自動控制原理講義第1章--自動控制的一般概念

1、歡迎各位！,2002-09-23,自動控制原理,2,自動控制原理 程向紅 蔡體菁,2002-09-23,自動控制原理,3,第1講程向紅,自動控制的一般概念,2002-09-23,自動控制原理,4,第一章 自動控制的一般概念,1.1 引言 1.2自動控制系統(tǒng)示例 1.3閉環(huán)控制和開環(huán)控制 1.4自動控制系統(tǒng)的分類 1.5對自動控制系統(tǒng)的基本要求 1.6對本課程的基本要求,2002-09-23,自動控制原理,5,歷史的回顧,18世紀，james watt 為控制蒸汽機速度設計的離心調(diào)節(jié)器，是自動控制領域的第一項重大成果。 1922年，minorsky研制出船舶操縱自動控制器，并證明了從系統(tǒng)的微分方

2、程確定系統(tǒng)的穩(wěn)定性的方法。 1932年，nyquist提出了一種根據(jù)系統(tǒng)的開環(huán)頻率響應(對穩(wěn)態(tài)正弦輸入)，確定閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法。 1934年，hezen提出了用于位置控制系統(tǒng)的伺服機構的概念，討論了可以精確跟蹤變化的輸入信號的機電伺服機構。,2002-09-23,自動控制原理,6,19世紀40年代，頻率響應法為閉環(huán)控制系統(tǒng)提供了一種可行方法，evans提出并完善了根軌跡法。 19世紀50年代末，控制系統(tǒng)設計問題的重點從設計許多可行系統(tǒng)中的一種系統(tǒng)，轉到設計在某種意義上的最佳系統(tǒng)。 19世紀60年代，數(shù)字計算機的出現(xiàn)為復雜系統(tǒng)的基于時域分析的現(xiàn)代控制理論提供了可能。 從1960年到1980，

3、確定性系統(tǒng)、隨機系統(tǒng)的最佳控制，及復雜系統(tǒng)的自適應和學習控制，都得到充分的研究。 從1980年到現(xiàn)在，現(xiàn)代控制理論進展集中于魯棒控制、h控制及其相關課題。,2002-09-23,自動控制原理,7,古典控制理論 以傳遞函數(shù)為基礎研究單輸入-單輸出一類定常控制系統(tǒng)的分析與設計問題。這些理論由于其發(fā)展教早，現(xiàn)已臻成熟。,現(xiàn)代控制 以狀態(tài)空間法為基礎，研究多輸入-多輸出、時變、非線性一類控制系統(tǒng)的分析與設計問題。系統(tǒng)具有高精度和高效能的特點。,2002-09-23,自動控制原理,8,1.2 術語,自動控制 對象 過程 系統(tǒng) 擾動 反饋控制 反饋控制系統(tǒng) 隨動系統(tǒng) 自動調(diào)整系統(tǒng) 過程控制系統(tǒng),2002-

4、09-23,自動控制原理,9,1 自動控制 在無人直接參與的情況下，通過控制器使被控對象或過程自動地按照預定要求進行。,2 對象 是一個設備，它是由一些機器零件有機地組合在一起的，其作用是完成一個特定的動作。在下面的討論中，稱任何被控物體（如加熱爐、化學反應器或宇宙飛船）為對象。,3 過程 稱任何被控制的運行狀態(tài)為過程，其具體例子如化學過程、經(jīng)濟學過程、生物學過程。,4 系統(tǒng) 完成一定任務的一些元、部件的組合。,2002-09-23,自動控制原理,10,5 擾動,6 反饋控制,擾動是一種對系統(tǒng)的輸出產(chǎn)生不利影響的信號。如果擾動產(chǎn)生在系統(tǒng)內(nèi)部稱為內(nèi)擾；擾動產(chǎn)生在系統(tǒng)外部，則稱為外擾。外擾是系統(tǒng)的

5、輸入量。,反饋控制是這樣一種控制過程，它能夠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）（或者任意變化的希望的狀態(tài)）之間的偏差，而且其工作正是基于這一偏差基礎之上的。,2002-09-23,自動控制原理,11,反饋控制系統(tǒng)是一種能對輸出量與參考輸入量進行比較，并力圖保持兩者之間的既定關系的系統(tǒng)，它利用輸出量與輸入量的偏差來進行控制。 應當指出，反饋控制系統(tǒng)不限于工程范疇，在各種非工程范疇內(nèi)，諸如經(jīng)濟學和生物學中，也存在著反饋控制系統(tǒng)。,7 反饋控制系統(tǒng),2002-09-23,自動控制原理,12,隨動系統(tǒng)是一種反饋控制系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)中，輸出量是機械位移、速度或者加速度。因

6、此，隨動系統(tǒng)這個術語，與位置（或速度或加速度）控制系統(tǒng)是同義語。在現(xiàn)代工業(yè)中，廣泛采用著隨動系統(tǒng)。,8 隨動系統(tǒng),9 過程控制,在工業(yè)生產(chǎn)過程中，諸如對壓力、溫度、濕度、流量、頻率以及原料、燃料成分比例等方面的控制，稱為過程控制。,2002-09-23,自動控制原理,13,熱力系統(tǒng)的例子熱力系統(tǒng)的人工反饋控制,2002-09-23,自動控制原理,14,熱力系統(tǒng)的自動反饋控制,2002-09-23,自動控制原理,15,1.3 閉環(huán)控制與開環(huán)控制,反饋控制系統(tǒng) 開環(huán)控制系統(tǒng) 閉環(huán)與開環(huán)控制系統(tǒng)的比較,2002-09-23,自動控制原理,16,1.3.1 反饋控制系統(tǒng),1 反饋 把取出的輸出量送回輸

7、入端，并與輸入信號相比較產(chǎn)生偏差信號的過程，稱為反饋。若反饋的信號與輸入信號相減，使產(chǎn)生的偏差越來越小，則稱為負反饋；反之，則稱為正反饋。 2 反饋控制系統(tǒng) 能對輸入量與輸出量進行比較，并且將它們的偏差作為控制手段，以保持兩者之間預定關系的系統(tǒng)，稱為反饋控制系統(tǒng)。由于引入了被反饋量的反饋信息，整個控制過程成為閉合的，因此反饋控制也稱為閉環(huán)控制。,2002-09-23,自動控制原理,17,3 閉環(huán)控制 凡是系統(tǒng)輸出信號對控制作用有直接影響的系統(tǒng)，都稱為閉環(huán)系統(tǒng)。輸入信號和反饋信號（反饋信號可以是輸出信號本身，也可以是輸出信號的函數(shù)或?qū)?shù)）之差，稱為誤差信號，誤差信號加到控制器上，以減小系統(tǒng)的誤差

8、，并使系統(tǒng)的輸出量趨于所希望的值，換句話說，“閉環(huán)”這個術語的涵義，就是應用反饋作用來減小系統(tǒng)的誤差。,2002-09-23,自動控制原理,18,圖1-3 閉環(huán)控制系統(tǒng),2002-09-23,自動控制原理,19,1.3.2 反饋控制系統(tǒng)的基本組成,被控對象 控制裝置(由具有一定職能的各種基本元件組成 ) 測量元件：其職能是測量被控制的物理量; 給定元件：其職能是給出與期望的被控量相對應的系統(tǒng)輸入量（即參據(jù)量）。 比較元件：把測量元件檢測的被控量實際值與給定元件給出的參據(jù)量進行比較，求出它們之間的偏差。 放大元件：將比較元件給出的偏差進行放大，用來推動執(zhí)行元件去控制被控對象。 執(zhí)行元件：直接推動

9、被控對象，使其被控量發(fā)生變化。 校正元件：亦稱補償元件，它是結構或參數(shù)便于調(diào)整的元件，用串聯(lián)或反饋的方式連接在系統(tǒng)中，以改善系統(tǒng)性能。,2002-09-23,自動控制原理,20,用“”號代表比較元件，“”號代表兩者符號相反，“+”號代表兩者符號相同。信號沿箭頭方向從輸入端到達輸出端的傳輸通路稱前向通路；系統(tǒng)輸出量經(jīng)測量元件反饋到輸入端的傳輸通路稱主反饋通路。前向通路與主反饋通路共同構成主回路。此外，還有局部反饋通路以及由它構成的內(nèi)回路。,2002-09-23,自動控制原理,21,1.3.3 開環(huán)控制系統(tǒng),定義,如果系統(tǒng)的輸出量與輸入量間不存在反饋的通道，這種控制方式稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。,2002

10、-09-23,自動控制原理,22,現(xiàn)代化的工廠,2002-09-23,自動控制原理,23,1.3.4 閉環(huán)與開環(huán)控制系統(tǒng)的比較,閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點 偏差控制，可以抑制內(nèi)、外擾動對被控制量產(chǎn)生的影響。精度高、結構復雜，設計、分析麻煩。,開環(huán)控制系統(tǒng)的特點 順向作用，沒有反向的聯(lián)系，沒有修正偏差能力，抗擾動性較差。結構簡單、調(diào)整方便、成本低。,2002-09-23,自動控制原理,24,棉紡廠,2002-09-23,自動控制原理,25,1.5 自動控制系統(tǒng)的分類,開環(huán)控制 閉環(huán)控制(反饋控制) 復合控制,按控制方式分,2002-09-23,自動控制原理,26,機械系統(tǒng)恒張力系統(tǒng) 電氣系統(tǒng) 機電系統(tǒng)全

11、自動照相機，光機 電結合 液壓系統(tǒng)伺服液壓缸，汽車發(fā)動機，大型的仿真模擬臺 氣動系統(tǒng) 生物系統(tǒng),按 元 件 類 型 分,2002-09-23,自動控制原理,27,按系統(tǒng)功用分,溫度控制系統(tǒng),壓力控制系統(tǒng),位置控制系統(tǒng),2002-09-23,自動控制原理,28,線性系統(tǒng),非線性系統(tǒng),連續(xù)系統(tǒng),定常系統(tǒng),時變系統(tǒng),確定性系統(tǒng),不確定性系統(tǒng),按系統(tǒng)性能分,離散系統(tǒng),2002-09-23,自動控制原理,29,恒值控制系統(tǒng),隨動系統(tǒng),程序控制系統(tǒng),按參據(jù)量變化規(guī)律分,2002-09-23,自動控制原理,30,圖1-6（a）是一個液位控制系統(tǒng)原理圖。在這里，自動控制器通過比較實際液位與希望液位，并通過調(diào)整氣動閥門的開度，對誤差進行修正，從而保持液位不變。圖1-6（b）是該控制系統(tǒng)的方框圖。試畫出相應的人工操縱液位控制系統(tǒng)方塊圖。,例題1-1,2002-09-23,自動控制原理,31,2002-09-23,自動控制原理,32,2002-09-23,自動控制原理,33,2002-09-23,自動控制原理,34,有一發(fā)電機-電動機調(diào)速系統(tǒng)如圖1-7所示。其工作原理是操縱者轉動操縱電位計的手柄，可使電位計的輸出電壓ur改變大小和方向。經(jīng)前置放大器和直流發(fā)電機兩極放大，使加在伺服電機上的端電壓也隨之改變大小和方向。從