自動控制原理(馮巧玲)第一章

高等數(shù)學(xué)積分變換自動控制理論現(xiàn)代控制理論其它專業(yè)課程

1、是一門專業(yè)基礎(chǔ)課

2、理論實踐相結(jié)合理論性非常強(qiáng),但又和實際應(yīng)用緊密結(jié)合

3、內(nèi)容廣泛自動控制理論課程特點當(dāng)前1頁，總共54頁。學(xué)習(xí)自動控制理論的重要性3、本課程能為解決實際控制問題提供理論和方法1、本課程是自動化專業(yè)承上啟下的課程2、自動控制技術(shù)是應(yīng)用非常廣泛的技術(shù)

電機(jī)控制、自動化生產(chǎn)線、火炮雷達(dá)控制、家用電器、機(jī)械、冶金、石油、化工、電力電子、航空、航海、航天、核反應(yīng)堆等。4、學(xué)分較多當(dāng)前2頁，總共54頁。本課程學(xué)習(xí)方法1、打好基礎(chǔ)高等數(shù)學(xué)（微積分）、積分變換（拉氏變換）2、做好預(yù)習(xí)3、聽好課講課的速度較快、了解課程內(nèi)容掌握基本理論和基本方法4、做好習(xí)題應(yīng)用學(xué)到的基本理論和基本方法解決實際問題當(dāng)前3頁，總共54頁。第一章自動控制概論1.1引言1.2自動控制系統(tǒng)組成和原理框圖1.3自動控制系統(tǒng)的分類1.4對控制系統(tǒng)的基本要求當(dāng)前4頁，總共54頁?！?.1引言當(dāng)前5頁，總共54頁。當(dāng)前6頁，總共54頁。當(dāng)前7頁，總共54頁。當(dāng)前8頁，總共54頁。當(dāng)前9頁，總共54頁。自動控制：1.1.1自動控制理論及應(yīng)用在無人直接參與的情況下，利用控制裝置，使工作機(jī)械、或生產(chǎn)過程（被控對象）的某一個物理量（被控量）按預(yù)定的規(guī)律（給定量）運(yùn)行。自動控制系統(tǒng)：

指能夠?qū)Ρ豢貙ο蟮墓ぷ鳡顟B(tài)自動控制的系統(tǒng),它

由被控對象和控制裝置組成1.1引言動畫1動畫2當(dāng)前10頁，總共54頁。房間交換設(shè)備壓縮機(jī)控制板傳感器控制對象執(zhí)行機(jī)構(gòu)測量元件控制單元一、舉例：家用空調(diào)控制器控制系統(tǒng)功能：房間溫度控制在人體比較舒適的范圍（對象、物理量、控制設(shè)備）系統(tǒng)組成：當(dāng)前11頁，總共54頁。溫度設(shè)定比較單元控制單元執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制對象測量元件控制器控制對象反饋比較控制指令家用空調(diào)系統(tǒng)框圖的簡化當(dāng)前12頁，總共54頁。1.1.2自動控制理論發(fā)展簡史當(dāng)前13頁，總共54頁。1.1.2自動控制理論發(fā)展簡史當(dāng)前14頁，總共54頁。當(dāng)前15頁，總共54頁。1.1.2自動控制理論發(fā)展簡史經(jīng)典控制理論(19世紀(jì)初)

時域法復(fù)域法(根軌跡法)

頻域法

現(xiàn)代控制理論(20世紀(jì)60年代)

線性系統(tǒng)自適應(yīng)控制最優(yōu)控制魯棒控制最佳估計容錯控制系統(tǒng)辨識集散控制大系統(tǒng)復(fù)雜系統(tǒng)

智能控制理論(20世紀(jì)70年代)專家系統(tǒng)模糊控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遺傳算法

當(dāng)前16頁，總共54頁。1.2.1控制系統(tǒng)的組成

被控對象

控制系統(tǒng)測量元件比較元件

控制裝置

放大元件執(zhí)行機(jī)構(gòu)

校正裝置

給定元件當(dāng)前17頁，總共54頁。1.2.2控制系統(tǒng)的原理框圖當(dāng)前18頁，總共54頁。當(dāng)前19頁，總共54頁。方框圖中各符號的意義元部件方框（塊）圖信號（物理量）及傳遞方向中的符號比較點引出點表示負(fù)反饋當(dāng)前20頁，總共54頁。當(dāng)前21頁，總共54頁。當(dāng)前22頁，總共54頁。分類運(yùn)動控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng)線性/非線性系統(tǒng)連續(xù)/離散性系統(tǒng)定常/時變性系統(tǒng)單輸入單輸出/多輸入多輸出系統(tǒng)集中參數(shù)/分布參數(shù)系統(tǒng)按被控對象分按使用的數(shù)學(xué)方法分按輸入信號特征分按系統(tǒng)功用分恒值系統(tǒng)隨動系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)按控制方式分按給定值操縱的開環(huán)控制按干擾補(bǔ)償?shù)拈_環(huán)控制按偏差調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制復(fù)合控制：閉環(huán)反饋為主，開環(huán)補(bǔ)償為輔溫度控制系統(tǒng)壓力控制系統(tǒng)位置控制系統(tǒng)1.3自動控制系統(tǒng)的分類當(dāng)前23頁，總共54頁。控制裝置與受控對象之間只有正向作用，沒有反向聯(lián)系；控制精度取決于元器件的精度和系統(tǒng)調(diào)整精度；沒有抑制內(nèi)、外干擾的能力；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低。1.3自動控制系統(tǒng)的分類

1.3.1按自動控制方式分類1.開環(huán)控制系統(tǒng)當(dāng)前24頁，總共54頁。1.3自動控制系統(tǒng)的分類1.3.1按自動控制方式分類1.開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)是指控制裝置與被控對象之間只有順向作用，而沒有反向聯(lián)系的控制過程。

圖1-1是典型的開環(huán)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)。數(shù)控機(jī)床是一種利用數(shù)控技術(shù)，準(zhǔn)確地按照事先安排的工藝流程，實現(xiàn)規(guī)定加工動作的金屬切削機(jī)床。系統(tǒng)由輸入量、控制裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、被控對象及輸出量組成。輸入量作用于系統(tǒng)的輸入端，它的作用是在數(shù)控機(jī)床加工工件時，把根據(jù)該工件的尺寸、形狀和技術(shù)條件編出的加工程序輸入計算機(jī)控制裝置。計算機(jī)控制裝置經(jīng)過運(yùn)算、處理后，發(fā)出指令脈沖(又稱進(jìn)給脈沖)，經(jīng)驅(qū)動電路放大后，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)為該系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)(又稱返回上頁下頁圖庫當(dāng)前25頁，總共54頁。

按自動控制方式分類伺服系統(tǒng)）。一個進(jìn)給脈沖使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動一個角度，通過齒輪絲杠傳動使工作臺移動一定距離。系統(tǒng)的被控對象是工作臺，被控量是工作臺位移。工作臺的位移量與步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)動角位移成正比，改變進(jìn)給脈沖的數(shù)目和頻率，就可以控制工作臺的位移和速度。此系統(tǒng)中沒有檢測裝置，指令信號單方向傳遞，并且指令發(fā)出后，不再反饋回來。如果系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化，或受到擾動的影響，系統(tǒng)的輸出量(即被控量)就會出現(xiàn)誤差，而開環(huán)系統(tǒng)對這種誤差是無能為力的。所以，開環(huán)控制精度不是很高。但它結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便、容易維修、成本較低，而且不會出現(xiàn)不穩(wěn)定問題。目前國內(nèi)大力發(fā)展的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，普遍采用開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。2.

閉環(huán)控制系統(tǒng)

開環(huán)控制系統(tǒng)的控制精度不高，主要是沒有檢測工作臺移動的實際位置，也就沒有糾正實際偏差的能力。圖1-2是閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖，安裝在工作臺上的檢測元件將工作臺實際位移量反饋到計算機(jī)中與所要求返回上頁下頁圖庫當(dāng)前26頁，總共54頁。按自動控制方式分類的位置指令進(jìn)行比較，用比較的差值送給控制電路進(jìn)行控制直到差值消除為止。從而使加工精度大大提高。速度檢測元件的作用是將伺服電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速變換成電信號送到速度控制電路中，進(jìn)行反饋校正，以保證電機(jī)轉(zhuǎn)速保持恒定不變。常用速度檢測元件是與電機(jī)同軸的測速發(fā)電機(jī)。閉環(huán)控制的特點是加工精度高，移動速度快。這類數(shù)控機(jī)床采用直流伺服電機(jī)或交流伺服電機(jī)作為驅(qū)動元件，電機(jī)的控制電路比較復(fù)雜，檢測元件價格昂貴，因此調(diào)試和維修比較復(fù)雜?？傊?，閉環(huán)控制是在控制器與被控對象之間，不僅存在著正向作用，而且存在著反饋作用，即系統(tǒng)的輸出信號對控制量有直接的影響。將檢測出來的輸出信號送回系統(tǒng)的輸入端，并與輸入信號比較的過程稱為反饋。若反饋信號與輸入信號相減則稱為負(fù)反饋，若相加，則稱為正反饋。輸入信號與反饋信號之差，稱為偏差信號。偏差信號作用于控制器上，使系統(tǒng)的輸出信號趨向于希望的數(shù)值。閉環(huán)控制的實質(zhì)，就是利用負(fù)反饋的作用來減小系統(tǒng)誤差，因此閉環(huán)控制又稱為反饋控制。返回上頁下頁圖庫當(dāng)前27頁，總共54頁。閉環(huán)控制系統(tǒng)負(fù)反饋原理__將系統(tǒng)的輸出信號引回輸入端，與輸入信號比較，利用所得的偏差信號進(jìn)行控制，達(dá)到減小偏差、消除偏差的目的。

____構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)的核心

閉環(huán)(反饋)控制系統(tǒng)的特點：

(1)系統(tǒng)內(nèi)部存在反饋，信號流動構(gòu)成閉回路(2)偏差起調(diào)節(jié)作用

當(dāng)前28頁，總共54頁。例1爐溫控制系統(tǒng)當(dāng)前29頁，總共54頁。爐溫控制系統(tǒng)方框圖爐溫控制系統(tǒng)方框圖當(dāng)前30頁，總共54頁。(-)utug擾動

給定裝置

放大器

電動機(jī)

轉(zhuǎn)速反饋裝置

觸發(fā)器

晶闡管可控整流器控制裝置受控對象n(b)方框圖ueudoRP1ugR0R0R1-utRP2-+-++TGMudouc(a)原理圖+電動機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)當(dāng)前31頁，總共54頁。例函數(shù)記錄儀當(dāng)前32頁，總共54頁。函數(shù)記錄儀方框圖

動畫當(dāng)前33頁，總共54頁。閉控制系統(tǒng)的特點既有正向作用，又有反饋作用控制精度與元件精度、控制方法、調(diào)整精度有關(guān)，控制精度較高；有抑制干擾的能力；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本相對較高。當(dāng)前34頁，總共54頁。負(fù)反饋原理

將系統(tǒng)的輸出信號引回輸入端，與輸入信號相比較，利用所得的偏差信號進(jìn)行控制，達(dá)到減小偏差、消除偏差的目的。____構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)的核心

閉環(huán)(反饋)控制系統(tǒng)的特點：(1)系統(tǒng)內(nèi)部存在反饋，信號流動構(gòu)成閉回路(2)偏差起調(diào)節(jié)作用當(dāng)前35頁，總共54頁。按自動控制方式分類3.

復(fù)合式控制系統(tǒng)

當(dāng)生產(chǎn)機(jī)構(gòu)對自動控制系統(tǒng)提出很高的要求時，單獨采用開環(huán)控制或者閉環(huán)控制都是有困難的。這時，可以設(shè)計一種開環(huán)控制和閉環(huán)控制相結(jié)合的復(fù)合控制系統(tǒng)，如圖1-3所示。圖中圓圈代表比較器；負(fù)號代表負(fù)反饋。在這種系統(tǒng)中，帶有負(fù)反饋的閉環(huán)起主要調(diào)節(jié)作用。開環(huán)系統(tǒng)可以按輸入量進(jìn)行控制或按擾動量進(jìn)行控制（當(dāng)擾動量可測量時）。圖1-3復(fù)合式控制典型方框圖開環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)返回上頁下頁圖庫爐溫開環(huán)控制當(dāng)前36頁，總共54頁。復(fù)合控制系統(tǒng)對系統(tǒng)提出較高要求時使用開環(huán)控制和閉環(huán)控制的組合有兩種形式(1)按輸入作用補(bǔ)償(2)按擾動作用補(bǔ)償

當(dāng)前37頁，總共54頁。udoMRiugutTG(a)原理圖

負(fù)載放大器

放大器+n擾動(ML)uiugut(-)(b)方塊圖

擾動檢測裝置

晶闡管可控整流器

轉(zhuǎn)速反饋裝置

電動機(jī)

放大器

放大器

觸發(fā)器電動機(jī)轉(zhuǎn)速復(fù)合控制系統(tǒng)按干擾作用補(bǔ)償當(dāng)前38頁，總共54頁。按偏差作用補(bǔ)償熱處理爐溫度控制系統(tǒng)ugTiΔu(-)ufQTo

給定裝置

放大器

電動機(jī)、傳動裝置和閥門

熱處理爐

放大器熱電偶(b)方框圖(a)原理圖MΔuufug

給定電位計+-

電動機(jī)煤氣空氣閥門熱處理爐工件熱電偶放大器混合器放大器uaQTo當(dāng)前39頁，總共54頁。復(fù)合控制系統(tǒng)典型方框圖控制裝置被控對象測量裝置補(bǔ)償裝置(-)輸入信號輸出信號擾動(b)按擾動作用補(bǔ)償被控量輸入信號(-)補(bǔ)償裝置控制裝置受控對象(a)按輸入作用補(bǔ)償當(dāng)前40頁，總共54頁。1.3.2按輸入信號特征分類1.恒值控制系統(tǒng)

當(dāng)控制系統(tǒng)的任務(wù)是當(dāng)輸入量為給定量時，能克服擾動量對系統(tǒng)的影響，使輸出量為對應(yīng)于輸入量的恒定值，把這種控制系統(tǒng)稱為恒值控制系統(tǒng)。如圖1-4所示為電動機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制系統(tǒng)，當(dāng)給定電位器滑動端位置一定時，電動機(jī)和生產(chǎn)機(jī)構(gòu)就獲得了相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。這時，如果系統(tǒng)產(chǎn)生擾動，如負(fù)載增大，電動機(jī)轉(zhuǎn)速就會降低，與電動機(jī)同軸的測速發(fā)電機(jī)的輸出電壓跟著降低。由于放大器的輸入電壓等于給定電壓與發(fā)電機(jī)反饋電壓之差，所以放大器的輸入電壓和輸出電壓都會升高，使電動機(jī)轉(zhuǎn)速升高，回到希望值附近。反之，若負(fù)載變小，電動機(jī)轉(zhuǎn)速升高，測速發(fā)電機(jī)電壓變大，放大器輸入電壓變小，使電動機(jī)轉(zhuǎn)速降低。除了負(fù)載擾動外，從輸入到輸出的通道內(nèi)，不管是元件參數(shù)變化，還是電壓波動等任何原因引起的轉(zhuǎn)速偏離期望值，控制系統(tǒng)都能自動修正偏差。返回上頁下頁圖庫當(dāng)前41頁，總共54頁。

電動機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的方框圖，如圖1-5所示：

2.隨動系統(tǒng)

如果輸入信號為預(yù)先未知的隨時間任意變化的函數(shù)，要求輸出量精確地、快速地跟隨輸入信號，則這類系統(tǒng)稱為隨動系統(tǒng)。隨動系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)和國防建設(shè)中有著極為廣泛的應(yīng)用，如火炮控制系統(tǒng)、雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)、函數(shù)記錄儀、艦船操舵系統(tǒng)等都是典型的隨動系統(tǒng)。

圖1-6為火炮控制系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中，當(dāng)輸入一個角度時，如果輸出角度與輸入角度不同，則同位儀檢測裝置輸出一個偏差信號到控制與放大器的輸入端，其輸出端輸出一個相應(yīng)的電壓，致使直流電動機(jī)帶動炮架轉(zhuǎn)動。與此同時，又把炮架的位置反饋到同位儀檢測裝置，直至輸出角度與輸入角度相等，放大器的輸入、輸出為零，電動機(jī)停止旋轉(zhuǎn)，炮架也就被控制轉(zhuǎn)動到了給定的角度?；鹋诟櫹到y(tǒng)框圖，如圖1-7所示。返回上頁下頁圖庫當(dāng)前42頁，總共54頁。

3.程序控制系統(tǒng)如果系統(tǒng)的輸入量按既定規(guī)律變化，系統(tǒng)的控制過程按預(yù)定的程序進(jìn)行，則這類系統(tǒng)稱為程序控制系統(tǒng)。如前面講到的數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)，輸入命令是根據(jù)加工工藝事先編制好的。

恒值控制系統(tǒng)隨動系統(tǒng)返回上頁下頁圖庫當(dāng)前43頁，總共54頁。1.3.3按使用的數(shù)學(xué)方法分類連續(xù)系統(tǒng)/離散系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)系統(tǒng)傳遞的信號為時間的連續(xù)函數(shù)，用微分方程描述。離散系統(tǒng)

信號傳遞中至少有一處信號是脈沖序列或數(shù)字編碼。用差分方程描述。當(dāng)前44頁，總共54頁。線性系統(tǒng)/非線性系統(tǒng)

線性系統(tǒng)用線性微分方程或差分方程描述，滿足疊加原理。疊加原理包括疊加性和齊次性。非線性系統(tǒng)用非線性微分方程或差分方程描述。特點是，方程中含有變量及其導(dǎo)數(shù)的高次冪或乘積項，不滿足疊加原理。（第七章介紹）例如當(dāng)前45頁，總共54頁。定常系統(tǒng)/時變系統(tǒng)

定常系統(tǒng)：

描述系統(tǒng)的數(shù)學(xué)方程中的系數(shù)為常數(shù)；定常系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)不隨時間變化。

時變系統(tǒng):

描述系統(tǒng)的數(shù)學(xué)方程中的系數(shù)隨時間變化。當(dāng)前46頁，總共54頁。單輸入單輸出系統(tǒng)

輸入輸出信號變量僅有一個。多輸入多輸出系統(tǒng)

輸入輸出信號變量多于一個。集中參數(shù)/和分布參數(shù)集中參數(shù)系統(tǒng)能用常微分方程描述的系統(tǒng)。分布參數(shù)系統(tǒng)至少有一個環(huán)節(jié)需要用偏微分方程描述的系統(tǒng)。單輸入單輸出/多輸入多輸出系統(tǒng)

當(dāng)前47頁，總共54頁。1.4對自動控制系統(tǒng)的基本要求1.穩(wěn)：（基本要求）

要求系統(tǒng)穩(wěn)定

2.準(zhǔn)：（穩(wěn)態(tài)要求）

系統(tǒng)響應(yīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，輸出跟蹤精度要高3.快：（動態(tài)要求）

系統(tǒng)階躍響應(yīng)的過渡過程要平穩(wěn)，

快速當(dāng)前