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，共三十五頁，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)控制理論的基本問題第二頁，共三十五頁，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，共三十五頁，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，共三十五頁，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)過程沒有自動(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，共三十五頁，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.越來越復(fù)雜和越來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，共三十五頁，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，共三十五頁，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)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，共三十五頁，2022年，8月28日1.1.6自動(dòng)控制理論的基本問題控制系統(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，共三十五頁，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：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)行器受控過程（受控對(duì)象）控制系統(tǒng)=受控過程＋控制裝置第十頁，共三十五頁，2022年，8月28日例1.1鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)工業(yè)過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，共三十五頁，2022年，8月28日例1.2水箱水位控制日常生活過程中的反饋控制系統(tǒng)例子---第十二頁，共三十五頁，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過程變量值PVProcess-Value

給定器調(diào)節(jié)器執(zhí)行器受控過程傳感器SVDV反饋PVMV被控量PV第十三頁，共三十五頁，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，共三十五頁，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):開環(huán)控制系統(tǒng)：第十五頁，共三十五頁，2022年，8月28日開環(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開環(huán)溫度控制系統(tǒng)

開環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn)：

1.信號(hào)從輸入到輸出無反饋,單向傳遞. 2.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單.3.控制精度不高,無法抑制擾動(dòng).例1.4.2開環(huán)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)第十六頁，共三十五頁，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，共三十五頁，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程控制器被控過程控制器被控過程反饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)前饋---反饋控制系統(tǒng)第十八頁，共三十五頁，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，共三十五頁，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，共三十五頁，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，共三十五頁，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，共三十五頁，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，共三十五頁，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，共三十五頁，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，共三十五頁，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，共三十五頁，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，共三十五頁，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，共三十五頁，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，共三十五頁，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，共三十五頁，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，共三十五頁，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，共三十五頁，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)---------