自動(dòng)控制原理

1、第一章第一章 緒論緒論自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理v教師：陳貴林教師：陳貴林v所屬：燕山大學(xué)所屬：燕山大學(xué) 電氣工程學(xué)院電氣工程學(xué)院 自動(dòng)化系自動(dòng)化系v學(xué)時(shí)：學(xué)時(shí)：48v周一周一 5-6 A307v周二周二 5-6 A307v周三周三 5-6 A307v周五周五 5-6 A307 （三周）（三周）v班級(jí)：班級(jí)：08安全本安全本第一章第一章 緒論緒論第一章 緒 論1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念1.3控制工程基礎(chǔ)的主要任務(wù)與研究?jī)?nèi)容控制工程基礎(chǔ)的主要任務(wù)與研究?jī)?nèi)容 1.1 概概 述述第一章第一章 緒論緒論1.1 概 述通訊自然航空航天工業(yè)軍事太空探索社會(huì)自動(dòng)控制自動(dòng)控制應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

2、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛第一章第一章 緒論緒論 自動(dòng)控制：在無(wú)人直接參與的情況下，通過(guò)控制器使被在無(wú)人直接參與的情況下，通過(guò)控制器使被控對(duì)象或過(guò)程自動(dòng)地按照預(yù)定要求運(yùn)行。控對(duì)象或過(guò)程自動(dòng)地按照預(yù)定要求運(yùn)行。 控制論(Cybernetics)是研究生物體、機(jī)器及各種不同系是研究生物體、機(jī)器及各種不同系統(tǒng)控制和調(diào)節(jié)規(guī)律的科學(xué)。它不僅是一門(mén)極為重要的科學(xué)，統(tǒng)控制和調(diào)節(jié)規(guī)律的科學(xué)。它不僅是一門(mén)極為重要的科學(xué)，而且也是一門(mén)卓越的方法論，具有適用于各門(mén)科學(xué)的思想和而且也是一門(mén)卓越的方法論，具有適用于各門(mén)科學(xué)的思想和方法。方法。1.1 概 述v一、基本概念第一章第一章 緒論緒論控制論控制論生物控制論工程控制論經(jīng)濟(jì)控制論

3、社會(huì)控制論 控制論被廣泛的應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)生活中的各個(gè)領(lǐng)域，是一門(mén)重要的方法論。1.1 概 述第一章第一章 緒論緒論v二、控制論的發(fā)展歷史1.1 概 述 控制論的發(fā)展起源于控制論的發(fā)展起源于18世紀(jì)英國(guó)第一次技術(shù)革命。世紀(jì)英國(guó)第一次技術(shù)革命。1765年瓦特年瓦特(Jams. Watt)發(fā)明了蒸汽機(jī)離心式飛錘調(diào)速發(fā)明了蒸汽機(jī)離心式飛錘調(diào)速器，來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)蒸汽機(jī)的轉(zhuǎn)速。器，來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)蒸汽機(jī)的轉(zhuǎn)速。 控制論的奠基人、美國(guó)數(shù)學(xué)家維納控制論的奠基人、美國(guó)數(shù)學(xué)家維納(N. Wiener)在在1948年發(fā)表了著名的年發(fā)表了著名的控制論控制論. 工程控制論的誕生以工程控制論的誕生以1954年我國(guó)科學(xué)家錢(qián)學(xué)森出版的年我

4、國(guó)科學(xué)家錢(qián)學(xué)森出版的工程控制論工程控制論為標(biāo)志為標(biāo)志.第一章第一章 緒論緒論v二、控制論的發(fā)展歷史1.1 概 述 第一階段：20世紀(jì)4050年代為“古典控制理論”發(fā)展時(shí)期。單輸入單輸出(SISO)控制系統(tǒng)，線(xiàn)性定常系統(tǒng)。 控制論的發(fā)展大體分為三個(gè)階段：控制論的發(fā)展大體分為三個(gè)階段： 第二階段：20世紀(jì)6070年代為“現(xiàn)代控制理論”發(fā)展時(shí)期。多輸入多輸出(MIMO)、非線(xiàn)性及時(shí)變系統(tǒng) 。 第三階段：20世紀(jì)70年代末至今，控制論向著“大系統(tǒng)理論”和“智能控制論”發(fā)展。模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和專(zhuān)家控制等 。 古典控制理論是基礎(chǔ)，現(xiàn)代控制理論、智能控古典控制理論是基礎(chǔ)，現(xiàn)代控制理論、智能控制理論是古

5、典控制理論的延伸和拓展。制理論是古典控制理論的延伸和拓展。 第一章第一章 緒論緒論1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念v一、自動(dòng)控制系統(tǒng)工作原理人工控制的恒溫箱系統(tǒng)：人工控制的恒溫箱系統(tǒng)： 1、觀(guān)測(cè)由檢測(cè)元件、觀(guān)測(cè)由檢測(cè)元件(溫度計(jì)溫度計(jì))測(cè)測(cè)出的恒溫箱的溫度出的恒溫箱的溫度(被控制量被控制量)； 2、與要求的溫度值、與要求的溫度值(給定值給定值)進(jìn)進(jìn)行比較，得出偏差的大小和方向；行比較，得出偏差的大小和方向； 3、根據(jù)偏差的大小和方向再進(jìn)、根據(jù)偏差的大小和方向再進(jìn)行控制：當(dāng)恒溫箱溫度高于所要行控制：當(dāng)恒溫箱溫度高于所要求的給定溫度值時(shí)，就移動(dòng)調(diào)壓求的給定溫度值時(shí)，就移動(dòng)調(diào)壓器使電流減小，溫度降低；

6、若溫器使電流減小，溫度降低；若溫度低于給定的值，則移動(dòng)調(diào)壓器，度低于給定的值，則移動(dòng)調(diào)壓器，使電流增加，溫度升高。使電流增加，溫度升高。圖圖1-1 人工控制的恒溫箱人工控制的恒溫箱“檢測(cè)偏差用以糾正偏差檢測(cè)偏差用以糾正偏差” 第一章第一章 緒論緒論溫度的偏差信號(hào)：溫度的偏差信號(hào)：21uuu圖圖1-2 恒溫箱自動(dòng)控制系統(tǒng)恒溫箱自動(dòng)控制系統(tǒng)當(dāng)溫度偏高時(shí)，動(dòng)觸當(dāng)溫度偏高時(shí)，動(dòng)觸頭向著減小電流的方頭向著減小電流的方向運(yùn)動(dòng)，反之加大電向運(yùn)動(dòng)，反之加大電流，直到溫度達(dá)到給流，直到溫度達(dá)到給定值為止。即只有在定值為止。即只有在偏差信號(hào)偏差信號(hào) 時(shí)時(shí)0u電動(dòng)機(jī)才停轉(zhuǎn)。電動(dòng)機(jī)才停轉(zhuǎn)。 1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本

7、概念第一章第一章 緒論緒論1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念圖圖1-3 板厚控制簡(jiǎn)圖板厚控制簡(jiǎn)圖 板帶出口厚度信息板帶出口厚度信息h由檢測(cè)元件由檢測(cè)元件測(cè)出并反饋到電液伺服系統(tǒng)中，伺服測(cè)出并反饋到電液伺服系統(tǒng)中，伺服系統(tǒng)發(fā)出控制信號(hào)以驅(qū)動(dòng)液壓缸，從系統(tǒng)發(fā)出控制信號(hào)以驅(qū)動(dòng)液壓缸，從而調(diào)節(jié)軋制輥縫，使得板帶出口厚度而調(diào)節(jié)軋制輥縫，使得板帶出口厚度h保持在要求的誤差范圍內(nèi)。保持在要求的誤差范圍內(nèi)。 第一章第一章 緒論緒論控制輸出輸入反饋檢測(cè)1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念自動(dòng)控制：自動(dòng)控制：自動(dòng)控制的過(guò)程與人工控制過(guò)程原理相同，即“檢測(cè)偏差用以糾正偏差”。人工控制：人工控制：人工控制的過(guò)程就是測(cè)量、求偏差

8、、再控制以糾正偏差的過(guò)程，即“檢測(cè)偏差用以糾正偏差”。第一章第一章 緒論緒論1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念 反饋(Feedback)就是指輸出量通過(guò)適當(dāng)?shù)臋z測(cè)裝置將信號(hào)就是指輸出量通過(guò)適當(dāng)?shù)臋z測(cè)裝置將信號(hào)全部或一部分返回輸入端，使之與輸入量進(jìn)行比較。全部或一部分返回輸入端，使之與輸入量進(jìn)行比較。 反饋控制原理：基于反饋基礎(chǔ)上的基于反饋基礎(chǔ)上的“檢測(cè)偏差用以糾正偏檢測(cè)偏差用以糾正偏差差”的原理的原理 負(fù)反饋(Negative Feedback)是指反饋信號(hào)與系統(tǒng)的輸入信是指反饋信號(hào)與系統(tǒng)的輸入信號(hào)的方向相反的反饋形式。號(hào)的方向相反的反饋形式。 第一章第一章 緒論緒論v二、開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制 若系

9、統(tǒng)的輸出量對(duì)系統(tǒng)的控制作用沒(méi)有影響，即無(wú)反饋?zhàn)魅粝到y(tǒng)的輸出量對(duì)系統(tǒng)的控制作用沒(méi)有影響，即無(wú)反饋?zhàn)饔茫瑒t系統(tǒng)稱(chēng)為用，則系統(tǒng)稱(chēng)為開(kāi)環(huán)系統(tǒng)?？刂破鞅豢貙?duì)象輸入量r輸出量y控制量u擾動(dòng)量 n特 點(diǎn)：在控制器與被控對(duì)象之間只有正向控制作用而沒(méi)有反饋控制作在控制器與被控對(duì)象之間只有正向控制作用而沒(méi)有反饋控制作用用。對(duì)于每一個(gè)參考輸入量就有一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的工作狀態(tài)和輸對(duì)于每一個(gè)參考輸入量就有一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的工作狀態(tài)和輸出量。出量。系統(tǒng)精度取決于元器件的精度和特性系統(tǒng)精度取決于元器件的精度和特性。適用范圍：系統(tǒng)內(nèi)部擾動(dòng)和外部擾動(dòng)的影響不大、輸出與輸入關(guān)系確定，系統(tǒng)內(nèi)部擾動(dòng)和外部擾動(dòng)的影響不大、輸出與輸入關(guān)系確定，

10、且控制精度要求不高的場(chǎng)合。且控制精度要求不高的場(chǎng)合。優(yōu) 點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易設(shè)計(jì)與調(diào)整結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易設(shè)計(jì)與調(diào)整.對(duì)擾動(dòng)及內(nèi)部參量變化的影響缺乏抑制能力，系統(tǒng)控制精度低。對(duì)擾動(dòng)及內(nèi)部參量變化的影響缺乏抑制能力，系統(tǒng)控制精度低。缺 點(diǎn)：1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念第一章第一章 緒論緒論 若系統(tǒng)的輸出量對(duì)系統(tǒng)的控制具有反饋?zhàn)饔?，則系統(tǒng)稱(chēng)若系統(tǒng)的輸出量對(duì)系統(tǒng)的控制具有反饋?zhàn)饔?，則系統(tǒng)稱(chēng)為為閉環(huán)系統(tǒng)。特點(diǎn)：利用負(fù)反饋的作用來(lái)減小系統(tǒng)的誤差，具有自動(dòng)修正被控量偏離給定利用負(fù)反饋的作用來(lái)減小系統(tǒng)的誤差，具有自動(dòng)修正被控量偏離給定值的作用，因此可以抑制內(nèi)擾和外擾所引起的誤差，達(dá)到自動(dòng)控制的目的。值的作用，因

11、此可以抑制內(nèi)擾和外擾所引起的誤差，達(dá)到自動(dòng)控制的目的。系統(tǒng)精度主要取決于檢測(cè)元件的精度和系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)精度主要取決于檢測(cè)元件的精度和系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)?？梢岳镁炔桓?、可以利用精度不高、成本較低的元器件組成控制精度較高的閉環(huán)控制系統(tǒng)成本較低的元器件組成控制精度較高的閉環(huán)控制系統(tǒng)。優(yōu)點(diǎn)：精度高。對(duì)擾動(dòng)及內(nèi)部參量變化的影響具有抑制能力。精度高。對(duì)擾動(dòng)及內(nèi)部參量變化的影響具有抑制能力。缺點(diǎn)：系統(tǒng)存在穩(wěn)定性問(wèn)題，干擾因素多。系統(tǒng)存在穩(wěn)定性問(wèn)題，干擾因素多?？刂破鞅豢貙?duì)象輸入量r輸出量y控制量u擾動(dòng)量 n檢測(cè)元件偏差e反饋量b1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念第一章第一章 緒論緒論控制裝置被控對(duì)象輸入量

12、r輸出量y擾動(dòng)量 n反饋元件偏差e反饋量b給定元件：主要用于產(chǎn)生給定信號(hào)或輸入信號(hào)。主要用于產(chǎn)生給定信號(hào)或輸入信號(hào)。反饋元件：它測(cè)量被控量或輸出量，產(chǎn)生主反饋信號(hào)，該信號(hào)與輸出量存它測(cè)量被控量或輸出量，產(chǎn)生主反饋信號(hào)，該信號(hào)與輸出量存在著確定的函數(shù)關(guān)系在著確定的函數(shù)關(guān)系(通常為比例關(guān)系通常為比例關(guān)系)。比較元件：用來(lái)比較輸入信號(hào)和反饋信號(hào)之間的偏差。可以是一個(gè)差接的用來(lái)比較輸入信號(hào)和反饋信號(hào)之間的偏差?？梢允且粋€(gè)差接的電路，它往往不是一個(gè)專(zhuān)門(mén)的物理元件，有時(shí)也叫比較環(huán)節(jié)。電路，它往往不是一個(gè)專(zhuān)門(mén)的物理元件，有時(shí)也叫比較環(huán)節(jié)?？刂蒲b置：由校正裝置、放大器、能量變換、執(zhí)行等元件所組成。由校正裝置、

13、放大器、能量變換、執(zhí)行等元件所組成?？刂茖?duì)象：控制系統(tǒng)所要操縱的對(duì)象，它的輸出量即為系統(tǒng)的被控制量。控制系統(tǒng)所要操縱的對(duì)象，它的輸出量即為系統(tǒng)的被控制量。放大元件：對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行信號(hào)放大和功率放大的元件。對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行信號(hào)放大和功率放大的元件。執(zhí)行元件：直接對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行操作的元件。直接對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行操作的元件。v三、閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念第一章第一章 緒論緒論v四、自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本類(lèi)型1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念 1按給定量的運(yùn)動(dòng)規(guī)律分按給定量的運(yùn)動(dòng)規(guī)律分(1)恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)：恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)：輸入量為常值，或者隨時(shí)間緩慢變化。分析重點(diǎn)在克服擾動(dòng)對(duì)輸出量的影響。(

14、2)程序控制系統(tǒng)：程序控制系統(tǒng)：輸入量為已知給定的時(shí)間函數(shù)，控制過(guò)程按預(yù)定程序進(jìn)行。 (3)隨動(dòng)隨動(dòng)(伺服伺服)系統(tǒng)：系統(tǒng)：輸入量是時(shí)間的未知函數(shù)，即給定量的變化規(guī)律事先無(wú)法確定，要求輸出量能夠準(zhǔn)確、快速地復(fù)現(xiàn)給定量，如火炮自動(dòng)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)、軋機(jī)板厚自動(dòng)控制系統(tǒng)。 2按系統(tǒng)線(xiàn)性特性分按系統(tǒng)線(xiàn)性特性分 (1)線(xiàn)性系統(tǒng)系統(tǒng)：線(xiàn)性系統(tǒng)系統(tǒng)：系統(tǒng)的元器件特性均為線(xiàn)性(或基本為線(xiàn)性)，能用線(xiàn)性常微分方程描述其輸入與輸出關(guān)系的系統(tǒng)。線(xiàn)性系統(tǒng)滿(mǎn)足線(xiàn)性系統(tǒng)滿(mǎn)足“疊加原理疊加原理”，其時(shí)間響，其時(shí)間響應(yīng)的特征與初始狀態(tài)無(wú)關(guān)。應(yīng)的特征與初始狀態(tài)無(wú)關(guān)。 (2)非線(xiàn)性系統(tǒng)非線(xiàn)性系統(tǒng) ：只要有一個(gè)元器件特性不能用線(xiàn)性方程描

15、述，即為非線(xiàn)性系統(tǒng)。不能應(yīng)用疊加原理，其時(shí)間響應(yīng)的特征與初始狀態(tài)有很大關(guān)系。不能應(yīng)用疊加原理，其時(shí)間響應(yīng)的特征與初始狀態(tài)有很大關(guān)系。 第一章第一章 緒論緒論3按參數(shù)是否為常數(shù)分按參數(shù)是否為常數(shù)分 (1)時(shí)變系統(tǒng)：時(shí)變系統(tǒng)：當(dāng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)描述中顯含時(shí)間t時(shí)，即數(shù)學(xué)描述中的系數(shù)是時(shí)間t的函數(shù)時(shí)，稱(chēng)相應(yīng)的系統(tǒng)為時(shí)變系統(tǒng)。 (2)定常系統(tǒng)：定常系統(tǒng)：特點(diǎn)是系統(tǒng)數(shù)學(xué)描述中不顯含時(shí)間t。定常系統(tǒng)在物理上代表了結(jié)構(gòu)和參數(shù)都不隨時(shí)間變化的一類(lèi)系統(tǒng)。 4按系統(tǒng)信號(hào)類(lèi)型分按系統(tǒng)信號(hào)類(lèi)型分(1)連續(xù)控制系統(tǒng)：連續(xù)控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中各個(gè)參量的變化都是連續(xù)進(jìn)行的，是時(shí)間的連續(xù)函數(shù)(也稱(chēng)模擬量)。(2)離散控制系統(tǒng)：離散控制系

16、統(tǒng)：系統(tǒng)中某一處或數(shù)處的參量是脈沖序列或數(shù)碼的形式，這種信號(hào)是離散的，即數(shù)值上和時(shí)間上不連續(xù)。 其他的劃分方式還有： 5按系統(tǒng)輸入輸出變量數(shù)量分為單變量系統(tǒng)單變量系統(tǒng)和多變量系統(tǒng)多變量系統(tǒng) 。6按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)在工作過(guò)程中是否確定分確定系統(tǒng)確定系統(tǒng)和不確定系統(tǒng)。不確定系統(tǒng)。7按系統(tǒng)能否用常微分方程描述分集中參數(shù)系統(tǒng)集中參數(shù)系統(tǒng)和分布參數(shù)系統(tǒng)。分布參數(shù)系統(tǒng)。1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念第一章第一章 緒論緒論1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念v五、對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求穩(wěn)定、準(zhǔn)確、快速(1)穩(wěn)定性：穩(wěn)定性：由于系統(tǒng)存在著慣性，當(dāng)系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)匹配不妥時(shí)，將會(huì)引起系由于系統(tǒng)存在著慣性，當(dāng)系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)匹

17、配不妥時(shí)，將會(huì)引起系 的振蕩而失去工作能力。穩(wěn)定性就是指動(dòng)態(tài)過(guò)程的的振蕩而失去工作能力。穩(wěn)定性就是指動(dòng)態(tài)過(guò)程的振蕩傾向和系統(tǒng)振蕩傾向和系統(tǒng) 能否恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力。能否恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力。 穩(wěn)定性的要求是系統(tǒng)工作的首要條件。穩(wěn)定性的要求是系統(tǒng)工作的首要條件。(2)準(zhǔn)確性：準(zhǔn)確性：是指在調(diào)整過(guò)程結(jié)束后輸出量與給定量之間的偏差，或稱(chēng)為是指在調(diào)整過(guò)程結(jié)束后輸出量與給定量之間的偏差，或稱(chēng)為靜態(tài)精靜態(tài)精 度。度。是衡量系統(tǒng)工作性能的重要指標(biāo)是衡量系統(tǒng)工作性能的重要指標(biāo)。 例如數(shù)控機(jī)床精度愈高，則加工精度也越高。(3)快速性：快速性：這是在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下提出的?？焖傩允侵府?dāng)系統(tǒng)輸出量這是在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提

18、下提出的。快速性是指當(dāng)系統(tǒng)輸出量與給定與給定 量之間產(chǎn)生偏差時(shí)，消除這種偏差過(guò)程的快速程度。量之間產(chǎn)生偏差時(shí)，消除這種偏差過(guò)程的快速程度。 快速性反應(yīng)系統(tǒng)的敏捷性。快速性反應(yīng)系統(tǒng)的敏捷性。穩(wěn)、快、準(zhǔn)是相互制約的！第一章第一章 緒論緒論1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念 對(duì)于自動(dòng)控制系統(tǒng)而言，在保證穩(wěn)定的前提下，對(duì)其快速性和準(zhǔn)確性方面的性能指標(biāo)可按如下類(lèi)型給出：(1) 時(shí)域性能指標(biāo)時(shí)域性能指標(biāo)，包括瞬態(tài)性能瞬態(tài)性能(快速性與平穩(wěn)性快速性與平穩(wěn)性)指標(biāo)指標(biāo)和穩(wěn)態(tài)性能穩(wěn)態(tài)性能(準(zhǔn)確準(zhǔn)確性性)指標(biāo)指標(biāo)。(2) 頻域性能指標(biāo)頻域性能指標(biāo)，反映系統(tǒng)在頻域方面的特性。(3) 綜合性能指標(biāo)。綜合性能指標(biāo)。第一章第一章 緒論緒論1.3 控制工程基礎(chǔ)的主要任務(wù)與研究?jī)?nèi)容 v一、主要任務(wù) 控制工程基礎(chǔ)主要研究工程系統(tǒng)中狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和改變這種運(yùn)動(dòng)規(guī)控制工程基礎(chǔ)主要研究工程系統(tǒng)中狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和改變這種運(yùn)動(dòng)規(guī)律的可能性和方法，建立和揭示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)、行為和性能間的確定的律的可能性和方法，建立和揭示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)、行為和性能間的確定的和定量的關(guān)系。學(xué)習(xí)控制工程基礎(chǔ)要解決兩個(gè)問(wèn)題：和定量的關(guān)系。學(xué)習(xí)控制工程基礎(chǔ)要解決兩個(gè)問(wèn)題： 其一是系統(tǒng)分析問(wèn)題