2015chen自動(dòng)控制原理第1章一般概念

目標(biāo)（Objectives）自動(dòng)控制？如何控制---※自動(dòng)控制原理？自動(dòng)控制如何構(gòu)成----系統(tǒng)？對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求※

1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本元件組成自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求主要內(nèi)容※※1.1自動(dòng)控制的基本原理與方式例：人工控制

vs.

自動(dòng)控制一、自動(dòng)控制？一、自動(dòng)控制？被控對(duì)象：要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程。被控量：要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的表征被控對(duì)象工作狀態(tài)的物理量。控制器：對(duì)被控對(duì)象起控制作用設(shè)備或裝置的總體，也稱控制裝置。1.自動(dòng)控制的定義(P1第1段)在沒(méi)有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)例：液位控制系統(tǒng)例：vs.1提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量2.自動(dòng)控制的目的2改善勞動(dòng)條件，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度3提高生活質(zhì)量一、自動(dòng)控制？一、自動(dòng)控制？3.自動(dòng)控制的應(yīng)用領(lǐng)域國(guó)防：火箭、人造

發(fā)射等工業(yè)：起重機(jī)，數(shù)控車床等系統(tǒng)：體溫、心跳、眼球等日常生活：冰箱溫度、風(fēng)扇、電梯等1769年:James

Watt’s蒸氣鍋爐水位調(diào)節(jié)器和蒸氣機(jī)離心飛錘式調(diào)節(jié)器。蒸氣機(jī)離心飛錘式調(diào)節(jié)器二、自動(dòng)控制理論的發(fā)展歷史蒸氣鍋爐水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)魯棒控制、智能控制理論等二、自動(dòng)控制理論的發(fā)展歷史經(jīng)（古）典控制理論20世紀(jì)40-50年代形成單輸入單輸出（SISO)系統(tǒng)基于二戰(zhàn)

技術(shù)現(xiàn)代控制理論例：電梯動(dòng)畫演示20世紀(jì)60-70年代形成多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng)基于冷

期空間技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)20世紀(jì)80年

始發(fā)展以控制論、信息論、仿生論為基礎(chǔ)自控

經(jīng)（古）典控制理論理論時(shí)間分界20世紀(jì)60年代達(dá)到完善數(shù)學(xué)工具常微分方程，※傳遞函數(shù)現(xiàn)代控制理論20世紀(jì)60年

始發(fā)展一階微分方程組，狀態(tài)空間方程(傳遞函數(shù)陣)研究對(duì)象SISO系統(tǒng)，定常系統(tǒng)MIMO系統(tǒng)，定常和時(shí)變系統(tǒng)注重內(nèi)容系統(tǒng)輸入、輸出間的關(guān)系系統(tǒng)輸入、輸出及其

變量間的關(guān)系二、自動(dòng)控制理論的發(fā)展歷史三、※自動(dòng)控制的基本原理1.自動(dòng)控制系統(tǒng)（P1第二段）為了實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制任務(wù)，將被控對(duì)象和控制裝置(控制器)按照一定的方式連接起來(lái)，組成一個(gè)有機(jī)總體的系統(tǒng)例：液位控制系統(tǒng)三、※自動(dòng)控制的基本原理1.自動(dòng)控制系統(tǒng)被控對(duì)象：要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的機(jī)器，設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程?？刂破鳎簩?duì)被控對(duì)象起控制作用裝置的總體，也稱控制裝置。輸出量：要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的表征被控對(duì)象工作狀態(tài)的物理量，也稱被控量。輸入量：也稱控制系統(tǒng)的期望值或給定量。作用于被控對(duì)象或系統(tǒng)輸入端，可使系統(tǒng)具有預(yù)定功能或輸出的物理量。擾

動(dòng)：所有妨礙控制器對(duì)被控量按要求正?？刂频囊蛩?。控制任務(wù)：控制器控制被控量以實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。例：液位控制系統(tǒng)※※2.

典型自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本原理---反饋控制原理（P3)※※反饋控制原理：(P3)控制器通過(guò)取自被控量（輸出端）的反饋信號(hào)，得到期望值與被控量之間的偏差，并不斷修正偏差，直

至消除偏差，從而實(shí)現(xiàn)控制被控對(duì)象的目的。反饋：指輸出量通過(guò)測(cè)量裝置返回到輸入端，并與輸入量進(jìn)行比較的過(guò)程。測(cè)得的輸出信號(hào)稱為反饋信號(hào)。比較的結(jié)果稱為偏差。反饋控制系統(tǒng)：利用反饋控制原理組成的系統(tǒng)。例：液位控制系統(tǒng)三、※自動(dòng)控制的基本原理例：液位控制系統(tǒng)三、※自動(dòng)控制的基本原理電 帶動(dòng)※※2.

典型自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本原理---反饋控制原理（P3)若擾動(dòng)作用下實(shí)際液位低于期望值↓，

與浮子、連桿機(jī)構(gòu)相連的

電位器測(cè)得電壓（反饋）升高↑，

電 帶動(dòng)

器開(kāi)啟氣動(dòng)閥門，則實(shí)際液位提高↑，偏差減?。蝗魧?shí)際液位高于期望值↑，電位器的測(cè)得電壓（反饋）降低↓，器關(guān)閉氣動(dòng)閥門，則實(shí)際液位降低↓，偏差減小。工作原理三、※自動(dòng)控制的基本原理※3.反饋控制系統(tǒng)的方框（塊）圖表示擾動(dòng)測(cè)量裝置給定量輸入量被控量輸出量-反饋信號(hào)偏差信號(hào)控制器

被控對(duì)象一般反饋系統(tǒng)的方框（塊）圖輸出量一般置于方框圖的最右端，輸入量置于左端；輸出量放在被控對(duì)象的后面；流向：用箭頭 表示；※方框：表示一個(gè)元件、部件、對(duì)象、過(guò)程、系統(tǒng)、環(huán)節(jié)等；分支點(diǎn)表示信號(hào)引出點(diǎn)；求和（比較）器表示所有輸入信號(hào)的代數(shù)和；擾動(dòng)量：作用在誰(shuí)上即畫在誰(shuí)上，一般作用于被控對(duì)象上?！?fù)反饋：若偏差信號(hào)=輸入量-反饋信號(hào)，需標(biāo)注“-”號(hào)。氣動(dòng)閥門三、※自動(dòng)控制的基本原理※3.反饋控制系統(tǒng)的方框（塊）圖表示例:液位控制系統(tǒng)期望液位（電壓值）電器浮子-杠桿-電位器--控制器

被控對(duì)象測(cè)量裝置一般的反饋控制系統(tǒng)的方框圖輸入量輸出量擾動(dòng)實(shí)際液位擾動(dòng)1.控制任務(wù)：※3.反饋控制系統(tǒng)的方框（塊）圖表示例:人取書的反饋控制過(guò)程2.被控量：4.控制器：3.被控對(duì)象：人手的位置達(dá)到書的位置人手的位置人手或者人的大腦+人的眼睛5.根據(jù)控制系統(tǒng)的原理，繪制方框圖。三、※自動(dòng)控制的基本原理提問(wèn)實(shí)例演示※3.反饋控制系統(tǒng)的方框（塊）圖表示例:人取書的反饋控制過(guò)程方框圖-大腦、手眼睛輸出眼睛書位置

手位置輸入三、※自動(dòng)控制的基本原理-控制器

被控對(duì)象測(cè)量裝置一般的反饋控制系統(tǒng)的方框圖輸入量輸出量擾動(dòng)實(shí)例演示如下為一個(gè)教學(xué)過(guò)程控制系統(tǒng)各個(gè)對(duì)應(yīng)的要素。要求設(shè)計(jì)合適的自動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖，并說(shuō)明其自動(dòng)控制的原理。學(xué)生作業(yè)、實(shí)驗(yàn)、考試等學(xué)生學(xué)習(xí)的實(shí)際水平課程的大綱要求教師自我評(píng)估題三、※自動(dòng)控制的基本原理※3.反饋控制系統(tǒng)的方框（塊）圖表示自動(dòng)控制理論教學(xué)過(guò)程控制系統(tǒng)方框圖教師學(xué)生考試等學(xué)生實(shí)際水平-作業(yè)、實(shí)驗(yàn)、答案：課程的大綱要求-控制器

被控對(duì)象測(cè)量裝置典型自動(dòng)控制系統(tǒng)的方框圖輸入量輸出量擾動(dòng)三、※自動(dòng)控制的基本原理※3.反饋控制系統(tǒng)的方框（塊）圖表示自我評(píng)估題閱讀1.4

節(jié)的自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用舉例；完成習(xí)題1-2，1-5

。作業(yè)1-控制器

被控對(duì)象測(cè)量裝置輸入量輸出量三、※自動(dòng)控制的基本原理※3.反饋控制系統(tǒng)的方框（塊）圖表示擾動(dòng)一般反饋控制系統(tǒng)的方框圖所有自動(dòng)控制系統(tǒng)都是按照反饋控制方式進(jìn)行控制的嗎？-控制器

被控對(duì)象測(cè)量裝置輸入量輸出量四、※自動(dòng)控制系統(tǒng)基本控制方式1.開(kāi)環(huán)控制2.閉環(huán)控制（反饋控制）3.復(fù)合控制擾動(dòng)一般反饋控制系統(tǒng)的方框圖控制器輸入量輸出量被控對(duì)象四、自動(dòng)控制系統(tǒng)基本控制方式※

※

1.

開(kāi)環(huán)控制（

)開(kāi)環(huán)控制方式：系統(tǒng)輸出端和輸入端之間只要順向作用，不存在反饋?zhàn)饔?，輸出量?duì)系統(tǒng)的控制作用沒(méi)有影響。也稱為順饋控制方式。開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)：按開(kāi)環(huán)方式組成的系統(tǒng)。擾動(dòng)例：開(kāi)環(huán)直流電轉(zhuǎn)速系統(tǒng)1.

開(kāi)環(huán)控制四、自動(dòng)控制系統(tǒng)基本控制方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)較簡(jiǎn)便；對(duì)組成系統(tǒng)的元部件精度要求高；

能力差（系統(tǒng)穩(wěn)定性不是主要問(wèn)題）。多用于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)穩(wěn)定和擾動(dòng)信號(hào)較弱的場(chǎng)合?！饕攸c(diǎn)：-控制器

被控對(duì)象測(cè)量裝置輸入量輸出量四、自動(dòng)控制系統(tǒng)基本控制方式※※2.

閉環(huán)控制（P2)閉環(huán)控制方式：系統(tǒng)輸出端和輸入端之間存在反饋?zhàn)饔?，即輸出量?duì)控制作用有直接影響的系統(tǒng)。也稱為反饋控制方式。閉環(huán)控制系統(tǒng)：按閉環(huán)方式組成的系統(tǒng)。擾動(dòng)例：閉環(huán)直流電轉(zhuǎn)速系統(tǒng)四、自動(dòng)控制系統(tǒng)基本控制方式2.

閉環(huán)控制※※※主要特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)較

；采用精度不高、成本較低的元器件組成精度較高的閉環(huán)控制系統(tǒng)；能削弱或抑制干擾，但系統(tǒng)穩(wěn)定性是非常重要的問(wèn)題。反饋電位器給定電位器四、自動(dòng)控制系統(tǒng)基本控制方式2.

閉環(huán)控制例：飛機(jī)自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)控制任務(wù)：保持飛機(jī)俯仰角不變擾動(dòng)控制器輸入量輸出量-控制器被控對(duì)象測(cè)量裝置輸入量輸出量擾動(dòng)四、自動(dòng)控制系統(tǒng)基本控制方式※開(kāi)環(huán)控制

vs.

閉環(huán)控制特點(diǎn)對(duì)比有無(wú)反饋元件精度要求能力結(jié)構(gòu)與成本開(kāi)環(huán)控制無(wú)高差，對(duì)穩(wěn)定性無(wú)要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低閉環(huán)控制有低強(qiáng)，穩(wěn)定性很重要結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高干擾補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制系統(tǒng)方框圖輸入量控制器測(cè)量元件輸出量反饋回路被控量干擾量前饋補(bǔ)償被控對(duì)象四、自動(dòng)控制系統(tǒng)基本控制方式3.復(fù)合控制（P4)復(fù)合控制：開(kāi)環(huán)控制+閉環(huán)控制；特點(diǎn)：控制系統(tǒng)具有良好的控制性能，精度更高，結(jié)構(gòu)更復(fù)雜。開(kāi)環(huán)控制（順饋）閉環(huán)控制（反饋）-控制器被控對(duì)象測(cè)量裝置輸入量輸出量擾動(dòng)四、自動(dòng)控制系統(tǒng)基本控制方式小結(jié)擾動(dòng)控制器輸入量輸出量復(fù)合控制（反饋+順饋）輸入量控制器輸出量被控量反饋回路測(cè)量元件干擾補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制系統(tǒng)方框圖干擾量前饋補(bǔ)償被控對(duì)象-控制器

被控對(duì)象測(cè)量裝置輸入量輸出量擾動(dòng)元器件被控對(duì)象自動(dòng)控制系統(tǒng)控制裝置（器）浮子-杠桿-電位器-氣動(dòng)閥門期望液位（電壓值）電器實(shí)際液位擾動(dòng)將組成系統(tǒng)的元部件按照職能分類(P4-6)測(cè)量元件（裝置）

:用來(lái)檢測(cè)被控制的物理量；給定元件（裝置）

:給出與期望的被控量相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)輸入量(即參考量或期望值)；比較元件（裝置）

:將參考輸入值與測(cè)量元件檢測(cè)的被控量實(shí)際值比較，求出它們之間的偏差；放大元件（裝置）

:放大比較元件給出的偏差信號(hào)，推動(dòng)執(zhí)行元件去控制被控對(duì)象；執(zhí)行元件（裝置）

:直接推動(dòng)被控對(duì)象使其被控量發(fā)生變化；校正元件（裝置）

：以串聯(lián)或反饋方式連接在系統(tǒng)中，改善系統(tǒng)性能。又稱補(bǔ)償元件。例:液位控制系統(tǒng)例:

爐溫控制系統(tǒng)爐溫控制系統(tǒng)方框圖給定元件執(zhí)行元件圖1.6反饋控制系統(tǒng)基本組成放大元件執(zhí)行元件測(cè)量元件被控量—完整的反饋控制系統(tǒng)的基本組成（P6)被控對(duì)象給定元件自動(dòng)控制理論教學(xué)過(guò)程控制系統(tǒng)方框圖教師學(xué)生課程的大綱要求-作業(yè)、實(shí)驗(yàn)、考試等學(xué)生實(shí)際水平自我評(píng)估題執(zhí)行元件回顧一、按控制方式（結(jié)構(gòu)）分類：-控制器被控對(duì)象測(cè)量裝置輸入量輸出量擾動(dòng)擾動(dòng)輸入量控制器控制對(duì)象輸出量反饋回路測(cè)量元件干擾補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制系統(tǒng)方框圖被控量干擾量前饋補(bǔ)償開(kāi)環(huán)控制閉環(huán)控制(反饋控制)復(fù)合控制二、按被控量期望的變化規(guī)律分類(P18)：恒值控制系統(tǒng)（自動(dòng)鎮(zhèn)定系統(tǒng)）給定量是一個(gè)常值，要求被控量也等于常值。故稱為調(diào)節(jié)器。隨動(dòng)控制系統(tǒng)（自動(dòng)

系統(tǒng)）給定量是預(yù)先未知的隨時(shí)間任意變化的函數(shù)，要求被控量以最可能小的誤差跟隨給定量的變化。程序控制系統(tǒng)給定量是按預(yù)定規(guī)律隨時(shí)間變化的函數(shù)，要求被控量迅速、準(zhǔn)確地加以復(fù)現(xiàn)。按系統(tǒng)中是否含非線性元件線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)按系統(tǒng)參數(shù)是否隨時(shí)間變化定常