第章自動控制系統(tǒng)的基本概念課件電子教案

自動控制原理專業(yè)基礎(chǔ)課鄧曉剛信息與控制工程學(xué)院自動化系1.主講教師信息主講教師：鄧曉剛聯(lián)系方式：Email：dengxiaogang@電話：8391904答疑地點：自動化館北樓211（或202）答疑時間：周四晚8:00-9:00（第3~10周）2.本學(xué)期課程安排教材：自動控制原理簡明教程作者：胡壽松出版：科學(xué)出版社講授內(nèi)容：第1章～第6章課程學(xué)時：總48學(xué)時(其中實驗約8學(xué)時)考核方式：平時成績(考勤、作業(yè))+期末考試3.參考文獻：胡壽松，自動控制原理習(xí)題集，科學(xué)出版社高國燊.自動控制原理,華南理工大學(xué)出版社,2002.吳麒.自動控制原理.清華大學(xué)出版社，2006戴忠達.自動控制理論基礎(chǔ)。清華大學(xué)出版社，2005.DorfRC.Moderncontrolsystem(10thEdition)王萬良.自動控制原理.高等教育出版社。各類相關(guān)期刊雜志、網(wǎng)上資料《自動化學(xué)報》、《控制與決策》、《控制理論與應(yīng)用》《計算機測量與控制》、《控制工程》信控學(xué)院學(xué)術(shù)論壇——自控原理:8080/acbbs/index.asp第一章自動控制系統(tǒng)的基本概念1-1認(rèn)識自動控制的概念1-2自動控制的基本原理1-3自動控制系統(tǒng)分類1-4控制系統(tǒng)性能要求1.基本概念自動控制在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置，使機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程的某個工作狀態(tài)或參數(shù)自動地按照預(yù)定規(guī)律運行?！?-1自動控制技術(shù)介紹1.基本概念自動控制在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置，使機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程的某個工作狀態(tài)或參數(shù)自動地按照預(yù)定規(guī)律運行。鍋爐溫度控制、化工過程流量、溫度、液位的控制……自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)某一控制目標(biāo)的所有物理部件的有機組合體?？刂蒲b置被控對象被控變量我們身邊的自動控制系統(tǒng)與裝置現(xiàn)代生活離不開自動控制！空調(diào)冰箱電熱水器2.自動控制的直觀認(rèn)識公元235年馬鈞研制出能自動指示方向的指南車

自動控制技術(shù)發(fā)展過程中的例子1788年英國Watt發(fā)明的控制蒸汽機速度的離心式調(diào)速器

自動控制技術(shù)發(fā)展過程中的例子1913年美國建成最早的汽車裝配流水線1952年美國MIT研制出第一臺數(shù)控機床

自動控制技術(shù)發(fā)展過程中的例子1959年第一臺工業(yè)機器人

1981年美國“哥倫比亞”號航天飛機首次發(fā)射成功自動控制技術(shù)發(fā)展過程中的例子裝配機器人汽車自動焊接生產(chǎn)線自動控制技術(shù)發(fā)展過程中的例子自動立體倉庫自動控制技術(shù)發(fā)展過程中的例子注塑機自動搬運車自動控制技術(shù)發(fā)展過程中的例子機器人足球比賽月球車大型化工企業(yè)自動控制裝置3.自控系統(tǒng)與自控原理自動控制系統(tǒng)不需要人參與就能完成任務(wù)工業(yè)生產(chǎn)、軍事裝備、航空航天、生物醫(yī)學(xué)、經(jīng)濟運行、社會管理、日常生活等諸多領(lǐng)域都有自動控制系統(tǒng)自動控制原理是分析各種自動控制系統(tǒng)的統(tǒng)一理論，是其內(nèi)在的共通規(guī)律自動控制原理這門課程就是來研究這些自動控制裝置或系統(tǒng)的基本工作規(guī)律和原理4.自動控制理論研究簡史經(jīng)典控制理論：20世紀(jì)40-50年起源：二戰(zhàn)軍工技術(shù)的需求目標(biāo)：反饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性方法：微分方程、傳遞函數(shù)、根軌跡、頻域分析應(yīng)用系統(tǒng):單輸入單輸出系統(tǒng)（SISO）現(xiàn)代控制理論：20世紀(jì)60年代起源：冷戰(zhàn)時期，空間技術(shù)發(fā)展的需求目標(biāo)：最優(yōu)控制方法：狀態(tài)空間方程應(yīng)用系統(tǒng):多輸入多輸出系統(tǒng)（MIMO）智能控制理論：20世紀(jì)80年代起源：智能技術(shù)和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展目標(biāo)：智能控制方法：專家系統(tǒng)、模糊控制技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、智能進化算法等等重要的人物：1948，維納《控制論》1954，錢學(xué)森《工程控制論》★《Cybernetics：ortheControlandCommunicationintheAnimalandtheMachine》

★《EngineeringCybernetics》

自動控制理論的發(fā)展歷程1769，瓦特，飛球調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)蒸汽機流量1868，麥克斯韋，獵振現(xiàn)象1877/1895,勞思/赫爾維茨穩(wěn)定性判據(jù)1932，乃奎斯特，頻域穩(wěn)定性分析1948，維納，《控制論》1956，蘇聯(lián)，龐特里亞金，極大值原理1956，貝爾曼，動態(tài)規(guī)劃1960，卡爾曼，最優(yōu)濾波器1954，錢學(xué)森，《工程控制論》20世紀(jì)80年代至今，智能控制技術(shù)控制理論目前還在向更縱深、更廣闊的領(lǐng)域發(fā)展，啟發(fā)并擴展人的思維方式，引導(dǎo)人們?nèi)ヌ接懽匀唤绺鼮樯羁痰倪\動機理。近二十年來，由于信息技術(shù)、計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，工業(yè)自動化要求更加迫切，自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用進入了黃金時代。我們應(yīng)能深切體會，日常的工作和生活己經(jīng)處在一切盡在自動控制的時代?！?-2自動控制的基本原理【例】

水箱系統(tǒng)入口流量Qi取決于閥門開度u，出口流量Qo與液位H和出口閥有關(guān)問題：如何使得實際液位H控制在期望液位不變期望液位：Hs1.人工控制

眼：測量實際液位H——檢測過程。

腦：將實際液位H和期望液位Hs比較，根據(jù)兩者偏差正負(fù)及大小作出決策。——比較、分析、決策過程。

手：執(zhí)行大腦命令，調(diào)節(jié)閥門開度。——執(zhí)行過程。

期望液位：Hs人工控制原理方塊圖實際液位腦眼給定值手水槽擾動測量值2.自動控制變送器(眼）：測量實際液位H并進行物理轉(zhuǎn)換?？刂破鳎ù竽X）：也叫調(diào)節(jié)器，將測量值pv和給定值sv相比較，根據(jù)兩者的偏差進行運算，輸出控制信號u。執(zhí)行器（手）：也叫調(diào)節(jié)閥，改變閥門開度。簡圖自動控制原理方塊圖：實際液位控制器變送器給定值執(zhí)行器水槽擾動測量值實際液位腦眼給定值手水槽擾動測量值人工控制原理方塊圖：3.反饋控制原理反饋通過測量變換裝置將系統(tǒng)或元件的輸出量反送到輸入端，與輸入信號相比較。反送到輸入端的信號稱為反饋信號。負(fù)反饋

反饋信號與輸入信號相減，其差為偏差信號負(fù)反饋控制原理將系統(tǒng)的輸出信號引回輸入端，與輸入信號相減，形成偏差信號。然后根據(jù)偏差信號產(chǎn)生相應(yīng)的控制作用，力圖消除或減少偏差的過程。4.自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)反饋通道，前向通道，閉環(huán)，開環(huán)輸入變量：擾動輸入d，給定輸入r（參考輸入）輸出變量c，廣義被控對象+控制器自動控制系統(tǒng)的構(gòu)成：控制器測量變送器給定輸入執(zhí)行器被控對象擾動輸入輸出測量值自動控制裝置+被控對象幾個概念被控制量c：

在控制系統(tǒng)中．按規(guī)定的任務(wù)需要加以控制的物理量。控制量u：

作為被控制量的控制指令而加給系統(tǒng)的輸入量．也稱控制輸入。擾動量d：

干擾或破壞系統(tǒng)按預(yù)定規(guī)律運行的輸入量，也稱擾動輸入。自動控制系統(tǒng)的特點存在反饋，輸出量參與控制，基于偏差進行控制反饋（偏差、閉環(huán)）控制系統(tǒng)5.控制系統(tǒng)方框圖用方框和箭頭表示的控制系統(tǒng)元件作用圖輸出量

環(huán)節(jié)名稱(或特性)輸入量(a)

(-)e=r-br(+)

(-)b(b)re=r-b

b或(c)c引出點cc方框圖中的幾種表示法：被控量偏差信號

(-)

參考輸入信號r(t)控制器(或調(diào)節(jié)器)u(t)廣義被控系統(tǒng)e(t)c(t)反饋信號

控制量

擾動

給定裝置

校正裝置

放大

元件

執(zhí)行

器

被控

對象

反饋裝置測量變送器

觸發(fā)器

晶闡管可控整流器

放大器ut

轉(zhuǎn)速反饋裝置控制裝置(b)方框圖(-)ug

給定裝置ue擾動

電動機被控對象nudoRP1ugR0R0R1-utRP2-+-++

TGMudouc(a)電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)原理圖+觸發(fā)器晶閘管整流器電壓比較放大器測速電機電動機電爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)定溫度與冰箱實際溫度比較，產(chǎn)生偏差值

當(dāng)偏差電壓達到使繼電器接通時，壓縮機將蒸發(fā)器中高溫低壓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)進入蒸發(fā)器，急速降壓擴散成氣體，吸收箱體內(nèi)熱量，使冰箱溫度下降，

如此循環(huán)操作，使箱體溫度達到希望溫度，此時繼電器斷開，壓縮機停止工作。家用電冰箱溫控系統(tǒng)電冰箱溫控系統(tǒng)方塊圖6.基本控制方式1）開環(huán)控制：不存在輸出到輸入的反饋，輸出量不參與控制

按干擾進行控制（即前饋控制，對干擾進行補償）擾動必須可測！

按給定值進行控制液位給定值Hs實際液位控制器液位給定值執(zhí)行器水箱擾動按給定值進行控制按干擾進行控制液位給定值Hs出口流量測量實際液位控制器液位給定值執(zhí)行器水箱擾動流量測量2）閉環(huán)控制系統(tǒng)存在輸出到輸入的反饋，輸出量參與控制實際液位控制器變送器給定值執(zhí)行器水槽擾動測量值3）復(fù)合控制系統(tǒng)液位給定值Hs出口流量測量實際液位控制器變送器給定值執(zhí)行器水槽擾動測量值流量測量§1-3自動控制系統(tǒng)分類1.按輸入信號特征分類1）恒值控制系統(tǒng)給定輸入為常數(shù)，系統(tǒng)克服擾動影響例：液位控制系統(tǒng)，溫度控制系統(tǒng)等工業(yè)系統(tǒng)2）隨動控制系統(tǒng)給定輸入是隨機時間變化的函數(shù)（未知）例：函數(shù)記錄儀火炮、自動跟蹤系統(tǒng)3）程序控制系統(tǒng)給定輸入是預(yù)知的時間函數(shù)例：機床加工系統(tǒng)2.按描述元件特性分類1）線性系統(tǒng)組成系統(tǒng)的元件都是線性元件，輸入輸出的靜態(tài)特性為線性關(guān)系用線性微分方程描述2）非線性系統(tǒng)只要系統(tǒng)中有一個元部件是非線性的用非線性微分方程描述如何區(qū)分一個系統(tǒng)是線性的還是非線性的呢？3.按照傳遞信號類型分類連續(xù)系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)間的信號均為時間t的連續(xù)函數(shù)，可用微分方程描述例：水箱系統(tǒng)離散系統(tǒng)只要有一處信號是脈沖信號或者數(shù)字信號，定義在離散時刻上，用差分方程描述例：計算機控制系統(tǒng)4.按照參數(shù)是否隨時間變化分類定常系統(tǒng)時變系統(tǒng)5.其他分類單輸入輸出系統(tǒng)與多輸入輸出系統(tǒng)確定性系統(tǒng)與不確定性系統(tǒng)集中參數(shù)系統(tǒng)與分布參數(shù)系統(tǒng)§1-4對控制系統(tǒng)性能的基本要求時間tr上升峰值時間tpAB超調(diào)量σ%=AB100%調(diào)節(jié)時間ts“穩(wěn)，快，準(zhǔn)”1.穩(wěn)定性（最基本要求）系統(tǒng)在擾動消失后，由初始偏差狀態(tài)恢復(fù)到平衡狀態(tài)的能力。１、穩(wěn)定２、不穩(wěn)定穩(wěn)定性：

(1)對恒值系統(tǒng)，要求當(dāng)系統(tǒng)受到擾動后，經(jīng)過一定時間的調(diào)整能夠回到原來的期望值。

(2)對隨動系統(tǒng)，被控制量始終跟蹤參據(jù)量的變化。穩(wěn)定性是對系統(tǒng)的基本要求，不穩(wěn)定的系統(tǒng)不能實現(xiàn)預(yù)定任務(wù)。線性系統(tǒng)穩(wěn)定性，通常由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)決定與外界因素?zé)o關(guān)。2.快速性動態(tài)性能:調(diào)節(jié)時間、上升時間對過渡過程的形式和快慢提出要求，一般稱為動態(tài)性能。穩(wěn)定高射炮射角隨動系統(tǒng)，雖然炮身最終能跟蹤目標(biāo)，但如果目標(biāo)變動迅速，而炮身行動遲緩，仍然抓不住目標(biāo)。3.準(zhǔn)確性穩(wěn)態(tài)性能：穩(wěn)態(tài)誤差在參考輸入信號作用下，當(dāng)系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)后，其穩(wěn)態(tài)輸出與參考輸入所要求的期望輸出之差叫做給定穩(wěn)態(tài)誤差。顯然，這種誤差越小，表示系統(tǒng)的輸出跟隨參考輸入的精度越高。1、理想脈沖函數(shù)（或沖擊函數(shù)）且