自動控制原理基礎(chǔ)PPT課件

1、自動控制理論概述主要內(nèi)容5. 控制系統(tǒng)舉例 4.對控制系統(tǒng)的基本要求3. 基本控制方式1.自動控制的應(yīng)用與發(fā)展 小結(jié)2. 自動控制基本概念教學(xué)目標(biāo)：1.了解自動控制的發(fā)展2.掌握反饋控制系統(tǒng)的組成及原理3.了解控制系統(tǒng)系統(tǒng)方框圖的構(gòu)成要素4.掌握開閉環(huán)控制系統(tǒng)特性1.自動控制的應(yīng)用與發(fā)展人造地球衛(wèi)星的發(fā)射成功與安全返回。導(dǎo)彈的準(zhǔn)確擊中目標(biāo)，雷達(dá)系統(tǒng)的準(zhǔn)確跟蹤目標(biāo)：交通系統(tǒng)：安全、快捷、舒適、準(zhǔn)點(diǎn)鋼鐵生產(chǎn)制造系統(tǒng)：數(shù)控機(jī)床加工生產(chǎn)線自動碼垛機(jī)器人自動包裝機(jī)器人家用電器：電扇：控制轉(zhuǎn)速電冰箱、空調(diào)、電飯煲：控制溫度洗衣機(jī)：控制水位、強(qiáng)弱、時間等 智能建筑：通信電梯供水通風(fēng)空調(diào)安防抄表拉提琴靈巧手排

2、 爆步行吹笛足球比賽機(jī)器人： 自動控制的應(yīng)用領(lǐng)域軍事工業(yè)航空航天制造業(yè)機(jī)器人流程工業(yè)電子工業(yè)家用電器交通系統(tǒng)，樓宇系統(tǒng)，經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)，社會系統(tǒng) 鋼鐵、石化、造紙、制藥等控制無處不在！ 4050年代 經(jīng)典控制理論 （頻域法或復(fù)頻域法）核心：傳遞函數(shù)，穩(wěn)定性、穩(wěn)定裕度等特點(diǎn)：圖形方法，直觀簡便，設(shè)置參數(shù)少， （以簡單控制結(jié)構(gòu)獲取相對滿意的性能） 適用范圍：單輸入單輸出（SISO）系統(tǒng)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)：復(fù)變函數(shù)，積分變換SISO: Single Input and Single Output 60 70年代 現(xiàn)代控制理論（狀態(tài)空間法）核心：狀態(tài)變量的能控、能觀性， 系統(tǒng)性能的最優(yōu)化特點(diǎn)：時域法，統(tǒng)一處理SISO

3、、MIMO系統(tǒng)， 有完整的理論體系 數(shù)學(xué)基礎(chǔ)：線性代數(shù)，矩陣?yán)碚撊秉c(diǎn)：對系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型精度要求高， 實際性能達(dá)不到設(shè)計的最優(yōu)， 所需狀態(tài)反饋難以直接實現(xiàn)MIMO: Multi-Input and Multi-Output自動控制理論經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論非線性控制系統(tǒng)線性控制系統(tǒng)連續(xù)控制系統(tǒng)離散控制系統(tǒng)2 自動控制的基本概念控制系統(tǒng)可以由人工控制，也可以采用自動控制。 自動控制系統(tǒng)是在人工調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生和發(fā)展起來的，其主要裝置包括測量元件與變送器、自動控制器、執(zhí)行器，分別代替了人的眼、腦、手三個器官。 控制器變送器執(zhí)行器人工控制自動控制 測量及變送器測量出被測參數(shù)的大小并將它轉(zhuǎn)化為一種特定

4、、統(tǒng)一的信號輸出。 控制器將給定值與測量信號進(jìn)行比較，求出偏差, 按照預(yù)先的控制律計算并將結(jié)果作為控制信號送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 執(zhí)行器接受控制器的控制信號，驅(qū)動被控對象，使被控變量發(fā)生變化。控制系統(tǒng)中的基本概念 (1) 自動控制在無人直接參與的情況下，利用控制裝置使被控制對象和過程自動地按預(yù)定規(guī)律變化的控制過程。(2) 被控對象被控制的機(jī)器或生產(chǎn)過程。(3) 被控量表征被控對象工作狀態(tài)的物理參量，也叫輸出量。(4) 給定量作用與控制對象/系統(tǒng)的輸出端，并可使系統(tǒng)具有預(yù)定功能或預(yù)定輸出的物理量。(5) 擾動所有影響控制量對被控量按照要求進(jìn)行正?？刂频囊蛩?。如水箱自動控制系統(tǒng)：水箱自動控制系統(tǒng)原理圖干擾

5、信號 測量元件 輸出量 受控對象 比較元件 自動控制系統(tǒng)給定量控制器被控量干擾量自控系統(tǒng)受控對象(6) 反饋量：由系統(tǒng)輸出端取出并反向送回系統(tǒng)輸入端的信號。反饋有主反饋和局部反饋之分。(7) 偏差量：給定量與主反饋信號之差。(8) 自動控制系統(tǒng)：由受控對象和控制器按一定方式連接起來的、完成一定自動控制任務(wù)的總體。自動控制系統(tǒng)的組成1、自動控制系統(tǒng)由被控對象和自動控制裝置兩個基本部分組成。2、實現(xiàn)自動控制作用所需要的自動控制裝置 測量單元（測量變送器、檢測變送器） 控制單元（控制器、調(diào)節(jié)器） 執(zhí)行單元（執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括執(zhí)行器和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)） 3、自動控制系統(tǒng)中的各裝置是通過信號的傳遞和轉(zhuǎn)換相互聯(lián)系起來

6、的。 自動控制的任務(wù)利用控制器操縱受控對象，使其被控量按技術(shù)要求變化。若r(t)給定量，c(t)被控量，則自控的任務(wù)之?dāng)?shù)學(xué)表達(dá)式為：使被控量滿足c(t) r(t)。自控系統(tǒng)的組成如圖所示。輸入量輸出量自動控制系統(tǒng)的組成給定元件：其職能是給出與期望的被控量相對應(yīng)的系統(tǒng)輸入量。一般為電位器。比較元件：其職能是把測量到的被控量實際值與給定元件給出的輸入量進(jìn)行比較，求出他們 之間的偏差。常用的有差動放大器、機(jī)械差動裝置、電橋電路、計算機(jī)等。測量元件：其職能是檢測被控制量的物理量。如測速機(jī)、熱電偶、自整角機(jī)、電位器、旋轉(zhuǎn)變壓器、浮子等。放大元件：其職能是將比較元件給出的偏差信號進(jìn)行放大，用來推動執(zhí)行元件

7、去控制受控對象。如：晶體管、集成電路、晶閘管等組成的電壓、功率放大器?；窘M成執(zhí)行元件：其職能是直接推動受控對象，使其被控量發(fā)生變化。如：閥門、電機(jī)、液壓馬達(dá)等。校正元件：也叫補(bǔ)償元件，它是結(jié)構(gòu)或參數(shù)便 于調(diào)整的元件。用串聯(lián)或并聯(lián)（反饋）的方式連接于系統(tǒng)中，以改善系統(tǒng)的性能。如：電阻、電容組成的無源或有源網(wǎng)絡(luò)，還有計算機(jī)。自控系統(tǒng)的特點(diǎn)：從信號傳送看：c(t)經(jīng)測量后回到輸入端，構(gòu)成閉環(huán)，具有反饋形式，且為負(fù)反饋。從控制作用的產(chǎn)生看：由偏差產(chǎn)生的控制作用使系統(tǒng)沿減小或消除偏差的方向運(yùn)動偏差控制。(1)能直觀地表達(dá)自動控制系統(tǒng)中各設(shè)備之間相互作用與信號傳遞關(guān)系的示意圖稱為自動控制系統(tǒng)的原理方框圖

8、。(2)方框圖的四個要素自動控制系統(tǒng)原理方框圖(a)信號線：用箭頭表示信號“x”的傳遞方向的連接線。(b)匯交點(diǎn) (相加點(diǎn)、綜合點(diǎn))：表示兩個信號“x1”與“x2”的代數(shù)和。(c)分支點(diǎn)(引出點(diǎn))：表示把信號“x”分兩路取出。(d)環(huán)節(jié)：方框圖中的一個方框。方框圖中各符號的意義 元部件 方框（塊）圖 信號（物理量）及傳遞方向 中的符號 比較點(diǎn) 引出點(diǎn) 表示負(fù)反饋3 基本控制方式按照控制方式和策略，系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)兩大類。開環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng) 按干擾補(bǔ)償?shù)拈_環(huán)控制系統(tǒng)計算控制對象測量被控量執(zhí)行干擾 按給定值操縱的開環(huán)控制系統(tǒng)計算控制對象給定值（控制裝置）被控量執(zhí)行干擾直流

9、電機(jī)調(diào)速開環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn)：無反饋環(huán)節(jié)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，成本也低缺點(diǎn)：當(dāng)控制過程受到各種擾動因素影響時，將會直接影響輸出量，而系統(tǒng)不能自動進(jìn)行補(bǔ)償。特別是當(dāng)無法預(yù)計的擾動因素使輸出量產(chǎn)生的偏差超過允許的限度時 ，開環(huán)控制系統(tǒng)便無法滿足技術(shù)要求適用場合：在輸出量和輸入量之間的關(guān)系固定，且內(nèi)部參數(shù)或外部負(fù)載等擾動因素不大，或這些擾動因素產(chǎn)生的誤差可以預(yù)計確定并能進(jìn)行補(bǔ)償，應(yīng)盡量采用開環(huán)控制系統(tǒng)，比如自動化流水線、自動洗衣機(jī)等。 閉環(huán)控制系統(tǒng)系統(tǒng)輸出量對控制作用有直接影響 ；實現(xiàn)了按偏差控制；也稱為反饋控制；閉環(huán)控制系統(tǒng)由前向通道（控制器和控制對象）和反饋通道（反饋裝置）構(gòu)成；反饋控制：正

10、反饋和負(fù)反饋；具有正反饋形式的系統(tǒng)一般不能改進(jìn)系統(tǒng)性能，而且容易使系統(tǒng)性能變壞 ；通常而言，反饋控制就是指負(fù)反饋控制。閉環(huán)系統(tǒng)必須考慮穩(wěn)定性問題閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)特點(diǎn)：有反饋環(huán)節(jié)優(yōu)點(diǎn)：可以自動進(jìn)行補(bǔ)償，可以達(dá)到很高的控制精度。缺點(diǎn)：要增加檢測、反饋比較，調(diào)節(jié)器等部件，會使系統(tǒng) 復(fù)雜、成本提高。而且閉環(huán)控制會帶來副作用，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，甚至造成不穩(wěn)定。這是采用閉環(huán)控制時必須重視并要加以解決的問題。適用場合：使用開環(huán)控制不能滿足控制要求時就可采用閉環(huán)控制與開環(huán)控制系統(tǒng)相比，閉環(huán)控制系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是檢測偏差、糾正偏差 ；從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上看，閉環(huán)系統(tǒng)具有反向通道； 從功能上看，閉環(huán)系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)： 由

11、于增加了反饋通道，系統(tǒng)的控制精度得到了提高，若采用開環(huán)控制，要達(dá)到同樣的精度，則需要高精度的控制器，從而大大增加了成本；由于存在系統(tǒng)的反饋，可以較好地抑制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)中可能存在的擾動和由于器件的老化而引起的結(jié)構(gòu)和參數(shù)的不確定性；反饋環(huán)節(jié)的存在可以較好地改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。 閉環(huán)系統(tǒng)與開環(huán)系統(tǒng)的區(qū)別4 對控制系統(tǒng)的基本要求對自動控制系統(tǒng)的要求，在時域中一般可歸納為三大性能指標(biāo)：（1）穩(wěn)定性保證系統(tǒng)正常工作的先決條件。（2）快速性為了很好完成控制任務(wù)，還必須對其過渡過程的形式和快慢提出要求。（3）準(zhǔn)確性要求系統(tǒng)最終的響應(yīng)準(zhǔn)確度。上述要求，簡稱穩(wěn)、快、準(zhǔn)。不同的系統(tǒng)對穩(wěn)、快、準(zhǔn)的要求一般是不同的。對同

12、一系統(tǒng)的穩(wěn)、快、準(zhǔn)是相互制約的?！胺€(wěn)”與“快”是說明系統(tǒng)動態(tài)（過渡過程）品質(zhì)。 “準(zhǔn)”是說明系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)）品質(zhì)。 對自動控制系統(tǒng)的要求，在時域中一般可歸納為三大性能指標(biāo)：（1）穩(wěn)定性保證系統(tǒng)正常工作的先決條件。（2）快速性為了很好完成控制任務(wù)，還必須對其過渡過程的形式和快慢提出要求。（3）準(zhǔn)確性要求系統(tǒng)最終的響應(yīng)準(zhǔn)確度。上述要求，簡稱穩(wěn)、快、準(zhǔn)。不同的系統(tǒng)對穩(wěn)、快、準(zhǔn)的要求一般是不同的。對同一系統(tǒng)的穩(wěn)、快、準(zhǔn)是相互制約的。“穩(wěn)”與“快”是說明系統(tǒng)動態(tài)（過渡過程）品質(zhì)。 “準(zhǔn)”是說明系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)）品質(zhì)。 穩(wěn)定性示意圖飛機(jī)上的自動駕駛儀是一種能保持或改變飛機(jī)飛行狀態(tài)的自動裝置。它可以穩(wěn)定飛

13、行的 姿態(tài)、高度和航跡，可以操縱飛機(jī)爬高、下滑和轉(zhuǎn)彎，如同飛行員操縱飛機(jī)一樣。自動駕駛儀控制飛機(jī)飛行是通過控制飛機(jī)的三個操縱面一 升降舵、方向舵和副翼的偏轉(zhuǎn)來改變舵面的空氣動力特性，以形成圍繞飛機(jī)質(zhì)心的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 矩，從而改變飛機(jī)的飛行姿態(tài)和軌跡?，F(xiàn)以比例式自動駕駛儀穩(wěn)定飛機(jī)俯仰角為例，說明其 控制原理。圖所示為自動駕駛儀系統(tǒng)穩(wěn)定俯仰角的原理示意圖。5 控制系統(tǒng)舉例垂直陀螺儀作為測量元件用以檢測飛機(jī)的俯仰角，當(dāng)飛機(jī)以給定俯仰角水平飛行 時，陀螺儀電位器沒有電壓輸出；如果飛機(jī)受到擾動，使俯仰角向下偏離期望值，陀螺儀電位 器輸出與俯仰角偏差成正比的信號，經(jīng)放大后驅(qū)動舵機(jī)，一方面推動升降舵面向上偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)

14、生 使飛機(jī)抬頭的轉(zhuǎn)矩以減小俯仰角偏差；與此同時，帶動饋電位器滑臂，輸出與舵偏 角成正比的電壓，并反饋到輸入端。隨著俯仰角偏差的減小，陀螺儀電位器輸出信號越來越 小，舵偏角也隨之減小，直到俯仰角回到期望值，這時舵面也恢復(fù)到原來的狀態(tài)。 下圖所示為該系統(tǒng)的方框圖。圖中，飛機(jī)是控制對象，俯仰角是被控量，放大器、 舵機(jī)、垂直陀螺儀、反饋電位器等是控制裝置，即自動駕駛儀。設(shè)定值是給定的常值俯仰角。 控制系統(tǒng)的任務(wù)是在任何擾動（如氣流沖擊作用下，始終保持飛機(jī)以給定的俯仰角飛行。教學(xué)過程控制方框圖總結(jié)（1）自動控制是在沒有人直接參與的情況下，利用控制裝置使被控對象自動地按要求的運(yùn)動規(guī)律變化。自動控制系統(tǒng)是由被控對象和控制器按一定方式聯(lián)接起來的、完成一定自動控制任務(wù)的有機(jī)整體。（2）自動控制系統(tǒng)可以是開環(huán)控制、閉環(huán)控制或復(fù)合控制。最基本的控制方式是閉環(huán)控制，亦稱反饋控制。（3）在分析系統(tǒng)的工作原理時，應(yīng)注意系統(tǒng)各組成部分具有的職能，并能用原理方框圖進(jìn)行分析。原理方框圖是分析控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。（4）對自動控制系統(tǒng)性能的基本要求可歸結(jié)為穩(wěn)、快、準(zhǔn)三個字。思考題：下圖是一個閥門的人工控制系統(tǒng)原理示意圖。操作員根據(jù)儀表顯示的液體濃度來調(diào)節(jié)閥門，達(dá)到控制處理罐輸出液體濃度的目的。（1）該系統(tǒng)是開環(huán)控制還是閉