自動控制原理PPT

1、自動控制原理（Principles of Automatic Control）胡壽松第4版學(xué)時：51學(xué)時1課程主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：自動控制的一般概念、控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、線性系統(tǒng)的時域分析法、線性系統(tǒng)的根軌跡分析法、線性系統(tǒng)的頻域分析法、線性系統(tǒng)的校正方法等。重點(diǎn)掌握：控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模；線性系統(tǒng)的時域分析及穩(wěn)定性分析：勞斯判據(jù)；根軌跡畫法；系統(tǒng)的頻域特性：奈奎斯特判據(jù)，對數(shù)幅頻、幅相曲線；線性系統(tǒng)的校正等。2第1章 自動控制的一般概念本章主要內(nèi)容及重點(diǎn)自動控制的基本原理自動控制系統(tǒng)示例自動控制系統(tǒng)分類對自動控制系統(tǒng)的基本要求3本章主要內(nèi)容 本章介紹了自動控制理論的應(yīng)用領(lǐng)域、發(fā)展過程和分類。通

2、過一些控制系統(tǒng)實例討論了手動控制、自動控制、自動控制系統(tǒng)的工作原理、方框圖、系統(tǒng)分類等相關(guān)基本概念。 本章重點(diǎn) 掌握手動控制與自動控制；自動控制系統(tǒng)的基本工作原理與組成、方框圖；開環(huán)控制與閉環(huán)控制的概念；系統(tǒng)輸入量與輸出量的相關(guān)基本概念；控制系統(tǒng)的類型以及對控制系統(tǒng)的基本要求。 4課程的性質(zhì)和特點(diǎn)自動控制是一門技術(shù)學(xué)科，從方法論的角度來研究系統(tǒng)的建立、分析與設(shè)計。自動控制原理是本學(xué)科的技術(shù)基礎(chǔ)課，（1）自動控制理論是基礎(chǔ)課程 ，該課程與其它課程的關(guān)系。自動控制理論電機(jī)與拖動復(fù)變函數(shù)、拉普拉斯變換線性代數(shù)微積分（含微分方程）模擬電子技術(shù)電路理論大學(xué)物理（力學(xué)、熱力學(xué)）信號與系統(tǒng)5（2）自動控制理

3、論已經(jīng)發(fā)展為理論嚴(yán)密、系統(tǒng)完整、邏輯性很強(qiáng)的一門學(xué)科。從基本反饋控制原理發(fā)展到：自適應(yīng)控制、優(yōu)化控制、魯棒控制、大系統(tǒng)控制、智能控制討論的對象：因果系統(tǒng) 、工程系統(tǒng)系統(tǒng)的廣義性：經(jīng)濟(jì)、社會、工程、生物、環(huán)境、醫(yī)學(xué) 課程特點(diǎn)：研究系統(tǒng)的共性問題 實際系統(tǒng)物理模型數(shù)學(xué)模型方法（系統(tǒng)組成分析、設(shè)計）6自動控制的概念 所謂自動控制，是指在無人直接參與的情況下 ，利用控制器（外加的設(shè)備或裝置），使被控對象（如機(jī)器、設(shè)備和生產(chǎn)過程）的某個物理量（即被控量）自動的按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。自動控制的劃分初期：以反饋理論為基礎(chǔ)的反饋控制系統(tǒng)。主要用于工業(yè)控制。二戰(zhàn)前后：以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)的經(jīng)典控制理論，研 究單入-單

4、出、線性定常系統(tǒng)的分析和設(shè)計問題。 1-1自動控制系統(tǒng)的基本原理與方式7主要研究方法有時域分析法、根軌跡法、頻率特性法。主要用于新型武器研制方面，如火炮定位系統(tǒng)、船用自動駕駛儀。 20世紀(jì)5、60年代：以矩陣?yán)碚摰冉F(xiàn)代數(shù)學(xué)方法為基礎(chǔ)的現(xiàn)代控制理論，不但研究多輸入-多輸出復(fù)雜系統(tǒng)的特性，還研究系統(tǒng)的內(nèi)部特性，這些系統(tǒng)可以是線性、非線性、定?；驎r變的。 即研究具有高性能、高精度的多變量、多參數(shù)系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題。主要研究方法是以狀態(tài)為基礎(chǔ)的狀態(tài)空間法。主要用于宇航技術(shù)方面，如各種高速、高性能的飛行器研制。8本課程只介紹經(jīng)典控制理論的有關(guān)內(nèi)容。 自動控制和人工控制的基本原理是相同的，它們都是建立在

5、“測量偏差，修正偏差”的基礎(chǔ)上，并且為了測量偏差，必須把系統(tǒng)的實際輸出反饋到輸入端。 自動控制和人工控制的區(qū)別在于自動控制用控制器代替人完成控制。9自動控制的基本原理人工控制與自動控制：水箱水位保持恒定的供水系統(tǒng)眼手腦出水眼手腦出水眼手腦操作步驟：1.將給定水位記在腦中2.用眼睛和標(biāo)尺測量水池實際水位3.給定水位與實際水位相比較、計算，得出誤差值4.按照誤差的大小正負(fù)，由大腦指揮手去正確調(diào)節(jié)進(jìn)水閥門（按減小誤差方向）10水位控制工作原理人工控制：眼、腦、手、水箱+閥門人腦手水箱系統(tǒng)眼實際液高期望液高11出水水位測量與傳送執(zhí)行器控制器期望液高工作步驟：1.將給定水位記在控制器中2.水位超過或低于

6、給定水位時，水位誤差被檢測出來，并由控制器控制執(zhí)行器作用于進(jìn)水閥，從而產(chǎn)生控制作用。3. 按減小誤差的方向控制進(jìn)水閥門12水位控制工作原理自動控制：傳感器、控制器、執(zhí)行器、水箱+閥門控制器執(zhí)行器水箱系統(tǒng)傳感器實際液高期望液高13反饋：將輸出量通過一定的方式送回到輸入端，并與輸入信號比較產(chǎn)生偏差信號的過程，稱為反饋。負(fù)反饋：輸入信號-反饋信號（輸出信號） 使輸出偏差減小正反饋：輸入信號+反饋信號反饋控制（閉環(huán)控制）：采用負(fù)反饋并利用偏差進(jìn)行控制的過程，而且由于引入了被控量的反饋信息，整個控制過程成為閉合過程，故反饋控制也被稱為閉環(huán)控制。 工程實踐中，系統(tǒng)需要測量元件、比較元件和執(zhí)行元件對被控量連

7、續(xù)的測量、反饋和比較，并按偏差進(jìn)行控制。一、反饋控制原理14龍門刨床速度控制系統(tǒng)n 要求：工件加工過程中不允許刨床速度波動過大措施：利用速度反饋對刨床速度進(jìn)行自動控制龍門刨床速度控制系統(tǒng)原理圖SMTG-kFDKZCFu015龍門刨床速度控制系統(tǒng)原理：（詳見P3圖1-2）系統(tǒng)基本部件及功能：主（拖動）電動機(jī)SM 輸入：電樞端電壓 ua 輸出：電動機(jī)速度 n測速發(fā)電機(jī) TG+電位器 輸入：電動機(jī)速度n 輸出：與速度成正比的電壓ut觸發(fā)器CF+晶閘管整流器 KZ 輸入：控制電壓uk 輸出：電樞端電壓 ua16給定電位器 輸出： uo放大器 FD 輸入：工作原理： 設(shè) 直流電動機(jī)SM的勵磁恒定、外部負(fù)

8、載 M t。調(diào)整過程如下：17被控對象電動機(jī)SM執(zhí)行元件觸發(fā)器和整流器測量元件測速發(fā)電機(jī)TG+電位器給定元件電位器系統(tǒng)方框圖比較電路整流器放大器測速發(fā)電機(jī)觸發(fā)器電動機(jī)18二、反饋控制系統(tǒng)的基本組成反饋控制系統(tǒng)：被控對象、控制裝置 控制裝置是由具有一定職能的各種基本元部件組成。元部件按職能分類：測量元件：檢測被控物理量，若是非電量，需轉(zhuǎn)換成電量。如測速發(fā)電機(jī)、熱電偶給定元件：給出與期望的被控量相對應(yīng)的輸入量（參據(jù)量）。如電位器比較元件：將測量元件檢測的被控量實際值與給定元件給出的參據(jù)量比較，求出偏差。如差動放大器、電橋電路放大元件：將比較元件給出的偏差放大，推動執(zhí)行19測量元件串聯(lián)校正反饋校正執(zhí)

9、行元件放大元件被控對象局部反饋主反饋測量元件串聯(lián)校正反饋校正執(zhí)行元件放大元件被控對象局部反饋主反饋測量元件串聯(lián)校正反饋校正執(zhí)行元件放大元件被控對象局部反饋主反饋測量元件串聯(lián)校正反饋校正執(zhí)行元件放大元件被控對象局部反饋主反饋測量元件串聯(lián)校正反饋校正執(zhí)行元件放大元件被控對象局部反饋主反饋元件去控制被控對象。如晶體管、集成電路、晶閘管組成的電壓、功率放大級執(zhí)行元件：直接推動被控對象，使其被控量發(fā)生變化。如閥、電動機(jī)、馬達(dá)校正元件：也稱補(bǔ)償元件，其結(jié)構(gòu)或參數(shù)便于調(diào)整，以串聯(lián)或反饋方式連接在系統(tǒng)中，改善系統(tǒng)性能。如電阻、電容組成的無源或有源網(wǎng)絡(luò)反饋控制系統(tǒng)基本組成20一些基本概念和術(shù)語前向通路：從輸入端

10、沿箭頭方向到輸出端的傳輸通路主反饋通路：輸出量經(jīng)過測量元件到達(dá)輸入端的通路主回路：前向通路+主反饋通路內(nèi)回路：局部前向通路+局部反饋通路單回路系統(tǒng)：只包含一個主反饋通路的系統(tǒng)多回路系統(tǒng)：包含兩個或兩個以上反饋通路的系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng)受到的外部作用有用輸入（參據(jù)量）：決定系統(tǒng)被控量的變化規(guī)律擾動：系統(tǒng)不希望的外作用，破壞有用輸入對系統(tǒng)的控制。包括系統(tǒng)外部擾動、系統(tǒng)內(nèi)部擾動21系統(tǒng)：自動控制系統(tǒng)是被控對象和自動控制裝置按一定方式聯(lián)結(jié)起來，以完成某種自動控制任務(wù)的有機(jī)整體。輸入信號：指參據(jù)量，它是控制輸出量變化規(guī)律的指令信號。輸出信號：指被控對象中要求按統(tǒng)一規(guī)律變化的物理量，又稱被控量，與輸入量之間保

11、持一定函數(shù)關(guān)系。反饋信號：由系統(tǒng)輸出端取出并反向送回系統(tǒng)輸入端的信號。偏差信號：參據(jù)量與主反饋信號之差，簡稱偏差。誤差信號：系統(tǒng)輸出的實際值與期望值之差，簡稱誤差。擾動信號：是一種不希望的，影響系統(tǒng)輸出的不利因素。簡稱擾動或干擾。可來自系統(tǒng)內(nèi)部，也可來自系統(tǒng)外部?！啊保捍肀容^元件，表示比較環(huán)節(jié)。將被控量與參據(jù)量進(jìn)行比較。22自動控制系統(tǒng)的基本控制方式 反饋控制（閉環(huán)控制） ：是自動控制系統(tǒng)最基本方式，應(yīng)用也最廣。此外還有開環(huán)控制和復(fù)合控制。閉環(huán)系統(tǒng)既有正向作用，又有反饋控制作用的控制系統(tǒng)；按偏差進(jìn)行控制，控制精度與元件精度、控制方法、調(diào)整精度有關(guān)，控制精度較高；有抑制干擾的能力；結(jié)構(gòu)、線路復(fù)

12、雜，成本較高，系統(tǒng)分析與設(shè)計較復(fù)雜。控制器被控對象輸入量輸出量比較測量電路23開環(huán)控制（順序控制）： 只有正向作用，沒有反饋?zhàn)饔茫?控制精度取決于元器件的精度和系統(tǒng)調(diào)整精度； 沒有抑制內(nèi)、外干擾的能力； 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低。有兩種方式：按給定量控制 控制作用由系統(tǒng)輸入量產(chǎn)生。 精度取決于所用元件及校準(zhǔn)精度，抗擾動能力差，無自動修正偏差能力；結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整方便，成本低。適于精度要求不高或擾動較小場合?？刂破鞅豢貙ο筝斎肓靠刂屏枯敵隽?4控制器控制對象擾動擾動控制對象擾動控制對象擾動控制對象擾動控制器控制對象擾動控制器控制對象擾動控制器控制器控制對象控制器控制對象控制器控制對象控制器擾動控制對象

13、控制器擾動控制對象控制器測量裝置 按給定量控制 按擾動量控制 按擾動量控制 利用可測量的擾動量，產(chǎn)生補(bǔ)償作用。 抗擾動性能好，控制精度較高，但只適于擾動可測場合。25復(fù)合控制方式：（1）按偏差控制+按擾動補(bǔ)償控制（2）按偏差控制+按給定補(bǔ)償控制電壓放大電壓放大功率放大SMTG負(fù)載26按偏差控制+按擾動控制其它新控制方式：最優(yōu)控制、預(yù)測控制、自適應(yīng)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。電壓放大器功率放大器電阻 R電動機(jī)測速發(fā)電機(jī)電壓放大器MC27 1-2自動控制系統(tǒng)示例飛機(jī)-自動駕駛儀系統(tǒng)給定電位器反饋電位器28給定裝置放大器舵機(jī)飛機(jī) 反饋電位器 垂直陀螺儀0c擾動俯仰角控制系統(tǒng)方塊圖飛機(jī)方塊圖291

14、-3自動控制系統(tǒng)分類分類方法按控制方式：開環(huán)控制、閉環(huán)控制、復(fù)合控制按元件類型：機(jī)械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、機(jī)電系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、生物系統(tǒng)等。按系統(tǒng)功能：溫度、壓力、位置按系統(tǒng)性能：線性與非線性、連續(xù)與離散、定常與時變線性：元件是線性的、系統(tǒng)運(yùn)動方程可用線性微分方程或差分 方程描述 非線性：系統(tǒng)中含有至少一個非線性元件、系統(tǒng)運(yùn)方程需用非 線性方程或差分方程描述。典型非線性：飽和、死區(qū)、繼電器、傳動間隙。 連續(xù)：系統(tǒng)各環(huán)節(jié)之間傳遞的信號均為時間的連續(xù)函數(shù)，一般 用微分方程描述。 離散：在信號傳遞過程中，至少有一處的信號是脈沖序列或數(shù) 字編碼。5.按參考量變化規(guī)律：恒值、隨動、程序控制30一、線性

15、連續(xù)控制系統(tǒng)由系數(shù)判定線性時變系統(tǒng)、線性定常系統(tǒng)。 是常數(shù)時，為定常系統(tǒng)。 隨時間變化時，為時變系統(tǒng)。線性定常系統(tǒng)根據(jù)參考輸入量變化又可分為：恒值控制系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)31系統(tǒng)主要特點(diǎn)：（1）恒值控制系統(tǒng) 參考輸入是個常值，要求被控量也等于常值。外部擾動的存在，被控量偏離參考量而出現(xiàn)偏差，控制系統(tǒng)根據(jù)偏差產(chǎn)生控制作用，以克服擾動的影響，使被控量恢復(fù)到給定的常值。典型系統(tǒng)：液位、溫度、壓力、流量控制（2）隨動系統(tǒng)參考輸入是預(yù)先未知的隨時間任意變化的函數(shù)，要求被控量以盡可能小的誤差跟隨參考輸入量變化。 典型系統(tǒng)：魚雷飛行、炮瞄雷達(dá)、火炮自動瞄準(zhǔn)、導(dǎo)彈制導(dǎo)。32（3）程序控制系統(tǒng)參考輸入是

16、按預(yù)定規(guī)律隨時間變化的函數(shù)，要求被控量迅速、準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)。典型系統(tǒng)：熱處理爐控制系統(tǒng)、鏡片固化爐溫度控制、程序控制機(jī)床、灌裝生產(chǎn)線、自動生產(chǎn)流水線。程序控制系統(tǒng)和隨動系統(tǒng)參據(jù)量都是時間函數(shù)，不同在于前者為已知時間函數(shù)，后者為未知時間函數(shù)。恒值控制系統(tǒng) 可看作是程序控制系統(tǒng)特例。二、線性定常離散系統(tǒng)mn ， 為常系數(shù)。如爐溫控制系統(tǒng)33三、非線性控制系統(tǒng)系統(tǒng)中含有至少一個非線性元件、系統(tǒng)運(yùn)動方程需用非線性方程或差分方程描述。典型非線性：飽和、死區(qū)、繼電器、傳動間隙。341-4 對自動控制系統(tǒng)的基本要求1. 對自動控制系統(tǒng)基本要求穩(wěn)、快、準(zhǔn)即穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性。“穩(wěn)”與“快”是說明系統(tǒng)動態(tài)（過渡

17、過程）品質(zhì)。系統(tǒng)的過渡過程產(chǎn)生的原因 ： 系統(tǒng)中儲能元件的能量不可能突變?！皽?zhǔn)”是說明系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)）品質(zhì)穩(wěn)定性：是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。線性控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性由系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)與參數(shù)所決定的，與外部條件無關(guān)。35快速性：是系統(tǒng)在穩(wěn)定的條件下，衡量系統(tǒng)過渡過程的形式和快慢，通常稱為“系統(tǒng)動態(tài)性能”。包括過渡過程時間（快速性）、超調(diào)量（最大震蕩幅度）準(zhǔn)確性：是在系統(tǒng)過渡過程結(jié)束后，衡量系統(tǒng)輸出（被控量）達(dá)到的穩(wěn)態(tài)值與系統(tǒng)輸出期望值之間的接近程度。 穩(wěn)態(tài)誤差（穩(wěn)態(tài)值與期望值之間的誤差）。在技術(shù)指標(biāo)中一般都有具體要求。362. 典型外部輸入信號（1）階躍函數(shù)（信號）如電源電壓突跳，一般將階躍函數(shù)作用下的響應(yīng)特征作為評價系統(tǒng)動態(tài)性能指標(biāo)的依據(jù)。（2）斜坡函數(shù)（信號）如雷達(dá)-高射炮防空系統(tǒng)37（3）脈沖函數(shù)（信號）（4）正弦函數(shù)（信號）如艦船的消擺系統(tǒng)。系統(tǒng)在正弦函數(shù)作用下的響應(yīng)即頻率響應(yīng)，是自動控制理論中研究控制系統(tǒng)性能的重要依據(jù)。381-5 自動控制理論概要一、對自動控制系統(tǒng)的要求穩(wěn)定性要求快速性要求準(zhǔn)確性要求二、自動控制理論研究的問題自動控制建模問題控制系統(tǒng)分析控制系統(tǒng)設(shè)計39三、控制系統(tǒng)建模問題描述方法 傳遞函數(shù)建立方法 理論推導(dǎo)、實驗法四、自動控制系統(tǒng)分析分析基礎(chǔ) 系統(tǒng)傳遞函數(shù)分析內(nèi)容 穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)分析工具 手工計算、計算機(jī)軟件4