第一章自動控制系統(tǒng)的基本概念

第一章自動控制系統(tǒng)的基本概念第一頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期四內容提要：自動控制系統(tǒng)的基本概念(2)線性系統(tǒng)的數(shù)學模型(8)控制系統(tǒng)的時域分析法(8+2)控制系統(tǒng)的根軌跡分析法(8+2)控制系統(tǒng)的頻率特性分析法(8+2)線性離散控制系統(tǒng)的分析(6)第二頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期四

第一章自動控制系統(tǒng)的基本概念

概述自動控制的基本方式閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成自動控制系統(tǒng)的分類對控制系統(tǒng)的基本要求本章小結本章主要內容：第三頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期四概述：自動控制技術在工業(yè)、農業(yè)、國防和科學技術現(xiàn)代化中起著十分重要的作用，它反映了一個國家科學技術先進與否的重要標志之一。自動控制原理是自動控制技術的基礎理論，是研究自動控制共同規(guī)律的理論性較強的一門技術科學。自動控制裝置可追溯到公元三世紀，古希臘特西比奧斯（Ktesibios)發(fā)明的滴水時鐘。1770年瓦特（Watt)發(fā)明的蒸汽發(fā)動機離心式調速機構，也是一個反饋系統(tǒng)。但是控制理論的產生和發(fā)展還是在近代。1868年麥克斯韋威爾(Maxwell)才發(fā)表了“論調節(jié)器”一文，之后霍爾維茨、勞斯等提出了幾個重要的穩(wěn)定性判據第四頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期四1934年赫茨（Hazen)發(fā)表了具有歷史意義的著作《伺服機構理論》，第一次提出了控制系統(tǒng)的精確理論。其后，Nyquist、Bode等也作出了重要貢獻，從而形成了經典控制理論，即第一代控制理論。它主要以傳遞函數(shù)為基礎，研究單輸入、單輸出線性定常系統(tǒng)的控制問題。為了突破經典控制理論的局限性，從60年代開始，提出了現(xiàn)代控制理論。它以狀態(tài)方程為基礎，研究多輸入、多輸出、變參數(shù)系統(tǒng)的控制問題。本課程主要介紹經典控制理論的基本概念、基本原理、基本方法等。第五頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期四第六頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期四第七頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期四1、控制系統(tǒng)的工作原理：自動控制是相對于人工控制而言的。讓我們以人工控制系統(tǒng)為例，分析人工控制系統(tǒng)工作過程。人工控制無論是在速度還是在精度上都是有限的，為了提高精度，減輕工人的勞動強度，可以采用自動控制系統(tǒng)。第一節(jié)自動控制的基本方式第八頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期四（1）用眼觀察溫度計的指示值；人工控制過程：（2）將觀察值與要求值進行比較，得出偏差的大小和方向，并傳遞給大腦；（3）大腦根據偏差的大小和方向，依據經驗決定開關閥門開度的大小和方向，并指令手去執(zhí)行；（4）手根據大腦的指令去執(zhí)行控制閥門的動作。第九頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期四自動控制過程：（1）由測溫度元件熱電阻測的出口物料的溫度，并轉換成電信號，再由溫度變送器將電信號轉換成標準信號；（2）將變送器得出的信號與要求值進行比較，得出偏差的大小和方向；（3）根據偏差的大小和方向，按照一定的控制規(guī)律輸送出一個對應的信號去控制閥的動作；（4）控制閥接受信號，改變控制閥的開度大小，從而改變了進入換熱器的蒸汽量，達到調整溫度的目的第十頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期四系統(tǒng)的輸入量——被控對象——

被控量（輸出量）——自動控制系統(tǒng)——被控制的設備或工作機械被控制對象內要求實現(xiàn)自動控制的物理量控制器與被控對象的總稱在控制系統(tǒng)中影響系統(tǒng)輸出量的外界輸入量給定輸入量擾動輸入量2、控制系統(tǒng)的基本概念：在沒有人的直接參與下，利用控制裝置使設備、生產過程的某些物理量、工作狀態(tài)自動地按照預定的規(guī)律運行、變化。自動控制——第十一頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期四指出下列系統(tǒng)的被控量、輸入量QiQOH系統(tǒng)HHiQi3、基本方式：10開環(huán)、閉環(huán)、復雜系統(tǒng)第十二頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期四特點：輸入輸出之間無反饋回路；當外部出現(xiàn)擾動作用時，在沒有人干預下無法復位，即得不到希望的值。結構簡單、成本低廉、調試容易、控制精度差、抗干擾能力不強，只適用于性能要求不高的控制系統(tǒng)。控制器被控對象擾動輸入量輸入量輸量開環(huán)控制系統(tǒng)結構圖開環(huán)控制是指系統(tǒng)輸出端與輸入端之間不存在反饋回路，系統(tǒng)的輸出量不對系統(tǒng)的控制量產生任何作用的控制過程。開環(huán)控制：第十三頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期四閉環(huán)控制：閉環(huán)控制是指系統(tǒng)輸出端與輸入端之間存在反饋回路，系統(tǒng)的輸出量直接或間接參與了對系統(tǒng)的控制作用。

特點：結構復雜、成本相對較高，調試較困難，但具有自動修正系統(tǒng)輸出量偏差的能力，克服系統(tǒng)內部元件參數(shù)變化或外界擾動所引起的誤差，控制精度較高，被廣泛應用?？刂破鞅豢貙ο髷_動輸入量輸入量輸量檢測裝置誤差-閉環(huán)控制系統(tǒng)結構圖第十四頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期四

復雜控制：復雜控制是開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)相結合的一種控制方式?？刂破鞅豢貙ο笱a償裝置輸入信號輸出信號擾動輸入-復雜控制系統(tǒng)結構圖特點：結構復雜、控制精度高，用于要求更高的任務。第十五頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期四4、控制系統(tǒng)的方框圖表示法：控制原理圖（系統(tǒng)流程圖）——表示控制系統(tǒng)的工作原理圖系統(tǒng)方框圖——利用方框的形式定量地描述各信號之間的數(shù)學關系。被控變量C（S）給定信號R（S）+控制器Gc（s）執(zhí)行器Gy（s）換熱器Gp（s）測量變送Gp（s）偏差E（S）-B（S）測量值擾動量N（S）操縱變量系統(tǒng)方框圖第十六頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期四

第二節(jié)閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成控制系統(tǒng)一般由以下基本組成：（1）被控對象（2）測量裝置（3）給定環(huán)節(jié)（4）比較環(huán)節(jié)（5）放大環(huán)節(jié)（6）執(zhí)行機構（7）校正裝置指要進行控制的設備或對象對系統(tǒng)輸出量進行測量的裝置產生系統(tǒng)給定輸入信號（控制要求）對系統(tǒng)輸出量與輸入量進行比較，產生偏差信號對偏差信號進行放大，并進行能量形式的轉換對被控對象進行控制的裝置或元件用于改善系統(tǒng)的性能第十七頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期四第三節(jié)自動控制系統(tǒng)的分類按數(shù)學模型分類按輸入信號特征分類線性與非線性連續(xù)與離散系統(tǒng)線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)（在一定條件下可以轉化為線性系統(tǒng)）定?！飼r變連續(xù)系統(tǒng)f（t）離散系統(tǒng)是脈沖信號恒值系統(tǒng)給定輸入為恒定值隨動系統(tǒng)給定輸入是未知的時間函數(shù)程序控制系統(tǒng)給定輸入是按照已知的時間函數(shù)變化的系統(tǒng)第十八頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期四第四節(jié)控制系統(tǒng)的基本要求穩(wěn)、準、快穩(wěn)——穩(wěn)定在預定的平衡位置準——準確誤差小快——動態(tài)響應要快本章作業(yè)：習題1-1、1-3、1-5另外補充習題如下第十九頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期四補1、試說明開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)系統(tǒng)各自的優(yōu)缺點？補2、試說明下列控制系統(tǒng)過程，畫出控制系統(tǒng)的方框圖，并指出被控變量、操縱變量、擾動變量。LCLTL給定值物料B物料A出口混合槽液位控制系統(tǒng)TTTC冷卻水熱物料給定值出口冷卻器溫度控制系統(tǒng)第二十頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期四本章小結：了解開環(huán)、閉環(huán)、方框圖、被控變量、擾動量等基本概念建立初步的自動控制系統(tǒng)的概念習題解：習題1-1、qv2qv1水槽浮子-H1H2第二十一頁，共二十三頁，編輯于2023年，星