自動控制原理

1、第一章第一章 緒論緒論自動控制原理自動控制原理v教師：陳貴林教師：陳貴林v所屬：燕山大學所屬：燕山大學 電氣工程學院電氣工程學院 自動化系自動化系v學時：學時：48v周一周一 5-6 A307v周二周二 5-6 A307v周三周三 5-6 A307v周五周五 5-6 A307 （三周）（三周）v班級：班級：08安全本安全本第一章第一章 緒論緒論第一章 緒 論1.2自動控制系統(tǒng)的基本概念自動控制系統(tǒng)的基本概念1.3控制工程基礎(chǔ)的主要任務(wù)與研究內(nèi)容控制工程基礎(chǔ)的主要任務(wù)與研究內(nèi)容 1.1 概概 述述第一章第一章 緒論緒論1.1 概 述通訊自然航空航天工業(yè)軍事太空探索社會自動控制自動控制應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

2、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛第一章第一章 緒論緒論 自動控制：在無人直接參與的情況下，通過控制器使被在無人直接參與的情況下，通過控制器使被控對象或過程自動地按照預(yù)定要求運行?？貙ο蠡蜻^程自動地按照預(yù)定要求運行。 控制論(Cybernetics)是研究生物體、機器及各種不同系是研究生物體、機器及各種不同系統(tǒng)控制和調(diào)節(jié)規(guī)律的科學。它不僅是一門極為重要的科學，統(tǒng)控制和調(diào)節(jié)規(guī)律的科學。它不僅是一門極為重要的科學，而且也是一門卓越的方法論，具有適用于各門科學的思想和而且也是一門卓越的方法論，具有適用于各門科學的思想和方法。方法。1.1 概 述v一、基本概念第一章第一章 緒論緒論控制論控制論生物控制論工程控制論經(jīng)濟控制論

3、社會控制論 控制論被廣泛的應(yīng)用到現(xiàn)實生活中的各個領(lǐng)域，是一門重要的方法論。1.1 概 述第一章第一章 緒論緒論v二、控制論的發(fā)展歷史1.1 概 述 控制論的發(fā)展起源于控制論的發(fā)展起源于18世紀英國第一次技術(shù)革命。世紀英國第一次技術(shù)革命。1765年瓦特年瓦特(Jams. Watt)發(fā)明了蒸汽機離心式飛錘調(diào)速發(fā)明了蒸汽機離心式飛錘調(diào)速器，來自動調(diào)節(jié)蒸汽機的轉(zhuǎn)速。器，來自動調(diào)節(jié)蒸汽機的轉(zhuǎn)速。 控制論的奠基人、美國數(shù)學家維納控制論的奠基人、美國數(shù)學家維納(N. Wiener)在在1948年發(fā)表了著名的年發(fā)表了著名的控制論控制論. 工程控制論的誕生以工程控制論的誕生以1954年我國科學家錢學森出版的年我

4、國科學家錢學森出版的工程控制論工程控制論為標志為標志.第一章第一章 緒論緒論v二、控制論的發(fā)展歷史1.1 概 述 第一階段：20世紀4050年代為“古典控制理論”發(fā)展時期。單輸入單輸出(SISO)控制系統(tǒng)，線性定常系統(tǒng)。 控制論的發(fā)展大體分為三個階段：控制論的發(fā)展大體分為三個階段： 第二階段：20世紀6070年代為“現(xiàn)代控制理論”發(fā)展時期。多輸入多輸出(MIMO)、非線性及時變系統(tǒng) 。 第三階段：20世紀70年代末至今，控制論向著“大系統(tǒng)理論”和“智能控制論”發(fā)展。模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和專家控制等 。 古典控制理論是基礎(chǔ)，現(xiàn)代控制理論、智能控古典控制理論是基礎(chǔ)，現(xiàn)代控制理論、智能控制理論是古

5、典控制理論的延伸和拓展。制理論是古典控制理論的延伸和拓展。 第一章第一章 緒論緒論1.2 自動控制系統(tǒng)的基本概念v一、自動控制系統(tǒng)工作原理人工控制的恒溫箱系統(tǒng)：人工控制的恒溫箱系統(tǒng)： 1、觀測由檢測元件、觀測由檢測元件(溫度計溫度計)測測出的恒溫箱的溫度出的恒溫箱的溫度(被控制量被控制量)； 2、與要求的溫度值、與要求的溫度值(給定值給定值)進進行比較，得出偏差的大小和方向；行比較，得出偏差的大小和方向； 3、根據(jù)偏差的大小和方向再進、根據(jù)偏差的大小和方向再進行控制：當恒溫箱溫度高于所要行控制：當恒溫箱溫度高于所要求的給定溫度值時，就移動調(diào)壓求的給定溫度值時，就移動調(diào)壓器使電流減小，溫度降低；

6、若溫器使電流減小，溫度降低；若溫度低于給定的值，則移動調(diào)壓器，度低于給定的值，則移動調(diào)壓器，使電流增加，溫度升高。使電流增加，溫度升高。圖圖1-1 人工控制的恒溫箱人工控制的恒溫箱“檢測偏差用以糾正偏差檢測偏差用以糾正偏差” 第一章第一章 緒論緒論溫度的偏差信號：溫度的偏差信號：21uuu圖圖1-2 恒溫箱自動控制系統(tǒng)恒溫箱自動控制系統(tǒng)當溫度偏高時，動觸當溫度偏高時，動觸頭向著減小電流的方頭向著減小電流的方向運動，反之加大電向運動，反之加大電流，直到溫度達到給流，直到溫度達到給定值為止。即只有在定值為止。即只有在偏差信號偏差信號 時時0u電動機才停轉(zhuǎn)。電動機才停轉(zhuǎn)。 1.2 自動控制系統(tǒng)的基本

7、概念第一章第一章 緒論緒論1.2 自動控制系統(tǒng)的基本概念圖圖1-3 板厚控制簡圖板厚控制簡圖 板帶出口厚度信息板帶出口厚度信息h由檢測元件由檢測元件測出并反饋到電液伺服系統(tǒng)中，伺服測出并反饋到電液伺服系統(tǒng)中，伺服系統(tǒng)發(fā)出控制信號以驅(qū)動液壓缸，從系統(tǒng)發(fā)出控制信號以驅(qū)動液壓缸，從而調(diào)節(jié)軋制輥縫，使得板帶出口厚度而調(diào)節(jié)軋制輥縫，使得板帶出口厚度h保持在要求的誤差范圍內(nèi)。保持在要求的誤差范圍內(nèi)。 第一章第一章 緒論緒論控制輸出輸入反饋檢測1.2 自動控制系統(tǒng)的基本概念自動控制：自動控制：自動控制的過程與人工控制過程原理相同，即“檢測偏差用以糾正偏差”。人工控制：人工控制：人工控制的過程就是測量、求偏差

8、、再控制以糾正偏差的過程，即“檢測偏差用以糾正偏差”。第一章第一章 緒論緒論1.2 自動控制系統(tǒng)的基本概念 反饋(Feedback)就是指輸出量通過適當?shù)臋z測裝置將信號就是指輸出量通過適當?shù)臋z測裝置將信號全部或一部分返回輸入端，使之與輸入量進行比較。全部或一部分返回輸入端，使之與輸入量進行比較。 反饋控制原理：基于反饋基礎(chǔ)上的基于反饋基礎(chǔ)上的“檢測偏差用以糾正偏檢測偏差用以糾正偏差差”的原理的原理 負反饋(Negative Feedback)是指反饋信號與系統(tǒng)的輸入信是指反饋信號與系統(tǒng)的輸入信號的方向相反的反饋形式。號的方向相反的反饋形式。 第一章第一章 緒論緒論v二、開環(huán)控制與閉環(huán)控制 若系

9、統(tǒng)的輸出量對系統(tǒng)的控制作用沒有影響，即無反饋作若系統(tǒng)的輸出量對系統(tǒng)的控制作用沒有影響，即無反饋作用，則系統(tǒng)稱為用，則系統(tǒng)稱為開環(huán)系統(tǒng)?？刂破鞅豢貙ο筝斎肓縭輸出量y控制量u擾動量 n特 點：在控制器與被控對象之間只有正向控制作用而沒有反饋控制作在控制器與被控對象之間只有正向控制作用而沒有反饋控制作用用。對于每一個參考輸入量就有一個與之對應(yīng)的工作狀態(tài)和輸對于每一個參考輸入量就有一個與之對應(yīng)的工作狀態(tài)和輸出量。出量。系統(tǒng)精度取決于元器件的精度和特性系統(tǒng)精度取決于元器件的精度和特性。適用范圍：系統(tǒng)內(nèi)部擾動和外部擾動的影響不大、輸出與輸入關(guān)系確定，系統(tǒng)內(nèi)部擾動和外部擾動的影響不大、輸出與輸入關(guān)系確定，

10、且控制精度要求不高的場合。且控制精度要求不高的場合。優(yōu) 點： 結(jié)構(gòu)簡單，容易設(shè)計與調(diào)整結(jié)構(gòu)簡單，容易設(shè)計與調(diào)整.對擾動及內(nèi)部參量變化的影響缺乏抑制能力，系統(tǒng)控制精度低。對擾動及內(nèi)部參量變化的影響缺乏抑制能力，系統(tǒng)控制精度低。缺 點：1.2 自動控制系統(tǒng)的基本概念第一章第一章 緒論緒論 若系統(tǒng)的輸出量對系統(tǒng)的控制具有反饋作用，則系統(tǒng)稱若系統(tǒng)的輸出量對系統(tǒng)的控制具有反饋作用，則系統(tǒng)稱為為閉環(huán)系統(tǒng)。特點：利用負反饋的作用來減小系統(tǒng)的誤差，具有自動修正被控量偏離給定利用負反饋的作用來減小系統(tǒng)的誤差，具有自動修正被控量偏離給定值的作用，因此可以抑制內(nèi)擾和外擾所引起的誤差，達到自動控制的目的。值的作用，因

11、此可以抑制內(nèi)擾和外擾所引起的誤差，達到自動控制的目的。系統(tǒng)精度主要取決于檢測元件的精度和系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)精度主要取決于檢測元件的精度和系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)?？梢岳镁炔桓?、可以利用精度不高、成本較低的元器件組成控制精度較高的閉環(huán)控制系統(tǒng)成本較低的元器件組成控制精度較高的閉環(huán)控制系統(tǒng)。優(yōu)點：精度高。對擾動及內(nèi)部參量變化的影響具有抑制能力。精度高。對擾動及內(nèi)部參量變化的影響具有抑制能力。缺點：系統(tǒng)存在穩(wěn)定性問題，干擾因素多。系統(tǒng)存在穩(wěn)定性問題，干擾因素多?？刂破鞅豢貙ο筝斎肓縭輸出量y控制量u擾動量 n檢測元件偏差e反饋量b1.2 自動控制系統(tǒng)的基本概念第一章第一章 緒論緒論控制裝置被控對象輸入量

12、r輸出量y擾動量 n反饋元件偏差e反饋量b給定元件：主要用于產(chǎn)生給定信號或輸入信號。主要用于產(chǎn)生給定信號或輸入信號。反饋元件：它測量被控量或輸出量，產(chǎn)生主反饋信號，該信號與輸出量存它測量被控量或輸出量，產(chǎn)生主反饋信號，該信號與輸出量存在著確定的函數(shù)關(guān)系在著確定的函數(shù)關(guān)系(通常為比例關(guān)系通常為比例關(guān)系)。比較元件：用來比較輸入信號和反饋信號之間的偏差?？梢允且粋€差接的用來比較輸入信號和反饋信號之間的偏差?？梢允且粋€差接的電路，它往往不是一個專門的物理元件，有時也叫比較環(huán)節(jié)。電路，它往往不是一個專門的物理元件，有時也叫比較環(huán)節(jié)?？刂蒲b置：由校正裝置、放大器、能量變換、執(zhí)行等元件所組成。由校正裝置、

13、放大器、能量變換、執(zhí)行等元件所組成?？刂茖ο螅嚎刂葡到y(tǒng)所要操縱的對象，它的輸出量即為系統(tǒng)的被控制量?？刂葡到y(tǒng)所要操縱的對象，它的輸出量即為系統(tǒng)的被控制量。放大元件：對偏差信號進行信號放大和功率放大的元件。對偏差信號進行信號放大和功率放大的元件。執(zhí)行元件：直接對控制對象進行操作的元件。直接對控制對象進行操作的元件。v三、閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成1.2 自動控制系統(tǒng)的基本概念第一章第一章 緒論緒論v四、自動控制系統(tǒng)的基本類型1.2 自動控制系統(tǒng)的基本概念 1按給定量的運動規(guī)律分按給定量的運動規(guī)律分(1)恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)：恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)：輸入量為常值，或者隨時間緩慢變化。分析重點在克服擾動對輸出量的影響。(

14、2)程序控制系統(tǒng)：程序控制系統(tǒng)：輸入量為已知給定的時間函數(shù)，控制過程按預(yù)定程序進行。 (3)隨動隨動(伺服伺服)系統(tǒng)：系統(tǒng)：輸入量是時間的未知函數(shù)，即給定量的變化規(guī)律事先無法確定，要求輸出量能夠準確、快速地復(fù)現(xiàn)給定量，如火炮自動瞄準系統(tǒng)、軋機板厚自動控制系統(tǒng)。 2按系統(tǒng)線性特性分按系統(tǒng)線性特性分 (1)線性系統(tǒng)系統(tǒng)：線性系統(tǒng)系統(tǒng)：系統(tǒng)的元器件特性均為線性(或基本為線性)，能用線性常微分方程描述其輸入與輸出關(guān)系的系統(tǒng)。線性系統(tǒng)滿足線性系統(tǒng)滿足“疊加原理疊加原理”，其時間響，其時間響應(yīng)的特征與初始狀態(tài)無關(guān)。應(yīng)的特征與初始狀態(tài)無關(guān)。 (2)非線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng) ：只要有一個元器件特性不能用線性方程描

15、述，即為非線性系統(tǒng)。不能應(yīng)用疊加原理，其時間響應(yīng)的特征與初始狀態(tài)有很大關(guān)系。不能應(yīng)用疊加原理，其時間響應(yīng)的特征與初始狀態(tài)有很大關(guān)系。 第一章第一章 緒論緒論3按參數(shù)是否為常數(shù)分按參數(shù)是否為常數(shù)分 (1)時變系統(tǒng)：時變系統(tǒng)：當系統(tǒng)數(shù)學描述中顯含時間t時，即數(shù)學描述中的系數(shù)是時間t的函數(shù)時，稱相應(yīng)的系統(tǒng)為時變系統(tǒng)。 (2)定常系統(tǒng)：定常系統(tǒng)：特點是系統(tǒng)數(shù)學描述中不顯含時間t。定常系統(tǒng)在物理上代表了結(jié)構(gòu)和參數(shù)都不隨時間變化的一類系統(tǒng)。 4按系統(tǒng)信號類型分按系統(tǒng)信號類型分(1)連續(xù)控制系統(tǒng)：連續(xù)控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中各個參量的變化都是連續(xù)進行的，是時間的連續(xù)函數(shù)(也稱模擬量)。(2)離散控制系統(tǒng)：離散控制系

16、統(tǒng)：系統(tǒng)中某一處或數(shù)處的參量是脈沖序列或數(shù)碼的形式，這種信號是離散的，即數(shù)值上和時間上不連續(xù)。 其他的劃分方式還有： 5按系統(tǒng)輸入輸出變量數(shù)量分為單變量系統(tǒng)單變量系統(tǒng)和多變量系統(tǒng)多變量系統(tǒng) 。6按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)在工作過程中是否確定分確定系統(tǒng)確定系統(tǒng)和不確定系統(tǒng)。不確定系統(tǒng)。7按系統(tǒng)能否用常微分方程描述分集中參數(shù)系統(tǒng)集中參數(shù)系統(tǒng)和分布參數(shù)系統(tǒng)。分布參數(shù)系統(tǒng)。1.2 自動控制系統(tǒng)的基本概念第一章第一章 緒論緒論1.2 自動控制系統(tǒng)的基本概念v五、對控制系統(tǒng)的基本要求穩(wěn)定、準確、快速(1)穩(wěn)定性：穩(wěn)定性：由于系統(tǒng)存在著慣性，當系統(tǒng)的各個參數(shù)匹配不妥時，將會引起系由于系統(tǒng)存在著慣性，當系統(tǒng)的各個參數(shù)匹

17、配不妥時，將會引起系 的振蕩而失去工作能力。穩(wěn)定性就是指動態(tài)過程的的振蕩而失去工作能力。穩(wěn)定性就是指動態(tài)過程的振蕩傾向和系統(tǒng)振蕩傾向和系統(tǒng) 能否恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力。能否恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力。 穩(wěn)定性的要求是系統(tǒng)工作的首要條件。穩(wěn)定性的要求是系統(tǒng)工作的首要條件。(2)準確性：準確性：是指在調(diào)整過程結(jié)束后輸出量與給定量之間的偏差，或稱為是指在調(diào)整過程結(jié)束后輸出量與給定量之間的偏差，或稱為靜態(tài)精靜態(tài)精 度。度。是衡量系統(tǒng)工作性能的重要指標是衡量系統(tǒng)工作性能的重要指標。 例如數(shù)控機床精度愈高，則加工精度也越高。(3)快速性：快速性：這是在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下提出的。快速性是指當系統(tǒng)輸出量這是在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提

18、下提出的?？焖傩允侵府斚到y(tǒng)輸出量與給定與給定 量之間產(chǎn)生偏差時，消除這種偏差過程的快速程度。量之間產(chǎn)生偏差時，消除這種偏差過程的快速程度。 快速性反應(yīng)系統(tǒng)的敏捷性。快速性反應(yīng)系統(tǒng)的敏捷性。穩(wěn)、快、準是相互制約的！第一章第一章 緒論緒論1.2 自動控制系統(tǒng)的基本概念 對于自動控制系統(tǒng)而言，在保證穩(wěn)定的前提下，對其快速性和準確性方面的性能指標可按如下類型給出：(1) 時域性能指標時域性能指標，包括瞬態(tài)性能瞬態(tài)性能(快速性與平穩(wěn)性快速性與平穩(wěn)性)指標指標和穩(wěn)態(tài)性能穩(wěn)態(tài)性能(準確準確性性)指標指標。(2) 頻域性能指標頻域性能指標，反映系統(tǒng)在頻域方面的特性。(3) 綜合性能指標。綜合性能指標。第一章第一章 緒論緒論1.3 控制工程基礎(chǔ)的主要任務(wù)與研究內(nèi)容 v一、主要任務(wù) 控制工程基礎(chǔ)主要研究工程系統(tǒng)中狀態(tài)的運動規(guī)律和改變這種運動規(guī)控制工程基礎(chǔ)主要研究工程系統(tǒng)中狀態(tài)的運動規(guī)律和改變這種運動規(guī)律的可能性和方法，建立和揭示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)、行為和性能間的確定的律的可能性和方法，建立和揭示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)、行為和性能間的確定的和定量的關(guān)系。學習控制工程基礎(chǔ)要解決兩個問題：和定量的關(guān)系。學習控制工程基礎(chǔ)要解決兩個問題： 其一是系統(tǒng)分析問題