自動(dòng)控制概論課件

為什么選這門(mén)課？你怎么理解“自動(dòng)控制〞？生活中有哪些用到了自動(dòng)控制原理的系統(tǒng)？2023/7/212023/7/21本章主要內(nèi)容控制理論的開(kāi)展歷程自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)的根本概念根本控制方式控制系統(tǒng)的類(lèi)型對(duì)控制系統(tǒng)的根本要求第1章自動(dòng)控制概論2023/7/21控制理論的開(kāi)展歷程經(jīng)典控制理論階段自動(dòng)控制領(lǐng)域的第一項(xiàng)重大成果18世紀(jì)詹姆斯·瓦特為控制蒸汽機(jī)速度而設(shè)計(jì)的離心調(diào)節(jié)器。經(jīng)典控制理論的輝煌總結(jié)維納于1948年出版了專著?控制論?“工程控制論〞誕生1954年錢(qián)學(xué)森出版專著?工程控制論?系統(tǒng)地揭示了控制論對(duì)自動(dòng)化、航空、航天、電子通信等工程技術(shù)領(lǐng)域的意義和深遠(yuǎn)影響標(biāo)志著控制論學(xué)科分化而產(chǎn)生的第一個(gè)分支學(xué)科“工程控制論〞的誕生。頻率響應(yīng)法和根軌跡法是經(jīng)典控制理論的核心2023/7/21現(xiàn)代控制理論階段1960年開(kāi)始，在“經(jīng)典控制理論〞的根底上形成“現(xiàn)代控制理論〞數(shù)字計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)以及工業(yè)、軍事特別是空間技術(shù)的需求推動(dòng)以時(shí)域方法為主的諸多分析設(shè)計(jì)方法迅猛開(kāi)展人類(lèi)在自動(dòng)控制技術(shù)認(rèn)識(shí)上的一次飛躍。狀態(tài)空間方法時(shí)域方法，其核心是最優(yōu)化技術(shù)以狀態(tài)空間描述〔實(shí)質(zhì)上是一階微分或差分方程組〕作為數(shù)學(xué)模型利用計(jì)算機(jī)作為系統(tǒng)建模分析、設(shè)計(jì)乃至控制的手段，適應(yīng)于多變量、非線性、時(shí)變系統(tǒng)在航天、航空、制導(dǎo)與軍事武器控制中有成功的應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制中也得到逐步應(yīng)用。2023/7/21智能控制理論階段智能控制理論傳統(tǒng)控制理論與模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等人工智能技術(shù)相結(jié)合利用人類(lèi)的控制知識(shí)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行控制是人工智能在控制上的應(yīng)用智能控制體系形成的歷史不長(zhǎng)，理論還未完全成熟已有的應(yīng)用成果和理論開(kāi)展說(shuō)明了智能控制正成為自動(dòng)控制的前沿學(xué)科之一2023/7/211.1自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制在沒(méi)有人直接參與的情況下，通過(guò)控制器使被控對(duì)象或過(guò)程自動(dòng)的按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。自動(dòng)控制系統(tǒng)是指能夠?qū)Ρ豢貙?duì)象的工作狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)控制的系統(tǒng)，它由被控對(duì)象和控制裝置組成。舉例2023/7/21自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成反響控制系統(tǒng)根本組成擾動(dòng)測(cè)量變送給定環(huán)節(jié)比較環(huán)節(jié)放大變換執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象串聯(lián)校正反饋校正反饋信號(hào)參考輸入偏差控制量被控量輸出-+-給出與期望的輸出相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)輸入量，是一類(lèi)產(chǎn)生系統(tǒng)控制指令的裝置〔或軟件界面〕為改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能特性而附加的裝置，其參數(shù)可靈活調(diào)整。工程上稱為調(diào)節(jié)器或控制器。將比較微弱的偏差信號(hào)加以放大，以足夠的功率來(lái)推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)或被控對(duì)象其職能是直接推動(dòng)被控對(duì)象，使其被控量發(fā)生變化。常見(jiàn)的執(zhí)行元件有閥門(mén)，伺服電動(dòng)機(jī)等用來(lái)檢測(cè)被控量的實(shí)際值。測(cè)量變送環(huán)節(jié)一般也稱為反響環(huán)節(jié)。通常是一個(gè)設(shè)備、物體或過(guò)程〔一般稱任何被控制的運(yùn)行狀態(tài)為過(guò)程〕，其作用是完成一種特定的操作。它是控制系統(tǒng)所控制和操縱的對(duì)象，它接受控制量并輸出被控量。其作用是把測(cè)量元件檢測(cè)到的實(shí)際輸出值與給定環(huán)節(jié)給出的輸入值進(jìn)行比較，求出它們之間的偏差。常用的電量比較元件有差動(dòng)放大器、電橋電路等。2023/7/21被控量：系統(tǒng)的輸出，是一種被測(cè)量和被控制的量值或狀態(tài)控制量：也稱操縱量，是一種由控制器改變的量值或狀態(tài)影響被控量〔通常為系統(tǒng)的輸出量〕的值對(duì)系統(tǒng)的被控量的值進(jìn)行測(cè)量，并且使控制量作用于系統(tǒng)，以修正或限制測(cè)量值對(duì)期望值的偏離參考輸入：人為給定，使系統(tǒng)具有預(yù)定性能或預(yù)定輸出的激發(fā)信號(hào)它代表輸出的希望值又稱為給定輸入、給定值、期望輸出等反響：將系統(tǒng)〔或環(huán)節(jié)〕的輸出量經(jīng)變換、處理送到系統(tǒng)〔或環(huán)節(jié)〕的輸入端。名詞術(shù)語(yǔ)2023/7/21偏差：給定輸入量與主反響量之差誤差：是指系統(tǒng)輸出量的實(shí)際值與希望值之差系統(tǒng)希望值是理想化系統(tǒng)的輸出，實(shí)際很難到達(dá)，因此用與控制輸入量有一定比例關(guān)系的信號(hào)來(lái)表示在單位反響情況下，希望值就是系統(tǒng)的輸入量，誤差量就等于偏差量擾動(dòng)：是一種對(duì)系統(tǒng)的輸出量產(chǎn)生不利影響的信號(hào)擾動(dòng)產(chǎn)生在系統(tǒng)的內(nèi)部，稱為內(nèi)部擾動(dòng)擾動(dòng)產(chǎn)生在系統(tǒng)的外部，那么稱之為外部擾動(dòng)。外部擾動(dòng)也是系統(tǒng)的輸入量控制量與擾動(dòng)：通過(guò)調(diào)整控制量使得被控制量按照希望的規(guī)律變化擾動(dòng)能影響被控制量變化，但是不被控制名詞術(shù)語(yǔ)2023/7/21自動(dòng)控制系統(tǒng)舉例自動(dòng)控制系統(tǒng)舉例2023/7/211.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的根本方式開(kāi)環(huán)控制

系統(tǒng)的被控量對(duì)控制作用沒(méi)有影響。特點(diǎn)：沒(méi)有抗干擾能力，因此系統(tǒng)的元部件的質(zhì)量要求很高。主要用于：自動(dòng)售貨機(jī)、自動(dòng)洗衣機(jī)、產(chǎn)品生產(chǎn)自動(dòng)線及自動(dòng)車(chē)床等?？刂蒲b置被控對(duì)象輸入量輸出量擾動(dòng)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)原理框圖2023/7/21閉環(huán)控制系統(tǒng)的被控量對(duì)控制作用有影響的系統(tǒng)。特點(diǎn)：可以根據(jù)被控制量的變化進(jìn)行控制，抗干擾能力強(qiáng)。主要用于：系統(tǒng)的控制量和干擾量無(wú)法預(yù)先預(yù)知的情況下。閉環(huán)控制系統(tǒng)原理框圖控制裝置被控對(duì)象輸入量被控量反饋環(huán)節(jié)擾動(dòng)2023/7/21復(fù)合控制復(fù)合控制是閉環(huán)控制和開(kāi)環(huán)控制相結(jié)合的一種方式在閉環(huán)控制回路的根底上，附加一個(gè)輸入信號(hào)或擾動(dòng)信號(hào)〔是破壞系統(tǒng)輸入量和輸出量之間預(yù)定規(guī)律的信號(hào)〕的順饋通路，對(duì)該信號(hào)帶來(lái)的干擾進(jìn)行補(bǔ)償，以到達(dá)精確的控制效果。復(fù)合控制的主要特點(diǎn)：具有很高的控制精度；可以抑制幾乎所有的可量測(cè)擾動(dòng)，其中包括低頻強(qiáng)擾動(dòng)；補(bǔ)償器的參數(shù)要有較高的穩(wěn)定性。2023/7/21線性/非線性系統(tǒng)連續(xù)/離散性系統(tǒng)定常/時(shí)變性系統(tǒng)確定/不確定系統(tǒng)按控制方式分按被控對(duì)象分按系統(tǒng)性能分按給定值變化規(guī)律分按系統(tǒng)功用分按給定值操縱的開(kāi)環(huán)控制按干擾補(bǔ)償?shù)拈_(kāi)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)反響為主，開(kāi)環(huán)補(bǔ)償為輔恒值系統(tǒng)隨動(dòng)系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)壓力控制系統(tǒng)位置控制系統(tǒng)動(dòng)畫(huà)：液位恒值控制動(dòng)畫(huà)：天線隨動(dòng)控制1.3控制系統(tǒng)的分類(lèi)2023/7/211.4控制系統(tǒng)的組成與根本要求控制系統(tǒng)的根本組成１、測(cè)量元件：傳感器２、比較元件：對(duì)控制量與參考輸入量進(jìn)行比較，多和測(cè)量或放大元件結(jié)合在一起３、放大元件：使微弱信號(hào)具有足夠的幅值和功率４、執(zhí)行元件：接受偏差信號(hào)的控制產(chǎn)生動(dòng)作，改變控制量５、校正元件：用于消除或減弱系統(tǒng)在控制過(guò)程中產(chǎn)生的震蕩2023/7/21控制系統(tǒng)分析系統(tǒng)輸出量和反響量總是遲于輸入量的變化——控制系統(tǒng)含有儲(chǔ)能元件輸入量發(fā)生變化，輸出量從原平衡狀態(tài)到新的平衡狀態(tài)總要經(jīng)歷一定時(shí)間暫態(tài)過(guò)程：在輸入量的作用下，系統(tǒng)的輸出量由初始狀態(tài)到達(dá)最終穩(wěn)態(tài)的中間變化過(guò)程，又稱為瞬態(tài)過(guò)程，動(dòng)態(tài)過(guò)程，過(guò)渡過(guò)程穩(wěn)態(tài)過(guò)程：過(guò)渡過(guò)程結(jié)束后的輸出響應(yīng)2023/7/21暫態(tài)過(guò)程特點(diǎn):以下圖中,(a)、(b)非周期振蕩；(c)發(fā)散振蕩；(d)、(e)收斂振蕩；(f)等幅振蕩。tnn1(a)0(b)nt0n0n1t0n(c)n0t(e)n1n0t(d)n0n1n0t(