機(jī)械控制工程資料-第一章 控制系統(tǒng)導(dǎo)論課件

1、自動控制原理Automatic Control Theory胡壽松科學(xué)出版社2008年12月2003年國家精品課程教材1 主講： 賈存良 教授電話：-mail: 辦公室： 信電樓B22421. 人類社會發(fā)展的三個時(shí)代人力時(shí)代 人類主要依靠自身的肌體來完成能量變換和信息變換，但是人類自身轉(zhuǎn)換的功率和范圍都極其有限，縱有九牛二虎之力，也不能晝夜不停地工作著，因此創(chuàng)造的財(cái)富有限，最高文明只達(dá)到封建社會。 機(jī)械化時(shí)代 當(dāng)蒸汽機(jī)、發(fā)電機(jī)出現(xiàn)之后，既使用九牛二虎也不夠形容一臺電動機(jī)之巨大威力了，而且可以不間斷地保持著“精力充沛”的狀態(tài)工作。人類的“力氣”不知被放大多少億倍！人類的

2、力臂不知不覺被延長到幾千公里之外！物質(zhì)豐富了，一些農(nóng)民被改造成為工人，進(jìn)入資本主義社會。 3自動化時(shí)代 在這個時(shí)代中，能量變換與信息變換都可由機(jī)器來完成，在人類活動所見的空間里，只要需要用“力”的地方，都可以給它配上一個小的腦袋單片機(jī)或微處理器之類設(shè)備，代替人進(jìn)行某種判斷或操作。 不僅工業(yè)生產(chǎn)自動化了，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、家務(wù)勞動、交通運(yùn)輸、人居環(huán)境，凡是已知的規(guī)律，都可以用自動化技術(shù)來完成。自動化的基本任務(wù)就是將信息技術(shù)應(yīng)用到傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)中去42自動控制原理課程性質(zhì)與地位 自動控制原理（自動控制理論 自動調(diào)節(jié)原理 反饋控制理論，簡稱自控）是研究自動控制系統(tǒng)的共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)。它是一門技術(shù)基礎(chǔ)理論課，主要

3、研究自動控制系統(tǒng)的組成、分析和設(shè)計(jì)的理論。 它是本專業(yè)的核心課程之一。 5答疑時(shí)間：周五晚7：30-9：30 地點(diǎn)：信電樓B205一共64學(xué)時(shí)，講課54學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)10學(xué)時(shí) 每章學(xué)時(shí)安排： 第一章控制系統(tǒng)導(dǎo)論 4學(xué)時(shí) 第二章控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述 8學(xué)時(shí) 第三章線性系統(tǒng)的時(shí)域分析法 12學(xué)時(shí) 第四章線性系統(tǒng)的根軌跡法 8學(xué)時(shí) 第五章 線性系統(tǒng)的頻域分析法 12學(xué)時(shí) 第六章 線性系統(tǒng)的校正方法 8學(xué)時(shí) 總復(fù)習(xí) 2學(xué)時(shí) 3課程學(xué)時(shí)安排64成績評定出勤 5 無故曠課3次以上者不允許參加考試。作業(yè) 10 抄襲作業(yè)者視同沒交，作業(yè)缺一半以上者不允 許參加考試 實(shí)驗(yàn) 15 缺一次扣3分考試 70 5其他參考書目

4、. 劉明俊 自動控制原理 國防科技大學(xué)出版社 2. 鄢景華 自動控制原理 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社 3. 吳 麒 自動控制原理 清華大學(xué)出版社 710112 自動控制系統(tǒng)的工作原理 按對象方式運(yùn)動控制 （電機(jī)調(diào)速、機(jī)器人等）過程控制 （被控對象為某種生產(chǎn)過 程，如化工過程）系統(tǒng)：由一些對象相互作用，相互制約，組成一個具有一 定運(yùn)動規(guī)律的整體。控制系統(tǒng)：由被控對象和控制器構(gòu)成的整體 開環(huán)控制按控制方式 反饋控制 （閉環(huán)控制） 復(fù)合控制12 給定信號ug被控量 擾動inui 電壓 放大 電阻 R 觸發(fā) 器 晶闡管可 控整流器 電動 機(jī)按擾動量控制的速度控制系統(tǒng)方框圖(參考輸入量)16閉環(huán)（反饋）控制系

5、統(tǒng)Closed-loop Control System閉環(huán)控制系統(tǒng)又稱反饋控制系統(tǒng)，是應(yīng)用最廣泛的控制方式。負(fù)反饋把取出的輸出量送回輸入端，并與輸入信號相比較產(chǎn)生偏差信號的過程，稱為負(fù)反饋 。反饋控制采用負(fù)反饋(正反饋較少使用)并利用偏差進(jìn)行控制的過程 （利用偏差修正偏差）。由于引入了被反饋量的反饋信息，整個控制過程成為閉合的，因此反饋控制也稱為閉環(huán)控制 。17熱力系統(tǒng)的人工反饋控制18熱力系統(tǒng)的自動反饋控制19給定電壓熱電偶輸出電壓恒溫爐的溫度自動控制系統(tǒng)圖例題被控對象？被控量？23工作原理： 當(dāng)爐內(nèi)實(shí)際溫度與給定裝置表征的希望溫度一致時(shí)，熱電偶輸出電壓與給定電壓相等，電動機(jī)不轉(zhuǎn)動，系統(tǒng)相對

6、平衡。偏差電壓經(jīng)放大后驅(qū)動電動機(jī)轉(zhuǎn)動，將調(diào)壓器電刷向上移動，使電阻絲兩端電壓增大，從而使?fàn)t溫升高，趨于希望值，直到達(dá)到新的平衡。 當(dāng)爐溫因擾動出現(xiàn)偏差時(shí)（比如爐溫低于希望值），24閉環(huán)與開環(huán)控制系統(tǒng)的比較 開環(huán)控制：順向作用，沒有反向的聯(lián)系，對不可測擾動及系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)變化導(dǎo)致的輸出量偏差不能自動修正，抗擾動性較差。結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便、成本低。在精度要求不高或擾動影響較小的場合，這種控制方式還有一定的實(shí)用價(jià)值（步進(jìn)電機(jī)，水泵，風(fēng)扇）。 閉環(huán)控制：為偏差控制，可以抑制內(nèi)（系統(tǒng)參數(shù)變化）、外擾動（負(fù)載變化）對被控制量產(chǎn)生的影響，對輸出出現(xiàn)的偏差有自動修正能力，因此，控制精度高。但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高（

7、價(jià)格成倍增加，車床、洗衣機(jī)、小轎車）；系統(tǒng)設(shè)計(jì)、分析麻煩。 25復(fù)合控制系統(tǒng) Compound Control System定義：開環(huán)控制和閉環(huán)控制相結(jié)合的一種控制方式。 是構(gòu)成高精度控制系統(tǒng)的一種有效控制方式， 使控制系統(tǒng)具有良好的控制性能。復(fù)合控制的兩種基本形式 按輸入前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制 按干擾前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制26圖1.3 干擾補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制系統(tǒng)方塊圖輸入量控制器控制對象測量元件輸出量反饋回路被控量干擾量前饋補(bǔ)償按干擾前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制27圖1.4 輸入補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制系統(tǒng)方塊圖輸入量控制器控制對象測量元件輸出量反饋回路被控量干擾量前饋補(bǔ)償按輸入前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制28用“”號代表比較元件，

8、“”號代表兩者符號相反（負(fù)反饋）。信號沿箭頭方向從輸入端到達(dá)輸出端的傳輸通路稱前向通路；系統(tǒng)輸出量經(jīng)測量裝置反饋到輸入端的傳輸通路稱主反饋通路。前向通路與主反饋通路共同構(gòu)成主回路。此外，還有局部反饋通路以及由它構(gòu)成的內(nèi)回路。 圖1.5 閉環(huán)控系統(tǒng)基本組成串聯(lián)校正（補(bǔ)償）元件放大元件執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對象反饋校正元件測量元件被控量3 反饋(閉環(huán))控制系統(tǒng)的基本組成輸入量比較元件給定元件29給定元件：產(chǎn)生給定值或輸入信號（量）（即參考量或期望值）測量元件：測量被控制的物理量（被控量），用于產(chǎn)生反饋信號 各種傳感器：測速發(fā)電機(jī)、電位計(jì)、熱電偶等。比較元件：把測量元件檢測的實(shí)際值（被控量）與給定元件 給出的

9、參考量進(jìn)行比較，求出它們之間的偏差。 如差動放大器、自整角機(jī)。串聯(lián)校正（補(bǔ)償）元件放大元件執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對象反饋校正元件測量元件被控量輸入量比較元件給定元件30放大元件：將比較元件給出的偏差進(jìn)行放大，用來推動執(zhí)行元件 去控制被控對象，如放大器、晶閘管。執(zhí)行機(jī)構(gòu)：直接推動被控對象，使其被控量發(fā)生變化。 如步進(jìn)電機(jī)，繼電器開關(guān)。補(bǔ)償（校正）元件：它是結(jié)構(gòu)或參數(shù)便于調(diào)整的元件或機(jī)構(gòu)，用 串聯(lián)或反饋的方式連接在系統(tǒng)中，以改善控制系統(tǒng)性 能。 串聯(lián)補(bǔ)償元件放大元件執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對象反饋補(bǔ)償元件測量元件被控量輸入量比較元件給定元件31古典（經(jīng)典）控制理論 自動控制原理（理論） （17871960） 以傳遞函數(shù)

10、為基礎(chǔ)研究單輸入單輸出定常控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問題。這些理論由于其發(fā)展較早，現(xiàn)已臻成熟。智能控制理論（1980） 以人工智能為基礎(chǔ)，研究復(fù)雜對象（車間、工廠、集團(tuán)）、復(fù)雜任務(wù)、復(fù)雜環(huán)境（3C控制問題）。 管理和控制一體化:計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，復(fù)雜控制系統(tǒng)現(xiàn)代（近代）控制理論 （19601980） 以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究多輸入多輸出控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問題。系統(tǒng)具有高精度和高效能的特點(diǎn)。 最優(yōu)控制 、自適應(yīng)控制 計(jì)算機(jī)控制、系統(tǒng)辨識34 1. 液位控制系統(tǒng) 圖1.6（a）是一個液位控制系統(tǒng)原理圖。在這里，自動控制器通過比較實(shí)際液位與希望液位，并通過調(diào)整閥門的開度，對誤差進(jìn)行修正，從而保持液位不

11、變。 圖1.6（b）是該控制系統(tǒng)的方塊圖。1-2 自動控制系統(tǒng)示例35圖1.6 （a） 液位控制系統(tǒng)自動控制器通過比較實(shí)際液位與希望液位，并通過調(diào)整閥門的開度，對誤差進(jìn)行修正，從而保持液位不變。36Q1Q2H37控制器：比較、放大的作用浮子：液面高度的反饋元件氣動閥門：執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對象：水箱被控量：液位 Q2 為擾動量 圖1.6 （b） 液位控制系統(tǒng)Q1Q2H38希望液位實(shí)際液肌肉、手閥 門水 箱眼 睛（III） 相對應(yīng)的人工操縱系統(tǒng)方塊圖 腦Q2392.液位控制系統(tǒng)控制閥減速器電動機(jī)電位器浮子用水開關(guān)Q2Q1cifSM40功率放大SM負(fù)載+u0nua電動機(jī)速度控制系統(tǒng)3.電動機(jī)速度開環(huán)控制系

12、統(tǒng)41電動機(jī)速度控制系統(tǒng)+電壓放大u0nuaueut功率放大負(fù)載SMTG4.電動機(jī)速度閉環(huán)控制系統(tǒng)425.電動機(jī)速度復(fù)合控制系統(tǒng)+電壓放大+u0nuaueutR電壓放大功率放大負(fù)載SMTG436.函數(shù)記錄儀原理示意圖RQRWuLtur變換器放大器繩輪電機(jī)測速機(jī)減速器447.俯仰角控制系統(tǒng)給定電位器反饋電位器飛機(jī)示意圖45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461-3 自動控制系統(tǒng)的分類按工作原理分類 開環(huán)控制、閉環(huán)控制、復(fù)合控制按數(shù)學(xué)模型分類 線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng) 定常系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng)按系統(tǒng)內(nèi)部的信號特征分類 連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)按輸入量變化規(guī)律的功能分類恒值

13、控制系統(tǒng)： 如溫度控制系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)等隨動控制系統(tǒng)： 如機(jī)器人、高射炮等程序控制系統(tǒng)： 如數(shù)控機(jī)床、交通燈系統(tǒng)等47 1-4 自動控制系統(tǒng)的基本要求一、自動控制系統(tǒng)性能的基本要求（三個方面）穩(wěn)定性（先決條件） 系統(tǒng)受到短暫的擾動后其運(yùn)動性能從偏差平衡點(diǎn)恢復(fù)到原來平衡狀態(tài)的能力。由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定與外界因素?zé)o關(guān)。48快速性（過渡過程性能要求）： 描述過渡過程性能可以用平穩(wěn)性和快速性加以衡量，一般稱為動態(tài)性能。如：上升時(shí)間、峰值時(shí)間、調(diào)整時(shí)間、超調(diào)量。準(zhǔn)確性（控制精度要求）：過渡過程結(jié)束后的輸出響應(yīng) 系統(tǒng)過渡過程結(jié)束后，期望的穩(wěn)態(tài)輸出量與實(shí)際的穩(wěn)態(tài)輸出量之差叫穩(wěn)態(tài)誤差。顯然，這種誤差越小，表示系

14、統(tǒng)的輸出跟隨參考輸入的精度越高。 簡單地說：穩(wěn)、快、準(zhǔn)4950時(shí)間tr上 升峰值時(shí)間tpAB超調(diào)量% =AB100%動態(tài)性能指標(biāo)（振蕩型）調(diào)節(jié)時(shí)間tsh(t)t時(shí)間tr上 升峰值時(shí)間tpAB超調(diào)量% =AB100%調(diào)節(jié)時(shí)間ts510二、典型的外作用1、階躍函數(shù)（位置函數(shù)） 例如： 電源電壓的突然跳動；負(fù)載突然增大或減??；恒值控制系統(tǒng)的設(shè)定值等等。5202、斜坡函數(shù)（速度函數(shù)） 例如：雷達(dá)跟蹤的目標(biāo)以恒定速度飛行5303、單位脈沖函數(shù)任意形式的外作用都分解成不同時(shí)刻的一系列脈沖函數(shù)之和可代表一些瞬間即逝的擾動信號541-5 控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)發(fā)展概況 第一階段：60

15、70年代，采用一個或者幾個控制系統(tǒng)計(jì)算程序組成的控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件包。 第二階段：7080年代，功能齊全的用于多變量系統(tǒng)設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件包。 第三階段：80中期開始，產(chǎn)生仿真軟件MATLAB控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)仿真系統(tǒng)。控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 計(jì)算機(jī)輔助建立系統(tǒng)模型 數(shù)學(xué)模型表示方式之間的相互轉(zhuǎn)換 計(jì)算機(jī)輔助分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)55 數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)采用目前世界上最為流行的計(jì)算機(jī)仿真軟件MATLAB。它是一個功能十分強(qiáng)大的系統(tǒng)，是集數(shù)值計(jì)算、圖形管理、程序開發(fā)為一體的環(huán)境，已經(jīng)成為一種實(shí)用的全新計(jì)算機(jī)高級編程語言。 在歐美大學(xué)里，諸如應(yīng)用代數(shù)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、自動控制、數(shù)字信號處理、模擬與數(shù)字通信、時(shí)間序列分析、動態(tài)系統(tǒng)仿真等課程的教科書都把MATLAB作為內(nèi)容。MATLAB更是研究和解決工程計(jì)算問題的一種標(biāo)準(zhǔn)軟件，被用來解決一些實(shí)際課題和數(shù)學(xué)模型問題。MATLAB仿真軟件56 數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)采用目前世界上最為流行的計(jì)算機(jī)仿真軟件MATLAB。它是一個功能十分強(qiáng)大的系統(tǒng)，是集數(shù)值計(jì)算、圖形管理、程序開發(fā)