第1章 自動控制理論的一般概念

1、紅河學(xué)院自動化系自動控制原理自動控制原理 教學(xué)課件教學(xué)課件 紅河學(xué)院紅河學(xué)院 徐紹坤徐紹坤 gjxusk5712163.c0m 紅河學(xué)院自動化系紅河學(xué)院自動化系 17651765年，瓦特發(fā)明蒸汽機(jī)，用離心式調(diào)速器控制蒸氣機(jī)年，瓦特發(fā)明蒸汽機(jī)，用離心式調(diào)速器控制蒸氣機(jī) 19481948年，維納年，維納控制論或關(guān)于在動物和機(jī)器中控制和控制論或關(guān)于在動物和機(jī)器中控制和通通 信的科學(xué)信的科學(xué)產(chǎn)生產(chǎn)生 40406060年代年代 經(jīng)典控制理論（頻域法為主）經(jīng)典控制理論（頻域法為主） 60607070年代年代 現(xiàn)代控制理論（時域法為主現(xiàn)代控制理論（時域法為主) ) 7070年代以后年代以后 大系統(tǒng)控制理論大

2、系統(tǒng)控制理論自動控制：自動控制： 在沒有人直接參與的情況下，采用控制裝在沒有人直接參與的情況下，采用控制裝置或機(jī)械使被控制對象達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)置或機(jī)械使被控制對象達(dá)到預(yù)期的目標(biāo) 。發(fā)展簡史：發(fā)展簡史：紅河學(xué)院自動化系自動控制研究的內(nèi)容：自動控制研究的內(nèi)容：紅河學(xué)院自動化系研究對象研究對象 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經(jīng)典經(jīng)典控制控制理論理論單單I/OI/O線性定常線性定常系統(tǒng)系統(tǒng)微分方程微分方程，傳遞函，傳遞函數(shù)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多輸入多輸入- -

3、多多輸出變系輸出變系數(shù)，非線數(shù)，非線性等系統(tǒng)性等系統(tǒng)線性代數(shù)線性代數(shù)、矩陣?yán)?、矩陣?yán)碚撜摖顟B(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) )紅河學(xué)院自動化系紅河學(xué)院自動化系 控制裝置與被控對象之間只有順向作用而沒控制裝置與被控對象之間只有順向作用而沒有反向聯(lián)系的控制。有反向聯(lián)系的控制。溫度計溫度計 加熱電阻絲加熱電阻絲u220Vk爐溫開環(huán)控制系統(tǒng)爐溫開環(huán)控制系統(tǒng) 開關(guān)閉合后，不開關(guān)閉合后，不同的輸入電壓同的輸入電壓u u對應(yīng)于對應(yīng)于不同的溫度不同的溫度t t。紅河學(xué)院自動化系給定值給定值輸出量輸出量控制器控制器被控制被控制對象對象

4、擾動擾動輸出量輸出量 受控對象受控對象控制裝置控制裝置 (電源電源 )輸入量輸入量( (溫度溫度) )擾動量擾動量開關(guān)開關(guān)電爐恒電爐恒溫箱溫箱加熱電加熱電阻絲阻絲爐溫開環(huán)控制系統(tǒng)方框圖爐溫開環(huán)控制系統(tǒng)方框圖紅河學(xué)院自動化系控制方式控制方式： 按給定值操縱。信號由給定值至輸出量單向傳按給定值操縱。信號由給定值至輸出量單向傳遞。一定的給定值對應(yīng)一定的輸出量。系統(tǒng)的控制遞。一定的給定值對應(yīng)一定的輸出量。系統(tǒng)的控制精度取決于系統(tǒng)事先的調(diào)整精度。對于工作過程中精度取決于系統(tǒng)事先的調(diào)整精度。對于工作過程中受到的擾動或特性參數(shù)的變化無法自動補(bǔ)償。結(jié)構(gòu)受到的擾動或特性參數(shù)的變化無法自動補(bǔ)償。結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉

5、，多用于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)穩(wěn)定和擾動簡單，成本低廉，多用于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)穩(wěn)定和擾動信號較弱的場合信號較弱的場合. .開環(huán)控制系統(tǒng)特點：開環(huán)控制系統(tǒng)特點： 信號從輸入到輸出無反饋信號從輸入到輸出無反饋, ,單向傳遞單向傳遞. . 結(jié)構(gòu)簡單結(jié)構(gòu)簡單. . 控制精度不高控制精度不高, ,無法抑制擾動無法抑制擾動. .紅河學(xué)院自動化系紅河學(xué)院自動化系控制任務(wù)：控制任務(wù)：保持工作機(jī)械恒速運行保持工作機(jī)械恒速運行. .控制過程：控制過程： fanuuun紅河學(xué)院自動化系典型閉環(huán)系統(tǒng)方框圖典型閉環(huán)系統(tǒng)方框圖紅河學(xué)院自動化系特點特點: 輸出影響輸入，所以能削弱或抑制干輸出影響輸入，所以能削弱或抑制干擾；低精度元件可組

6、成高精度系統(tǒng)；因為擾；低精度元件可組成高精度系統(tǒng)；因為可能發(fā)生超調(diào)，振蕩，所以穩(wěn)定性很重要可能發(fā)生超調(diào)，振蕩，所以穩(wěn)定性很重要紅河學(xué)院自動化系 紅河學(xué)院自動化系主主 反反 饋饋 與輸出成正比或某種函數(shù)關(guān)系，但量綱與給定信號相同；與輸出成正比或某種函數(shù)關(guān)系，但量綱與給定信號相同；偏偏 差差 給定信號與主反饋信號之差的信號；給定信號與主反饋信號之差的信號；控制單元控制單元 接受偏差信號，通過轉(zhuǎn)換與運算，產(chǎn)生期望的控制量；接受偏差信號，通過轉(zhuǎn)換與運算，產(chǎn)生期望的控制量；擾擾 動動 對系統(tǒng)輸出產(chǎn)生不利影響的信號；對系統(tǒng)輸出產(chǎn)生不利影響的信號；反饋環(huán)節(jié)反饋環(huán)節(jié) 檢測輸出信號并轉(zhuǎn)換與給定輸入信號相同量綱的

7、信號。檢測輸出信號并轉(zhuǎn)換與給定輸入信號相同量綱的信號。紅河學(xué)院自動化系輸出量輸出量環(huán)節(jié)名稱環(huán)節(jié)名稱（或特性）（或特性）輸入量輸入量(a) (- -)(b)re=r-b b(c)c引出點引出點cc 擾動擾動被控量被控量偏差偏差信號信號 (- -) 參考參考 輸入信號輸入信號r(t) 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器(或控制器或控制器)u(t)受控系統(tǒng)受控系統(tǒng)e(t) c(t)反饋信號反饋信號 控制量控制量 給定給定 控制控制 環(huán)節(jié)環(huán)節(jié) 放大放大 元件元件 執(zhí)行執(zhí)行 機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu) 受控受控 對象對象 反饋裝置反饋裝置 (測量元件測量元件)紅河學(xué)院自動化系擾動擾動(b) 方框圖方框圖(- -)utug 給定給定 裝置裝置

8、放大器放大器 電動機(jī)電動機(jī) 轉(zhuǎn)速反轉(zhuǎn)速反 饋裝置饋裝置 觸發(fā)器觸發(fā)器 晶闡管可晶闡管可 控整流器控整流器控控 制制 裝裝 置置受控對象受控對象nueudo紅河學(xué)院自動化系 它是把按偏差控制與按擾動控制結(jié)合起來，對于主它是把按偏差控制與按擾動控制結(jié)合起來，對于主要擾動采用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償裝置實現(xiàn)按擾動控制，同時再組要擾動采用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償裝置實現(xiàn)按擾動控制，同時再組成反饋控制系統(tǒng)實現(xiàn)按偏差控制，以消除其余擾動產(chǎn)生成反饋控制系統(tǒng)實現(xiàn)按偏差控制，以消除其余擾動產(chǎn)生的偏差。的偏差。按擾動按擾動補(bǔ)償補(bǔ)償ou 輸入信號輸入信號 (- -) 電壓放電壓放大器大器功率放功率放大器大器 電動機(jī)電動機(jī)測速發(fā)測速發(fā)電機(jī)電機(jī)電

9、壓放電壓放大器大器電阻電阻R電動機(jī)速度復(fù)合控制系統(tǒng)方框圖電動機(jī)速度復(fù)合控制系統(tǒng)方框圖eutunMc紅河學(xué)院自動化系 也稱鎮(zhèn)定系統(tǒng)。輸出量以一定的精度等于也稱鎮(zhèn)定系統(tǒng)。輸出量以一定的精度等于給定值，而給定值一般不變化或變化很緩慢，給定值，而給定值一般不變化或變化很緩慢，擾動可隨時變化的系統(tǒng)稱為恒值系統(tǒng)，在生產(chǎn)擾動可隨時變化的系統(tǒng)稱為恒值系統(tǒng)，在生產(chǎn)過程中，這類系統(tǒng)非常多。例如，冶金部門的過程中，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。恒溫系統(tǒng)，石油部門的恒壓系統(tǒng)等。恒值系統(tǒng)：恒值系統(tǒng)：紅河學(xué)院自動化系 輸出量能以一定精度跟隨給定值輸出量能以一定精度跟隨給定值變化的系統(tǒng)稱隨

10、動系統(tǒng)，又稱為跟蹤變化的系統(tǒng)稱隨動系統(tǒng)，又稱為跟蹤系統(tǒng)。系統(tǒng)。這類系統(tǒng)的特點是系統(tǒng)的給定這類系統(tǒng)的特點是系統(tǒng)的給定值變化規(guī)律完全取決于事先不能確定值變化規(guī)律完全取決于事先不能確定的時間函數(shù)。例如，火炮系統(tǒng)，衛(wèi)星的時間函數(shù)。例如，火炮系統(tǒng)，衛(wèi)星控制系統(tǒng)等?？刂葡到y(tǒng)等。隨動系統(tǒng)：隨動系統(tǒng)：紅河學(xué)院自動化系控制任務(wù)：控制任務(wù)：要求工作機(jī)械能夠跟隨指令機(jī)構(gòu)同要求工作機(jī)械能夠跟隨指令機(jī)構(gòu)同步轉(zhuǎn)動步轉(zhuǎn)動, ,即要使工作機(jī)械的角位置跟隨給定指即要使工作機(jī)械的角位置跟隨給定指令轉(zhuǎn)角，亦即使：令轉(zhuǎn)角，亦即使：oi紅河學(xué)院自動化系 首先確定以下基本問題：首先確定以下基本問題：（1 1）受控對象）受控對象: : 工

11、作機(jī)械；工作機(jī)械；（2 2）被）被 控控 量量: : 角位置；角位置；（3 3）指令轉(zhuǎn)角）指令轉(zhuǎn)角: : 給定值；給定值；（4 4）測量元件）測量元件: : 通過兩個相同的電位計測量轉(zhuǎn)角及，并轉(zhuǎn)換為通過兩個相同的電位計測量轉(zhuǎn)角及，并轉(zhuǎn)換為 相應(yīng)的電壓及；相應(yīng)的電壓及；（5 5）計算比較）計算比較: : 兩個測量電位計的橋式連接，即完成了減法運算，兩個測量電位計的橋式連接，即完成了減法運算， 兩電刷之間的電壓代表了被控量對給定量的誤差；兩電刷之間的電壓代表了被控量對給定量的誤差；（6 6）執(zhí)行機(jī)械）執(zhí)行機(jī)械: : 電機(jī)減速裝置。電機(jī)減速裝置。系統(tǒng)的工作原理：系統(tǒng)的工作原理： 如果工作機(jī)械轉(zhuǎn)角等于

12、指令轉(zhuǎn)角，則經(jīng)事先整定，如果工作機(jī)械轉(zhuǎn)角等于指令轉(zhuǎn)角，則經(jīng)事先整定，即電機(jī)不動，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。當(dāng)指令轉(zhuǎn)角改變，隨之改變，而工即電機(jī)不動，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。當(dāng)指令轉(zhuǎn)角改變，隨之改變，而工作機(jī)械仍處于原位，則從而使電動機(jī)拖動工作機(jī)械朝所要求的方向快作機(jī)械仍處于原位，則從而使電動機(jī)拖動工作機(jī)械朝所要求的方向快速偏轉(zhuǎn)，直至電機(jī)停轉(zhuǎn)，此時系統(tǒng)在新的位置上處于與指令同步的平速偏轉(zhuǎn)，直至電機(jī)停轉(zhuǎn)，此時系統(tǒng)在新的位置上處于與指令同步的平衡工作狀態(tài)，即完成了跟隨的任務(wù)。衡工作狀態(tài)，即完成了跟隨的任務(wù)。紅河學(xué)院自動化系 自動控制系統(tǒng)的被控制量如果是根自動控制系統(tǒng)的被控制量如果是根據(jù)預(yù)先編好的程序進(jìn)行控制的系統(tǒng)

13、稱程據(jù)預(yù)先編好的程序進(jìn)行控制的系統(tǒng)稱程序控制系統(tǒng)。序控制系統(tǒng)。例如，煉鋼爐中的微機(jī)控例如，煉鋼爐中的微機(jī)控制系統(tǒng)，洲際彈道導(dǎo)彈的程序控制系統(tǒng)制系統(tǒng)，洲際彈道導(dǎo)彈的程序控制系統(tǒng)等。等。程序控制系統(tǒng)：程序控制系統(tǒng)：紅河學(xué)院自動化系穩(wěn)定性穩(wěn)定性 被控制信號能跟蹤已變化的輸入信號，從一種狀態(tài)到另一種狀態(tài)，如果被控制信號能跟蹤已變化的輸入信號，從一種狀態(tài)到另一種狀態(tài)，如果能做到，我們就認(rèn)為該系統(tǒng)是穩(wěn)定的，這是對反饋控制系統(tǒng)提出的最基本要能做到，我們就認(rèn)為該系統(tǒng)是穩(wěn)定的，這是對反饋控制系統(tǒng)提出的最基本要求。求。 快速性快速性對過渡過程的形式和快慢提出要求，一般稱為動態(tài)性能。對過渡過程的形式和快慢提出要求，

14、一般稱為動態(tài)性能。穩(wěn)定高射炮射角隨動系統(tǒng)，雖然炮身最終能跟蹤目標(biāo)，但如果目標(biāo)變動穩(wěn)定高射炮射角隨動系統(tǒng)，雖然炮身最終能跟蹤目標(biāo)，但如果目標(biāo)變動迅速，而炮身行動遲緩，仍然抓不住目標(biāo)。迅速，而炮身行動遲緩，仍然抓不住目標(biāo)。準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性用穩(wěn)態(tài)誤差來表示。用穩(wěn)態(tài)誤差來表示。在參考輸入信號作用下，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，其穩(wěn)態(tài)輸出與參考輸入所在參考輸入信號作用下，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，其穩(wěn)態(tài)輸出與參考輸入所要求的期望輸出之差叫做給定穩(wěn)態(tài)誤差。顯然，這種誤差越小，表示系統(tǒng)的要求的期望輸出之差叫做給定穩(wěn)態(tài)誤差。顯然，這種誤差越小，表示系統(tǒng)的輸出跟隨參考輸入的精度越高。輸出跟隨參考輸入的精度越高。紅河學(xué)院自動化系. .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。. .快速性快速性：動態(tài)性能，有指標(biāo)。動態(tài)性能，有指標(biāo)。. .準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性：穩(wěn)態(tài)（過度結(jié)束后的）值應(yīng)盡量與期望值一致。穩(wěn)態(tài)（過度結(jié)束后的）值應(yīng)盡量與期望值一致。tnn1(a)0(b)nt0n0n1t0n(c)n0t(e)n1n0t(d)n0n1n0t(f)紅河學(xué)院自動化系控制系統(tǒng)的分析