擾不敏感。因此，可以使用精度低、成本低的組件配置控制精度高的系統(tǒng)。開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的控制精度完全由高精度元件和有效的抗干擾措施保證。(3)對(duì)于閉環(huán)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性始終是最重要的問(wèn)題。穩(wěn)定性是閉環(huán)控制系統(tǒng)正常運(yùn)行的必要條件。對(duì)于開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，沒(méi)有不穩(wěn)定的問(wèn)題或容易解決。反饋控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各種產(chǎn)業(yè)部門(mén)。在某些系統(tǒng)中，將開(kāi)環(huán)和閉環(huán)相結(jié)合的系統(tǒng)稱(chēng)為復(fù)合控制系統(tǒng)。圖1-2-5所示。在牙齒書(shū)中，我們重點(diǎn)研究閉環(huán)控制系統(tǒng)。(a)根據(jù)輸入作用補(bǔ)償，(b)根據(jù)擾動(dòng)作用補(bǔ)償，圖1-2-5復(fù)合控制的典型方框，復(fù)合控制基本上可

11、以基于閉環(huán)控制添加輸入信號(hào)(給定或擾動(dòng))的前饋信道，以獲得精確的控制效果。示例1-2-1液面控制系統(tǒng)如圖1-2-6所示。運(yùn)行容器的面額高度必須保持不變。簡(jiǎn)述其工作原理，繪制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖。圖1-2-6閉環(huán)液位控制系統(tǒng)，解決方案：控制對(duì)象是容器，液位高度H必須是輸出量。浮體沿面值上下波動(dòng)，反映面值的實(shí)際高度H，或表示實(shí)際高度與輸入高度的偏差Hr-H，相當(dāng)于測(cè)量系數(shù)。浮驅(qū)動(dòng)桿，杠桿驅(qū)動(dòng)閥1通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)入容器的流量來(lái)控制面額高度，因此杠桿相當(dāng)于放大和執(zhí)行因素。通過(guò)以上分析，系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)圖可以如圖1-2-7所示繪制。起訴量為Hr，Hr-H被測(cè)定，系統(tǒng)屬于反饋控制方式。在額定需求流量Q2中，假設(shè)容器的面

12、額高度H與輸入值Hr完全相同，根據(jù)閥L的開(kāi)口度，進(jìn)入容器的液體流量Q1也完全等于Q2，則系統(tǒng)處于所需的運(yùn)行狀態(tài)。如果流量需要變化，例如小閥門(mén)2，Q2減少，進(jìn)入容器的液體流量Q1牙齒沒(méi)有變化，Q1Q2，面額高度上升，H變化引起浮筒上升，杠桿驅(qū)動(dòng)閥1牙齒小，Q1=Q2，減少Q(mào)1，直到面額高度變?yōu)槌?shù)。圖1-2-7閉環(huán)液位控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，杠桿的杠桿移動(dòng)，杠桿傳動(dòng)比增加，控制效果增強(qiáng)，浮標(biāo)移動(dòng)小，Q1牙齒大變化，以確保面額高度H的波動(dòng)量在允許的誤差范圍內(nèi)。但是，默認(rèn)情況下，在流量更改后，系統(tǒng)無(wú)法再將容器的面額高度H恢復(fù)為輸入值Hr。這與控制裝置各部分的特性有密切的關(guān)系。因此，采用控制量偏差控制的系統(tǒng)并

13、不意味著最終可以使輸出量等于輸入值，從而完全消除偏差。大衛(wèi)亞設(shè)，美國(guó)電視電視劇，錯(cuò)誤)是否徹底消除偏差，取決于系統(tǒng)內(nèi)部其他方面的定律。示例1-2-2爐溫度控制系統(tǒng)。圖1-2-8 (a)是火爐溫度控制系統(tǒng)的工作結(jié)構(gòu)圖，圖1-2-8 (b)是該系統(tǒng)的框圖。(a)，(b)，圖1-2-8加熱爐溫度控制系統(tǒng)原理圖和塊圖表，控制工作是保持爐溫T不變。系統(tǒng)的輸入量ur由電位器A滑動(dòng)端提供，爐溫T是系統(tǒng)輸出量。給出了Ur牙齒，確定了爐溫T。牙齒系統(tǒng)能克服內(nèi)外擾動(dòng)的影響，保持爐溫T為常量。自動(dòng)限制的原理如下：如果爐溫達(dá)到給定值并預(yù)先調(diào)整，反饋電壓uf必須等于給定電壓ur。即偏差電壓u=ur-uf=0，放大器B的

14、輸出電壓ud為0，執(zhí)行電動(dòng)機(jī)固定，調(diào)節(jié)器滑動(dòng)臂必須就位，調(diào)節(jié)器提供的功率可以保持爐子。系統(tǒng)受到干擾(例如，爐子內(nèi)的負(fù)荷增加或調(diào)節(jié)器電源電壓降低等)。降低爐溫T會(huì)導(dǎo)致供應(yīng)電壓uf下降，此時(shí)給定電壓ur牙齒保持不變，因此偏差電壓u=ur-uf0，反之亦然。示例1-2-3圖1-2-9是數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)閉環(huán)進(jìn)給控制系統(tǒng)。在圖中，xr是輸入變位命令，xc是工作臺(tái)位移量，工作臺(tái)是控制對(duì)象，直流電動(dòng)機(jī)齒輪傳動(dòng)和螺桿螺母是執(zhí)行機(jī)制，磁性用于測(cè)量工作臺(tái)的位移量是測(cè)量組件。圖1-2-9數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)閉環(huán)進(jìn)給控制系統(tǒng)，為了使工作臺(tái)根據(jù)輸入量執(zhí)行跟隨動(dòng)作，控制器同時(shí)接收輸入量xr和表示磁測(cè)表位移量的量xc。差異x=xr

15、-xc，差異X控制用直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪螺桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，移動(dòng)工作臺(tái)以減小差異。其結(jié)構(gòu)圖如圖1-2-10所示。圖1-2-10工作臺(tái)閉環(huán)進(jìn)給控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，1.2.3控制系統(tǒng)的基本組成部分，反饋控制是自動(dòng)控制理論研究的核心。根據(jù)控制對(duì)象和使用組件，自動(dòng)限制系統(tǒng)有多種形式。但是，從控制功能的角度來(lái)看，自動(dòng)限制系統(tǒng)通常由以下基本鏈接(基本組件)組成：(1)受控目標(biāo)或曹征目標(biāo)：表示要控制的設(shè)備或進(jìn)程。前面提到的發(fā)電機(jī)、機(jī)床、加熱爐等。(2)比較鏈接(元件比較):用于比較檢測(cè)到的輸出量和輸入量并生成偏差信號(hào)的元件。在大多數(shù)控制系統(tǒng)中，比較組件通常與測(cè)量組件或測(cè)量電路相結(jié)合。常用的功率比較因素包括差分放大器、網(wǎng)橋

16、電路等。(3)放大鏈接(放大組件):偏差信號(hào)通常很弱，不能直接用于驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象，因此需要放大。因此，控制系統(tǒng)必須具有放大鏈接。常用的放大組件包括放大器、硅整流器、液壓伺服放大器等。(4)可執(zhí)行部分(可執(zhí)行元件):用于實(shí)現(xiàn)控制行為以及直接操作控制目標(biāo)的元件。常用的執(zhí)行元件包括交流、直流伺服電動(dòng)機(jī)、液壓電動(dòng)機(jī)、變速器等。(5)檢查連結(jié)(測(cè)量元件):用來(lái)測(cè)量控制量的元件。測(cè)量元件的測(cè)量精度直接影響系統(tǒng)的控制精度，因此應(yīng)盡可能使用高精度的測(cè)量元件和合理的測(cè)量電路，如速度馬達(dá)、編碼器、自角度機(jī)器等。(6)校正鏈接(校正因子):控制性能要求高的系統(tǒng)或復(fù)雜的系統(tǒng)，為了提高系統(tǒng)的控制性能和提高控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量，需要向系統(tǒng)添加校正鏈接。在工程中稱(chēng)為調(diào)節(jié)器，通常通過(guò)連接或反饋連接到系統(tǒng)。簡(jiǎn)單的校準(zhǔn)元件可以是RC網(wǎng)絡(luò)，復(fù)雜的校準(zhǔn)裝置可以是微電腦。上述組件構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)可以對(duì)信號(hào)傳輸和轉(zhuǎn)換功能抽象控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1-2-11所示。分析自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，找出以下問(wèn)題是分析自動(dòng)控制系統(tǒng)工作原理的有效方法。(1)控制對(duì)