第一章 自動(dòng)控制基本概念

1、動(dòng)力控制工程動(dòng)力控制工程多媒體課件多媒體課件第一章第一章 自動(dòng)控制的基本概念自動(dòng)控制的基本概念教學(xué)目的：教學(xué)目的：通過本章學(xué)習(xí)使學(xué)生自動(dòng)控制系統(tǒng)原理、組成，以及開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)的工作原理、特點(diǎn)。重重 點(diǎn)：點(diǎn)：閉環(huán)控制系統(tǒng)的原理、特點(diǎn)。難難 點(diǎn)：點(diǎn)：控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析。 一、一、 基本概念基本概念1、自 動(dòng) 控 制：在沒人直接參與的情況下，通過控制 器使生產(chǎn)過程自動(dòng)地按預(yù)定規(guī)律運(yùn)行。2、自動(dòng)控制系統(tǒng)：能夠?qū)Ρ豢貙?duì)象的工作狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng) 控制的系統(tǒng)。3、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)：利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)控制的系統(tǒng)。工作原理：1、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集 2、實(shí)時(shí)控制決策 3、實(shí)時(shí)控制輸出舉例：原料氣加熱爐閉環(huán)控制

2、系統(tǒng)原料氣加熱爐原料氣入口出口溫度T溫度傳感器溫度設(shè)定值控制裝置溫差信號(hào)執(zhí)行器燃料油調(diào)節(jié)閥燃料油通道二、開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)二、開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)1、系統(tǒng)工作原理 2、系統(tǒng)特點(diǎn) （一）開環(huán)控制系統(tǒng)：系統(tǒng)的輸出量對(duì)系統(tǒng)沒有控制 作用，該系統(tǒng)稱開環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)調(diào)速系統(tǒng) （二）閉環(huán)控制系統(tǒng)：把輸出量直接或間接地反饋到系統(tǒng) 的輸入端，形成閉環(huán)，參與控制，這種系統(tǒng)叫閉環(huán)控制系統(tǒng)。 1、工作原理 2、特點(diǎn) 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)三、閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成和作用1、閉環(huán)控制系統(tǒng)組成 2、各環(huán)節(jié)的作用 控制裝置執(zhí)行器被控對(duì)象檢測(cè)裝置給定量誤差-輸出量閉環(huán)控制系統(tǒng)原理圖溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)圖原 料 氣 加 熱 爐

3、原 料 氣 入口出 口 溫 度 T溫 度 傳 感 器溫 度 設(shè) 定 值控 制 裝 置溫 差 信 號(hào)執(zhí) 行 器燃 料 油調(diào) 節(jié) 閥燃 料 油 通 道四、控制系統(tǒng)的基本要求1、穩(wěn)定性；2、快速性；3、準(zhǔn)確性五、反饋控制的基本原理課本中水位自動(dòng)控制的例子表明：被控制的物理量是水位；加在進(jìn)水閥上的抨制作用是由控制器產(chǎn)生的；而控制器則是按實(shí)際水位和給定水位的偏差產(chǎn)生控制作用的；這種從被控制的變量中取得控制信息又用來(lái)控制被控制變量的控制方法，稱為反饋控制。是典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)。d(t)，稱為擾動(dòng)變量;凡作用在控制系統(tǒng)中，可以引起輸出變量變化的除去控制塵量u(t)以外的其他國(guó)素，都可以稱為擾動(dòng)。擾動(dòng)變量可以

4、分為內(nèi)擾和外擾兩類。由反饋控制系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的擾動(dòng)，如元件參數(shù)的變化稱為內(nèi)擾。而由反饋控制系統(tǒng)外部引入的擾動(dòng)，如負(fù)載變化，能源變化等，稱為外擾。擾動(dòng)對(duì)控制系統(tǒng)是一種不利因素?？朔_動(dòng)對(duì)輸出變量的影響是反饋控制系統(tǒng)的主要任務(wù)之一。擾動(dòng)變量度d(t)對(duì)整個(gè)反饋控制系統(tǒng)來(lái)說也是一種輸入變量。為了區(qū)別，把給定值稱為控制輸入變量，把擾動(dòng)變量稱為擾動(dòng)輸入變量。 控制器、反饋裝置等都是自動(dòng)控制裝置。在多數(shù)情況下，反饋裝置就是輸出變量的測(cè)量變送裝置。被控對(duì)象與自動(dòng)控制裝置的組合，就構(gòu)成了一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)。圖14所示的控制系統(tǒng)稱為反饋控制系統(tǒng)。由于信息的傳遞可以構(gòu)成一個(gè)閉合環(huán)路，所以又稱閉環(huán)控制系統(tǒng)。從輸入端到輸

5、出端的信號(hào)傳遞路徑稱為前向通道，從輸出端到輸入端的信號(hào)傳遞路徑稱為反饋通道。偏差負(fù)反饋六、自動(dòng)控制系統(tǒng)的類型按控制方式分類：開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)、復(fù)合控制系統(tǒng)按系統(tǒng)元件的特性分類：線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)按系統(tǒng)的性能分類：連續(xù)系統(tǒng)、離散系統(tǒng)離散控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)執(zhí)行器被控對(duì)象檢測(cè)裝置給定量偏差-輸出量計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)A/DD/A控制裝置執(zhí)行器被控對(duì)象檢測(cè)裝置給定量偏差-輸出量連續(xù)控制系統(tǒng)線性控制系統(tǒng)是由線性元件構(gòu)成的系統(tǒng)。線性元件是指輸入和輸出靜特性的關(guān)系為線性的元件。（也可以說，線性系統(tǒng)是可以用線性微分方程描述的系統(tǒng)。當(dāng)線性微分方程的系數(shù)為常數(shù)時(shí)，稱為線性定常系統(tǒng)。當(dāng)線性微分方程的系數(shù)是時(shí)間的函

6、數(shù)時(shí)，稱為線性時(shí)變系統(tǒng)。）線性系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是：滿足疊加原理和齊次原理。 疊加原理是指當(dāng)系統(tǒng)有多個(gè)輸入時(shí)，系統(tǒng)的輸出等于每個(gè)輸入單獨(dú)作用下系統(tǒng)的輸出之和。 齊次原理是指當(dāng)輸入增大或縮小若干倍時(shí)，系統(tǒng)的輸出也相應(yīng)增大或縮小若干倍。即：凡是既滿足疊加原理又滿足齊次原理的系統(tǒng)就是線性系統(tǒng)。1 1 線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)2 2 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) 在開環(huán)控制系統(tǒng)中，控制變量u(t)只根據(jù)控制輸入變量f(t)產(chǎn)生，輸出變量y(t)在控制過程中對(duì)控制變量不產(chǎn)生影響。簡(jiǎn)單，反應(yīng)速度快有誤差，沒有誤差修正能力，外環(huán)控制精度低。閉環(huán)控制是按偏差控制的，以檢測(cè)偏

7、差、消除偏差為特征。3 3 恒值控制系統(tǒng)與隨動(dòng)控制系統(tǒng)恒值控制系統(tǒng)與隨動(dòng)控制系統(tǒng)恒值控制系統(tǒng)與隨動(dòng)控制系統(tǒng)是根據(jù)控制系統(tǒng)的控制輸入變量f(t)進(jìn)行分類的方法。4 4 單變量系統(tǒng)和多變量系統(tǒng)單變量系統(tǒng)和多變量系統(tǒng)單變量系統(tǒng)：?jiǎn)屋斎雴屋敵隹刂葡到y(tǒng)(SISO)，是只有一個(gè)輸入變量和一個(gè)輸出變量的控制系統(tǒng)。多變量控制系統(tǒng)，即多輸人多輸出控制系統(tǒng)(MIMO)，這類控制系統(tǒng)中，變量之間相互耦合，控制難度較大，控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜。5 5 連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)若控制系統(tǒng)中各部分的信號(hào)都是連續(xù)的(即是時(shí)間的連續(xù)函數(shù))稱這類控制系統(tǒng)為連續(xù)系統(tǒng)。在控制系統(tǒng)中，只要有一處信號(hào)是不連續(xù)信號(hào)，則稱其

8、為離散系統(tǒng)。熱交換器的控制原理圖控制系統(tǒng)舉例控制系統(tǒng)舉例恒壓自動(dòng)供水泵統(tǒng)的控制原理閣小結(jié)：1、自控制的基本概念，2、開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作原理及特點(diǎn)3、控制系統(tǒng)的基本要求4、暫態(tài)特性分析重點(diǎn)掌握閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作原理和特點(diǎn)。作業(yè)：Page7，Ex13 開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的主要區(qū)別1、信號(hào)傳輸通道的差別 ： 開環(huán)控制系統(tǒng)：只有正向傳輸通道， 閉環(huán)控制系統(tǒng)：有正向通道和反饋通道。 2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的差別： 開環(huán)控制系統(tǒng)：有給定環(huán)節(jié) 閉環(huán)控制系統(tǒng)：有給定環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)、檢 測(cè)環(huán)節(jié)。3、控制方式的差別: 開環(huán)控制系統(tǒng)：有偏差靠人工控制 閉環(huán)控制系統(tǒng)：對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行自動(dòng)控制。 2、系統(tǒng)中各基本環(huán)節(jié)的作用（1）被控對(duì)象 ：指要進(jìn)行控制的設(shè)備或過程。（2）檢測(cè)裝置：用來(lái)檢測(cè)被控量，并將其轉(zhuǎn)換成與 給定量同一物理量。（3）給定環(huán)節(jié)：是設(shè)定被控量給定值的裝置。（4）比較環(huán)節(jié) ：將檢測(cè)的被控量和給定值進(jìn)行比較