自控原理(01)第一章 緒論

1、1自動控制原理自動控制原理 中國礦業(yè)大學(xué)中國礦業(yè)大學(xué)2課程要求：v課后作業(yè)：5次v答疑：每次課后，最后集中答疑。 電話郵箱：v考核方式：考試：閉卷50%平時：(課后作業(yè)10%，課程小結(jié)5%，考勤測試20%)35%實驗：實驗15%3v參考書1、現(xiàn)代控制工程電子工業(yè)出版社 美Katsuhiko Ogata著第三、五版2、控制工程基礎(chǔ)清華大學(xué)出版社 董景新3、自動控制理論基礎(chǔ)清華大學(xué)出版社 戴忠達4、自動控制原理科學(xué)出版社 胡壽松 第四版5、自動控制理論例題習(xí)題集清華大學(xué)出版社 王詩宓6、Linear Control System Engineering清華大學(xué)出版社 7、

2、自動控制原理國防科技大學(xué)出版社 劉明俊4 學(xué)習(xí)自動控制原理的意義 1、日常生活中大量存在自動控制的原理與現(xiàn)象2、工業(yè)生產(chǎn)中大量存在自動控制系統(tǒng)。數(shù)控車床，自動流水線，電機調(diào)速系統(tǒng)、飛機、導(dǎo)彈等等。風(fēng)扇、電梯、洗衣機等。$ 智能家居、智能交通、機器人等5第一章 緒論v自動控制系統(tǒng)和自動控制理論v自動控制系統(tǒng)的工作原理v閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成v自動控制系統(tǒng)的基本要求v自動控制系統(tǒng)的分類v控制系統(tǒng)舉例v自動控制理論的發(fā)展簡史（自學(xué)）v控制系統(tǒng)的計算機輔助設(shè)計（自學(xué)）61.1 自動控制系統(tǒng)和自動控制理論自動控制系統(tǒng)：在沒有人直接參與下，利用采集和加工的信息，構(gòu)造控制裝置（控制器）按一定的控制規(guī)律產(chǎn)生作

3、用，使受控客體（控制對象）的某一物理量（被控量）達到所要求的性能或?qū)崿F(xiàn)預(yù)定目標(biāo)的系統(tǒng)。 控制對象：控制系統(tǒng)要進行控制的受控客體。 被控量：控制對象要實現(xiàn)的物理量。自動控制理論：自動控制理論： 研究自動控制系統(tǒng)的組成、分析、設(shè)計的理論，研究自動控制的共同規(guī)律。例如：如冰箱、空調(diào)、洗衣機、電梯、飛機、汽車、潛艇、電廠鍋爐、 釀酒過程等各種機器或生產(chǎn)過程。 例如：冰箱溫度、電機的轉(zhuǎn)速、飛機姿態(tài)角、船的航跡 、電網(wǎng)的電壓 、生產(chǎn)過程中的壓力、流量 、溫度 、濕度等。 注意：控制對象和控制量的關(guān)系71.2 自動控制系統(tǒng)的工作原理按照控制方式歸類：按照控制方式歸類：1 1）開環(huán)控制）開環(huán)控制2 2）閉環(huán)控

4、制（反饋控制）閉環(huán)控制（反饋控制）3 3）復(fù)合控制）復(fù)合控制8一、開環(huán)控制系統(tǒng)1）定義：系統(tǒng)的控制輸入不受輸出影響的控制系統(tǒng)輸入量輸入量控制器控制器對象或過程對象或過程輸出量輸出量圖1 開環(huán)控制系統(tǒng)2）特點：系統(tǒng)的輸出量與輸入量間不存在反饋的通道。 在開環(huán)控制系統(tǒng)中，不需要對輸出量進行測量，也不需要將輸出量反饋到系統(tǒng)輸入端與輸入量進行比較。因此，開環(huán)控制系統(tǒng)又稱無反饋控制系統(tǒng)。9例:電熱爐開環(huán)控制3）結(jié)構(gòu)形式：例：交通紅綠燈10二、閉環(huán)控制系統(tǒng)圖2 閉環(huán)控制系統(tǒng)輸入量輸入量控制器控制器控制對象控制對象測量元件測量元件輸出量輸出量反饋回路反饋回路被控量被控量干擾量干擾量r(t)c(t)e(t)u

5、(t)n(t)b(t)前向通路前向通路期望量期望量*強調(diào)：各概念的意義11例:電熱爐閉環(huán)控制思考：工作過程？12*閉環(huán)與開環(huán)控制系統(tǒng)的比較 v開環(huán)控制：v閉環(huán)控制： 1）偏差控制，可以抑制內(nèi)（系統(tǒng)參數(shù)變化）、外擾動（負(fù)載變化）對被控制量產(chǎn)生的影響，因此，控制精度高。 2）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高（價格成倍增加，車床、洗衣機、汽車）；系統(tǒng)設(shè)計、分析麻煩。 1）順向作用，沒有反向的聯(lián)系，沒有修正偏差能力，抗擾動性較差。結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便、成本低。2）在精度要求不高或擾動影響較小的場合，這種控制方式還有一定的實用價值（步進電機，水泵，風(fēng)扇）。 13三、復(fù)合控制系統(tǒng)v定義：開環(huán)控制和閉環(huán)控制相結(jié)合的一種控制方

6、式v特點：構(gòu)成高精度控制系統(tǒng)的一種有效控制方式，使控制系統(tǒng)具有良好的控制性能。v基本形式： 按輸入前饋補償?shù)膹?fù)合控制 按干擾前饋補償?shù)膹?fù)合控制14圖3A 具有輸入補償?shù)膹?fù)合控制系統(tǒng)15圖3B 具有干擾補償?shù)膹?fù)合控制系統(tǒng)16v用“”號代表比較裝置，“”號代表兩者符號相反。信號沿箭頭方向從輸入端到達輸出端的傳輸通路稱前向通路；系統(tǒng)輸出量經(jīng)測量裝置反饋到輸入端的傳輸通路稱主反饋通路。前向通路與主反饋通路共同構(gòu)成主回路。此外，還有局部反饋通路以及由它構(gòu)成的內(nèi)回路。 圖4 閉環(huán)控系統(tǒng)基本組成校正裝置放大裝置執(zhí)行機構(gòu)被控對象反饋校正裝置測量裝置被控量給定裝置1.3 實際閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成17給定裝置：

7、產(chǎn)生給定值或輸入信號（量）（即參考量或期望值）測量裝置：測量被控制的物理量（被控量），用于產(chǎn)生反饋信號 各種傳感器：測速發(fā)電機、電位計、熱電偶等。比較裝置：把測量元件檢測的實際值（被控量）與給定元件 給出的參考量進行比較，求出它們之間的偏差。 如差動放大器、自整角機。放大裝置：將比較元件給出的偏差進行放大，用來推動執(zhí)行元件 去控制被控對象，如放大器、晶閘管。執(zhí)行機構(gòu)：直接推動被控對象，使其被控量發(fā)生變化。 如步進電機，繼電器開關(guān)。校正裝置：它是結(jié)構(gòu)或參數(shù)便于調(diào)整的元件或機構(gòu)，用串聯(lián)或 反饋的方式連接在系統(tǒng)中，以改善控制系統(tǒng)性能。181.4 1.4 自動控制系統(tǒng)的基本要求自動控制系統(tǒng)的基本要求

8、自動控制系統(tǒng)的工作過程包括以下兩個階段：0tMp超調(diào)量允許誤差10.90.50.1trtpts圖3-2表示性能指標(biāo)td,tr,tp,Mp和ts的單位階躍響應(yīng)曲線tdh(t)0.02或0.05)(h)(h)(h)(h過渡過程： 在輸入量作用下，系統(tǒng)的輸出變量由初始狀態(tài)達到最終穩(wěn)態(tài)過程。穩(wěn)態(tài)過程： 過渡過程結(jié)束后的輸出響應(yīng)。191 對恒值系統(tǒng)，要求當(dāng)系統(tǒng)受到擾動后，經(jīng)過一定時間的調(diào)整能夠回到原來的期望值。2 對隨動系統(tǒng)，被控制量始終跟蹤參量的變化。 *自動控制系統(tǒng)性能的基本要求穩(wěn)定性（長期穩(wěn)定性）、準(zhǔn)確性（精度）和快速性（相對穩(wěn)定性）。 穩(wěn) 準(zhǔn)快穩(wěn)定性：穩(wěn)定性是對系統(tǒng)的基本要求，不穩(wěn)定的系統(tǒng)不能實

9、現(xiàn)預(yù)定任務(wù)。系統(tǒng)受到短暫的擾動后其運動性能從偏差平衡點恢復(fù)到原來平衡狀態(tài)的能力。穩(wěn)定性，通常由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)決定與外界因素?zé)o關(guān)。20準(zhǔn)確性：用穩(wěn)態(tài)誤差來表示。 在參考輸入信號作用下，當(dāng)系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)后，其穩(wěn)態(tài)輸出與參考輸入所要求的期望輸出（理想輸出）之差，叫做給定穩(wěn)態(tài)誤差。誤差越小，表示系統(tǒng)的輸出跟隨參考輸入的精度越高?？焖?、平穩(wěn)性： 對過渡過程的形式和快慢提出要求，一般稱為動態(tài)性能。 穩(wěn)定的高射炮射角隨動系統(tǒng)，雖然炮身最終能跟蹤目標(biāo)，但如果目標(biāo)變動迅速，而炮身行動遲緩，仍然抓不住目標(biāo)。211、階躍函數(shù)（位置函數(shù)）、階躍函數(shù)（位置函數(shù)）R0t)(tf0,00,)(tRttf 例如：例如： 電源電壓的

10、突然跳動；電源電壓的突然跳動； 負(fù)載突然增大或減??；負(fù)載突然增大或減??； 恒值控制系統(tǒng)的設(shè)定值等等。恒值控制系統(tǒng)的設(shè)定值等等。階躍函數(shù)的幅值R=1時，稱為單位階躍函數(shù)，常記作( )u t*典型輸入信號220t)(tf2、斜坡函數(shù)（速度函數(shù)）、斜坡函數(shù)（速度函數(shù)）例如：雷達跟蹤的目標(biāo)以恒定速度飛行例如：雷達跟蹤的目標(biāo)以恒定速度飛行0,00,)(tRtttf當(dāng)當(dāng)R=1時，稱為單位速度函數(shù)。時，稱為單位速度函數(shù)。 233、拋物線函數(shù)（加速度函數(shù)）、拋物線函數(shù)（加速度函數(shù)） 例如：飛行器的加速運動例如：飛行器的加速運動20( )00Rttf tt0( )f tt當(dāng)當(dāng)R=1/2時，稱為單位加速度函數(shù)。時

11、，稱為單位加速度函數(shù)。 240t)(t4、單位脈沖函數(shù)、單位脈沖函數(shù)任意形式的外作用任意形式的外作用都分解成不同時刻的一系列都分解成不同時刻的一系列脈沖函數(shù)脈沖函數(shù)之和之和可代表一些瞬間即逝的擾動信號可代表一些瞬間即逝的擾動信號251.5 1.5 自動控制系統(tǒng)的分類自動控制系統(tǒng)的分類v按工作原理分類 開環(huán)控制、閉環(huán)控制、復(fù)合控制v按數(shù)學(xué)模型分類 線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng) 定常系統(tǒng)和時變系統(tǒng)v按系統(tǒng)內(nèi)部的信號特征分類 連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)v按系統(tǒng)的功能分類 溫度控制系統(tǒng)、位置控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng) 、調(diào)速系統(tǒng)本課程研究的對象：線性+定常+集中參數(shù)+連續(xù)系統(tǒng)26 1、液位控制系統(tǒng)1.6 1.6 控制系統(tǒng)

12、舉例控制系統(tǒng)舉例H H注注入入控控制制器器（比比較較、放放大大）Q Q1 1浮浮子子流流出出Q Q2 2（I I） 原原理理圖圖氣氣動動閥閥門門工作原理：自動控制器通過比較實際液位與希望液位，并通過調(diào)整氣動閥門的開度，對誤差進行修正，從而保持液位不變。 思考：工作過程，希望的性能，影響因素？27 希望液位實實際際液液位位放放大大元元件件氣氣動動閥閥門門水水 箱箱浮浮 子子控制器 注入（II） 控制系統(tǒng)方塊圖控制器：比較、放大的作用測量裝置：浮子擾動：Q2為系統(tǒng)的干擾量執(zhí)行機構(gòu)：氣動閥門被控對象：水箱被控量：液位282、飛球式調(diào)速器系統(tǒng)思考：工作過程，被控對象，被控量？293、電熱爐溫度計算機控

13、制系統(tǒng)思考：被控對象，被控量，工作過程，系統(tǒng)的類型？30v古典（經(jīng)典）控制理論古典（經(jīng)典）控制理論 自動控制原理（理論）自動控制原理（理論） 以以傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)研究為基礎(chǔ)研究單單輸入單輸出輸入單輸出定常定?？刂葡到y(tǒng)的控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計問題。這些理論由分析與設(shè)計問題。這些理論由于其發(fā)展較早，現(xiàn)已臻成熟。于其發(fā)展較早，現(xiàn)已臻成熟。v現(xiàn)代（近代）控制理論現(xiàn)代（近代）控制理論 以以狀態(tài)空間法狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究為基礎(chǔ)，研究多多輸入多輸出輸入多輸出控制系統(tǒng)的分析與設(shè)控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計問題。系統(tǒng)具有高精度和高效能計問題。系統(tǒng)具有高精度和高效能的特點。的特點。 最優(yōu)控制最優(yōu)控制 、自適應(yīng)控制、自適應(yīng)控制 計算機控制、系統(tǒng)辨識計算機控制、系統(tǒng)辨識v智能控制理論智能控制理論 以以人工智能人工智能為基礎(chǔ)，