自控B第一章引言

1、1 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 授課教師：賈蓉授課教師：賈蓉 聯(lián)系方式：聯(lián)系方式： 電話電話: 659569 2 本課程安排： 總學(xué)時(shí)： 64 h 課堂學(xué)時(shí)： 56h 實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)： 8h 本課程考核：考試課 平時(shí)加實(shí)驗(yàn)成績(jī)30% 考試成績(jī)70% 3 n控制系統(tǒng)的基本概念控制系統(tǒng)的基本概念 n控制過程及性能要求；控制過程及性能要求； 第一章 概述 4 控制的任務(wù)可概括為：使被控對(duì)象的被控量等于給定值?？刂频娜蝿?wù)可概括為：使被控對(duì)象的被控量等于給定值。 第一節(jié)第一節(jié) 自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng) 是指要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程。是指要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程。

2、又稱調(diào)節(jié)器、控制裝置，由控制元件組成，它接又稱調(diào)節(jié)器、控制裝置，由控制元件組成，它接 受指令信號(hào)，輸出控制作用信號(hào)于被控對(duì)象。受指令信號(hào)，輸出控制作用信號(hào)于被控對(duì)象。 表征被控對(duì)象工作狀態(tài)的物理參量表征被控對(duì)象工作狀態(tài)的物理參量(或狀態(tài)參量或狀態(tài)參量)，如轉(zhuǎn)速、壓，如轉(zhuǎn)速、壓 力、溫度、電壓、位移等。力、溫度、電壓、位移等。 對(duì)這些物理參量的要求值稱為對(duì)這些物理參量的要求值稱為給定值或希望值給定值或希望值（或參考輸入）（或參考輸入） 控制器控制器 給定值給定值 檢測(cè)元件檢測(cè)元件 受控對(duì)象受控對(duì)象 被控量被控量 5 下面通過具體例子來說明自動(dòng)控制和自動(dòng)控制系統(tǒng)的概念下面通過具體例子來說明自動(dòng)控制

3、和自動(dòng)控制系統(tǒng)的概念 控制器控制器 氣動(dòng)閥門氣動(dòng)閥門 流入流入 Q1Q1 浮子浮子 水箱水箱 流出流出 Q2Q2 H H 水位自動(dòng)控制系統(tǒng)水位自動(dòng)控制系統(tǒng) 控制任務(wù)：控制任務(wù)： 維持水箱內(nèi)水位恒定；維持水箱內(nèi)水位恒定； 受控對(duì)象：受控對(duì)象： 水箱、供水系統(tǒng)；水箱、供水系統(tǒng)； 被控量：被控量： 水箱內(nèi)水位的高度；水箱內(nèi)水位的高度； 自動(dòng)控制自動(dòng)控制 6 7 在上圖中，除被控對(duì)象外的其余部分統(tǒng)稱為控制裝置，具備以 下三種職能部件。 u測(cè)量元件：用以測(cè)量被控量或干擾量。 u比較元件：將被控量與給定值進(jìn)行比較。 u執(zhí)行元件：根據(jù)比較后的偏差，產(chǎn)生執(zhí)行作用，去操 縱被控對(duì)象 參與控制的信號(hào)來自三條通道，

4、即給定值、干擾量、被控量。 8 給定值：給定值： 控制器刻度盤指針標(biāo)定控制器刻度盤指針標(biāo)定 的預(yù)定水位高度；的預(yù)定水位高度； 測(cè)量裝置：測(cè)量裝置： 浮子；浮子； 比較裝置：比較裝置： 控制器刻度盤；控制器刻度盤； 干擾：干擾： 水的流出量和流入量的水的流出量和流入量的 變化都將破壞水位保持變化都將破壞水位保持 恒定；恒定； 9 結(jié)論：結(jié)論： 10 自動(dòng)控制的基本方式 被控量被控量H 比較比較 執(zhí)行執(zhí)行 測(cè)量測(cè)量 被控對(duì)象被控對(duì)象 干擾干擾測(cè)量測(cè)量 給定值給定值H 自動(dòng)控制方框圖 11 n開環(huán)控制開環(huán)控制 n按給定值操縱的開環(huán)控制；按給定值操縱的開環(huán)控制； n按干擾補(bǔ)償?shù)拈_環(huán)控制；按干擾補(bǔ)償?shù)拈_

5、環(huán)控制； n按偏差調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制按偏差調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制 下面根據(jù)不同的信號(hào)源分析自動(dòng)控制的幾種基本控制方式下面根據(jù)不同的信號(hào)源分析自動(dòng)控制的幾種基本控制方式 12 一、按給定值操縱的開環(huán)控制一、按給定值操縱的開環(huán)控制 計(jì)算計(jì)算執(zhí)行執(zhí)行受控對(duì)象受控對(duì)象 給定值給定值 干擾干擾 被控量被控量 按給定值操縱的系統(tǒng)原理方塊圖按給定值操縱的系統(tǒng)原理方塊圖 13 爐溫控制系統(tǒng) 爐溫控制系統(tǒng)原理方框圖 14 按給定值操縱的開環(huán)控制按給定值操縱的開環(huán)控制 特點(diǎn)：特點(diǎn)：控制裝置只接受給定值來控制控制裝置只接受給定值來控制 受控對(duì)象的被控量。受控對(duì)象的被控量。 優(yōu)點(diǎn)：控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，相對(duì)來優(yōu)點(diǎn)：控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，

6、相對(duì)來 說成本低。說成本低。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：對(duì)可能出現(xiàn)的被控量偏離給定值 的偏差沒有任何修正能力，抗干擾能力 差，控制精度不高。 15 二、按干擾補(bǔ)償?shù)拈_環(huán)控制 定義：利用干擾信號(hào)產(chǎn)生控制作用，以定義：利用干擾信號(hào)產(chǎn)生控制作用，以 及時(shí)補(bǔ)償干擾對(duì)被控量的直接影響。及時(shí)補(bǔ)償干擾對(duì)被控量的直接影響。 計(jì)算計(jì)算 測(cè)量測(cè)量 受控對(duì)象受控對(duì)象執(zhí)行執(zhí)行 干擾干擾 被控量被控量 特點(diǎn)特點(diǎn)：只能對(duì)可測(cè)干擾進(jìn)行補(bǔ)償，不可測(cè)干擾以及受控對(duì)象、：只能對(duì)可測(cè)干擾進(jìn)行補(bǔ)償，不可測(cè)干擾以及受控對(duì)象、 各功能部件內(nèi)部參數(shù)變化對(duì)被控量的影響，系統(tǒng)自身無法控各功能部件內(nèi)部參數(shù)變化對(duì)被控量的影響，系統(tǒng)自身無法控 制。制。 適用于：

7、存在強(qiáng)干擾且變化比較劇烈的場(chǎng)合。適用于：存在強(qiáng)干擾且變化比較劇烈的場(chǎng)合。 16 水位高度控制系統(tǒng)原理圖 水位高度控制系統(tǒng)原理方框圖 17 三、按偏差調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制 特點(diǎn)：通過計(jì)算被控量和給定值的差值來控制被控對(duì)象。特點(diǎn)：通過計(jì)算被控量和給定值的差值來控制被控對(duì)象。 優(yōu)點(diǎn)：可以自動(dòng)調(diào)節(jié)由于干擾和內(nèi)部參數(shù)的變化優(yōu)點(diǎn)：可以自動(dòng)調(diào)節(jié)由于干擾和內(nèi)部參數(shù)的變化 而引起的變動(dòng)。而引起的變動(dòng)。 計(jì)算比較計(jì)算比較 給定值給定值E 執(zhí)行執(zhí)行被控對(duì)象被控對(duì)象 干擾干擾 被控量被控量 測(cè)量測(cè)量 按偏差調(diào)節(jié)的系統(tǒng)原理方塊圖按偏差調(diào)節(jié)的系統(tǒng)原理方塊圖 18 上圖中，反饋回來的信號(hào)與給定值相減，即上圖中，反饋回來的信號(hào)與給

8、定值相減，即 根據(jù)偏差進(jìn)行控制，稱為負(fù)反饋，反之稱為根據(jù)偏差進(jìn)行控制，稱為負(fù)反饋，反之稱為 正反饋。正反饋。 這種控制方式控制精度較高，因?yàn)闊o論是干這種控制方式控制精度較高，因?yàn)闊o論是干 擾的作用，還是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化，只要擾的作用，還是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化，只要 被控量偏離給定值，系統(tǒng)就會(huì)自行糾偏。但被控量偏離給定值，系統(tǒng)就會(huì)自行糾偏。但 是如果參數(shù)匹配得不好，會(huì)造成被控量的較是如果參數(shù)匹配得不好，會(huì)造成被控量的較 大擺動(dòng)，甚至系統(tǒng)無法正常工作。大擺動(dòng)，甚至系統(tǒng)無法正常工作。 19 烘烘 爐爐 溫溫 度度 控控 制制 系系 統(tǒng)統(tǒng) 20 函函 數(shù)數(shù) 記記 錄錄 儀儀 原原 理理 21 四、復(fù)合

9、控制 復(fù)合控制就是開環(huán)控制和閉環(huán)控制相結(jié)合的一種控制。是在閉環(huán)控制回路復(fù)合控制就是開環(huán)控制和閉環(huán)控制相結(jié)合的一種控制。是在閉環(huán)控制回路 的基礎(chǔ)上，附加了一個(gè)輸入信號(hào)或擾動(dòng)作用的順饋通路，來提高系統(tǒng)的控的基礎(chǔ)上，附加了一個(gè)輸入信號(hào)或擾動(dòng)作用的順饋通路，來提高系統(tǒng)的控 制精度。制精度。 控制裝置 被控對(duì)象 CR 補(bǔ)償裝置 a.按輸入作用補(bǔ)償 b.按擾動(dòng)作用補(bǔ)償 n 控制裝置 被控對(duì)象 CR 補(bǔ)償裝置 22 第二節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類第二節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類 一、線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)一、線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類方法較多，常自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類方法較多，常 見的有以下幾種見的有以下幾種 由

10、線性微分方程或線性差分方程所由線性微分方程或線性差分方程所 描述的系統(tǒng)稱為線性系統(tǒng)；由非線性方描述的系統(tǒng)稱為線性系統(tǒng)；由非線性方 程所描述的系統(tǒng)稱為非線性系統(tǒng)。程所描述的系統(tǒng)稱為非線性系統(tǒng)。 23 二、定常系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng)二、定常系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng) 定常系統(tǒng)定常系統(tǒng): 若系統(tǒng)微分方程的系數(shù)為常數(shù)，則若系統(tǒng)微分方程的系數(shù)為常數(shù)，則 稱之為線性定常系統(tǒng)。此類系統(tǒng)為本書稱之為線性定常系統(tǒng)。此類系統(tǒng)為本書 主要討論對(duì)象。主要討論對(duì)象。 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型微分方程的系數(shù)不是系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型微分方程的系數(shù)不是 時(shí)間變量的函數(shù)。時(shí)間變量的函數(shù)。 否則稱為時(shí)變系統(tǒng)。否則稱為時(shí)變系統(tǒng)。 24 三、連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)三、連續(xù)系統(tǒng)

11、和離散系統(tǒng) 連續(xù)系統(tǒng)：連續(xù)系統(tǒng)： 系統(tǒng)中各部分的信號(hào)都是時(shí)間的連續(xù)系統(tǒng)中各部分的信號(hào)都是時(shí)間的連續(xù) 函數(shù)即模擬量。函數(shù)即模擬量。 離散系統(tǒng)：離散系統(tǒng)： 系統(tǒng)中有一處或多處信號(hào)為時(shí)間的系統(tǒng)中有一處或多處信號(hào)為時(shí)間的 離散函數(shù)，如脈沖或數(shù)碼信號(hào)。離散函數(shù)，如脈沖或數(shù)碼信號(hào)。 若系統(tǒng)中既有模擬量也有離散信號(hào)，若系統(tǒng)中既有模擬量也有離散信號(hào)， 則又可稱之為采樣系統(tǒng)。則又可稱之為采樣系統(tǒng)。 25 四、恒值系統(tǒng)、隨動(dòng)系統(tǒng)和四、恒值系統(tǒng)、隨動(dòng)系統(tǒng)和 程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng) 系統(tǒng)的給定值為一定值，而控制任系統(tǒng)的給定值為一定值，而控制任 務(wù)就是克服擾動(dòng)，使被控量保持恒值。務(wù)就是克服擾動(dòng)，使被控量保持恒值。 例

12、如：電機(jī)速度控制、恒溫、恒壓、例如：電機(jī)速度控制、恒溫、恒壓、 水位控制系統(tǒng)等。水位控制系統(tǒng)等。 恒值系統(tǒng)：恒值系統(tǒng)： 26 隨動(dòng)系統(tǒng)：隨動(dòng)系統(tǒng)： 系統(tǒng)給定值按照事先不知道的時(shí)系統(tǒng)給定值按照事先不知道的時(shí) 間函數(shù)變化，并要求被控量跟隨給定間函數(shù)變化，并要求被控量跟隨給定 值變化。值變化。 程序控制系統(tǒng)：程序控制系統(tǒng)： 系統(tǒng)的給定值按照一定的時(shí)間函系統(tǒng)的給定值按照一定的時(shí)間函 數(shù)變化，并要求被控量隨之變化。數(shù)變化，并要求被控量隨之變化。 27 28 第三節(jié)對(duì)控制系統(tǒng)的性能要求 n定義：通常將系統(tǒng)受到給定值或干擾信號(hào)作用后，定義：通常將系統(tǒng)受到給定值或干擾信號(hào)作用后， 控制被控量變化的全過程稱為系

13、統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程?？刂票豢亓孔兓娜^程稱為系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程。 工程上常從穩(wěn)、快、準(zhǔn)三個(gè)方面來評(píng)價(jià)控制系統(tǒng)。工程上常從穩(wěn)、快、準(zhǔn)三個(gè)方面來評(píng)價(jià)控制系統(tǒng)。 穩(wěn)穩(wěn) 指動(dòng)態(tài)過程的平穩(wěn)性指動(dòng)態(tài)過程的平穩(wěn)性 快快 指動(dòng)態(tài)過程的快速性指動(dòng)態(tài)過程的快速性 準(zhǔn)準(zhǔn) 指動(dòng)態(tài)過程的最終精度指動(dòng)態(tài)過程的最終精度 29 穩(wěn)穩(wěn) 指動(dòng)態(tài)過程的平穩(wěn)性指動(dòng)態(tài)過程的平穩(wěn)性 控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程曲線 如上圖，系統(tǒng)在外作用作用下，輸出逐漸與期望值一 致，則系統(tǒng)穩(wěn)定的，如曲線所示； 反之，輸出如曲線所示，則系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。 30 快快 指動(dòng)態(tài)過程的快速性指動(dòng)態(tài)過程的快速性 快速性即動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行的時(shí)間的長(zhǎng)短。過程時(shí)間越短，說明系 統(tǒng)快速性越好，反

14、之說明系統(tǒng)響應(yīng)遲鈍。如曲線所示。 穩(wěn)和快反映了系統(tǒng)過渡過程的性能的好壞。既快又穩(wěn)，表明系穩(wěn)和快反映了系統(tǒng)過渡過程的性能的好壞。既快又穩(wěn)，表明系 統(tǒng)的動(dòng)態(tài)精度高；統(tǒng)的動(dòng)態(tài)精度高； 31 準(zhǔn)準(zhǔn) 是指系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)過程結(jié)束后，其被控量（或反饋量）是指系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)過程結(jié)束后，其被控量（或反饋量） 對(duì)給定值的偏差而言，這一偏差稱為穩(wěn)態(tài)誤差，是衡量穩(wěn)態(tài)對(duì)給定值的偏差而言，這一偏差稱為穩(wěn)態(tài)誤差，是衡量穩(wěn)態(tài) 精度的指標(biāo)，反映了系統(tǒng)后期穩(wěn)態(tài)的性能。精度的指標(biāo)，反映了系統(tǒng)后期穩(wěn)態(tài)的性能。 以上分析的穩(wěn)、快、準(zhǔn)三方面的性能指標(biāo)由于被控對(duì)象的具以上分析的穩(wěn)、快、準(zhǔn)三方面的性能指標(biāo)由于被控對(duì)象的具 體情況不同，各系統(tǒng)要求有所

15、側(cè)重。而且同一個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)、體情況不同，各系統(tǒng)要求有所側(cè)重。而且同一個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)、 快、準(zhǔn)的要求是相互制約的?？臁?zhǔn)的要求是相互制約的。 32 自動(dòng)控制理論研究的是如何按受控對(duì)自動(dòng)控制理論研究的是如何按受控對(duì) 象和環(huán)境特征，通過能動(dòng)地采集和運(yùn)用信象和環(huán)境特征，通過能動(dòng)地采集和運(yùn)用信 息，施加控制作用使系統(tǒng)在不確定的條件息，施加控制作用使系統(tǒng)在不確定的條件 下正常運(yùn)行并具有預(yù)定功能。它是研究自下正常運(yùn)行并具有預(yù)定功能。它是研究自 動(dòng)控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)，其主要內(nèi)容動(dòng)控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)，其主要內(nèi)容 涉及受控對(duì)象、環(huán)境特征、控制目標(biāo)和控涉及受控對(duì)象、環(huán)境特征、控制目標(biāo)和控 制手段以及它們之間的相互

16、作用。制手段以及它們之間的相互作用。 第四節(jié)第四節(jié) 自動(dòng)控制理論發(fā)展簡(jiǎn)述自動(dòng)控制理論發(fā)展簡(jiǎn)述 33 具有具有“自動(dòng)自動(dòng)”功能的裝置自古有之，瓦特發(fā)功能的裝置自古有之，瓦特發(fā) 明的蒸汽機(jī)上的離心調(diào)速器是比較自覺地運(yùn)用反明的蒸汽機(jī)上的離心調(diào)速器是比較自覺地運(yùn)用反 饋原理進(jìn)行設(shè)計(jì)并取得成功的首例。饋原理進(jìn)行設(shè)計(jì)并取得成功的首例。 第四節(jié)第四節(jié) 自動(dòng)控制理論發(fā)展簡(jiǎn)述自動(dòng)控制理論發(fā)展簡(jiǎn)述 轉(zhuǎn)速高轉(zhuǎn)速高 減小閥門開度減小閥門開度 蒸汽量減小蒸汽量減小 減速減速 蒸汽閥門蒸汽閥門 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 34 從從20世紀(jì)世紀(jì)20年代到年代到40年代形成了以時(shí)域法，頻率法和根軌跡年代形成了以時(shí)域法，頻率法和根

17、軌跡 法為支柱的法為支柱的“古典古典”控制理論。控制理論。 35 n燃料問題燃料問題 n多步驟多步驟,每步安排每步安排 n輸入輸入 輸出輸出 中間狀態(tài)中間狀態(tài) n航天飛機(jī)的著陸航天飛機(jī)的著陸 n所有的狀態(tài)都能控到希望值所有的狀態(tài)都能控到希望值? n對(duì)于實(shí)際不測(cè)量的狀態(tài)對(duì)于實(shí)際不測(cè)量的狀態(tài),可否通過輸出數(shù)據(jù)可否通過輸出數(shù)據(jù) 的檢測(cè)來觀測(cè)的檢測(cè)來觀測(cè) n如何從干擾中提取信號(hào)如何從干擾中提取信號(hào) 60年代以來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和航天等高科技的年代以來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和航天等高科技的 推動(dòng)，又產(chǎn)生了基于狀態(tài)空間模型的所謂推動(dòng)，又產(chǎn)生了基于狀態(tài)空間模型的所謂“現(xiàn)代現(xiàn)代”控制理論?？刂评碚?。 3

18、6 第四節(jié)第四節(jié) 自動(dòng)控制理論發(fā)展簡(jiǎn)述自動(dòng)控制理論發(fā)展簡(jiǎn)述 當(dāng)對(duì)象或環(huán)境特性變化時(shí)，為了使系統(tǒng)當(dāng)對(duì)象或環(huán)境特性變化時(shí)，為了使系統(tǒng) 能自行調(diào)節(jié)，以跟蹤這種變化并保持良好的能自行調(diào)節(jié)，以跟蹤這種變化并保持良好的 品質(zhì)，又出現(xiàn)了自適應(yīng)控制。品質(zhì)，又出現(xiàn)了自適應(yīng)控制。 真正優(yōu)良的設(shè)計(jì)必須允許模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)真正優(yōu)良的設(shè)計(jì)必須允許模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù) 不精確并可能在一定范圍內(nèi)變化，即具有魯棒不精確并可能在一定范圍內(nèi)變化，即具有魯棒 性。這是當(dāng)前的重要前沿課題之一。性。這是當(dāng)前的重要前沿課題之一。 隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，人們力求使設(shè)計(jì)隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，人們力求使設(shè)計(jì) 的控制系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)的性能指標(biāo)，為了使系統(tǒng)在的控制系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)的性能指標(biāo)，為了使系統(tǒng)在 一定的約束條件下，其某項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)而一定的約束條件下，其某項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)而 實(shí)行的控制稱為最優(yōu)控制。實(shí)行的控制稱