自動控制原理電子教案第一章

1、第一章第一章 緒論緒論 第一節(jié) 概論 第二節(jié) 反饋控制系統(tǒng)的基本概念 第三節(jié) 自動控制系統(tǒng)的組成和方框圖 第四節(jié) 自動控制系統(tǒng)的分類 第五節(jié) 控制系統(tǒng)性能分析概論 第六節(jié) 自動控制系統(tǒng)性能要求第一節(jié)第一節(jié) 概論概論1.1.1 控制的含義1.1.2 人工控制與自動控制1.1.3 自動控制學(xué)科的特點(diǎn)1.1.4 控制科學(xué)與工程的內(nèi)涵1.1.5 自動控制理論的內(nèi)容1.1.6 自動控制理論的基本問題1.1.1 控制的含義控制的含義l控制（CONTROL）-某個主體主體使某個客體客體按照一定的目的動作l主體-人：人工控制； 機(jī)器：自動控制l客體-指一件物體，一套裝置，一個物化過程，一個特定系統(tǒng)。 物體-飛

2、船，電爐。（飛船控制） 裝置-鍋爐，汽機(jī)。（鍋爐控制） 過程-燃燒，傳動。（燃燒控制） 系統(tǒng)-電力，化工，冶金。（電力控制）1.1.2 人工控制與自動控制人工控制與自動控制 煤氣灶上油煎雞蛋時的油溫控制 自行車速度控制 汽車駕駛 收音機(jī)音量調(diào)節(jié)X電飯煲X空調(diào)X抽水馬桶X汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制X導(dǎo)彈飛行控制X聲控光控路燈1.1.3 自動控制學(xué)科的特點(diǎn)自動控制學(xué)科的特點(diǎn) 應(yīng)用廣泛l小至電子表,大至人造衛(wèi)星,幾乎包括各個領(lǐng)域. 我院6個專業(yè)有4個學(xué)“自控原理”課 日益重要l很難想象現(xiàn)代生活和生產(chǎn)過程沒有自動控制裝置如何能夠繼續(xù)? 你敢讓大型發(fā)電機(jī)組用人工控制來運(yùn)行嗎? 你愿意使用不能自動控制溫度的電冰箱嗎？

3、 發(fā)展迅速l從離心重錘式的簡單自動機(jī)械到具有每秒運(yùn)行上億次的CPU的智能機(jī)器人,自動控制學(xué)科發(fā)展日新月異.l越來越復(fù)雜和越來越精確的控制要求以及高度發(fā)展的現(xiàn)代科技(如計(jì)算機(jī))是促進(jìn)自動控制學(xué)科飛速發(fā)展的重要原因1.1.4 控制科學(xué)與工程學(xué)科的內(nèi)控制科學(xué)與工程學(xué)科的內(nèi)涵控制科學(xué)與工程控制理論與控制工程檢測技術(shù)與自動化裝置模式識別與智能系統(tǒng)系統(tǒng)工程 1.1.5 自動控制理論的內(nèi)容自動控制理論的內(nèi)容自動控制理論經(jīng)典控制理論(19世紀(jì)中葉-20世紀(jì)50年代)線性非線性根軌跡法頻域法時域法波波夫法李雅普諾夫法描述函數(shù)法相平面法采樣控制Z變換法現(xiàn)代控制理論(60年代以來)狀態(tài)反饋控制最優(yōu)控制智能控制預(yù)測控

4、制自適應(yīng)控制模糊控制大系統(tǒng)多層分散控制1.1.6 自動控制理論的基本問題自動控制理論的基本問題 控制系統(tǒng)的分析l典型信號下的響應(yīng) (階躍響應(yīng),頻率特性)l數(shù)學(xué)模型 (傳遞函數(shù),狀態(tài)方程)l性能指標(biāo) (穩(wěn)態(tài)誤差,超調(diào)量) 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)l性能要求 (性能指標(biāo),約束條件)l控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計(jì)和整定l性能校核 (計(jì)算,仿真,實(shí)驗(yàn))第二節(jié)第二節(jié) 反饋控制系統(tǒng)的基本概念反饋控制系統(tǒng)的基本概念l信息反饋-最基本的自動控制原理l反饋控制系統(tǒng)的中的常用術(shù)語： 給定值（參考輸入值） 偏差值 控制量 被控量 擾動量(內(nèi)擾,外擾) 自動控制裝置 = 傳感器 + 控制器 + 給定器 + 執(zhí)行器 受控過程（受控對象

5、） 控制系統(tǒng) = 受控過程控制裝置例1.1 鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)工業(yè)過程中的反饋控制系統(tǒng)例子-調(diào)節(jié)器汽包變送器主蒸汽過熱器省煤器執(zhí)行器給水調(diào)節(jié)閥給水泵給水第三節(jié)第三節(jié) 自動控制系統(tǒng)的組成及方框圖自動控制系統(tǒng)的組成及方框圖 自動控制系統(tǒng)：控制裝置受控對象 方框圖(方框+箭頭+求和圓+線條)：分析系統(tǒng)內(nèi)各部分之間關(guān)系的圖解法 自動控制系統(tǒng)的組成(如鍋爐水位控制系統(tǒng))：給定值 SV Setpoint-Value 偏差值 DV Deviation-value 操作量 MV Manipulation-Value 過程變量值 PV Process-Value 給定器調(diào)節(jié)器執(zhí)行器受控過程傳感器調(diào)節(jié)器執(zhí)行器調(diào)

6、節(jié)閥汽包變送器+-例1.3 鍋爐水位控制系統(tǒng)測量水位PV偏差量DV控制量調(diào)節(jié)位移MV給水量反饋元件實(shí)際水位設(shè)定水位SV第四節(jié)自動控制系統(tǒng)的分類第四節(jié)自動控制系統(tǒng)的分類設(shè)定器控制器被控對象擾動被控量設(shè)定器被控過程傳感器控制器1.4.1 按系統(tǒng)環(huán)節(jié)連接形式分類按系統(tǒng)環(huán)節(jié)連接形式分類閉環(huán)控制系統(tǒng) :開環(huán)控制系統(tǒng)：開環(huán)控制系統(tǒng)舉例開環(huán)控制系統(tǒng)舉例功率放大器負(fù)載電位器M 開環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn)：開環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn)：1. 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. 2. 結(jié)構(gòu)簡單結(jié)構(gòu)簡單. 3. 控制精度不高控制精度不高,無法抑制擾動無法抑制擾動.圖1-4 開環(huán)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng) 閉環(huán)控制系統(tǒng)舉例

7、閉環(huán)控制系統(tǒng)舉例 閉環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn)閉環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn): 1. 有反饋回路有反饋回路; 2. 結(jié)構(gòu)復(fù)雜結(jié)構(gòu)復(fù)雜; 3. 控制精度高控制精度高,自動糾偏自動糾偏M減速器溫度控制器熱電偶調(diào)壓器220V閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)1.4.2 按控制依據(jù)信號性質(zhì)分類控制器控制器被控過程控制器被控過程控制器被控過程反饋控制系統(tǒng) 前饋控制系統(tǒng)前饋-反饋控制系統(tǒng)1.4.3 按給定值變化規(guī)律分類按給定值變化規(guī)律分類tttrrr恒值控制系統(tǒng)恒值控制系統(tǒng) 給定值不隨時間變化 例 恒溫，恒壓系統(tǒng)隨動控制系統(tǒng)隨動控制系統(tǒng) 給定值按需求隨機(jī)變化 例 雷達(dá)跟蹤， 靠模加工系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng) 給定值按條件（時間或流程）變化例 金

8、屬熱處理，化學(xué)水處理1.4.4 按輸入輸出變量數(shù)分類按輸入輸出變量數(shù)分類電加熱爐電加熱爐電站鍋爐電站鍋爐單變量控制系統(tǒng)單變量控制系統(tǒng) 單入-單出 SISO（Single Input Single Output） 例 電加熱爐溫度控制系統(tǒng)電流溫度多變量控制系統(tǒng)多變量控制系統(tǒng) 多入-多出 MIMO（Multiple -） 例 鍋爐燃燒控制系統(tǒng)燃料量 送風(fēng)量 引風(fēng)量工質(zhì)溫度工質(zhì)壓力爐膛壓力1.4.5 按系統(tǒng)特性分類按系統(tǒng)特性分類 線性控制系統(tǒng)線性控制系統(tǒng) 輸入與輸出成正比，可用疊加原理 用線性數(shù)學(xué)模型描述例 彈簧秤（在工作區(qū)） 非線性控制系統(tǒng)非線性控制系統(tǒng) 輸入與輸出不成正比，不可用 疊加原理 用非

9、線性數(shù)學(xué)模型描述 例 彈簧秤（不在工作區(qū)） 位移位移力力1.4.6 按變量的時間特性分類按變量的時間特性分類 連續(xù)時間控制系統(tǒng)連續(xù)時間控制系統(tǒng) 系統(tǒng)中的變量可隨時變化，連續(xù)， 不間斷 例 重錘式轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng) 離散時間控制系統(tǒng)離散時間控制系統(tǒng) 系統(tǒng)中存在離散變量，它們只在 固定時刻存在和變化 例 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 變量變量時間時間1.4.7 按變量的變化特性分類按變量的變化特性分類 模擬量控制系統(tǒng)模擬量控制系統(tǒng) 系統(tǒng)中的變量是反映物理量的模 擬變量，可以是任意數(shù)值 例 熱電偶測得電勢，反映溫度 開關(guān)量控制系統(tǒng)開關(guān)量控制系統(tǒng) 系統(tǒng)中變量只有兩個狀態(tài)，0或1， 開或關(guān) 例 全自動洗衣機(jī) 變量變量時間時

10、間1.4.8 按變量的統(tǒng)計(jì)特性分類按變量的統(tǒng)計(jì)特性分類 確定性變量控制系統(tǒng)確定性變量控制系統(tǒng) 系統(tǒng)中的變量被認(rèn)為是無噪聲的 確定性變量 隨機(jī)性變量控制系統(tǒng)隨機(jī)性變量控制系統(tǒng) 系統(tǒng)中的變量被認(rèn)為是有噪聲的 隨機(jī)性變量 變量時間變量時間1.4.9 按控制規(guī)律分類按控制規(guī)律分類 常規(guī)控制（PID） 智能控制 預(yù)測控制 最優(yōu)控制 自適應(yīng)控制 魯棒控制 模糊控制 神經(jīng)元控制1.4.10 按控制器實(shí)現(xiàn)器件分類按控制器實(shí)現(xiàn)器件分類 機(jī)械型 電動型 氣動型 計(jì)算機(jī)型 綜合型 第五節(jié)第五節(jié) 控制系統(tǒng)性能分析概論控制系統(tǒng)性能分析概論 典型試驗(yàn)信號l階躍信號l斜坡信號l拋物線信號l脈沖信號l正弦信號 系統(tǒng)性能分析方

11、法l動態(tài)特性分析l穩(wěn)態(tài)特性分析1.5.1.1 階躍信號（階躍信號（Step Function） 階躍信號含寬頻帶諧波分量，產(chǎn)生容易，是最常用系統(tǒng)性能測試信號。時間r（t）R)( 0 00 )()(tuttRtuRtr-單位階躍 函 數(shù)1.5.1.2 斜坡信號（斜坡信號（Ramp Function） 斜坡信號為勻速信號，適于測試勻速系統(tǒng)。時間 tr（t）R tt g（）=R)( 0 00 )()(tuttRttutRtr-單位階躍函數(shù)1.5.1.3 拋物線信號（拋物線信號（Parabolic Function） u（t）-單位階躍函數(shù)拋物線信號為勻加速信號，適于測試勻加速系統(tǒng)。時間 tr（t）0

12、.5 R t 20 00 5 . 0)(5 . 0)(22tttRtutRtr1.5.1.4 脈沖信號（脈沖信號（Pulse Function） t = 0 理想情況: r（t）= ( t ) = (t) -單位脈沖函數(shù) 0 t 0 A / h 0 = t = h 實(shí)際情況: r（t）= 0 t h 可用于測試系統(tǒng)抗沖擊能力時間 tr（t）Ahdttdut)()(1.5.1.5 正弦信號（正弦信號（Sine Function） r（t）=Asin( t + ) A - 幅值 - 頻率 - 初相位 正弦信號為單頻率信號，適于測試系統(tǒng)頻率特性。時間 tr（t）1.5.2.1 動態(tài)特性分析動態(tài)特性分析 y（t）= f ( x（t）) y (t ) - 輸出 x (t ) - 輸入 動態(tài)響應(yīng): 系統(tǒng)輸出在典型測試信號下隨時間變化的特性 f(x(t)x (t )y( t )xytt1.5.2.2 穩(wěn)態(tài)特性分析穩(wěn)態(tài)特性分析 y（