第1章機(jī)械自動(dòng)化

1、東北大學(xué)自動(dòng)控制原理課程組1 東北大學(xué)自動(dòng)控制原理課程組2 n為適應(yīng)我國對(duì)高等學(xué)校自動(dòng)化專業(yè)人才培為適應(yīng)我國對(duì)高等學(xué)校自動(dòng)化專業(yè)人才培 養(yǎng)的需要，充分、合理運(yùn)用先進(jìn)教育教學(xué)養(yǎng)的需要，充分、合理運(yùn)用先進(jìn)教育教學(xué) 技術(shù)，我們根據(jù)東北大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)的教技術(shù)，我們根據(jù)東北大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)的教 學(xué)大綱制作了本電子教案。學(xué)大綱制作了本電子教案。 n由于時(shí)間和水平有限，這里只提供了滿足由于時(shí)間和水平有限，這里只提供了滿足 課堂教學(xué)要求的基本信息。課堂教學(xué)要求的基本信息。 n希望本教案能夠?yàn)槭褂孟嚓P(guān)教材的教師提希望本教案能夠?yàn)槭褂孟嚓P(guān)教材的教師提 供方便，并歡迎提出批評(píng)和意見。供方便，并歡迎提出批評(píng)和意見。 東

2、北大學(xué)自動(dòng)控制原理課程組3 東北大學(xué)自動(dòng)控制原理課程組4 東北大學(xué)自動(dòng)控制原理課程組5 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 n開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng) n閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成和基本環(huán)節(jié)閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成和基本環(huán)節(jié) n自動(dòng)控制系統(tǒng)的類型自動(dòng)控制系統(tǒng)的類型 n自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo) n小結(jié)小結(jié) 東北大學(xué)自動(dòng)控制原理課程組6 學(xué)習(xí)重點(diǎn)學(xué)習(xí)重點(diǎn) v了解自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)及其工了解自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)及其工 作原理作原理 v了解閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成和基本環(huán)節(jié)了解閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成和基本環(huán)節(jié) v掌握反饋控制系統(tǒng)的基本要求及反饋控制系掌握反饋控制系統(tǒng)的基本要求及

3、反饋控制系 統(tǒng)的作用統(tǒng)的作用 v學(xué)會(huì)分析自動(dòng)控制系統(tǒng)的類型及本質(zhì)特征學(xué)會(huì)分析自動(dòng)控制系統(tǒng)的類型及本質(zhì)特征 東北大學(xué)自動(dòng)控制原理課程組7 課程的性質(zhì)和特點(diǎn)課程的性質(zhì)和特點(diǎn) 自動(dòng)控制是一門技術(shù)學(xué)科，從方法論的角自動(dòng)控制是一門技術(shù)學(xué)科，從方法論的角 度來研究系統(tǒng)的建立、分析與設(shè)計(jì)問題。度來研究系統(tǒng)的建立、分析與設(shè)計(jì)問題。 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理是本學(xué)科的技術(shù)基礎(chǔ)課。是本學(xué)科的技術(shù)基礎(chǔ)課。 東北大學(xué)自動(dòng)控制原理課程組8 本課程與其它課程的關(guān)系本課程與其它課程的關(guān)系 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 電路理論電路理論 電機(jī)與拖動(dòng)電機(jī)與拖動(dòng) 大學(xué)物理大學(xué)物理 信號(hào)與系統(tǒng)信號(hào)與系統(tǒng) 復(fù)變函數(shù)復(fù)變函數(shù) 拉氏變換拉氏

4、變換 模擬電子技術(shù)模擬電子技術(shù) 線性代數(shù)線性代數(shù) 微積分微積分 各各 類類 專業(yè)課專業(yè)課 線性系統(tǒng)線性系統(tǒng) 現(xiàn)代控現(xiàn)代控 制理論制理論 東北大學(xué)自動(dòng)控制原理課程組9 自動(dòng)控制是在沒有人的直接干預(yù)下，利用物自動(dòng)控制是在沒有人的直接干預(yù)下，利用物 理裝置對(duì)生產(chǎn)設(shè)備和工藝過程進(jìn)行合理的控制，理裝置對(duì)生產(chǎn)設(shè)備和工藝過程進(jìn)行合理的控制， 使被控制的物理量保持恒定，或者按照一定的規(guī)使被控制的物理量保持恒定，或者按照一定的規(guī) 律變化，例如礦井提升機(jī)的速度控制、軋鋼廠加律變化，例如礦井提升機(jī)的速度控制、軋鋼廠加 熱爐溫度的控制等等。熱爐溫度的控制等等。 自動(dòng)控制系統(tǒng)是為實(shí)現(xiàn)某一控制目標(biāo)所需要自動(dòng)控制系統(tǒng)是為實(shí)

5、現(xiàn)某一控制目標(biāo)所需要 的所有物理部件的有機(jī)組合體。的所有物理部件的有機(jī)組合體。 東北大學(xué)自動(dòng)控制原理課程組10 例1-1 溫度控制系統(tǒng) 性能指標(biāo)性能指標(biāo) 工作過程工作過程 220V u c 2 1 東北大學(xué)自動(dòng)控制原理課程組11 12 擾動(dòng)量擾動(dòng)量 給定量給定量 輸出量輸出量 1 - 執(zhí)行器執(zhí)行器(自耦變壓器自耦變壓器) 2 - 被控對(duì)象被控對(duì)象(電阻爐電阻爐) 圖中：圖中： 東北大學(xué)自動(dòng)控制原理課程組12 （1 1）開環(huán)控制）開環(huán)控制 只有輸入量對(duì)輸出量產(chǎn)生控制作用，輸 出量不參與對(duì)系統(tǒng)的控制。 （2 2）開環(huán)控制特點(diǎn)）開環(huán)控制特點(diǎn) n輸入量與輸出量一一對(duì)應(yīng) n輸出量不參與控制 沒有抗干擾能

6、力 東北大學(xué)自動(dòng)控制原理課程組13 例1-2 溫度閉環(huán)控制系統(tǒng) （1 1）人工閉環(huán)控制 220V 1 2 uc 東北大學(xué)自動(dòng)控制原理課程組14 （2 2）自動(dòng)閉環(huán)控制）自動(dòng)閉環(huán)控制 閉環(huán)控制系統(tǒng)圖 1-熱電偶 2-加熱器 東北大學(xué)自動(dòng)控制原理課程組15 給定量給定量 閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖 1-控制器 2-控制對(duì)象 3-檢測裝置 東北大學(xué)自動(dòng)控制原理課程組16 閉環(huán)控制閉環(huán)控制 把輸出量的一部分檢測出來,反饋到輸入端,與 給定信號(hào)進(jìn)行比較，產(chǎn)生偏差,此偏差經(jīng)過控制器產(chǎn) 生控制作用,使輸出量按照要求的規(guī)律變化。 反饋信號(hào)與給定信號(hào)極性相反為負(fù)反饋,反之為 正反饋。 閉環(huán)閉環(huán)控制特點(diǎn)控制特點(diǎn) n輸入量與輸

7、出量一一對(duì)應(yīng) n輸出量參與控制 n具有抗干擾能力 東北大學(xué)自動(dòng)控制原理課程組17 1.1.閉環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖閉環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖 1-給定環(huán)節(jié)；給定環(huán)節(jié)；2-比較環(huán)節(jié)；比較環(huán)節(jié)；3-校正環(huán)節(jié)；校正環(huán)節(jié)；4-放大環(huán)節(jié)；放大環(huán)節(jié)； 5-執(zhí)行機(jī)構(gòu)；執(zhí)行機(jī)構(gòu)；6-被控對(duì)象；被控對(duì)象；7-檢測裝置檢測裝置 東北大學(xué)自動(dòng)控制原理課程組18 2.2.閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本環(huán)節(jié)閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本環(huán)節(jié) （1 1）控制對(duì)象或調(diào)節(jié)對(duì)象 要進(jìn)行控制的設(shè)備或過程。 （2 2）執(zhí)行機(jī)構(gòu) 一般由傳動(dòng)裝置和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)直接 作用于控制對(duì)象，使被控制量達(dá)到所要求的數(shù)值。 （3 3）檢測裝置或傳感器 該裝置用來檢測被控制

8、量，并將其轉(zhuǎn)換為與給定 量相同的物理量。 東北大學(xué)自動(dòng)控制原理課程組19 （4）給定環(huán)節(jié) 設(shè)定被控制量的給定值的裝置。 （5）比較環(huán)節(jié) 將所檢測的被控制量與給定量進(jìn)行比較，確定 兩者之間的偏差量。 （6）中間環(huán)節(jié) 一般包括比較環(huán)節(jié)和校正環(huán)節(jié)。 東北大學(xué)自動(dòng)控制原理課程組20 (1) 被控對(duì)象 (2) 被控量或輸出量 (3) 控制量 (4) 設(shè)定量或輸入量 (5) 擾動(dòng)量 (6) 反饋量 (7) 偏差量 3.3.閉環(huán)控制系統(tǒng)中的基本術(shù)語閉環(huán)控制系統(tǒng)中的基本術(shù)語 (8) 前向通道或正向通道 (9) 反饋通道或反向通道 (10) 理想輸出 (11) 實(shí)際輸出 東北大學(xué)自動(dòng)控制原理課程組21 1 1）

9、線性系統(tǒng)）線性系統(tǒng) 由線性元件組成的系統(tǒng)，其微分方程中輸出量及其各階 導(dǎo)數(shù)都是一次的，并且各系數(shù)與輸入量（自變量）無關(guān)。 2 2）非線性系統(tǒng)）非線性系統(tǒng) 存在非線性元件的系統(tǒng)，其微分方程式的系數(shù)與自變量 有關(guān)。 東北大學(xué)自動(dòng)控制原理課程組22 1 1）連續(xù)系統(tǒng)）連續(xù)系統(tǒng) 系統(tǒng)各部分的信號(hào)都是連續(xù)的模擬量。 2 2）離散系統(tǒng)）離散系統(tǒng) 系統(tǒng)的一處或幾處，信號(hào)是以脈沖序列或數(shù)碼 的形式傳遞。 東北大學(xué)自動(dòng)控制原理課程組23 1 1）恒值系統(tǒng)）恒值系統(tǒng) 給定量是恒定不變的。 2 2）程序控制系統(tǒng)）程序控制系統(tǒng) 給定量是按照一定的時(shí)間函數(shù)變化的。 3 3）隨動(dòng)系統(tǒng)）隨動(dòng)系統(tǒng) 給定量按照事先未知的時(shí)間函

10、數(shù)變化。 東北大學(xué)自動(dòng)控制原理課程組24 系統(tǒng)的過渡過程產(chǎn)生的原因系統(tǒng)的過渡過程產(chǎn)生的原因 ： 系統(tǒng)中儲(chǔ)能元件系統(tǒng)中儲(chǔ)能元件 的能量不可能突變。的能量不可能突變。 “穩(wěn)穩(wěn)”與與“快快”描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)（過渡過程）品質(zhì)。描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)（過渡過程）品質(zhì)。 “準(zhǔn)準(zhǔn)”描述系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)）品質(zhì)。描述系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)）品質(zhì)。 東北大學(xué)自動(dòng)控制原理課程組25 穩(wěn)定性穩(wěn)定性 是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。 線性控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性由系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)與參線性控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性由系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)與參 數(shù)決定，與外部條件和初始狀態(tài)無關(guān)。數(shù)決定，與外部條件和初始狀態(tài)無關(guān)。 東北大學(xué)自動(dòng)控制

11、原理課程組26 穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)誤差 當(dāng)系統(tǒng)從一個(gè)穩(wěn)態(tài)過渡到新的穩(wěn)態(tài)，或系統(tǒng)受當(dāng)系統(tǒng)從一個(gè)穩(wěn)態(tài)過渡到新的穩(wěn)態(tài)，或系統(tǒng)受 擾動(dòng)作用又重新平衡后，系統(tǒng)可能會(huì)出現(xiàn)偏差，這擾動(dòng)作用又重新平衡后，系統(tǒng)可能會(huì)出現(xiàn)偏差，這 種偏差稱為種偏差稱為穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)誤差。 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的大小反映了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的大小反映了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度精度， 它表明了系統(tǒng)控制的準(zhǔn)確程度。穩(wěn)態(tài)誤差越小，則它表明了系統(tǒng)控制的準(zhǔn)確程度。穩(wěn)態(tài)誤差越小，則 系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度越高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度越高。 東北大學(xué)自動(dòng)控制原理課程組27 n有差系統(tǒng)（有差系統(tǒng)（圖圖a a ） 若穩(wěn)態(tài)誤差不為零，則系統(tǒng)稱為若穩(wěn)態(tài)誤差不為零，則系統(tǒng)稱為有差系統(tǒng)有差系統(tǒng)。

12、 n無差系統(tǒng)無差系統(tǒng)（圖（圖b b ） 若穩(wěn)態(tài)誤差為零，則系統(tǒng)稱為若穩(wěn)態(tài)誤差為零，則系統(tǒng)稱為無差系統(tǒng)無差系統(tǒng)。 (a a) (b b) 東北大學(xué)自動(dòng)控制原理課程組28 東北大學(xué)自動(dòng)控制原理課程組29 （1 1）最大超調(diào)量）最大超調(diào)量 輸出最大值與輸出穩(wěn)態(tài)值的相對(duì)誤差。輸出最大值與輸出穩(wěn)態(tài)值的相對(duì)誤差。 反映了系統(tǒng)的反映了系統(tǒng)的平穩(wěn)性平穩(wěn)性。最大超調(diào)量越小，則。最大超調(diào)量越小，則 說明系統(tǒng)過渡過程越平穩(wěn)。說明系統(tǒng)過渡過程越平穩(wěn)。 （2 2）上升時(shí)間）上升時(shí)間 指系統(tǒng)的輸出量第一次到達(dá)輸出穩(wěn)態(tài)值所對(duì)應(yīng)指系統(tǒng)的輸出量第一次到達(dá)輸出穩(wěn)態(tài)值所對(duì)應(yīng) 的時(shí)刻。的時(shí)刻。 cmax () %100% () c

13、c xx x r t 東北大學(xué)自動(dòng)控制原理課程組30 （3 3）過渡過程時(shí)間（調(diào)節(jié)時(shí)間）過渡過程時(shí)間（調(diào)節(jié)時(shí)間） 系統(tǒng)的輸出量進(jìn)入并一直保持在穩(wěn)態(tài)輸出值系統(tǒng)的輸出量進(jìn)入并一直保持在穩(wěn)態(tài)輸出值 附近的允許誤差帶內(nèi)所需的時(shí)間。允許誤差附近的允許誤差帶內(nèi)所需的時(shí)間。允許誤差 帶寬度一般取穩(wěn)態(tài)輸出值的帶寬度一般取穩(wěn)態(tài)輸出值的2%2%或或5%5%。 調(diào)節(jié)時(shí)間的長短反映了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間的長短反映了系統(tǒng)的快速性快速性。調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié) 時(shí)間越小，系統(tǒng)的快速性越好。時(shí)間越小，系統(tǒng)的快速性越好。 （4 4）振蕩次數(shù)）振蕩次數(shù) 在調(diào)節(jié)時(shí)間內(nèi)，輸出量在穩(wěn)態(tài)值附近上下波在調(diào)節(jié)時(shí)間內(nèi)，輸出量在穩(wěn)態(tài)值附近上下波 動(dòng)的次數(shù)。動(dòng)的

14、次數(shù)。 它也反映系統(tǒng)的它也反映系統(tǒng)的平穩(wěn)性平穩(wěn)性。振蕩次數(shù)越少，說。振蕩次數(shù)越少，說 明系統(tǒng)的平穩(wěn)性越好。明系統(tǒng)的平穩(wěn)性越好。 s t 東北大學(xué)自動(dòng)控制原理課程組31 1. 1. 開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好，但不能自開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好，但不能自 動(dòng)補(bǔ)償擾動(dòng)對(duì)輸出量的影響。當(dāng)系統(tǒng)擾動(dòng)量產(chǎn)動(dòng)補(bǔ)償擾動(dòng)對(duì)輸出量的影響。當(dāng)系統(tǒng)擾動(dòng)量產(chǎn) 生的偏差可以預(yù)先進(jìn)行補(bǔ)償或影響不大時(shí)，采生的偏差可以預(yù)先進(jìn)行補(bǔ)償或影響不大時(shí)，采 用開環(huán)控制是有利的。當(dāng)擾動(dòng)量無法預(yù)計(jì)或控用開環(huán)控制是有利的。當(dāng)擾動(dòng)量無法預(yù)計(jì)或控 制系統(tǒng)的精度達(dá)不到預(yù)期要求時(shí)，則應(yīng)采用閉制系統(tǒng)的精度達(dá)不到預(yù)期要求時(shí)，則應(yīng)采用閉 環(huán)控制。環(huán)

15、控制。 2. 2. 閉環(huán)控制系統(tǒng)具有反饋環(huán)節(jié)，它能依靠反饋環(huán)閉環(huán)控制系統(tǒng)具有反饋環(huán)節(jié)，它能依靠反饋環(huán) 節(jié)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，以克服擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響。節(jié)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，以克服擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響。 閉環(huán)控制極大地提高了系統(tǒng)的精度。但是閉環(huán)閉環(huán)控制極大地提高了系統(tǒng)的精度。但是閉環(huán) 使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，需要重視并加以解決。使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，需要重視并加以解決。 東北大學(xué)自動(dòng)控制原理課程組32 3.3.自動(dòng)控制系統(tǒng)通常由給定環(huán)節(jié)、檢測環(huán)節(jié)、自動(dòng)控制系統(tǒng)通常由給定環(huán)節(jié)、檢測環(huán)節(jié)、 比較環(huán)節(jié)、放大元件、被控對(duì)象、和反饋環(huán)比較環(huán)節(jié)、放大元件、被控對(duì)象、和反饋環(huán) 節(jié)等部件組成。系統(tǒng)的作用量和被控量有：節(jié)等部件組成。系統(tǒng)的作用量和被控量有： 給定量、反饋量、擾動(dòng)量、輸出量和各中間給定量、反饋量、擾動(dòng)量、輸出量和各中間 變量。變量。 4.4.結(jié)構(gòu)圖（又簡稱框圖）可直觀地表達(dá)系統(tǒng)各結(jié)構(gòu)圖（又簡稱框圖）可直觀地表達(dá)系統(tǒng)各 環(huán)節(jié)（或各部件）間因果關(guān)系，可以表達(dá)各環(huán)節(jié)（或各部件）間因果關(guān)系，可以表達(dá)各 種作用量和中間變量的作用點(diǎn)和信號(hào)傳遞情種作用量和中間變量的作用點(diǎn)和信號(hào)傳遞情 況以及它們對(duì)輸出量的影響。況以及它們對(duì)輸出量的影響。 東北大學(xué)自動(dòng)控制原理課程組33 5.5.在不同輸入量作用下對(duì)系