自動控制原理鄢景華版第一章

1、課程結(jié)構(gòu)課程結(jié)構(gòu) 第一章第一章 自動控制概論自動控制概論 第二章第二章 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 第三章第三章 控制系統(tǒng)的時域分析法控制系統(tǒng)的時域分析法 第四章第四章 根軌跡法根軌跡法 第五章第五章 頻率法頻率法 第六章第六章 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)的校正的校正參考書目參考書目 自動控制系統(tǒng)，田玉平，電子工業(yè)出版社 控制理論與機械系統(tǒng)控制，竺長安，高等教育出版社成績構(gòu)成成績構(gòu)成 4848學(xué)時學(xué)時 （3 3學(xué)分）學(xué)分） 考試考試 （70%70%） 作業(yè)作業(yè) （20%20%） 平時平時 （10%10%）第一章第一章 自動控制概論自動控制概論 17651765年，瓦特發(fā)明蒸汽機，用離心式調(diào)速器

2、控制蒸氣機年，瓦特發(fā)明蒸汽機，用離心式調(diào)速器控制蒸氣機 19481948年，維納年，維納控制論或關(guān)于在動物和機器中控制和控制論或關(guān)于在動物和機器中控制和通通 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，采用控制裝置或機械使被控制對象達到預(yù)期的目標(biāo)置或機械使被控制對象達到預(yù)期的目標(biāo) 。1-1 1-1 自動控制基本概念自

3、動控制基本概念發(fā)展簡史：發(fā)展簡史：自動控制研究的內(nèi)容：自動控制研究的內(nèi)容：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多輸入多輸入- -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)碚摼仃嚴(yán)碚摖顟B(tài)狀態(tài)空間法空間法比較繁瑣比較繁瑣（但由于計（但由于計算機技術(shù)的算機技術(shù)的 迅速發(fā)展，迅速發(fā)展，已克服已克

4、服) ) 通常，在自動控制技術(shù)中，把工作的機器設(shè)備稱為被控對象，把表征這些機器設(shè)備工作狀態(tài)的物理參量稱為被控量，而對這些物理參量的要求值稱為給定值或希望值（或參考輸入）。則控制的任務(wù)可概括為：使被控對象的被控量等于給定值。返回子目錄返回子目錄舉例說明控制系統(tǒng)概念下面通過具體例子來說明自動控制和自動控制系統(tǒng)下面通過具體例子來說明自動控制和自動控制系統(tǒng)的概念的概念控制器控制器氣動閥門氣動閥門流入流入Q1Q1浮子浮子水箱水箱流出流出 Q2Q2H H水位自動控制系統(tǒng)水位自動控制系統(tǒng)10控制器控制器氣動閥門氣動閥門流入流入Q1Q1浮子浮子水箱水箱流出 Q2流出 Q2H H水位自動控制系統(tǒng)水位自動控制系統(tǒng)

5、控制任務(wù)：控制任務(wù)：維持水箱內(nèi)水位恒定；維持水箱內(nèi)水位恒定；控制裝置：控制裝置：氣動閥門、控制器；氣動閥門、控制器；受控對象：受控對象：水箱、供水系統(tǒng)；水箱、供水系統(tǒng)；被控量：被控量：水箱內(nèi)水位的高度；水箱內(nèi)水位的高度；控制器控制器氣動閥門氣動閥門流入流入Q1Q1浮子浮子水箱水箱流出 Q2流出 Q2H H水位自動控制系統(tǒng)水位自動控制系統(tǒng)給定值：給定值：控制器刻度盤指針標(biāo)定控制器刻度盤指針標(biāo)定的預(yù)定水位高度；的預(yù)定水位高度；測量裝置：測量裝置：浮子；浮子；比較裝置：比較裝置：控制器刻度盤；控制器刻度盤；干擾：干擾：水的流出量和流入量的水的流出量和流入量的變化都將破壞水位保持變化都將破壞水位保持恒

6、定；恒定；自動控制即沒有人直接參與的控制，其基本任務(wù)是：自動控制即沒有人直接參與的控制，其基本任務(wù)是：在無人直接參與的情況下，只利用控制裝置操縱被控在無人直接參與的情況下，只利用控制裝置操縱被控對象，使被控制量等于給定值。對象，使被控制量等于給定值。自動控制系統(tǒng)：指能夠完成自動控制任務(wù)的設(shè)備，一般由控制裝置控制裝置和被控對象被控對象組成。由此可見：由此可見：人工控制和自動控制油汀暖氣片的溫度控制TCTT減溫器溫度測量冷水過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)HTHC差壓變送器液位調(diào)節(jié)器執(zhí)行器儲罐液位控制1-2 1-2 自動控制的基本方式自動控制的基本方式 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

7、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，不同開關(guān)閉合后，不同的輸入電壓的輸入電壓u u對應(yīng)于不對應(yīng)于不同的溫度同的溫度t t。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。

8、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)的變化無法自動補償。結(jié)構(gòu)受到的擾動或特性參數(shù)的變化無法自動補償。結(jié)構(gòu)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. .反饋控制任務(wù)：控制任務(wù)

9、：保持工作機械恒速運行保持工作機械恒速運行. .控制過程：控制過程：fanuuun 典型閉環(huán)系統(tǒng)方框圖典型閉環(huán)系統(tǒng)方框圖特點特點: 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 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

10、；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。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)(c)c引出點引出點cc 擾動擾動 (- -)re=r-b b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

11、件 執(zhí)行執(zhí)行 機構(gòu)機構(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)方框圖中各符號的意義方框圖中各符號的意義 元部件元部件 方框（塊）圖方框（塊）圖 信號（物理量）及傳遞方向信號（物理量）及傳遞方向 中的符號中的符號 比較點比較點 引出點引出點 表示負(fù)反饋表示負(fù)反饋擾動擾動(b) 方框圖方框圖(- -)utug 給定給定 裝置裝置 放大器放大器 電動機電動機 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 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

12、用適當(dāng)?shù)难a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。電動機速度復(fù)合控制系統(tǒng)方框圖電動機速度復(fù)合控制系統(tǒng)方框圖按擾動按擾動補償補償 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 電動機電動機測速發(fā)測速發(fā)電機電機電壓放電壓放大器大器電阻電阻RtuugueutMCn控制系統(tǒng)的組成 (1) 被控對象控制系統(tǒng) 測量元件 比較元件 控制裝置 放大元件 執(zhí)行機構(gòu) 校正裝置 給定元件控制系統(tǒng)的組成 (2) 也稱定值系統(tǒng)。反饋控制系統(tǒng)的參考

13、輸入也稱定值系統(tǒng)。反饋控制系統(tǒng)的參考輸入信號為恒定的常量。在實際工程中給定值一般信號為恒定的常量。在實際工程中給定值一般不變化或變化很緩慢，而擾動可隨時變化的系不變化或變化很緩慢，而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，冶金部門的恒溫系統(tǒng)，石油部門常多。例如，冶金部門的恒溫系統(tǒng)，石油部門的恒壓系統(tǒng)等。的恒壓系統(tǒng)等。1-3 1-3 典型控制系統(tǒng)典型控制系統(tǒng)恒值系統(tǒng)：恒值系統(tǒng)：例例 1 1 爐溫控制系統(tǒng)爐溫控制系統(tǒng) 爐溫控制系統(tǒng)方框圖爐溫控制系統(tǒng)方框圖(- -)utug擾動擾動 給定給定 裝置裝置 放大器放大器 電動機電動機

14、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n(b) 方框圖方框圖ueudoRP1ugR0R0R1-utRP2- -+- -+ TGMudouc(a) 原理圖原理圖+ 電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)方框圖例例 2 2 轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)例3 水溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)水溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作原理圖水溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)水溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)方框圖水溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)方框圖 系統(tǒng)的給定值變化規(guī)律完全取決系統(tǒng)的給定值變化規(guī)律完全取決于事先不能確定的時間函數(shù)。例如，于事先不能確定的時間函數(shù)。例如，火炮系統(tǒng)，衛(wèi)星控制系統(tǒng)等。火炮系統(tǒng)，衛(wèi)星控制系統(tǒng)等。隨動系統(tǒng)：隨動系統(tǒng)：i控制任務(wù)：控制任

15、務(wù)：要求工作機械能夠跟隨指令機構(gòu)同要求工作機械能夠跟隨指令機構(gòu)同步轉(zhuǎn)動步轉(zhuǎn)動, ,即要使工作機械的角位置跟隨給定指即要使工作機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 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: : 工作機械；工作機械；（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通過兩個相同的電位計測量轉(zhuǎn)角，測量轉(zhuǎn)角，并轉(zhuǎn)換為并轉(zhuǎn)換為 相應(yīng)相應(yīng)的電壓；的電壓；（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

16、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)行機械）執(zhí)行機械: : 電機減速裝置。電機減速裝置。系統(tǒng)的工作原理：系統(tǒng)的工作原理： 如果工作機械轉(zhuǎn)角等于指令轉(zhuǎn)角，則經(jīng)事先整定如果工作機械轉(zhuǎn)角等于指令轉(zhuǎn)角，則經(jīng)事先整定，即即電機不動，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。當(dāng)指令轉(zhuǎn)角改變，隨之改變，而工電機不動，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。當(dāng)指令轉(zhuǎn)角改變，隨之改變，而工作機械仍處于原位，則從而使電動機拖動工作機械朝所要求的方向快作機械仍處于原位，則從而使電動機拖動工作機械朝所要求的方向快速偏轉(zhuǎn)，直至電機停轉(zhuǎn)，此時系統(tǒng)在新的

17、位置上處于與指令同步的平速偏轉(zhuǎn)，直至電機停轉(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)。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)提出的最基本要求。饋控制系統(tǒng)提出的最基本要求。 在在單位階躍信號單位階躍信號作用下，控制系統(tǒng)的過渡過程曲線如下圖作用下，控制系統(tǒng)的過渡過程曲線如下圖所示。所示。 將那些輸出最后趨于穩(wěn)定值的，稱為穩(wěn)定系統(tǒng)；而那些不將那些輸

18、出最后趨于穩(wěn)定值的，稱為穩(wěn)定系統(tǒng)；而那些不能達到平衡狀態(tài)的，稱為不穩(wěn)定系統(tǒng)。能達到平衡狀態(tài)的，稱為不穩(wěn)定系統(tǒng)。 1-4 1-4 對自動控制系統(tǒng)系統(tǒng)的要求對自動控制系統(tǒng)系統(tǒng)的要求. .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。tnn1(a)0(b)nt0n0n1t0n(c)n0t(e)n1n0t(d)n0n1n0t(f)穩(wěn)定性穩(wěn)定性 系統(tǒng)在受到擾動作用后自動返回原來的平衡狀態(tài)的能力。系統(tǒng)在受到擾動作用后自動返回原來的平衡狀態(tài)的能力。如果系統(tǒng)受到擾動作用（系統(tǒng)內(nèi)或系統(tǒng)外）后，能自動返回到如果系統(tǒng)受到擾動作用（系統(tǒng)內(nèi)或系統(tǒng)外）后，能自動返回到原來的平衡狀態(tài)，則該系統(tǒng)是穩(wěn)定的。穩(wěn)定系統(tǒng)的數(shù)學(xué)特征是原來的平衡狀態(tài)，則該系統(tǒng)是穩(wěn)定的。穩(wěn)定系統(tǒng)的數(shù)學(xué)特征是其輸出量具有非發(fā)散性；反之，系統(tǒng)是不穩(wěn)定系統(tǒng)。其輸出量具有非發(fā)散性；反之，系統(tǒng)是不穩(wěn)定系統(tǒng)。1-4 1-4 對自動控制系統(tǒng)系統(tǒng)的要求對自動控制系統(tǒng)系統(tǒng)的要求 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)性對過渡過程的形式和快慢提出要求，一般稱為動態(tài)性能。能。 動態(tài)過程進行的時間長短，過程時間持續(xù)很長，將使動態(tài)過程進