自動控制系統(tǒng)的工作原理課件

自動控制原理AutomaticControlTheory11.人類社會發(fā)展的三個時代人力時代

人類主要依靠自身的肌體來完成能量變換和信息變換，但是人類自身轉(zhuǎn)換的功率和范圍都極其有限，縱有九牛二虎之力，也不能晝夜不停地工作著，因此創(chuàng)造的財富有限，最高文明只達(dá)到封建社會。

機械化時代

當(dāng)蒸汽機、發(fā)電機出現(xiàn)之后，既使用九牛二虎也不夠形容一臺電動機之巨大威力了，而且可以不間斷地保持著“精力充沛”的狀態(tài)工作著。人類的“力氣”不知被放大多少億倍！人類的力臂不知不覺被延長到幾千公里之外！物質(zhì)豐富了，農(nóng)民被改造成為工人，進入資本主義社會。2自動化時代在這個時代中，不僅能量變換、而且信息變換都由機器來完成，在人類活動所見的空間，只要需要用“力”的地方，都會給它配上一個小的腦袋－－單片機或微處理器之類的小腦袋。不僅工業(yè)生產(chǎn)自動化了，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、家務(wù)勞動、交通運輸、人居環(huán)境……凡是已知的規(guī)律，都可以用自動化技術(shù)來完成。3

2．自動控制原理課程性質(zhì)與地位

自動控制原理（自動控制理論

自動調(diào)節(jié)原理

反饋控制理論，簡稱自控）是研究自動控制系統(tǒng)的共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)。它是一門技術(shù)基礎(chǔ)理論課，主要研究自動控制系統(tǒng)的組成、分析和設(shè)計的理論。

大一公共基礎(chǔ)課：英語數(shù)學(xué)物理政治大二技術(shù)基礎(chǔ)課：電路電子電機計算機編程大三專業(yè)基礎(chǔ)課：自控供電微機電力電子技術(shù)大四專業(yè)課、設(shè)計：調(diào)速計算機控制畢業(yè)設(shè)計

自動控制原理是電氣工程及其自動化專業(yè)的主干課程，也是信電學(xué)院平臺課程。同時也是一些碩士點考研必修課。5上課時間：一共14周，每周2次星期一1～2

星期三3～4答疑時間、地點：待定一共64學(xué)時，講課52學(xué)時，

習(xí)題2學(xué)時，實驗10學(xué)時

講課地點：教一南408，402每章學(xué)時安排：第一章

緒論

3學(xué)時第二章

控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述8學(xué)時第三章

時域分析法

11學(xué)時第四章

根軌跡法

8學(xué)時第五章

頻率響應(yīng)法

14學(xué)時第六章

控制系統(tǒng)補償與綜合

8學(xué)時

3．課程學(xué)時安排610學(xué)時5個實驗，各班課代表去聯(lián)系。聯(lián)系方式：汪寧老師實驗內(nèi)容：1.典型環(huán)節(jié)（比例、積分、慣性）測試2.二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)及性能指標(biāo)3.高階系統(tǒng)階躍響應(yīng)、根軌跡圖繪制4.頻率特性（Nyquist圖、Bode圖）繪制5.校正環(huán)節(jié)特性及系統(tǒng)階躍響應(yīng)7第一章

緒論1-1自動控制的基本概念1-2自動控制系統(tǒng)工作原理1-3閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成1-4

自動控制系統(tǒng)的基本要求1-5

自動控制系統(tǒng)的分類1-6控制系統(tǒng)舉例1-7自動控制理論的發(fā)展史1-8

控制系統(tǒng)的計算機輔助設(shè)計91.1自動控制的基本概念◆被控對象：控制系統(tǒng)要進行控制的受控客體◆被控量：控制對象要實現(xiàn)的物理量如冰箱溫度、電機的轉(zhuǎn)速、飛機姿態(tài)角、船的航跡、電網(wǎng)的電壓、生產(chǎn)過程中的壓力、流量、溫度、濕度等。應(yīng)用領(lǐng)域：冰箱、空調(diào)、洗衣機、電梯、汽車、電廠鍋爐、釀酒過程、航空航天等各種機器或生產(chǎn)過程控制以及軍事領(lǐng)域。自動控制的定義：是指在沒有人直接參與的情況下，利用控制裝置（控制器），使機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（被控對象）的某一工作狀態(tài)或參數(shù)（被控量）自動按照預(yù)定的規(guī)律運行。101.2自動控制系統(tǒng)的工作原理

系統(tǒng)：為了達(dá)到某一目的，由一些對象相互作用，相互制約，組成一個具有一定運動規(guī)律的整體。控制系統(tǒng)：指能夠?qū)Ρ豢貙ο蟮墓ぷ鳡顟B(tài)進行自動控制的系統(tǒng)，由被控對象和控制器構(gòu)成的整體。自動控制系統(tǒng)的性能，在很大程度上取決于系統(tǒng)中的控制器為了產(chǎn)生控制作用而必須接收的信息，這個信息有兩個可能的來源：1）來自系統(tǒng)外部，即由系統(tǒng)輸入端輸入的參考輸入信號。2）來自被控對象的輸出端，即反映被控對象的行為或狀態(tài)的信息。11開環(huán)控制系統(tǒng)

Open-loopControlSystem◆定義：系統(tǒng)的控制輸入量不受輸出量影響的控制系統(tǒng)◆特點：系統(tǒng)的輸出量與輸入量間不存在反饋的通道，這種控制方式稱為開環(huán)控制在開環(huán)控制系統(tǒng)中，不需要對輸出量進行測量，也不需要將輸出量反饋到系統(tǒng)輸入端與輸入量進行比較。因此，開環(huán)控制系統(tǒng)又稱無反饋控制系統(tǒng)。控制器對象或過程輸入量輸出量圖1.1開環(huán)控制系統(tǒng)方塊圖（按輸入量控制方式）（被控量）13功率放大SM負(fù)載++++u0nua圖1-2電動機速度控制系統(tǒng)14+-+ugudoMiuin(a)原理圖R

放大

器負(fù)載

給定信號ug被控量擾動inui(b)方塊圖

電壓

放大

電阻

R觸發(fā)器

晶闡管可控整流器

電動

機前饋控制(開環(huán))（按擾動量控制方式）(參考輸入量)這種控制方式的前提條件：是干擾能夠被測量應(yīng)用：交通紅綠燈、自動洗衣機、生產(chǎn)流水線15熱力系統(tǒng)的人工反饋控制

17熱力系統(tǒng)的自動反饋控制

18閉環(huán)控制的優(yōu)缺點優(yōu)點：抑制干擾能力強對參數(shù)變化不敏感能獲得滿意的動態(tài)特性和控制精度缺點：增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，如果參數(shù)選取不恰當(dāng)，系統(tǒng)可能會振蕩。所以，參數(shù)選取是控制理論和系統(tǒng)設(shè)計必須解決的重要問題。19反饋在系統(tǒng)可以分正反饋和負(fù)反饋負(fù)反饋主要通過輸入、輸出之間的差值作用于系統(tǒng)的其他部分。這個差值反映了我們要求的輸出和實際的輸出之間的差別?？刂破鞯目刂撇呗允遣煌p小這個差值，以使差值變小。例如，人打算拿桌上的盒子。目測距離，確定方向，移動，不斷測距離，腦判斷以消除偏差

正反饋在自動控制系統(tǒng)中主要是用來對小的變化進行放大，從而可以使系統(tǒng)在一個穩(wěn)定的狀態(tài)下工作。而且正反饋可以與負(fù)反饋配合使用，以使系統(tǒng)的性能更優(yōu)。例如，鈾－235在中子轟擊下，通常會產(chǎn)生兩個中等質(zhì)子數(shù)的核，并放出2－3個中子和大量能量。放出的中子有的則繼續(xù)引起重核裂變。這樣就會使系統(tǒng)中的作用越來越劇烈。所以一般在核反應(yīng)堆中通過控制反應(yīng)堆中鉛棒與反應(yīng)物接觸的面積來控制核反應(yīng)的劇烈程度

21閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖輸入量控制器控制對象測量元件輸出量反饋回路被控量干擾量22給定電壓熱電偶輸出電壓23閉環(huán)與開環(huán)控制系統(tǒng)的比較開環(huán)控制：順向作用，沒有反向的聯(lián)系，沒有修正偏差能力，抗擾動性較差。結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便、成本低。在精度要求不高或擾動影響較小的場合，這種控制方式還有一定的實用價值（步進電機，水泵，風(fēng)扇）。

閉環(huán)控制：為偏差控制，可以抑制內(nèi)（系統(tǒng)參數(shù)變化）、外擾動（負(fù)載變化）對被控制量產(chǎn)生的影響，因此，控制精度高。但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高（價格成倍增加，車床、洗衣機、小轎車）；系統(tǒng)設(shè)計、分析麻煩。

25復(fù)合控制系統(tǒng)

CompoundControlSystem定義：開環(huán)控制和閉環(huán)控制相結(jié)合的一種控制方式。是構(gòu)成高精度控制系統(tǒng)的一種有效控制方式，使控制系統(tǒng)具有良好的控制性能。復(fù)合控制的兩種基本形式按輸入前饋補償?shù)膹?fù)合控制按干擾前饋補償?shù)膹?fù)合控制26用“○”號代表比較元件，“—”號代表兩者符號相反。信號沿箭頭方向從輸入端到達(dá)輸出端的傳輸通路稱前向通路；系統(tǒng)輸出量經(jīng)測量裝置反饋到輸入端的傳輸通路稱主反饋通路。前向通路與主反饋通路共同構(gòu)成主回路。此外，還有局部反饋通路以及由它構(gòu)成的內(nèi)回路。圖1.5閉環(huán)控系統(tǒng)基本組成串聯(lián)校正（補償）元件放大元件執(zhí)行機構(gòu)被控對象反饋校正元件測量元件被控量——1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成輸入量比較元件給定裝置負(fù)反饋29給定裝置：產(chǎn)生給定值或輸入信號（量）（即參考量或期望值）測量元件：測量被控制的物理量（被控量），用于產(chǎn)生反饋信號各種傳感器：測速發(fā)電機、電位計、熱電偶等。比較元件：把測量元件檢測的實際值（被控量）與給定元件給出的參考量進行比較，求出它們之間的偏差。如差動放大器、自整角機。放大元件：將比較元件給出的偏差進行放大，用來推動執(zhí)行元件去控制被控對象，如放大器、晶閘管。執(zhí)行機構(gòu)：直接推動被控對象，使其被控量發(fā)生變化。如步進電機，繼電器開關(guān)。補償（校正）元件：結(jié)構(gòu)或參數(shù)便于調(diào)整的元件或機構(gòu)，用串聯(lián)或反饋的方式連接在系統(tǒng)中，以改善控制系統(tǒng)性能。30

1-4自動控制系統(tǒng)的基本要求自動控制系統(tǒng)性能的基本要求（三個方面）穩(wěn)定性（先決條件）

系統(tǒng)受到短暫的擾動后其運動性能從偏差平衡點恢復(fù)到原來平衡狀態(tài)的能力。一切自動控制系統(tǒng)必須滿足的最基本要求。由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定與外界因素?zé)o關(guān)。31穩(wěn)定的控制系統(tǒng)在階躍信號或擾動信號的作用下，其響應(yīng)的暫態(tài)過程應(yīng)該是收斂的。如果系統(tǒng)設(shè)計不當(dāng)，則在階躍信號下或擾動信號的作用下，相應(yīng)的幅值振蕩可能成為等幅振蕩，甚至成為振幅逐漸增大的發(fā)散振蕩，發(fā)生這種情況的系統(tǒng)稱為不穩(wěn)定系統(tǒng)。系統(tǒng)穩(wěn)定性包括兩個方面的含義。（1）系統(tǒng)穩(wěn)定，稱為絕對穩(wěn)定，即通常所說的穩(wěn)定性。（2）輸出響應(yīng)振蕩的強烈程度，稱為相對穩(wěn)定性。例如系統(tǒng)是絕對穩(wěn)定的，但是在階躍信號作用下，響應(yīng)振蕩很強烈，而且振蕩的衰減很慢，則該系統(tǒng)雖然屬于穩(wěn)定系統(tǒng)，但相對穩(wěn)定性差。32過渡過程性能（快速性要求）：系統(tǒng)受到短暫的擾動后其運動性能從偏差平衡點恢復(fù)到原來平衡狀態(tài)的能力，由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定與外界因素?zé)o關(guān)。描述過渡過程性能可以用平穩(wěn)性和快速性加以衡量，一般稱為動態(tài)性能。如：上升時間、峰值時間、調(diào)整時間、超調(diào)量。穩(wěn)態(tài)誤差（控制精度或準(zhǔn)確性要求）：過渡過程結(jié)束后的輸出響應(yīng)系統(tǒng)過渡過程結(jié)束后，期望的穩(wěn)態(tài)輸出量與實際的穩(wěn)態(tài)輸出量之差叫穩(wěn)態(tài)誤差。顯然，這種誤差越小，表示系統(tǒng)的輸出跟隨參考輸入的精度越高。

簡單地說：穩(wěn)、快、準(zhǔn)331-5

自動控制系統(tǒng)的分類按工作原理分類開環(huán)控制、閉環(huán)控制、復(fù)合控制按數(shù)學(xué)模型分類定常系統(tǒng)和時變系統(tǒng)線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)當(dāng)系統(tǒng)中各元件輸入輸出特性是線性特性，系統(tǒng)的狀態(tài)和性能以線性微分方程或差分方程來描述時，這種系統(tǒng)稱為線性系統(tǒng)。線性系統(tǒng)的一個突出的特點就是滿足疊加定理，所以在判別系統(tǒng)是線性或非線性時，可運用疊加定理來判斷。系統(tǒng)中只要存在一個元件為非線性元件，系統(tǒng)的微分方程就由非線性方程來描述，這樣的系統(tǒng)稱為非線性系統(tǒng)。由于非線性系統(tǒng)的多樣性，疊加原理也不成立，研究起來也不方便，所以只有在一定條件下用近似分析的方法來處理。

34按系統(tǒng)內(nèi)部的信號特征分類連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)的特點是系統(tǒng)中各元件的輸入信號和輸出信號都是時間的連續(xù)函數(shù)，這類系統(tǒng)的運動狀態(tài)是用微分方程來描述的。連續(xù)系統(tǒng)中各元件傳輸?shù)男畔⒃诠こ躺戏Q為模擬量，多數(shù)實際物理系統(tǒng)都屬于這一類，其輸入輸出一般用和來表示。控制系統(tǒng)中只要存在一處的信號脈沖序列或數(shù)碼時，該系統(tǒng)即為離散系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的狀態(tài)和性能一般用差分方程來描述，實際物理系統(tǒng)中，信息的表現(xiàn)形式為離散信號的并不多見，往往是控制上的需要，將連續(xù)系統(tǒng)離散化，即采樣。采樣過程通常是通過采樣開關(guān)把連續(xù)的模擬量變?yōu)槊}沖序列，這樣的系統(tǒng)一般又稱為采樣控制系統(tǒng)。35按輸入量變化規(guī)律的功能分類恒值控制系統(tǒng)：如溫度控制系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)等隨動控制系統(tǒng)：如、函數(shù)記錄儀、高射炮等程序控制系統(tǒng)：如數(shù)控機床、交通燈系統(tǒng)等隨動控制系統(tǒng)的主要特點是輸入給定信號的變化規(guī)律是事先不能確定的隨機信號，這類系統(tǒng)的任務(wù)是使輸出快速、準(zhǔn)確地跟隨給定信號的變化而變化，故稱作隨動控制系統(tǒng)。程序控制系統(tǒng)與隨動控制系統(tǒng)不同之處就是它的給定輸入不是隨機不可知，而是按事先預(yù)定的規(guī)律變化。這類系統(tǒng)往往適用于特定的生產(chǎn)工藝或工業(yè)過程，按所需要的控制給定輸入，要求輸出按預(yù)定的規(guī)律變化。36

1.液位控制系統(tǒng)圖1.6（a）是一個液位控制系統(tǒng)原理圖。在這里，自動控制器通過比較實際液位與希望液位，并通過調(diào)整氣動閥門的開度，對誤差進行修正，從而保持液位不變。圖1.6（b）是該控制系統(tǒng)的方塊圖。1.6自動控制系統(tǒng)示例37圖1.6（a）液位控制系統(tǒng)38控制器：比較、放大的作用浮子：液面高度的反饋元件Q2為系統(tǒng)的干擾量氣動閥門：執(zhí)行機構(gòu)被控對象：水箱圖1.6（b）液位控制系統(tǒng)39希望液位實際液肌肉、手閥

門水

箱眼

睛（III）

相對應(yīng)的人工操縱系統(tǒng)方塊圖

腦402.液位控制系統(tǒng)控制閥減速器電動機電位器浮子用水開關(guān)Q2Q1cifSM41電動機速度控制系統(tǒng)+++++電壓放大u0nuaueut功率放大負(fù)載SMTG3.電動機速度閉環(huán)控制系統(tǒng)424.電動機速度復(fù)合控制系統(tǒng)+++++電壓放大+u0nuaueutR電壓放大功率放大負(fù)載SMTG431.7自動控制理論的發(fā)展簡史人類對控制系統(tǒng)的基本原理（反饋）早有認(rèn)識，并利用它創(chuàng)造許多裝置。如2000年前，羅馬人：水位控制系統(tǒng)（淋?。?，神廟（開關(guān)門）英雄裝置。中國能工巧匠（技師、工程師、科學(xué)家）：張衡的地震方向測定儀，蘇頌的水運儀象臺。1932年，Nyquist提出了一種根據(jù)系統(tǒng)的開環(huán)頻率響應(yīng)(對穩(wěn)態(tài)正弦輸入)，確定閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法。1868年，英國J.C麥克斯韋首先解釋了瓦特速度控制系統(tǒng)中出現(xiàn)的不穩(wěn)定問題。1892年李雅普諾夫用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)分析方法論述了穩(wěn)定性問題，至今仍然是分析穩(wěn)定性的重要方法。1787年，JamesWatt為控制蒸汽機速度設(shè)計的離心調(diào)節(jié)器，是自動控制領(lǐng)域的第一項重大成果。44從1980－現(xiàn)在，智能控制理論集中于3C控制系統(tǒng)及其相關(guān)課題。20世紀(jì)40年代，頻率響應(yīng)法為閉環(huán)控制系統(tǒng)提供了一種可行方法，Evans提出并完善了根軌跡法。1948年，美國數(shù)學(xué)家N.Wiener出版《Cybernetics》是一個控制科學(xué)里程碑?！犊刂普摗返母睒?biāo)題是關(guān)于人、動物及其通訊的科學(xué)。20世紀(jì)50年代末，控制系統(tǒng)設(shè)計問題的重點從設(shè)計許多可行系統(tǒng)中的一種系統(tǒng)，轉(zhuǎn)到設(shè)計在某種意義上的最佳系統(tǒng)。20世紀(jì)60年代，數(shù)字計算機的出現(xiàn)為復(fù)雜系統(tǒng)的基于時域分析的現(xiàn)代控制理論提供了可能。從1960－1980，確定性系統(tǒng)、隨機系統(tǒng)的最佳控制，及復(fù)雜系統(tǒng)的自適應(yīng)和學(xué)習(xí)控制，都得到充分的研究。45古典（經(jīng)典）控制理論（1787—1960）主要解決單輸入－單輸出定?？刂葡到y(tǒng)分析設(shè)計問題。主要采用傳遞函數(shù)、頻率特性、根軌跡為基礎(chǔ)的頻域分析方法。此階段所研究的系統(tǒng)大多是線性定常系統(tǒng)，對非線性系統(tǒng)，分析時采用的相平面法一般也不超過兩個變量，經(jīng)典控制理論能夠較好地解決生產(chǎn)過程中的單輸入單輸出問題。這一時期的主要代表人物有伯德和伊文思。伯德于1945年提出了簡便而實用的伯德圖法。1948年，伊文思提出了直觀而又形象的根軌跡法。46現(xiàn)代（近代）控制理論（1960——1980）經(jīng)典控制理論中的高階常微分方程可轉(zhuǎn)化為一階微分方程組，用以描述系統(tǒng)的動態(tài)過程，即所謂狀態(tài)空間法。這種方法可以解決多輸入多輸出問題，系統(tǒng)既可以是線性的、定常的，也可以是非線性的、時變的。系統(tǒng)具有高精度和高效能的特點。

這一時期的主要代表人物有龐特里亞金、貝爾曼（Bellman）及卡爾曼（R.E.Kalman，1930～）等人。龐特里亞金于1961年發(fā)表了極大值原理；貝爾曼在1957年提出了動態(tài)規(guī)化原則；1959年，卡爾曼和布西發(fā)表了關(guān)于線