-自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類課件

1、1 控制系統(tǒng)導(dǎo)論第一章2一、自動(dòng)控制的基本原理 1、自動(dòng)控制技術(shù)及其應(yīng)用飛機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用廣泛，幾乎無(wú)處不在。所謂自動(dòng)控制，是指沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱控制裝置或控制器），使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（統(tǒng)稱被控對(duì)象）的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量）自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。3哈勃望遠(yuǎn)鏡特殊的衛(wèi)星通信衛(wèi)星 人造地球衛(wèi)星控制其準(zhǔn)確地進(jìn)入預(yù)定軌道運(yùn)行并回收廣播衛(wèi)星4無(wú)人駕駛飛機(jī)按預(yù)定軌跡自動(dòng)升降和飛行制導(dǎo)導(dǎo)彈長(zhǎng)上了“眼睛”和“大腦”5自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用于其他領(lǐng)域，如家用電器領(lǐng)域電扇：控制轉(zhuǎn)速電冰箱、空調(diào)、電飯煲：控制溫度洗衣機(jī)：控制水位、時(shí)間等6自動(dòng)包裝機(jī)器人總之，控制技術(shù)

2、已無(wú)處不在。只要是能夠替代人來(lái)完成某種事情的系統(tǒng)或設(shè)備，均有自動(dòng)控制技術(shù)的存在。盡管自動(dòng)控制系統(tǒng)各式各樣，結(jié)構(gòu)和用途各不相同，但將它們抽象之后的基本原理都是一樣的。工業(yè)領(lǐng)域72、自動(dòng)控制理論按其發(fā)展的不同階段，可把自動(dòng)控制理論分為經(jīng)典控制理論（自動(dòng)控制原理）和現(xiàn)代控制理論兩大部分。8 4050年代 經(jīng)典控制理論 適用范圍：?jiǎn)屋斎雴屋敵觯⊿ISO）系統(tǒng) 主要方法：時(shí)域法、根軌跡法、頻域法 數(shù)學(xué)基礎(chǔ)：微分方程、拉普拉斯變換SISO: Single Input and Single Output9 60 70 年代 現(xiàn)代控制理論（狀態(tài)空間法） 核心：狀態(tài)變量的能控、能觀性， 系統(tǒng)性能的最優(yōu)化 適用范

3、圍： 統(tǒng)一處理SISO、MIMO系統(tǒng)、時(shí) 變系統(tǒng)、定常系統(tǒng)等 主要方法：狀態(tài)空間法數(shù)學(xué)基礎(chǔ)：矩陣?yán)碚揗IMO: Multi-Input and Multi-Output10補(bǔ)充： 人工控制與自動(dòng)控制 a、人工控制：控制系統(tǒng)可以由人工控制，也可以采用自動(dòng)控制。人工控制水位保持恒定的供水系統(tǒng)：11要求：在出水量隨意的條件下，保持水位高度不變。人工控制過程：眼：測(cè)量實(shí)際液位H。 測(cè)量過程。腦：將實(shí)際液位H和期望液位相比較，根 據(jù)兩者偏差的正負(fù)及大小作出決策。 比較、分析、決策過程。手：執(zhí)行大腦命令，調(diào)節(jié)閥門開度。 執(zhí)行過程。上述過程就是重復(fù)地進(jìn)行測(cè)量、求偏差、實(shí)施控制以減少或消除偏差的過程。12c、

4、較完善的水位自動(dòng)控制特點(diǎn)：無(wú)論出水量如何變化，最終的控制結(jié)果總能使系統(tǒng)回歸設(shè)定的期望水位。13 反饋控制結(jié)構(gòu)示意圖如下：3、反饋控制原理參考輸入/給定量r(t)控制裝置被控對(duì)象輸出量/被控量c(t)偏差反饋：取出輸出量送回輸入端，并與輸入信號(hào)比較產(chǎn)生偏差的過程，稱為反饋。負(fù)反饋、正反饋：若反饋的信號(hào)是與輸入信號(hào)相減，使產(chǎn)生的偏差越來(lái)越小，則稱為負(fù)反饋。反之，為正反饋。即具有人的眼、腦、手的功能的設(shè)備統(tǒng)稱。14參考輸入/給定量r(t)控制裝置被控對(duì)象輸出量/被控量c(t)偏差反饋控制原理（偏差控制、閉環(huán)控制）（P4上部）：（1）具有負(fù)反饋通道，目的是求得偏差。（2）由偏差產(chǎn)生控制作用。（3）控制

5、的目的是力圖減小或消除偏差，使被控量等于或盡量接近給定量。若r(t)給定量，c(t)被控量，則自控任務(wù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：使被控量滿足c(t) =f(r(t)。154、反饋控制系統(tǒng)的基本組成反饋控制系統(tǒng)是由各種職能不同的元部件組成的。 a) 測(cè)量元件：檢測(cè)被控制的物理量。 b) 給定元件：給出與期望的被控量相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)輸入量（即參考量）。 c) 比較元件：把測(cè)量元件檢測(cè)的被控量的實(shí)際值與給定元件給出的參考量進(jìn)行比較，求出它們之間的偏差。一個(gè)基本的反饋控制系統(tǒng)組成方塊圖如下：d) 放大元件：將偏差信號(hào)進(jìn)行放大，用以推動(dòng)執(zhí)行元件。e) 執(zhí)行元件：直接作用于被控對(duì)象，使被控量發(fā)生變化。f) 校正元件：也

6、叫補(bǔ)償元件以改善系統(tǒng)性能。16放大元件測(cè)量元件輸入量執(zhí)行元件被控對(duì)象擾動(dòng)輸入輸出反饋量比較元件偏差主反饋前向通道17一個(gè)典型的反饋控制系統(tǒng)組成方塊圖如下：基本概念：P5上部前向通路，主反饋通路，主回路，局部反饋通路，內(nèi)回路，單回路系統(tǒng)，多回路系統(tǒng)。185、自動(dòng)控制系統(tǒng)基本控制方式(1)、反饋控制方式最基本的控制方式 按偏差進(jìn)行控制，具有較高的抗干擾能力和控制精度。放大元件測(cè)量元件輸入量執(zhí)行元件被控對(duì)象擾動(dòng)輸入輸出反饋量比較元件偏差主反饋前向通道19電動(dòng)機(jī)速度控制系統(tǒng)(補(bǔ)充)+電壓放大u0nuaueut功率放大負(fù)載SMTG電動(dòng)機(jī)速度閉環(huán)控制系統(tǒng)20(2)、開環(huán)控制方式 指控制裝置與被控對(duì)象之間只

7、有順向作用而沒有反向聯(lián)系的控制過程。21功率放大SM負(fù)載+u0nua電動(dòng)機(jī)速度控制系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)速度開環(huán)控制系統(tǒng)(補(bǔ)充)22(3)、復(fù)合控制方式按偏差控制和按擾動(dòng)控制相結(jié)合的控制方式稱為復(fù)合控制方式。23分析實(shí)際控制系統(tǒng)的步驟明確控制任務(wù)；被控對(duì)象是什么？被控量（系統(tǒng)輸出量）？有無(wú)干擾？參考輸入？有誰(shuí)提供？什么是測(cè)量元件？測(cè)量哪些物理量？信號(hào)的比較、計(jì)算、放大是如何實(shí)現(xiàn)的？執(zhí)行機(jī)構(gòu)是什么？畫出控制系統(tǒng)的原理方框圖，分析系統(tǒng)采用何種控制方式。241-2 自動(dòng)控制系統(tǒng)示例例一. 函數(shù)記錄儀25例一. 函數(shù)記錄儀方塊圖26例二、電阻爐微型計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)P8具有精度高、功能強(qiáng)、無(wú)噪聲、讀數(shù)直觀、存檔方

8、便、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)27下圖為電爐溫度控制系統(tǒng)的方框圖281-3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類按控制方式分：開環(huán)控制/閉環(huán)控制(反饋控制)/復(fù)合控制按給定信號(hào)的形式：恒值系統(tǒng)/隨動(dòng)系統(tǒng)/程控系統(tǒng)按是否滿足疊加原理： 線性系統(tǒng)/非線性系統(tǒng)按參數(shù)是否隨時(shí)間變化： 定常系統(tǒng)/時(shí)變系統(tǒng)按系統(tǒng)中信號(hào)的形式： 連續(xù)系統(tǒng)/離散系統(tǒng)按輸入輸出量的多少： 單變量系統(tǒng)/多變量系統(tǒng)一般，為了全面反映自動(dòng)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，常常將各種分類方法組合應(yīng)用。29為了全面反映控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，常常將上述各種分類方法組合應(yīng)用：線性定常連續(xù)控制系統(tǒng)線性定常離散控制系統(tǒng)非線性控制系統(tǒng)301-4 對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求1、基本要求的提法 可以歸結(jié)為穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性。 穩(wěn)定性：是保證系統(tǒng)能夠正常工作的先決條件。線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)決定與外界因素?zé)o關(guān)。31 快速性： 對(duì)過渡過程的形式和快慢提出要求，一般稱為動(dòng)態(tài)性能。32 準(zhǔn)確性： 用穩(wěn)態(tài)誤差來(lái)表示。 在參考輸入作用下，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，其穩(wěn)態(tài)輸出與參考輸入所對(duì)應(yīng)的期望輸出之差叫做給定穩(wěn)態(tài)誤差。a)有靜差系統(tǒng) b)無(wú)靜差系統(tǒng)332、典型外作用 為了便于用統(tǒng)一的方法研究和比較控制系統(tǒng)的性能，通常選用幾種確定性函數(shù)作為典型外作用。 可選作典型外作用的函數(shù)