自動控制原理第一章

1、自動控制原理自動控制原理 任課教師：徐先峰任課教師：徐先峰 教材：鄢景華教材：鄢景華. . 自動控制原理自動控制原理( (修訂版修訂版).). 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社. 2000. 2000年年 E-mail： 自動控制原理自動控制原理2 2021-8-8 n 關(guān)于本課程的幾點說明關(guān)于本課程的幾點說明 n 自動控制系統(tǒng)的基本概念自動控制系統(tǒng)的基本概念 從人工控制到自動控制從人工控制到自動控制 例題分析例題分析 n 自動控制的基本方式自動控制的基本方式 開環(huán)控制開環(huán)控制 閉環(huán)控制閉環(huán)控制 自動控制原理自動控制原理3 2021-8-8 自動控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用自動控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用

2、 課程的性質(zhì)和特點課程的性質(zhì)和特點 考試考試 自動控制研究的主要內(nèi)容自動控制研究的主要內(nèi)容 教材的章節(jié)結(jié)構(gòu)及授課安排教材的章節(jié)結(jié)構(gòu)及授課安排 自動控制原理自動控制原理4 2021-8-8 自動控制原理自動控制原理5 2021-8-8 自動控制原理自動控制原理6 2021-8-8 自動控制原理自動控制原理7 2021-8-8 自動控制原理自動控制原理8 2021-8-8 自動控制原理自動控制原理9 2021-8-8 自動控制原理自動控制原理10 2021-8-8 高溫高壓滅菌器高溫高壓滅菌器 自動控制原理自動控制原理11 2021-8-8 n 很重要很重要 方法論、理論性強(qiáng)方法論、理論性強(qiáng) “橋

3、梁橋梁”作用、滲透作用作用、滲透作用 n 能學(xué)好能學(xué)好 邏輯性、系統(tǒng)性強(qiáng)、環(huán)環(huán)相扣不雜亂邏輯性、系統(tǒng)性強(qiáng)、環(huán)環(huán)相扣不雜亂 相關(guān)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)相關(guān)數(shù)學(xué)基礎(chǔ) 多練習(xí)多練習(xí) 注重概念注重概念 n 另外注意另外注意教材、內(nèi)容取舍教材、內(nèi)容取舍 目標(biāo)、深度。目標(biāo)、深度。 胡壽松胡壽松, , 自動控制原理自動控制原理, , 科學(xué)出版社科學(xué)出版社 自動控制原理自動控制原理12 2021-8-8 本課程采取閉卷考試：本課程采取閉卷考試： 總成績總成績= =期末成績期末成績* *80%+80%+平時成績平時成績* *20%20% 平時成績：作業(yè)平時成績：作業(yè) and and 考勤考勤 自動控制原理自動控制原理+ +現(xiàn)

4、代控制理論：是相關(guān)專業(yè)現(xiàn)代控制理論：是相關(guān)專業(yè) 的考研科目的考研科目 自動控制原理自動控制原理13 2021-8-8 數(shù)學(xué)工具數(shù)學(xué)工具 分析方法分析方法局限性局限性 控制控制 理論理論 微分方程，微分方程， 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 時域法時域法 頻域法頻域法 根軌跡法根軌跡法 對復(fù)雜多變量對復(fù)雜多變量 系統(tǒng)、時變和系統(tǒng)、時變和 非線性系統(tǒng)無非線性系統(tǒng)無 能為力能為力 現(xiàn)代現(xiàn)代 控制控制 理論理論 微分方程微分方程 組、矩陣組、矩陣 理論理論 狀態(tài)狀態(tài) 空間法空間法 比較繁瑣比較繁瑣 （但由于計（但由于計 算機(jī)技術(shù)的算機(jī)技術(shù)的 迅速發(fā)展，迅速發(fā)展， 已克服已克服) ) 自動控制原理自動控制原理14 2

5、021-8-8 自動控制原理自動控制原理 經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論 非線性控制系統(tǒng)非線性控制系統(tǒng) 第第 二二 章章 第第 三三 章章 第第 四四 章章 第第 五五 章章 第第 六六 章章 第第 八八 章章 第第 七七 章章 線性控制系統(tǒng)線性控制系統(tǒng) 連續(xù)控制系統(tǒng)連續(xù)控制系統(tǒng)離散控制系統(tǒng)離散控制系統(tǒng) 自動控制原理自動控制原理15 2021-8-8 從人工控制到自動控制從人工控制到自動控制 例題分析例題分析 自動控制原理自動控制原理16 2021-8-8數(shù)控車床數(shù)控車床 自動控制原理自動控制原理17 2021-8-8 自動控制原理自動控制原理18 2021-8-8 速度低速

6、度低 精度低精度低 效率低效率低 不適應(yīng)惡劣環(huán)境不適應(yīng)惡劣環(huán)境 不能進(jìn)行復(fù)雜控制不能進(jìn)行復(fù)雜控制 人工控制的不足之處：人工控制的不足之處： 自動控制原理自動控制原理19 2021-8-8 帶載直流電動機(jī)帶載直流電動機(jī) ？如何？如何 保持保持 不變不變 自動控制原理自動控制原理20 2021-8-8 電動機(jī)轉(zhuǎn)速人工控制系統(tǒng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速人工控制系統(tǒng) ia w。 Mfti(t) iB ua 激磁繞組 減速器 負(fù)載 E 放大器 ur 轉(zhuǎn)速表 人的作用？人的作用？ 自動控制原理自動控制原理21 2021-8-8 w w 如何實現(xiàn)自動如何實現(xiàn)自動 控制？控制？ 自動控制原理自動控制原理22 2021-8-8

7、 在沒有人直接參與的情況下，通過控制器在沒有人直接參與的情況下，通過控制器 使被控制對象或過程自動地按照預(yù)定的規(guī)律使被控制對象或過程自動地按照預(yù)定的規(guī)律 運行。運行。 自動控制原理自動控制原理23 2021-8-8 Mfz ia i(t) iB ua 激磁繞組 減速器 負(fù)載 測速發(fā)電機(jī)激磁 u2 uc + _ W2 _ 放大器 + _ u + + _ W1 u1 電動機(jī)轉(zhuǎn)速自動控制系統(tǒng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速自動控制系統(tǒng) u= u1- u2 控制控制過程過程 TG 基本術(shù)語基本術(shù)語 自動控制原理自動控制原理24 2021-8-8 (u1 u2 ) = u ua u2 uc Mfz 自動控制原理自動控制原理2

8、5 2021-8-8 自動控制原理自動控制原理26 2021-8-8 W1u1 r(t) c(t) W2 u2 y(t) 自動控制原理自動控制原理27 2021-8-8 f(t) u2 u1 () t e ua 自動控制原理自動控制原理28 2021-8-8 Mfz ia i(t) iB ua 激磁繞組 減速器 負(fù)載 測速發(fā)電機(jī)激磁 u2 uc + _ W2 _ 放大器 + _ u + + _ W1 u1 電動機(jī)轉(zhuǎn)速自動控制系統(tǒng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速自動控制系統(tǒng) u= u1- u2 Review 負(fù)反饋負(fù)反饋 穩(wěn)定性穩(wěn)定性 自動控制原理自動控制原理29 2021-8-8 功能框功能框功能 信號線信號線 比

9、較點比較點 引出點引出點 自動控制原理自動控制原理30 2021-8-8 電動機(jī)轉(zhuǎn)速自動控制系統(tǒng)方框圖 直流電機(jī) 測速發(fā)電機(jī) W1 0 放大器 u ua W2 uc u1 u2 參考輸入?yún)⒖驾斎雛(t) 被控制量被控制量c(t) 反饋量反饋量y(t) Mfz 干擾量干擾量f(t) 偏差量偏差量 () t e e 自動控制原理自動控制原理31 2021-8-8 反饋反饋 環(huán)節(jié)環(huán)節(jié) 參考輸參考輸 入入r(t) 被控被控 對象對象 被控制被控制 量量c(t) 反饋量反饋量y(t) 干擾量干擾量f(t) 偏差偏差 量量 控制控制 環(huán)節(jié)環(huán)節(jié) 控制量控制量( ) te 比較環(huán)節(jié)比較環(huán)節(jié) 自動控制原理自動控

10、制原理32 2021-8-8 自動控制原理自動控制原理33 2021-8-8 是指，系統(tǒng)的被控制量對系統(tǒng)的控是指，系統(tǒng)的被控制量對系統(tǒng)的控 制作用沒有影響。或者說，系統(tǒng)輸出端與輸入端制作用沒有影響?；蛘哒f，系統(tǒng)輸出端與輸入端 之間不存在反饋回路（只有前向通道沒有反饋通之間不存在反饋回路（只有前向通道沒有反饋通 道）。道）。 參考輸參考輸 入入 被控制量被控制量 控制器控制器 被控制被控制 對象對象 擾動擾動 自動控制原理自動控制原理34 2021-8-8 ia w。 Mfti(t) iB ua 激磁繞組 減速器 負(fù)載 E 放大器 ur 直流電機(jī)W1 0 放大器 urua Mfz 干擾量干擾量f

11、(t) 電動機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)及其方框圖 自動控制原理自動控制原理35 2021-8-8 按照預(yù)先給定值按照預(yù)先給定值( (參考輸入?yún)⒖驾斎? )控制，一定的給控制，一定的給 定值對應(yīng)一定的輸出量。信號從輸入到輸出無反定值對應(yīng)一定的輸出量。信號從輸入到輸出無反 饋饋, ,信號信號單向傳遞單向傳遞。 結(jié)構(gòu)簡單結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉。，成本低廉。 抗干擾能力差：抗干擾能力差：系統(tǒng)的控制精度取決于系統(tǒng)系統(tǒng)的控制精度取決于系統(tǒng) 事先的調(diào)整精度事先的調(diào)整精度, ,無法抑制擾動。因此，多用于無法抑制擾動。因此，多用于 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)穩(wěn)定、擾動信號較弱、或者對精度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)穩(wěn)定、擾動信號較弱、或者對精度 要求不高的

12、場合。要求不高的場合。 自動控制原理自動控制原理36 2021-8-8 是指：系統(tǒng)的輸出端與輸入端之間是指：系統(tǒng)的輸出端與輸入端之間 存在反饋回路；或者說，系統(tǒng)的輸出量直接或間存在反饋回路；或者說，系統(tǒng)的輸出量直接或間 接地參與了系統(tǒng)的控制作用。其接地參與了系統(tǒng)的控制作用。其方框圖方框圖如下：如下： 反饋反饋 環(huán)節(jié)環(huán)節(jié) 參考輸參考輸 入入r(t) 被控被控 對象對象 被控制被控制 量量c(t) 反饋量反饋量y(t) 干擾量干擾量f(t) 偏差偏差 量量 控制控制 環(huán)節(jié)環(huán)節(jié) 控制量控制量( ) te 比較環(huán)節(jié)比較環(huán)節(jié) 自動控制原理自動控制原理37 2021-8-8 ia Mfzi(t) 放大器

13、iB ua ur 激磁繞組 減速器 負(fù)載 測速發(fā)電機(jī)激磁 + _ u u2 uc + + _ + _ _ W1 W2 u1 電動機(jī)轉(zhuǎn)速自動控制系統(tǒng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速自動控制系統(tǒng) 自動控制原理自動控制原理38 2021-8-8 信號有反向傳遞：信號有反向傳遞：傳遞輸出影響輸入，所傳遞輸出影響輸入，所 以能削弱或抑制干擾以能削弱或抑制干擾( (往往為負(fù)反饋往往為負(fù)反饋) )； 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但是低精度元件可組成高精度但是低精度元件可組成高精度 系統(tǒng)；系統(tǒng)； 因為可能發(fā)生超調(diào)，振蕩，所以因為可能發(fā)生超調(diào)，振蕩，所以穩(wěn)定性穩(wěn)定性很很 重要。重要。 自動控制原理自動控制原理39 2021-8-8 自動控制

14、原理自動控制原理40 2021-8-8 n 簡要回顧簡要回顧 n 控制系統(tǒng)舉例控制系統(tǒng)舉例 隨動系統(tǒng)隨動系統(tǒng) 定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)定值調(diào)節(jié)系統(tǒng) n 控制系統(tǒng)的組成及基本要求控制系統(tǒng)的組成及基本要求 自動控制原理自動控制原理41 2021-8-8 反饋反饋 環(huán)節(jié)環(huán)節(jié) 參考輸參考輸 入入r(t) 被控被控 對象對象 被控制被控制 量量c(t) 反饋量反饋量y(t) 干擾量干擾量f(t) 偏差偏差 量量 控制控制 環(huán)節(jié)環(huán)節(jié) 控制量控制量( ) te 比較環(huán)節(jié)比較環(huán)節(jié) 自動控制原理自動控制原理42 2021-8-8 自動控制原理自動控制原理43 2021-8-8 定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)定值調(diào)節(jié)系統(tǒng) 隨動系統(tǒng)隨動系統(tǒng) 線

15、性系統(tǒng)線性系統(tǒng) 非線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng) 連續(xù)系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng) 離散系統(tǒng)離散系統(tǒng) 自動控制原理自動控制原理44 2021-8-8 單變量控制系統(tǒng)單變量控制系統(tǒng) 多變量控制系統(tǒng)多變量控制系統(tǒng) 有定差控制系統(tǒng)有定差控制系統(tǒng) 無定差控制系統(tǒng)無定差控制系統(tǒng) 定常控制系統(tǒng)定?？刂葡到y(tǒng) 時變控制系統(tǒng)時變控制系統(tǒng) 自動控制原理自動控制原理45 2021-8-8 n ，如果參考輸入信號為，如果參考輸入信號為 一任意時間函數(shù)，其變化規(guī)律無法預(yù)先予以確一任意時間函數(shù)，其變化規(guī)律無法預(yù)先予以確 定，則承受這類輸入信號的閉環(huán)控制系統(tǒng)叫做定，則承受這類輸入信號的閉環(huán)控制系統(tǒng)叫做 n 例如，火炮系統(tǒng)，衛(wèi)星控制系統(tǒng)等。例如，火炮系

16、統(tǒng)，衛(wèi)星控制系統(tǒng)等。 自動控制原理自動控制原理46 2021-8-8 U Ui i u u0 0 i 0 - + M n u u 電壓 放大 功率 放大 負(fù)載 自整角機(jī)自整角機(jī) 自動控制原理自動控制原理47 2021-8-8 0( ) t ua 放大器 u 減速器電機(jī)K1 1( ) t 火炮隨動系統(tǒng)方框圖火炮隨動系統(tǒng)方框圖 自整角機(jī)測角線路自整角機(jī)測角線路 自動控制原理自動控制原理48 2021-8-8 n 也稱也稱：如果反饋控制系統(tǒng)的參考：如果反饋控制系統(tǒng)的參考 輸入信號輸入信號r(t)r(t)為恒定的常量，則稱這類反饋控為恒定的常量，則稱這類反饋控 制系統(tǒng)為制系統(tǒng)為。 n 在生產(chǎn)過程中，這

17、類系統(tǒng)非常多。例如，在生產(chǎn)過程中，這類系統(tǒng)非常多。例如， 冶金部門的恒溫系統(tǒng)，石油部門的恒壓系統(tǒng)等。冶金部門的恒溫系統(tǒng)，石油部門的恒壓系統(tǒng)等。 自動控制原理自動控制原理49 2021-8-8 自動控制原理自動控制原理50 2021-8-8 電爐爐溫控制系統(tǒng)方框圖電爐爐溫控制系統(tǒng)方框圖 區(qū)分不同的控制系統(tǒng)，在分析和設(shè)計控制系區(qū)分不同的控制系統(tǒng)，在分析和設(shè)計控制系 統(tǒng)時，考慮的要素側(cè)重點不同。統(tǒng)時，考慮的要素側(cè)重點不同。 自動控制原理自動控制原理51 2021-8-8 自動控制原理自動控制原理52 2021-8-8 閉環(huán)系統(tǒng)的基本組成閉環(huán)系統(tǒng)的基本組成: : 1 1、測量元件、測量元件 2 2、比

18、較元件、比較元件 3 3、放大元件、放大元件 4 4、執(zhí)行元件、執(zhí)行元件 5 5、校正元件、校正元件 自動控制原理自動控制原理53 2021-8-8 n 過渡過程及穩(wěn)態(tài)過渡過程及穩(wěn)態(tài) n 穩(wěn)定性穩(wěn)定性 對恒值系統(tǒng)，要求當(dāng)系統(tǒng)受到擾動后，經(jīng)過一對恒值系統(tǒng)，要求當(dāng)系統(tǒng)受到擾動后，經(jīng)過一 定時間的調(diào)整能夠回到原來的期望值。定時間的調(diào)整能夠回到原來的期望值。 對隨動系統(tǒng)，被控制量始終跟蹤參考量的變化。對隨動系統(tǒng)，被控制量始終跟蹤參考量的變化。 穩(wěn)定性是對反饋控制系統(tǒng)提出的穩(wěn)定性是對反饋控制系統(tǒng)提出的最基本要求最基本要求， 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。 線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)決定，與外界線性系統(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)。因素?zé)o關(guān)。 自動控制原理自動控制原理54 2021-8-8 x(t) 1 0t (a) y(t) 1 0t (b) 1 1 2 t0t0 1 g(t) (c)(d) g(t) 自動控制原理自動控制原理55 2021-8-8 n 準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性 系統(tǒng)的準(zhǔn)確性利用系統(tǒng)的準(zhǔn)確性利用穩(wěn)態(tài)精度穩(wěn)態(tài)精度來表征，而穩(wěn)來表征，而穩(wěn) 態(tài)精度通過態(tài)精度通過穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)誤差來衡量。來衡量。 在參考輸入信號作用下，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)