第一章北航自控課件

1、1第一章 自動(dòng)控制的一般概念1-1 自動(dòng)控制的任務(wù)1-自動(dòng)控制的基本方式1-對(duì)控制系統(tǒng)的性能要求返回主目錄21-1 自動(dòng)控制的任務(wù) 通常，在自動(dòng)控制技術(shù)中，把工作的機(jī)器設(shè)備稱為被控對(duì)象，把表征這些機(jī)器設(shè)備工作狀態(tài)的物理參量稱為被控量，而對(duì)這些物理參量的要求值稱為給定值或希望值（或參考輸入）。則控制的任務(wù)可概括為：在沒有人直接參與下，使被控對(duì)象的被控量等于給定值。即()()ctrt返回子目錄返回子目錄3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)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)的概念的概念控制器控制器氣動(dòng)閥門氣動(dòng)閥門流入流入Q Q1 1浮子浮子水箱水箱流出流出 Q Q2 2H H水位

2、自動(dòng)控制系統(tǒng)水位自動(dòng)控制系統(tǒng)4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)水位恒定控制裝置：控制裝置：氣動(dòng)閥門、控制器氣動(dòng)閥門、控制器受控對(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5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6自動(dòng)控制，即沒有人直接參與的控制。其基本任務(wù)是：自動(dòng)控制，即沒有人直接參與的控制。其基本任務(wù)是：在無人直接

3、參與的情況下，利用控制裝置操縱被控對(duì)在無人直接參與的情況下，利用控制裝置操縱被控對(duì)象，使被控制量等于給定值。象，使被控制量等于給定值。自動(dòng)控制系統(tǒng)：指能夠完成自動(dòng)控制任務(wù)的設(shè)備，一般由控制裝置控制裝置和被控對(duì)象被控對(duì)象組成。由此可見：由此可見：71-自動(dòng)控制的基本方式被控量被控量比較比較執(zhí)行執(zhí)行測(cè)量測(cè)量被控對(duì)象被控對(duì)象實(shí)測(cè)值實(shí)測(cè)值干擾干擾測(cè)量測(cè)量給定值給定值H自動(dòng)控制方框圖返回子目錄返回子目錄H8在上圖中，除被控對(duì)象外的其余部分統(tǒng)稱為控制裝置，它必須包含以下三種職能部件。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

4、被控對(duì)象參與控制的信號(hào)來自給定值、干擾量、被控量。9 開環(huán)控制開環(huán)控制按給定值操縱的開環(huán)控制按給定值操縱的開環(huán)控制按干擾補(bǔ)償?shù)拈_環(huán)控制按干擾補(bǔ)償?shù)拈_環(huán)控制 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 復(fù)合控制復(fù)合控制下面根據(jù)不同的信號(hào)源來分析自動(dòng)控制的幾種基本控制方式下面根據(jù)不同的信號(hào)源來分析自動(dòng)控制的幾種基本控制方式10一、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開環(huán)控制系統(tǒng)原理方框圖按給定值操縱的開環(huán)控制系統(tǒng)原理方框圖開開環(huán)控制系統(tǒng)的輸出端與輸入端之間不存在反饋回路，輸出量對(duì)系統(tǒng)的控制作用沒有影響。開環(huán)控制

5、：控制裝置與被控對(duì)象之間只有單方向的聯(lián)系，信號(hào)由給定值至被控量是單向傳遞的。11爐溫控制系統(tǒng)爐溫控制系統(tǒng)原理方框圖定時(shí)開關(guān)爐子電阻絲0T給定爐溫T實(shí)際爐溫12 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)：控制裝置只按給定值來控制受控對(duì)象?？刂蒲b置只按給定值來控制受控對(duì)象。優(yōu)點(diǎn)：控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，相對(duì)來說成本低。優(yōu)點(diǎn)：控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，相對(duì)來說成本低。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。13二、按干擾補(bǔ)償?shù)拈_環(huán)控制q定義：利用干擾信號(hào)產(chǎn)生控制作用，以及時(shí)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。補(bǔ)償干擾對(duì)

6、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，對(duì)不可測(cè)干擾以及受控對(duì)：只能對(duì)可測(cè)干擾進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)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)自身無法控制。法控制。適用于：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。14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15三、按偏差調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制q 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。q優(yōu)點(diǎn)：可以自動(dòng)調(diào)節(jié)由于干擾和內(nèi)部

7、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)原理方框圖按偏差調(diào)節(jié)的系統(tǒng)原理方框圖16如上圖所示，反饋回來的信號(hào)與給定值如上圖所示，反饋回來的信號(hào)與給定值相減，即根據(jù)偏差進(jìn)行控制，稱為負(fù)反相減，即根據(jù)偏差進(jìn)行控制，稱為負(fù)反饋，反之稱為正反饋。饋，反之稱為正反饋。這種控制方式控制精度較高，因?yàn)闊o論是干擾的作用，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，只要被控量偏離給定值，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

8、。但是閉環(huán)控制系統(tǒng)的參數(shù)如果匹系統(tǒng)就會(huì)自行糾偏。但是閉環(huán)控制系統(tǒng)的參數(shù)如果匹配得不好，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。正常工作。17控制任務(wù)控制任務(wù)：保持轉(zhuǎn)臺(tái)的實(shí)際轉(zhuǎn)速等于期望轉(zhuǎn)速。被控對(duì)象被控對(duì)象：轉(zhuǎn)臺(tái)。被控量被控量：轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速。 例例 轉(zhuǎn)臺(tái)速度控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)速度控制系統(tǒng) 轉(zhuǎn)臺(tái)速度閉環(huán)控制系統(tǒng)原理方框圖 18飛機(jī)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)原理圖例例 飛機(jī)飛機(jī)-自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)19控制任務(wù)控制任務(wù)：系統(tǒng)在任何擾動(dòng)作用下，保持飛機(jī)俯仰角不變。被控對(duì)象被控對(duì)象：飛機(jī)。被控量被控量：飛機(jī)的俯仰角 。 俯仰角控制系統(tǒng)原理方框圖20四、復(fù)合控制復(fù)合控

9、制就是開環(huán)控制和閉環(huán)控制相結(jié)合的一種控制。實(shí)質(zhì)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。實(shí)質(zhì)上，它是在閉環(huán)控制回路的基礎(chǔ)上，附加了一個(gè)輸入信號(hào)或上，它是在閉環(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)的控制精度。擾動(dòng)作用的順饋通路，來提高系統(tǒng)的控制精度。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211-對(duì)控制系統(tǒng)的性能要求 定義：通常把系統(tǒng)受到外作用后，被控量隨時(shí)間定義：通常把系統(tǒng)受到外作用后，被控量隨時(shí)間變化的全過程，稱為動(dòng)態(tài)過程或過渡過程。變化的全過程，稱為動(dòng)態(tài)過程或過渡過程。工程上常從穩(wěn)、快、準(zhǔn)三個(gè)方

10、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)： 指控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與平穩(wěn)性。指控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與平穩(wěn)性。 快：快： 指控制系統(tǒng)的快速性。指控制系統(tǒng)的快速性。 準(zhǔn)：準(zhǔn)： 指控制系統(tǒng)的最終精度（穩(wěn)態(tài)精度）。指控制系統(tǒng)的最終精度（穩(wěn)態(tài)精度）。返回子目錄返回子目錄22穩(wěn)：穩(wěn)： 指控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與平穩(wěn)性指控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與平穩(wěn)性控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程曲線如上圖所示，系統(tǒng)在外力作用下，輸出逐漸與期望值一致，則系統(tǒng)是穩(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。23快：快： 指控制系統(tǒng)的快速性指控制系統(tǒng)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)動(dòng)態(tài)過程性能的好壞。既快又穩(wěn)，表明系統(tǒng)穩(wěn)和快反映了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程性能的好壞。既快又穩(wěn)，表明系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)精度高。的動(dòng)態(tài)精度高。24準(zhǔn)：準(zhǔn)： 指系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)過程結(jié)束后，其被控量（或反饋量）指系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)過程結(jié)束后，其被控量（或反饋量）與給定值的偏差，這一偏差稱為穩(wěn)態(tài)誤差，是衡量穩(wěn)態(tài)與給定值的偏差，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)，