自控原理第一章-緒論課件

第1章自動控制的一般概念一、自動控制的基本原理與方式

二、自動控制系統(tǒng)示例三、自動控制系統(tǒng)的分類

四、對自動控制系統(tǒng)的基本要求

9/7/20231第1章自動控制的一般概念一、自動控制的基本原理與方式81.1自動控制的基本原理與方式1.1.1自動控制技術(shù)及應(yīng)用自動控制:就是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備（稱為控制器）操作被控對象（如機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程）的某個狀態(tài)或參數(shù)（稱為被控量）使其按預(yù)先設(shè)定的規(guī)律自動運(yùn)行。

如：飛機(jī)導(dǎo)航

9/7/202321.1自動控制的基本原理與方式1.1.1自動控制技術(shù)人造地球衛(wèi)星

控制其準(zhǔn)確地進(jìn)入預(yù)定軌道運(yùn)行并回收

無人駕駛飛機(jī)按預(yù)定軌跡飛行

漸露鋒芒地?zé)o人駕駛飛機(jī)

9/7/20233人造地球衛(wèi)星

控制其準(zhǔn)確地進(jìn)入預(yù)定軌道運(yùn)行并回收

制導(dǎo)導(dǎo)彈

現(xiàn)代的高新技術(shù)讓導(dǎo)彈長上了“眼睛”和“大腦”，利用負(fù)反饋控制原理去緊緊盯住目標(biāo).

我國研制的地空導(dǎo)彈(如右圖)雷達(dá)技術(shù)

雷達(dá)操作時，天線就要不停地轉(zhuǎn)動。天線的作用是把雷達(dá)中產(chǎn)生的無線電波按照一定的方向向外發(fā)射出去，并把被反射回來的無線電波接收下來。正因?yàn)樘炀€所起的作用好似人的眼睛一樣，因此雷達(dá)要注視和偵察整個天空的狀況，天線就要不停地轉(zhuǎn)動，用一個驅(qū)動馬達(dá)使天線作360度的旋轉(zhuǎn)，這樣它就能在360度范圍內(nèi)進(jìn)行“搜索”。9/7/20234制導(dǎo)導(dǎo)彈

現(xiàn)代的高新技術(shù)讓導(dǎo)彈長上了雷達(dá)技術(shù)

雷達(dá)操作時，自動控制技術(shù)應(yīng)用于其他領(lǐng)域

由于計算機(jī)等技術(shù)的誕生和飛速發(fā)展，使得控制技術(shù)水平不斷提高，已擴(kuò)大到經(jīng)濟(jì)與社會生活的各個領(lǐng)域，如通信、交通、醫(yī)學(xué)、環(huán)境保護(hù)、經(jīng)濟(jì)管理等領(lǐng)域，控制技術(shù)已成為現(xiàn)代社會不可缺少的重要組成部分。

近年來，我國在自動化儀表、工業(yè)調(diào)節(jié)器、數(shù)字控制技術(shù)、航天工程、核動力工程等方面的研究和應(yīng)用取得了長足進(jìn)展。

9/7/20235自動控制技術(shù)應(yīng)用于其他領(lǐng)域

8/3/20239/7/202368/3/20236工業(yè)自動生產(chǎn)線

9/7/20237工業(yè)自動生產(chǎn)線

1.1.2自動控制理論的發(fā)展

自動控制理論就是研究自動控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)，它的發(fā)展初期是以反饋理論為基礎(chǔ)的自動調(diào)節(jié)原理，隨著工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)已發(fā)展成為一門獨(dú)立的學(xué)科——控制論?？刂普摪üこ炭刂普?、生物控制論和經(jīng)濟(jì)控制論?？刂评碚摰陌l(fā)展過程一般可分為三個階段：

（1）第一階段。時間為本世紀(jì)40～60年代，稱為“經(jīng)典控制理論”時期。經(jīng)典控制理論主要是解決單輸入單輸出問題，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（H.W.Bode1905～）和伊文思（W.R.Evans）。伯德于1945年提出了簡便而實(shí)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。9/7/202381.1.2自動控制理論的發(fā)展自動控制理論就是研（2）第二階段。時間為本世紀(jì)60～70年代，稱為“現(xiàn)代控制理論”時期。這個時期，由于計算機(jī)的飛速發(fā)展，推動了空間技術(shù)的發(fā)展。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。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)于線性濾波器和估計器的論文，即所謂著名的卡爾曼濾波。9/7/20239（2）第二階段。時間為本世紀(jì)60～70年代，稱為“現(xiàn)代控制理（3）第三階段。時間為本世紀(jì)70年代末至今。70年代末，控制理論向著“大系統(tǒng)理論”和“智能控制”方向發(fā)展。前者是控制理論在廣度上的開拓，后者是控制理論在深度上的挖掘?！按笙到y(tǒng)理論”是用控制和信息的觀點(diǎn)，研究各種大系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案、總體設(shè)計中的分解方法和協(xié)調(diào)等問題的技術(shù)基礎(chǔ)理論。而“智能控制”是研究與模擬人類智能活動及其控制與信息傳遞過程的規(guī)律，研究具有某些仿人智能的工程控制與信息處理系統(tǒng)。9/7/202310（3）第三階段。時間為本世紀(jì)70年代末至今。70年代末，控制1.1.3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。

9/7/2023111.1.3反饋控制原理

反饋控制是這樣的一種控制過程，它能構(gòu)例子9/7/202312例子8/3/202312

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。注意：

龍門刨床速度控制系統(tǒng)是一個有精差系統(tǒng)。速度最終達(dá)到的穩(wěn)態(tài)值與原始給定速度之間始終有一個差值存在，這個差值是用來產(chǎn)生一個附加的電動機(jī)電樞電壓，以補(bǔ)償因增加負(fù)載而引起的速度下降。這個差值的存在是保證系統(tǒng)正常工作所必需的，一般稱為穩(wěn)態(tài)誤差。如果從結(jié)構(gòu)上加以改進(jìn)，可以消除這個穩(wěn)態(tài)誤差。

9/7/202313在工業(yè)控制中，龍門刨床速度控制系統(tǒng)就是按照反1.1.4反饋控制系統(tǒng)的基本組成

1)測量元件：檢測被控制的物理量。

2)給定元件：給出與期望的被控制量相對應(yīng)的系統(tǒng)輸入量（即參據(jù)量）。

3)比較元件：把測量元件檢測的被控量的實(shí)際值與給定元件給出的參據(jù)量進(jìn)行比較，求出它們之間的偏差。

4)放大元件：偏差信號的放大，用以推動執(zhí)行元件。

5)執(zhí)行元件：直接推動被控對象，使被控量發(fā)生變化。

6)校正元件：也叫補(bǔ)償元件以改善系統(tǒng)性能。

9/7/2023141.1.4反饋控制系統(tǒng)的基本組成

1)測量元典型的反饋控制系統(tǒng)基本組成框：

信號從輸入端到達(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。只包含一個主反饋通路的系統(tǒng)稱為單回路系統(tǒng)，有兩個或兩個以上反饋通路的系統(tǒng)稱為多回路系統(tǒng)。9/7/202315典型的反饋控制系統(tǒng)基本組成框：信號從輸入端9/7/2023168/3/2023161.1.5自動控制系統(tǒng)基本控制方式（1）系統(tǒng)。即為達(dá)到某—目的，由相互制約的各個部分按—定規(guī)律組成的、具有一定功能的整體。（2）自動控制系統(tǒng)。指能夠?qū)Ρ豢貙ο蟮墓ぷ鳡顟B(tài)進(jìn)行自動控制的系統(tǒng)，它一般由控制裝置（控制器）和被控對象所組成。（3）控制裝置。則是指對被控對象起控制作用的設(shè)備總體。（4）被控對象。是指要求實(shí)現(xiàn)自動控制的機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程。例如，汽車、飛機(jī)、煉鋼、化工生產(chǎn)的鍋爐等。9/7/2023171.1.5自動控制系統(tǒng)基本控制方式（1）系統(tǒng)。即為達(dá)到某自動控制系統(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。把從被控對象輸出端獲得的信息通過中間環(huán)節(jié)（稱為反饋環(huán)節(jié)）再送回控制器的輸入端的過程，稱為反饋。傳送反饋信息的載體，稱為反饋信號。是否采用反饋，對控制系統(tǒng)的各個指標(biāo)（即穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確性）影響很大。因此系統(tǒng)的基本控制方式也按有無反饋分為三大類：開環(huán)控制、閉環(huán)控制、復(fù)合控制。9/7/202318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8/3/2反饋控制方式

按偏差進(jìn)行控制，具有抑制擾動對被控量產(chǎn)生影響的能力和較高的控制精度。

9/7/202319反饋控制方式按偏差進(jìn)行控制，具有抑制擾動對被控量產(chǎn)開環(huán)控制

開環(huán)控制是在控制器與被控對象之間只有正向控制作用而沒有反饋控制作用，即系統(tǒng)的輸出量對控制量沒有影響。開環(huán)控制系統(tǒng)的示意圖如圖所示。

9/7/202320開環(huán)控制開環(huán)控制是在控制器與被控對象之間9/7/2023218/3/202321例子9/7/202322例子8/3/202322復(fù)合控制方式

按偏差控制和按擾動控制相結(jié)合的控制方式稱為復(fù)合控制方式。

9/7/202323復(fù)合控制方式按偏差控制和按擾動控制相結(jié)1.2自動控制系統(tǒng)示例9/7/2023241.2自動控制系統(tǒng)示例8/3/2023241、家用電冰箱溫控系統(tǒng)

控制器設(shè)定溫度與冰箱比較，產(chǎn)生偏差值，當(dāng)偏差電壓達(dá)到使繼電器接通時，壓縮機(jī)工作，將蒸發(fā)器中高溫低壓氣態(tài)制冷液送制冷卻器散熱，降溫后的低溫低壓制冷液壓縮成高壓液態(tài)進(jìn)入蒸發(fā)器，急速降壓擴(kuò)散成氣體，吸收箱體內(nèi)熱量，使冰箱溫度下降，如此循環(huán)操作，使箱體溫度達(dá)到希望溫度，此時繼電器斷開，壓縮機(jī)停止工作。9/7/2023251、家用電冰箱溫控系統(tǒng)

控制器設(shè)定溫度與冰箱比較，下圖為家用冰箱恒溫系統(tǒng)的方框圖

9/7/202326下圖為家用冰箱恒溫系統(tǒng)的方框圖

2、鍋爐液位控制系統(tǒng)

9/7/2023272、鍋爐液位控制系統(tǒng)

8/3/2023279/7/2023288/3/2023283、龍門刨床速度控制系統(tǒng)

9/7/2023293、龍門刨床速度控制系統(tǒng)

8/3/2023299/7/2023308/3/2023304、電爐溫度控制系統(tǒng)

9/7/2023314、電爐溫度控制系統(tǒng)8/3/2023319/7/2023328/3/2023329/7/2023338/3/2023339/7/2023348/3/202334給定裝置放大器舵機(jī)飛機(jī)

反饋電位器

垂直陀螺儀θ0θ擾動俯仰角控制系統(tǒng)方塊圖飛機(jī)方塊圖9/7/202335給定裝置放大器舵機(jī)飛機(jī)反饋電位器垂直陀螺儀θ0θ擾動俯1.3自動控制系統(tǒng)的分類9/7/2023361.3自動控制系統(tǒng)的分類8/3/2023369/7/2023378/3/2023371、線性連續(xù)控制系統(tǒng)這類系統(tǒng)可以用線性微分方程描述，一般形式為：系數(shù)a0，‥，an，b0,‥bn是常數(shù)時，稱為定常系統(tǒng)；系數(shù)a0，‥，an，b0,‥bn隨時間變化時，稱為時變系統(tǒng)。線性定常連續(xù)系統(tǒng)按其輸入量的變化規(guī)律又可分為恒值控制系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。

9/7/2023381、線性連續(xù)控制系統(tǒng)這類系統(tǒng)可以用線性微分方程描述，一般形式1)、恒值控制系統(tǒng)

這類控制系統(tǒng)的參據(jù)量是一個常值，要求被控量亦等于一個常值，故又稱為調(diào)節(jié)器。

在恒值控制系統(tǒng)中，參據(jù)量可以隨生產(chǎn)條件的變化而改變，但是，一經(jīng)調(diào)整后，被控量就應(yīng)與調(diào)整好的參據(jù)量保持一致。在工業(yè)控制中，如果被控量是生產(chǎn)過程參量時，這種控制系統(tǒng)則稱為過程控制系統(tǒng)，它們大多數(shù)屬于恒值控制系統(tǒng)。

(2)、隨動系統(tǒng)

系統(tǒng)的參據(jù)量是預(yù)先未知的隨時間任意變化的函數(shù)，要求被控量以盡可能小的誤差跟隨參據(jù)量的變化，故又稱為跟隨系統(tǒng)。在隨動系統(tǒng)中。擾動的影響是次要的，系統(tǒng)分析、設(shè)計的重點(diǎn)是研究被控量跟隨的快速性和準(zhǔn)確性。

在隨動系統(tǒng)中，如果被控量是機(jī)械位或其導(dǎo)數(shù)時，這類系統(tǒng)稱之為伺服系統(tǒng)。

(3)、程序控制系統(tǒng)

系統(tǒng)的參據(jù)量時按預(yù)定規(guī)律隨時間變化的函數(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)和隨動系統(tǒng)的參據(jù)量都是時間函數(shù)，不過前者是已知的時間函數(shù)，后者是未知的任意時間函數(shù)，而恒值控制系統(tǒng)也可視為程序控制系統(tǒng)的特例。9/7/2023391)、恒值控制系統(tǒng)

這類控制系統(tǒng)的參據(jù)量是一個常值2、線性定常離散控制系統(tǒng)

離散系統(tǒng)是指系統(tǒng)的某處或多處的信號為脈沖序列或數(shù)碼形式，因而信號在時間上是離散的。離散系統(tǒng)一般用差分方程描述，其一般形式可用下式表示：

9/7/2023402、線性定常離散控制系統(tǒng)離散系統(tǒng)是指系3、非線性控制系統(tǒng)

系統(tǒng)中只要有一個元部件的輸入－輸出特性是非線性的，這類系統(tǒng)就稱為非線性控制系統(tǒng)，實(shí)際物理系統(tǒng)中都含有不同程度的非線性元部件，如放大器和電磁元件的飽和特性，運(yùn)動部件的死區(qū)、間隙和摩擦特性等。對于非線性程度不大的情況，可在一定范圍內(nèi)進(jìn)行線性化。9/7/2023413、非線性控制系統(tǒng)

系統(tǒng)中只要有一個元部1.5自動控制系統(tǒng)的基本要求1.5.1基本要求1穩(wěn)定性一個控制系統(tǒng)能正常工作的首要條件是系統(tǒng)必須是穩(wěn)定的，由于控制系統(tǒng)是具有反饋?zhàn)饔玫拈]環(huán)系統(tǒng)，因此，系統(tǒng)有可能趨向振蕩或不穩(wěn)定，不穩(wěn)定的系統(tǒng)是無法工作的。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(qiáng)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(qiáng)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。9/7/20234