自動控制原理(J)

1、自動控制原理Principle of Automatic Control 課程基本情況介紹課程基本情況介紹 學(xué)學(xué) 分：分： 4 學(xué)時：學(xué)時： 64 參考書參考書: 自動控制原理自動控制原理 王建輝王建輝 清華大學(xué)出版社清華大學(xué)出版社 自動控制原理自動控制原理 程程 鵬鵬 高等教育出版社高等教育出版社 現(xiàn)代控制工程現(xiàn)代控制工程 美美 katsuhiko Ogata 盧伯英盧伯英 譯譯 電子工業(yè)出版社電子工業(yè)出版社 自動控制原理自動控制原理 梅曉榕梅曉榕 科學(xué)出版社科學(xué)出版社 現(xiàn)代控制系統(tǒng)現(xiàn)代控制系統(tǒng)(第八版第八版) 美美 Richard C. Dorf 高等教育出版社高等教育出版社 自動控制原理

2、自動控制原理 (第四版第四版) 胡壽松胡壽松 科學(xué)出版社科學(xué)出版社 Matlab應(yīng)用及有關(guān)該軟件的工具書應(yīng)用及有關(guān)該軟件的工具書 實驗：實驗： 自動控制實驗自動控制實驗( 1學(xué)分學(xué)分) ; Matlab仿真實驗仿真實驗 2 第第1 1章章 自動控制系統(tǒng)的基本概念自動控制系統(tǒng)的基本概念 本章主要內(nèi)容：本章主要內(nèi)容： 什么是自動控制和自動控制系統(tǒng)什么是自動控制和自動控制系統(tǒng) 自動控制的兩種基本模式自動控制的兩種基本模式 開環(huán)控制和閉環(huán)控制開環(huán)控制和閉環(huán)控制 自動控制系統(tǒng)的基本組成及相關(guān)術(shù)語自動控制系統(tǒng)的基本組成及相關(guān)術(shù)語 控制系統(tǒng)的類型控制系統(tǒng)的類型 對控制系統(tǒng)的基本要求對控制系統(tǒng)的基本要求 3什

3、么是控制什么是控制 ？ 控制控制 控制是一種強迫作用。該作用迫使被控對象按控制是一種強迫作用。該作用迫使被控對象按 照控制者的指令行事，實現(xiàn)控制者的期望。照控制者的指令行事，實現(xiàn)控制者的期望。 實現(xiàn)控制基本要素：控制對象、控制指令、控制環(huán)節(jié)（控實現(xiàn)控制基本要素：控制對象、控制指令、控制環(huán)節(jié)（控制器）共同構(gòu)成完整系統(tǒng)制器）共同構(gòu)成完整系統(tǒng) 控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)。 控制是一種特殊控制是一種特殊系統(tǒng)作用。系統(tǒng)作用。物理描述：控制是不同對象之間（控制者、被控者之間）的物理描述：控制是不同對象之間（控制者、被控者之間）的一種特殊作用（強迫作用）；控制者通過某種方式迫使被控一種特殊作用（強迫作用）；控制者通

4、過某種方式迫使被控對象的運動狀態(tài)按照控制指令變化。對象的運動狀態(tài)按照控制指令變化。引引 言：言： 基本概念：控制、自動控制、自動控制系統(tǒng)基本概念：控制、自動控制、自動控制系統(tǒng)4自動控制自動控制 在控制過程中，不需要人（控制者）的干預(yù)。在控制過程中，不需要人（控制者）的干預(yù)。 在無人直接干與的前提下在無人直接干與的前提下, ,利用專門的裝置利用專門的裝置 ( (控制器控制器) )來操縱某一種物理對象（被控對象：裝置、設(shè)備、過程等）來操縱某一種物理對象（被控對象：裝置、設(shè)備、過程等）的運動或變化，的運動或變化，使被控對象的受控物理量（被控量）按照使被控對象的受控物理量（被控量）按照預(yù)定的規(guī)律變化。

5、預(yù)定的規(guī)律變化。 自動控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng) 是為實現(xiàn)某一控制作用及目標(biāo)所需要的各種環(huán)節(jié)的組合。是為實現(xiàn)某一控制作用及目標(biāo)所需要的各種環(huán)節(jié)的組合。 包括包括控制指令、被控對象、控制環(huán)節(jié)（控制器、執(zhí)行機構(gòu)、控制指令、被控對象、控制環(huán)節(jié)（控制器、執(zhí)行機構(gòu)、傳感器等）。傳感器等）。人的工作：事先設(shè)計控制規(guī)律、設(shè)計控制器、設(shè)定輸入指令。人的工作：事先設(shè)計控制規(guī)律、設(shè)計控制器、設(shè)定輸入指令。5 自動控制應(yīng)用極為廣泛，在工業(yè)、國防、航空航天、自動控制應(yīng)用極為廣泛，在工業(yè)、國防、航空航天、交通、農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟管理、以及人們的日常生活，處處可見。交通、農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟管理、以及人們的日常生活，處處可見。 例例1. 1.

6、室溫自動控制室溫自動控制 例例2. 2. 水罐液位自動控制水罐液位自動控制 例例3. 3. 飛機飛行自動控制飛機飛行自動控制6 本課程學(xué)習(xí)、研究自動控制的共性規(guī)律。本課程學(xué)習(xí)、研究自動控制的共性規(guī)律。學(xué)習(xí)有關(guān)自動控制系統(tǒng)的組成原理、基本學(xué)習(xí)有關(guān)自動控制系統(tǒng)的組成原理、基本概念、分析方法，為進一步學(xué)習(xí)和設(shè)計符概念、分析方法，為進一步學(xué)習(xí)和設(shè)計符合要求的自動控制系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)合要求的自動控制系統(tǒng)奠定基礎(chǔ) 基本控制理論?；究刂评碚?。1.1 1.1 自動控制的基本方式自動控制的基本方式 開環(huán)控制和閉環(huán)控制開環(huán)控制和閉環(huán)控制一一. . 開環(huán)控制開環(huán)控制 開環(huán)控制示意圖開環(huán)控制示意圖 給定量給定量 被控量

7、被控量 (輸入量輸入量) （輸出量）（輸出量） 開環(huán)控制方框圖開環(huán)控制方框圖 特點：特點：信號從輸入到輸出，沿前向傳送；信號從輸入到輸出，沿前向傳送； 按給定量實施控制；按給定量實施控制； 輸出量對控制作用沒有影響（無反饋作用）。輸出量對控制作用沒有影響（無反饋作用）。 控制器被控對象8爐溫（開環(huán)）控制系統(tǒng)爐溫（開環(huán)）控制系統(tǒng) 1開環(huán)控制實例開環(huán)控制實例（系統(tǒng)組成示意圖）（系統(tǒng)組成示意圖）(Pictorial diagram )如何實現(xiàn)控制？如何實現(xiàn)控制？系統(tǒng)組成？系統(tǒng)組成？被控量？被控量？被對象？被對象？9爐溫（開環(huán)）控制系統(tǒng)爐溫（開環(huán)）控制系統(tǒng) 2（系統(tǒng)組成（系統(tǒng)組成示意圖示意圖）(Pic

8、torial diagram )如何實現(xiàn)控制？如何實現(xiàn)控制？系統(tǒng)組成？系統(tǒng)組成？被控量？被控量？10特點：被特點：被控對象（被控量）對控制過程無反饋作用?？貙ο螅ū豢亓浚刂七^程無反饋作用。優(yōu)點：控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，相對來說成本低。優(yōu)點：控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，相對來說成本低。問題：對被控量偏離給定值的偏差沒有任何修正 能力，控制精度低，抗干擾能力差。開環(huán)控制小結(jié)開環(huán)控制小結(jié)11二二. . 閉環(huán)控制閉環(huán)控制 基于負反饋原理、按偏差調(diào)節(jié)的負反饋控制基于負反饋原理、按偏差調(diào)節(jié)的負反饋控制閉環(huán)控制實例閉環(huán)控制實例 （1）人工閉環(huán)控制）人工閉環(huán)控制爐溫（閉環(huán)）控制系統(tǒng)爐溫（閉環(huán)）控制系統(tǒng)（系統(tǒng)組成示意圖）（

9、系統(tǒng)組成示意圖）(Pictorial diagram )如何實現(xiàn)控制？如何實現(xiàn)控制？系統(tǒng)組成？系統(tǒng)組成？被控量？被控量？(2) (2) 自動閉環(huán)控制自動閉環(huán)控制（系統(tǒng)組成示意圖）（系統(tǒng)組成示意圖） (Pictorial diagram )系統(tǒng)組成？系統(tǒng)組成？如何實現(xiàn)自動控制？如何實現(xiàn)自動控制？被控量？被控量？負反饋調(diào)節(jié)過程！負反饋調(diào)節(jié)過程！13特點：特點： 輸出參與控制、偏差控制輸出輸出參與控制、偏差控制輸出 基于負反饋原理、基于負反饋原理、 按偏差調(diào)節(jié)的負反饋控制按偏差調(diào)節(jié)的負反饋控制. .閉環(huán)控制基本規(guī)律閉環(huán)控制基本規(guī)律 傳感器傳感器檢測被控對象狀態(tài)（被控量），并以負反饋方式反檢測被控對象

10、狀態(tài)（被控量），并以負反饋方式反饋到輸入端饋到輸入端, ,與給定量進行比較而產(chǎn)生偏差與給定量進行比較而產(chǎn)生偏差, ,偏差經(jīng)過控制器偏差經(jīng)過控制器產(chǎn)生控制作用（控制量）產(chǎn)生控制作用（控制量）, ,使使被控量（系統(tǒng)被控量（系統(tǒng)輸出量）按照要求輸出量）按照要求的規(guī)律變化。的規(guī)律變化。最終實現(xiàn)：C(t) = r(t)C(t) = r(t)控制器被控對象傳感器+_控制量 被控量（輸出量） 給定量（輸入量）反饋量偏差閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖（方框圖（Block diagram）C(t)C(t)r(t)r(t)14優(yōu)點：優(yōu)點： 1. 1. 控制精度高控制精度高. . 2. 2. 能有效的抑制作用于被控

11、對象的干擾能有效的抑制作用于被控對象的干擾. . 3. 3. 對系統(tǒng)前向通道中元件參數(shù)變化不敏感對系統(tǒng)前向通道中元件參數(shù)變化不敏感. . 4. 4. 對系統(tǒng)本身部件的非線性影響不敏感對系統(tǒng)本身部件的非線性影響不敏感. . （所有優(yōu)點都由負反饋調(diào)節(jié)所決定）（所有優(yōu)點都由負反饋調(diào)節(jié)所決定）代價代價: : 增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性. . 實際的控制系統(tǒng)幾乎都是閉環(huán)控制系統(tǒng)實際的控制系統(tǒng)幾乎都是閉環(huán)控制系統(tǒng).1.2 1.2 （SISOSISO）自動控制系統(tǒng)的一般組成）自動控制系統(tǒng)的一般組成控制器執(zhí)行機構(gòu)被控對象傳感器(反饋環(huán)節(jié))給定環(huán)節(jié)r(t)e(t)b(t)_c(t)u1(t)u2(t)

12、Block diagram r(t) 給定量 (設(shè)定量、參考輸入量、輸入量)c(t) 輸出量（被控量 ）b(t) 反饋量（一般為電信號）e(t) 偏差量 e(t) = r(t) - b(t)SISO控制系統(tǒng)的典型方塊圖（基本模型 ）基本環(huán)節(jié)：給定環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)、控制器、執(zhí)行機構(gòu)、 被控對象、反饋環(huán)節(jié) 相關(guān)變量：16閉環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖（王建輝，閉環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖（王建輝，P5 圖圖18）17轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)實例自動控制系統(tǒng)實例1819自動控制系統(tǒng)實例自動控制系統(tǒng)實例控制器控制器氣動閥門氣動閥門流入流入 Q1Q1浮子浮子水箱水箱流出流出 Q2Q2H H水位自動控制系統(tǒng)水位自動控制系統(tǒng)20控制器控制器氣動閥門氣動閥門流入流入Q1Q1浮子浮子水箱水箱流出 Q2流出 Q2H H水位自動控制系統(tǒng)水位自動控制系統(tǒng)控制任務(wù)：控制任務(wù)：維持水箱內(nèi)水位恒定維持水箱內(nèi)水位恒定執(zhí)行機構(gòu)：執(zhí)行機構(gòu)：氣動閥門氣動閥門受控對象：受控對象：水箱（供水系統(tǒng)）水箱（供水系統(tǒng)）被控量：被控量：水箱內(nèi)水位高度水箱內(nèi)水位高度H21控制器控制器氣動閥門氣動閥門流入流入Q1Q1浮子浮子水箱水箱流出 Q2流出 Q2H H水位自動控制系統(tǒng)水位自動控制系統(tǒng)給定值：給定值：控制器刻度