自動(dòng)控制第一章課件

第一章概述第二節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類第一節(jié)自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)第四節(jié)自動(dòng)控制理論發(fā)展簡(jiǎn)述第三節(jié)對(duì)控制系統(tǒng)性能的要求第一章概述第一節(jié)自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)一、自動(dòng)控制的基本概念二、控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成及控制方式第一章概述第一節(jié)自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)一、自動(dòng)控制的基本概念現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中的自動(dòng)控制技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用航天器工業(yè)控制機(jī)器人家用電器自動(dòng)控制的特征：通過對(duì)各類機(jī)器、各種物理參量、工業(yè)生產(chǎn)過程等的控制直接造福于社會(huì)。自動(dòng)控制：

在無人直接參與下，利用控制裝置操縱受控對(duì)象，使受控對(duì)象的被控量按給定信號(hào)變化規(guī)律去變化。自動(dòng)控制示意圖控制器給定值檢測(cè)元件受控對(duì)象被控量自動(dòng)控制系統(tǒng)控制裝置:受控對(duì)象:機(jī)器、設(shè)備、生產(chǎn)過程等控制器、檢測(cè)元件等分析和設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能。自動(dòng)控制原理的主要任務(wù)：下面通過一些實(shí)例來說明自動(dòng)控制和自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念例水溫人工控制系統(tǒng)受控對(duì)象:水箱熱傳導(dǎo)器件系統(tǒng)的構(gòu)成：被控制量:水溫閥門顯示儀表蒸汽排水冷水熱水工作過程：蒸汽通過熱傳導(dǎo)器件把熱量傳遞給水,水的溫度與蒸汽的流量成正比.手動(dòng)調(diào)節(jié)閥門的開度，從而調(diào)節(jié)蒸汽的流量,來控制水的溫度.但人工難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的高質(zhì)量控制.第一節(jié)自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)例水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)系統(tǒng)中增加了：控制器電機(jī)加入給定信號(hào)工作原理：檢測(cè)實(shí)際溫度產(chǎn)生控制信號(hào)通過電機(jī)調(diào)節(jié)閥門的開度從而調(diào)節(jié)蒸汽流入，控制水的溫度.實(shí)現(xiàn)沒有人直接參入的自動(dòng)水溫控制.第一節(jié)自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)控制器溫度檢測(cè)第一節(jié)自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)為了方便地分析系統(tǒng)性能，一般用框圖來表示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)可用框圖表示為：要使自動(dòng)控制系統(tǒng)滿足工程實(shí)際的需要,必須研究自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)與系統(tǒng)性能之間的關(guān)系。實(shí)際溫度偏差反饋量預(yù)期溫度_控制器執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥門水箱控制器第一節(jié)自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)桿杠長(zhǎng)度例液位自動(dòng)控制系統(tǒng)h水箱桿杠浮球閥門進(jìn)水系統(tǒng)組成：出水被控制量：水位高度工作原理：調(diào)節(jié)杠桿長(zhǎng)度L，通過杠桿機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)閥門的開度，從而調(diào)節(jié)進(jìn)水量以控制液位的高度。L系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖浮球hr(s)h(t)閥門水箱杠桿機(jī)構(gòu)第一節(jié)自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)Lh二、自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成及控制方式1．開環(huán)控制有順向作用而無反向聯(lián)系.不同的被控對(duì)象和不同的控制裝置構(gòu)成了不同的控制系統(tǒng)，所以自動(dòng)控制系統(tǒng)的種類是很多的。自動(dòng)控制系統(tǒng)一般有兩種基本控制方式.開環(huán)控制控制裝置與受控對(duì)象之間只第一節(jié)自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)例轉(zhuǎn)臺(tái)速度開環(huán)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)電機(jī)電源和放大裝置速度設(shè)置系統(tǒng)組成：由圖可見：第一節(jié)自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)速度設(shè)置信號(hào)通過功率放大以后，提供給電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)。由于被控制量速度沒有反饋到輸入端與給定信號(hào)比較,為開環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖:給定速度實(shí)際轉(zhuǎn)速放大器直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)這種轉(zhuǎn)臺(tái)在CD機(jī)、計(jì)算機(jī)磁盤驅(qū)動(dòng)器等許多現(xiàn)代裝置中廣泛應(yīng)用.開環(huán)控制的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)和控制簡(jiǎn)單，抗擾能力差，控制精度低，一般用于對(duì)控制性能要求不高的場(chǎng)合。2．閉環(huán)控制閉環(huán)控制:閉環(huán)控制又稱為反饋控制或按偏差控制?？刂蒲b置與受控對(duì)象之間，不但有順向作用，還有反向聯(lián)系。第一節(jié)自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)例轉(zhuǎn)臺(tái)速度閉環(huán)控制系統(tǒng)系統(tǒng)中增加了測(cè)速發(fā)電機(jī)作為反饋裝置測(cè)出電動(dòng)機(jī)的速度反饋給控制器。與給定信號(hào)比較產(chǎn)生偏差電壓，經(jīng)過功率放大后對(duì)電動(dòng)機(jī)的速度進(jìn)行閉環(huán)控制.當(dāng)速度受擾動(dòng)發(fā)生變化時(shí)，偏差電壓也隨之變化，通過閉環(huán)調(diào)節(jié)能消除干擾。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖測(cè)速機(jī)偏差預(yù)期速度實(shí)際轉(zhuǎn)速放大器_直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)放大裝置例位置隨動(dòng)系統(tǒng)環(huán)型電位器電機(jī)電源齒輪系統(tǒng)組成：負(fù)載輸入θr輸出θc工作過程：θr=θcUd=0Udθr≠θcUd≠0電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng),調(diào)節(jié)θc,使θr=θc電動(dòng)機(jī)靜止第一節(jié)自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖θr_電位器θm△θ

θcueud放大器電動(dòng)機(jī)減速器例直流調(diào)速系統(tǒng)直流電機(jī)測(cè)速發(fā)電機(jī)電源和控制裝置負(fù)載系統(tǒng)組成：UnUf輸入反饋電壓e=Un-Uf轉(zhuǎn)速取決于：第一節(jié)自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)n輸出電樞電壓UdUd=Ke當(dāng)干擾引起轉(zhuǎn)速變化時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整：n↓→Uf↓→e↑→Ud↑→n↑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖測(cè)速機(jī)unufeudn_放大器直流電動(dòng)機(jī)（3）能減小或消除由擾動(dòng)形成的偏差，具有較高的控制精度和較強(qiáng)的抗擾能力。通過以上的實(shí)例分析可得出閉環(huán)控制系統(tǒng)具有的特點(diǎn)：第一節(jié)自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)（1）系統(tǒng)的控制信號(hào)是給定值與反饋量的差值，故稱為按偏差控制或反饋控制。（2）閉環(huán)系統(tǒng)有兩種傳輸通道：前向通道和反饋通道。自動(dòng)控制原理中主要討論閉環(huán)控制系統(tǒng)。3．復(fù)合控制測(cè)量出外部作用，形成與外部作用相反的控制量與外部作用共同使被控量基本不受影響。前饋補(bǔ)償控制復(fù)合控制具有兩種基本形式.前饋補(bǔ)償控制：復(fù)合控制：反饋控制+第一節(jié)自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)在外部作用下，由系統(tǒng)被控制量的變化產(chǎn)生調(diào)節(jié)和控制作用。反饋控制：(a)按輸入前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制給定值被控制量_檢測(cè)元件控制器前饋通道第一節(jié)自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)受控對(duì)象前饋補(bǔ)償控制反饋控制主通道(b)按擾動(dòng)前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制第一節(jié)自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)給定值被控制量_檢測(cè)元件控制器受控對(duì)象前饋補(bǔ)償控制反饋控制主通道前饋通道擾動(dòng)第二節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類一、線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類方法較多，常見的有以下幾種由線性微分方程或線性差分方程所描述的系統(tǒng)。由非線性方程描述的系統(tǒng)。第一章概述線性系統(tǒng)：非線性系統(tǒng)：二、定常系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng)定常系統(tǒng):若系統(tǒng)微分方程的系數(shù)為常數(shù)，則稱之為線性定常系統(tǒng)。此類系統(tǒng)為本書主要討論對(duì)象。系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型微分方程的系數(shù)不是時(shí)間變量的函數(shù)。否則稱為時(shí)變系統(tǒng)。第二節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類三、連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)：系統(tǒng)中各部分的信號(hào)都是時(shí)間的連續(xù)函數(shù)即模擬量。離散系統(tǒng)：系統(tǒng)中有一處或多處信號(hào)為時(shí)間的離散函數(shù)，如脈沖或數(shù)碼信號(hào)。若系統(tǒng)中既有模擬量也有離散信號(hào)，則又可稱之為采樣系統(tǒng)。第二節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類四、恒值系統(tǒng)、隨動(dòng)系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)系統(tǒng)的給定值為一定值，而控制任務(wù)就是克服擾動(dòng)，使被控量保持恒值。例如：電機(jī)速度控制、恒溫、恒壓、水位控制系統(tǒng)等。恒值系統(tǒng)：第二節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類隨動(dòng)系統(tǒng)：系統(tǒng)給定值按照事先不知道的時(shí)間函數(shù)變化，并要求被控量跟隨給定值變化。如：火炮自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)、輪舵位置控制系統(tǒng)等。第二節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類程序控制系統(tǒng)：系統(tǒng)的給定值按照一定的時(shí)間函數(shù)變化，并要求被控量隨之變化。例如：機(jī)械手第二節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類自動(dòng)化生產(chǎn)線：第二節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類第三節(jié)對(duì)控制系統(tǒng)性能的要求常見的評(píng)價(jià)系統(tǒng)優(yōu)劣的性能指標(biāo)是從動(dòng)態(tài)過程中定義出來的。對(duì)系統(tǒng)性能的基本要求有三個(gè)方面。二、快速性一、穩(wěn)定性三、準(zhǔn)確性第一章概述

系統(tǒng)受外作用力后,其動(dòng)態(tài)過程的振蕩傾向和系統(tǒng)恢復(fù)平衡的能力。一、穩(wěn)定性第三節(jié)對(duì)控制系統(tǒng)性能的要求穩(wěn)定性：系統(tǒng)受外作用力經(jīng)過一段時(shí)間，其被控量達(dá)到某一穩(wěn)定狀態(tài)，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的。否則為不穩(wěn)定的。r(t)t0c(t)r(t)c(t)不穩(wěn)定的系統(tǒng)是無法正常工作的。擾動(dòng)信號(hào)作用下的不穩(wěn)定系統(tǒng):d(t)t0c(t)c(t)d(t)一個(gè)能在生產(chǎn)實(shí)際中應(yīng)用的系統(tǒng),不僅應(yīng)具有穩(wěn)定性,而且在動(dòng)態(tài)過程中的震蕩也不能過于強(qiáng)烈.通過動(dòng)態(tài)過程時(shí)間長(zhǎng)短表征快速性。二、快速性第三節(jié)對(duì)控制系統(tǒng)性能的要求r(t)t0c(t)r(t)c1(t)c2(t)快速性表明了系統(tǒng)輸出對(duì)輸入響應(yīng)的快慢程度過渡過程時(shí)間越短，表明快速性越好。反之亦然。t1t2由輸入給定值與輸出響應(yīng)的終值之間的差值ess大小表征。三、準(zhǔn)確性第三節(jié)對(duì)控制系統(tǒng)性能的要求r(t)t0c(t)ess它反映了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。若系統(tǒng)最終的誤差為零，則稱為無差系統(tǒng)，否則為有差系統(tǒng)。c(t)r(t)穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性往往是互相制約的。在設(shè)計(jì)與調(diào)試的過程中,若過分強(qiáng)調(diào)某方面的性能,則可能會(huì)使其他方面的性能受到影響.怎樣根據(jù)工作任務(wù)的不同,分析和設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)，使其對(duì)三方面的性能有所側(cè)重，并兼顧其它正是自控原理課程要解決的問題。第三節(jié)對(duì)控制系統(tǒng)性能的要求

自動(dòng)控制理論是研究自動(dòng)控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)。第四節(jié)

自動(dòng)控制理論發(fā)展簡(jiǎn)述第一章概述具有“自動(dòng)”功能的裝置自古有之，瓦特發(fā)明的蒸汽機(jī)上的離心調(diào)速器是比較自覺地運(yùn)用反饋原理進(jìn)行設(shè)計(jì)并取得成功的首例。麥克斯韋對(duì)它的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，于1868年發(fā)表的論文當(dāng)屬最早的理論工作。從20世紀(jì)20年代到40年代形成了以時(shí)域法，頻率法和根軌跡法為支柱的“古典”控制理論。第四節(jié)

自動(dòng)控制理論發(fā)展簡(jiǎn)述60年代以來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和航天等高科技的推動(dòng)，又產(chǎn)生了基于狀態(tài)空間模型的所謂“現(xiàn)代”控制理論。近年來，在非線性系統(tǒng)理論、離散事件系統(tǒng)、大系統(tǒng)和