自動(dòng)控制原理電子教案新

自動(dòng)控制原理電子教案新第一頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日第一節(jié)概論1.1.1控制的含義1.1.2人工控制與自動(dòng)控制1.1.3自動(dòng)控制學(xué)科的特點(diǎn)1.1.4控制科學(xué)與工程的內(nèi)涵1.1.5自動(dòng)控制理論的內(nèi)容1.1.6自動(dòng)控制理論的基本問(wèn)題第二頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日1.1.1控制的含義控制（CONTROL）----某個(gè)主體使某個(gè)客體按照一定的目的動(dòng)作主體---人：人工控制；機(jī)器：自動(dòng)控制客體---指一件物體，一套裝置，一個(gè)物化過(guò)程，一個(gè)特定系統(tǒng)。物體--飛船，電爐。（飛船控制）裝置--鍋爐，汽機(jī)。（鍋爐控制）過(guò)程--燃燒，傳動(dòng)。（燃燒控制）系統(tǒng)--電力，化工，冶金。（電力控制）第三頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日1.1.2人工控制與自動(dòng)控制煤氣灶上油煎雞蛋時(shí)的油溫控制自行車速度控制汽車駕駛收音機(jī)音量調(diào)節(jié)電飯煲空調(diào)抽水馬桶汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制導(dǎo)彈飛行控制聲控光控路燈第四頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日1.1.3自動(dòng)控制學(xué)科的特點(diǎn)應(yīng)用廣泛小至電子表,大至人造衛(wèi)星,幾乎包括各個(gè)領(lǐng)域.我院6個(gè)專業(yè)有4個(gè)學(xué)“自控原理”課日益重要很難想象現(xiàn)代生活和生產(chǎn)過(guò)程沒(méi)有自動(dòng)控制裝置如何能夠繼續(xù)?你敢讓大型發(fā)電機(jī)組用人工控制來(lái)運(yùn)行嗎?你愿意使用不能自動(dòng)控制溫度的電冰箱嗎？第五頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日發(fā)展迅速?gòu)碾x心重錘式的簡(jiǎn)單自動(dòng)機(jī)械到具有每秒運(yùn)行上億次的CPU的智能機(jī)器人,自動(dòng)控制學(xué)科發(fā)展日新月異.越來(lái)越復(fù)雜和越來(lái)越精確的控制要求以及高度發(fā)展的現(xiàn)代科技(如計(jì)算機(jī))是促進(jìn)自動(dòng)控制學(xué)科飛速發(fā)展的重要原因第六頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日1.1.4控制科學(xué)與工程學(xué)科的內(nèi)涵控制科學(xué)與工程控制理論與控制工程檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置模式識(shí)別與智能系統(tǒng)系統(tǒng)工程第七頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日

1.1.5自動(dòng)控制理論的內(nèi)容自動(dòng)控制理論經(jīng)典控制理論(19世紀(jì)中葉--20世紀(jì)50年代)線性非線性根軌跡法頻域法時(shí)域法波波夫法李雅普諾夫法描述函數(shù)法相平面法采樣控制Z變換法現(xiàn)代控制理論(60年代以來(lái))狀態(tài)反饋控制最優(yōu)控制智能控制預(yù)測(cè)控制自適應(yīng)控制模糊控制大系統(tǒng)多層分散控制第八頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日1.1.6自動(dòng)控制理論的基本問(wèn)題控制系統(tǒng)的分析典型信號(hào)下的響應(yīng)(階躍響應(yīng),頻率特性)數(shù)學(xué)模型(傳遞函數(shù),狀態(tài)方程)性能指標(biāo)(穩(wěn)態(tài)誤差,超調(diào)量)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)性能要求(性能指標(biāo),約束條件)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計(jì)和整定性能校核(計(jì)算,仿真,實(shí)驗(yàn))第九頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日第二節(jié)反饋控制系統(tǒng)的基本概念信息反饋-------最基本的自動(dòng)控制原理反饋控制系統(tǒng)的中的常用術(shù)語(yǔ)：給定值（參考輸入值）偏差值控制量被控量擾動(dòng)量(內(nèi)擾,外擾)自動(dòng)控制裝置=傳感器+控制器+給定器+執(zhí)行器受控過(guò)程（受控對(duì)象）控制系統(tǒng)=受控過(guò)程＋控制裝置第十頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日例1.1鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)工業(yè)過(guò)程中的反饋控制系統(tǒng)例子---調(diào)節(jié)器汽包變送器主蒸汽過(guò)熱器省煤器執(zhí)行器給水調(diào)節(jié)閥給水泵給水第十一頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日例1.2水箱水位控制日常生活過(guò)程中的反饋控制系統(tǒng)例子---第十二頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日第三節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成及方框圖自動(dòng)控制系統(tǒng)：控制裝置＋受控對(duì)象方框圖(方框+箭頭+求和圓+線條)：分析系統(tǒng)內(nèi)各部分之間關(guān)系的圖解法．自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成(如鍋爐水位控制系統(tǒng))：給定值SVSetpoint-Value偏差值DVDeviation-value操作值MVManipulation-Value過(guò)程變量值PVProcess-Value

給定器調(diào)節(jié)器執(zhí)行器受控過(guò)程傳感器SVDV反饋PVMV被控量PV第十三頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日

調(diào)節(jié)器執(zhí)行器調(diào)節(jié)閥汽包變送器+-例1.3鍋爐水位控制系統(tǒng)測(cè)量水位PV偏差量DV控制量調(diào)節(jié)位移MV給水量反饋元件實(shí)際水位設(shè)定水位SV第十四頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日第四節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類設(shè)定器控制器被控對(duì)象擾動(dòng)被控量設(shè)定器被控過(guò)程傳感器控制器1.4.1按系統(tǒng)環(huán)節(jié)連接形式分類閉環(huán)控制系統(tǒng):開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)：第十五頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)舉例電熱絲加熱爐220v~調(diào)壓器功率放大器負(fù)載電位器M例1.4.1開(kāi)環(huán)溫度控制系統(tǒng)

開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn)：

1.信號(hào)從輸入到輸出無(wú)反饋,單向傳遞. 2.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單.3.控制精度不高,無(wú)法抑制擾動(dòng).例1.4.2開(kāi)環(huán)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)第十六頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日

閉環(huán)控制系統(tǒng)舉例

M電壓放大器功率放大器測(cè)速發(fā)電機(jī)負(fù)載M減速器溫度控制器熱電偶調(diào)壓器220V~例1.4.3閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)例1.4.4閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn):1.有反饋回路;2.結(jié)構(gòu)復(fù)雜;3.控制精度高,自動(dòng)糾偏第十七頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日1.4.2按控制依據(jù)信號(hào)性質(zhì)分類控制器控制器被控過(guò)程控制器被控過(guò)程控制器被控過(guò)程反饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)前饋---反饋控制系統(tǒng)第十八頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日1.4.3按給定值變化規(guī)律分類tttrrr恒值控制系統(tǒng)

給定值不隨時(shí)間變化

例恒溫，恒壓系統(tǒng)隨動(dòng)控制系統(tǒng)

給定值按需求隨機(jī)變化

例雷達(dá)跟蹤，靠模加工系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)

給定值按條件（時(shí)間或流程）變化例金屬熱處理，化學(xué)水處理第十九頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日1.4.4按輸入輸出變量數(shù)分類電加熱爐電站鍋爐單變量控制系統(tǒng)

單入--單出SISO（SingleInputSingleOutput）

例電加熱爐溫度控制系統(tǒng)電流溫度多變量控制系統(tǒng)

多入--多出MIMO（Multiple----）

例鍋爐燃燒控制系統(tǒng)燃料量送風(fēng)量引風(fēng)量工質(zhì)溫度工質(zhì)壓力爐膛壓力第二十頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日1.4.5按系統(tǒng)特性分類

線性控制系統(tǒng)

輸入與輸出成正比，可用疊加原理用線性數(shù)學(xué)模型描述

例彈簧秤（在工作區(qū)）

非線性控制系統(tǒng)

輸入與輸出不成正比，不可用疊加原理用非線性數(shù)學(xué)模型描述

例彈簧秤（不在工作區(qū)）

位移位移力力第二十一頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日1.4.6按變量的時(shí)間特性分類

連續(xù)時(shí)間控制系統(tǒng)

系統(tǒng)中的變量可隨時(shí)變化，連續(xù)，不間斷

例重錘式轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)

離散時(shí)間控制系統(tǒng)

系統(tǒng)中存在離散變量，它們只在固定時(shí)刻存在和變化

例計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

變量變量時(shí)間時(shí)間第二十二頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日1.4.7按變量的變化特性分類

模擬量控制系統(tǒng)

系統(tǒng)中的變量是反映物理量的模擬變量，可以是任意數(shù)值

例熱電偶測(cè)得電勢(shì)，反映溫度

開(kāi)關(guān)量控制系統(tǒng)

系統(tǒng)中變量只有兩個(gè)狀態(tài)，0或1，開(kāi)或關(guān)

例全自動(dòng)洗衣機(jī)

變量變量時(shí)間時(shí)間第二十三頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日1.4.8按變量的統(tǒng)計(jì)特性分類

確定性變量控制系統(tǒng)

系統(tǒng)中的變量被認(rèn)為是無(wú)噪聲的確定性變量

隨機(jī)性變量控制系統(tǒng)

系統(tǒng)中的變量被認(rèn)為是有噪聲的隨機(jī)性變量

變量時(shí)間變量時(shí)間第二十四頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日1.4.9按控制規(guī)律分類常規(guī)控制（PID）智能控制預(yù)測(cè)控制最優(yōu)控制自適應(yīng)控制魯棒控制模糊控制神經(jīng)元控制第二十五頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日1.4.10按控制器實(shí)現(xiàn)器件分類機(jī)械型電動(dòng)型氣動(dòng)型計(jì)算機(jī)型綜合型第二十六頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日

第五節(jié)控制系統(tǒng)性能分析概論典型試驗(yàn)信號(hào)階躍信號(hào)斜坡信號(hào)拋物線信號(hào)脈沖信號(hào)正弦信號(hào)系統(tǒng)性能分析方法動(dòng)態(tài)特性分析穩(wěn)態(tài)特性分析第二十七頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日1.5.1.1階躍信號(hào)（StepFunction）

階躍信號(hào)含寬頻帶諧波分量，產(chǎn)生容易，是最常用系統(tǒng)性能測(cè)試信號(hào)。時(shí)間r（t）R-----單位階躍函數(shù)第二十八頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日1.5.1.2斜坡信號(hào)（RampFunction）

斜坡信號(hào)為勻速信號(hào)，適于測(cè)試勻速系統(tǒng)。時(shí)間tr（t）Rttg（）=R-----單位階躍函數(shù)第二十九頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日1.5.1.3拋物線信號(hào)（ParabolicFunction）

u（t）-----單位階躍函數(shù)拋物線信號(hào)為勻加速信號(hào)，適于測(cè)試勻加速系統(tǒng)。時(shí)間tr（t）0.5Rt2第三十頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日1.5.1.4脈沖信號(hào)（PulseFunction）

t=0

理想情況:r（t）=(t)=(t)-----單位脈沖函數(shù)

0t0

A/h0<=t<=h實(shí)際情況:r（t）=0t<0,t>h

可用于測(cè)試系統(tǒng)抗沖擊能力時(shí)間tr（t）Ah第三十一頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日1.5.1.5正弦信號(hào)（SineFunction）

r（t）=Asin(t+

)

A--------幅值

--------頻率--------初相位正弦信號(hào)為單頻率信號(hào)，適于測(cè)試系統(tǒng)頻率特性。時(shí)間tr（t）第三十二頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日1.5.2.1動(dòng)態(tài)特性分析

y（t）=f(x（t）)y(t)------輸出x(t)---------