第1章機械自動化

1、東北大學自動控制原理課程組1 東北大學自動控制原理課程組2 n為適應我國對高等學校自動化專業(yè)人才培為適應我國對高等學校自動化專業(yè)人才培 養(yǎng)的需要，充分、合理運用先進教育教學養(yǎng)的需要，充分、合理運用先進教育教學 技術，我們根據(jù)東北大學自動化專業(yè)的教技術，我們根據(jù)東北大學自動化專業(yè)的教 學大綱制作了本電子教案。學大綱制作了本電子教案。 n由于時間和水平有限，這里只提供了滿足由于時間和水平有限，這里只提供了滿足 課堂教學要求的基本信息。課堂教學要求的基本信息。 n希望本教案能夠為使用相關教材的教師提希望本教案能夠為使用相關教材的教師提 供方便，并歡迎提出批評和意見。供方便，并歡迎提出批評和意見。 東

2、北大學自動控制原理課程組3 東北大學自動控制原理課程組4 東北大學自動控制原理課程組5 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 n開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng) n閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成和基本環(huán)節(jié)閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成和基本環(huán)節(jié) n自動控制系統(tǒng)的類型自動控制系統(tǒng)的類型 n自動控制系統(tǒng)的性能指標自動控制系統(tǒng)的性能指標 n小結小結 東北大學自動控制原理課程組6 學習重點學習重點 v了解自動控制系統(tǒng)的基本結構和特點及其工了解自動控制系統(tǒng)的基本結構和特點及其工 作原理作原理 v了解閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成和基本環(huán)節(jié)了解閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成和基本環(huán)節(jié) v掌握反饋控制系統(tǒng)的基本要求及反饋控制系掌握反饋控制系統(tǒng)的基本要求及

3、反饋控制系 統(tǒng)的作用統(tǒng)的作用 v學會分析自動控制系統(tǒng)的類型及本質(zhì)特征學會分析自動控制系統(tǒng)的類型及本質(zhì)特征 東北大學自動控制原理課程組7 課程的性質(zhì)和特點課程的性質(zhì)和特點 自動控制是一門技術學科，從方法論的角自動控制是一門技術學科，從方法論的角 度來研究系統(tǒng)的建立、分析與設計問題。度來研究系統(tǒng)的建立、分析與設計問題。 自動控制原理自動控制原理是本學科的技術基礎課。是本學科的技術基礎課。 東北大學自動控制原理課程組8 本課程與其它課程的關系本課程與其它課程的關系 自動控制原理自動控制原理 電路理論電路理論 電機與拖動電機與拖動 大學物理大學物理 信號與系統(tǒng)信號與系統(tǒng) 復變函數(shù)復變函數(shù) 拉氏變換拉氏

4、變換 模擬電子技術模擬電子技術 線性代數(shù)線性代數(shù) 微積分微積分 各各 類類 專業(yè)課專業(yè)課 線性系統(tǒng)線性系統(tǒng) 現(xiàn)代控現(xiàn)代控 制理論制理論 東北大學自動控制原理課程組9 自動控制是在沒有人的直接干預下，利用物自動控制是在沒有人的直接干預下，利用物 理裝置對生產(chǎn)設備和工藝過程進行合理的控制，理裝置對生產(chǎn)設備和工藝過程進行合理的控制， 使被控制的物理量保持恒定，或者按照一定的規(guī)使被控制的物理量保持恒定，或者按照一定的規(guī) 律變化，例如礦井提升機的速度控制、軋鋼廠加律變化，例如礦井提升機的速度控制、軋鋼廠加 熱爐溫度的控制等等。熱爐溫度的控制等等。 自動控制系統(tǒng)是為實現(xiàn)某一控制目標所需要自動控制系統(tǒng)是為實

5、現(xiàn)某一控制目標所需要 的所有物理部件的有機組合體。的所有物理部件的有機組合體。 東北大學自動控制原理課程組10 例1-1 溫度控制系統(tǒng) 性能指標性能指標 工作過程工作過程 220V u c 2 1 東北大學自動控制原理課程組11 12 擾動量擾動量 給定量給定量 輸出量輸出量 1 - 執(zhí)行器執(zhí)行器(自耦變壓器自耦變壓器) 2 - 被控對象被控對象(電阻爐電阻爐) 圖中：圖中： 東北大學自動控制原理課程組12 （1 1）開環(huán)控制）開環(huán)控制 只有輸入量對輸出量產(chǎn)生控制作用，輸 出量不參與對系統(tǒng)的控制。 （2 2）開環(huán)控制特點）開環(huán)控制特點 n輸入量與輸出量一一對應 n輸出量不參與控制 沒有抗干擾能

6、力 東北大學自動控制原理課程組13 例1-2 溫度閉環(huán)控制系統(tǒng) （1 1）人工閉環(huán)控制 220V 1 2 uc 東北大學自動控制原理課程組14 （2 2）自動閉環(huán)控制）自動閉環(huán)控制 閉環(huán)控制系統(tǒng)圖 1-熱電偶 2-加熱器 東北大學自動控制原理課程組15 給定量給定量 閉環(huán)控制結構圖 1-控制器 2-控制對象 3-檢測裝置 東北大學自動控制原理課程組16 閉環(huán)控制閉環(huán)控制 把輸出量的一部分檢測出來,反饋到輸入端,與 給定信號進行比較，產(chǎn)生偏差,此偏差經(jīng)過控制器產(chǎn) 生控制作用,使輸出量按照要求的規(guī)律變化。 反饋信號與給定信號極性相反為負反饋,反之為 正反饋。 閉環(huán)閉環(huán)控制特點控制特點 n輸入量與輸

7、出量一一對應 n輸出量參與控制 n具有抗干擾能力 東北大學自動控制原理課程組17 1.1.閉環(huán)控制系統(tǒng)的結構圖閉環(huán)控制系統(tǒng)的結構圖 1-給定環(huán)節(jié)；給定環(huán)節(jié)；2-比較環(huán)節(jié)；比較環(huán)節(jié)；3-校正環(huán)節(jié)；校正環(huán)節(jié)；4-放大環(huán)節(jié)；放大環(huán)節(jié)； 5-執(zhí)行機構；執(zhí)行機構；6-被控對象；被控對象；7-檢測裝置檢測裝置 東北大學自動控制原理課程組18 2.2.閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本環(huán)節(jié)閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本環(huán)節(jié) （1 1）控制對象或調(diào)節(jié)對象 要進行控制的設備或過程。 （2 2）執(zhí)行機構 一般由傳動裝置和調(diào)節(jié)機構組成。執(zhí)行機構直接 作用于控制對象，使被控制量達到所要求的數(shù)值。 （3 3）檢測裝置或傳感器 該裝置用來檢測被控制

8、量，并將其轉換為與給定 量相同的物理量。 東北大學自動控制原理課程組19 （4）給定環(huán)節(jié) 設定被控制量的給定值的裝置。 （5）比較環(huán)節(jié) 將所檢測的被控制量與給定量進行比較，確定 兩者之間的偏差量。 （6）中間環(huán)節(jié) 一般包括比較環(huán)節(jié)和校正環(huán)節(jié)。 東北大學自動控制原理課程組20 (1) 被控對象 (2) 被控量或輸出量 (3) 控制量 (4) 設定量或輸入量 (5) 擾動量 (6) 反饋量 (7) 偏差量 3.3.閉環(huán)控制系統(tǒng)中的基本術語閉環(huán)控制系統(tǒng)中的基本術語 (8) 前向通道或正向通道 (9) 反饋通道或反向通道 (10) 理想輸出 (11) 實際輸出 東北大學自動控制原理課程組21 1 1）

9、線性系統(tǒng)）線性系統(tǒng) 由線性元件組成的系統(tǒng)，其微分方程中輸出量及其各階 導數(shù)都是一次的，并且各系數(shù)與輸入量（自變量）無關。 2 2）非線性系統(tǒng)）非線性系統(tǒng) 存在非線性元件的系統(tǒng)，其微分方程式的系數(shù)與自變量 有關。 東北大學自動控制原理課程組22 1 1）連續(xù)系統(tǒng)）連續(xù)系統(tǒng) 系統(tǒng)各部分的信號都是連續(xù)的模擬量。 2 2）離散系統(tǒng)）離散系統(tǒng) 系統(tǒng)的一處或幾處，信號是以脈沖序列或數(shù)碼 的形式傳遞。 東北大學自動控制原理課程組23 1 1）恒值系統(tǒng)）恒值系統(tǒng) 給定量是恒定不變的。 2 2）程序控制系統(tǒng)）程序控制系統(tǒng) 給定量是按照一定的時間函數(shù)變化的。 3 3）隨動系統(tǒng)）隨動系統(tǒng) 給定量按照事先未知的時間函

10、數(shù)變化。 東北大學自動控制原理課程組24 系統(tǒng)的過渡過程產(chǎn)生的原因系統(tǒng)的過渡過程產(chǎn)生的原因 ： 系統(tǒng)中儲能元件系統(tǒng)中儲能元件 的能量不可能突變。的能量不可能突變。 “穩(wěn)穩(wěn)”與與“快快”描述系統(tǒng)的動態(tài)（過渡過程）品質(zhì)。描述系統(tǒng)的動態(tài)（過渡過程）品質(zhì)。 “準準”描述系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)）品質(zhì)。描述系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)）品質(zhì)。 東北大學自動控制原理課程組25 穩(wěn)定性穩(wěn)定性 是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。 線性控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性由系統(tǒng)本身的結構與參線性控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性由系統(tǒng)本身的結構與參 數(shù)決定，與外部條件和初始狀態(tài)無關。數(shù)決定，與外部條件和初始狀態(tài)無關。 東北大學自動控制

11、原理課程組26 穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)誤差 當系統(tǒng)從一個穩(wěn)態(tài)過渡到新的穩(wěn)態(tài)，或系統(tǒng)受當系統(tǒng)從一個穩(wěn)態(tài)過渡到新的穩(wěn)態(tài)，或系統(tǒng)受 擾動作用又重新平衡后，系統(tǒng)可能會出現(xiàn)偏差，這擾動作用又重新平衡后，系統(tǒng)可能會出現(xiàn)偏差，這 種偏差稱為種偏差稱為穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)誤差。 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的大小反映了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的大小反映了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度精度， 它表明了系統(tǒng)控制的準確程度。穩(wěn)態(tài)誤差越小，則它表明了系統(tǒng)控制的準確程度。穩(wěn)態(tài)誤差越小，則 系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度越高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度越高。 東北大學自動控制原理課程組27 n有差系統(tǒng)（有差系統(tǒng)（圖圖a a ） 若穩(wěn)態(tài)誤差不為零，則系統(tǒng)稱為若穩(wěn)態(tài)誤差不為零，則系統(tǒng)稱為有差系統(tǒng)有差系統(tǒng)。

12、 n無差系統(tǒng)無差系統(tǒng)（圖（圖b b ） 若穩(wěn)態(tài)誤差為零，則系統(tǒng)稱為若穩(wěn)態(tài)誤差為零，則系統(tǒng)稱為無差系統(tǒng)無差系統(tǒng)。 (a a) (b b) 東北大學自動控制原理課程組28 東北大學自動控制原理課程組29 （1 1）最大超調(diào)量）最大超調(diào)量 輸出最大值與輸出穩(wěn)態(tài)值的相對誤差。輸出最大值與輸出穩(wěn)態(tài)值的相對誤差。 反映了系統(tǒng)的反映了系統(tǒng)的平穩(wěn)性平穩(wěn)性。最大超調(diào)量越小，則。最大超調(diào)量越小，則 說明系統(tǒng)過渡過程越平穩(wěn)。說明系統(tǒng)過渡過程越平穩(wěn)。 （2 2）上升時間）上升時間 指系統(tǒng)的輸出量第一次到達輸出穩(wěn)態(tài)值所對應指系統(tǒng)的輸出量第一次到達輸出穩(wěn)態(tài)值所對應 的時刻。的時刻。 cmax () %100% () c

13、c xx x r t 東北大學自動控制原理課程組30 （3 3）過渡過程時間（調(diào)節(jié)時間）過渡過程時間（調(diào)節(jié)時間） 系統(tǒng)的輸出量進入并一直保持在穩(wěn)態(tài)輸出值系統(tǒng)的輸出量進入并一直保持在穩(wěn)態(tài)輸出值 附近的允許誤差帶內(nèi)所需的時間。允許誤差附近的允許誤差帶內(nèi)所需的時間。允許誤差 帶寬度一般取穩(wěn)態(tài)輸出值的帶寬度一般取穩(wěn)態(tài)輸出值的2%2%或或5%5%。 調(diào)節(jié)時間的長短反映了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間的長短反映了系統(tǒng)的快速性快速性。調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié) 時間越小，系統(tǒng)的快速性越好。時間越小，系統(tǒng)的快速性越好。 （4 4）振蕩次數(shù)）振蕩次數(shù) 在調(diào)節(jié)時間內(nèi)，輸出量在穩(wěn)態(tài)值附近上下波在調(diào)節(jié)時間內(nèi)，輸出量在穩(wěn)態(tài)值附近上下波 動的次數(shù)。動的

14、次數(shù)。 它也反映系統(tǒng)的它也反映系統(tǒng)的平穩(wěn)性平穩(wěn)性。振蕩次數(shù)越少，說。振蕩次數(shù)越少，說 明系統(tǒng)的平穩(wěn)性越好。明系統(tǒng)的平穩(wěn)性越好。 s t 東北大學自動控制原理課程組31 1. 1. 開環(huán)控制系統(tǒng)結構簡單、穩(wěn)定性好，但不能自開環(huán)控制系統(tǒng)結構簡單、穩(wěn)定性好，但不能自 動補償擾動對輸出量的影響。當系統(tǒng)擾動量產(chǎn)動補償擾動對輸出量的影響。當系統(tǒng)擾動量產(chǎn) 生的偏差可以預先進行補償或影響不大時，采生的偏差可以預先進行補償或影響不大時，采 用開環(huán)控制是有利的。當擾動量無法預計或控用開環(huán)控制是有利的。當擾動量無法預計或控 制系統(tǒng)的精度達不到預期要求時，則應采用閉制系統(tǒng)的精度達不到預期要求時，則應采用閉 環(huán)控制。環(huán)

15、控制。 2. 2. 閉環(huán)控制系統(tǒng)具有反饋環(huán)節(jié)，它能依靠反饋環(huán)閉環(huán)控制系統(tǒng)具有反饋環(huán)節(jié)，它能依靠反饋環(huán) 節(jié)進行自動調(diào)節(jié)，以克服擾動對系統(tǒng)的影響。節(jié)進行自動調(diào)節(jié)，以克服擾動對系統(tǒng)的影響。 閉環(huán)控制極大地提高了系統(tǒng)的精度。但是閉環(huán)閉環(huán)控制極大地提高了系統(tǒng)的精度。但是閉環(huán) 使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，需要重視并加以解決。使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，需要重視并加以解決。 東北大學自動控制原理課程組32 3.3.自動控制系統(tǒng)通常由給定環(huán)節(jié)、檢測環(huán)節(jié)、自動控制系統(tǒng)通常由給定環(huán)節(jié)、檢測環(huán)節(jié)、 比較環(huán)節(jié)、放大元件、被控對象、和反饋環(huán)比較環(huán)節(jié)、放大元件、被控對象、和反饋環(huán) 節(jié)等部件組成。系統(tǒng)的作用量和被控量有：節(jié)等部件組成。系統(tǒng)的作用量和被控量有： 給定量、反饋量、擾動量、輸出量和各中間給定量、反饋量、擾動量、輸出量和各中間 變量。變量。 4.4.結構圖（又簡稱框圖）可直觀地表達系統(tǒng)各結構圖（又簡稱框圖）可直觀地表達系統(tǒng)各 環(huán)節(jié)（或各部件）間因果關系，可以表達各環(huán)節(jié)（或各部件）間因果關系，可以表達各 種作用量和中間變量的作用點和信號傳遞情種作用量和中間變量的作用點和信號傳遞情 況以及它們對輸出量的影響。況以及它們對輸出量的影響。 東北大學自動控制原理課程組33 5.5.在不同輸入量作用下對系