自動(dòng)控制系統(tǒng)概述課件

1、第1章 自動(dòng)控制系統(tǒng)概述 1.1引言1.2 開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制 1.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成 1.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(lèi) 1.5 自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo) 1.6 研究自動(dòng)控制系統(tǒng)的方法 1.1 自動(dòng)控制理論的發(fā)展史及內(nèi)容 在工業(yè)、 農(nóng)業(yè)、 交通運(yùn)輸和國(guó)防各個(gè)方面，凡要求較高的場(chǎng)合，都離不開(kāi)自動(dòng)控制。 所謂自動(dòng)控制， 就是在沒(méi)有人直接參與的情況下， 利用控制裝置對(duì)生產(chǎn)過(guò)程、 工藝參數(shù)、 目標(biāo)要求等進(jìn)行自動(dòng)的調(diào)節(jié)與控制， 使之按照預(yù)定的方案達(dá)到要求的指標(biāo)。 自動(dòng)控制系統(tǒng)性能的優(yōu)劣， 將直接影響到產(chǎn)品的產(chǎn)量、 質(zhì)量、 成本、 勞動(dòng)條件和預(yù)期目標(biāo)的完成。 自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用可以追溯到18世紀(jì)(1788年

2、)瓦特(Watt)利用小球離心調(diào)速器使蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速保持恒定的開(kāi)創(chuàng)性的突破， 以及19世紀(jì)(1868年)麥克斯威爾（Maxwell）對(duì)輪船擺動(dòng)（穩(wěn)定性）的研究。 但在初期， 自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展很緩慢。 自動(dòng)控制技術(shù)的真正發(fā)展是在20世紀(jì)。 自動(dòng)控制理論通常可分為經(jīng)典控制理論、 現(xiàn)代控制理論和智能控制理論。 1、經(jīng)典控制理論 經(jīng)典控制理論產(chǎn)生并發(fā)展于20世紀(jì)4060年代。 2、現(xiàn)代控制理論 現(xiàn)代控制理論于20世紀(jì)60年代中期發(fā)展成熟。 3、智能控制理論 智能控制理論是20世紀(jì)70年代后， 控制理論向廣度和深度發(fā)展的結(jié)果。 智能控制系統(tǒng)是指具有某些仿人智能的工程控制與信息處理系統(tǒng)， 其中最典型的就

3、是智能機(jī)器人。 對(duì)自動(dòng)控制理論的具體描述可表示為下圖。 對(duì)自動(dòng)控制理論的具體描述 1.2 開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制 1、開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)(OpenLoop Control System) 若系統(tǒng)的輸出量不被引回來(lái)對(duì)系統(tǒng)的控制部分產(chǎn)生影響， 則這樣的系統(tǒng)稱(chēng)為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。 圖 1 - 1 數(shù)控加工機(jī)床示意圖 圖 1 - 2 為數(shù)控加工機(jī)床開(kāi)環(huán)控制框圖。 此系統(tǒng)的輸入量為加工程序指令， 輸出量為機(jī)床工作臺(tái)的位移， 系統(tǒng)的控制對(duì)象為工作臺(tái)， 執(zhí)行機(jī)構(gòu)為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。 此系統(tǒng)無(wú)反饋環(huán)節(jié)， 輸出量并不返回來(lái)影響控制部分， 因此是開(kāi)環(huán)控制。 圖 1 2 數(shù)控加工機(jī)床開(kāi)環(huán)控制框圖 2、閉環(huán)控制系統(tǒng)(Close

4、dLoop Control System) 若系統(tǒng)輸出量通過(guò)反饋環(huán)節(jié)返回來(lái)作用于控制部分， 形成閉合環(huán)路， 則這樣的系統(tǒng)稱(chēng)為閉環(huán)控制系統(tǒng)， 又稱(chēng)為反饋控制系統(tǒng)(Feedback Control System)。 圖 1 - 3 電爐箱恒溫自動(dòng)控制系統(tǒng) 圖 1 - 4 電爐箱自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成框圖 圖 1 5 爐溫自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程 1.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成 現(xiàn)以圖 1 - 3和圖 1 - 4 所示的恒溫控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)明自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成和有關(guān)術(shù)語(yǔ)。 圖 1 - 6 自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成框圖 由圖 1 - 6 可以看出， 一般自動(dòng)控制系統(tǒng)包括： (1) 給定元件（Command Element）： 由它

5、調(diào)節(jié)給定信號(hào)（UsT）， 以調(diào)節(jié)輸出量的大小。 (2) 檢測(cè)元件（Detecting Element）： 由它檢測(cè)輸出量（如爐溫T）的大小， 并反饋到輸入端。 (3) 比較環(huán)節(jié)（Comparing Element）： 在此處， 反饋信號(hào)與給定信號(hào)進(jìn)行疊加， 信號(hào)的極性以“+”或“-”表示。 (4) 放大元件（Amplifying Element）： 由于偏差信號(hào)一般很小， 因此要經(jīng)過(guò)電壓放大及功率放大， 以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件。 (5) 執(zhí)行元件（Executive Element）： 驅(qū)動(dòng)被控制對(duì)象的環(huán)節(jié)。 (6) 控制對(duì)象（Controlled Plant）： 亦稱(chēng)被調(diào)對(duì)象。 (7) 反饋環(huán)節(jié)（F

6、eedback Element）： 由它將輸出量引出， 再回送到控制部分。 由圖 1 - 6 可見(jiàn)， 系統(tǒng)中的各種作用量和被控制量包括： (1) 輸入量（Input Variable）： 又稱(chēng)控制量或調(diào)節(jié)量（Reference Input Variable）， 所以輸入量的角標(biāo)常用i(或 r)表示。它通常由給定信號(hào)電壓構(gòu)成,或通過(guò)檢測(cè)元件將非電輸入量轉(zhuǎn)換成信號(hào)電壓。 (2) 輸出量（Output Variable）： 又稱(chēng)被控制量（Controlled Variable）, 所以輸出量角標(biāo)常用o(或 c)表示。它是被控制對(duì)象的輸出，是自動(dòng)控制的目標(biāo)。 (3) 反饋量（Feedback Vari

7、able）： 通過(guò)檢測(cè)元件將輸出量轉(zhuǎn)變成與給定信號(hào)性質(zhì)相同且數(shù)量級(jí)相同信號(hào)電壓。 (4) 擾動(dòng)量（Disturbance Variable）: 又稱(chēng)干擾或“噪聲”（Noise）， 所以擾動(dòng)量的角標(biāo)常以d（或n）表示。 它通常指引起輸出量發(fā)生變化的各種因素。 (5) 中間變量(Semifinisbed Variable)： 系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)之間的作用量。 【例1-1】 水位控制系統(tǒng)。 圖1-7 水位控制系統(tǒng)示意圖圖1-8 水位控制系統(tǒng)的組成框圖2.工作原理3.自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程直至Q1=Q2,H=H0，UB=UA，U=0時(shí)，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)為止圖1-9 水位控制系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程 【例1-2】 位置跟隨系統(tǒng)。1

8、、系統(tǒng)的組成圖1-10 位置跟隨系統(tǒng)示意圖圖1-11 雷達(dá)天線位置跟隨系統(tǒng)框圖2、工作原理 圖1-12 雷達(dá)天線位置跟隨自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程 1.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(lèi) 自動(dòng)控制系統(tǒng)可以從不同的角度來(lái)進(jìn)行分類(lèi)， 常見(jiàn)的有以下幾種。 1、按輸入量變化的規(guī)律分類(lèi) 自動(dòng)控制系統(tǒng)按輸入量變化的規(guī)律可分為以下三類(lèi)。 1) 恒值控制系統(tǒng)(Fixed Set-Point Control System) 恒值控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是： 系統(tǒng)的輸入量是恒量， 并且要求系統(tǒng)的輸出量相應(yīng)地保持恒定。 2) 隨動(dòng)系統(tǒng)（Follow-Up Control System） 隨動(dòng)控制系統(tǒng)又稱(chēng)伺服系統(tǒng)（Serve-System）， 其特點(diǎn)是

9、： 輸入量是變化著的（有時(shí)是隨機(jī)的）， 并且要求系統(tǒng)的輸出量能跟隨輸入量的變化而作出相應(yīng)的變化。 在數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)中,目前國(guó)內(nèi)用得較多 得兩種系統(tǒng):德國(guó)西門(mén)子數(shù)控系統(tǒng)(SINUMER1K 810D)主軸交流高速變頻調(diào)速電機(jī)(恒值控制)轉(zhuǎn)速可達(dá)15000r/min(銑刀、齒輪)刀架位置隨動(dòng)系統(tǒng)交流伺服電動(dòng)機(jī)(變頻) 系統(tǒng)如下圖所示： 日本FANUC數(shù)控系統(tǒng)下圖為FANUC數(shù)控系統(tǒng)：交流變頻伺服系統(tǒng)(刀架精確定位) 3) 過(guò)程控制系統(tǒng)(Process Control System) 過(guò)程控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是： 輸入量按照一定的時(shí)間函數(shù)變化， 并且要求輸出量隨之變化。對(duì)其中的每一個(gè)局部，它們可能是一種

10、隨動(dòng)控制系統(tǒng)，也可能是按程序指令變化的恒值控制系統(tǒng)。食品加工的在線調(diào)和流量控制如生產(chǎn)調(diào)和油 化工廠中的溫度、壓力、流量的控制 發(fā)電廠的生產(chǎn)控制木屑發(fā)電原理 2、按系統(tǒng)傳輸信號(hào)對(duì)時(shí)間的關(guān)系分類(lèi) 自動(dòng)控制系統(tǒng)按系統(tǒng)傳輸信號(hào)對(duì)時(shí)間的關(guān)系可分為兩類(lèi)。 1) 連續(xù)控制系統(tǒng)（Continuous Control System） 連續(xù)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是：各元件的輸入量或輸出量都是連續(xù)量或模擬量， 因此它又稱(chēng)為模擬控制系統(tǒng)（Analogue Control System）。連續(xù)控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律通常可用微分方程來(lái)描述。 2) 離散控制系統(tǒng)(Discrete Control System) 離散控制系統(tǒng)又稱(chēng)采樣數(shù)

11、據(jù)控制系統(tǒng)（Sampted-Date Control System）。 它的特點(diǎn)是： 系統(tǒng)中有的信號(hào)是脈沖序列或采樣數(shù)據(jù)量或數(shù)字量。 3、按系統(tǒng)的輸出量和輸入量間的關(guān)系分類(lèi) 自動(dòng)控制系統(tǒng)按系統(tǒng)的輸出量和輸入量間的關(guān)系可分為兩類(lèi)。 1) 線性系統(tǒng)(Linear System) 線性系統(tǒng)的特點(diǎn)是： 系統(tǒng)全部由線性元件組成， 它輸出量和輸入量間的關(guān)系用線性微分方程來(lái)描述?？蓱?yīng)用疊加定理。 2) 非線性系統(tǒng)(Nonlinear System) 非線性系統(tǒng)的特點(diǎn)是： 系統(tǒng)中存在有非線性元件， 如具有死區(qū)、 出現(xiàn)飽和、 含有摩擦等非線性特性的元件， 要用非線性微分方程來(lái)描述。 4、按系統(tǒng)中的參數(shù)對(duì)時(shí)間的變

12、化情況分類(lèi) 1) 定常系統(tǒng)（Time-Invariant System） 定常系統(tǒng)(又稱(chēng)時(shí)不變系統(tǒng)) ，其特點(diǎn)是： 系統(tǒng)的全部參數(shù)不隨時(shí)間變化， 它用定常微分方程來(lái)描述。 2) 時(shí)變系統(tǒng)(Time-Varying System) 時(shí)變系統(tǒng)的特點(diǎn)是： 系統(tǒng)中有的參數(shù)是時(shí)間t的函數(shù)， 它隨時(shí)間變化而改變。 1.5 自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo) 1、系統(tǒng)的穩(wěn)定性（Stability） 穩(wěn)定性是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。 一個(gè)穩(wěn)定的控制系統(tǒng)， 其被控量偏離期望值的初始偏差應(yīng)隨時(shí)間的增長(zhǎng)逐漸減小或趨于零。 圖1-13 穩(wěn)定系統(tǒng)和不穩(wěn)定系統(tǒng) a)穩(wěn)定系統(tǒng) b)不穩(wěn)定系統(tǒng)2 、系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo) (Stea

13、ty-State Performance Specification) 當(dāng)系統(tǒng)從一個(gè)穩(wěn)態(tài)過(guò)渡到新的穩(wěn)態(tài)，或系統(tǒng)受擾動(dòng)作用又重新平衡后，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)偏差，這種偏差稱(chēng)為穩(wěn)態(tài)誤差(ess)(Steady-State Error)。系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的大小反映了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度(或靜態(tài)精度)(Static Accuracy)，它表明了系統(tǒng)的準(zhǔn)確程度。穩(wěn)態(tài)誤差 ess 越小，則系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度越高。 .有靜差系統(tǒng)：ess0，如圖1-8a所示。 .無(wú)靜差系統(tǒng)：ess=0，如圖1-8b所示。 圖1-14 自動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能a)有靜差系統(tǒng) b)無(wú)靜差系統(tǒng) 3、系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)(Dynamic Performance

14、 Specification) 系統(tǒng)從一個(gè)穩(wěn)態(tài)過(guò)渡到新的穩(wěn)態(tài)都需要經(jīng)歷一段時(shí)間，亦即需要經(jīng)歷一個(gè)過(guò)渡過(guò)程。表征這個(gè)過(guò)渡過(guò)程性能的指標(biāo)叫做動(dòng)態(tài)指標(biāo)。 圖1-15 系統(tǒng)對(duì)突加給定信號(hào)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線 （1）、最大超調(diào)量( )(Maximum Overshoot) 最大超調(diào)量是輸出量c(t)與穩(wěn)態(tài)值 的最大偏差 與穩(wěn)態(tài)值 之比。即 最大超調(diào)量反映了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)精度，最大超調(diào)量越小，則說(shuō)明系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程進(jìn)行得越平穩(wěn)。（2）、調(diào)整時(shí)間( )(Settling Time) 調(diào)整時(shí)間是給定量作用于系統(tǒng)開(kāi)始，到輸出量進(jìn)入并一直保持在離穩(wěn)態(tài)值的允許誤差帶內(nèi)所需要的時(shí)間。 （3）、振蕩次數(shù)(N)(Order Numbe

15、r) 振蕩次數(shù)是指在調(diào)整時(shí)間內(nèi)，輸出量在穩(wěn)態(tài)值上下擺動(dòng)的次數(shù)。結(jié)論： 在上述指標(biāo)中，最大超調(diào)量和振蕩次數(shù)反映了系統(tǒng)的穩(wěn)定性能。調(diào)整時(shí)間反映了系統(tǒng)的快速性。穩(wěn)態(tài)誤差反映了系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。一般說(shuō)來(lái)，我們總是希望最大超調(diào)量小一點(diǎn)，振蕩次數(shù)少一點(diǎn)，調(diào)整時(shí)間短一些，穩(wěn)態(tài)誤差小一點(diǎn)。總之，希望系統(tǒng)能達(dá)到穩(wěn)、快、準(zhǔn)。以后的分析將表明，這些指標(biāo)要求，在同一個(gè)系統(tǒng)中往往是相互矛盾的。這就需要根據(jù)具體對(duì)象所提出的要求，對(duì)其中的某些指標(biāo)有所側(cè)重，同時(shí)又要注意統(tǒng)籌兼顧。性能指標(biāo)是衡量自動(dòng)控制系統(tǒng)技術(shù)品質(zhì)的客觀標(biāo)準(zhǔn)，它是訂貨、驗(yàn)收的基本依據(jù)，也是技術(shù)合同的基本內(nèi)容。 1.6 研究自動(dòng)控制系統(tǒng)的方法 對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析

16、研究，首先是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行定性分析。所謂定性分析，主要是搞清各個(gè)單元及各個(gè)元件在系統(tǒng)中的地位和作用，以及它們之間的相互聯(lián)系，并在此基礎(chǔ)上搞清系統(tǒng)的工作原理。然后，在定性分析的基礎(chǔ)上，可以建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；再應(yīng)用自動(dòng)控制理論對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行定量分析。在系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上就可以找到改善系統(tǒng)性能，提高系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)的有效途徑，這也就是系統(tǒng)的校正、設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。 自動(dòng)控制理論又分為經(jīng)典控制理論(Classical Control Theory)和現(xiàn)代控制理論(Modern Control Theory)。 經(jīng)典控制理論是建立在傳遞函數(shù)(Transfer Function)概念基礎(chǔ)之上

17、的，它對(duì)單輸入單輸出系統(tǒng)是十分有效的。 現(xiàn)代控制理論是建立在狀態(tài)變量(State Variable)概念基礎(chǔ)之上的，它適用于復(fù)雜的多輸入多輸出控制系統(tǒng)及變參數(shù)非線性系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制(Adaptive Control)、最佳控制(Optimal Control)等。在經(jīng)典控制理論中，又有時(shí)域分析法 (TimeDomain Analysis Method)、頻率響應(yīng)法(Freguency Response Method)和根軌跡法(The Root Locus Method)等幾種分析方法。 習(xí) 題 1 - 1 分析比較開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制的特征、 優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合的不同。 1 - 2 指出下列

18、系統(tǒng)中哪些屬開(kāi)環(huán)控制， 哪些屬閉環(huán)控制： (1) 家用電冰箱 (2) 家用空調(diào) (3) 家用洗衣機(jī) (4) 抽水馬桶 (5) 普通車(chē)床 (6) 電飯煲 (7) 多速電風(fēng)扇 (8) 高樓水箱 (9) 調(diào)光臺(tái)燈 (10) 自動(dòng)報(bào)時(shí)電子鐘 1 - 3 衡量一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)通常有哪些？ 下圖 為某自動(dòng)控制系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)曲線， 其中x(t)為被控量， xo為期望穩(wěn)態(tài)值。 曲線、 對(duì)應(yīng)不同的調(diào)節(jié)參數(shù)。 試分析比較、 兩種情況技術(shù)性能的優(yōu)劣。 某自動(dòng)控制系統(tǒng)的啟動(dòng)曲線 1 - 4 組成自動(dòng)控制系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)有哪些？ 它們各有什么特點(diǎn)? 起什么作用？ 1 - 5 恒值控制系統(tǒng)和隨動(dòng)控制系統(tǒng)的主要區(qū)別是什么？判斷下列系統(tǒng)屬于哪一類(lèi)系統(tǒng)： 電飯煲、 空調(diào)、 燃?xì)鉄崴鳌?自動(dòng)跟蹤雷達(dá)、 家用交流穩(wěn)壓器。 1 - 6 畫(huà)出電冰箱溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的方框圖，并說(shuō)明在該系統(tǒng)中可能存在哪些擾動(dòng)量？ （提示： 電冰箱是依靠由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)， 將氟里昂氣體壓縮成液體， 此液體在冰箱柜內(nèi)的管道中氣化膨脹， 產(chǎn)生致冷效應(yīng)。 檢測(cè)冰箱內(nèi)溫度的是一個(gè)內(nèi)有液體的溫包， 溫包內(nèi)液體