自動控制原理課件

1、1自動控制原理（第自動控制原理（第2版）版） 主編主編 孫炳達(dá)孫炳達(dá) (機(jī)械工業(yè)出版社、機(jī)械工業(yè)出版社、2005) 課件制作課件制作 孫炳達(dá)孫炳達(dá) 顧家蒨顧家蒨 2第一章第一章 自動控制系統(tǒng)的基本概念自動控制系統(tǒng)的基本概念1.1自動控制的基本方式自動控制的基本方式1.2 閉環(huán)系統(tǒng)的基本組成閉環(huán)系統(tǒng)的基本組成1.3 自動控制系統(tǒng)的分類自動控制系統(tǒng)的分類1.4 對控制系統(tǒng)的基本要求對控制系統(tǒng)的基本要求1.1自動控制的基本方式自動控制的基本方式一、兩個定義：一、兩個定義：（1）自動控制自動控制：在沒人直接參與的情況下，利用控制裝置使被控對象或過：在沒人直接參與的情況下，利用控制裝置使被控對象或過程自

2、動地按預(yù)定規(guī)律或數(shù)值運(yùn)行。程自動地按預(yù)定規(guī)律或數(shù)值運(yùn)行。（2）自動控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)：能夠?qū)Ρ豢貙ο蟮墓ぷ鳡顟B(tài)進(jìn)行自動控制系統(tǒng)。一般：能夠?qū)Ρ豢貙ο蟮墓ぷ鳡顟B(tài)進(jìn)行自動控制系統(tǒng)。一般由控制器由控制器(含測量元件含測量元件)和控制對象組成。和控制對象組成。舉例：水位控制系統(tǒng)舉例：水位控制系統(tǒng)功率放大器功率放大器進(jìn)水進(jìn)水Uh+5-5h要求，接電要求，接電位器中點(diǎn)位器中點(diǎn)舉例舉例1：水位控制系統(tǒng)：水位控制系統(tǒng)方法一方法一：人工控制：人工控制眼（觀察）眼（觀察） 腦（判斷）腦（判斷） 手（操作）手（操作）目的：減少或消除目的：減少或消除h方法二方法二：自動控制：自動控制受控對象：水池；輸出量：實(shí)際水位

3、（受控對象：水池；輸出量：實(shí)際水位（h實(shí)）；輸入量：要求水位（實(shí)）；輸入量：要求水位（h要）要） 浮子浮子檢測裝置；控制電源檢測裝置；控制電源檢測檢測h，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?；，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?；電動機(jī)電動機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 干擾輸入量：對系統(tǒng)輸出起反作用的輸入量，例如功率放大器信號的飄移。干擾輸入量：對系統(tǒng)輸出起反作用的輸入量，例如功率放大器信號的飄移。二、三種基本控制方式二、三種基本控制方式 1、開環(huán)控制方式、開環(huán)控制方式 控制系統(tǒng)的輸出量對系統(tǒng)沒有控制作用，這種系統(tǒng)是控制系統(tǒng)的輸出量對系統(tǒng)沒有控制作用，這種系統(tǒng)是開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)。 開環(huán)控制系統(tǒng)的開環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)特點(diǎn)： （1）系統(tǒng)輸出量對控

4、制作用無影響）系統(tǒng)輸出量對控制作用無影響 （2）無反饋環(huán)節(jié)）無反饋環(huán)節(jié) （3）出現(xiàn)干擾靠人工消除）出現(xiàn)干擾靠人工消除 （4）無法實(shí)現(xiàn)高精度控制）無法實(shí)現(xiàn)高精度控制5舉例舉例2： 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)（不考慮測速反饋）開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)（不考慮測速反饋）工作原理：工作原理： 改變電位器滑動端的位置，相應(yīng)地改變了電壓改變電位器滑動端的位置，相應(yīng)地改變了電壓Ug值的大小，值的大小， 其值經(jīng)功其值經(jīng)功率放大器放大后施加在直流電動機(jī)的電樞兩端，率放大器放大后施加在直流電動機(jī)的電樞兩端， 由于直流電動機(jī)具有恒定的由于直流電動機(jī)具有恒定的勵磁電流。因此，隨著電樞電壓值的不同，電動機(jī)便以不同的轉(zhuǎn)速帶動生產(chǎn)勵磁電流。因此，隨

5、著電樞電壓值的不同，電動機(jī)便以不同的轉(zhuǎn)速帶動生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)。于是，改變機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)。于是，改變 Ug的大小，便控制了電動機(jī)轉(zhuǎn)速的高低。系統(tǒng)中，的大小，便控制了電動機(jī)轉(zhuǎn)速的高低。系統(tǒng)中，Ug 是是給定輸入量給定輸入量；電動機(jī)的轉(zhuǎn)速；電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n是系統(tǒng)的是系統(tǒng)的輸出量即被控量輸出量即被控量，功率放大器的，功率放大器的電源電壓波動、放大系數(shù)漂移、拖動負(fù)載的變化等，是電源電壓波動、放大系數(shù)漂移、拖動負(fù)載的變化等，是擾動輸入量擾動輸入量。 可見，系統(tǒng)的輸出量，即電動機(jī)的轉(zhuǎn)速并沒有參予系統(tǒng)的控制。可見，系統(tǒng)的輸出量，即電動機(jī)的轉(zhuǎn)速并沒有參予系統(tǒng)的控制。 開環(huán)控制系統(tǒng)職能框圖開環(huán)控制系統(tǒng)職能框圖 任何開環(huán)控制系

6、統(tǒng)，從組成系統(tǒng)元部件的職能角度看，均可用下面的結(jié)任何開環(huán)控制系統(tǒng)，從組成系統(tǒng)元部件的職能角度看，均可用下面的結(jié)構(gòu)框圖表示。構(gòu)框圖表示。2、閉環(huán)控制方式：、閉環(huán)控制方式： 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)叫種系統(tǒng)叫閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)。 實(shí)際的閉環(huán)控制系統(tǒng)，都是于實(shí)際的閉環(huán)控制系統(tǒng)，都是于負(fù)反饋負(fù)反饋的形式出現(xiàn)。的形式出現(xiàn)。 明確：為什么要采用閉環(huán)控制系統(tǒng)？閉環(huán)控制系統(tǒng)有哪些優(yōu)點(diǎn)？明確：為什么要采用閉環(huán)控制系統(tǒng)？閉環(huán)控制系統(tǒng)有哪些優(yōu)點(diǎn)？舉例舉例3：閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)：閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)舉例舉例4：發(fā)電機(jī)勵磁

7、控制系統(tǒng)發(fā)電機(jī)勵磁控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)職能框圖開環(huán)控制系統(tǒng)職能框圖 任何閉環(huán)控制系統(tǒng)，從組成系統(tǒng)元部件的職能角度看，均可用下面的任何閉環(huán)控制系統(tǒng)，從組成系統(tǒng)元部件的職能角度看，均可用下面的結(jié)構(gòu)框圖表示。結(jié)構(gòu)框圖表示。3、復(fù)合控制方式、復(fù)合控制方式 開環(huán)控制開環(huán)控制+閉環(huán)控制閉環(huán)控制 兩種結(jié)構(gòu)：按輸入信號補(bǔ)償兩種結(jié)構(gòu)：按輸入信號補(bǔ)償 按擾動信號補(bǔ)償按擾動信號補(bǔ)償 1.2 閉環(huán)系統(tǒng)的基本組成閉環(huán)系統(tǒng)的基本組成一、基本組成一、基本組成 結(jié)構(gòu)方塊圖如圖所示結(jié)構(gòu)方塊圖如圖所示 基本元部件：基本元部件： （1）控制對象控制對象：進(jìn)行控制的設(shè)備或過程。（工作機(jī)械）：進(jìn)行控制的設(shè)備或過程。（工作機(jī)械） （2）

8、執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)直接作用于控制對象。（電動機(jī)）：執(zhí)行機(jī)構(gòu)直接作用于控制對象。（電動機(jī)） （3）檢測裝置檢測裝置：用來檢測被控量，并將其轉(zhuǎn)換成與給定量相同的物理：用來檢測被控量，并將其轉(zhuǎn)換成與給定量相同的物理 量（測速發(fā)電機(jī)）量（測速發(fā)電機(jī)） （4）中間環(huán)節(jié)中間環(huán)節(jié)：一般指放大元件。（放大器，可控硅整流功放）一般指放大元件。（放大器，可控硅整流功放） （5）給定環(huán)節(jié)給定環(huán)節(jié)：設(shè)定被控量的給定值。（電位器）設(shè)定被控量的給定值。（電位器） （6）比較環(huán)節(jié)比較環(huán)節(jié)：將所測的被控量與給定量比較，確定兩者偏差量。將所測的被控量與給定量比較，確定兩者偏差量。 （7）校正環(huán)節(jié)校正環(huán)節(jié)：用于改善系統(tǒng)性

9、能。校正環(huán)節(jié)可加于偏差信號與輸出信號之間：用于改善系統(tǒng)性能。校正環(huán)節(jié)可加于偏差信號與輸出信號之間的通道內(nèi)，也可加于某一局部反饋通道內(nèi)。前者稱為串聯(lián)校正，后者稱為并聯(lián)的通道內(nèi)，也可加于某一局部反饋通道內(nèi)。前者稱為串聯(lián)校正，后者稱為并聯(lián)校正或反饋校正。校正或反饋校正。二、閉環(huán)控制系統(tǒng)的二、閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)特點(diǎn) （1）系統(tǒng)輸出量直接或簡接地參予了對系統(tǒng)的控制作用）系統(tǒng)輸出量直接或簡接地參予了對系統(tǒng)的控制作用 （2）有負(fù)反饋環(huán)節(jié)，并應(yīng)用反饋減小或消除誤差）有負(fù)反饋環(huán)節(jié)，并應(yīng)用反饋減小或消除誤差 （3）當(dāng)出現(xiàn)干擾時，可以自動減弱其影響）當(dāng)出現(xiàn)干擾時，可以自動減弱其影響 （4）系統(tǒng)可能工作不穩(wěn)定）系統(tǒng)可

10、能工作不穩(wěn)定1.3 自動控制系統(tǒng)的分類自動控制系統(tǒng)的分類一、按數(shù)學(xué)描述形式分類：一、按數(shù)學(xué)描述形式分類：1線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)（1）線性系統(tǒng)）線性系統(tǒng)：用線性微分方程或線性差分方程描述的系統(tǒng)。：用線性微分方程或線性差分方程描述的系統(tǒng)。重要性質(zhì)：滿足疊加性和齊次性重要性質(zhì)：滿足疊加性和齊次性當(dāng)系統(tǒng)輸入為當(dāng)系統(tǒng)輸入為 、 時，系統(tǒng)為時，系統(tǒng)為 、 ，則系統(tǒng)總的輸出為則系統(tǒng)總的輸出為 疊加性疊加性當(dāng)輸入為當(dāng)輸入為 ，則輸出則輸出 齊次性齊次性（2）非線性系統(tǒng)）非線性系統(tǒng)：用非線性微分方程或差分方程描述的系統(tǒng)。：用非線性微分方程或差分方程描述的系統(tǒng)。重要性質(zhì)：不滿足疊加性和齊次性重

11、要性質(zhì)：不滿足疊加性和齊次性注意注意：任何的物理系統(tǒng)都是非線性的，但是在一定條件下可以將某些非線：任何的物理系統(tǒng)都是非線性的，但是在一定條件下可以將某些非線性特性線性化，近似地用線性微分方程去描述，這樣就可以按照線性特性線性化，近似地用線性微分方程去描述，這樣就可以按照線性系統(tǒng)來處理。性系統(tǒng)來處理。 )(1tXr)(2tXr)(1tXc)(2tXc)()()(21tXtXtXccc)()(1taXtXrr)()(1taXtXcc2連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)（1）連續(xù)系統(tǒng)）連續(xù)系統(tǒng)：系統(tǒng)中各元件的輸入量和輸出量均為時間：系統(tǒng)中各元件的輸入量和輸出量均為時間t的連續(xù)函數(shù)。的連續(xù)函數(shù)。連續(xù)

12、系統(tǒng)的運(yùn)動規(guī)律可用微分方程描述，系統(tǒng)中各部分信號都是模擬連續(xù)系統(tǒng)的運(yùn)動規(guī)律可用微分方程描述，系統(tǒng)中各部分信號都是模擬量。量。（2）離散系統(tǒng)）離散系統(tǒng)：系統(tǒng)中某一處或幾處的信號是以脈沖系列或數(shù)碼的形式傳：系統(tǒng)中某一處或幾處的信號是以脈沖系列或數(shù)碼的形式傳遞的系統(tǒng)。離散系統(tǒng)的運(yùn)動規(guī)律可以用差分方程來描述。計算機(jī)控制遞的系統(tǒng)。離散系統(tǒng)的運(yùn)動規(guī)律可以用差分方程來描述。計算機(jī)控制系統(tǒng)就是典型的離散系統(tǒng)。系統(tǒng)就是典型的離散系統(tǒng)。二、按給定信號分類二、按給定信號分類（1）恒值控制系統(tǒng)恒值控制系統(tǒng)： 給定值不變，要求系統(tǒng)輸出量以一定的精度接近給定希望值的系統(tǒng)。給定值不變，要求系統(tǒng)輸出量以一定的精度接近給定希望

13、值的系統(tǒng)。如生產(chǎn)過程中的溫度、壓力、流量、液位高度、電動機(jī)轉(zhuǎn)速等自動控如生產(chǎn)過程中的溫度、壓力、流量、液位高度、電動機(jī)轉(zhuǎn)速等自動控制系統(tǒng)屬于恒值系統(tǒng)。制系統(tǒng)屬于恒值系統(tǒng)。（2）隨動控制系統(tǒng)隨動控制系統(tǒng)： 給定值按未知時間函數(shù)變化，要求輸出跟隨給定值的變化。如跟隨衛(wèi)給定值按未知時間函數(shù)變化，要求輸出跟隨給定值的變化。如跟隨衛(wèi)星的雷達(dá)天線系統(tǒng)。星的雷達(dá)天線系統(tǒng)。（3）程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)： 給定值按一定時間函數(shù)變化。如程控機(jī)床。給定值按一定時間函數(shù)變化。如程控機(jī)床。 1.4 對控制系統(tǒng)的基本要求對控制系統(tǒng)的基本要求 對控制系統(tǒng)的基本要求歸納為對控制系統(tǒng)的基本要求歸納為穩(wěn)定性、動態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性

14、穩(wěn)定性、動態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性三個方面。三個方面。一、系統(tǒng)的一、系統(tǒng)的暫態(tài)過程暫態(tài)過程 系統(tǒng)應(yīng)滿足暫態(tài)性能要求，當(dāng)系統(tǒng)給定量或擾動量突然增加，輸出量系統(tǒng)應(yīng)滿足暫態(tài)性能要求，當(dāng)系統(tǒng)給定量或擾動量突然增加，輸出量也應(yīng)變化，如果系統(tǒng)沒有慣性，則可瞬間達(dá)到穩(wěn)態(tài)。但由于系統(tǒng)存在慣性，也應(yīng)變化，如果系統(tǒng)沒有慣性，則可瞬間達(dá)到穩(wěn)態(tài)。但由于系統(tǒng)存在慣性，如電磁慣性、機(jī)械慣性，輸出量不可能突變，則系統(tǒng)需一個暫態(tài)過程后達(dá)如電磁慣性、機(jī)械慣性，輸出量不可能突變，則系統(tǒng)需一個暫態(tài)過程后達(dá)到穩(wěn)態(tài)，暫態(tài)過程有以下幾種情況：到穩(wěn)態(tài)，暫態(tài)過程有以下幾種情況： 1單調(diào)過程：單調(diào)過程： 2衰減震蕩過程衰減震蕩過程 3持續(xù)震蕩過程持續(xù)

15、震蕩過程 4發(fā)散震蕩過程發(fā)散震蕩過程二、二、穩(wěn)定性穩(wěn)定性 一個處于靜止或平衡工作狀態(tài)的系統(tǒng)，當(dāng)受到任何輸入（給定信號或一個處于靜止或平衡工作狀態(tài)的系統(tǒng)，當(dāng)受到任何輸入（給定信號或干擾）作用后，就可能偏離原有的平衡狀態(tài)。當(dāng)作用消失后，系統(tǒng)中的狀干擾）作用后，就可能偏離原有的平衡狀態(tài)。當(dāng)作用消失后，系統(tǒng)中的狀態(tài)和輸出都能恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)的系統(tǒng)稱為穩(wěn)定的系統(tǒng)。態(tài)和輸出都能恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)的系統(tǒng)稱為穩(wěn)定的系統(tǒng)。 若作用消失后，系統(tǒng)中的狀態(tài)和輸出發(fā)生增幅振蕩或單調(diào)增長現(xiàn)象的若作用消失后，系統(tǒng)中的狀態(tài)和輸出發(fā)生增幅振蕩或單調(diào)增長現(xiàn)象的系統(tǒng)稱為不穩(wěn)定系統(tǒng)。系統(tǒng)稱為不穩(wěn)定系統(tǒng)。三、三、動態(tài)特性動態(tài)特性 動態(tài)特性就是反映系統(tǒng)在動態(tài)過程中，系統(tǒng)跟蹤控制信號或抑制擾動動態(tài)特性就是反映系統(tǒng)在動態(tài)過程中，系統(tǒng)跟蹤控制信號或抑制擾動的能力。動態(tài)性能好的系統(tǒng)，既要求過渡過程時間短，又要求過程平穩(wěn)、的能力。動態(tài)性能好的系統(tǒng)，既要求過渡過程時間短，又要求過程平穩(wěn)、振蕩幅度小。振蕩幅度小。四、四、穩(wěn)態(tài)特性穩(wěn)態(tài)特性 系統(tǒng)在過渡