自動(dòng)控制緒論

1、第第1章章 緒論緒論1-1 1-1 自動(dòng)控制系統(tǒng)概述自動(dòng)控制系統(tǒng)概述1-2 1-2 控制系統(tǒng)的控制方式控制系統(tǒng)的控制方式1-3 1-3 控制系統(tǒng)的分類控制系統(tǒng)的分類 (Introduction to Control Systems)1-4 1-4 對(duì)控制系統(tǒng)的性能要求對(duì)控制系統(tǒng)的性能要求例例1 水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)系統(tǒng)中增加了：系統(tǒng)中增加了：控制器控制器電機(jī)電機(jī)加入給定信號(hào)加入給定信號(hào)工作原理：工作原理：檢測實(shí)際溫度檢測實(shí)際溫度產(chǎn)生控制信號(hào)產(chǎn)生控制信號(hào) 通過電機(jī)調(diào)通過電機(jī)調(diào)節(jié)閥門的開度節(jié)閥門的開度 從而調(diào)節(jié)蒸從而調(diào)節(jié)蒸汽流入，控制汽流入，控制水的溫度水的溫度. 實(shí)實(shí)現(xiàn)沒有人直接現(xiàn)沒

2、有人直接參與的自動(dòng)水參與的自動(dòng)水溫控制溫控制.1-1 自動(dòng)控制系統(tǒng)概述自動(dòng)控制系統(tǒng)概述例例 2 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)直流電機(jī)直流電機(jī)測速發(fā)電機(jī)測速發(fā)電機(jī)電源和放電源和放 大裝置大裝置負(fù)載負(fù)載系統(tǒng)組成：系統(tǒng)組成：UnUf給定電壓給定電壓反饋電壓反饋電壓e=Un-Uf 轉(zhuǎn)速取決轉(zhuǎn)速取決于給定電壓于給定電壓與反饋電壓與反饋電壓的差值。的差值。1-1 自動(dòng)控制系統(tǒng)概述自動(dòng)控制系統(tǒng)概述 為了方便地分析系統(tǒng)性能，一般用為了方便地分析系統(tǒng)性能，一般用框圖來表示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖來表示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 要使自動(dòng)控制系統(tǒng)滿足工程實(shí)際的需要使自動(dòng)控制系統(tǒng)滿足工程實(shí)際的需要要 , 必須研究

3、自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)與必須研究自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)與系統(tǒng)性能之間的關(guān)系。系統(tǒng)性能之間的關(guān)系。unufeudn_直流電動(dòng)機(jī)直流電動(dòng)機(jī)放大器放大器測速機(jī)測速機(jī)實(shí)際實(shí)際溫度溫度偏差偏差反饋量反饋量預(yù)期預(yù)期溫度溫度_控制器控制器執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥門閥門水箱水箱檢測裝置檢測裝置例例1的框圖的框圖例例2的框圖的框圖自動(dòng)控制：自動(dòng)控制： 在無人直接參與下，利用控制裝置操縱受在無人直接參與下，利用控制裝置操縱受控對(duì)象，使受控對(duì)象的被控量按給定信號(hào)變化?？貙?duì)象，使受控對(duì)象的被控量按給定信號(hào)變化。自動(dòng)控制系統(tǒng)：自動(dòng)控制系統(tǒng)：由相互關(guān)聯(lián)、相互作用的一些物體或元部由相互關(guān)聯(lián)、相互作用的一些物體或元部件構(gòu)成的且具有

4、一定規(guī)律的整體。能夠完成自件構(gòu)成的且具有一定規(guī)律的整體。能夠完成自動(dòng)控制的系統(tǒng)。動(dòng)控制的系統(tǒng)。 最優(yōu)控制：最優(yōu)控制：系統(tǒng)已定，確定輸入以使輸出盡可能符合系統(tǒng)已定，確定輸入以使輸出盡可能符合 給定的最佳要求；給定的最佳要求；自動(dòng)控制原理研究的內(nèi)容：自動(dòng)控制原理研究的內(nèi)容：系統(tǒng)分析：系統(tǒng)分析：系統(tǒng)已定，輸入已知，求系統(tǒng)的輸出；系統(tǒng)已定，輸入已知，求系統(tǒng)的輸出；最優(yōu)設(shè)計(jì)：最優(yōu)設(shè)計(jì)： 輸入已知，確定系統(tǒng)以使輸出盡可能滿足輸入已知，確定系統(tǒng)以使輸出盡可能滿足 給定的最佳要求的；給定的最佳要求的；濾波和預(yù)測：濾波和預(yù)測：輸出已知，確定能識(shí)別輸入（或輸入中輸出已知，確定能識(shí)別輸入（或輸入中 的信息）的系統(tǒng)；

5、的信息）的系統(tǒng)；系統(tǒng)辨識(shí)：系統(tǒng)辨識(shí)： 輸入和輸出均已知，求系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)輸入和輸出均已知，求系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與參數(shù) （數(shù)學(xué)模型）。（數(shù)學(xué)模型）。被控對(duì)象：被控對(duì)象：系統(tǒng)控制和操作的對(duì)象，被控制的系統(tǒng)控制和操作的對(duì)象，被控制的 機(jī)器、設(shè)備、過程或系統(tǒng)。機(jī)器、設(shè)備、過程或系統(tǒng)。自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成放大裝置：放大裝置：放大偏差信號(hào)，以適合控制器執(zhí)行。放大偏差信號(hào)，以適合控制器執(zhí)行。 控制器：控制器： 直接驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象的裝置。直接驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象的裝置。 反饋裝置：反饋裝置：被控量檢測出來，并產(chǎn)生反饋信號(hào)的裝置。被控量檢測出來，并產(chǎn)生反饋信號(hào)的裝置。輸入量：輸入量：希望的被控對(duì)象運(yùn)動(dòng)規(guī)律或狀態(tài)

6、的物理量希望的被控對(duì)象運(yùn)動(dòng)規(guī)律或狀態(tài)的物理量 （參考輸入、給定量）。（參考輸入、給定量）。 偏差偏差 量：量：被控對(duì)象的輸入量，是偏差量的函數(shù)，可被控對(duì)象的輸入量，是偏差量的函數(shù)，可 將偏差量看作控制量。將偏差量看作控制量。被控制量：被控制量：反映被控對(duì)象運(yùn)動(dòng)規(guī)律或狀態(tài)的物理量，即反映被控對(duì)象運(yùn)動(dòng)規(guī)律或狀態(tài)的物理量，即 是系統(tǒng)的輸出量。是系統(tǒng)的輸出量。干擾量：干擾量：除輸入信號(hào)外，對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響的信號(hào)。除輸入信號(hào)外，對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響的信號(hào)。 1 1開環(huán)控制：開環(huán)控制：控制裝置與受控對(duì)象之間只有控制裝置與受控對(duì)象之間只有順向作用而無反向聯(lián)系。順向作用而無反向聯(lián)系。 加熱爐加熱爐 閥閥 門門

7、預(yù)期溫度預(yù)期溫度實(shí)際溫度實(shí)際溫度例：爐溫控制例：爐溫控制 燃燒器燃燒器1-2 1-2 控制系統(tǒng)的控制方式控制系統(tǒng)的控制方式開環(huán)控制特點(diǎn)：開環(huán)控制特點(diǎn)： 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制過程簡單；抗干擾能力差，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制過程簡單；抗干擾能力差，控制精度低，用于控制性能要求不高的場合?？刂凭鹊?，用于控制性能要求不高的場合。2 2閉環(huán)控制閉環(huán)控制: :控制裝置與受控對(duì)象之間，不但控制裝置與受控對(duì)象之間，不但有順向作用，而且還有反向聯(lián)系有順向作用，而且還有反向聯(lián)系. .例例 爐溫自動(dòng)控制爐溫自動(dòng)控制加熱爐加熱爐電動(dòng)閥門電動(dòng)閥門放大器放大器比較器比較器預(yù)期溫度預(yù)期溫度實(shí)際溫度實(shí)際溫度反饋量反饋量偏差量偏差量干擾干擾

8、閉環(huán)控制的特點(diǎn)：閉環(huán)控制的特點(diǎn)： 減小或消除由于擾動(dòng)所形成的偏差值，具有較高減小或消除由于擾動(dòng)所形成的偏差值，具有較高的控制精度和較強(qiáng)的抗擾能力的控制精度和較強(qiáng)的抗擾能力。閉環(huán)控制又稱為閉環(huán)控制又稱為反饋控制反饋控制或或按偏差控制按偏差控制。Tbuu1uTrubuu1uT溫度傳感器溫度傳感器放大器放大器3 3復(fù)合控制：復(fù)合控制：前饋控制前饋控制+ +反饋控制反饋控制前饋控制前饋控制給定值給定值被控制量被控制量_受控對(duì)象受控對(duì)象 檢測元件檢測元件控制器控制器(a) (a) 按輸入前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制按輸入前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制 測量出外部作用，形成與外部作用相反的控制測量出外部作用，形成與外部作用相反

9、的控制量與外部作用共同使被控量基本不受影響。量與外部作用共同使被控量基本不受影響。前饋控制前饋控制擾動(dòng)擾動(dòng)_檢測元件檢測元件被控制量被控制量給定值給定值控制器控制器 受控對(duì)象受控對(duì)象(b) (b) 按擾動(dòng)前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制按擾動(dòng)前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制2、 按輸入信號(hào)分按輸入信號(hào)分：3、按系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型分、按系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型分：時(shí)變時(shí)變 定常定常連續(xù)連續(xù) 離散離散線性線性 非線性非線性恒值恒值 程序程序 隨動(dòng)隨動(dòng)開環(huán)開環(huán) 閉環(huán)閉環(huán) 復(fù)合復(fù)合 恒值系統(tǒng)輸入為定值，控制任務(wù)是克服擾動(dòng)，使輸出為恒值。恒值系統(tǒng)輸入為定值，控制任務(wù)是克服擾動(dòng)，使輸出為恒值。1-3 1-3 控制系統(tǒng)的分類控制系統(tǒng)的分類 1、按信號(hào)流

10、向分、按信號(hào)流向分： 程序控制系統(tǒng)的輸入按確定的函數(shù)關(guān)系變化，要求被控制量隨程序控制系統(tǒng)的輸入按確定的函數(shù)關(guān)系變化，要求被控制量隨之變化。之變化。 隨動(dòng)系統(tǒng)的輸入按事先不知道的時(shí)間函數(shù)關(guān)系變化，被控制隨動(dòng)系統(tǒng)的輸入按事先不知道的時(shí)間函數(shù)關(guān)系變化，被控制量跟隨其變化。量跟隨其變化。線性微分方程或線性差分方程描述的系統(tǒng)為線性微分方程或線性差分方程描述的系統(tǒng)為線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)。不能用線性微分方程描述的系統(tǒng)為不能用線性微分方程描述的系統(tǒng)為線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)。4、按系統(tǒng)方程系數(shù)分、按系統(tǒng)方程系數(shù)分：定常：系統(tǒng)方程的系數(shù)不是時(shí)間變量的函數(shù)。定常：系統(tǒng)方程的系數(shù)不是時(shí)間變量的函數(shù)。時(shí)變：系統(tǒng)方程的系數(shù)是時(shí)間變

11、量的函數(shù)。時(shí)變：系統(tǒng)方程的系數(shù)是時(shí)間變量的函數(shù)。5、按系統(tǒng)時(shí)間變量特征分、按系統(tǒng)時(shí)間變量特征分：連續(xù)系統(tǒng)中所有的信號(hào)都是時(shí)間連續(xù)系統(tǒng)中所有的信號(hào)都是時(shí)間 t 的連續(xù)函數(shù)（模擬量）。的連續(xù)函數(shù)（模擬量）。離散：系統(tǒng)中有信號(hào)是時(shí)間離散：系統(tǒng)中有信號(hào)是時(shí)間 t 的離散函數(shù)。的離散函數(shù)。 理想的控制系統(tǒng)，被控量與給定值對(duì)應(yīng)相等。理想的控制系統(tǒng)，被控量與給定值對(duì)應(yīng)相等。機(jī)械質(zhì)量、慣量和電路儲(chǔ)能元件的存在，能源功率的限制機(jī)械質(zhì)量、慣量和電路儲(chǔ)能元件的存在，能源功率的限制 實(shí)際系統(tǒng)在給定值變化時(shí)，被控量不可能立實(shí)際系統(tǒng)在給定值變化時(shí)，被控量不可能立 即隨給定值變化即隨給定值變化 ，需經(jīng)過一個(gè)，需經(jīng)過一個(gè)動(dòng)態(tài)

12、過程動(dòng)態(tài)過程。動(dòng)態(tài)過程：系統(tǒng)受到外信號(hào)（給定值或干擾）動(dòng)態(tài)過程：系統(tǒng)受到外信號(hào)（給定值或干擾） 作用后，被控量隨時(shí)間變化的過程。作用后，被控量隨時(shí)間變化的過程。動(dòng)態(tài)過程反映系統(tǒng)內(nèi)在性能的好壞。動(dòng)態(tài)過程反映系統(tǒng)內(nèi)在性能的好壞。評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)價(jià)指標(biāo)：穩(wěn)定性：穩(wěn)定性 快速性快速性 準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性1-4 1-4 對(duì)控制系統(tǒng)的性能要求對(duì)控制系統(tǒng)的性能要求 系統(tǒng)受外作用力后系統(tǒng)受外作用力后,其動(dòng)態(tài)過程的振其動(dòng)態(tài)過程的振蕩傾向和系統(tǒng)恢復(fù)平衡的能力。蕩傾向和系統(tǒng)恢復(fù)平衡的能力。1、穩(wěn)定性、穩(wěn)定性穩(wěn)定性：穩(wěn)定性： 如果系統(tǒng)受外作用力經(jīng)過一段時(shí)間如果系統(tǒng)受外作用力經(jīng)過一段時(shí)間，其被控量達(dá)到某一穩(wěn)定狀態(tài)，則系統(tǒng)，其被控量

13、達(dá)到某一穩(wěn)定狀態(tài)，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的。是穩(wěn)定的。否則為不穩(wěn)定的。否則為不穩(wěn)定的。穩(wěn)定系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程穩(wěn)定系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程r(t)t0c(t)1r(t)c(t)不穩(wěn)定系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程不穩(wěn)定系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程(a) 給定信號(hào)作用給定信號(hào)作用c(t)(b) 擾動(dòng)信號(hào)作用擾動(dòng)信號(hào)作用d(t)t0c(t)r(t)t0c(t)r(t)c(t)d(t) 不穩(wěn)定的系統(tǒng)是無法正常工作的。不穩(wěn)定的系統(tǒng)是無法正常工作的。 通過動(dòng)態(tài)過程時(shí)間長短表征。時(shí)間通過動(dòng)態(tài)過程時(shí)間長短表征。時(shí)間越短，表明快速性越好，反之亦然。越短，表明快速性越好，反之亦然。2、快速性、快速性r(t)t0c(t)r(t)c1(t)c2(t) 快速性表明了系統(tǒng)輸出對(duì)輸入響應(yīng)快速性表明了系統(tǒng)輸出對(duì)輸入響應(yīng)的快慢程度的快慢程度 由輸入給定值與輸出響應(yīng)的終值由輸入給定值與輸出響應(yīng)的終值之間的差值之間的差值ess大小表征。大小表征。3、準(zhǔn)確性、準(zhǔn)確性r(t)t0c(t)r(t)c(t)ess 穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性往往是互穩(wěn)定性、快速性