自動(dòng)控制_01一般概念

1、自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理n1-1 引言引言n1-2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的一般概念自動(dòng)控制系統(tǒng)的一般概念n1-3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類n1-4 對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求第一章第一章 自動(dòng)控制的一般概念自動(dòng)控制的一般概念1-1 引言引言一一. 自動(dòng)控制的概念及應(yīng)用自動(dòng)控制的概念及應(yīng)用n1.控制：是使某些物理量按指定的規(guī)律變控制：是使某些物理量按指定的規(guī)律變化（包括保持恒定），以保證生產(chǎn)的安全化（包括保持恒定），以保證生產(chǎn)的安全性，經(jīng)濟(jì)性及產(chǎn)品質(zhì)量等要求的技術(shù)手段。性，經(jīng)濟(jì)性及產(chǎn)品質(zhì)量等要求的技術(shù)手段。n2.自動(dòng)控制：就是應(yīng)用自動(dòng)化儀表或控制自動(dòng)控制：就是應(yīng)用自動(dòng)化

2、儀表或控制裝置代替人，自動(dòng)地對(duì)機(jī)器設(shè)備或生產(chǎn)過裝置代替人，自動(dòng)地對(duì)機(jī)器設(shè)備或生產(chǎn)過程進(jìn)行控制，使之達(dá)到預(yù)期的狀態(tài)或性能程進(jìn)行控制，使之達(dá)到預(yù)期的狀態(tài)或性能要求求。鍋爐氣鼓水位控制系統(tǒng)鍋爐氣鼓水位控制系統(tǒng)眼眼腦腦手手測測量量變變送送器器控控制制器器給給定定值值執(zhí)執(zhí)行行機(jī)機(jī)構(gòu)構(gòu)氣氣鼓鼓手手閥閥控控制制閥閥給給水水水水位位計(jì)計(jì)蒸蒸汽汽n3. 自動(dòng)控制的應(yīng)用自動(dòng)控制的應(yīng)用 鍋爐設(shè)備的壓力和溫度自動(dòng)保持恒定鍋爐設(shè)備的壓力和溫度自動(dòng)保持恒定 數(shù)控機(jī)床按照預(yù)定的程序自動(dòng)地切削工件數(shù)控機(jī)床按照預(yù)定的程序自動(dòng)地切削工件 導(dǎo)彈發(fā)射與制導(dǎo)系統(tǒng)，自動(dòng)地使導(dǎo)彈攻擊敵方目標(biāo)導(dǎo)彈發(fā)射與制導(dǎo)系統(tǒng)，自動(dòng)地使導(dǎo)彈攻擊敵方目標(biāo) 無

3、人駕駛飛機(jī)按照預(yù)定航跡自動(dòng)升降和飛行無人駕駛飛機(jī)按照預(yù)定航跡自動(dòng)升降和飛行 人造衛(wèi)星準(zhǔn)確地進(jìn)入預(yù)定軌道運(yùn)行并回收人造衛(wèi)星準(zhǔn)確地進(jìn)入預(yù)定軌道運(yùn)行并回收 自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用范圍已擴(kuò)展到生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)境、自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用范圍已擴(kuò)展到生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)管理和其它許多社會(huì)生活領(lǐng)域中，自動(dòng)控制已成為經(jīng)濟(jì)管理和其它許多社會(huì)生活領(lǐng)域中，自動(dòng)控制已成為現(xiàn)代社會(huì)活動(dòng)中不可缺少的重要組成部分。現(xiàn)代社會(huì)活動(dòng)中不可缺少的重要組成部分。二二.自動(dòng)控制理論的發(fā)展自動(dòng)控制理論的發(fā)展 1.經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論40405050年代形成年代形成 適用于適用于SISOSISO（單輸入單輸出）系統(tǒng)（單輸入單輸出）系統(tǒng) 基于：

4、二戰(zhàn)軍工技術(shù)基于：二戰(zhàn)軍工技術(shù)目標(biāo)：反饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定目標(biāo)：反饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定 基本方法：傳遞函數(shù)，頻率法，基本方法：傳遞函數(shù)，頻率法，PIDPID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器 ( (頻域頻域) )2.現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論60607070年代形成年代形成 適用于適用于MIMO MIMO （多輸入多輸出）系統(tǒng)（多輸入多輸出）系統(tǒng) 基于：基于： 冷戰(zhàn)時(shí)期空間技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)冷戰(zhàn)時(shí)期空間技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)目標(biāo)：最優(yōu)控制目標(biāo)：最優(yōu)控制基本方法：狀態(tài)空間表達(dá)式基本方法：狀態(tài)空間表達(dá)式研究對(duì)研究對(duì)象象數(shù)學(xué)工數(shù)學(xué)工具具常用分常用分析方法析方法局限性局限性經(jīng)典經(jīng)典控制控制理論理論單輸入單輸入-單輸出線單輸出線性定常系性定常

5、系統(tǒng)統(tǒng)微分方微分方程，傳程，傳遞函數(shù)遞函數(shù)時(shí)域分時(shí)域分析法，析法，頻域分頻域分析法析法,根根軌跡分軌跡分析法析法對(duì)復(fù)雜多變量對(duì)復(fù)雜多變量系統(tǒng)、時(shí)變和系統(tǒng)、時(shí)變和非線性系統(tǒng)無非線性系統(tǒng)無能為力能為力現(xiàn)代現(xiàn)代控制控制理論理論多輸入多輸入-多輸出變多輸出變系數(shù)，非系數(shù)，非線性等系線性等系統(tǒng)統(tǒng)線性代線性代數(shù)、矩?cái)?shù)、矩陣?yán)碚撽嚴(yán)碚摖顟B(tài)空狀態(tài)空間法間法比較繁瑣（但比較繁瑣（但由于計(jì)算機(jī)技由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的的迅速發(fā)術(shù)的的迅速發(fā)展，這一局限展，這一局限性已克服性已克服)1-2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念一一.自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng) 自動(dòng)控制系統(tǒng)是指由控制裝置與被控對(duì)象結(jié)合起自動(dòng)控制系統(tǒng)是指由

6、控制裝置與被控對(duì)象結(jié)合起來的，能夠?qū)Ρ豢貙?duì)象的一些物理量進(jìn)行自動(dòng)控來的，能夠?qū)Ρ豢貙?duì)象的一些物理量進(jìn)行自動(dòng)控制的一個(gè)有機(jī)整體。制的一個(gè)有機(jī)整體。n1.被控對(duì)象：被控對(duì)象：（要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的機(jī)器設(shè)備（要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的機(jī)器設(shè)備或生產(chǎn)過程）或生產(chǎn)過程）n2.被控制量：被控制量：（指控制系統(tǒng)所要控制的物理量，（指控制系統(tǒng)所要控制的物理量，一般指系統(tǒng)的輸出量）一般指系統(tǒng)的輸出量）n3.給定值：給定值：（根據(jù)生產(chǎn)要求，被控制量需要（根據(jù)生產(chǎn)要求，被控制量需要達(dá)到的數(shù)值）達(dá)到的數(shù)值）n4.擾動(dòng)：擾動(dòng)：（破壞控制量與被控制量之間正常（破壞控制量與被控制量之間正常函數(shù)關(guān)系的因素，稱為系統(tǒng)的擾動(dòng)。如擾動(dòng)函數(shù)關(guān)

7、系的因素，稱為系統(tǒng)的擾動(dòng)。如擾動(dòng)來自外部，叫做外擾，如果擾動(dòng)來自內(nèi)部，來自外部，叫做外擾，如果擾動(dòng)來自內(nèi)部，稱為內(nèi)擾。系統(tǒng)中各元件參數(shù)的變化屬于內(nèi)稱為內(nèi)擾。系統(tǒng)中各元件參數(shù)的變化屬于內(nèi)擾。）擾。） 給定值和擾動(dòng)統(tǒng)稱為輸入量。給定值和擾動(dòng)統(tǒng)稱為輸入量。n5.控制裝置：控制裝置：（能夠?qū)Ρ豢貙?duì)象起控制作用（能夠?qū)Ρ豢貙?duì)象起控制作用的設(shè)備總稱）的設(shè)備總稱）二二.原理方框圖原理方框圖 表示比較元件或比較點(diǎn)，表示比較元件或比較點(diǎn)，它的輸出量等于各輸入它的輸出量等于各輸入量的代數(shù)和，各輸入量量的代數(shù)和，各輸入量若為若為“”號(hào)可以不標(biāo)，號(hào)可以不標(biāo)，若為若為“”號(hào)必須在箭號(hào)必須在箭頭旁標(biāo)注負(fù)號(hào)。頭旁標(biāo)注負(fù)號(hào)。

8、引出點(diǎn)，表示信號(hào)引出點(diǎn)，表示信號(hào)在此分兩路，兩路在此分兩路，兩路信號(hào)相同，不存在信號(hào)相同，不存在分流問題。分流問題。方框表示它所代表部分方框表示它所代表部分的名稱和功能，而不畫的名稱和功能，而不畫出具體結(jié)構(gòu)，用方框之出具體結(jié)構(gòu)，用方框之間帶箭頭的直線說明各間帶箭頭的直線說明各部分之間的信號(hào)傳遞部分之間的信號(hào)傳遞控制器控制器執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象被控對(duì)象測量變送器測量變送器-r給定值給定值e偏差偏差擾動(dòng)擾動(dòng)被控量被控量nc測量信號(hào)測量信號(hào) 2.應(yīng)用應(yīng)用 目前比較常見的開環(huán)控制系統(tǒng)有自動(dòng)售貨機(jī)，自動(dòng)目前比較常見的開環(huán)控制系統(tǒng)有自動(dòng)售貨機(jī)，自動(dòng)洗衣機(jī)，自動(dòng)流水線，包裝機(jī)等。洗衣機(jī)，自動(dòng)流水線，包裝

9、機(jī)等。三三.開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)1.定義：定義：輸出量與輸入量之間沒有反向聯(lián)系，只靠輸出量與輸入量之間沒有反向聯(lián)系，只靠輸入量對(duì)輸出量單向控制的系統(tǒng)叫開環(huán)控制系統(tǒng)。輸入量對(duì)輸出量單向控制的系統(tǒng)叫開環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制又可稱為前饋控制，因?yàn)榭刂谱饔檬怯奢斎腴_環(huán)控制又可稱為前饋控制，因?yàn)榭刂谱饔檬怯奢斎胄盘?hào)直接向前輸送，而不是由輸出信號(hào)回輸?shù)捷斎胄判盘?hào)直接向前輸送，而不是由輸出信號(hào)回輸?shù)捷斎胄盘?hào)來進(jìn)行控制的，故稱為前饋控制。號(hào)來進(jìn)行控制的，故稱為前饋控制?？刂蒲b置控制裝置被控對(duì)象被控對(duì)象控制量控制量擾動(dòng)擾動(dòng)被控制量被控制量例例1.下面是一個(gè)具體的開環(huán)控制系統(tǒng)的例子，下面是一個(gè)具體的開環(huán)控制系統(tǒng)

10、的例子， 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。電位器（產(chǎn)生給定電電位器（產(chǎn)生給定電壓壓ur）如果）如果010V轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速01000轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)方框圖為：方框圖為：電電壓壓放放大大器器可可控控硅硅功功放放M M負(fù)載負(fù)載rukuaun n電網(wǎng)電壓電網(wǎng)電壓P P電位器電位器電壓電壓放大器放大器可控硅可控硅功放功放直流直流電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)Purukn擾動(dòng)擾動(dòng)ua四四.閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)1定義：定義：輸出量與輸入量之間有反向聯(lián)系，靠輸入輸出量與輸入量之間有反向聯(lián)系，靠輸入量與主反饋信號(hào)之間的偏差對(duì)輸出量進(jìn)行控制的量與主反饋信號(hào)之間的偏差對(duì)輸出量進(jìn)行控制的系統(tǒng)叫閉環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)叫閉環(huán)控制系統(tǒng)。反饋：反饋

11、：是把系統(tǒng)輸出量全部或一部分回送到輸入端，是把系統(tǒng)輸出量全部或一部分回送到輸入端，以增強(qiáng)或減弱輸入信號(hào)的效應(yīng)。以增強(qiáng)或減弱輸入信號(hào)的效應(yīng)。例例2 引入閉環(huán)控制后的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)引入閉環(huán)控制后的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)電電壓壓放放大大器器可可控控硅硅功功放放M M負(fù)載負(fù)載G Gburuukuaun n 測速 測速 發(fā)電 發(fā)電 機(jī) 機(jī)引入測速發(fā)電機(jī)，這時(shí)電壓放大器的輸入引入測速發(fā)電機(jī)，這時(shí)電壓放大器的輸入 ，如果外來，如果外來的電網(wǎng)電壓波動(dòng)使電機(jī)的轉(zhuǎn)速的電網(wǎng)電壓波動(dòng)使電機(jī)的轉(zhuǎn)速n ，則由測速發(fā)電機(jī)確定的，則由測速發(fā)電機(jī)確定的則則 則則uk ，ua 則則n ，消除了偏差，控制轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。，消除了偏差

12、，控制轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。負(fù)反饋。負(fù)反饋。bruuububruuu方框圖方框圖同開環(huán)系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)由于干擾引起的轉(zhuǎn)速誤差要小得多。同開環(huán)系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)由于干擾引起的轉(zhuǎn)速誤差要小得多。如果極性接錯(cuò)，這時(shí)電壓放大器的輸入如果極性接錯(cuò)，這時(shí)電壓放大器的輸入 ，如果外來的，如果外來的電網(wǎng)電壓波動(dòng)使電機(jī)的轉(zhuǎn)速電網(wǎng)電壓波動(dòng)使電機(jī)的轉(zhuǎn)速n ，則由測速發(fā)電機(jī)確定的，則由測速發(fā)電機(jī)確定的則則 則則uk ，ua 則則n ，則轉(zhuǎn)速越來越大，電動(dòng)機(jī)損壞，則轉(zhuǎn)速越來越大，電動(dòng)機(jī)損壞，失去控制。失去控制。正反饋。正反饋。bruuububruuu電位器電壓放大器可控硅放大器直流電動(dòng)機(jī)測速機(jī)Puruubuk-n擾動(dòng)ua正反饋不能用

13、于控制系統(tǒng)，用途正反饋不能用于控制系統(tǒng)，用途振蕩器（正弦信號(hào)發(fā)生器）振蕩器（正弦信號(hào)發(fā)生器） 起增強(qiáng)輸入信號(hào)作用起增強(qiáng)輸入信號(hào)作用正反饋。正反饋。 起減弱輸入信號(hào)作用起減弱輸入信號(hào)作用負(fù)反饋。負(fù)反饋。 正反饋不能進(jìn)行控制，會(huì)使系統(tǒng)的偏差越來越大。正反饋不能進(jìn)行控制，會(huì)使系統(tǒng)的偏差越來越大。 只有負(fù)反饋控制系統(tǒng)才能完成自動(dòng)控制的任務(wù)。只有負(fù)反饋控制系統(tǒng)才能完成自動(dòng)控制的任務(wù)。 負(fù)反饋控制系統(tǒng)最大的特點(diǎn)：檢測偏差，糾正偏差負(fù)反饋控制系統(tǒng)最大的特點(diǎn)：檢測偏差，糾正偏差 按偏差控制按偏差控制例例3.我們在日常生活中經(jīng)常遇到的抽水馬桶，也是一我們在日常生活中經(jīng)常遇到的抽水馬桶，也是一個(gè)典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)

14、。個(gè)典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)。 水箱原來處于一個(gè)平衡狀態(tài)，水箱原來處于一個(gè)平衡狀態(tài)，q1(t)=q2(t)=0。如果打開閥門，沖。如果打開閥門，沖水，沖好后關(guān)上閥門，水，沖好后關(guān)上閥門，h(t)發(fā)生變化，水位下降，發(fā)生變化，水位下降， h變大，通變大，通過浮子反饋到執(zhí)行機(jī)構(gòu)。機(jī)械杠桿帶動(dòng)活塞打開，過浮子反饋到執(zhí)行機(jī)構(gòu)。機(jī)械杠桿帶動(dòng)活塞打開， q1(t)變大，變大，使使h 變小，浮子上浮，活塞也上升，直至達(dá)到新的平衡。變小，浮子上浮，活塞也上升，直至達(dá)到新的平衡。閥閥門門活活塞塞浮浮子子水水h h( (t t) )q q1 1( (t t) )q q2 2( (t t) )原理方框圖：原理方框圖： 機(jī)

15、械杠桿活塞水箱浮子執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象檢測機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)器比較器h0-h(t)q1(t)這就是負(fù)反饋控制系統(tǒng)，檢測偏差，然后進(jìn)行調(diào)這就是負(fù)反饋控制系統(tǒng)，檢測偏差，然后進(jìn)行調(diào)節(jié)，使偏差減小，最后直至消除偏差。節(jié)，使偏差減小，最后直至消除偏差。 按偏按偏差控制。差控制。 n主反饋：直接取自系統(tǒng)輸出端主反饋：直接取自系統(tǒng)輸出端n，經(jīng)過測量和變，經(jīng)過測量和變換，又引入到系統(tǒng)輸入端的信號(hào)換，又引入到系統(tǒng)輸入端的信號(hào)ub叫主反饋信號(hào)，叫主反饋信號(hào)，相應(yīng)的反饋叫主反饋。相應(yīng)的反饋叫主反饋。n前向通道：從系統(tǒng)輸入端到輸出量之間的通道稱前向通道：從系統(tǒng)輸入端到輸出量之間的通道稱為前向通道。為前向通道。n主反饋通道：從輸出

16、量到主反饋信號(hào)之間的通道主反饋通道：從輸出量到主反饋信號(hào)之間的通道稱為主反饋通道。稱為主反饋通道。n單位反饋系統(tǒng)：主反饋信號(hào)等于輸出量的系統(tǒng)叫單位反饋系統(tǒng)：主反饋信號(hào)等于輸出量的系統(tǒng)叫單位反饋系統(tǒng)。單位反饋系統(tǒng)。n非單位反饋系統(tǒng)：主反饋信號(hào)不等于輸出量的系非單位反饋系統(tǒng)：主反饋信號(hào)不等于輸出量的系統(tǒng)叫非單位反饋系統(tǒng)。統(tǒng)叫非單位反饋系統(tǒng)。n局部反饋：對(duì)應(yīng)內(nèi)回路。局部反饋：對(duì)應(yīng)內(nèi)回路。五五.重要概念重要概念n主回路：主反饋閉合了除系統(tǒng)輸入信號(hào)和干擾信主回路：主反饋閉合了除系統(tǒng)輸入信號(hào)和干擾信號(hào)以外的其它所有信號(hào)，所形成的閉合回路稱為號(hào)以外的其它所有信號(hào)，所形成的閉合回路稱為主回路。主回路。n給定元

17、件：給出與系統(tǒng)輸出量希望值相對(duì)應(yīng)的系給定元件：給出與系統(tǒng)輸出量希望值相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)輸入量。統(tǒng)輸入量。n測量元件：測量系統(tǒng)輸出量的實(shí)際值，并把輸出測量元件：測量系統(tǒng)輸出量的實(shí)際值，并把輸出量的量綱轉(zhuǎn)化成與輸入量相同。量的量綱轉(zhuǎn)化成與輸入量相同。n比較元件：比較系統(tǒng)的輸入量和主反饋信號(hào)，并比較元件：比較系統(tǒng)的輸入量和主反饋信號(hào)，并給出兩者之間的偏差。給出兩者之間的偏差。n放大元件：對(duì)微弱的偏差信號(hào)進(jìn)行放大和變換，放大元件：對(duì)微弱的偏差信號(hào)進(jìn)行放大和變換，使之具有足夠的幅值和功率，以適應(yīng)執(zhí)行元件動(dòng)使之具有足夠的幅值和功率，以適應(yīng)執(zhí)行元件動(dòng)作的要求。作的要求。n執(zhí)行元件：根據(jù)放大后的偏差信號(hào)產(chǎn)生控制、動(dòng)

18、執(zhí)行元件：根據(jù)放大后的偏差信號(hào)產(chǎn)生控制、動(dòng)作，操作系統(tǒng)的輸出量，使之按照輸入量的變化作，操作系統(tǒng)的輸出量，使之按照輸入量的變化規(guī)律而變化。規(guī)律而變化。 n開環(huán)控制系統(tǒng)：開環(huán)控制系統(tǒng)： 1. 結(jié)構(gòu)簡單經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)簡單經(jīng)濟(jì) 2.調(diào)試方便調(diào)試方便 3.抗干擾能力差，控制精度不高?？垢蓴_能力差，控制精度不高。n閉環(huán)控制系統(tǒng)：閉環(huán)控制系統(tǒng)： 1.系統(tǒng)具有糾正偏差的能力。系統(tǒng)具有糾正偏差的能力。 2.抗擾性好，控制精度高?？箶_性好，控制精度高。 3.包含元件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格高。包含元件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格高。 4.參數(shù)應(yīng)選擇適當(dāng)參數(shù)應(yīng)選擇適當(dāng)。n開環(huán)閉環(huán)復(fù)合控制系統(tǒng)（兼有兩者的優(yōu)點(diǎn)，開環(huán)閉環(huán)復(fù)合控制系統(tǒng)（兼有

19、兩者的優(yōu)點(diǎn)，精度很高）精度很高） 六六.開環(huán)與閉環(huán)系統(tǒng)的比較開環(huán)與閉環(huán)系統(tǒng)的比較返回飛機(jī)示意圖飛機(jī)示意圖給給定定裝裝置置放放大大器器舵機(jī)舵機(jī)飛機(jī)飛機(jī) 反饋電反饋電位器位器 垂直垂直陀螺儀陀螺儀0擾動(dòng)擾動(dòng)俯仰角控制系統(tǒng)方塊圖俯仰角控制系統(tǒng)方塊圖飛機(jī)方塊圖飛機(jī)方塊圖1-3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類 一一.分類分類n1.根據(jù)結(jié)構(gòu)劃分根據(jù)結(jié)構(gòu)劃分 a.負(fù)反饋系統(tǒng)負(fù)反饋系統(tǒng) b.前饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng) c.復(fù)合控制系統(tǒng)復(fù)合控制系統(tǒng)n2.按給定值的形式劃分按給定值的形式劃分 a.定值控制系統(tǒng)（輸入量是恒定的常值，任定值控制系統(tǒng)（輸入量是恒定的常值，任務(wù)：在各種擾動(dòng)作用下都能使輸出量保持在恒務(wù)

20、：在各種擾動(dòng)作用下都能使輸出量保持在恒定希望值附近，如恒溫、水位、恒壓控制系統(tǒng)）定希望值附近，如恒溫、水位、恒壓控制系統(tǒng)） b.隨動(dòng)系統(tǒng)（也叫伺服系統(tǒng)，跟蹤系統(tǒng)）隨動(dòng)系統(tǒng)（也叫伺服系統(tǒng)，跟蹤系統(tǒng)） 這種控制系統(tǒng)的輸入量是事先不知道的這種控制系統(tǒng)的輸入量是事先不知道的任意時(shí)間函數(shù)。任務(wù)：使輸出量迅速而任意時(shí)間函數(shù)。任務(wù)：使輸出量迅速而準(zhǔn)確地跟隨輸入量的變化而變化。比如：準(zhǔn)確地跟隨輸入量的變化而變化。比如：飛機(jī)和艦船的操舵系統(tǒng)，雷達(dá)自動(dòng)跟蹤飛機(jī)和艦船的操舵系統(tǒng)，雷達(dá)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)。系統(tǒng)。 c.程序控制系統(tǒng)（輸入量按照給定的程序程序控制系統(tǒng)（輸入量按照給定的程序變化。任務(wù)：使輸出量按預(yù)先給定的程變化。

21、任務(wù)：使輸出量按預(yù)先給定的程序指令而動(dòng)作）最典型的就是數(shù)控車床序指令而動(dòng)作）最典型的就是數(shù)控車床和機(jī)器人控制系統(tǒng)。和機(jī)器人控制系統(tǒng)。n3.按系統(tǒng)的特性分類按系統(tǒng)的特性分類 a.線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)(具有疊加性和齊次性，可以用線具有疊加性和齊次性，可以用線性微分方程來描述性微分方程來描述) b.非線性系統(tǒng)（不適用疊加原理，用非線性非線性系統(tǒng)（不適用疊加原理，用非線性方程來描述）方程來描述）n4.按信號(hào)的形式分類按信號(hào)的形式分類 a.連續(xù)控制系統(tǒng)連續(xù)控制系統(tǒng) b.離散控制系統(tǒng)離散控制系統(tǒng) 線性系統(tǒng)線性系統(tǒng) 特點(diǎn)：特點(diǎn)：系統(tǒng)由線性元件構(gòu)成，描述運(yùn)動(dòng)規(guī)律的數(shù)學(xué)模型為線性微分方程。運(yùn)動(dòng)方程一般形式： 式中：

22、r(t)系統(tǒng)輸入量； c(t)系統(tǒng)輸出量 主要特點(diǎn)是具有疊加性和齊次性。c(t)adtdc(t)adtc(t)dadtc(t)da011 -n1 -n1 -n1 -nnnnnr(t)bdtdr(t)bdtr(t)dbdtr(t)db011 -m1 -m1 -m1 -mmmmm爐溫自動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖爐溫自動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖電位器電壓及功率放大器直流執(zhí)行電動(dòng)機(jī)減速器調(diào)壓器電爐熱電偶Truruuann(t)Tcubu由于元件存在不靈敏區(qū)，只有偏差電壓大到一定數(shù)值由于元件存在不靈敏區(qū)，只有偏差電壓大到一定數(shù)值后電機(jī)才轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行控制，所以，控制精度只能保持后電機(jī)才轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行控制，所以，控制精度只能保持在在

23、6800 50 C 電爐爐溫自動(dòng)控制系統(tǒng)的任務(wù)是控制爐溫維持在電爐爐溫自動(dòng)控制系統(tǒng)的任務(wù)是控制爐溫維持在6800C附近，以滿足硅鋼熱處理的要求。爐子的附近，以滿足硅鋼熱處理的要求。爐子的溫度由毫伏級(jí)的給定電壓溫度由毫伏級(jí)的給定電壓ur控制的，其設(shè)置與爐控制的，其設(shè)置與爐溫的期望值溫的期望值Tr相對(duì)應(yīng)，熱電偶用來測量爐溫的實(shí)相對(duì)應(yīng)，熱電偶用來測量爐溫的實(shí)際值際值Tc，它的輸出它的輸出ub正比于爐溫，正比于爐溫，ub=kTc,ub是毫是毫伏級(jí)電壓信號(hào)，伏級(jí)電壓信號(hào)，k是比例系數(shù)。是比例系數(shù)。ub僅反饋到系統(tǒng)僅反饋到系統(tǒng)的輸入端，與給定電壓的輸入端，與給定電壓ur進(jìn)行比較，得到偏差信進(jìn)行比較，得到偏

24、差信號(hào)號(hào)u= ur- ub要求的爐溫與實(shí)際爐溫的偏差。要求的爐溫與實(shí)際爐溫的偏差。 u=0，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。 若由于擾動(dòng)使實(shí)際的爐溫低于希期望值，若由于擾動(dòng)使實(shí)際的爐溫低于希期望值，則則 u= ur- ub 0，該電壓經(jīng)電壓放大和功率放，該電壓經(jīng)電壓放大和功率放大后驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，電機(jī)經(jīng)減速器帶動(dòng)調(diào)壓大后驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，電機(jī)經(jīng)減速器帶動(dòng)調(diào)壓變壓器的滑臂，向增加加熱電流的方向移動(dòng)，變壓器的滑臂，向增加加熱電流的方向移動(dòng)，于是反饋電壓于是反饋電壓ub增加，增加， u下降，直至爐溫達(dá)下降，直至爐溫達(dá)到給定值為止，此時(shí)到給定值為止，此時(shí)u= 0，電機(jī)停轉(zhuǎn)，系統(tǒng)，電機(jī)停轉(zhuǎn)，系統(tǒng)重新處于

25、平衡狀態(tài)，從而完成了自動(dòng)調(diào)節(jié)爐重新處于平衡狀態(tài)，從而完成了自動(dòng)調(diào)節(jié)爐溫的任務(wù)，若由于干擾使實(shí)際的爐溫高于希溫的任務(wù)，若由于干擾使實(shí)際的爐溫高于希望值，整個(gè)調(diào)節(jié)過程反方向進(jìn)行。望值，整個(gè)調(diào)節(jié)過程反方向進(jìn)行。1-4 對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求 前面我們已經(jīng)講過，輸入信號(hào)和擾動(dòng)是一個(gè)系統(tǒng)典前面我們已經(jīng)講過，輸入信號(hào)和擾動(dòng)是一個(gè)系統(tǒng)典型的外作用，但我們希望系統(tǒng)只受輸入信號(hào)的控制，型的外作用，但我們希望系統(tǒng)只受輸入信號(hào)的控制，而絲毫不受擾動(dòng)的影響，所以我們只研究在輸入信而絲毫不受擾動(dòng)的影響，所以我們只研究在輸入信號(hào)作用下，對(duì)系統(tǒng)性能的要求。號(hào)作用下，對(duì)系統(tǒng)性能的要求。去掉擾動(dòng)后的自動(dòng)控制系

26、統(tǒng)原理圖去掉擾動(dòng)后的自動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖控制器控制器執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象被控對(duì)象輸入信號(hào)輸入信號(hào)給定值給定值偏差偏差-測量變送器測量變送器輸出量輸出量 當(dāng)輸入信號(hào)突然發(fā)生跳變時(shí)，這時(shí)輸出量還處在原當(dāng)輸入信號(hào)突然發(fā)生跳變時(shí)，這時(shí)輸出量還處在原有的平衡狀態(tài)，這樣就出現(xiàn)了偏差，這個(gè)偏差控制有的平衡狀態(tài)，這樣就出現(xiàn)了偏差，這個(gè)偏差控制輸出量達(dá)到新的平衡，這就是一個(gè)調(diào)節(jié)過程。輸出量達(dá)到新的平衡，這就是一個(gè)調(diào)節(jié)過程。t01輸入r(t)t01輸出c(t)12理想的調(diào)節(jié)過程實(shí)際 理想的調(diào)節(jié)過程是：出現(xiàn)偏差后，執(zhí)行機(jī)構(gòu)突然理想的調(diào)節(jié)過程是：出現(xiàn)偏差后，執(zhí)行機(jī)構(gòu)突然動(dòng)作，使輸出量立即達(dá)到新的平衡狀態(tài)，調(diào)節(jié)過動(dòng)作

27、，使輸出量立即達(dá)到新的平衡狀態(tài)，調(diào)節(jié)過程瞬時(shí)完成，實(shí)際上這是不可能的，因?yàn)槭裁茨?？程瞬時(shí)完成，實(shí)際上這是不可能的，因?yàn)槭裁茨?？?duì)，慣性。所以當(dāng)輸出量發(fā)生跳變時(shí)，任何實(shí)際對(duì)，慣性。所以當(dāng)輸出量發(fā)生跳變時(shí)，任何實(shí)際系統(tǒng)從原平衡狀態(tài)到達(dá)新的平衡狀態(tài)都要經(jīng)歷一系統(tǒng)從原平衡狀態(tài)到達(dá)新的平衡狀態(tài)都要經(jīng)歷一個(gè)過渡過程，過渡過程的曲線形狀隨系統(tǒng)的不同個(gè)過渡過程，過渡過程的曲線形狀隨系統(tǒng)的不同而有所差異，有的是單調(diào)增長到穩(wěn)定值（曲線而有所差異，有的是單調(diào)增長到穩(wěn)定值（曲線1），有的是衰減到穩(wěn)定值（曲線），有的是衰減到穩(wěn)定值（曲線2） 。整個(gè)調(diào)節(jié)過程分為兩個(gè)階段整個(gè)調(diào)節(jié)過程分為兩個(gè)階段:na.過渡過程過渡過程 反

28、映系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。（輸出量處反映系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。（輸出量處于激烈變化之中）于激烈變化之中）nb.穩(wěn)態(tài)過程穩(wěn)態(tài)過程 反映系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性。（輸出量穩(wěn)反映系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性。（輸出量穩(wěn)定在新的平衡狀態(tài)，并保持不變。）定在新的平衡狀態(tài)，并保持不變。） 陰影部分表示的是實(shí)際調(diào)節(jié)過程與理想調(diào)節(jié)過程陰影部分表示的是實(shí)際調(diào)節(jié)過程與理想調(diào)節(jié)過程的差異，差異越小，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量越高。的差異，差異越小，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量越高。一一.典型外作用：典型外作用： 為了能對(duì)不同的控制系統(tǒng)的性能用統(tǒng)一的標(biāo)為了能對(duì)不同的控制系統(tǒng)的性能用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來恒量，通常需要選擇準(zhǔn)來恒量，通常需要選擇幾種典型的外作用。的外作用。 n1.選取原則選取

29、原則（1）在現(xiàn)場及實(shí)驗(yàn)中容易產(chǎn)生）在現(xiàn)場及實(shí)驗(yàn)中容易產(chǎn)生（2）在工程中經(jīng)常遇到，并且是最不利的外）在工程中經(jīng)常遇到，并且是最不利的外作用。作用。（3）數(shù)學(xué)表達(dá)式簡單，便于理論分析。）數(shù)學(xué)表達(dá)式簡單，便于理論分析。n2.階躍函數(shù)階躍函數(shù)（1）數(shù)學(xué)表達(dá)式）數(shù)學(xué)表達(dá)式 0,00,)(ttRtr（2）圖形： 表示在表示在t=0時(shí)刻出現(xiàn)了幅值為時(shí)刻出現(xiàn)了幅值為R的跳變，是最不利的跳變，是最不利的外作用。的外作用。R=1時(shí)的階躍函數(shù)叫單位階躍函數(shù)，用時(shí)的階躍函數(shù)叫單位階躍函數(shù)，用1(t)表示。常用階躍函數(shù)作為評(píng)價(jià)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的表示。常用階躍函數(shù)作為評(píng)價(jià)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的典型外作用。所以階躍函數(shù)在自動(dòng)控制系統(tǒng)的

30、分析典型外作用。所以階躍函數(shù)在自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析中起著特別重要的作用。中起著特別重要的作用。n 3.斜坡函數(shù)斜坡函數(shù) （也叫速度函數(shù)）（也叫速度函數(shù)） R0 tr(t)（1）.數(shù)學(xué)表達(dá)式數(shù)學(xué)表達(dá)式 （2）圖形：）圖形： 如如R=1,叫單位速度函數(shù)，表示從叫單位速度函數(shù)，表示從t=0時(shí)刻，時(shí)刻，以恒速以恒速R變化。變化。0 t r(t)0, 00,)(ttRttrn4.加速度函數(shù)加速度函數(shù) （1）數(shù)學(xué)表達(dá)式）數(shù)學(xué)表達(dá)式 (2)圖形圖形 R=1叫單位加速度函數(shù)。表示從叫單位加速度函數(shù)。表示從t=0時(shí)刻開時(shí)刻開始，以恒加速度始，以恒加速度R變化。變化。0 t r(t)0, 00,21)(2ttRtt

31、rn5.脈沖函數(shù)脈沖函數(shù) （1）矩形脈沖函數(shù)數(shù)學(xué)表達(dá)式）矩形脈沖函數(shù)數(shù)學(xué)表達(dá)式 (2)圖形：圖形： r(t)0tAtttAtr或0, 00 ,/)( 脈沖函數(shù)是對(duì)脈沖函數(shù)是對(duì)趨于趨于0，求極限得到的，求極限得到的。數(shù)數(shù)學(xué)表達(dá)式為學(xué)表達(dá)式為 但脈沖函數(shù)在現(xiàn)實(shí)中是不存在的，只是數(shù)學(xué)上的但脈沖函數(shù)在現(xiàn)實(shí)中是不存在的，只是數(shù)學(xué)上的定義，在現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中常把作用時(shí)間很短，幅值很定義，在現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中常把作用時(shí)間很短，幅值很大而強(qiáng)度有限的一些外作用近似看作脈沖函數(shù)。大而強(qiáng)度有限的一些外作用近似看作脈沖函數(shù)。當(dāng)當(dāng)A=1A=1時(shí)，稱為單位脈沖函數(shù)，記作時(shí)，稱為單位脈沖函數(shù)，記作(t),(t), 強(qiáng)度為強(qiáng)度為A A的脈

32、沖函數(shù)的脈沖函數(shù)r(t)r(t)表示成表示成 r(t)=Ar(t)=A(t)(t)n6.6.正弦函數(shù)正弦函數(shù) （1 1）. .數(shù)學(xué)表達(dá)式數(shù)學(xué)表達(dá)式Adttr)(0, 00,)(tttr0, 00,sin)(ttwtAtr A A為振幅，為振幅，w=2w=2f f 為正弦函數(shù)的角頻率，為正弦函數(shù)的角頻率，這里，初始相角這里，初始相角=0=0，如果初始相角，如果初始相角不不等于等于0 0，那么正弦函數(shù)，那么正弦函數(shù)r(t)r(t)的表達(dá)式為：的表達(dá)式為： r(t)=Asin(wt-r(t)=Asin(wt-) ) (2). (2).圖形圖形r(t)tA 正弦函數(shù)也是控制系統(tǒng)常見的一種典型外作正弦函數(shù)也是控制系統(tǒng)常見的一種典型外作用，很多實(shí)際的隨動(dòng)系統(tǒng)就是經(jīng)常在這種正用，很多實(shí)際的隨動(dòng)系統(tǒng)就是經(jīng)常在這種正弦函數(shù)作用下工作的，更為重要的是系統(tǒng)在弦函數(shù)作用下工