最新模塊一認(rèn)識(shí)自動(dòng)控制系統(tǒng)課件

模塊一認(rèn)識(shí)自動(dòng)控制系統(tǒng)模塊一認(rèn)識(shí)自動(dòng)控制系統(tǒng)1教學(xué)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)：①熟練掌握開、閉環(huán)控制的特點(diǎn)②掌握自控系統(tǒng)的分類③了解自控系統(tǒng)性能指標(biāo)和研究方法能力目標(biāo)：①能掌握開、閉環(huán)控制的特點(diǎn)②能了解自控系統(tǒng)的分類、性能指標(biāo)和研究方法素質(zhì)目標(biāo):①培養(yǎng)自學(xué)能力②培養(yǎng)文獻(xiàn)檢索、資料查找與閱讀能力教學(xué)目標(biāo)2最新模塊一認(rèn)識(shí)自動(dòng)控制系統(tǒng)課件3最新模塊一認(rèn)識(shí)自動(dòng)控制系統(tǒng)課件4最新模塊一認(rèn)識(shí)自動(dòng)控制系統(tǒng)課件5最新模塊一認(rèn)識(shí)自動(dòng)控制系統(tǒng)課件6最新模塊一認(rèn)識(shí)自動(dòng)控制系統(tǒng)課件7最新模塊一認(rèn)識(shí)自動(dòng)控制系統(tǒng)課件82.閉環(huán)控制系統(tǒng)(ClosedLoopControlSystem)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)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)，又稱為反饋控制系統(tǒng)(FeedbackControlSystem)。

圖1-3為電爐箱恒溫自動(dòng)控制系統(tǒng)。2.閉環(huán)控制系統(tǒng)(ClosedLoopControl9圖1-3電爐箱恒溫自動(dòng)控制系統(tǒng)圖1-3電爐箱恒溫自動(dòng)控制系統(tǒng)10圖1-4電爐箱自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成框圖圖1-4電爐箱自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成框圖11圖1–5爐溫自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程圖1–5爐溫自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程12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)。自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成現(xiàn)以圖113圖1-6自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成框圖圖1-6自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成框圖14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（CommandElement）：由它調(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（DetectingElement）：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)（ComparingElement）：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（AmplifyingElement）：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。

由圖1-6可以看出，一般自15

(5)執(zhí)行元件（ExecutiveElement）：驅(qū)動(dòng)被控制對(duì)象的環(huán)節(jié)。

(6)控制對(duì)象（ControlledPlant）：亦稱被調(diào)對(duì)象。

(7)反饋環(huán)節(jié)（FeedbackElement）：由它將輸出量引出，再回送到控制部分。

16由圖1-6可見，系統(tǒng)中的各種作用量和被控制量包括

(1)輸入量（InputVariable）：又稱控制量或調(diào)節(jié)量（ReferenceInputVariable），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（OutputVariable）：又稱被控制量（ControlledVariable）,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)。

由圖1-6可見，系統(tǒng)中的各種作用量和17(3)反饋量（FeedbackVariable）：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、數(shù)值相近的信號(hào)電壓。

(4)擾動(dòng)量（DisturbanceVariable）:又稱干擾或“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(SemifinisbedVariable)：系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)之間的作用量。(3)反饋量（Feedback18課題二自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類自動(dòng)控制系統(tǒng)可以從不同的角度來(lái)進(jìn)行分類，常見的有以下幾種。

1.按輸入量變化的規(guī)律分類自動(dòng)控制系統(tǒng)按輸入量變化的規(guī)律可分為以下三類。1)恒值控制系統(tǒng)(FixedSet-PointControlSystem)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。課題二自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類自動(dòng)控制系192)隨動(dòng)系統(tǒng)（Follow-UpControlSystem）

隨動(dòng)控制系統(tǒng)又稱伺服系統(tǒng)（Serve-System），其特點(diǎn)是：輸入量是隨機(jī)變化著的，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。3)過(guò)程控制系統(tǒng)(ProgrammeControlSystem)

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。例如數(shù)控伺服系統(tǒng)以及一些自動(dòng)化生產(chǎn)線等。

2)隨動(dòng)系統(tǒng)（Follow-Up202.按系統(tǒng)傳輸信號(hào)對(duì)時(shí)間的關(guān)系分類自動(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。1)連續(xù)控制系統(tǒng)（ContinuousControlSystem）

連續(xù)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是：控制作用的信號(hào)都是連續(xù)量或模擬量，因此它又稱為模擬控制系統(tǒng)（AnalogueControlSystem）。圖1-3所示的恒溫控制系統(tǒng)就是連續(xù)控制系統(tǒng)。連續(xù)控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律通?？捎梦⒎址匠虂?lái)描述。2.按系統(tǒng)傳輸信號(hào)對(duì)時(shí)間的關(guān)系212)離散控制系統(tǒng)(DiscreteControlSystem)離散控制系統(tǒng)又稱采樣數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)（Sampted-DateControlSystem）。它的特點(diǎn)是：系統(tǒng)中有的信號(hào)是斷續(xù)量，或采樣數(shù)據(jù)量、數(shù)字量。2)離散控制系統(tǒng)(Discret223.按系統(tǒng)的輸出量和輸入量間的關(guān)系分類自動(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。

1)線性控制系統(tǒng)(LinerControlSystem)線性控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是：系統(tǒng)由線性元件構(gòu)成，它的各個(gè)環(huán)節(jié)或系統(tǒng)都可以用關(guān)系用線性微分方程來(lái)描述。3.按系統(tǒng)的輸出量和輸入量間的關(guān)系232)非線性控制系統(tǒng)(NonLinerControlSystem)非線性控制系統(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，它的輸出量與輸入量間的關(guān)系要用非線性微分方程來(lái)描述。2)非線性控制系統(tǒng)(NonLin244.按系統(tǒng)中的參數(shù)對(duì)時(shí)間的變化情況分類自動(dòng)控制系統(tǒng)按系統(tǒng)中的參數(shù)對(duì)時(shí)間的變化情況可分為兩類。1)定常系統(tǒng)（Time-InvariantSystem）

定常系統(tǒng)(又稱時(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，它的輸出量與輸入量間的關(guān)系用定常微分方程來(lái)描述。

4.按系統(tǒng)中的參數(shù)對(duì)時(shí)間的變化情252)時(shí)變系統(tǒng)(Time-VaryingSystem)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。2)時(shí)變系統(tǒng)(Time-Varyi26課題三對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)性能的要求

1.系統(tǒng)的穩(wěn)定性穩(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。課題三對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)性能的要求1.27圖1-7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)圖1-7穩(wěn)定系統(tǒng)和不穩(wěn)定系統(tǒng)

a)穩(wěn)定系統(tǒng)282、系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)

(Steaty-StatePerformanceSpecification)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，這種偏差稱為穩(wěn)態(tài)誤差ess(Steady-StateError)。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)(StaticAccuracy)，它表明了系統(tǒng)的準(zhǔn)確程度。穩(wěn)態(tài)誤差越小，則系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度越高。

１.有靜差系統(tǒng):ess≠0，如圖1-8a所示。２.無(wú)靜差系統(tǒng):ess=0，如圖1-8b所示。2、系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)29圖1-8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)圖1-8自動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能

a)有靜差系統(tǒng)303、系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)(DynamicPerformanceSpecification)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1-9為系統(tǒng)對(duì)突加給定信號(hào)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線3、系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)(DynamicPerformanc31（1）.最大超調(diào)量()(MaximumOvershoot)

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=/×100%

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)。

（1）.最大超調(diào)量()(MaximumOvershoo32（2）.調(diào)整時(shí)間()(SettlingTime)

調(diào)整時(shí)間()是給定量作用于系統(tǒng)開始，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)()(OrderNumber)

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)。（2）.調(diào)整時(shí)間()(SettlingTime)

調(diào)33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)?？傊?，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。結(jié)論在上述指標(biāo)中，最大超調(diào)量和振蕩34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)的校正和設(shè)計(jì)。研究自動(dòng)控制系統(tǒng)的方法35自動(dòng)控制理論又分為經(jīng)典控制理論(ClassicalControlTheory)和現(xiàn)代控制理論(ModernControlTheory)。

經(jīng)典控制理論是建立在傳遞函數(shù)(TransferFunction)概念基礎(chǔ)之上的，它對(duì)單輸入—單輸出系統(tǒng)是十分有效的?，F(xiàn)代控制理論是建立在狀態(tài)變量(StateVariable)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(AdaptiveControl)、最佳控制(OptimalControl)等。

在經(jīng)典控制理論中，又有時(shí)域分析法(TimeDomainAnalysisMethod)、頻率響應(yīng)法(FreguencyResponseethod)和根軌跡法(TheRootLocusMethod)等幾種分析方法。

自動(dòng)控制理論又分為經(jīng)典控制理論(Classica36課題四自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展歷史在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸和國(guó)防各個(gè)方面都離不開自動(dòng)控制。所謂自動(dòng)控制，就是在沒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。課題四自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展歷史在工37自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用可以追溯到18世紀(jì)(1788年)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)控制技術(shù)的應(yīng)用可以追溯到18世紀(jì)(1788年)瓦38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)40～60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。自動(dòng)控制理論通?？煞譃榻?jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智39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。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40對(duì)自動(dòng)控制理論的具體描述對(duì)自動(dòng)控制理論的具體描述41習(xí)題1-1分析比較開環(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。習(xí)題1-1分析比較開環(huán)421-2指出下列系統(tǒng)中哪些屬開環(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1-2指出下列系統(tǒng)中哪些屬開環(huán)431-3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Ⅰ、Ⅱ?qū)?yīng)不同的調(diào)節(jié)參數(shù)。試分析比較Ⅰ、Ⅱ兩種情況技術(shù)性能的優(yōu)劣。1-3衡量一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的性44某自動(dòng)控制系統(tǒng)的啟動(dòng)曲線某自動(dòng)控制系統(tǒng)的啟動(dòng)曲線451-4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)屬于哪一類系統(tǒng)：電飯煲、空調(diào)、燃?xì)鉄崴?、自?dòng)跟蹤雷達(dá)、家用交流穩(wěn)壓器。1-4組成自動(dòng)控制系統(tǒng)的主要461-6畫出電冰箱溫度自動(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)液體通過(guò)毛細(xì)管與波紋管內(nèi)腔液體相通。當(dāng)溫度升高時(shí)，溫包液體膨脹，使波紋管伸長(zhǎng)，它通過(guò)連桿帶動(dòng)微動(dòng)開關(guān)，使微動(dòng)開關(guān)合上，接通電動(dòng)壓縮機(jī)的電源，壓縮機(jī)工作，使溫度降低。)1-6畫出電冰箱溫度自動(dòng)控制471-7鍋爐液位控制系統(tǒng)如下圖所示，氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥設(shè)置在給水進(jìn)水管上，液位檢測(cè)變送器、調(diào)節(jié)器、定值器（即給定器）全部采用氣動(dòng)單元組合（QDZ）儀表。(1)試畫出該液位控制系統(tǒng)的原理方框圖，要求標(biāo)出各環(huán)節(jié)對(duì)應(yīng)的信號(hào)。(2)說(shuō)明被控量、給定值及可能的干擾量各是什么？(3)從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、給定值變化的規(guī)律及對(duì)象特點(diǎn)來(lái)分類，該自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)分別屬于哪類控制系統(tǒng)？1-7鍋爐液位控制系統(tǒng)如下圖48鍋爐液位控制系統(tǒng)示意圖鍋爐液位控制系統(tǒng)示意圖49

結(jié)束語(yǔ)謝謝大家聆聽！?。?0

結(jié)束語(yǔ)謝謝大家聆聽?。?！50模塊一認(rèn)識(shí)自動(dòng)控制系統(tǒng)模塊一認(rèn)識(shí)自動(dòng)控制系統(tǒng)51教學(xué)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)：①熟練掌握開、閉環(huán)控制的特點(diǎn)②掌握自控系統(tǒng)的分類③了解自控系統(tǒng)性能指標(biāo)和研究方法能力目標(biāo)：①能掌握開、閉環(huán)控制的特點(diǎn)②能了解自控系統(tǒng)的分類、性能指標(biāo)和研究方法素質(zhì)目標(biāo):①培養(yǎng)自學(xué)能力②培養(yǎng)文獻(xiàn)檢索、資料查找與閱讀能力教學(xué)目標(biāo)52最新模塊一認(rèn)識(shí)自動(dòng)控制系統(tǒng)課件53最新模塊一認(rèn)識(shí)自動(dòng)控制系統(tǒng)課件54最新模塊一認(rèn)識(shí)自動(dòng)控制系統(tǒng)課件55最新模塊一認(rèn)識(shí)自動(dòng)控制系統(tǒng)課件56最新模塊一認(rèn)識(shí)自動(dòng)控制系統(tǒng)課件57最新模塊一認(rèn)識(shí)自動(dòng)控制系統(tǒng)課件582.閉環(huán)控制系統(tǒng)(ClosedLoopControlSystem)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)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)，又稱為反饋控制系統(tǒng)(FeedbackControlSystem)。

圖1-3為電爐箱恒溫自動(dòng)控制系統(tǒng)。2.閉環(huán)控制系統(tǒng)(ClosedLoopControl59圖1-3電爐箱恒溫自動(dòng)控制系統(tǒng)圖1-3電爐箱恒溫自動(dòng)控制系統(tǒng)60圖1-4電爐箱自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成框圖圖1-4電爐箱自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成框圖61圖1–5爐溫自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程圖1–5爐溫自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程62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)。自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成現(xiàn)以圖163圖1-6自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成框圖圖1-6自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成框圖64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（CommandElement）：由它調(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（DetectingElement）：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)（ComparingElement）：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（AmplifyingElement）：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。

由圖1-6可以看出，一般自65

(5)執(zhí)行元件（ExecutiveElement）：驅(qū)動(dòng)被控制對(duì)象的環(huán)節(jié)。

(6)控制對(duì)象（ControlledPlant）：亦稱被調(diào)對(duì)象。

(7)反饋環(huán)節(jié)（FeedbackElement）：由它將輸出量引出，再回送到控制部分。

66由圖1-6可見，系統(tǒng)中的各種作用量和被控制量包括

(1)輸入量（InputVariable）：又稱控制量或調(diào)節(jié)量（ReferenceInputVariable），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（OutputVariable）：又稱被控制量（ControlledVariable）,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)。

由圖1-6可見，系統(tǒng)中的各種作用量和67(3)反饋量（FeedbackVariable）：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、數(shù)值相近的信號(hào)電壓。

(4)擾動(dòng)量（DisturbanceVariable）:又稱干擾或“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(SemifinisbedVariable)：系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)之間的作用量。(3)反饋量（Feedback68課題二自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類自動(dòng)控制系統(tǒng)可以從不同的角度來(lái)進(jìn)行分類，常見的有以下幾種。

1.按輸入量變化的規(guī)律分類自動(dòng)控制系統(tǒng)按輸入量變化的規(guī)律可分為以下三類。1)恒值控制系統(tǒng)(FixedSet-PointControlSystem)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。課題二自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類自動(dòng)控制系692)隨動(dòng)系統(tǒng)（Follow-UpControlSystem）

隨動(dòng)控制系統(tǒng)又稱伺服系統(tǒng)（Serve-System），其特點(diǎn)是：輸入量是隨機(jī)變化著的，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。3)過(guò)程控制系統(tǒng)(ProgrammeControlSystem)

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。例如數(shù)控伺服系統(tǒng)以及一些自動(dòng)化生產(chǎn)線等。

2)隨動(dòng)系統(tǒng)（Follow-Up702.按系統(tǒng)傳輸信號(hào)對(duì)時(shí)間的關(guān)系分類自動(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。1)連續(xù)控制系統(tǒng)（ContinuousControlSystem）

連續(xù)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是：控制作用的信號(hào)都是連續(xù)量或模擬量，因此它又稱為模擬控制系統(tǒng)（AnalogueControlSystem）。圖1-3所示的恒溫控制系統(tǒng)就是連續(xù)控制系統(tǒng)。連續(xù)控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律通?？捎梦⒎址匠虂?lái)描述。2.按系統(tǒng)傳輸信號(hào)對(duì)時(shí)間的關(guān)系712)離散控制系統(tǒng)(DiscreteControlSystem)離散控制系統(tǒng)又稱采樣數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)（Sampted-DateControlSystem）。它的特點(diǎn)是：系統(tǒng)中有的信號(hào)是斷續(xù)量，或采樣數(shù)據(jù)量、數(shù)字量。2)離散控制系統(tǒng)(Discret723.按系統(tǒng)的輸出量和輸入量間的關(guān)系分類自動(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。

1)線性控制系統(tǒng)(LinerControlSystem)線性控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是：系統(tǒng)由線性元件構(gòu)成，它的各個(gè)環(huán)節(jié)或系統(tǒng)都可以用關(guān)系用線性微分方程來(lái)描述。3.按系統(tǒng)的輸出量和輸入量間的關(guān)系732)非線性控制系統(tǒng)(NonLinerControlSystem)非線性控制系統(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，它的輸出量與輸入量間的關(guān)系要用非線性微分方程來(lái)描述。2)非線性控制系統(tǒng)(NonLin744.按系統(tǒng)中的參數(shù)對(duì)時(shí)間的變化情況分類自動(dòng)控制系統(tǒng)按系統(tǒng)中的參數(shù)對(duì)時(shí)間的變化情況可分為兩類。1)定常系統(tǒng)（Time-InvariantSystem）

定常系統(tǒng)(又稱時(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，它的輸出量與輸入量間的關(guān)系用定常微分方程來(lái)描述。

4.按系統(tǒng)中的參數(shù)對(duì)時(shí)間的變化情752)時(shí)變系統(tǒng)(Time-VaryingSystem)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。2)時(shí)變系統(tǒng)(Time-Varyi76課題三對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)性能的要求

1.系統(tǒng)的穩(wěn)定性穩(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。課題三對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)性能的要求1.77圖1-7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)圖1-7穩(wěn)定系統(tǒng)和不穩(wěn)定系統(tǒng)

a)穩(wěn)定系統(tǒng)782、系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)

(Steaty-StatePerformanceSpecification)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，這種偏差稱為穩(wěn)態(tài)誤差ess(Steady-StateError)。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)(StaticAccuracy)，它表明了系統(tǒng)的準(zhǔn)確程度。穩(wěn)態(tài)誤差越小，則系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度越高。

１.有靜差系統(tǒng):ess≠0，如圖1-8a所示。２.無(wú)靜差系統(tǒng):ess=0，如圖1-8b所示。2、系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)79圖1-8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)圖1-8自動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能

a)有靜差系統(tǒng)803、系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)(DynamicPerformanceSpecification)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1-9為系統(tǒng)對(duì)突加給定信號(hào)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線3、系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)(DynamicPerformanc81（1）.最大超調(diào)量()(MaximumOvershoot)

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=/×100%

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)。

（1）.最大超調(diào)量()(MaximumOvershoo82（2）.調(diào)整時(shí)間()(SettlingTime)

調(diào)整時(shí)間()是給定量作用于系統(tǒng)開始，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)()(OrderNumber)

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)。（2）.調(diào)整時(shí)間()(SettlingTime)

調(diào)83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)?？傊Ｍ到y(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。結(jié)論在上述指標(biāo)中，最大超調(diào)量和振蕩84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)的校正和設(shè)計(jì)。研究自動(dòng)控制系統(tǒng)的方法85自動(dòng)控制理論又分為經(jīng)典控制理論(ClassicalControlTheory)和現(xiàn)代控制理論(ModernControlTheory)。

經(jīng)典控制理論是建立在傳遞函數(shù)(TransferFunction)概念基礎(chǔ)之上的，它對(duì)單輸入—單輸出系統(tǒng)是十分有效的?，F(xiàn)代控制理論是建立在狀態(tài)變量(StateVariable)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(AdaptiveControl)、最佳控制(OptimalControl)等。

在經(jīng)典控制理論中，又有時(shí)域分析法(TimeDomainAnalysisMethod)、頻率響應(yīng)法(FreguencyResponseethod)和根軌跡法(TheRootLocusMethod)等幾種分析方法。

自動(dòng)控制理論又分為經(jīng)典控制理論(Classica86課題四自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展歷史在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸和國(guó)防各個(gè)方面都離不開自動(dòng)控制。所謂自動(dòng)控制，就是在沒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。課題四自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展歷史在工87自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用可以追溯到18世紀(jì)(1788年)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)控制技術(shù)的應(yīng)用可以追溯到18世紀(jì)(1788年)瓦88自動(dòng)控制理論通?？煞譃榻?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2