自動控制系統(tǒng)第八版課件.ppt

1 自動控制原理 教材 現(xiàn)代控制系統(tǒng) 第八版 Dorf R C BishopR H 著 謝紅衛(wèi)等譯 高等教育出版社 2001 06 授課老師 瞿福存 聯(lián)系方式 Email qufc 課件密碼 student 總學(xué)時 64 其中講課學(xué)時56 實驗學(xué)時8 2 自動控制原理 胡壽松主編的 自動控制原理 第五版 李友善主編 自動控制原理 機械工業(yè)出版社黃忠霖編著 控制系統(tǒng)MATLAB計算及仿真 國防工業(yè)出版社胡壽松主編 自動控制原理習(xí)題集 第2版 科學(xué)出版社劉坤主編 MATLAB自動控制原理習(xí)題精解 國防工業(yè)出版社 主要教學(xué)參考書 3 自動控制原理 本課程性質(zhì) 專業(yè)基礎(chǔ)課 考核方式 閉卷考試 成績評定方法 考試占70 其它占30 課堂紀(jì)律及作業(yè)等 4 自動控制原理 課程的主要內(nèi)容及學(xué)時分配 第一章控制系統(tǒng)導(dǎo)論6第二章控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型8第三章線性系統(tǒng)的時域分析法10第四章線性系統(tǒng)的根軌跡分析法6第五章線性系統(tǒng)的頻域分析法10第六章反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計8第七章數(shù)字控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計8 5 第一章控制系統(tǒng)導(dǎo)論 本章主要內(nèi)容 自動控制的一般概念自動控制系統(tǒng)舉例控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)自動控制簡史控制系統(tǒng)設(shè)計概述設(shè)計實例循序漸進(jìn)設(shè)計示例 6 第一節(jié)自動控制的一般概念 控制 使被控對象按照控制者的意愿運動 系統(tǒng) 是由一些相互聯(lián)系 相互制約的若干組成部分結(jié)合而成的 具有特定功能的一個有機整體 從三個方面理解系統(tǒng)的概念 1 系統(tǒng)是由若干要素 部分 組成的 2 系統(tǒng)有一定的結(jié)構(gòu) 3 系統(tǒng)有一定的功能 或者說系統(tǒng)要有一定的目的性 第一章控制系統(tǒng)導(dǎo)論 7 自動控制 在沒有人直接參與的情況下 利用外加的設(shè)備或裝置 使機器 設(shè)備或生產(chǎn)過程的某個工作狀態(tài)或參數(shù)自動地按照預(yù)定的規(guī)律運行 自動控制系統(tǒng) 為了實現(xiàn)自動控制任務(wù) 將被控對象和控制裝置按照一定的方式連接起來組成的一個有機整體 自動控制理論 是研究自動控制共同規(guī)律的一門技術(shù)科學(xué) 第一章控制系統(tǒng)導(dǎo)論 8 第二節(jié)自動控制系統(tǒng)舉例 例1 1 以機器人為單元的無人化工廠 第一章控制系統(tǒng)導(dǎo)論 9 例1 2 墻面清洗機器人 第一章控制系統(tǒng)導(dǎo)論 10 例1 3 機械手 第一章控制系統(tǒng)導(dǎo)論 11 例1 4 導(dǎo)彈 自動飛行到預(yù)定目標(biāo) 第一章控制系統(tǒng)導(dǎo)論 12 例1 5 無人駕駛飛機 按照預(yù)定航線飛行 第一章控制系統(tǒng)導(dǎo)論 13 例1 6 人造衛(wèi)星 在預(yù)定軌道飛行 第一章控制系統(tǒng)導(dǎo)論 14 例1 7 電熱水器 將水加熱到設(shè)定溫度 第一章控制系統(tǒng)導(dǎo)論 15 例1 8 全自動洗衣機 按設(shè)定程序洗衣服 第一章控制系統(tǒng)導(dǎo)論 16 自動控制的作用與重要性 把人從繁重的危險的工作中解放出來礦井掘井 核電站檢查消防 救火 無人偵察機 導(dǎo)彈 無人 完成人無法完成的工作管道機器人 水下6000米機器人 比人干得更快 更好 極大地提高生產(chǎn)力從自動化生產(chǎn)線上生產(chǎn)的產(chǎn)品 質(zhì)量越來越好 價格越來越低 第一章控制系統(tǒng)導(dǎo)論 17 管理 經(jīng)濟 金融過程智能化樓宇管理自動化 電 氣 水 消防報警全自動管理 辦公自動化 交通自動化 自助銀行等 自動化在經(jīng)濟生活中應(yīng)用越來越廣泛 幾乎無處不在 自動化技術(shù)是高科技的集中體現(xiàn)與應(yīng)用 注 在工業(yè)過程 或經(jīng)濟生活 中采用自動控制代替人工控制 稱之為自動化 第一章控制系統(tǒng)導(dǎo)論 18 第三節(jié)控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu) 第一章控制系統(tǒng)導(dǎo)論 例1 9 調(diào)節(jié)容器液面位置的人工閉環(huán)控制系統(tǒng) 19 第一章控制系統(tǒng)導(dǎo)論 20 第一章控制系統(tǒng)導(dǎo)論 例1 10 汽車方向控制系統(tǒng) 21 第一章控制系統(tǒng)導(dǎo)論 22 例1 11 人工控制恒溫箱 控制過程 1觀測恒溫箱內(nèi)的溫度 被控制量 2與要求的溫度 給定值 進(jìn)行比較得到溫度偏差的大小和方向3根據(jù)偏差大小和方向調(diào)節(jié)調(diào)壓器 控制加熱電阻絲的電流以調(diào)節(jié)溫度回復(fù)到要求值 第一章控制系統(tǒng)導(dǎo)論 23 例1 11 人工控制恒溫箱 續(xù) 人工控制恒溫箱方塊圖 第一章控制系統(tǒng)導(dǎo)論 24 例1 12恒溫箱自動控制系統(tǒng) 控制過程 1恒溫箱實際溫度由熱電偶轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電壓u22恒溫箱期望溫度由電壓u1給定 并與實際溫度u2比較得到溫度偏差信號 u u1 u23溫度偏差信號經(jīng)放大后 驅(qū)動執(zhí)行電動機調(diào)節(jié)電流 直到溫度達(dá)到給定值為止 此時 偏差 u 0 電機停止轉(zhuǎn)動 第一章控制系統(tǒng)導(dǎo)論 25 例1 12 恒溫箱自動控制系統(tǒng) 續(xù) 第一章控制系統(tǒng)導(dǎo)論 26 用偏差值產(chǎn)生控制調(diào)節(jié)作用去消除偏差 使得輸出量維持期望的輸出 控制系統(tǒng)的工作過程 檢測輸出量 被控制量 的實際值 將輸出量的實際值與給定值 輸入量 進(jìn)行比較得出偏差 第一章控制系統(tǒng)導(dǎo)論 27 反饋控制原理 為了實現(xiàn)被控對象的狀態(tài)或參數(shù)按預(yù)定規(guī)律運行 需要獲取被控對象的反饋信息 控制裝置根據(jù)反饋信息對被控對象施加控制作用 用來不斷修正輸出量與預(yù)定規(guī)律的偏差 將系統(tǒng)的輸出量反送到輸入端 與輸入量相比較產(chǎn)生偏差 根據(jù)偏差確定控制信號 驅(qū)動執(zhí)行器操作以減小或消除偏差 實現(xiàn)控制目標(biāo) 第一章控制系統(tǒng)導(dǎo)論 28 控制系統(tǒng)的基本組成 第一章控制系統(tǒng)導(dǎo)論 29 被控對象 要求實現(xiàn)自動控制的設(shè)備或過程 被控量 輸出量 指被控對象的輸出 控制量 控制器施加給被控對象的控制信號 輸入量 參考輸入 作用于控制系統(tǒng)輸入端 并可實現(xiàn)使系統(tǒng)具有預(yù)定性能或預(yù)定輸出的物理量 第一章控制系統(tǒng)導(dǎo)論 30 偏差 參考輸入與反饋信號之間的差值 誤差 期望輸出與實際輸出之間的偏差 擾動 指外界或系統(tǒng)內(nèi)部影響系統(tǒng)輸出的干擾信號 反饋 指取出輸出量送回到輸入端并與輸入信號相比較產(chǎn)生偏差的過程 第一章控制系統(tǒng)導(dǎo)論 31 前向通道 從輸入端沿箭頭方向到輸出端的傳輸通道 反饋通道 從輸出端到輸入端的反方向通道 控制系統(tǒng)的基本控制方式 反饋控制方式 閉環(huán)控制 開環(huán)控制方式復(fù)合控制方式 第一章控制系統(tǒng)導(dǎo)論 32 反饋控制方式 反饋控制是按偏差進(jìn)行控制的 其特點是輸出端和輸入端之間存在反饋回路 是自動控制理論主要的研究對象 第一章控制系統(tǒng)導(dǎo)論 33 開環(huán)控制方式 開環(huán)控制是指控制器與被控對象間只有順向作用而無反向聯(lián)系的控制過程 其特點是系統(tǒng)的輸出量不會對系統(tǒng)的控制作用發(fā)生影響 第一章控制系統(tǒng)導(dǎo)論 34 開環(huán)控制的兩種控制方式 按給定量控制 控制作用直接由系統(tǒng)的輸入量產(chǎn)生 給定一個輸入量 就有一個輸出量與之對應(yīng) 控制精度完全取決于所用的元件及校準(zhǔn)的精度 第一章控制系統(tǒng)導(dǎo)論 35 按擾動控制 通過對擾動信號的測量產(chǎn)生控制作用 以補償擾動對輸出量的影響 第一章控制系統(tǒng)導(dǎo)論 36 復(fù)合控制方式 復(fù)合控制方式是指按偏差控制和按擾動控制相結(jié)合的控制方式 是反饋控制和開環(huán)控制的有機結(jié)合 第一章控制系統(tǒng)導(dǎo)論 37 開環(huán)控制和閉環(huán)控制的比較 開環(huán)控制1 輸出不影響輸入 對輸出不需要測量 通常容易實現(xiàn) 2 組成系統(tǒng)的元部件精度高 系統(tǒng)的精度才能高 3 系統(tǒng)的穩(wěn)定性不是主要問題 閉環(huán)控制1 輸出影響輸入 所以能削弱或抑制干擾 2 低精度元件可組成高精度系統(tǒng) 3 因為可能發(fā)生超調(diào) 振蕩 所以穩(wěn)定性很重要 第一章控制系統(tǒng)導(dǎo)論 38 例題家用電冰箱溫控系統(tǒng) 試寫出系統(tǒng)的被控對象 被控量 輸入量和擾動量 工作原理 畫出系統(tǒng)方框圖 第一章控制系統(tǒng)導(dǎo)論 39 被控對象 冰箱 被控量 輸入量 控制器設(shè)定值 代表溫度的期望值 擾動量 開門時的外界溫度 解 冰箱內(nèi)溫度 工作原理 控制器設(shè)定溫度與冰箱內(nèi)溫度比較 如果設(shè)定溫度高于冰箱內(nèi)溫度 則繼電器接通 壓縮機工作 使冰箱溫度下降 直到冰箱內(nèi)溫度達(dá)到希望溫度 此時繼電器斷開 壓縮機停止工作 第一章控制系統(tǒng)導(dǎo)論 40 家用電冰箱溫控系統(tǒng)方框圖如下 第一章控制系統(tǒng)導(dǎo)論 41 作業(yè)1 E1 1 P1 1 P1 6 P1 7 P1 19 P1 20 P1 24 只寫題號 可以不抄題 第一章控制系統(tǒng)導(dǎo)論 42 第四節(jié)自動控制簡史 人類的夢想 讓機器自動工作 減輕人的腦力和體力勞動 人們普遍認(rèn)可的最早的自動反饋控制器是 1769年瓦特發(fā)明的蒸汽機離心調(diào)速器 第一章控制系統(tǒng)導(dǎo)論 43 第一章控制系統(tǒng)導(dǎo)論 44 第一章控制系統(tǒng)導(dǎo)論 瓦特離心調(diào)速器在調(diào)速過程中存在不穩(wěn)定現(xiàn)象 設(shè)備變得發(fā)狂 當(dāng)時并沒有理論指導(dǎo) 所有的努力都集中在改進(jìn)調(diào)速器本身 重量 彈簧 摩擦 控制理論的起始 僅有實踐是不夠的 麥克斯維爾 MAXWELL 把調(diào)節(jié)器跟調(diào)節(jié)對象合在一起 看作一個系統(tǒng) 用微分方程來進(jìn)行研究 指出微分方程的特征根在左半面或右半面 決定著系統(tǒng)穩(wěn)定與否 45 第一章控制系統(tǒng)導(dǎo)論 1877年 麥克斯維爾的學(xué)生勞斯提出了勞斯代數(shù)穩(wěn)定性判據(jù) 并獲得了亞當(dāng)獎 有了理論的指導(dǎo) 才能更好地實踐 1895年 胡爾維茨也提出了本質(zhì)上與勞斯判據(jù)一致的代數(shù)穩(wěn)定性判據(jù) 并在穩(wěn)定性理論的指導(dǎo)下 為瑞士達(dá)沃斯電廠的一個蒸汽機設(shè)計了一個調(diào)速系統(tǒng) 胡爾維茨被認(rèn)為是真正運用控制理論 來指導(dǎo)設(shè)計控制系統(tǒng)的第一人 46 第一章控制系統(tǒng)導(dǎo)論 到了二十世紀(jì)40年代 尼可爾斯深入研究了PID Proportion Integral Differential 調(diào)節(jié)問題 他在MIT僅有的一臺模擬機 又叫微分分析儀 上做了大量的仿真實驗 最后列出來了PID的整定表 控制工程中 有一項工作歷經(jīng)60多年 至今還在使用的 這就是尼可爾斯編排的這個PID整定表 1950年以前 稱為經(jīng)典控制理論時期 1950年以后 稱為現(xiàn)代控制理論時期 47 第一章控制系統(tǒng)導(dǎo)論 經(jīng)典控制理論時期的主要代表人物還有 伯德 H W Bode 1945年提出了簡便而實用的伯德圖法 伊文思 W R Evans 1948年提出了直觀而又形象的根軌跡法 維納 1948年發(fā)表了著名的 控制論 關(guān)于在動物和機器中控制和通訊的科學(xué) 標(biāo)志著自動控制理論的誕生 48 第一章控制系統(tǒng)導(dǎo)論 經(jīng)典控制理論與現(xiàn)代控制理論比較 49 第五節(jié)控制系統(tǒng)設(shè)計概述 明確用戶要求論證設(shè)計要求開發(fā)多種解決方案選定解決方案并加以詳細(xì)技術(shù)設(shè)計和技術(shù)實現(xiàn) 工程設(shè)計是工程師的中心工作 學(xué)以致用 設(shè)計是為了達(dá)到特定的目的 構(gòu)思或創(chuàng)造系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 組成和技術(shù)細(xì)節(jié)的過程 設(shè)計的主要步驟是 第一章控制系統(tǒng)導(dǎo)論 50 工程設(shè)計的限制條件 成本 時間和效率 工程設(shè)計是一個循環(huán)往復(fù)的過程 控制系統(tǒng)設(shè)計是工程設(shè)計的特例 也是逐步確定系統(tǒng)控制變量 設(shè)計指標(biāo) 結(jié)構(gòu)配置 選擇關(guān)鍵參數(shù) 以滿足實際需求的過程 控制系統(tǒng)設(shè)計的主要步驟是 第一章控制系統(tǒng)導(dǎo)論 51 第一章控制系統(tǒng)導(dǎo)論 52 第六節(jié)設(shè)計實例 轉(zhuǎn)臺速度控制系統(tǒng)概要設(shè)計 第一章控制系統(tǒng)導(dǎo)論 在設(shè)計例題中 將按照 控制系統(tǒng)設(shè)計步驟 給出的工作流程進(jìn)行 背景 許多裝置 如 CD DVD 硬盤 留聲機等 利用轉(zhuǎn)臺驅(qū)動盤片均速旋轉(zhuǎn) 要在電機和其它部件發(fā)生變化的情況下保持盤片恒定的旋轉(zhuǎn)速度 53 目標(biāo) 設(shè)計一個使盤片保持恒定旋轉(zhuǎn)速度的轉(zhuǎn)臺 被控變量 轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)速度 第一章控制系統(tǒng)導(dǎo)論 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成 轉(zhuǎn)臺 被控對象 DC電動機 執(zhí)行機構(gòu) 放大器 控制裝置 轉(zhuǎn)速計 測量裝置 電池 電源 設(shè)計指標(biāo) 實際轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)速度與給定轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)速度誤差小 54 第一章控制系統(tǒng)