自動(dòng)控制 第1次課

1、第一節(jié) 概述第二節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的一般概念第三節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類第四節(jié) 對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求第一章 緒論 第一次課1概 述自動(dòng)控制理論設(shè)計(jì)、分析與應(yīng)用自動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論知識(shí)。自動(dòng)控制系統(tǒng)在無(wú)人直接參與的前提下，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的所有設(shè)備的整體?！白詣?dòng)控制”所涉及到的領(lǐng)域遍及工業(yè)生產(chǎn)、軍事、航空航天及日常生活的每一個(gè)領(lǐng)域，還有替代實(shí)施規(guī)范操作的機(jī)器人。學(xué)習(xí) “自動(dòng)控制理論”課程最終所要達(dá)到的目的掌握“全面評(píng)價(jià)自動(dòng)控制系統(tǒng)控制水平”的能力；了解“改善系統(tǒng)性能”的基本方法；了解“設(shè)計(jì)滿足用戶要求的自動(dòng)控制系統(tǒng)”的基本思路。主要內(nèi)容及承上啟下的關(guān)系本課程設(shè)計(jì)到的基礎(chǔ)理論知識(shí)2課程的主要內(nèi)

2、容及承上啟下的關(guān)系3本課程涉及到的基礎(chǔ)理論知識(shí)Laplace變換線性微分方程的求解付氏變換4自動(dòng)控制系統(tǒng)的一般概念水箱水位的人工調(diào)節(jié)水箱水位的自動(dòng)調(diào)節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的一般組成及原則性方框圖5工調(diào)節(jié)過(guò)程的三步曲特點(diǎn)：腦力、體力勞動(dòng)頻繁！控制水平難以提高！不適應(yīng)調(diào)節(jié)復(fù)雜的生產(chǎn)過(guò)程！水箱水位用水流量補(bǔ)水流量1 眼觀測(cè)水位2 腦思維、決策3 手操作補(bǔ)水閥門人工調(diào)節(jié)過(guò)程的三步曲：6水箱水位自動(dòng)控制系統(tǒng)用水流量水箱水位補(bǔ)水流量杠桿控制器浮子檢測(cè)變送器閘閥執(zhí)行器控制裝置：檢測(cè)變送器執(zhí)行器控制器7自動(dòng)控制系統(tǒng)的一般組成及控制系統(tǒng)的原則性方框圖關(guān)注共性: 負(fù)反饋?zhàn)詣?dòng)控制系統(tǒng)的組成 - 設(shè)備、信號(hào)的名稱.負(fù)反饋?zhàn)詣?dòng)

3、控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)機(jī)理 - 依據(jù)偏差調(diào)節(jié)，消除偏差為目的。水位 杠桿 閘閥水 箱 浮子和連桿水位測(cè)量值控制信號(hào)補(bǔ)水流量用水流量水位設(shè)定值控制器執(zhí)行器被控對(duì)象檢測(cè)變送器被調(diào)量測(cè)量值控制信號(hào)控制量干擾給定值偏差比較器8示例恒溫控制系統(tǒng) 由溫度計(jì)測(cè)出恒溫箱的實(shí)際溫度與恒溫箱內(nèi)要求達(dá)到的溫度進(jìn)行比較，得出偏差，根據(jù)偏差的大小和正負(fù)進(jìn)行控制。當(dāng)恒溫箱溫度高于所要求的溫度時(shí)，移動(dòng)調(diào)壓器可動(dòng)觸頭減小外施電壓，使箱溫減小到要求的溫度；若箱溫低于給定溫度，則移動(dòng)調(diào)壓器觸頭增大外施電壓，使箱溫增大到給定溫度。 人工控制精度不高，人的反應(yīng)不夠快，不少惡劣的場(chǎng)合人無(wú)法參與直接控制。自動(dòng)控制系統(tǒng)可以解決以上問(wèn)題。右圖為一恒

4、溫自動(dòng)控制系統(tǒng)。 9手動(dòng)點(diǎn)動(dòng)畫(huà)演示10自動(dòng)點(diǎn)11 恒溫箱的理想溫度由電壓u1給出，熱電偶檢測(cè)箱溫，輸出電壓u2并反饋回去與給定電壓相比較得出偏差電壓u= u1- u2，經(jīng)電壓和功率放大后控制電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)向，從而改變調(diào)壓器滑動(dòng)觸頭的位置，改變恒溫箱的外施電壓達(dá)到恒定箱溫的目的。即當(dāng)恒溫箱內(nèi)溫度偏高時(shí)，使調(diào)壓器降壓，反之升壓，直到溫度達(dá)到給定值為止。此時(shí)偏差電壓u=0，電機(jī)停轉(zhuǎn)。 12無(wú)論是人工控制還是自動(dòng)控制，它們都需要檢測(cè)偏差，這一偏差是由被控量的反饋值與給定值相比較產(chǎn)生的，它們都需要利用檢測(cè)到的偏差去糾正偏差，使偏差減小或消除。這種通過(guò)檢測(cè)、比較得到偏差，由偏差產(chǎn)生控制作用，由控制作用使偏

5、差減少或消除的原理就是我們所研究的自動(dòng)控制原理也稱反饋控制原理。（一般均為負(fù)反饋）。為了便于了解系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及作用原理，可將系統(tǒng)方塊圖表示。 131415復(fù)雜點(diǎn)的自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成 一、基本組成部分 串聯(lián)校正元件放大元件執(zhí)行元件被控對(duì)象擾動(dòng)并聯(lián)校正元件反饋元件輸入量輸出量比較元件偏差信號(hào)e主反饋信號(hào)測(cè)量反饋元件主反饋局部反饋給定元件16被控對(duì)象（或過(guò)程）又稱控制對(duì)象或受控對(duì)象，指需要 對(duì)它的某個(gè)特定的量進(jìn)行控制的設(shè)備或過(guò)程。被控對(duì)象的輸出變量是被控變量，常常記作或。被控對(duì)象除了受到控制作用外，還受到外部擾動(dòng)作用。給定元件其作用是給出與期望的輸出相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)輸入量，是一類產(chǎn)生系統(tǒng)控制指令的裝置。測(cè)

6、量反饋元件如傳感器和測(cè)量?jī)x表，感受或測(cè)量被控變量的值并把它變換為與輸入量同一物理量后，再反饋到輸入端以作比較。比較元件比較輸入信號(hào)與反饋信號(hào)，以產(chǎn)生反映兩者差值的偏差信號(hào)。放大元件將微弱的信號(hào)作線性放大。校正元件也叫補(bǔ)償元件，它是按某種函數(shù)規(guī)律變換控制信號(hào)，以利于改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)或靜態(tài)性能。執(zhí)行元件根據(jù)偏差信號(hào)的性質(zhì)執(zhí)行相應(yīng)的控制作用，以便使被控制量按期望值變化。如電動(dòng)機(jī)、氣動(dòng)控制閥等。 17系統(tǒng)：自動(dòng)控制系統(tǒng)是由被控對(duì)象和自動(dòng)控制裝置按一定方式聯(lián)結(jié)起來(lái)的，以完成某種自動(dòng)控制任務(wù)的有機(jī)整體。輸入信號(hào)：系統(tǒng)的輸入信號(hào)是指參考輸入，又稱給定量或給定值，它是控制著輸出量變化規(guī)律的指令信號(hào)。輸出信號(hào)

7、：系統(tǒng)的輸出信號(hào)是指被控對(duì)象中要求按一定規(guī)律變化的物理量，又稱被控量，它與輸入量之間保持一定的函數(shù)關(guān)系。反饋信號(hào)：由系統(tǒng)（或元件）輸出端取出并反向送回系統(tǒng)（或元件）輸入端的信號(hào)稱為反饋信號(hào)。反饋分為主反饋和局部反饋。偏差信號(hào)：它是指參考輸入與主反饋信號(hào)之差。偏差信號(hào)簡(jiǎn)稱偏差。誤差信號(hào)：它是指系統(tǒng)輸出量的實(shí)際值與期望值之差，簡(jiǎn)稱誤差。在單位反饋情況下，誤差值也就是偏差值，二者是相等的。擾動(dòng)信號(hào)：簡(jiǎn)稱擾動(dòng)或干擾，它與控制作用相反，是一種不希望的、影響系統(tǒng)輸出的不利因素。擾動(dòng)信號(hào)既可來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)部，又可來(lái)自系統(tǒng)外部，前者稱為內(nèi)部擾動(dòng)，后者稱為外部擾動(dòng)。其它如控制信號(hào),控制量,調(diào)節(jié)量,參考輸入,被控量等

8、 二、自動(dòng)控制系統(tǒng)中常用的名詞術(shù)語(yǔ)18自動(dòng)控制系統(tǒng)分類（前饋） 閉環(huán)（前饋）（反饋）其它分類方法 1、集中參數(shù)系統(tǒng)和分布參數(shù)系統(tǒng) 2、單變量系統(tǒng)(SISO)和多變量系統(tǒng)(MIMO) 3、有差系統(tǒng)和無(wú)差系統(tǒng) 4 回路,確定性系統(tǒng) 復(fù)合19 一、開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng) 只有輸入量的前向控制作用，輸出量并不反饋回來(lái)影響輸入量的控制作用，因而，我們將它稱為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)（Open-Loop Control System）。開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)可用下圖表示。 控制器被控制對(duì)象擾動(dòng)因素 控制 信號(hào) 被控 制量 20 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，調(diào)試方便，成本低。因此，在輸入量和輸出量之間的關(guān)系固定，且內(nèi)部參數(shù)或外部

9、負(fù)載等擾動(dòng)因素不大，或這些擾動(dòng)因素可以預(yù)測(cè)并進(jìn)行補(bǔ)償?shù)那疤嵯?，?yīng)盡量采用開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。 開(kāi)環(huán)控制的缺點(diǎn)當(dāng)控制過(guò)程中受到來(lái)自系統(tǒng)外部的各種擾動(dòng)因素，如負(fù)載變化、電源電壓波動(dòng)等，以及來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)部的擾動(dòng)因素，如元件參數(shù)變化等，都將會(huì)直接影響到輸出量，而控制系統(tǒng)不能自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。因此，開(kāi)環(huán)系統(tǒng)對(duì)元器件的精度要求較高。 21示例直流電動(dòng)機(jī)開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 給定電壓ug經(jīng)放大后得到電樞電壓ua，改變ug可得不同的轉(zhuǎn)速n，該系統(tǒng)只有輸入量ug對(duì)輸出量n的單向控制作用。輸出端和輸入端之間不存在反饋回路。因而，輸出量n對(duì)輸入量ug沒(méi)有任何影響和聯(lián)系，輸出量的改變不會(huì)產(chǎn)生控制作用。電 壓放大器功 率放大器Mc負(fù)載n電

10、動(dòng)機(jī)+_+_+_+E電位器22用水流量補(bǔ)水流量前饋控制方案舉例優(yōu)點(diǎn)：調(diào)節(jié)速度快；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低。缺點(diǎn)：抗干擾能力單一；調(diào)節(jié)品質(zhì)難以保證。23二、閉環(huán)控制系統(tǒng) 閉環(huán)控制系統(tǒng)（Close-Loop Control System）又稱反饋控制系統(tǒng)（Feedback Control System） ，是在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，把輸出量檢測(cè)出來(lái)，經(jīng)過(guò)物理量的轉(zhuǎn)換，再反饋到輸入端去與給定值（參考輸入）進(jìn)行比較（相減），并利用比較后的偏差信號(hào)，以一定的控制規(guī)律產(chǎn)生控制作用，抑制內(nèi)部或外部擾動(dòng)對(duì)輸出量的影響，逐步減小以至消除這一偏差，從而實(shí)現(xiàn)要求的控制性能。 電 壓放大器功 率放大器Mc負(fù)載n電動(dòng)機(jī)+_+_+_+

11、E電位器測(cè)速發(fā)電機(jī)+_24直流電動(dòng)機(jī)速度自動(dòng)控制的原理結(jié)構(gòu)圖25n 直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)方塊圖電 壓放大器ue輸入量Mc擾動(dòng)輸出量功 率放大器直 流電動(dòng)機(jī)ugua測(cè) 速發(fā)電機(jī)uf設(shè)上述系統(tǒng)原已在某個(gè)給定電壓ug相對(duì)于的轉(zhuǎn)速n狀態(tài)下運(yùn)行，若一旦受到某些干擾（如負(fù)載轉(zhuǎn)矩突然增大）而引起轉(zhuǎn)速下降時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)地產(chǎn)生如下的調(diào)整過(guò)程： Mcnufue（ ）uan 26 閉環(huán)控制的優(yōu)點(diǎn)抑制擾動(dòng)能力強(qiáng)，與開(kāi)環(huán)控制相比，對(duì)參數(shù)變化不敏感，并能獲得滿意的動(dòng)態(tài)特性和控制精度。 閉環(huán)控制的缺點(diǎn)但是引入反饋增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，如果閉環(huán)系統(tǒng)參數(shù)的選取不適當(dāng)，系統(tǒng)可能會(huì)產(chǎn)生振蕩，甚至系統(tǒng)失穩(wěn)而無(wú)法正常工作，這是自動(dòng)控制理論和系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須解決的重要問(wèn)題。自動(dòng)控制理論主要研究閉環(huán)控制系統(tǒng) 272829火電廠電力生產(chǎn)過(guò)程應(yīng)用舉例3031水溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)水溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作原理圖32水溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)水溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)方框圖33習(xí)題1、繪制一般負(fù)反饋控制系統(tǒng)的原理框圖。在方框內(nèi)標(biāo)明設(shè)備名稱，標(biāo)明每條信號(hào)線名稱。2、P67 1-4、1-5。參考書(shū)推薦：1、自動(dòng)控制理論復(fù)習(xí)指導(dǎo)與習(xí)題詳解 于希寧、劉紅軍主編 電力出版社2、自動(dòng)控制原理（上、