自動控制系統(tǒng)教程1

1、【上一頁】【返回】2022-3-32 【返回】【上一頁】【返回】2022-3-330 0 自動控制原理綜述自動控制原理綜述 1、授課對象授課對象： 工業(yè)自動化專業(yè)、測控技術(shù)與儀器本科專業(yè) 2、本課程的性質(zhì)和任務(wù)本課程的性質(zhì)和任務(wù)： 自動控制原理是工業(yè)自動化專業(yè)和測控技術(shù)與儀器專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。 通過本課程的教學(xué)（講課、實驗、答疑和習(xí)題課），使學(xué)生了解自動控制系統(tǒng)的組成、特點及專業(yè)術(shù)語，學(xué)習(xí)并掌握經(jīng)典控制理論的基本分析方法和設(shè)計方法，掌握實驗技能，為設(shè)計和調(diào)試工業(yè)自動控制系統(tǒng)打下理論基礎(chǔ)。并為進一步的理論學(xué)習(xí)和研究打下堅實的基礎(chǔ)。 【上一頁】【返回】2022-3-343、本課程與相關(guān)課

2、程的關(guān)系本課程與相關(guān)課程的關(guān)系自動控制原理自動控制原理微微積積分分積積分分變變換換復(fù)復(fù)變變函函數(shù)數(shù)電電子子技技術(shù)術(shù)電電路路理理論論現(xiàn)代現(xiàn)代控制控制理論理論過 程過 程控 制控 制系統(tǒng)系統(tǒng)各類各類專業(yè)專業(yè)課程課程大大學(xué)學(xué)物物理理電電機機拖拖動動【上一頁】【返回】2022-3-354 4、課程的理論體系、課程的理論體系 理論體系：系統(tǒng)描述、系統(tǒng)分析、系統(tǒng)綜合理論體系：系統(tǒng)描述、系統(tǒng)分析、系統(tǒng)綜合【上一頁】【返回】2022-3-361 1）經(jīng)典控制理論）經(jīng)典控制理論 研究對象：線性定常單輸入單輸出系統(tǒng) 數(shù)學(xué)模型：微分方程，傳遞函數(shù)（第二章） 系統(tǒng)分析：時域分析、根軌跡分析、 頻率特性分析 （第三、四

3、、五章） 系統(tǒng)綜合：根軌跡法、 頻率特性法（第六章）2 2）現(xiàn)代控制理論）現(xiàn)代控制理論 研究對象：多輸入多輸出系統(tǒng) 數(shù)學(xué)模型：狀態(tài)空間表達式 系統(tǒng)分析：時域分析、能控能觀性分析、穩(wěn)定性分析 系統(tǒng)綜合：狀態(tài)反饋控制、輸出反饋控制、解耦控制 和最優(yōu)控制【上一頁】【返回】2022-3-37 經(jīng)典控制理論所采用的方法本質(zhì)上是頻域方法，建立在試探法的基礎(chǔ)上，主要研究系統(tǒng)的外部特性輸入輸出關(guān)系，只適用于比較簡單的線性定常SISO系統(tǒng)。 現(xiàn)代控制理論所采用的方法本質(zhì)上是時域的方法，它不僅適用于線性定常的SISO系統(tǒng)，還適用于時變系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)和MIMO系統(tǒng)；不僅可以研究系統(tǒng)的外部特性，還可以研究系統(tǒng)的內(nèi)部

4、特性，并將其引入控制，而且可以依據(jù)一定的性能指標設(shè)計出最優(yōu)控制系統(tǒng)。 【上一頁】【返回】2022-3-38 5 5、控制理論學(xué)科的發(fā)展、控制理論學(xué)科的發(fā)展 控制理論的產(chǎn)生可追述到18世紀中葉英國的第一次工業(yè)革命。1765年，Jams Watt發(fā)明了蒸汽機，進而應(yīng)用離心式飛錘調(diào)速原理控制蒸汽機，標志著人類以蒸汽為動力的機械化時代的開始，人們開始研究調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。 1872年E.J.Routh,1890年Hurwitz先后找到了系統(tǒng)穩(wěn)定性的代數(shù)判據(jù) 【上一頁】【返回】2022-3-39 1892年A.M.Liapunov在其“論運動穩(wěn)定性的一般問題”的博士論文中給出了基于廣義能量函數(shù)的系統(tǒng)

5、穩(wěn)定性的一般判據(jù)。 1932年H.Nyquist給出了基于頻率特性的關(guān)于系統(tǒng)穩(wěn)定性的Nyquist判據(jù)。 在二次世界大戰(zhàn)期間，由于軍事上的需要，雷達和火力控制系統(tǒng)有了較大的發(fā)展，N.Winner在總結(jié)前人成果的基礎(chǔ)上發(fā)表了控制論一書，標志著控制理論學(xué)科的誕生?！旧弦豁摗俊痉祷亍?022-3-310控制理論發(fā)展經(jīng)過了三個時期： 第一階段：經(jīng)典控制理論（上世紀40年代末到50年代）。研究對象；主要數(shù)學(xué)工具；主要研究方法；主要解決的問題。 第二階段：現(xiàn)代控制理論（形成于上世紀60年代）。 研究對象；主要數(shù)學(xué)工具；主要方法；重點問題；核心控制裝置。 第三階段：大系統(tǒng)理論時期（形成于上世紀70年代）。

6、研究對象；研究方法；重點問題；核心裝置。【上一頁】【返回】2022-3-311 七十年代開始，人們不僅解決社會、經(jīng)濟、管理、生態(tài)環(huán)境等系統(tǒng)問題，而且為解決模擬人腦功能，形成了新的學(xué)科人工智能科學(xué)，這是控制論的發(fā)展前沿。 人們通過計算機的強大的信息處理能力來開發(fā)人工智能，并用它來模仿人腦。在沒有人的干預(yù)下，人工智能系統(tǒng)能夠進行自調(diào)節(jié)、自學(xué)習(xí)和自組織，以適應(yīng)外界環(huán)境的變化，并作出相應(yīng)的決策和控制。 【上一頁】【返回】2022-3-312 本課程只介紹經(jīng)典控制理論部分，現(xiàn)代控制理論和智能控制部分將在后續(xù)課程中介紹。 【上一頁】【返回】2022-3-3136 6、選用教材：、選用教材： 自動控制原理，

7、顧樹生、王建輝，冶金工業(yè)出版社。 主要參考書目：主要參考書目： 1楊自厚，自動控制原理，冶金工業(yè)出版社，2003.6。 2胡壽松，自動控制原理，國防工業(yè)出版社，2000年。 3緒方勝彥，盧伯英等譯，現(xiàn)代控制工程，科學(xué)出版 社，1981年。 4李友善，自動控制原理，國防工業(yè)出版社 5孫虎章主編，自動控制原理，北京：中央廣播電視大學(xué)出 版社，1984 6李光泉主編，自動控制原理，北京：機械工業(yè)出版社，1987 7 7、學(xué)時安排：、學(xué)時安排：9090學(xué)時學(xué)時【上一頁】【返回】2022-3-314一、基本概念一、基本概念【上一頁】【返回】2022-3-315閥水 池調(diào)節(jié)器【上一頁】【返回】2022-3

8、-316供水閥水槽水漂檢測實際液位排水干擾實際液位給定液位【上一頁】【返回】2022-3-317【上一頁】【返回】2022-3-318 測量信號測量信號 檢測儀表的輸出經(jīng)變送器變換后的與被控信號實際值成比例的信號（測量水位）。6 6 偏差信號偏差信號 給定信號與測量信號的差值信號。7 7 控制信號控制信號 調(diào)節(jié)器（或控制器（內(nèi)含算法，控制率）輸出的信號。8 8 執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu) 執(zhí)行器+調(diào)節(jié)閥。【上一頁】【返回】2022-3-3191. 1. 概念概念: 【上一頁】【返回】2022-3-320【上一頁】【返回】2022-3-321 按給定補償?shù)那梆伩刂?按擾動補償?shù)那梆伩刂?(1sW)(2sW

9、)(sWc)(sH)(sXr)(sXc)(1sW)(2sW)(sWc)(sH)(sXr)(sXc)(sN【上一頁】【返回】2022-3-322 測量信號給定信號被調(diào)參數(shù)調(diào)節(jié)器執(zhí)行機構(gòu)對象檢測儀表【上一頁】【返回】2022-3-323【上一頁】【返回】2022-3-324220VUcufUgU12 1-熱電偶; 2-加熱器 【上一頁】【返回】2022-3-325KnDnCF1UfUgU【上一頁】【返回】2022-3-326給定量輸出量控制器被控對象檢測裝置擾動信號閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖可看出,輸出量也參與了控制四、復(fù)合控制系統(tǒng) 把開環(huán)控制與閉環(huán)控制結(jié)合起來構(gòu)成的系統(tǒng)為復(fù)合控制系統(tǒng)。【上一頁】【返回】20

10、22-3-327(1) 結(jié)構(gòu)圖中信號的傳遞具有單項性。 (2) 作用線只表示信號的傳遞方向,不代表實際物流方向。 (3) 方塊圖可簡可繁,以能清晰描述信號傳遞關(guān)系以及突出研究環(huán)節(jié)性能為原則。（4）從輸入端到輸出端的信號傳遞通道稱為正向通道或前向通道，其傳遞函數(shù)為正向通道傳遞函數(shù)。（5）從輸出端到輸入端的信號傳遞通道稱為反饋通道，其傳遞函數(shù)為反饋通道傳遞函數(shù)?！旧弦豁摗俊痉祷亍?022-3-328 1.給定環(huán)節(jié) 2.比較環(huán)節(jié) 3.校正環(huán)節(jié) 4.放大環(huán)節(jié) 5.執(zhí)行機構(gòu) 6.控制對象 7.檢測裝置1275634輸入輸出該圖經(jīng)常作為描述分析系統(tǒng)的工具應(yīng)重點掌握?！旧弦豁摗俊痉祷亍?022-3-329【

11、上一頁】【返回】2022-3-330 將偏差信號轉(zhuǎn)換成適合于執(zhí)行器工作的信號(功放,SCR)。注意注意: 2、3、4合為一體控制器(裝置)。 直接作用于控制對象（調(diào)節(jié)機構(gòu)、傳動裝置、電機） 要控制的機器,設(shè)備,或生產(chǎn)過程(水槽控制量水位；爐體爐溫；軋輥輥速壓下量.)。 測量控制量并轉(zhuǎn)換成與給定量同物理量信號，要求：精度高、反映靈敏、性能穩(wěn)定的傳感器(測速發(fā)電機、熱電偶、自整角機)。【上一頁】【返回】2022-3-331主反饋：輸出量引回到輸入端的反饋為主反饋。局部反饋：在正向通道里，后面環(huán)節(jié)的輸出對前面環(huán)節(jié)的返回影響稱為局部反饋。1275634輸入輸出8注意：注意：【上一頁】【返回】2022-

12、3-332 【上一頁】【返回】2022-3-333 T1T2O2O1給定f1f2【上一頁】【返回】2022-3-334 控制器 Controler 對象 Object輸出參考輸入【上一頁】【返回】2022-3-335 【上一頁】【返回】2022-3-336對方程對方程 txbdttxdbdttxdbtyadttydadttydammmmmnnnnn.11101110【上一頁】【返回】2022-3-337 典型非線性環(huán)節(jié)特性如下圖典型非線性環(huán)節(jié)特性如下圖XrXrXrXrXrXra.繼電器 b.飽和 c.不靈敏區(qū)(死區(qū))【上一頁】【返回】2022-3-338【上一頁】【返回】2022-3-339采

13、樣開關(guān)數(shù)據(jù)保持器控制對象tXrtete*【上一頁】【返回】2022-3-340:輸入給定值為常值.如恒溫、恒壓、恒速系統(tǒng).:給定值隨時間任意變化,該系統(tǒng)使輸出跟隨輸入的變化(以一定精度)如雷達、導(dǎo)彈瞄準及攔截位置(前例),過程控制的副回路.又如自動平衡電子電位差計.:給定量按照事先指定的時間函數(shù)變化,如程控機床.【上一頁】【返回】2022-3-341 4.4. 自動控制系統(tǒng)的性能指標自動控制系統(tǒng)的性能指標【上一頁】【返回】2022-3-342對于SISO系統(tǒng)可以用微分方程描述,而微分方程(線性)的穩(wěn)態(tài)解(特解)正是描述了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài);而其暫態(tài)解（齊次通解 描述了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時的穩(wěn)定程度,用穩(wěn)態(tài)誤差表示,它實指系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)時輸出量的實際值與期望值(給定值)之間的誤差。其值為零稱為無差系統(tǒng)。它能夠表示出系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時的控制精度?！旧弦豁摗俊痉祷亍?022-3-343t)(tx)(txtt)(tx)(txt【上一頁】【返回】2022-3-344t)(txt)(tx (a)(a)給定突增給定突增 (b)(b)擾動突變擾動突變t)(txt)(tx (a) (a)給定突增給定突增 (b)(b)擾動突變擾動突變【上一頁】【返回】2022-3-345 【上一頁】【返回】2022-3-346【上一頁】【返回】2022-3-347三、暫態(tài)性能指標三、暫態(tài)性能指標t)(txtrxc()x