自動(dòng)控制原理

關(guān)于自動(dòng)控制原理第1頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

課程的性質(zhì)和特點(diǎn)

自動(dòng)控制是一門技術(shù)學(xué)科，從方法論的角度來研究系統(tǒng)的建立、分析與設(shè)計(jì)。

《自動(dòng)控制原理》是本學(xué)科的專業(yè)基礎(chǔ)課，是自動(dòng)控制理論的基礎(chǔ)課程，該課程與其它課程的關(guān)系如下。微積分（含微分方程）電機(jī)與拖動(dòng)模擬電子技術(shù)線性代數(shù)電路理論信號(hào)與系統(tǒng)自動(dòng)控制理論復(fù)變函數(shù)、拉普拉斯變換大學(xué)物理（力學(xué)、熱力學(xué)）第2頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月1-1自動(dòng)控制的基本原理與方式1-2

自動(dòng)控制系統(tǒng)示例1-3

自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類1-4

對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求第一章自動(dòng)控制的一般概念第3頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第一章自動(dòng)控制的一般概念第一節(jié)自動(dòng)控制的基本原理與方式一、自動(dòng)控制技術(shù)與應(yīng)用第4頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月1969年7月20日，“阿波羅11號(hào)”飛船首次登陸月球時(shí)的珍貴圖片

第一節(jié)自動(dòng)控制的基本原理與方式第5頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月2008年9月25日至28日,中國(guó)成功實(shí)施了神舟七號(hào)載人航天飛行（新化社報(bào)道）

第一節(jié)自動(dòng)控制的基本原理與方式第6頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月圖一列CRH3“和諧號(hào)”動(dòng)車組?？吭诟臄U(kuò)建的新北京南站站臺(tái)（中國(guó)政府網(wǎng)陳濤攝）第一節(jié)自動(dòng)控制的基本原理與方式第7頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月圖RH煉鋼設(shè)備第一節(jié)自動(dòng)控制的基本原理與方式第8頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月蘇格蘭科學(xué)家展示新近研制成功的高仿真仿生學(xué)假肢。

第一節(jié)自動(dòng)控制的基本原理與方式第9頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1-71989年，人工智能模糊控制全自動(dòng)洗衣機(jī)在三洋研制成功（引自人民網(wǎng)）第一節(jié)自動(dòng)控制的基本原理與方式第10頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月自動(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：

在無人直接參與下，利用控制裝置（或控制器）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。

第一節(jié)自動(dòng)控制的基本原理與方式第11頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月控制量:閥門開度（蒸汽流量）例水溫人工控制系統(tǒng)受控對(duì)象:水箱系統(tǒng)的構(gòu)成：被控制量:水溫

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)控制的基本原理與方式第12頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月例水溫自動(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.控制器第一節(jié)自動(dòng)控制的基本原理與方式第13頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)自動(dòng)控制的基本原理與方式二、反饋控制原理

反饋控制是這樣的一種控制過程，它能構(gòu)在存在擾動(dòng)的情況下，力圖減小系統(tǒng)的輸出量與參考輸入量（也稱參據(jù)量）之間的偏差，而其工作正是基于這一偏差基礎(chǔ)之上的，這就是反饋控制的原理。如人取桌上書的過程（見下圖）：第14頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)自動(dòng)控制的基本原理與方式系統(tǒng)方框圖符號(hào)組成：“”下圖為反饋控制原理方框圖第15頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)自動(dòng)控制的基本原理與方式龍門刨床速度控制系統(tǒng)原理圖

在工業(yè)控制中，龍門刨床速度控制系統(tǒng)就是按照反饋控制原理進(jìn)行工作的。當(dāng)負(fù)載波動(dòng)時(shí)，必然會(huì)引起速度變化，由于龍門刨床不允許速度變化過大，因此必須對(duì)速度進(jìn)行控制。第16頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

下圖示為龍門刨床速度控制系統(tǒng)。當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，如和控制速度。例如：第一節(jié)自動(dòng)控制的基本原理與方式第17頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)自動(dòng)控制的基本原理與方式下圖為龍門刨床速度控制系統(tǒng)的方框圖第18頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)自動(dòng)控制的基本原理與方式三、反饋控制系統(tǒng)的基本組成典型的反饋控制系統(tǒng)基本組成框圖：

信號(hào)從輸入端到達(dá)輸出端的傳輸通路稱為前向通路；系統(tǒng)輸出量經(jīng)測(cè)量元件反饋到輸入端的傳輸通路稱為主反饋通路。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。只包含一個(gè)主反饋通路的系統(tǒng)稱為單回路系統(tǒng)，有兩個(gè)或兩個(gè)以上反饋通路的系統(tǒng)稱為多回路系統(tǒng)。第19頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)自動(dòng)控制的基本原理與方式四、自動(dòng)控制系統(tǒng)基本控制方式1、反饋控制方式特點(diǎn)：通過計(jì)算被控量和給定值的差值來控制被控對(duì)象。優(yōu)點(diǎn)：可以自動(dòng)調(diào)節(jié)由于干擾和內(nèi)部參數(shù)的變化而引起的變動(dòng)。計(jì)算比較給定值E執(zhí)行被控對(duì)象干擾被控量測(cè)量－按偏差調(diào)節(jié)的系統(tǒng)原理方框圖第20頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)自動(dòng)控制的基本原理與方式如上圖所示，反饋回來的信號(hào)與給定值相減，即根據(jù)偏差進(jìn)行控制，稱為負(fù)反饋，反之稱為正反饋。這種控制方式控制精度較高，因?yàn)闊o論是干擾的作用，還是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化，只要被控量偏離給定值，系統(tǒng)就會(huì)自行糾偏。但是閉環(huán)控制系統(tǒng)的參數(shù)如果匹配得不好，會(huì)造成被控量的較大擺動(dòng)，甚至系統(tǒng)無法正常工作。第21頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)自動(dòng)控制的基本原理與方式

飛機(jī)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)原理圖第22頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月控制任務(wù)：系統(tǒng)在任何擾動(dòng)作用下，保持飛機(jī)俯仰角不變。被控對(duì)象：飛機(jī)。被控量：飛機(jī)的俯仰角。

俯仰角控制系統(tǒng)原理方框圖第一節(jié)自動(dòng)控制的基本原理與方式第23頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)自動(dòng)控制的基本原理與方式2、開環(huán)控制方式計(jì)算執(zhí)行受控對(duì)象給定值干擾被控量按給定值操縱的開環(huán)控制系統(tǒng)原理方框圖開環(huán)控制——系統(tǒng)的輸出端與輸入端之間不存在反饋回路，輸出量對(duì)系統(tǒng)的控制作用沒有影響。第24頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)自動(dòng)控制的基本原理與方式爐溫控制系統(tǒng)爐溫控制系統(tǒng)原理方框圖定時(shí)開關(guān)爐子電阻絲第25頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)自動(dòng)控制的基本原理與方式特點(diǎn)：控制裝置只按給定值來控制受控對(duì)象優(yōu)點(diǎn)：控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，相對(duì)來說成本低。缺點(diǎn)：對(duì)可能出現(xiàn)的被控量偏離給定值的偏差沒有任何修正能力，抗干擾能力差，控制精度不高。第26頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)自動(dòng)控制的基本原理與方式定義：利用干擾信號(hào)產(chǎn)生控制作用，以及時(shí)補(bǔ)償干擾對(duì)被控量的直接影響。計(jì)算測(cè)量受控對(duì)象執(zhí)行干擾被控量特點(diǎn)：只能對(duì)可測(cè)干擾進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)不可測(cè)干擾以及受控對(duì)象、各功能部件內(nèi)部參數(shù)變化對(duì)被控量的影響，系統(tǒng)自身無法控制。適用于：存在強(qiáng)干擾且變化比較劇烈的場(chǎng)合。第27頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月水位高度控制系統(tǒng)原理圖水位高度控制系統(tǒng)原理方框圖第一節(jié)自動(dòng)控制的基本原理與方式第28頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月3、復(fù)合控制方式

復(fù)合控制就是開環(huán)控制和閉環(huán)控制相結(jié)合的一種控制。實(shí)質(zhì)上，它是在閉環(huán)控制回路的基礎(chǔ)上，附加了一個(gè)輸入信號(hào)或擾動(dòng)作用的順饋通路，來提高系統(tǒng)的控制精度。

復(fù)合控制系統(tǒng)n控制裝置被控對(duì)象CR—補(bǔ)償裝置第一節(jié)自動(dòng)控制的基本原理與方式第29頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第一章自動(dòng)控制的一般概念

第三節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類一、按變量的數(shù)學(xué)關(guān)系來分

自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類方法較多，常見的有以下幾種

二、按控制系統(tǒng)的輸入作用來分第30頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

第三節(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)

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)。線性系統(tǒng)：非線性系統(tǒng)：第31頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

第三節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類二、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32頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

第三節(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33頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

第三節(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)(按控制系統(tǒng)的輸入作用來分）

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)：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。第34頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

第三節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類程序控制系統(tǒng)

系統(tǒng)的參據(jù)量時(shí)按預(yù)定規(guī)律隨時(shí)間變化的函數(shù)，要求被控量迅速、準(zhǔn)確地加以復(fù)現(xiàn)。程序控制系統(tǒng)和隨動(dòng)系統(tǒng)的參據(jù)量都是時(shí)間函數(shù)，不過前者是已知的時(shí)間函數(shù)，后者是未知的任意時(shí)間函數(shù)，而恒值控制系統(tǒng)也可視為程序控制系統(tǒng)的特例。第35頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求

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。第一章自動(dòng)控制的一般概念工程上常從穩(wěn)、快、準(zhǔn)三個(gè)方面來評(píng)價(jià)控制系統(tǒng)。穩(wěn)：指動(dòng)態(tài)過程的平穩(wěn)性?？欤褐竸?dòng)態(tài)過程的快速性。準(zhǔn)：指動(dòng)態(tài)過程的最終精度。第36頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

第四節(jié)對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求穩(wěn)：指動(dòng)態(tài)過程的平穩(wěn)性控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程曲線如上圖所示，系統(tǒng)在外力作用下，輸出逐漸與期望值一致，則系